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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung, insbesondere einer Gebäudezentralheizung und/oder einer Warmwasserbereitungsanlage eines Gebäudes. Die Erfindung betrifft außerdem ein Betriebsverfahren für eine derartige Heizeinrichtung.
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Moderne Heizeinrichtungen der eingangs genannten Art, wie sie beispielsweise aus der
DE 35 16 962 C2 bekannt sind, umfassen einen Brenner, der beispielsweise mit einem fossilen Brennstoff, wie z. B. Heizöl oder Erdgas betrieben wird, einen Wärme-Kraft-Wandler, z. B. ein Stirlingmotor, sowie einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom. Im Betrieb der Heizeinrichtung beaufschlagt der Brenner eine Eingangsseite des Wandlers mit Wärme. Im Wandler wird die Wärme in Kraft gewandelt, die an einer Ausgangsseite des Wandlers zum Antreiben des Generators genutzt wird. Der vom Generator erzeugte Strom kann einerseits zur Stromversorgung des Gebäudes genutzt werden, in dem die Heizeinrichtung angeordnet ist, sogenannter „Inselbetrieb”. Andererseits kann der Generator auch an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden, um den damit erzeugten Strom in das Stromnetz einzuspeisen. Da das öffentliche Stromnetz mit einer vorgegebenen Wechselstromfrequenz sowie mit einer vorgegebenen Wechselspannung arbeitet, muss die Heizeinrichtung so ausgebildet sein, dass sie im Nennbetrieb am Generator die vorgegebene Frequenz und Spannung besitzt. Bei der Inbetriebnahme der Heizeinrichtung, also beim Einschalten des Brenners, kann der Wandler nicht sofort die erforderliche Nennleistung an den Generator abgeben, vielmehr muss das gekoppelte System aus Wandler und Generator erst aus dem Stillstand bis zum Nennbetriebspunkt hoch gefahren werden. Dieser Nennbetriebspunkt kann beim Wandler, z. B. bei einem Stirlingmotor, durch eine bestimmte Betriebstemperatur vorgegeben sein. Ebenso muss der Generator dann eine vorbestimmte Drehzahl oder Hubfrequenz besitzen. Während des Hochfahrens liegen jedoch transiente Zustände vor, die eine sofortige Einkopplung des Generators in das öffentliche Netz erschweren.
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Grundsätzlich kann der beim Hochfahren des Wandlers in diesem Übergangsbereich erzeugte Strom mit Hilfe eines Wechselrichters auf die gewünschte Spannung und Frequenz transformiert werden, um den Generator von Anfang an mit dem Stromnetz koppeln zu können. Ein derartiger Wechselrichter ist jedoch vergleichsweise teuer und für diese Art Heizeinrichtungen daher unwirtschaftlich. Desweiteren ist es grundsätzlich möglich, den Generator beim Hochfahren des Wandlers vom Netz zu trennen und statt dessen an einen Widerstand anzuschließen, bis der Nennbetriebspunkt stabil erreicht ist. Durch den angeschlossenen Widerstand wird quasi der „Inselbetrieb” simuliert. Für das nachfolgende Einkoppeln des Generators in das Stromnetz besteht nun jedoch das Problem, dass die vom Generator erzeugte Wechselspannung regelmäßig nicht synchron zur Wechselspannung des Netzes schwingt. Für die Einkopplung ist daher eine aufwendige Synchronisiereinrichtung erforderlich. Für Heizeinrichtungen der eingangs genannten Art ist eine derartige Synchronisiereinrichtung jedoch nicht wirtschaftlich.
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Des weiteren kann der Generator bereits beim Hochfahren des Wandlers an das Stromnetz angeschlossen sein, wodurch das Stromnetz dem Generator von selbst die richtige Frequenz aufzwingt. Bei Wandlern, die zwischen ihrer Eingangsseite und ihrer Ausgangsseite eine elastische Kopplung besitzen, kann dies zu einem instabilen Schwingungsverhalten führen, das zu einer Beschädigung des Wandlers und/oder des Generators führen kann. Eine solche elastische Kopplung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Wandlers liegt beispielsweise bei einem Freikolben-Stirlingmotor vor, dessen Verdränger über Federn mit dem den Generator antreibenden Arbeitskolben antriebsgekoppelt ist.
