DE10305128A1

DE10305128A1 - Verfahren zur Regelung eines Wärmemotors

Info

Publication number: DE10305128A1
Application number: DE10305128A
Authority: DE
Inventors: Roman Koller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2003-08-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für einen in einen Hybrid Antrieb eingebundenen Motor, der mit Wärmezufuhr betrieben wird, z. B. mit einem Stirling Motor mit dem Zweck mit möglichst geringem Aufwand den Hybrid Antrieb bei optimalen Wirkungsgrad zu regeln.
Dabei kann als weiterer Antrieb zum Stirling Antrieb z. B. ein Elektromotor M, und/oder eine Wasserkraft Turbine, etc. vorgesehen sein. Im Besonderen wird die vorliegende Erfindung für den Antrieb einer konstant zu haltenden Drehzahl Gebrauch gemacht, z. B. um einen Synchrongenerator anzutreiben, und/oder den Kompressor einer Wärmepumpe unmittelbar oder über den einen Synchrongenerator anzutreiben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendungsfälle eingeschränkt. Der in den Ansprüchen benutzte Begriff Wärmeenergieträger ist in allgemeinster Form zu verstehen, z. B. daß die Wärme dem Motor über ein entsprechendes Mittel zugeführt wird.

Stand der Technik ist, daß für den Fall, daß ein Motor mit äußerer Wärmezuführung, z. B. ein Stirung Motor verwendet wird, die Regelung des Stirling Motors immer etwas problematisch ist, insbesondere wenn bei stark schwankender Last eine sehr konstante Drehzahl erreicht werden soll, z. B. um mit einem Synchrongenerator mit hohem Wirkungsgrad eine der Drehzahl und Polzahl des Generators entsprechende konstante Netzfrequenz zu erzeugen oder bei einer Wärmepumpe den Kompressor mit konstanter Drehzahl anzutreiben.

Aufgabenstellung ist, unter Beibehaltung eines sehr guten Gesamtwirkungsgrades den Aufwand für die Regelung der äußeren Wärmezuführung des Motors möglichst gering zu halten. Weiters soll bei eventueller Nachrüstung, z. B. wenn ein Wasserkraftwerk zusätzlich mit einem Stirling Motor ausgerüstet werden soll, der bisher verwendete Regelkreis, bestehend aus Meßeinrichtung (z. B. Frequenz oder Drehzahlmessung), Regelschaltung und Stellglied (z. B. einem Dosierschieber für die Regelung der der Turbine zugeführten Wassermenge) erhalten bleiben. In vorliegender Erfindung beschriebene Anwendungen sind: die Ausführung eines derartigen Kraftwerkes als Hybridkraftwerk (Turbine + Stirling), insbesondere noch zum Zweck des Antriebs einer Wärmepumpe, und die Regelung eines Stirling Motors, der direkt eine Wärmepumpe antreibt. Gleichfalls sind noch besondere Maßnahmen ergriffen, um einen möglichst guten Wirkungsgrad solcher Anlagen zu erhalten. Dabei ist in der Aufgabenstellung weiterhin mit enthalten, zu vermeiden, daß der Wirkungsgrad des Stirung Motors schlechter wird, wenn der vom Stirling Motors jeweils zu erbringende Leistungsanteil des Hybrid Antriebs sich verringert, bzw. schwankt.

Die Lösung der gestellten technischen Aufgabe erfolgt nach Anspruch 1. Dabei wird der Stirling Motor als (virtuelle) Lasterverringerung benutzt, wodurch in die Regelung der Drehzahl des um den Stirling Motor erweiterten Hybrid Antriebes nicht eingegriffen werden muß. Der Stirling Motor bewirkt lediglich eine von dieser Regelung ohnehin mit erfaßte Belastungsverringerung. Dabei wird der Stirling Motor nach dem Sollzustand eines als Pufferspeicher wirkenden Energiespeichers geregelt, der den zum Stirling Motor ergänzend vorhandenen weiteren Antrieb (Elektromotor, Turbine) über das dem Regelkreis zugehörige Stellglied (Schieber der Turbine oder Stromregelung des Motors) speist.

Die in der Erfindung beschriebenen Ausführungsbeispiele sind Weiterbildungen der Erfindung. Soweit in den Ansprüchen vermerkt, wird für einige dieser Weiterbildungen auch um eigenständigen Schutz des Anspruchs angesucht.
Zunächst wird die bevorzugte Regelung beschrieben, wo der Stirling Motor eine Unterstützung bei der Energieerzeugung eines durch Wasserkraft angetriebenen Peltonrades TB (Fig. 7) vornimmt und der Synchrongenerator GEN sein Drehmoment durch das Peltonrad TB bezieht oder durch den Stirling Motor bezieht oder beide Antriebe gleichzeitig einspeisen. Als dritter Hybridantrieb wird ein Elektromotor M verwendet, der von einem Akku als Pufferspeicher gespeist wird, der über den Synchrongenerator GEN, der auch den Verbraucher speist, geladen wird. Der Speicherbehälter von einigen m³ über den die Wasserversorgung des Peltonrades vorgenommen ist, bildet gleichermaßen einen Pufferspeicher. Die Regelung des Peltonrades TB durch den Schieber SB weist eine Erkennung (Fig. 2a) auf, ab wann die Drehzahl des Synchrongenerators wegen Wassermangel nicht mehr regelbar ist, worauf eine Umschaltung der Drehzahlregelung des Schiebers auf eine Drehzahlregelung durch den weiter vorhandenen Elektromotor M erfolgt, bzw. wieder eine Rückschaltung auf die Regelung des Schiebers, wenn die Drehzahl durch den Schieber wieder ausreichend veränderbar ist, um den Sollwert zu halten.
Dabei wird zu dieser Umschaltung gleichfalls eine Umschaltung für das Kriterium vorgenommen nach dem die Heizleistung des Stirling Motors geregelt wird. Dabei wird die Heizleistung des Stirling Motors stets nach dem Ladestand des Pufferspeichers geregelt, der jeweils jenen Antrieb speist, der gerade die Drehzahl des Synchrongenerators GEN regelt. In der Übergangszone, wo die Drehzahl abwechselnd durch den Schieber des Peltonrades und durch den Strom des Elektromotors geregelt wird, wird durch ein Zeitintegral festgestellt, welche der beiden Regelungen jeweils überwiegt und die Heizleistung nach dem Ladestand des Pufferspeichers, der der überwiegenden Regelung zugehörig ist geregelt, oder es wird in langsamer alternierender Umschaltung nach dem jeweiligen Ladestand beider Pufferspeicher geregelt. Im vorliegenden Beispiel also nach dem Füllstand des Speicherbehälters und nach dem Ladestand des Akkus. Dabei kann die Regelung nach dem Füllstand des Speicherbehälters jederzeit veranlassen, daß der Schiebe zurückgefahren wird, um den Speicherbehälter wieder aufzuladen, indem über den Motorstrom des Elektromotors M ein erhöhtes Drehmoment eingespeist wird, das bewirkt, daß der Schieber auf eine vorgegebene Minimalstellung SBmin (die als Sollstellung abgetastet wird) bei der des Füllstand des Sammelbehälters wieder aufgeladen wird. Dies dient der Synchronisation der Energieerzeugung zur Lastanschaltung, z. B. zu den Einschalt-Ausschaltzeiten einer Wärmepumpe. Dabei wird unter Beibehaltung von Drehzahlregelung des Synchrongenerators GEN, weiters der Regelung der Heizleistung des Stirling Motors noch eine dritte Regelung, nämlich, die der Schieberstellung SBmin durch entsprechende Einspeisung des Motorstromes des Elektroantriebs M durchgeführt. Dabei kann, falls die Regelung dies erfordert, dieser Motorstrom nach einem gewünschten Sollanstieg des Füllstandes im Sammelbehälter vorgenommen sein.
Anschließend an dieses Beispiel ist eine Regelung beschrieben, wo der Stirling-Motors nur einen Akku gespeisten Elektromotor Mals Hybrid Antrieb aufweist. In Weiterer Anwendung zum Antrieb des Kompressors einer Wärmepumpe, wobei der in der Regel ohnehin vorhandene Drehstrommotor des Kompressors als Motor M für den Hybrid Antrieb verwendet ist, und die Regelung über den Motorstrom, als auch im Umkehrbetrieb über den Generatorstrom (des Motors M) vorgenommen ist, wobei der als Generator betriebene Motor M, den Akku wieder auflädt. Dabei ist der Stirling Motor stets mit jener Leistung betrieben, bei der er seinen optimalen Wirkungsgrad hat.
Weiters wird in Weiterbildung noch von einem thermischen Pufferspeicher des Stirlingmotors Gebrauch gemacht, von einer besonders geeigneten Heizplatte, um das als Wärmeträger verwendete Thermoöl besonders homogen aufzuheizen, und einer sehr kostengünstig herzustellenden Hochtemperaturpumpe um das Thermoöl zu pumpen.
Die beschriebene Regelung ist jedoch nicht auf Wärmepumpenanwendungen eingeschränkt. Insbesondere können auch noch weitere erneuerbare Energiequellen mit eingebunden werden, wie z. B. Solarhitze, etc. Dito können auch mobile Anwendungen realisiert werden, wie z. B. mit Brennlinsen ausgestattete Bootsantriebe, etc. Nachfolgend sollen die angegebenen Beispiele im Detail weiter beschrieben werden:
Die nachfolgend beschriebene Regelung kann sowohl für ein Wasserkraft E-Werk als auch für eine stand alone Kombination Stirling Motor/Wärmepumpe verwendet werden. Eine solche Stirling Motor/Wärmepumpe Kombination bringt für alle Heizarten (Holz, Kohle, Gas, etc.) 50% Ersparnis der Heizkosten. Z. B. bei einem Leistungsfaktor der Wärmepumpe von 5, einem Wirkungsgrad des Stirling notors von 0.36, und einer Abwärmenutzung von 0.5 erhalten wird Pout = Pin.0.36.5 + 0.5 = Pin.2.3. Somit das Verhältnis von abgegebener Wärmeleistung Pout zur eingespeisten Pin > 2 bzw. in diesem Fall 2.3 ist.
Bei Nutzung von Wasserkraft als erneuerbare Energie ist das Überwasser des Peltonrades eine ideale Wärmequelle für eine Sole Wärmepumpe.

Beispiel

Bei einem Wirkungsgrad des Peltonrades von z. B. 50% bei minimaler Leistung von 5 kW, liefert das gegebene Gefälle von 180 m eine Leistung von 10 kW = 1020 kpm/s (1020 kpm/s)/180 m = mind. 5 Liter Wasser/Sekunde. Bzw. eine Wärmeleistung von garantiert 20 kW je °C. Somit (aufgrund der spez. Wärme von Wasser) 1.5°C Austrittstemperatur des Überwassers aus dem Peltonrad ausreichend sind, um eine Wärmemenge von 30 kW zu entziehen. Liefert das Peltonrad seine Volleistung von 10 kW dann ergeben sich 60 kW für 1.5°C; oder für eine kleinere Wärmepumpe 20 kW, wobei das Wasser dann nur mehr 0.5°C aufweisen muß.
Um mit dem Sole Rohr (22, 11) der Wärmepumpe dem in einen Teich oder Pool abfließenden Überwasser des E-Werkes diese Wärmeinenge zu entziehen ist die später zu Fig. 11a, Fig. 11b beschriebene Vorrichtung (geeignet für den Anschluß zweier Wärmepumpen W1, W2) vorgesehen. Dabei kann auch im Umkehrbetrieb der Wärmepumpe das für den Abfluß des Überwassers vorgesehene Abflußrohr (R) auch als Durchlauferhitzer zur Speisung eines Pools (Naturteichs) verwendet werden.

Regelprinzip für den Hybridantrieb (passend zu Anordnung nach Fig. 7)

