CN101583776B - 用于产生电力的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于将热力学能转换成电能的设备包括活塞/缸体单元(16)，发电机(18)和控制器(14)。所述活塞/缸体单元(16)包括压力缸(24)和设置在压力缸(24)中且可通过工作介质的体积改变而线性移动的活塞(26)。所述发电机(18)包括线圈(22)和磁体(20)。所述磁体(20)耦合到活塞(26)以使活塞(26)的线性移动造成线圈(22)内部磁体(20)的线性移动。控制器(14)按照至少一个测量的工艺参数的函数来控制所述的工作冲程。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生电力的系统，尤其是一种用于将热力学能转换成电能的设备。
背景技术
存在很多种涉及不同效率的从运动机械能产生电力的方式。在大多数情况下，使用对旋转运动进行变换的发电机。但是，这种周期性操作的机器仅仅在特定最小频率(转速)时才会获得令人满意的效率。当能量供应不恒定时，能量转换效率很低。能量供应的降低会导致在该机器最佳操作范围以外的较低旋转速度。这通常是通过传输来补偿的，然而这会导致整体效率的降低和较高的成本。由于相关的损耗，关闭和再次打开该机器并不能令人满意地解决这个问题。
在以下公开文献中可以得到用于从动能产生电力的完全不同的手段：H.Polinder，M.E.C.Damen，F.Gardner的“Design，modeling and test results of theAWS PM linear generator(AWS PM线性发电机的设计、建模和测试结果)”，European Transactions on Electrical Power(欧洲电力学报)，2005年(第15卷)，第245-256页。在该概念中，将源自海浪的压力转换成运动机械能，并借助于线性发电机将其变换为电力。然而在该情形中，仍然会因为能量供应不恒定，导致效率极可能会波动强烈，尤其是在压力转换成运动的过程中。该设备的工作循环受到自然的成波和波运动的影响，并且无法被改变。而且还认为，由动态波运动引起的对于所用压力缸与线性发电机的尺寸关系的高要求导致了较低的总能量变换效率。
进一步的问题在于，由线性发电机产生的不规律电压脉冲(具有不同振幅和脉冲宽度的个别偶发脉冲)不适于馈送到电力网中。到目前为止，这个问题已经通过首先将电压脉冲转换成直流电压予以解决。为了馈送到电力网中，通过网同步逆变器将该直流电压转换成合适的交流电压。然而，已经证实这些方法非常复杂且难以大规模付诸实施。此外，这种类型的转换在效率方面有不利影响。替代解决方案是从电压脉冲产生旋转能量。随后的输出电压的变换和逆变产生适合于馈送的交流电压。但在这种情况下，相对高的支出和不可避免的损耗仍然是不利之处。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于产生电力的低成本设备，其构造尽可能简单且独有地以高效率操作。
为了实现该目的，提出了一种设备，其包括具有压力缸和活塞的活塞/缸体单元，所述活塞被设置在所述压力缸中，并且可通过工作介质的体积改变来线性移动；包括线圈和磁体的发电机，所述磁体或线圈与所述活塞耦合以使得所述活塞的线性移动造成所述磁体相对于线圈的线性移动；和控制器，其按照至少一个测量的工艺参数的函数来控制所述设备的工作冲程。根据本发明的所述设备的操作并不遵从任何周期性的工作循环，而是基于单个工作冲程的受控序列，以使得每个工作冲程都能以最佳的能量转换效率进行。基于所测量的工艺参数的持续评估结果，所述控制器规定相适应工作冲程的时间序列。与周期性操作的机器相比，例如公知的两冲程发动机(斯特尔泽发动机，斯特林发动机)，所述工作冲程长度不与循环频率成比例。在理想的情况下，在根据本发明的设备中，能量转换过程总是以相同的效率进行，而不管每一单位时间执行多少次。