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Bei dem aus Wandler und Generator gebildeten System handelt es sich, insbesondere bei einem Stirlingmotor, einerseits um einen durch die gefederte Verbindung zwischen Verdränger und Arbeitskolben gebildeten mechanischen parallelen Schwingkreis sowie andererseits um einen durch die Induktivität und Kapazität des Generators gebildeten elektrischen seriellen Schwingkreis. Der mechanische Schwingkreis und der elektrische Schwingkreis besitzen jeweils eine Resonanzfrequenz sowie eine zugehörige Zeitkonstante, die mit der Trägheit des jeweiligen Schwingkreises korreliert. Im stationären Nennbetriebspunkt des Gesamtschwingungssystems, arbeiten beide Schwingkreise in einem Resonanzzustand, bei dem der Reaktanzanteil des Systems ein Minimum besitzt, wodurch sich ein maximaler Leistungsfaktor ergibt. Das bedeutet, dass das Schwingungssystem im Nennbetriebspunkt seinen höchsten Wirkungsgrad hinsichtlich der Umwandlung von Wärmeenergie über mechanische Energie in elektrische Energie besitzt. Auf diesem Resonanzzustand im Nennbetrieb sind Generator und Wandler aufeinander optimal abgestimmt.
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Beim Hochfahren des Wandlers können die Resonanzfrequenz und die Zeitkonstante des mechanischen Schwingkreises jedoch von den Wunschgrößen des Nennbetriebs abweichen, wodurch das Gesamtschwingungssystem instabil ist. Beispielsweise bilden bei einem Freikolben-Stirlingmotor die Temperatur im Gas der Gasfeder und somit der darin herrschende Druck wichtige Parameter für den mechanischen Schwingkreis. Die Gastemperatur und der Gasdruck besitzen beim Start des Brenners minimale Werte, die beim Hochfahren des Wandlers stark zunehmen.
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Vor Erreichen des Nennbetriebspunkts kann somit im Übergangsbereich die Zeitkonstante des mechanischen Schwingkreise kleiner sein als die des elektrischen Schwingkreises. Damit das Gesamtsystem stabil schwingt bzw. arbeitet ist es jedoch erforderlich, dass die Zeitkonstante des elektrischen Schwingkreises kleiner ist als die des mechanischen Schwingkreises. Über die Kopplung mit dem Stromnetz ist jedoch die Zeitkonstante des elektrischen Schwingkreises vorgegeben.
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Wenn das Gesamtschwingungssystem beim Hochfahren zu lange im instabilen transienten Zustand betrieben wird, können sich die Schwingungen gegenseitig so stark beeinflussen, dass sich am Generator und/oder am Wandler unzulässig hohe Amplituden aufbauen, die zu einer Beschädigung des Wandlers bzw. des Generators führen können.