Das verwendete Regelprinzip hat die Eigenschaft, daß einerseits eine Verbraucher gestützte Regelung der vom Stirling Motor eingespeisten Leistung möglich ist, andererseits das bekannt träge Regelverhalten des Stirling Motors dabei absolut keine Rolle spielt. Bei dieser Verbraucher gestützten Regelung werden Lastspitzen unmittelbar über die Energiespeicher der erneuerbaren Energie (Sammelbehälter des Peltonrades, bzw. Akku des für die Regelung weiterhin verwendeten Motors M) ausgeregelt und nicht durch den Stirling Motor, der das eingespeiste Drehmoment immer nur gerade auf ein Minimum hält, damit die erneuerbare Energie den Energiespeicher nach einer der Lastanschaltung entsprechenden Funktion entladen bzw. aufladen kann oder auch nur die geladene Energie unveränderlich speichern kann. Fig. 2a zeigt hierbei die automatische Umschaltung der Regelung von der Energieerzeugung des Peltonrades auf die Einspeisung des für die Regelung weiterhin verwendeten Motors M, wenn der Schieber SB des Peltonrades die Drehzahl des angetriebenen Synchrongenerators GEN nicht mehr wesentlich beeinflussen kann. Fig. 18 betrifft dabei den Spezialfall, daß zum Zwecke der "Aufladung" des Wasserstandes im Sammelbehälter im für die Regelung weiterhin verwendeten Motor M ein entsprechender Strom eingespeist wird, um durch Drosselung über den Schieber SB die Aufladung des Sammelbehälters (über dessen Zuführungsschläuche) zu erreichen. Ist die Durchschnittsleitung des Peltonrades ausreichend, dann kann der Akku, der während der Zeit der Aufladung des Sammelbehälters den Motor M, der in dieser Phase das wesentliche Antriebsmoment liefert, ausreichend speisen, wenn er in der Zeit, in welcher jeweils die Turbine (Peltonrad) das wesentliche Antriebsmoment liefert, ausreichend geladen werden kann. Ist dies nicht der Fall, was durch Überwachung des Ladeszustandes und Verwendung des Ladeszustandes als Regelgröße für die Heizung des Stirling Motors detektiert ist, dann schaltet sich der Stirling Motor entsprechend zu. Bei dieser Zuschaltung ist weiterhin vorgesehen, den Stirling Motor in einem Puls Pausenbetrieb derart zu betreiben, daß er den Akku bei gefahrener maximaler Leistung soweit lädt, daß der Gesamtwirkungsgrad am höchsten ist, wie später noch näher beschrieben wird. Dieses Verfahren kann auch angewendet werden, wenn nur ein Elektroantrieb M als Hybridantrieb vorhanden ist (ohne Turbine, etc.) und dieser Elektroantrieb M gegebenenfalls auch im Umkehrbetrieb als Generator benutzt wird um den Akku zu laden, wobei er hierbei die nachfolgend noch näher beschriebene Regelfunktion (vgl. Fig. 2, Fig. 2b) ausübt.
Auch wenn der Stirling Motor im (optional vorgesehenen) Puls Pausenbetrieb betrieben wird, bildet er über die Puls Pausenzeit (bzw. über die Unterstützung durch den Motor M integriert) eine virtuelle Lastverringerung, die stets so geregelt wird, daß der Füllstand im Sammelbehälter (7 m³) ausreichend erhalten bleibt, damit am Schieber der volle Staudruck, welcher der durch das Peltonrad maximal zu erzeugenden Leistung (z. B. 10 kW) entspricht immer ansteht. Somit auch bei geringer Wassermenge (z. B. 5 kW) der Schieber die volle Leistung (z. B. 10 kW) kurzzeitig regeln kann. Im Spezialfall wird die Regelung des Schiebers über die Verbraucherlast (z. B. Intervallbetrieb Wärmepumpe) synchronisiert um den Sammelbehälter (7 m³) als Pufferspeicher zu verwenden. Dabei erfolgt dies jedoch nicht unmittelbar, sondern indirekt über die vom Stirling eingespeiste Lastverringerung, wobei der Stirlingmotor wiederum direkt über den Füllstand im Sammelbehälter (7 m³) geregelt wird, bzw. gegebenenfalls über den Ladezustand eines Akkus, wenn dieser den Sammelbehälter weiterhin unterstützt oder ersetzt (vgl. nachfolgend zu Fig. 2a).
Im Prinzip können zwei unterschiedliche Unterstützungsfälle für den Stirling Motor auftreten: der erste Fall betrifft die Leistungskompensation wegen Wassermangel (z. B. nur 5 kW verfügbar), der zweite Fall betrifft den Ausgleich einer zusätzlichen Überlast, welche die vom Peltonrad maximal erbringbare Leistung (z. B. 10 kW) überschreitet um die wesentlich höhere Generatorleistung von z. B. 25 kW noch auszunutzen. Bzw. um im Extremfall auch ohne Wasserenergie den Generator über den Stirling Motor antreiben zu können. In diesem Fall erfolgt die Regelung für den Stirling Motor nach dem Ladezustand eines Akkumulators, der als elektrischer Pufferspeicher über einen Elektromotor (Motor M) ein entsprechendes Drehmoment in den Generator mit einspeist. Dieser Elektromotor (Motor M) ersetzt in diesem Fall das Peltonrad, kann jedoch in einer optionalen betriebsweise auch die Schieberregelung des Peltonrades unterstützen (wenn dies entsprechend vorgesehen wird). Der autarke Betriebszustand, bei dem der Stirling Motor ohne Peltonrad die Antriebsenergie zum Antrieb des Verbrauchers liefert, wird in einem weiteren Anwendungsbeispiel (entsprechend Fig. 5b) für den autarken thermischen Antrieb einer Wärmepumpe benutzt. Dabei tritt für die erfindungsgemäße Regelung der Stirling Mötor jedoch nur als (virtuelle) Lastverringerung auf, der das Antriebsdrehmoment zwar aufbringt, bezogen auf die Regelung jedoch der geregelte Antrieb über den weiterhin vorgesehenen Akku gespeisten Elektromotor (Motor M) vorgenommen ist, der jeweils der Regelung entsprechend im Umkehrbetrieb als Generator arbeitet um den durch die direkte Drehmomenteinspeisung des Stirling Motors vorhandenen Drehmomentüberschuß jeweils auszuregeln. Dabei ist der Stirling Motor jedoch nicht nach dem eingespeisten Drehmoment geregelt (wie nach dem Stand der Technik unter Verwendung eines Drehmomentsensors für einen summarischen Hybridantrieb üblich), sondern ausschließlich über den Ladezustand des verwendeten Pufferspeichers, in diesem Fall des Akkus.
Der Synchrongenerator (GEN) wird daher von zwei alternativen Energiequellen angetrieben: über die Wasserspeicherung des Sammelbehälters (z. B. 7 m³) und über die Energiespeicherung des Akkus. Der über eine elektrische Lamellenkupplung der Generator/Turbinenwelle zuschaltbare Stirling Motor wird ausschließlich über den SOLL- Pegel (Ladezustand) der verwendeten Energiespeicher (Sammelbehälter, bzw. Akku) geregelt, und zwar abhängig davon, über welchen Antrieb (Turbine TB oder Elektromotor M) die Regelung der Drehzahl des Verbrauchers (hier Synchrongenerator GEN) gerade vorgenommen ist (vgl. Fig. 2a).
Da jedoch im Falle des Ladeprozesses eines betreffenden Pufferspeichers, wie z. B. das Aufladen des Sammelbehälters durch entsprechende Drosselung der Wasserentnahme, eine weitere Regelung nach der Erhöhung des Füllstandes (Ladezustandes) des Sammelbehälters über die Einspeisung Motorstromes in den Motor M zur Erzeugung eines entsprechenden Drehmomentes vorgenommen wird (vgl. zu Fig. 18), wir einerseits beim Füllen (bzw. Laden) des Pufferspeichers (bzw. Sammelbehälters) der geforderte SOLL- Füllstand, bzw. Anstieg des Füllstandes eingehalten, andererseits wird die Heizleistung des Stirling Motors nach dem Akkuladestand, welcher den Motorstrom liefert, geregelt (falls der Stirling Motor betrieben ist, je nach Leistungsvermögen der Wasserkraft bei nach der Aufladung einsetzenden Betrieb der Turbine über die der Akku gleichfalls geladen wird). Ob der Akku über den Betrieb der Turbine geladen werden kann, entscheidet jeweils die nach Fig. 2 einsetzende Umschaltung der Drehzahlregelung (von Turbine auf Motorstrom vom M), da bei der nach Fig. 2 hierarchisch abgestuften Umschaltung der Drehzahlregelung auf eine Regelung durch den Motor M auch die Regelung der Heizleistung nach dem Ladestand des Akkus mit umgeschaltet wird, ergibt sich die bei Bedarf (d. h. Akku wird nicht ausreichend geladen) selbstätige Zuschaltung des Stirling Motors.
Weist der Füllstand (dito gegebenenfalls Akku) einen ausreichenden Ladezustand auf, dann ist die vorgegebene Heizleistung Null, d. h. der Stirling Motor ist abgeschaltet (über elektrisch gesteuerte Kupplung). Weist der Ladezustand jedoch einen Mangel (d. h. eine unzureichende Ladung) auf, dann wird die Heizleistung eingeschaltet, d. h. der Stirling Motor wird zugeschaltet (über elektrisch gesteuerte Kupplung) und über die zugeführte Heizleistung geregelt. Rücknahme der Heizleistung: Nach Erreichen des ausreichenden Ladeszustandes des die Regelung der Heizleistung jeweils betreffenden Pufferspeichers (z. B. Akkuladung) wird die Heizung des Stirling Motors jeweils wieder abgeschaltet (bzw. Auskuppeln des Motors). Dabei schaltet sich die Drehzahlregelung jedoch immer auf den richtigen Antrieb, d. h. Beibehaltung der Regelung durch den Motorstrom, oder Rückschaltung auf die Schieberregelung der Turbine. Wird auf die Schieberregelung umgeschaltet, und gibt das Steuerprogramm (je nach Verbrauchersteuerung, bzw. gegebenenfalls Einschaltzustand einer Wärmepumpe, etc.) der Regelung vor, daß ein bestimmter Füllstand des Sammelbehälters eingehalten werden soll, und entspricht dieser vorgegebene Füllstand nicht der Vorgabe, dann wird die Heizleistung des Stirling Motors nach dieser Füllstandsvorgabe geregelt, da die Drehzahlregelung des Antriebes durch die Turbine (bzw. den Schieber des Peltonrades) vorgenommen ist, wodurch der Stirlingmotor eine Entlastung der Generatorbelastung (Ig) vornimmt über die der Durchflußquerschnitt des Schiebers des Peltonrades gerade soweit zurückgefahren wird, daß die Sollwertvorgabe für die Füllstandvorgabe ihren Wert beibehält. Je nach Verbraucherstatus (z. B. Kompressor der Wärmepurmpe "ein" oder "aus") wird für die Füllstandvorgabe des Sammelbehälters eine bestimmte maximale Absenkung (wenn Kompressor läuft) zugelassen, oder ein bestimmter minimaler Anstieg des Wasserstandes (wenn Kompressor abgeschaltet) zugelassen. Werden diese Werte überschritten, dann wird der Stirling Motor hochgefahren. Dabei kann, wie noch später erläutert wird, der Stirling Motor die über die Einschaltzeit des Verbrauchers (bzw. Kompressors) bzw. über die Ladezeit des Wasserfüllstandes als Dauerstrichleistung benötigte Zusatzleistung (oft sehr geringen Ausmaßes) auch mit einer kurzzeitigen Pulsleistung maximaler Leistung fahren, damit der Stirling Motor seinen maximalen Wirkungsgrad fährt, wobei das über die Puls-Pausenzeit gemittelte Leistungsintegral dann der geforderten Zusatzleistung (entsprechend dem Dauerstrichwert) entspricht. Die z. B. weit unter dem Wert der gefahrenen Pulsleistung liegende Dauerstrichleistung wird erzeugt, indem während der Pulszeit des Stirling Motors das vom Stirling Motor eingespeiste Drehmoment durch eine entsprechende Stromentnahme (des Generators GEN) für die Ladung des Akkus, aus dem der für die Regelung der Drehzahl verwendete Elektromotor M gespeist wird, entsprechend der durch das Zusammenwirken von Ladestrom (dlg) und Motorstrom (Im) geforderten Belastung abgedämpft wird, dito nach Abschaltung des Stirling Motors (in dessen Pausenzeit) der Antrieb durch den die Regelung der Drehzahl vornehmenden Elektromotor M weiterhin fortgesetzt wird. Das Puls Pausenverhältnis des Stirling Motors richtet sich nach der jeweils über das Puls Pausenverhältnis gemittelten Dauerstrichleistung, die sich wiederum nach der vorgegebenen Füllstandsregelung des Pufferspeichers (Sammelbehälters für Wasserkraft, bzw. auch Temperaturmessung an einem gegebenenfalls vorhandenen thermischen Pufferspeicher einer Solarhitze Einspeisung, etc.) richtet. Dabei ist es zweckmäßig den Wert der durch den Stirling Motor gefahrenen Pulsleistung derart zu optimieren, daß unter Berücksichtigung des Wirkungsgradgewinns bei höherer Arbeitstemperaturdifferenz des Stirling Motors andererseits der durch Steigerung der Entladezeit gegebene höhere Ladeverlust des Akkus gleichermaßen berücksichtigt werden muß, und nur die Summe der gegebenen Verluste ein Minimum sein soll. Dieser Aspekt wir im späteren Teil der Beschreibung noch näher erläutert.
Wie bereits hingewiesen wurde muß der er SOLL-Pegel des Pufferspeichers (Füllstandes, bzw. einer Akkuladung, etc.) nicht unbedingt als konstanter Pegel definiert sein. Dies betrifft in erster Linie den SOLL-Pegel für die Pufferspeicherung der erneuerbaren Energie, jedoch kann bei Stand alone Ausführungen, bei denen zum Antrieb des Stirling Motors keine erneuerbare Energie, jedoch eine vorrangig zu benutzende thermische Energiequelle, wie z. B. Holzkohlenfeuer, oder Thermalquellen, etc., vorgesehen ist, der SOLL-Pegel auch für die Pufferspeicherung dieser Energiequellen als variabler Energiepegel, der einer konstanten Leistungsentnahme, bzw. im umgekehrten Fall gegebenenfalls einer konstanten Ladeleistung entspricht, definiert sein.
Soll der Sammelbehälter (7 m³) den gespeicherten Wasserstand als Pufferenergie synchron zu einer Verbraucheranschaltung (z. B. Wärmepumpe schaltet sich ein) entnehmen, dann wird als SOLL-Pegel die Geschwindigkeit vP definiert mit der sich der Wasserstand des Sammelbehälters (7 m³) maximal verringern darf (d. h. entladen darf). Diese Geschwindigkeit vP entspricht dann unmittelbar (über den Wirkungsgrad von Turbine und Generator) der von der Turbine eingespeisten Leistung. Die Synchronisation der Wasserentnahme des Sammelbehälters (7 m³) mit der Einschaltung eines entsprechenden Verbrauchers wird später noch näher erläutert. Umgekehrt kann der SOLL-Pegel auch als Geschwindigkeit -vP definiert werden, mit der sich der Wasserstand des Sammelbehälters (7 m³) wieder erhöhen soll (aufladen soll). Die Regelung des Stirling Motors durch Zuführung der Heizleistung kann dabei vereinfacht als Zweipunktregelung (Heizung ein/aus) erfolgen, und zwar so, daß der LST-Pegel des Füllstandes, bzw. Ladezustandes der Energiespeicher (Sammelbehälter, Akku) dem vorgegebenen SOLL-Pegel, bzw. der vorgebenen Pegeländerung vP bzw. -vP entspricht, bzw. gegebenenfalls erfolgt die Regelung der Heizleistung entsprechend dem bereits angesprochenen Puls-Pausenbetrieb.
Dabei weisen beide Energiespeicher (Sammelbehälter sowie Akku) jeweils eine autarke Laderegelung (Schieber für Drosselung der Wasserentnahme des Sammelbehälters, bzw. geschalteter Regeltransistor für Akku) auf, bzw. jeweils eine entsprechende Regelschaltung für die Energieentnahme (Schieber für Einstellung der Wasserentnahme des Sammelbehälters, bzw. geschalteter Regeltransistor für Akku), wobei beide Regelschaltungen, bzw. dito Laderegelungen simultan wirken und von der Regelung her völlig unabhängig von der Regelung der Heizleistung des Stirfing Motors arbeiten. Die Koppelung erfolgt dabei nicht durch die Regelung, sondern ausschließlich dadurch, daß der Stirling Motor direkt sein Drehmoment an die Antriebswelle des Generators mit einspeist. Jedes, die Energieentnahme eines betreffenden Energiespeichers (Sammelbehälter sowie Akku) steuernde Stellglied ist autark geregelt, wobei eine dem Schema nach Fig. 2a weiterhin bevorzugte hierarchische Abstufung gegeben ist. Dabei schaltet sich die elektrische Drehzahlregelung durch den Motorstrom/Generatorstrom erst zu, wenn über den Schieber die Drehzahl nicht mehr geregelt werden kann, die Schieberregelung bleibt aber stets aufrecht. Durch Zuschaltung der Drehzahlregelung durch den Motorstrom/Generatorstrom ergibt sich eine virtuelle Lastverringerung, die wiederum den Schieber entsprechend zurück steuert, und zwar so weit, bis die Drehzahl durch den Schieber wieder beeinflußbar ist. Dabei bleibt die simultan vorgenommene Drehzahlregelung durch den Motorstrom/Generatorstrom zunächst aufrecht, schaltet sich jedoch ab, wenn die Drehzahl durch den Schieber wieder ausreichend beeinflußbar ist. Ist dies nicht mehr der Fall, dann schaltet sich wieder die Drehzahlregelung durch den Motorstrom/Generatorstrom zu, usw. Siehe nachfolgend zu Fig. 2.
Diese Strukturierung der Regelung hat den Vorteil, daß diejenige Energieform zu 100% genutzt wird, welcher die Priorität gegeben wird (z. B. erneuerbare Energie, oder Holzheizung, etc.) und der Anteil jenes Energieverbrauchs, mit der der Stirlingmotor möglichst sparsam betrieben werden soll, auf ein Minimum optimiert ist.
Weiters verhindert diese Strukturierung der Regelung, daß die durch die thermische Zeitkonstante gegebenen problematischen Regeleigenschaften des Stirling Motors sich auf die Regelung negativ auswirken. Die Regelung der Heizleistung des Stirling Motors betrifft lediglich eine langsame Mittelwertregelung, bei der sich der Mittelwert jeweils dem benötigten zusätzlichen Energiebedarf automatisch anpaßt, so daß über die beiden autarken schnellen Regelungen von Turbine und des für die Regelung weiterhin verwendeten Motors M nur eine geringe Regelschwingung der Energieentnahme ausgeglichen werden muß (über die Schieber Bewegung des Peltonrades, bzw. über den Motorstrom des Motors M, bzw. der Belastungsregelung RL). Dieser Vorteil bleibt auch bei einer ausschließlich thermischen Energiezuführung (Stand alone Ausführung) erhalten, wobei über den in diesem Fall vorhandenen thermischen Pufferspeicher die Leistungsentnahme der thermisch Energie aus diesem Pufferspeicher als IST-Wert genau gemessen und dem aktuellen Wirkungsgrad des Stirling Motors entsprechend als Stellwert zugeführt wird, zusätzlich jedoch noch eine genaue Regelung erfolgt (z. B. über die Drehzahl der für den Heizkreis des Stirling Motors verwendeten Umwälzpumpe, die so geregelt ist, daß am Akku die geringsten Umladeverluste entstehen.
Fig. 1a veranschaulicht das Regelprinzip näher, das sowohl für den vorhandenen Puffer Energiespeicher des Sammelbehälters (7 m³), äls auch für den als Akku weiter vorhandenen elektrischen Energiespeicher gilt. Wird anstelle eines Akkus (oder noch zusätzlich) z. B. ein Schwungrad Speicher (Fig. 12) verwendet, dann entspricht der Pegel H, m.v²/2 des Schwungrades. Das Schema nach Fig. 1a wurde für eine allgemeine Erläuterung gezeichnet, weshalb auch noch Druckluft als weitere Alternative für die Energiespeicherung mit angegeben ist (hier nicht von Belang). Oder z. B. auch die Temperatur eines Wärmeträgeröls, das in einem entsprechenden Behälter gespeichert wird, usw. Der Wasserstand im Sammelbehälter wird durch einen Niveaumesser gemessen und zur Steuerung des Stirlingmotors in der beschriebenen Weise verwendet.
Als idealer Ladezustand des Sammelbehälters (7 m³) wird das Niveau H absolut definiert. Solange die zufließende Wassermenge nicht geringer ist, als die durch den Schieber über das Peltonrad entnommene, bleibt H_absolut erhalten. Reicht die zufließende Wassermenge nicht mehr aus um den Bedarf zu decken (Differenz dH wird negativ -dH), dann wird die Belastung des Peltonrades durch zusätzliche Einspeisung eines Drehmomentes über den für die Regelung weiterhin verwendeten Motor (Motor M), dito über den Stirling Motor, soweit verringert, bis dH = 0, bzw. wieder soweit positiv wird, daß das Niveau H absolut erhalten bleibt; oder das Füllstandsniveau lediglich mit einer maximal zulässigen Geschwindigkeit vP absinkt, bzw. beim Füllen mit einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit -vP wieder ansteigt.