附图说明
根据下文的说明和附图，本发明进一步的特征和优点将显而易见，其中所述附图被参考，且其中：
图1示出了用于产生电力的系统的示意性结构；
图2示出了该系统在第一操作位置中的线性部分；
图3示出了在第二工作位置中的线性部分；和
图4示出了根据不同实施例的用于产生电力的系统的示意性结构。
具体实施方式
以下将描述本发明，将用于产生电力的系统作为实例。图1中所示的系统包括具有工作介质的热力学部分10和线性部分12，以及作用于这两个部分的控制器14。
在线性部分12中包括的主要部件(也参见图2和3)一方面是以活塞/缸体单元16形式的具有线性膨胀装置的单冲程“发动机”，而另一方面是具有磁体20和线圈22的线性发电机18。活塞/缸体单元16主要由压力缸24和活塞26构成，所述活塞26是在其中可替换的且耦合到线性发电机18的磁体20。压力缸24的第一工作室28形成在背向磁体20的活塞26侧，第二工作室30形成在面向磁体20的活塞26侧。
热力学部分10的主要部件基本上由泵32、换热器34、可选的蓄热器36和冷凝器38构成。图2和3示出，该系统的热力学部分10与线性部分12耦合，更精确来讲是借助于两个管道40、42耦合到单冲程发动机。分别与换热器34(或者更一般而言是具有较高温度的储热器)和冷凝器38(或者更一般而言是具有较低温度的储热器)连接的这两个管道40、42分别通往压力缸24的两个可变工作室28、30。将管道40、42耦合到工作室28、30的四个端口44、46、48、50可由控制器14选择性地打开或者关闭。
现在将在下面描述整个系统的操作模式。基本上，该系统根据以下原理操作：首先，在热力学循环中，热能(热能量)被转换成热力学能(蒸汽压力)。在单冲程发动机中，该蒸汽压力被变换为运动机械能(动能)。该动能最终借助于线性发电机18变换成电能。
通过提供热能对工作介质进行加热，并使其汽化，从而导致该工作介质体积的强烈膨胀。例如为所述换热器34使用太阳能面板，该太阳能面板通过日照来吸收热量并将其释放到流过的工作介质中，该工作介质由于受热而汽化。当将冷却剂用作沸点低于水的工作介质时，对于这部分过程可实现η＞20％的估计效率。该循环过程所需的通过冷却和冷凝实现的工作介质体积收缩是在较冷环境中的冷凝器38中实现的。通过泵32来压缩液态工作介质，并将其再次提供到换热器34中。
特别是当提供ORC工艺(有机朗肯循环)作为热力学循环时，所采用的工作介质优选的是适合于在此类ORC工艺中使用的介质，例如R245fa，或者是特别设计用于所述应用的合成工作介质，所述合成工作介质具有良好传热特性，而且还需具有如下特征：在所要求的ORC温度范围内，在工作介质中没有产生与环境压力有关的局部真空，这是因为由局部真空引起的空气渗入降低了ORC效率，而从长远来看难以在技术上避免这个问题。而且，由于在过热期间增加的能量仅仅稍微提高了ORC能量输出，因此在膨胀之前，应该仅仅需要尽可能低的汽化气体过热。
工作介质的加热/汽化在整个过程中是时间独立的，且不受到任何永久的最小要求的限制。基本上，也可以实现仅仅基于工作介质的加热和冷却的循环过程(不进行汽化和冷凝)；然而，这种情况下，整体效率会明显降低。基本上，也可以使用其它流体例如液压油、或者气体来作为热力学部分10的工作介质。
如图2中所示，来自于较高温度的储热器的膨胀工作介质经由第一管道40到达压力缸24的第一工作室28。为此，控制器14打开端口44并关闭端口46。同时，控制器14关闭第二管道的端口48并打开端口50。这对活塞26施加了力Fstroke，导致活塞26向右移动(根据图中的图示)，从而进行工作。在活塞26的相对较大冲程之后终止的这一过程构成了发动机的“正常”工作冲程。