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Aus der
DE 19943614 C1 ist ein Verfahren zur Lastregelung bei einer Wärmekraftmaschine mit Stromgenerator bekannt, um bei Lastwechsel die Spannung oder die Frequenz an den Klemmen des Stromgenerators durch stets gleiche Leistungsentnahme konstant zu halten, wobei eine Steuerung die Differenz zwischen maximalem Leistungsvermögen und anliegender elektrischer Last ermittelt und diese Differenz mittels eines variablen Lastwiderstands als Wärme auf hohem Temperaturniveau wieder dem Wärme-Kraft-Prozess zuführbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung gemäß den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass mit Hilfe des elektrischen oder ohmschen Widerstands, der seriell in den elektrischen Schwingkreis geschaltet ist, für den Übergangsbetrieb der Dämpfungsanteil im elektrischen Schwingkreis erhöht wird, um dadurch die Zeitkonstante des elektrischen Schwingkreises zu verkleinern. Diese Maßnahme hat zur Folge, dass auch im transienten Betrieb ein stabiler Zustand im Gesamtschwingungssystem herrscht, der eine Gefahr von Beschädigungen des Wandlers bzw. des Generators reduziert. Sobald dann der stationäre Betriebszustand des Gesamtsystems, also der Nennbetriebspunkt erreicht ist, kann der zusätzliche Widerstand oder Lastwiderstand weggenommen werden, um wieder eine maximale Leistungsabgabe an das Stromnetz zu erhalten. Da die vorgeschlagene Ausführungsform ohne Synchronisationseinrichtung und ohne Wechselrichter auskommt, ist sie für eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art besonders geeignet.
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Zweckmäßig wird der im transienten Betrieb seriell zugeschaltete Lastwiderstand so gewählt, dass die Zeitkonstante des Generators kleiner ist als die Zeitkonstante des Wandlers. Die Zeitkonstante ist ein Maß für die Trägheit des jeweiligen Schwingungssystems und entspricht einer normierten Zeit, die das jeweilige Schwingungssystem benötigt, um vom angeregten Zustand bei abgeschalteter Erregung selbsttätig auszuschwingen. Die Zeitkonstante des Generators entspricht dabei der Zeitkonstante des elektrischen Schwingkreises im Generator, während die Zeitkonstante des Wandlers durch die Zeitkonstante des mechanischen Schwingkreises gebildet ist.
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Bei der Erfindung wird der Generator erst dann über den Lastwiderstand an das Stromnetz angeschlossen, wenn der Wandler eine vorbestimmte Mindestleistung an den Generator abgibt, die jedoch unterhalb der Nennleistung des Wandlers liegt. Grundsätzlich kann diese Mindestleistung beliebig klein gewählt werden. Wenn die Mindestleistung jedoch unterhalb der Leistungsaufnahme des Generators liegt, zieht der Generator beim Anschließen an das Stromnetz die fehlende Leistung aus dem Stromnetz und arbeitet insoweit als Elektromotor. Mit zunehmender Wandlerleistung zieht der Generator immer weniger Leistung aus dem Stromnetz, bis ein Umkehrpunkt erreicht wird, ab dem der Generator dann tatsächlich als Generator arbeitet und Leistung in das Stromnetz einspeisen kann. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird nun die Mindestleistung, bei der erst der Anschluss des Generators an das Stromnetz erfolgt, so gewählt, dass der Generator beim Anschließen an das Stromnetz keine oder im wesentlichen keine Leistung aus dem Stromnetz zieht. Durch diese Maßnahme kann die Wirtschaftlichkeit der Heizeinrichtung verbessert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann zur Bestimmung der vom Wandler an den Generator abgegebenen Leistung eine an einer Komponente des Wandlers herrschende Temperatur verwendet werden, die mit der Leistung korreliert. Beispielsweise korreliert die Temperatur am Erhitzerkopf eines Stirlingmotors mit dessen Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe. Ebenso kann z. B. die Temperatur am Regenerator des Stirlingmotors herangezogen werden. Die jeweilige Temperatur kann mit einem geeigneten Temperatursensor, z. B. Pilesensor, ermittelt werden.
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Von besonderem Interesse ist außerdem, dass der erfindungsgemäß vorgeschlagene Lastwiderstand auch als sichere Notlast verwendet werden kann, wenn der Generator bei einem Störfall vom Stromnetz getrennt werden muss bzw. wenn das Stromnetz ausfällt. Mit Hilfe des Lastwiderstands kann dann im Notfall weiterhin die Leistung aus dem Generator entzogen werden, um dadurch überhöhte Drehzahlen und/oder überhöhte Amplituden im Generator bzw. im Wandler zu vermeiden. Der Lastwiderstand ermöglicht somit für den Störfall einen Inselbetrieb, der für einen kurzzeitigen Störfall die Aufrechterhaltung des stabilen Nennbetriebspunkts gewährleistet und bei einem längeren Störfall ein sicheres Herunterfahren des Wandlers ermöglicht.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine geschnittene Prinzipdarstellung einer Heizeinrichtung nach der Erfindung im Bereich eines Wärme-Kraft-Wandlers,
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2 ein vereinfachter Schaltplan der Heizeinrichtung.