Geregelt wird dieses Drehmoment über die zu Fig. 2a nachfolgend noch näher erläuterte kombinierte Regelung unter Benutzung des Schiebers als Stellglied, dem auch bei geringer Turbinenleistung stets der volle Staudruck (z. B. entsprechend 10 kW) für eine schnelle Regelung zur Verfügung steht. D. h. in die übliche Regelung des Synchrongenerators, bei der die Abweichung (df) der Generatordrehzahl, bzw. Frequenz gemessen und über Drehmomentregelung sofort wieder ausgeglichen wird, muß überhaupt nicht eingegriffen werden. Im Gegensatz dazu wird der nur relativ langsam regelbare Stirlingmotor ausschließlich über die Niveaumessung (H) des Sammelbehälters geregelt, solange die von der Turbine maximal abzugebende Leistung PTmax nicht überschritten wird. Wird die Grenzleistung PTmax der Turbine erreicht, dann stellt dies die zu Fig. 2a näher beschriebene Regelung fest (gegebenenfalls auch über eine Sensormeldung der maximalen Schieberposition SBmax) und benutzt den für die Regelung weiterhin verwendeten Motor (Motor M) als Zusatzantrieb, der von einem Akkumulator entsprechend gespeist wird. Dabei kann gegebenenfalls der für die Regelung weiterhin verwendete Motor M auch eine ergänzende Regelung (als Unterstützung für die Schieber Regelung) durchführen. Bzw. wird um Überschußanteile weg zu regeln, eine entsprechende Zusatzlast RL angeschaltet, die dem Akku Ladestrom entspricht, bzw. gegebenenfalls noch zusätzlich bei Bedarf ein Widerstand als Last (elektrischen Heizkörper, etc.) kurzzeitig angeschaltet werden. Anstelle des Akku-Ladestromes kann gegebenenfalls auch eine Schwungradspeisung vorgenommen sein.
Obwohl der Stirling Motor bei Überschreitung der Grenzleistung PTmax den Hauptanteil des Drehmomentes an der Turbinen-Generator Welle mit einspeist, ist er von der direkten Regelung, welche die Regelung der Abweichung der Generatordrehzahl, bzw. Frequenz (df) betrifft, nicht unmittelbar betroffen, sondern wird indirekt so geregelt, daß er eine virtuelle Lastverringerung vornimmt, die durch die bestehende Regelung des als Hybridantrieb verwendeten primären Antriebs (Wasserkraft, Elektromotor M, etc.) jeweils ausgeglichen wird. Dadurch daß der Stirling Motor nach dem jeweils (gerade noch erforderlichen) Ladezustand (entsprechend des aktuellen Energieinhaltes) des betreffenden Pufferspeichers geregelt wird, über dessen Antrieb die bevorzugte Drehzahlregelung gerade vorgenommen ist, ist gewährleistet, daß am Stirling Motor das gefahrene Drehmoment stets so dosiert ist, daß der primäre Antrieb jeweils zu 100% voll ausgelastet ist, wenn der Stirling Motor (über die gleiche Antriebswelle wie der primäre Hybridantrieb, bzw. gegebenenfalls mehrerer solcher Hybridantriebe) seine Leistung ergänzend einspeist.
Auch für das Stand alone System (nur Stirling Motor ohne Turbine) gilt für die Regelung des Stirling Motors der gleiche Grundsatz: Der Stirling Motor wird nicht wie üblich, nach dem erforderlichen Momentanwert des jeweils einzuspeisenden Drehmomentes geregelt, sondern nur nach einem Soll Ladestand des verwendeten Energiespeichers, in diesem Fall nach dem Ladezustand des Akkus, wodurch die Regelprobleme, die sonst der Stirling Motor stellt grundsätzlich vermieden sind.
Optionen: Das stand alone System (nur Stirling Motor ohne Turbine) kann in gleicher Weise mit einem weiteren alternativen Antrieb erweitert werden, z. B. indem eine Solarzellen Stromerzeugung mit eingebunden wird, die neben dem Akku einen zusätzlichen Strom für den Antrieb des für die Regelung weiterhin verwenden Motors (Motor M) liefert. Die Regelung des Stirling Motors erfolgt dann gleichfalls nicht über die Einspeisung seines Drehmomentes, wie ansonsten üblich, sondern über den Ladezustand des Energiespeichers, in diesem Falle, Akkus.
In allen Beispielen wird der Stirling Motor somit nicht über die je nach geforderter Energieeinspeisung jeweils gerade erforderliche Leistung geregelt, sondern über seine Wirkung als virtuelle Lastverringerung über den für die Regelung weiterhin verwenden Motor (Motor M), bzw. dessen Motorstrom, wobei gegebenenfalls wenn kein eigenständiger Synchrongenerator GEN vorhanden ist, der Motor M auch im Umkehrbetrieb jeweils als Generator verwendet wird, wenn die Regelabweichung eine Reduzierung der Einspeisung verlangt, bzw. der Akku zwecks Erreichen dieser Drehmomentreduzierung mit einem entsprechenden Ladestrom geladen wird (oder bei Bedarf noch ein zusätzlicher Verbraucher angeschaltet wird).
Und das ist bei diesem neuen Regelverfahren der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik: Das neue Verfahren kann z. B. nicht mit der Regelung des Ladeszustandes der Batterie eines mit einem Hybridantrieb versehenen Kraftfahrzeuges (welches z. B. mit zusätzlichem Elektroantrieb fährt) verglichen werden, da auch hier letzten Endes die Ladeenergie der Batterie durch den Verbrennungsmotor zwar nach dem erforderlichen Ladestrom geladen wird, dieser Vorgang sich jedoch nicht unmittelbar auf die Regelung des Elektroantriebes auswirkt, da der Verbrennungsmotor zwar eine zusätzliche Energieeinspeisung zum Zwecke des Aufladens der Batterie vornimmt, jedoch keine unmittelbare virtuelle Lastverringerung des Elektroantriebes durch direkte Einspeisung seines Drehmomentes bewirkt.
Für das Beispiel, bei dem z. B. zu einem Stand alone Stirling-Motor Wärmepumpenantrieb noch eine Solarzellen Stromerzeugung (optional) verwendet wird, wird daher die Entladegeschwindigkeit (entspricht dem Akku entnommene Leistung) des dem Solarzellenarray (über ein entsprechendes Netzteil) nachgeschalteten Akkus durch die Wärmezufuhr des Stirling Motors so geregelt, daß der Akku mit Sicherheit gerade noch die durch das Tastverhältnis (Einschaltung/Abschaltung) des Verbrauchers, bzw. der Wärmepumpe gegebene abrupte Lastschwankung ausgleichen kann, weil dann gewährleistet ist, daß der Stirling Motor mit minimaler Leistung betrieben wird.
Die Regelung des Motorstromes, des als weiteren Antrieb verwendeten Motors M erfolgt dabei analog zu dem für das Wasserkraftwerk beschriebenen Schema. D. h. im Unterschied zu den plumpen Regelungen nach dem Stand der Technik, bei der die Batterie einfach immer nur aufgeladen wird, bis sie voll ist, wird eine über die Heizleistung des Stirling Motors geregelte Entladung der Batterie einfach zugelassen. Das Solarzellenarray entspricht dabei den Zuführungsschläuchen des Sammelbehälters (7 m³) der Turbine, der Sammelbehälter entspricht dem Akku, und der Steuertransistor, der die Stromentnahme des Akkus der Solarzellen Stromerzeugung steuert, entspricht dem Schieber des Peltonrades. Dabei kann wie bei der Schieberregelung des Peltonrades zusätzlich zum vom Solarzellenarray gespeisten Akku noch ein weiterer Akku vorgesehen sein, der gegebenenfalls auch zur Speisung des als weiteren Antrieb verwendeten Motors M (als Reserve) benutzt wird, dito vom Stirling Motor auf volle Ladung geladen wird.
Für eine der jeweiligen Lastanschaltung entsprechende Regelung des Stirlingmotors nach dem Niveau H eines betreffenden Energiespeichers kann allgemein definiert werden, daß bei Vorhandensein mehrerer, den verwendeten Antrieben jeweils entsprechenden Energiespeichern (z. B. Sammelbecken für Peltonrad, dito Akku für Motor M) das Energieniveau jenes Energiespeichers in seiner Leistungsentnahme (d. h. entladen) bzw. gegebenenfalls auch Leistungsaufnahme (d. h. laden) mit der angeschalteten Lastveränderung (z. B. dem Signal "Wärmepumpe ein"/"Wärmepumpe aus") synchronisiert wird und unmittelbar durch die dem Stirling Motor zugeführte Heizleistung geregelt wird, der für die Drehzahlregelung des Antriebes für die Energieerzeugung (des Generators, bzw. gegebenenfalls auch unmittelbar des Kompressors) jeweils verwendet ist.
Das entspricht z. B. in der Regel der erneuerbaren Energiequelle, wenn der Stirlingmotor als Hybridantrieb zu dieser Energiequelle genutzt wird; z. B. dem Wasserstand des Sammelbeckens, oder dem Akkuladestand eines Solararrays, oder der Temperatur eines thermischen Pufferspeichers, der durch Solarhitze geheizt wird.
Jedoch kann bei einem Stand alone Betrieb des Stirling Motors das gleiche Regelprinzip angewendet werden, wenn z. B. für den Stand alone Stirling Betrieb eines Stirling Motor Wärmepumpenantriebs keine erneuerbaren Energie verwendet wird, jedoch ein Teil dieser Energie über eine besonders auszunützende Energiequelle (z. B. Holzheizung) erzeugt wird, oder ein Teil der Wärmeenergie des Stirung Motors direkt aus erneuerbarer thermischer Energie (z. B. thermischer Solarenergie durch Parabolspiegel gebündelt, etc.) bezogen wird.
Eine besonders auszunutzende Energiequelle ist z. B. dann gegeben, wenn die dem Stirling Motor über einen Heizkreislauf zugeführte Energie z. B. durch einen mit Holz oder Kohle geheizten Herd vor geheizt wird. In beiden Fällen (Solar Hitze oder Holzheizung, etc.) entspricht die zum Heizen verwendete Energie dem maximal auszunutzenden Energieträger, wie z. B. auch dem Wasserzufluß für das Sammelbecken des Peltonrades. Die Pufferspeicherung dieses Energieträgers, im Beispiel des Solarbrennspiegels oder einer Holzheizung, ist durch einen thermisch gut isolierten Wärmespeicher vorgenommen, der z. B. einem Heiß-Ölkreislauf (Thermoöl) als thermischer Energieträger zugeschaltet werden kann, der unmittelbar vom Herd aufgeheizt wird, jedoch über eine Ventilschaltung von der Heizquelle geheizt wird, synchronisiert mit der Wärmepumpe. Schaltet sich die Wäremepumpe ab, dann sperren die Ventile und der Wärmespeicher des Holzofens (oder der Solar Brennspiegel Heizung) Wird wieder aufgeheizt. Die Messung der vom als Ventil geschalteter Pufferspeicher ausgeführten Wärmespeicher entnommenen Wärmeleistung erfolgt bei Messung der Temperatur über die Drehzahl der Umwälzpumpe (unter Bezugnahme der spezifischen Wärme des zum Heizen des Stirlingmotors verwendeten Öls). Dito wird so beim Aufladen die dem Wärmespeicher zugeführte Ladeleistung gemessen. Die einzuhaltende Entladeleistung- und Ladeleistung wird als SOLL-Wert entsprechend der Einschaltdauer und Pausenzeit der Wäremepumpe festgelegt und als IST-Wert gemessen.
Für eine Stand alone Ausführung bei der eine Wärmepumpe ausschließlich durch einen Stirling Motor angetrieben ist, wird der in der Regel ohnehin in der Wärmepumpe vorhandene elektrische Antrieb (meist Drehstrommotor) als Regelmotor M verwendet, der gegebenenfalls auch im Umkehrbetrieb als Generator arbeitet, wobei der Stirlingmotor direkt die Welle des Kompressors, bzw. dito des Motors M antreibt. Läuft der Stirling Motor, dann arbeitet der Motor M vorwiegend als Generator, nur bei einer jeweiligen Regelabweichung mit gegenüber dem Sollwert absinkender Drehzahl wird auf den Motorbetrieb umgeschaltet, um die Abweichung jeweils auszuregeln. Befindet sich der Stirling Motör im Stillstand, bzw. erzeugt er praktisch keine wesentliche Antriebsleistung, dann arbeitet der Motor M vorwiegend als Motor, nur bei einer jeweiligen Regelabweichung mit gegenüber dem Sollwert steigender Drehzahl wird auf den Generatorbetrieb umgeschaltet und ein Ladestrom für den Akku entnommen, um die Antriebswelle (des Kompressors) zu belasten. Es wird also durch abwechselnden Motor-Generatorbetrieb mit dem Elektromotor des Kompressors einerseits die Drehzahl des Kompressors geregelt; andererseits der Akku gerade soviel geladen, als notwendig, um die Verluste des Akkus gering zu haften. Erreicht wird dies (wieder) durch einen IST-SOLL Wertvergleich des Akku Ladestandes nach dessen Ergebnis die Heizieistung des Stirling Motors geregelt wird.
Die Regelung der Heizleistung erfolgt beispielsweise durch Servostellung des Heizwertes, und/oder durch Regelung der Drehzahl für die Umwälzpumpe eines für die Heizung verwendeten Wärmeträgers, wobei vereinfacht auch eine Zwei-Punktregelung vorgesehen sein kann.
Nach diesem Exkurs über die breitbandige Anwendungsmöglichkeit des vorgestellten Regelverfahrens soll der Regelvorgang für einen durch Hybridantrieb: "Wasserkraft und Stirlingmotor" angetriebenen Synchrongenerator näher beschrieben werden.
Beispiele für einen Regelvorgang: Als Beispiel sei wegen Wassermangel ein wesentlicher Teil des Drehmomentes durch den (über Lamellenkupplung) an die Turbinen-Generator Welle angeschalteten Stirling Motor erzeugt. Auf der Motorseite der Kupplung läuft der zur Regelung weiterhin verwendeten Motor (Motor M), mit. Das von der Turbine (bzw. Peltonrad) eingespeiste Drehmoment liegt ständig ausreichend unter der zajlässigen Maximalleistung der Turbine PTmax. Der Stirling Motor erzeugt ein ausreichendes Drehmoment, wobei sich der Schieber des Peltonrades bei der gegebenen Belastung so einstellt, daß im Sammelbehälters (7 m³) das Niveau H den geforderten Wert erhält. Somit auch bei dem dürftigen Wasserzufluß mit dem nur eine wesentlich geringere Leistung gefahren werden könnte, stets der volle Staudruck am Schieber des Peltonrades ansteht. Erfolgt eine spontane Belastungserhöhung des Generators, dann wird sich zunächst der Schieber entsprechend weiter öffnen, damit die Turbine die Belastungserhöhung sofort ausgleichen kann, was eine entsprechende Absenkung des Wasserstandes im Sammelbehälters (7 m³) zur Folge. Wird diese Absenkung um -dH nicht zugelassen dann bewirkt dies eine entsprechende Steigerung der Heizleistung des Stirling Motors, was wiederum einer virtuellen Verringerung der Belastung des Generators entspricht, somit der Schieber den Wasserzufluß in einem dem Regelverhalten des Stirling Motors entsprechend langsameren Vorgang wieder verstärkt.
Als weiteres Beispiel sei der Fall untersucht, wenn die zulässige Maximalleistung PTmax überschritten wird (10 kW) und eine der höheren Generatorleistung (max. 25 kW) entsprechend höhere Leistung entnommen werden soll. In diesem Fall wird der auftretende Leistungssprung durch eine spontane Drehmomenterhöhung des für die zur Regelung weiterhin vorhandenen Motors (Motor M) sofort ausgeglichen. Daß dies auch der Fall ist, dafür sorgt die nachfolgend zu Fig. 2 näher beschriebene intelligente Regelung. Der zum Ausgleich des Leistungssprunges benötigte Motorstrom (Ig) wird vom zweiten Energiespeicher des Systems, einem Akkumulator geliefert, der gleichfalls von der erzeugten Generatorspannung des Synchrongenerators mit geladen wird. Somit für den Fall, daß eine Lasterhöhung über eine Last Zuschaltung RL spontan ausgeregelt werden muß, dies durch entsprechende Erhöhung des Ladestromes (über eine entsprechende Erhöhung der Ladespannung durch ein getaktetes Ladenetzteil) des Akkus vorgenommen werden kann. Wird anstelle des Akkus oder zusätzlich zum Akku ein autarker Schwungrad Speicher verwendet, dann hat dies den Vorteil, daß zur Ausregelung einer Lastverringerung große Energiepulse mit hohem Wirkungsgrad (durch Einspeisung in den autarken Schwungradantrieb) zwischen gespeichert werden können. Über den zur Regelung weiterhin vorhandenen Motor (Motor M) erfolgt auch die Regelung wenn der Stirling Motor ausschließlich zur Energieerzeugung (ohne Wasserkraft) verwendet wird, z. B. wenn als Heizquelle Solarenergie zum Einsatz kommt, etc.
Nähere Beschreibung des Regelverfahrens durch Fig. 2a: Fig. 2a veranschaulicht die kombinierte Regelung von Schieber und durch den zur Regelung weiterhin vorhandenen Motor (Motor M) mit der Eigenschaft, daß sich die Regelung für alle auftretenden Fälle:
(1) ausreichend Wasser + PT < Ptmax
(2) zu wenig Wasser + PT < Ptmax
(3) ausreichend Wasser + PT > Ptmax
(4) zu wenig Wasser + PT > Ptmax
stets automatisch einstellt, wobei die an der Turbine durch die Regelung des Schiebers auftretenden Energieimpulse durch die Regelung weiterhin vorhandenen Motor (Motor M) bzw. gegebenenfalls durch Lastzuschaltung RL gut geglättet werden. Und der gegebenenfalls anlaufende Stirling Motor jeweils nur soviel Leistung erzeugt, daß die Wasserenergie stets zu 100% genutzt ist und daß am Akku keine wesentlichen Umladungsverluste entstehen.
Für die Regelung durch den Schieber ist eine maximal zulässige Abweichung (df_zul) der vom Generator erzeugten Frequenz df definiert, deren Überschreitung zur Abschaltung (NOTABSCHALTUNG) des Systems führt. Zu dieser Standart Maßnahme wird ein weiterer Grenzwert für df festgelegt, der mit Sicherheit noch unterhalb dieses Wertes liegt, und nur dann auftritt, wenn die Leistungsregelung durch den Schieber nicht mehr ausreichend ist. Dieser Wert ist in Fig. 2a mit df_max bezeichnet. Wird dieser Wert der Frequenzabweichung df überschritten, dann setzt abhängig von der Abweichungsrichtung (+df/-df) die Unterstützung durch den Motor M ein indem der Motorstrom Im eingeschaltet wird, bzw. bei umgekehrter Abweichungsrichtung der Generatorstrom lgen entsprechend erhöht wird. Und zwar jeweils nur solange bis die gemessene Frequenzabweichung df Null wird. Ist dies der Fall, dann erfolgt wieder die Abschaltung des Motorstromes Im, bzw. die Abschaltung der zuvor vorgenommenen Generatorstromerhöhung Igen. Je nachdem, wie der Wert df_max in Relation zur zugelassenen Regelabweichung +/-df definiert wird, setzt die Zusatzregelung durch den Generatorstrom Igen bzw. Motorstromes Im nur ein, wenn die Turbinenleistung überschritten wird (PT > PTmax), oder auch in ständiger Unterstützung jeweils mehrmals impulsweise zur Verringerung der Regelabweichung +/-df während der Schieber jeweils eine Periode seiner Regelschwingung ausführt.
In Fig. 2a ist nach herausgestellt, daß die Umschaltung (US = Umschaltung/Rückschaltung) nach dem Kriterium, nach dem die Heizung des Stirling Motors jeweils geregelt wird, in der Grenzphase, wo die Regelung der Drehzahl zwischen Schieberregelung und Motorstromregelung (dito Generatorstrom) alternierend hin und her schaltet, eine Abfrage (t??) erfolgt, wie lange ein solcher Zustand jeweils anhält (Schieberregelung bzw. Motorstromregelung) und welcher dieser beiden Zustände bei der alternierenden Umschaltung jeweils überwiegt. Dabei wird in dieser Grenzphase des ständigen Wechsels zwischen Schieberregelung bzw. Motorstromregelung die Heizleistung des Stirling Motors nach dem Kriterium geregelt, das überwiegt, damit dieses Kriterium nicht auch ständig umgeschaltet werden muß. Die Erfassung der Abweichung (Füllstand bzw. Ladestand des Akkus) erfolgt jedoch simultan parallel, so daß nur zwischen den Abweichungsergebnissen entsprechend umgeschaltet werden muß.
Soll die Regelabweichung +/(-df während des Turbinenbetriebes durch die Zusatzregelung über eine Generatorstromerhöhung (Igen) bzw. Motorstromerhöhung (Im) ständig verbessert werden, oder soll der Motor M in einem stand alone System (nur Stirling Motor ohne Turbine) ständig den Antrieb unterstützten, dann läuft der Motor M mit dem Generator ständig mit, bzw. bildet für eine ausschließlich durch einen Stirling Motor getriebene Wärmepumpe auch unmittelbar den Generator im Umkehrbetrieb.
Soll die Zusatzregelung nur den Fall, wenn der Stirling Motor angekuppelt ist unterstützen, dann speist der Motor M von der Kupplungsseite sein Drehmoment ein, an der auch der Stirling Motor durch eine elektrisch geschaltete Lamellenkupplung angekuppelt wird. In diesem Fall wird der Stirling Motor mit dem Motor M durch ein externes Signal gestartet, das den Einschaltvorgang eines starken Verbrauchers anzeigt, bevor diesem Verbraucher die Netzspannung zugeschaltet wird.
Anmerkung: Der Stirling Motor wird über eine elektrisch geschaltete Lamellenkupplung jeweils zu einem Zeitpunkt an die Triebwelle angekuppelt, wo die Drehzahl auf beiden Kupplungsseiten gleich ist. Obwohl für ein stand-alone System (z. B. eine Wärmepumpe wird ausschließlich von Stirling Motor angetrieben) eine Kupplung für den Stirling Motor überflüssig erscheint, ist sie doch zweckmäßig, da das bevorzugte Regelverfahren dann auch im weiterhin beschrieben Puls Pausenbetrieb des Stirling Motors durchgeführt werden kann.