由控制器14按照可获得的介质压力或者可使用的膨胀体积的函数实现的、对流入到工作室28中的体积(流入体积)进行的调整，能够在将热力学能转换成运动机械能的过程中实现非常高的效率，大致为η＝95％的估计效率。也可通过使用为上述需求条件优化的、且具有低摩擦和低热损耗的平滑移动活塞/缸体单元16来增强这种非常高的效率，以便能够实现高的膨胀速度。
线性发电机18的借助于刚性活塞杆52直接耦合的磁体20，与活塞26一起在线圈22内移动，以便在线圈22内感应出电压脉冲。因此，并没有提供用于事先将线性活塞移动转换成旋转运动的过程，正因为如此，借助于线性发电机18转换成电能的效率很高，达到大致为η＝90％的估计效率。如图1中所示，磁体20还借助于连接体55连接到活塞26。连接体55吸收由安装容隙引起的横向作用力。事实上，在压力缸24和线性发电机18中的精确地在一条轴上的线性运动仅在理论上可行。
图3示出了在上述工作冲程之后的反向工作冲程。控制器14关闭了打开的端口44、50，并打开了关闭的端口46、48，以便产生相反方向的活塞力-Fstroke以及活塞26的向左移动。这导致具有相反符号的电压脉冲。
之前描述的两个工作冲程彼此是完全独立的(特别是在时间方面)；也就是说，并没有像公知的多冲程发动机那样提供预先固定的周期性冲程序列。而是根据情形来启动单个的工作冲程，也就是仅当满足了特定标准(特别是工作介质的足够压力)时，控制器14才通过分别打开和关闭端口44、46、48、50来执行工作冲程。这取决于执行了两个工作冲程之一(正常的或反向的)的活塞26的当前位置。
对采用了由系统的热力学部分10提供的工作介质的活塞/缸体单元16进行操作时的特殊特征在于，控制器14了解在较高温度储热器和较低温度储热器两者中的工作介质的压力，并且仅当两个储热器之间的压力差很大以致较低储热器能够接收到位于工作室28(正常工作冲程)或30(反向工作冲程)中的工作介质在一个完整活塞冲程中喷射出的量时，才启动工作冲程。这确保了总是利用该完整活塞冲程，这提高了将运动机械能转换成电能的效率，如稍后所述。
活塞/缸体单元16的活塞冲程与活塞表面的尺寸、以及线性发电机18的磁体20和线圈22的尺寸是相互匹配的。关于将被传送的能量数量以及总的能量传送效率，已经证实具有相对大冲程(长冲程缸体)的活塞/缸体单元16是最适合的。
一种特定形式的线性发电机18实现了：对于压力缸24中的每个冲程，旋转发电机的转子执行180度的旋转，并保持在该位置直到由于已经满足工艺标准而执行反向工作冲程为止，随后进一步旋转该转子直到远至最初位置、或者将该转子转回，其中所述特定形式的线性发电机18也可从功能上模型化为机轴和旋转发电机的组合，所述旋转发电机在启动和关闭期间无损耗，例如RMT发电机。
如已经指出的，使用大量适合的传感器(压力、温度、液位传感器等)和控制器14来控制所述热力学循环和单冲程发动机，该控制器14可包括多个从属控制装置。控制器14通过考虑所有相关的工艺影响变量(热能供应，工作介质和环境的压力和温度，液位等)，持续监控整体情况。为了实现最佳的整体效率，控制器14实施多种过程控制，诸如调整液位、工作介质的流动速度、工作冲程的能量数量/膨胀体积、冲程频率、冲程尺寸、冲程长度等。在某些情况下，如果基于传感器数据，预计这样做将会引起较高的能量转换效率，则控制器14可以停止所有能量转换过程。
通过考虑以下内容，根据本发明的系统的实质优点将显而易见。当热能供应低时，在将热能转换为机械能的热力学转换过程中的理论可能效率被降低了卡诺效率：
ηCarnot＝1-TOUT/TIN
其中，TIN是在较高温度储热器中的工作介质的温度，而TOUT是在较低温度储热器中的工作介质的温度。
由控制器14引起的在太阳能面板中的工作介质流速的降低导致了较高的TIN和较低的每单位时间的流速。通过流速的降低、和受状态控制的线性发电机18的时钟频率的降低的组合，由此实现了：即使在低热能供应情况下，热能向电能转换的整体效率仍保持恒定。