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Entsprechend 1 umfasst eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 1, insbesondere einer Gebäudezentralheizung und/oder einer Warmwasserbereitungsanlage eines Gebäudes, einen Brenner 2, der entsprechend einem Pfeil 3 mit einem Brennstoff, z. B. Heizöl oder Erdgas, versorgt wird. Der Brenner 2 ist ringförmig um einen Erhitzerkopf 4 eines Wärme-Kraft-Wandlers 5 angeordnet, so dass der Brenner 2 im Betrieb den Erhitzerkopf 4 mit Wärme beaufschlagt. Die dabei entstehenden Abgase werden entsprechenden einem Pfeil 6 abgeführt und beispielsweise einem Wärmeübertrager zugeführt, um die in den Abgasen enthaltene Wärme zum Heizen zu nutzen.
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Der Wandler 5 ist hier durch einen Stirlingmotor gebildet, und zwar durch einen Freikolben-Stirlingmotor. Der Wandler 5 umfasst somit einen Expansionsraum 7 und einen Kompressionsraum 8. Ein im Expansionsraum 7 verstellbarer Verdränger oder Verdrängerkolben 9 treibt aufgrund der Gasexpansion im Kompressionsraum 8 über Federn 33 einen Arbeitskolben 10 an, der gemäß einem Doppelpfeil 11 bidirektionale Hubbewegungen durchführt. Die Hubbewegungen des Verdrängerkolbens 9 sind ebenfalls durch einen Doppelpfeil 12 symbolisiert. Im Übrigen umfasst der Wandler 5 einen Füllkörper 13, einen Regenerator 14 sowie einen Wärmeübertrager 15, dem entsprechend einem Pfeil 16 ein Kühlfluid zugeführt wird und aus dem entsprechend einem Pfeil 17 das Kühlfluid wieder abfließt. Der Erhitzerkopf 4 bildet dabei die Eingangsseite des Wandlers 5, über die der Wandler 5 Wärme aufnimmt. Dementsprechend bildet der Arbeitskolben 10 die Ausgangsseite des Wandlers 5, der Kraft in Form von mechanischer Antriebsleistung abgibt.
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Die Heizeinrichtung 1 umfasst außerdem einen Generator 18, der hier als Lineargenerator ausgebildet ist. Der Generator 18 enthält eine Spule 19 sowie einen Magneten 20 und einen fest mit dem Arbeitskolben 10 verbundenen Kern 21. Wenn der Kern 21 zusammen mit dem Arbeitskolben 10 Hubbewegungen durchführt, kann der Generator 18 entsprechend einem Pfeil 22 elektrische Leistung abgeben.
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In 2 ist in vereinfachter Weise das gesamte Schwingungssystem der Heizeinrichtung 1 als Schaltplan dargestellt, wobei gilt:
- F
- = Antriebskraft des Wandlers 5
- Fb
- = elektrische Bremskraft des Generators 18
- MAk
- = Masse des Arbeitskolbens 10 einschließlich des Kerns 21
- DAk
- = Dämpfung des Arbeitskolbens 10
- kAk
- = Federkraft des Arbeitskolbens 10
- ωXAk
- = vom Generator 18 aufgenommene Arbeit
- I
- = am Generator 18 induzierter Strom
- Uin
- = induzierte Spannung
- R
- = Innenwiderstand des Generators 18
- L
- = Induktivität des Generators 18
- C
- = Tuning-Kapazität des Generators 18 mit C = 1/(Lω2)
- C'
- = zusätzliche Kapazität des Generators 18
- R'
- = veränderbarer Lastwiderstand.