Besprechung der weiteren Figuren

Fig. 1c betrifft die gleichwertige Ableitung des IST-Wertes für die Regelung der Heizung des Stirling Motors abhängig vom Füllstand des Wasser Sammelbehälters, wenn die Drehzahlregelung vorwiegend über die Turbine erfolgt.
Fig. 2b und Fig. 4 betreffen den Einfluß der AKKU Ladung auf die Heizung des Stirling Motors, wenn die Drehzahlregelung vorwiegend über die Motorantrieb bzw. über die Generatorbelastung erfolgt, wobei in Fig. 2b anstelle der Differenz der integrierten Lade- Entladeströme auch die Ladespannung des Akkus für die Ableitung des IST-Wertes verwendet werden kann, bzw. wie nachfolgend noch beschrieben ist, zur Langzeit Nachkalibrierung für die Miteinbeziehung des AKKU Verlustes (K) in diese Differenzbildung verwendet werden kann.
Fig. 1d betrifft die Veranschaulichung, daß die Messung (f-Vergleich) der Drehzahlabweichung auf beide (oder gegebenenfalls noch weitere) Antriebe über deren Stellglieder in der beschriebenen Weise (vgl. Fig. 2a) einwirkt: auf den Schieber und auf die elektronische Steuerung des Motorstromes von M, bzw. die genannte Generatorbelastung zum Laden des Akkus. Neben einem Frequenzvergleich (der vom Synchrongenerator erzeugten Frequenz) kann eine empfindlichere Messung der Drehzahlabweichung durch Verwendung einer incrementalen Winkelerfassung durch eine optische Scheibe vorgenommen sein.
Fig. 3 veranschaulicht eine funktional abhängige Kodierung der Meßgröße H bzw. dH: Zu diesem Zweck werden am Sammelbehälter drei Füllstandsdekodierungen definiert:
Hmax. . . . . . . .Sollpegel, der in bestimmten Ausnahmefällen bis zum Pegel Hmin1 abgesenkt werden darf. Der noch darunter liegende Pegel Hmin0 ist so bemessen, daß ab Erreichen dieses Füllstandes der Stirung Motor noch anlaufen kann.