系统的热力学部分10的可选隔热蓄热器36(储压器)适合于(在中间)在较长时间周期内存储被加热/汽化的工作介质。这在不均匀热能供应的情况中(例如在变化日照的情况中)尤其有用，而且在某种程度上，能够实现独立于热能供应的时间周期、并且不会对效率造成任何实质性降低的能量转换。以这种方式，尤其是可以确保最小启动量，以便允许相对于以这种方式在最小时间周期内的压力缸工作冲程的定时。对于该系统的热力学部分10的进一步开发使得可以使用具有不同沸腾温度的多种工作介质(冷却剂)。根据介质的瞬时最高可达温度，冷却剂的不同沸腾温度允许使用冷却剂或者两种(或多种)冷却剂的混合物，由此在热力学循环中实现瞬时最高效率。特别是，可使用适合于卡列纳循环的混合物，例如氨-水混合物。为了在需要的情况下再次分开冷却剂混合物，在这种情况下，在冷凝器38中提供分离器级。
也可使用用于从再生热源(例如温泉)提供热能的其他方式，来取代太阳能面板。而且，也可借助于合适的换热器34来对技术装置或系统的原本不可利用的废热加以利用。
通过使用上述手段，对于将热能转换成电力而言，应可实现恒定的总效率ηtotal＞15％。
由线性发电机18产生的不规律电压脉冲被变换为适合于馈送到电力网中的交流电压，这是因为每一个单独电压脉冲都被直接变换成网同步的交流电压。为此，提供了从线性发电机18的输出到反逆变器54的输入的直接耦合。(在图1中，在线性发电器18和逆变器54之间示出了额外的滤波整流单元56，它将在稍后讨论的替换实施例中被采用。)这种类型的变换要求；
-电压脉冲(明显地)长于所要产生的工频(mains frequency)的倒数，且作为输入电压处于逆变器54所要求的电压范围之内。
-所要馈送的电力网必须能够吸收偶然产生的工频。在其简单形式中，这种类型的电压变换因此不适合于自保持电源系统。
即使在快速变化的输入功率的情况下，所采用的逆变器54在宽的输入电压范围内以高效率产生具有恒定网同步交流电压的输出电力。当不存在或者存在过低的输入电压时，逆变器54停止该变换。一旦输入电压再次超出阈值，逆变器54就继续其工作，且立即再次将该网同步交流电压(以低损耗)馈送到网中。
根据这一方面的进一步研究，发电机的空闲时间或者馈送至网中时的波动可以至少部分地通过布置具有时间上的工作冲程偏移量的几个发电机来补偿。发电机可以或者每一个都被并行连接到逆变器以形成发电机/逆变器对，或者可以以低成本全部都耦合到相同逆变器器，但是这导致较低的效率。
根据图1中示出的实施例，依据当前通行的电力输送能力(throughput)，在线性发电机18的输出处，每单位时间发射多个电压脉冲。借助于滤波整流单元56将线性发电机18的输出耦合到逆变器54的输入，所述滤波整流单元56将脉冲转换成逆变器54可以使用的直流电压。逆变器54的输出耦合到所要馈送的电力网，以使得逆变器54持续变换成适合于馈送到电力网中的交流电压。
即使在“低能量输送能力”的情况下，也可进行将热能持续转换为适于馈送到电力网中的交流电压的转换过程。转换效率仅取决于热力学循环(优选为ORC循环)的温度等级，而不取决于每单位时间转换的热量。对将脉冲转换成适合于逆变器54的直流电压的滤波整流单元56的尺寸进行设定，以使得即使在所需的最小能量输送能力的情况下，其仍将产生的低频电压脉冲转换成直流电压电平，所述逆变器54能够在没有任何进一步的明显损耗或者中断的情形下将所述直流电压电平变换为适合于馈送到电力网中的交流电压。
图4中示出了本发明的不同应用。在该情形中，线性发电机18没有耦合到用于电力网的逆变器，而是耦合到具有适当的电池充电电压和电流的发电机(电池充电器)60，例如用于汽车的锂离子或镍镉电池。
还可以将线性发电机18耦合到电压产生器，以由此实施用于释放氢的电解。