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Entsprechend 2 kann das schwingungsfähige System der Heizeinrichtung 1 durch zwei miteinander gekoppelte Schwingkreise dargestellt werden. Einerseits bildet der Wandler 5 einen mechanischen parallelen Schwingkreis 23 und andererseits bildet der Generator 18 einen elektrischen seriellen Schwingkreis 24. Die einzelnen Komponenten von Wandler 5 und Generator 18 sind so aufeinander abgestimmt, dass in einem stationären Nennbetrieb, bei dem der Generator 18 an das öffentliche Stromnetz 25 angeschlossenen ist, beide Schwingkreise 23, 24 einen Resonanzzustand aufweisen, bei dem der Reaktanzanteil des Systems minimal ist, so dass der Generator 18 besonders viel elektrische Leistung an das Netz 25 abgeben kann.
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Entsprechend 2 umfasst die Heizeinrichtung 1 eine nur symbolisch dargestellte Steuerung 26, die so ausgebildet ist, dass sie die vom Wandler 5 an den Generator 18 abgegebene Leistung bestimmen kann. Beispielsweise ist die Steuerung 26 über eine Signalleitung 27 mit einer Temperaturmessstelle 28 (vgl. 1) verbunden, mit deren Hilfe eine mit der Leistung korrelierende Temperatur bzw. ein damit korrelierender Signalwert, ermittelt werden kann. Beispielsweise umfasst die Temperaturmessstelle 28 einen Thermopilesensor, mit dem die Temperatur am Erhitzerkopf 4 des Wandlers 5 berührungslos ermittelt werden kann. Die Steuerung 26 ist außerdem über eine Steuerungsleitung 29 mit einem Lastwiderstand 30 verbunden, der einen einstellbaren ohmschen Widerstand besitzt. Dieser Lastwiderstand 30 ist mit dem an das Netz 25 angeschlossenen Generator 18 in Serie geschaltet. Die Steuerung 26 kann somit den Lastwiderstand 30 verändern. Über eine weitere Steuerleitung 31 ist die Steuerung 26 mit einem Schalter 32 verbunden, mit dem der Generator 18 an das Netz 25 anschließbar bzw. davon trennbar ist. In 2 ist der Schalter 32 so geschaltet, dass der Generator 18 an das Netz 25 angeschlossenen ist.
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung 1 arbeitet wie folgt:
Bei ausgeschaltetem Brenner 2 ist der Generator 18 vom Netz 25 entkoppelt, d. h. der Schalter 32 ist in seine Offenstellung geschaltet. Wenn der Brenner 2 gestartet wird, beginnt dieser den Erhitzerkopf 4 mit Wärme zu beaufschlagen. Der Wandler 5 beginnt dementsprechend Wärme in Kraft bzw. in Hubbewegungen des Arbeitskolbens 10 umzuwandeln. Die Hubbewegungen des Kerns 21 induzieren im Generator 18 Strom, wodurch der Generator 18 Leistung aufnimmt. Da die Temperatur des Erhitzerkopfs 4 mit der Leistungsaufnahme des Generators 18 bzw. mit der Leistungsabgabe des Wandlers 5 korreliert, kann die Steuerung 26 die vom Wandler 5 an den Generator 18 abgegebene Leistung überwachen, indem sie die Temperatur am Erhitzerkopf 4 überwacht.
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Solange diese Leistung unterhalb einer vorbestimmten Mindestleistung liegt, ist der Schalter 32 geöffnet, so dass der Generator 18 vom Netz 25 getrennt ist. Sobald jedoch der Wandler 5 bei einer entsprechenden Temperatur am Erhitzerkopf 4 die Mindestleistung an den Generator 18 abgibt, schaltet die Steuerung 26 den Schalter 32 in seine Schließstellung, wodurch der Generator 18 an das Netz 25 angeschlossen wird. Dabei gewährleistet die Steuerung 26 jedoch, dass der Lastwiderstand 30 einen bestimmten Wert besitzt, so dass der Generator 18 über den Lastwiderstand 30 seriell an das Netz 25 angeschlossen ist.