Option 1

Für den Fall, daß der angeschaltete Verbraucher einen bestimmten Grenzwert dlmax für die durch ihn verursachte Stromerhöhung dl überschreitet (z. B. Bügeleisen, Geschirrspüler, etc.) wird davon ausgegangen, daß es sich um einen kurzzeitigen Spitzenwert handelt, der im Bedarfsfall nicht durch den Stirling Motor, sondern durch den Sammelbehälter von 7 m³ überbrückt werden soll. 5 m³ entsprechen etwa 5000 kp.180 m /2 = 450.000 kpm = 4411 kWs/3600 = 1.2 kWh (bei 50% Gesamtwirkungsgrad). Somit z. B. ein Geschirrspüler und ein Bügeleisen gleichzeitig 20 Minuten eingeschaltet sein können (dito die Heizung einer Waschmaschine, etc.), ohne daß der Stirlingmotor sich wegen Überlastung deshalb einschalten müßte, wenn der Wasserzufluß ansonsten ausreichen ist. Nach Abschalten dieser Geräte ist dann in der gleichen Zeit das Sammelbecken wieder gefüllt. Ist der Akkumulator (AKKU) voll geladen, dann kann vor der Benutzung der Reserve Hmax-Hmin1 zusätzlich noch die Unterstützung durch die Zusatzregelung (Im, Igen) eingeschaltet werden, wobei dann am Schieber zusätzlich noch der volle Regeldruck der Reserve ansteht. Somit etwa 2 kWh (1.2 kWh + 0.8 kWh) als überbrückbare Spitzenleistung zur Verfügung stehen, ohne daß der Stirling Mötor deshalb gestartet werden müßte.
Wird jedoch ein schleichendes Absinken des Pegels H am Sammelbehälter festgestellt, ohne daß eine größerer Verbraucheranschaltung dies verursacht, dann wird von einer ständigen Überlastung ausgegangen und der Stirlingmotor gestartet. Wobei, auch wenn der Stirling Motor läuft, Verbraucherspitzen bei deren Erkennung (dlmax) über den Akkumulator und die Reserve Hmax-Hmin1 abgefangen werden um den Verbauch des Stirling Motors nicht durch Spitzenlast unnötig zu erhöhen.

Option 2

Eine Alternative zur absoluten Stromspitzenerkennung (dl max) ist eine Synchronisierung mit entsprechenden Verbrauchern durch die Auswertung von Statussignalen, die entweder die erfolgte Einschaltung oder die Einschaltbereitschaft des Verbrauchers der Steuerung für die Energieerzeugung anzeigen, und/oder die erfolgte Einschaltung des Verbrauchers durch die Steuerung der Energieerzeugung zum richtigen Zeitpunkt vornehmen. Dabei kann dies jede Art von leistungsstarken Verbrauchern betreffen, angefangen von einer Kreissäge, bis zur Waschmaschine, oder einer Wärmepumpe, etc.
Mit den in Fig. 3a eingezeichneten Signalen (WPS) für die Synchronisierung einer Wärmepumpe ist eine Synchronisierung in beiden Richtungen möglich, derart, daß als zusätzliche Koinzidenzbedingung eine Einschaltung des Kompressors jeweils nur dann erfolgen kann, wenn der SOLL Pegel Hmax im Sammelbehälter (7 m³) wieder erreicht ist sowie jeweils eine Abschaffung erfolgt, wenn der Pegel Hmin1, der das Ende der Wasserreserve anzeigt, erreicht wird. Dabei wird, wenn diese Synchronisation für die erforderliche Heizleistung der Wäremepumpe nicht ausreicht, die Heizleistung des Stirlingmotors unter Berücksichtigung der Leistungszahl der Wäremepumpe entsprechend erhöht, bis die über den Sammelbehälter (7 m³) jeweils gefahrene Niveaudifferenz (Hmax minus Hmin1) für den zyklischen Betrieb der Wärmepumpe ausreichend ist. Neben dieser Art der Synchronisation ist später noch eine weitere Variante beschrieben, bei der zu einer Einschaltung des Kompressors der Wärmepumpe jeweils zuerst der Sammelbehälter geleert wird, anschließend falls erforderlich, der Stirlingmotor gestartet wird, der über einen weiterhin vorgesehenen thermischen Pufferspeicher betrieben wird. Oder es erfolgt eine laufende Unterstützung mit sehr kurzzeitigen Laufzeiten des Stirling Motors im Puls Pausenbetrieb, wie bereits erläutert.
Synchronisation nach der Wärmepumpe: Wie zu Fig. 16a noch weiter erläutert ist, erfolgt eine Synchronisation des Pegelstandes im Sammelbehälter (7 m³) nach den Einschaltzyklen der Wärmepumpe beispielsweise in folgender Weise: Die Wärmepumpe meldet an die Steuerung des Regelverfahrens ihren jeweiligen Einschaltzustand mit einem entsprechenden Statussignal: "Kompressor ein/aus". Dito zeigt die Temperatursteuerung (bei Messung von Tlow) der Wärmepumpe gegebenenfalls mit einem weiteren Signal "WP = ready" die Einschaltbereitschaft an, auch wenn sie mangels Freigabesignal (von der Energieerzeugung) noch nicht eingeschaltet ist.
Im Synchronmodus schaltet sich die Wärmepumpe stets nur dann ein, wenn der Füllstand des Sammelbehälters (7 m³) einen bestimmten Mindestpegel (z. B. Hmax) erreicht hat und die Einschalttemperatur Tlow von der Wäremepumpe dekodiert wird. Zu diesem Zweck liefert die Steuerung der Wärmepumpe ein Meldesignal "WP = ready", welches das Erreichen der Einschalttemperatur für die Wärmempumpe Tlow an die Steuerung für Energieerzeugung des Kompressors der Wärmepumpe meldet. Entspricht der Füllstand des Sammelbehälters (7 m³) dem definierten Einschaltpegel Hmax, dann schaltet sich die Wäremepumpe sofort ein. Ist dies nicht der Fall, dann wird, je nachdem wie weit der Sammelbehälters (7 m³) bereits mit Wasser wieder gefüllt ist, mit dem Einschalten der Wärmepumpe gewartet, wobei eine weitere geringe Absenkung der Einschalttemperatur Tlow der Wärmepumpe in Kauf genommen wird, oder es schaltet sich der Stirling Motor sofort zu. Bzw. wenn er zuvor schon zugeschaltet war, erhöht sich dessen Leistung entsprechend dem zuvor beschriebenen Regelverfahren und entlastet den Synchrongenerator, wodurch der Schieber des Peltonrades den Wasserzustrom entsprechend zurück fährt bis die vom Stirlingmotor erzeugte Dauerstrichleistung (gegebenfalls über das genannte Puls Pausenintegral des Stirling Motorbetriebes) ein entsprechender Pegel, bzw. Anstieg des Füllstandes im Sammelbehälters (7 m³) erhalten wird. Wobei, wie bereits erläutert, der Schieberdurchfluß nicht unter eine bestimmte Minimalstellung SBmin gestellt wird, damit die Wärmepumpe ausreichend Wasser für den Entzug der Wärme aus dem Überwasser der Turbine erhält.
Die spontane Leistungserhöhung (gegebenenfalls Einschaltung) des Stirling Motors ergibt sich durch ein Umschaltsignal (US, vgl. dazu Fig. 2a) für die Regelung der Energiezufuhr des Motors, wobei dieses Umschaltsignal (US) eine Umschaltung derart vornimmt, daß die Heizleistung des Stirling Motors nicht mehr nach dem Füllstand des Wasserstandes im Sammelbehälter (7 m³) geregelt wird, sondern nach dem SOLL Ladestand (Akku SOLL Fig. 1c, Fig. 4) des Akkus, welcher den zur Regelung weiterhin vorgesehenen Motor M speist. Wie bereits erläutert, wird im Status: "Sammelbecken Füllen" dem Motor M ein zusätzlicher Strom eingespeist, durch dessen virtuelle Verringerung der Antriebsfast der Schieber SB der Turbine soweit zurück geregelt wird, daß durch die Drosselung der Wasserentnahme der Sammelbehälter wieder gefüllt wird. Durch diese Drosselung stellt die Überwachung der Regelung nach Fig. 2a fest, daß die Drehzahl des Synchrongenerators GEN nicht mehr ausreichend geregelt werden kann und benützt die Unterstützung über den Antriebsstrom des Motors M (bzw. Generatorstrombelastung von GEN), wie zu Fig. 2a erläutert, wobei auch die Regelung der Heizleistung des Stirling Motors nach dem SOLL Ladestand (Akku SOLL Fig. 1c, Fig. 4) des Akkus mit umgeschaltet ist.
Wie nachfolgend noch näher zu Fig. 2b erläutert wird, wird der Ladestand des Akkus auf minimale Umladung geregelt, somit der Stirling Motor, auch wenn er die wesentliche Antriebsleistung aufbringt, stets optimal geregelt wird. Die Regelung der Antriebsleistung des Stirling Motors erfolgt dabei stets nach dem Ladezustand des Energiespeichers der den Antrieb speist, der Jeweils gerade für die Regelung der Drehzahl verwendet ist, sei es z. B. der Wasserstand des Sammelbehälters oder der Ladezustand des elektrischen Akkus. Die Regelung der Antriebsleistung des Stirling Motors erfolgt daher nicht nach dem unmittelbar eingespeisten Drehmoment des Motors, was den Unterschied dieser Regelung zum Stand der Technik ausmacht. Es ist evident, daß dieses Verfahren auch für andere Motoren als einen Stirling Motor angewendet werden kann, z. B. für Verbrennungsmotoren, weshalb um allgemeinsten Schutz angesucht wird. Für die Ausführung der Erfindung wurde ein Stirling Motor eingesetzt, weil nach Ansicht des Erfinders des bevorzugten Regelverfahrens, Verbrennungsmotoren aus Gründen des Umweltschutzes und des generell schlechten Wirkungsgrades nicht mehr verwendet werden sollten, auch nicht für den mobilen Einsatz.
Die Anheizzeit, bis der Stirling Motor seine volle Leistung erreicht hat, wird durch den die Regelung weiterhin unterstützende Motor M voll überbrückt, dessen Strom über die hierarachisch abgestufte Regelung (vgl. Fig. 2a) bei Bedarf eingeschaltet wird, bzw. bei Bedarf eine Generatorbelastung RL entsprechend erhöht, bzw. angeschaltet wird. Hat der Stirling Motor seine Leistung erreicht, dann sorgt das Regelprinzip dafür, daß der Strom Im des für die Regelung weiterhin verwendete Motors M, bzw. der für die Regelung gleichfalls verwendete Belastungsstrom Ig des Generators, am Akku nur eine minimale Umladung des Akkus vornehmen. Auf dieses Prinzip wird nachfolgend noch näher eingegangen.
In der Minimalstellung SBmin des Schiebers wird der Anstieg des Füllstandes am Sammelbehälter (7 m³) gemessen, was der maximal erreichbaren Ladeleistung für die Füllstandserhöhung des Sammelbehälters entspricht. Fällt diese Ladeleistung Psload unter einem bestimmten Wert (Pmin > Psload), dann wird vöm Synchronmodus in den Standardmodus umgeschaltet und die Wärmepumpe erhält als Handshake Signal die Meldung PS = ready zurück (wenn sie eine Einschaltung des Kompressors zuvor angefordert hat), worauf sie sich einschaltet.
Anmerkung: Die in den Fig. 1c, 1d, 4, (und andere), dargestellten Symbole (Regler RGL, Soll- und Istwert, etc.) sind nur symbolisch zu verstehen, da in der praktischen Ausführung für die gesamte Steuerung, bzw. Regelung, ein Signalprozessor (DSP) Fig. 13 verwendet ist.
Entspricht die Ladeleistung Psload einer bestimmten Minimalleistung (Pmin) oder liegt sie darüber, dann wird die Meldung PS = ready erst dann an die Steuerung der Wärmepumpe abgegeben, wenn der Füllstand im Sammelbehälter den Einschaltpegel Hmax erreicht hat.
Nach dem Einschalten läuft die Wäremepumpe so lange bis sie ihre vorgewählte Abschalttemperatur (Thigh) erreicht hat. Das an die Steuerung der Regelung der Heizleistung des Stirling Motors gelieferte Statussignal der Wäremepumpe "Kompressor ein/aus" wird von der Steuerung der Regelung des Stirlingmotors in seiner Zeitdauer gemessen, und zwar jeweils für beide Zeiträume, in denen die Wärmepumpe jeweils eingeschaltet (TWon) ist und in denen die Wärmepumpe jeweils ausgeschaltet (TWoff) ist. Aus diesen beiden aktuell gemessenen Zeitwerten wird jeweils die maximal zulässige Entnahmeleistung des Sammelbehälters sowie die minimal einzuhaltende Ladezeit des Sammelbehälters unter Berücksichtigung des aktuellen Wirkungsgrades des Peltonrades berechnet. Diese Maßnahme ist jedoch nur dann erforderlich, wenn der Stirlingmotor im Unterstützungsmodus zur Wasserkraft gleichzeitig gefahren wird, um die Entnahmedauer des Wasserspeichers (Sammelbehälters) zu verlängern. Reicht die dem Stirling Motor zugeführte thermische Leistung jedoch aus, um auch ohne wesentliche Unterstützung der Wasserkraft die geforderte Antriebsleistung zu erzeugen, dann ist es sinnvoller nach Erreichen des minimalen Pegelstandes Hmin 1, die Drehmomenteinspeisung mit dem Stirlingmotor unmittelbar fortzusetzen anstelle bereits vorher eine Verzögerung der Entnahmedauer des Sammelbehälters vorzunehmen; und dabei den Stirlingmotor mit unmittelbar möglichst hoher Temperatur zu betreiben.
Dabei kann die Messung des Einschaltzyklusses der Wärmepumpe (TWon, TWoff) jedoch auch zur Festlegung des optimalen Puls-Pausenverhältnisses für einen (optionalen) Pulsbetrieb des Stirling Motors verwendet werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Insbesondere für ein Stand alone System, bei dem der Stirling Motor den Kompressor einer Wärmepumpe unmittelbar antreibt (mit Regelung der Drehzahl durch den im Kompressor weiterhin vorhandenen Elektromotor M). Zur besseren Unterstützung dieses Impulsbetriebes des Stirling Motors ist (als Option) noch ein thermischer Pufferspeicher vorgesehen, dessen Energieentnahme gleichfalls mit dem Statussignal (Einschalten/Ausschalten) der Wärmepumpe synchronisiert ist. Diese Maßnahme ist nachfolgend noch näher erläutert.
Soll der Sammelbehälter zum Zeitpunkt zu dem der Kompressor ausgeschaltet wird oder der minimale Füllstand Hmin erreicht ist, in den Lademodus für schnelle maximale Aufladung geschaltet werden, dann erfolgt dies derart, daß durch die Steuervorrichtung der durch den Akku gespeiste Motorstrom des Motors M soweit erhöht wird, bis der Schieber die Minimalposition SBmin erreicht hat. In die Regelung des Schiebers muß daher nicht eingegriffen werden. Dabei bleibt die Regelung über den Drehzahlvergleich, bzw. Frequenzvergleich zur Konstanthaltung der Drehzahl des Synchrongenerators entsprechend Fig. 2a erhalten, bei der wenn durch die Schieberregelung die Drehzahl, bzw. Frequenz nicht mehr ausreichend geregelt werden kann, diese Regelung über eine zusätzliche Motorstromerhöhung dIm, bzw. über eine Generatorstromerhöhung dIg erfolgt. Dabei wird jedoch zusätzlich noch als Offsetwert jeweils, dem Motorstrom ein entsprechender Anteil Im_Offset eingespeist, der so geregelt ist, daß die Schieberöffnung sich um einen Bereich, der dem als Fensterwert definierten Wert SBmin entspricht, einstellt.
Die geforderte Einhaltung einer Minimalstellung des Schiebers SBmin erzeugt gegebenenfalls einen Leistungsüberschuß, der jedoch durch die Generatorstromerhöhung dIg ausgeregett wird, bei entsprechender Verwendung des Generatorstroms für die Akkuladung. Ist in diesem Fall die Akkuladung voll, dann kann z. B. noch die Wärmepumpe eingeschaltet werden, um einen zusätzlichen Wärme- oder Wasserspeicher, etc. mit auf zu heizen, etc.
Weiteres Umschaltkriterium für die Regelung der Heizleistung des Stirfing Motors: In der Stellung SBmin kann mangels weiterer Drosselung der Wasserentnahme, keine weitere Steigerung des Niveaus im Sammelbehälter erreicht werden. Weshalb in diesem Modus auf alle Fälle die vom Stirling Motor gefahrene Leistung nach dem Ladeszustandes des Akkus der den Motorstrom Im für die Drehzahlregelung liefert, geregelt wird.
Eine Umschaltung der Regelung der Heizleistung, von der Niveauregelung des Sammelbehälters (der die Wasserkraft liefert) auf eine Regelung Ladeszustandes des Akkus der den Motorstrom Im liefert, erfolgt daher stets dann, wenn die Drehzahl des Synchrongenerators durch den Schieber nicht mehr regelbar ist, oder auch, wie bei dem zuletzt genannten Kriterium, wenn durch Leistungssteigerung des Stirling Motors, die Aufladung des betreffenden Pufferspeichers nach dessen Ladezustand der Stirling Motor gerade geregelt wird, nicht mehr gesteigert werden kann. Dies würde z. B. auch zutreffen, wenn zusätzlich (in weiterer Hierarchie) oder ergänzend zur Wasserkraft ein thermischer Pufferspeicher mit Solar Energie geladen würde.
In all den genannten Fällen erfolgt nach dem zu Fig. 2a dargestellten Schema die automatische Umschaltung der Regelung der Drehzahlregelung vom Schieber (des Peltonrades) bzw. gegebenenfalls vom Stellglied eines betreffenden Pufferspeichers einer anderen Energieform auf die Stromtastung des Motorstromes Im bzw. Generatorstromes Ig, wobei jeweils synchron zu dieser Umschaltung, die Umschaltung der Regelung der Heizleistung des Stirlingmotors von der Niveaumessung des Füllstandes des Sammelbehälters (= Ladezustand Wasserkraft) bzw. von der Messung des Ladezustandes eines entsprechend anderen Energiespeichers (Solarenergie, auch elektrischer Akku für Solarzeilen, Windenergie, etc.) auf die Regelung zur Minimierung der Umladungsverluste des Akkus (= Ladezustand des elektrischen Akkus) der den Regelmotor M antreibt, erfolgt. Das gleiche gilt auch für die Rückschaltung, wenn durch das in Fig. 2 dargestellte Verfahren festgestellt wird, daß die Drehzahl durch den Schieber (bzw. durch das Stellglied für die Regelung der Energiezuführung einer betreffend anderen Energieform) wieder regelbar ist.
Dabei können sich die Regelungen über die Stellglieder Schieberregelung und Stromregelung (Im/Ig) des Motors M (dito Generators GEN) in aufeinander folgenden Regelzyklen beliebig abwechseln und gegenseitig unterstützen. Wobei jedoch für die Umschaltung der Regelung der Heizung des Stirling Motors, die Rückschaltung auf eine Niveauregelung des Sammelbehälters verzögert erfolgt (z. B. ausgetastet durch eine retriggerbare monostabile Zeitfunktion), um in der Grenzphase bei dieser Regelung die Heizungsregelung des Stirling Motors stabil zu halten, wie zu Fig. 2a nachfolgend noch näher beschrieben.
Bzw. wird gegebenenfalls im Lademodus eines betreffenden Pufferspeichers, z. B. bei der Erhöhung des Wasserstandes im Sammelbehälter, die Rückschaltung der Heizungsregelung . des Stirlingmotors (auf eine Niveauregelung des Sammelbehälters) zusätzlich von der Koinzidenzbedingung abhängig gemacht, daß der durch Drosselung der Wasserzufuhr erreichbare Anstieg des Wasserstandes im Sammelbehälter, ein bestimmtes Minimum (das als Grenzwert definiert ist) überschreitet, um ein zu schnelles hin und her schalten des Regelkriteriums für die Heizungsregelung des Stirlingmotors zu vermeiden.
Je nachdem, aus welcher Energiequelle der Stirlingmotor betrieben wird (Holz, Öl etc.) und ob für den Stirling Motor ein thermischer Pufferspeicher vorgesehen ist (vgl. späteren Teil der Beschreibung "Wirkungsgradverbesserung des Stirlingmotor") wird der Stirlingmotor abwechselnd zur Energieerzeugung durch Wasserkraft betrieben, oder in ständiger U nterstützu ng.
Diese beiden Betriebsfälle sollen gegenübergestellt werden:

Ständige Unterstützung des Stirling Motors beim Laden des Sammelbehälters

In dem diesem Beispiel werden dem Sammelbehälter z. B. 6 kW (entsprechend elektrischem Output) über die Schläuche ständig an Wassermenge zugeführt und eine elektrische Leistung von 3 kW dem Synchrongenerator entnommen.
Wird die Wasserentnahme des Schiebers in der Stellung SBmin auf 1 kW begrenzt (bei für einen Wärmeentzug durch die Wärmepumpe ausreichender Temperatur des Überwassers), dann stehen somit für das Laden des Speicherbehälters 5 kW zur Verfügung. Die Ladeleistung des Speicherbehälters (in Schieberstellung SBmin) beträgt somit 5 kW. Die verbleibenden 2 kW der Verbraucherleistung wird daher durch den Stirling Motor ergänzend erzeugt, wobei die nach Fig. 2 beschriebene Regelung wegen des überwiegenden Anteils (für die Drehmomenteinspeisung) des Stirling Motors, auf die Regelung durch den Motorstrom Im, bzw. Generatorstrom Ig umschaltet, dito die Heizung des Stirlingmotors nach der weiterhin bevorzugten Minimierungsregelung der Umladungsverluste des Akkus geregelt wird. Beim Einschalten der Wärmepumpe reicht in diesem Beispiel die von der Wasserkraft erzeugte Energie aus, daß der Kompressor der Wäremepumpe ohne den Stirling Motor betrieben werden kann. Dabei wird der Stirling Motor mit minimaler Dauerstrichleistung betrieben, daher für dieses Beispiel auch kein Pufferspeicher für eine Zwischenspeicherung der thermischen Energie vorgesehen sein muß, jedoch vorgesehen sein kann, um eine gegebenenfalls vorgenommenen Puls Pausenbetrieb des Stirlingmotors, der die geringe Dauerstrichleistung durch kurzzeitige Maximalleistung des Motors erzeugt, besser zu unterstützen (vgl. späteren Teil der Beschreibung).

Alternierender Betrieb des Stirling Motors

Die nachfolgende Variante für das genannte Beispiel benutzt einen thermischen Pufferspeicher, über den der Stirling motor mit maximaler Temperaturdifferenz betrieben werden kann. Die nähere Funktion ist im nachfolgenden Teil der Beschreibung im Kapitel "Wirkungsgradverbesserung des Stirlingmotors" am Beispiel eine Stand alone Betriebes des Stirling Motors (d. h. ohne Wasserkraft) näher beschrieben. Dabei gelten jedoch die gleichen Überlegungen, wie für das vorliegende Beispiel für die Unterstützung der Energieerzeugung (-konvertierung) durch Wasserkraft.
Während der Kompressor der Wärmepumpe durch die Wasserkraft betrieben wird, wird der thermische Pufferspeicher des Stirling Motors, z. B. durch einen Holzherd oder eine Ölheizung auf seine maximale Temperatur aufgeheizt. Aus diesem Pufferspeicher wird der Stirlingmotor dann mit starker Leistung, z. B. zunächst angenommen mit 7 kW (Output) betrieben während der Speicherbehälter den Wasserstand mit 5 kW (über die Wasserzufuhr der Schläuche von 6 kW) geladen wird. Somit 8 kW kurzzeitig zur Verfügung stehen und bei einer erforderlichen Einschaltung des Stirlingmotors, der Motor jeweils nur solange betrieben wird, bis die Arbeitstemperatur des thermischen Pufferspeichers des Stirling Motors auf einen Wert abgesunken ist, bei dem der Akkumulator für den Antrieb des für die Regelung weiterhin verwendeten Motors M einen besseren Wirkungsgrad aufweist, als es der Verschlechterung des Wirkungsgrades des Stirling Motors für die abgesunkene Temperatur des Arbeitsmittels im thermischen Pufferspeicher entspricht. Ist dies der Fall, dann wird der Stirling Motor abgeschaltet, und der für die Regelung weiterhin verwendete Motor M übernimmt ausschließlichen den Antrieb des Synchrongenerators. Während der Stirlingmotor abgeschaltet ist, wird der thermische Pufferspeicher des Stirlingmotors wieder auf seine maximale Temperatur geladen. Erst wenn der Ladestand des Akkus des Motors M auf einen bestimmten Minimalwert absinkt, wird der Stirlingmotor wieder zugeschaltet und mit der maximalen Temperatur des "Arbeitsspeichers betrieben, bis dessen Temperatur wieder auf den Wert absinkt, der die Umschaltung auf den ausschließlichen Antrieb durch den für die Regelung weiterhin verwendete Motor M einleitet, usw. Der Ladevorgang des thermischen Pufferspeichers, dito die Einschaltung des Stirlingmotors mit der anschließenden Übernahme des Antriebs durch den Elektroantrieb M ist gegebenenfalls durch den Verbraucher, in diesem Beispiel durch die jeweilige Einschalt-Pausenzeit des Kompressors einer Wärmepumpe synchronisiert, wie nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Die jeweilige Dauer für die Beibehaltung der Antriebsart ergibt sich aus der Festlegung der zulässigen Temperaturabsenkung für das Arbeitsmittel (z. B. heißes Öl) im thermischen Pufferspeicher, die die Abschaltung des Stirling Motors jeweils bewirkt und wird von einem Energiemanager Programm im verwendeten Signalprozessor jeweils so festgelegt, daß die über das Puls-Pausenverhältnis Integral des Stirling Motorbetriebes jeweils gemittelte Leistung jener Dauerstrichleistung gleichgesetzt ist, die zur Unterstützung des Antriebes unter Berücksichtigung minimaler Umladeyerluste am Akku (Im, Ig) gerade benötigt wird.
Dabei sind die Umladungsverluste des Akkus einerseits über ein ständiges Integral von Ladestrom (IL) und Entladestrom (IE) gemessen (betreffend der Regelung wenn Stirung Motor in der Pulszeit) sowie über eine zeitlich segmentierte Mittelwertbildung betreffend der Pausenzeit des Stirling Motors gemessen (jeweils über einen Betriebszyklus: Stirlingmotorantrieb mit anschließendem Elektromotor-M Antrieb).
Wird beispielsweise in einer Zyklusfolge: Stirlingmotorantrieb mit anschließendem Elektromotor-M Antrieb eine Überladung des Akkus festgestellt, dann wird der Ladestrom im nächsten Zyklus während der Phase, in der der Stirling Motor läuft, entsprechend verringert, bzw. bei einer zu geringen Ladung entsprechend erhöht. Dito innerhalb der Pulszeit des Stirlingmotors. Dabei erfolgt die Verringerung des Ladestromes, in dem die Heizleistung des Stirling Motors entsprechend zurück geregelt wird, bzw. falls ein Absinken der Akku Ladung festgestellt wird, die Heizleistung des Stirling Motors entsprechend erhöht wird. Und zwar jeweils um den Anteil der einerseits dem aktuell gemessenen Wirkungsgrad des Stirling Motors (einschließlich Verlust des Generators) und andererseits dem aktuell gemessenen Wirkungsgrad des Akkus (einschließlich Lade- und Entladeregelung) entspricht.
Das beschriebene Verfahren wird auch angewendet, wenn anstelle einer erneuerbaren Energie z. B. ein thermischer Pufferspeicher für eine Solarenergieheizung oder einer Holzheizung (als Ergänzung zu einer Öl- oder Gasheizung) vorgesehen ist, dann entspricht, dieser thermische Pufferspeicher dem Sammelbehälter.
Stand alone Betrieb: Für einen Stand alone Betrieb, in dem der Stirling Motor die Wärmepumpe direkt antreibt, ist vorgesehen, den Elektromotor des Kompressors unmittelbar auch als Regelmotor M zu verwenden, wobei dieser Elektromotor im Umkehrbetrieb dann auch als Generator betrieben werden kann, um die Regelfunktion und das Laden des Akkus zu übernehmen. Die Antriebswelle des Stirlingmotors sitzt dann direkt auf der Achse des Kompressors. Vgl. auch später das Kapitel "Wirkungsgradverbesserung des Stirlingmotors".