Claims (15)
1.一种用于产生电力的系统，
包括用于将热力学能转换为电能的设备(12)，所述设备(12)包括：
-活塞和缸体单元(16)，其包括压力缸(24)和活塞(26)，所述活塞(26)被设置在所述压力缸(24)中，并通过工作介质的体积改变而线性移动，
-发电机(18)，其包括磁体(20)和线圈(22)，所述磁体(20)或者线圈(22)被耦合到所述活塞(26)以使得所述活塞(26)的线性移动造成所述磁体(20)相对于线圈(22)的线性移动，以及
-控制器(14)，其按照至少一个测量的工艺参数的函数，来控制所述设备的工作冲程，
并且还包括在上位连接的用于将热能转换为运动机械能的热力学设备(10)，所述热力学设备(10)包括：
-工作介质，
-第一较高温度储热器，在其中通过提供热能来加热所述工作介质，并使所述工作介质发生体积膨胀；以及
-第二较低温度储热器，在其中冷却所述工作介质，并使所述工作介质发生体积收缩，
所述膨胀的工作介质被提供到所述活塞和缸体单元(16)，所述控制器(14)按照所述至少一个测量的工艺参数的函数，来控制将所述工作介质提供到所述活塞和缸体单元(16)，
在评估传感器数据之后，所述控制器(14)根据在给定环境中可获得的最大效率，自动地调节所述工作介质的液位和/或流速。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于所述活塞(26)是通过流入到所述压力缸(24)的工作室(28、30)中的工作介质而移动的，所述控制器(14)确定所述流入的开始和持续时间。
3.根据权利要求1或2的系统，其特征在于仅当所述工艺参数满足预定标准时，所述控制器(14)才启动工作冲程。
4.根据权利要求1或2的系统，其特征在于所述磁体(20)是借助于刚性活塞杆(52)连接到所述活塞(26)的。
5.根据权利要求1或2的系统，其特征在于所述磁体(20)是借助于连接体(55)连接到所述活塞(26)的，所述连接体(55)被适配用于吸收横向力。
6.根据权利要求1或2的系统，其特征在于所述线性发电机(18)在功能上被模型化为机轴与旋转发电机的组合。
7.根据权利要求1或2的系统，其特征在于对于所述设备(12)的每个工作冲程，所述控制器(14)根据工作介质的可获得压力来调节流入到所述压力缸(24)的工作室(28，30)中的工作介质的体积，以实现最大工作室体积的最佳使用以及将在体积膨胀之后工作介质的压力最小化。
8.根据权利要求1或2的系统，其特征在于所述活塞和缸体单元(16)包括与所述活塞(26)相邻且经由具有端口(44，48；46，50)的一对管道(40；42)分别连接到所述第一和第二储热器的工作室(28，30)，所述端口(44，48；46，50)被适配为由所述控制器(14)选择性地打开和关闭。
9.根据权利要求1或2的系统，其特征在于所述工作介质具有低于水的沸点，且所述工作介质在第一储热器中汽化而在第二储热器中冷凝。
10.根据权利要求9的系统，其特征在于所述工作介质是适合于在ORC工艺中使用的介质。
11.根据权利要求1或2的系统，其特征在于按照所提供的热能的函数，选择特定工作介质、或具有不同沸腾温度的多种可用工作介质的混合物。
12.根据权利要求1或2的系统，其特征在于在下位连接的用于将电能馈送到电力网中的设备。
13.根据权利要求1或2的系统，其特征在于在下位连接的用于将电能馈送到电池充电电压和电流的发电机(60)中的设备。
14.根据权利要求13的系统，其特征在于所述电池是用于汽车的锂离子电池。
15.根据权利要求1或2的系统，其特征在于在下位连接的用于将电能馈送到用于释放氢的电解的电压产生器中的设备。
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