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Der Lastwiderstand 30 wird von der Steuerung 26 zweckmäßig so gewählt, dass die Zeitkonstante des Generators 18 bzw. des elektrischen Schwingkreises 24 kleiner ist als die Zeitkonstante des Wandlers 5 bzw. des mechanischen Schwingkreises 23. Auf diese Weise kann ein stabiles Hochfahren für das Schwingungssystem aus Wandler 5 und Generator 18 gewährleistet werden. Die Mindestleistung, bei welcher die Steuerung 26 den Generator 18 mit dem Netz 25 verbindet, liegt deutlich unterhalb der Nennleistung, die der Wandler 5 im stationären Nennbetriebspunkt an den Generator 18 abgibt. Zweckmäßig ist diese Mindestleistung so gewählt, dass der Generator 18 beim Anschließen an das Stromnetz 25 tatsächlich als Generator 18 arbeitet und nicht als Elektromotor, so dass gewährleistet ist, dass der Generator 18 beim Anschließen an das Stromnetz 25 keine Leistung aus dem Stromnetz 25 herauszieht.
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Durch das Anschließen des Generators 18 an das Stromnetz 25 wird dem elektrischen Schwingkreis 24 des Generators 18 die Netzfrequenz aufgezwungen, was sich auf das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems auswirkt.
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Während des Hochfahrens des Wandlers 5 von seiner Mindestleistung bis zu seiner Nennleistung kann der Lastwiderstand 30 von der Steuerung 26 in Abhängigkeit der Wandlerleistung kontinuierlich oder stufenweise reduziert werden. Sobald der Wandler 5 seine Nennleistung erreicht, kann der Lastwiderstand 30 vollständig weggenommen werden, da dann der stabile Nennbetriebszustand des Schwingungssystems aus Wandler 5 und Generator 18 erreicht ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Lastwiderstand 30 während des transienten Zustands bis zum Erreichen der Nennleistung konstant gehalten werden und erst dann kontinuierlich oder stufenweise reduziert werden, wenn der Wandler 5 seine Nennleistung abgibt.
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Mit Hilfe des Lastwiderstands 30 kann das Schwingungssystem der Schwingkreise 23 und 24 so beeinflusst werden, dass instabile Zustände vermieden werden können, die zu unzulässig hohen Amplituden des Arbeitskolbens 10 führen können. Darüber hinaus kann der Lastwiderstand 30 auch bei einem Störfall zur Verhinderung von Beschädigungen des Generators 18 sowie des Wandlers 15 genutzt werden:
Für den Fall, dass die Steuerung 26 einen Ausfall des Stromnetzes 25 erkennt und/oder für einen Notfall den Generator 18 vom Stromnetz 25 trennen soll, kann die Steuerung 26 durch eine entsprechende Betätigung des Schalters 32 und des Lastwiderstands 30 den Generator 18 vom Netz 25 trennen und statt dessen mit dem in geeigneter Weise eingestellten Lastwiderstand 30 verbinden. Durch den so erreichten Inselbetrieb kann der Generator 18 weiterhin elektrische Leistung an den Lastwiderstand 30 abgeben, ohne dass unzulässige Werte für die Amplitude des Arbeitskolbens 10 erreicht werden. Zweckmäßig ist der Widerstandswert des eingeschaltetenden Lastwiderstands 30 auf die aktuelle Leistung des Wandlers 5 abgestimmt. Die Steuerung 26 kann dann eine übliche Routine zum Herunterfahren des Wandlers 5 ablaufen lassen oder, wenn der Störfall beendet ist, den Generator 18 wieder an das Netz 25 anschließen.