Option rein thermische Regelung unter Verwendung eines thermischen Pufferspeichers zur Speisung des Stirling Motors

Wie bereits erläutert, erfolgt für einen Stand alone Betrieb (ohne erneuerbare Energie, bzw. ohne Turbine) für eine erweiterte Ausführung die Pufferung in einem thermischen Pufferspeicher, der über Ventile beim Aufladen der Energie an den Heizkreislauf der Heizvorrichtung (z. B. eines Holzofens, oder Ölbrenners oder Kohlegasbrenners) in Parallelschaltung ständig angeschlossen ist, ohne daß während der Ladephase, in der die angetriebene Wärmepumpe ausgeschaltet ist, eine wesentliche Wärmeenergie des Pufferspeichers an den Stirlingmotor abgegeben wird. Schaltet sich die Wärmepumpe ein, dann wird der Pufferspeicher in Serie mit der Heizvorrichtung (z. B. eines Ölbrenners oder Kohlegasbrenners) geschaltet, wobei die Heizvorrichtung zusätzlich als Durchlauferhitzer wirkt, und einen Teil der vom Pufferspeicher an den Stirling Motor in der Entladephase abgegebenen Wärme im Rücklauf des Heizkreislaufs wieder ausgleicht. Die vom Pufferspeicher an den Stirlingmotor abgegebene thermische Leistung wird aus der Differenz der vom Pufferspeicher abgegebenen Wärmeleistung minus der an den Pufferspeicher Kreislauf wieder zurück gegebenen Wärmeleistung berechnet. Wird daraus die Abwärme des Kühlkreislaufs des Stirlingmotors abgezogen, dann erhält man die vom Stirlingmotor an den Kompressor abgegebene mechanische Leistung. Die jeweilige Wärmeleistung wird jeweils aus dem Produkt von entsprechender Temperatur mal Drehzahl der betreffenden Umwälzpumpe für den Transport des Wärmeträgers (Thermoöl) berechnet.
Dabei wird wie bei der Regelung des Synchrongenerators die Drehzahl des Kompressors der Wäremepumpe konstant geregelt, was auch unmittelbar über den eingebauten Elektromotor (entspricht Motor M) des Kompressors erfolgen kann, der für die Ausregelung einer entgegengesetzten Regelabweichung (d. h. Drehzahl ist zu hoch) jeweils in den Generatorbetrieb geschaltet wird, um in den Akku einen Ladestrom einzuspeisen, der als Bremsmoment auftritt. Gegebenenfalls wird, um große Lastschwankungen auszuregeln, noch eine Zusatzlast RL (z. B. ein Heizkörper) angeschaltet.
Für die Variante der rein thermischen Regelung ist die Synchronisation zwischen Laden und Entladen des thermischen Pufferspeichers und den Einschaltzyklen des Kompressors beispielsweise folgendermaßen vorgenommen: Ausgehend von der Abweichung der gemessenen Raumtemperatur zum SOLL-Wert, wird der thermische Pufferspeicher auf einen dieser Abweichung entsprechenden Wert aufgeladen, so, daß die Wärmepumpe z. B. 10 Minuten lang den Kompressor betreiben kann. Durch diese Maßnahme wird ein Überladen des thermischen Pufferspeichers vermieden, das nicht nur die thermischen Leckverluste des thermischen Pufferspeichers betrifft, sondern vor allem auch die Verluste an der Heizquelle selbst (z. B. Holzherd), die sonst in den Schornstein der Heizung geblasen werden.
Anmerkung: Auf Grund dieser Tatsache ergibt sich die Überlegung, daß für eine mit einem Stirling Motor betriebenen Wärmepumpe wegen der besseren Verteilung der Wärmequellen einer Nieder-Temperaturheizung in Zusammenwirken eines externen thermischen Hochtemperatur Pufferspeichers, z. B. fär einen Holz- oder Kohleherd, eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades gegeben ist. Das heißt die Gesamtleistungszahl der thermisch geheizten Wärmepumpe nicht nur >2, sondern bis zum Faktor 3 verbessert werden kann.
Nachdem der thermische Pufferspeicher sich bis auf die zugelassene Temperaturabsenkung entladen hat, wird der Kompressor der Wärmepumpe abgeschaltet, bzw. der Stirlingmotor angehalten. Hat die Wärmepumpe den Sollwert ihrer Abschalttemperatur bzw. ihren Abschaltzustand erreicht, dann schaltet sie sich ab, dito wird wegen des Lastrückganges gegebenenfalls der Stirling Motor mit abgeschaltet. Hat die Wärmepumpe zum Zeitpunkt der Abschaltung des Stirlingmotors (wegen Erreichens der Absenktemperatur des Pufferspeichers, welcher den Stirling Motor speist), ihre Abschalttemperatur noch nicht erreicht, dann wird die Energieerzeugung für den Antrieb des Kompressors ausschließlich durch den Elektromotor M, der den Kompressor (neben dem Kupplungs gesteuerten Direktantrieb des Stirling Motors) antreibt und stets regelt, weiterhin vorgenommen, bis die Wärmepumpe ihre Abschalttemperatur erreicht, bzw. gegebenenfalls von sich aus abschaltet. Aufgeladen wird der Akku während des nachfolgenden Puls Betriebs des Stirling Motors. Sollte für den Betrieb des Elektromotors M die Akkuladung nicht ganz ausreichen, dann erhält der Kompressor der Wärmepumpe ein entsprechendes Abschaltsignal, wobei die Abschalttemperatur des Heizkreislaufs gemessen wird. Aus der Differenz zum Temperaturwert der Soll Abschalttemperatur des Heizkreislaufs errechnet sich über die gegebene Aufheizzeit (des Temperaturanstieges im Heizkreislauf) der jeweils fehlende Energiebedarf, der in der nächsten Pulsphase des Stirling Motors als erhöhte Akku Ladung geladen werden muß, d. h. die Abschalttemperatur des Pufferspeichers aus dem der Stirling Motor betrieben ist, wird entsprechend abgesenkt um für die Puls Phase eines längere Laufzeit des Stirling Motors zu erhalten. Wird umgekehrt jedoch ein Überschuß der Akkuladung (d. h. eine über mehrere Zyklen steigende Ladespannung) beim Abschalten des Kompressors der Wärmepumpe (bei Erreichen ihrer Abschalttemperatur) festgestellt, dann wird die Abschalttemperatur des Pufferspeichers aus dem der Stirling Motor betrieben ist, entsprechend erhöht, um für die Puls Phase eine längere Laufzeit des Stirling Motors zu erhalten. Bei der Errechnung des Energiebedarfs für eine verlängerte, bzw. verkürzte Ladezeit des Akku werden die jeweils aktuell gemessene Leistungszahl der Wärmepumpe (über die Heizleistung ermittelt aus Temperatur und durch gepumpter Wassermenge des Heizkreislaufs) und die entsprechenden aktuell gemessenen Verluste für die Energieregelungen, dito der aktuell gemessene Wirkungsgrad des Stirlingmotors ermittelt und entsprechend berücksichtigt. Im Prinzip könnte die Pulsdauer des Stirlingmotor auch über die Vorgabe einer entsprechen aktuell (korrigierten) Pulszeit erfolgen. Die Vorgabe einer jeweils zulässigen aktuellen Absenktemperatur des verwendeten thermischen Pufferspeichers hat jedoch den Vorteil, daß für den Fall, daß die Heizleistung für den Betrieb des Stirlingmotors mit einem akzeptablen Wirkungsgrad nicht mehr ausreicht, der Pufferspeicher nicht unter die diesem Wirkungsgrad entsprechende Absenktemperatur absinkt, d. h. z. B. wird bei einer Holzheizung dieser Zustand erreicht und ein Alarmsignal abgegeben (das Holz nach zu legen ist), dann muß der Pufferspeicher nicht unnötig lange aufgeheizt werden und der Stirling Motor arbeitet immer mit dem optimalen Wirkungsgrad.
Regelung der Heizleistung des Stirling Motors: Dabei ist eine Beeinflußung der Wärmezufuhr des Stirlingmotors derart vorgesehen, daß der Ladezustand des für Motorspeisung (von M) verwendeten Akkus die Zufuhr der Wärmeenergie des Stirling Motors in einem Regelkreis beeinflußt. Derart, daß der Ladezustand des Akkus in der bereit beschriebenen Weise ständig überwacht wird, wobei bezogen auf einen SOLL Zustand der Akkuladung, ein Absinken der Akkuladung die Drehzahl der Umwälzpumpe für die Wärmezufuhr des Stirlingmotors entsprechend erhöht, bzw. ein Ansteigen der Akkuladung die Drehzahl der Umwälzpumpe entsprechend verringert. Die Drehzahl der Umwälzpumpe wird dabei z. B. durch eine optische Scheibe abgetastet, etc. Somit entsteht am Akku eine Regelschwingung, welche die Ladung des Akkus betrifft. Weist der Stirling Motor keinen externen Heizkreislauf auf, dann erfolgt die Regelung ausschließlich über die Brennmittelzufuhr (Gas, Öl, Luft bei Holzheizung, etc.).
Neben der üblichen Methode die Akkuladung über die Ladespannung zu bestimmen, kann der aktuelle Ladezustand des Akkus aus der Differenz oder dem Quotienten von integriertem Ladestrom (IL) und Entladestrom (IE, Fig. 2b) über jeweils sehr kurze Zeitspannen ermittelt werden. Dabei wird diese Differenz (IL-IE), bzw. gegebenenfalls Quotient, jeweils immer über ausreichend kurze Zeitspannen, die jeweils mehrere, sich aufeinanderfolgend jeweils abwechselnde Motorstrom-Generatorstrom Zeit/Stromintegrale entsprechend dem Regelvorgang der Drehzahlregelung enthalten, als Mittelwert integriert, um eine höher frequente Regelschwingung des Ladeszustandes am Akku zu erhalten. Zu dieser Differenz (oder Quotienten) wird ein Offsetwert K hinzu addiert (oder bei Auswertung als Quotient als Faktor 1+K multipliziert), derart, daß das Gleichheitskriterium dann erfüllt ist, wenn die unter Berücksichtigung dieser Differenz ergebende Gleichheit von integriertem Ladestrom IL und Entladestrom IE, Null ist: IL + {K+IE} 0, bzw. wenn als Quotient definiert, eins ist: IL/IE(1+x) = 1.
Ist das Gleichheitskriterium erfüllt, dann wird die Heizung des Stirling Motors nicht beeinflußt, ist das Gleichheitskriterium nicht erfüllt, dann wird je nach Abweichung, ob Laden oder Entladen überwiegt, die Heizung des Stirlingmotors entsprechend verringert, oder erhöht, wobei hier eine relative Zweipunktregelung ausreichend ist. Diese relative Zweipunktregelung ist in Prozent der Drehzahl für die Umwälzpumpe definiert, z. B. +/- 30%.

Beispiel

Als Energiespeicher wird ein als isoliertes Thermosgefäß (entsprechend dem Aufbau einer Thermosflasche) verwendet, das heißes Öl speichert, welches über den Heizkreislauf durch einen entsprechenden Herd (z. B. Holzherd, Kacheloden, etc.) auf eine einem bestimmten Energieinhalt des Pufferspeichers entsprechende Temperatur aufgeheizt wird. Dazu wird z. B. die zu Fig. 15a näher beschriebene Heizplatte verwendet, mit der solche Herde nachrüstbar sind.
Wird das Thermosgefäß zum Zeitpunkt der Einschaltung des Stirling Motors anstelle in Parallelschaltung zum Herd über die entsprechende Ventilschaltung mit dem Herd in den Heizkreislauf des Stirlingmotors in Serie geschaltet, dann wird z. B. mit der Drehzahl n_min die Zuführung der notwendigen Wärmeleistung zum Stirling Motor gewährleistet, die bis zum Wert n_max erhöht wird, wenn während des Antriebs des Kompressors die Wärmeleistung des Thermosgefäßes entsprechend absinkt. Somit durch eine zusätzliche Zweipunktregelung die Zufuhr der Heizleistung des Stirling Motors in Anpassung an eine möglichst minimale Überladung des Akkus für den Motorantrieb M geregelt wird. Die Regelung im Drehzahlbereich der Umwälzpumpe von n_min bis n_max erfolgt folgendermaßen:
n=n, wenn Regelabweichung Null bzw. IL + {K+IE} = 0
n=1.3n, wenn Regelabweichung überwiegend entladend bzw. IL + {K+IE} < 0
n=0.7n, wenn Regelabweichung überwiegend ladend bzw. IL + {K+IE} > 0
somit der Drehzahlbereich für die als Stellglied verwendete Umwälzpumpe von 0.7n_min bis 1.3n_max erweitert wird.
Das beschriebene Regelverfahren erfüllt den Zweck, daß sich die Umladeleistung (beim abwechselnden Laden/Entladen) des Akkus jeweils selbstätig auf ein Minimum einstellt. Als Umladeleistung wird die Summenleistung bezeichnet, die beim Laden und Entladen des Akkus auftritt und über den Wirkungsgrad des Akkus einen entsprechenden Verlust erzeugt. Da ein unzulässiges Überladen des Akkus durch eine Übersteuerung (Überheizen) des Stirling Motors, dito ein unzulässiges Entladen des Akkus durch Untersteuerung (bzw. zu wenig, Heizen) des Stirling Motors entsteht, wobei diese Regelabweichung durch den Motorantrieb M (Im = Entladestrom), bzw. dessen Generatorfunktion (Ig = Ladestrom) jeweils ausgeglichen wird, stellt sich die bevorzugte Regelung somit stets selbstätig auf einen optimalen Wirkungsgrad ein, bei der die als Regelschwingung des Akkus auftretende Umladeleistung ein Minimum ist, (dito die sich daraus ableitende Übersteuerung bzw. Untersteuerung des Stirlingmotors, mit der die Regelabweichung des Ladezustandes am Akku jeweils ausgeregelt wird). Um die Umladeleistung am Akku selbstätig auf ein Minimum zu regeln, ist der dem Wirkungsgrad des Akkus ausgleichende Wert K nicht als Konstante, sondern als Variable definiert. Diese Variable K wird stets nach dem tatsächlichen Wirkungsgrad des Akkus über eine entsprechende Vielzahl von integrierten Messungen des Entladestromes sowie Ladestromes nachgeregelt indem die sich durch die beschriebene Regelung über einen größeren Zeitraum ergebende Abweichung der mittleren Akkuladespannung von ihrem Sollwert (gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Temperatur, etc.) gemessen wird. Der Faktor K wird dann in incrementalen Schritten dieser Abweichung entgegenwirkend verändert. Somit dieses Regelverfahren drei wesentliche Vorteile bringt: Der Akkumulator wird exakt auf Nennspannung gehalten, der durch den Wirkungsgrad bedingte Stromverbrauch des Akkus ist ein Minimum, der Stirlingmotor wird weder übersteuert, noch untersteuert, und folgt dem exakten Leistungsbedarf, wodurch die Hysterese Verluste (= unnötiges Aufheizen und unnötiges Abkühlen) auf ein Minimum gehalten sind, einschließlich jener, der Heizquelle.
Synchronisation der Wärmepumpe mit der zugeführten Heizleistung eines Herdes beim, Aufheizen des Pufferspeichers: Um beispielsweise auch Hystereseverluste beim Heizherd zu vermeiden, soll gerade soviel Heizleistung zugeführt werden, als im thermischen Pufferspeicher jeweils zwischen gespeichert werden soll. Reicht die Heizleistung (z. B. Holz) nicht mehr aus, um die Leistung für den Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe zu erbringen, dann kann der für die weitere Regelung vorgesehene Elektromotor M z. B. aus einem öffentlichen elektrischen Energienetz ergänzend gespeist werden, oder die thermische Energie wird weiterhin durch einen weiteren Brenner (Öl, Gas, etc.) aufgeheizt. Es ist dann ein ähnliches Energie Managementverfahren für die Regelung vorgesehen, wie für die Wasserkraft zu Fig. 2a bereits beschrieben. Eine entsprechende Regelabweichung von der Solldrehzahl des Kompressors schaltet dann zusätzlich zur Akkuspeisung einen entsprechenden Antriebsstrom des für die weitere Regelung vorgesehenen Motors M (der auch im Kompressor unmittelbar enthalten sein kann) aus dem öffentlichen Netz zu, bei gleichbleibender Regelung durch den Motor M, d. h. bei zu hoher Drehzahl wird der Motor M wieder in den Generator Betrieb geschaltet, um den Akku zu laden. Da der vom öffentlichen Netz bezogene Stromanteil, der in diesem Fall den Antrieb des Stirling Motors mangels ausreichender Heizleistung (z. B. eines Holzofens, etc.) unterstützt, unmittelbar durch den Drehzahlvergleich über den Motor M ausgeregelt wird, dessen Puffer Akku Verluste auf ein Minimum geregelt sind, wird auch dieser Stromanteil auf ein Minimum gehalten, wobei dann für die beiden Stellglieder für das Stellen der Heizleistung (z. B. Umwälzpumpe) und für das zusätzliche Stellen des Motorstromes M (Stromregelung aus dem öffentlichen Netz) das gleiche hierarchische Umschaltverfahren angewendet werden kann, wie für das Regeln der Drehzahl nach Fig. 2a, nur daß anstelle einer zu große Drehzahlabweichung, dann eine zu große Abweichung des zu erfüllenden Akku Ladeszustandes (z. B. zu geringe Ladespannung) zur einer betreffenden Umschaltung für die zusätzliche Unterstützung durch das öffentliche Netz (für den Antrieb von M) führt.
Wirkungsgradverbesserung des Stirfing Motors: Der Stirlingmotor hat einen umso höheren Wirkungsgrad je höher die Arbeitstemperaturdifferenz ist. Aus diesem Grund kann generell durch den bevorzugten thermischen Pufferspeicher der Wirkungsgrad des Stirling Motors erhöht werden. Im Beispiel einer Holzheizung des Stirling Motors, wird bei nachlassender Heizenergie (z. B. Holz) der Pufferspeicher vor allem dazu benutzt, um über eine entsprechend lange Zeit, z. B. 16 Minuten, den Pufferspeicher auf die Solltemperatur auf zu heizen, wobei die in den Pufferspeicher geladene thermische Energie z. B. 5 Minuten zum Betrieb des Stirlingmotors für den Antrieb des Kompressors genutzt wird, und für die restliche Zeit, von z. B. 4 Minuten der Kompressor über den Akku und das öffentliche Stromnetz gespeist wird, während der Pufferspeicher nach einer Teilentnahme der Energie wieder gespeist wird. Somit in diesem Beispiel die Wärmepumpe eine Pause von (16 - 4 =) 12 Minuten einhält. Vgl. dazu auch Fig. 16a.
Auch für die Ausführung eines Hybridantriebes in Verbindung mit einem Peltonrad ist die Verwendung eines thermischen Pufferspeichers für die Speisung des Stirling Motors sinnvoll. In diesem Fall wird in die Synchronisierung an das Einschaltverhalten der Wärmepumpe dar Ladezustand des Speicherbehälters mit einbezogen.
Die Synchronisierung erfolgt z. B. so, daß der thermische Pufferspeicher stets betriebsbereit auf seine maximale Energie aufgeheizt wird. Immer wenn die Wärmepumpe sich einschalten soll, wird geprüft, ob der Sammelbehälter (7 m³) auf sein Niveau Hmax geladen ist. Wenn ja dann wird zuerst die Energie über das Peltonrad dem Sammelbehälter entnommen, und falls erforderlich anschließend noch über den thermischen Pufferspeicher dem Stirlingmotor zugeführt, wobei der die Regelung weiterhin vornehmende Motor M die Anlaufzeit des Stirling Motors überbrückt. Ist dagegen zum Einschaltzeitpunkt der Wärmepumpe der Sammelbehälter (7 m³) noch nicht auf sein Niveau Hmax geladen, dann wird geprüft, wie weit der Ladestand des Wasserspiegels von diesem Pegel noch entfernt ist. Liegt die Differenz dH um die der Pegel unterhalb Hmax liegt, innerhalb eines bestimmten Wertes dH < dHmin und kann ein bestimmter Mindestandstieg des Wasserstandes festgestellt werden, dann wird die Zeitspanne abgewartet, bis Hmax erreicht ist, oder bis die Zeitspanne abgelaufen ist, innerhalb der Hmax zumindest sicher hätte erreicht sein müssen. Ist der Wasserstand von Hmax jedoch zu weit entfernt (dH > dHmin), dann wird der Stirlingmotor gestartet und der Kompressor der Wärmempumpe eingeschaltet. Dabei wird bei Erreichen des maximalen Wasserstandes Hmax im Pufferspeicher jedoch sofort ein Interrupt gegeben, der den Betrieb des Stirling Motors beendet und auf den Turbinenbetrieb umschaltet, was durch Rücknahme der zuvor im Status "Sammelbecken Füllen" in den Elektromotor M eingespeisten Stromerhöhung erfolgt, wodurch der Schieber SB sich entsprechend öffnet, um den Drehmomentschwund wieder auszuregeln.
Gesteuert werden diese Vorgänge durch das bereits genannte Statussignal: "Sammelbecken Füllen", über welches über die Einspeisung eines durch den Elektromotor M erhöhten Drehmomentes der Schieber SB des Peltonrades in eine Drosselstellung gefahren wird, wie bereits erläutert. Das Statussignal: "Sammelbecken Füllen" wird dann abhängig vom jeweiligen Ladestand des Sammelbehälters ausgegeben, falls eine Aufladung wieder erforderlich ist. Durch die Drosselung des Schiebers SB ist die Drehzahl des Synchrongenerators über den Schieber nicht mehr regelbar, die Regelung wird auf Motorstrom (Im)- Generatorstrom (Ig) Regelung umgeschaltet (Fig. 2a), dadurch sinkt die Akkuladung und der Stirling Motor schaltet sich zu.
Wird der Stirlingmotor eingeschaltet (und angekuppelt), dann erfolgt seine Speisung über den thermischen Pufferspeicher. Da der Pufferspeicher innerhalb der Zeit, in der seine Energie nicht benötigt wurde, auf die maximale Temperatur aufgeladen worden ist, kann der Stirling Motor mit sehr gutem Wirkungsgrad betrieben werden. Je nach Wirkungsgrad des verwendeten Akkus, kann es daher sinnvoll sein, wie bereits angegeben worden ist, den Pufferspeicher nur bis zu einer bestimmten Temperaturabsenkung zu benutzen, dabei den Akku des Motors M aufzuladen und anschließend den weiteren Betrieb des Kompressors mit dem Motor M zu betreiben.
Je nachdem ob der mit sinkender Arbeitstemperatur sinkende Wirkungsgrad des Stirlingmotors (bei relativ längerer Pulslänge) sich mehr oder weniger auswirkt als der Verlust, der durch den Wirkungsgrad des elektrischen Akkus (bei relativ längerer Pausenüberbrückung) gegeben ist, erfolgt die Wahl der mit dem Stirling Motor gefahrenen Pulsleistung in Anpassung an die geforderte Kompressorleistung der Wärmepumpe.
Fig. 5a veranschaulicht die übliche Standardregelung des Peltonrades durch Regelung über den Schieber, wobei noch angedeutet ist, daß wenn diese Regelung nicht ausreichend ist, entsprechend Fig. 2a eine Zusatzregelung über Imot bzw. Igen erfolgt.
Fig. 5b betrifft ein Beispiel für eine autarke Regelung des an den Synchrongenerator oder unmittelbar an den Kompressor einer Wäremepumpe angekoppelten Stirling Motors durch den Speisestrom Im des weiteren Elektromotors (Motor M) bzw. über den zusätzlichen Belastungsstrom Ig des Generators. Dabei wird jedoch der Stirlingmotor wieder indirekt über den AKKU Ladestand entsprechend Fig. 4 geregelt (vgl. auch Fig. 2b) bzw. geheizt, (z. B. auch im Zweipunkt Betrieb).
Ist der Stirling Motor z. B. direkt an den Kompressor einer Wärmepumpe angeschlossen, dann kann der für den Kompressorantrieb vorgesehene Motor M auch im Umkehrbetrieb gleichzeitig als Generator verwendet werden, um den Akkumulator aufzuladen, mit dem der Motor M im Motorbetrieb gespeist wird. D. h. bei zu hoher Drehzahl (+df) ladet der im Umkehrbetrieb als Generator arbeitende Motor M den Akku, bei zu niedriger Drehzahl (-df) speist der Akku den Motor M. Der Stirlingmotor wird dabei (z. B. im Zweipunktbetrieb) nur dann geheizt, wenn die integrierte Differenz von Ladestrom minus Entladestrom gegen Null geht, bzw. negativ wird, bzw. wird durch diesen Regelvorgang die integrierte Differenz ständig auf einen geringen positiven Wert gehalten, somit die Ladespannung des Akkus ständig ansteigt. Übersteigt jedoch der Ladestand des Akkus (z. B. gemessen über die Ladespannung) den SOLL-Wert dann bleibt die Heizung des Stirling Motors solange abgeschaltet (bzw. im Standby) bis der Ladezustand wieder auf den SOLL-Wert absinkt.
Der Stirling Motor ist dabei über eine elektrisch geschaltete Kupplung an die Welle des Motors M angekoppelt, wobei der Motor M ständig mit der Antriebswelle des Kompressors verbunden ist, wie standart gemäß bei Wärmepumpen üblich. Der Stirung Motor dagegen, wird nur bei Bedarf an die Antriebswelle des Kompressor angekoppelt.
Fig. 6a veranschaulicht den durch die Regelung bewirkten Ladevorgang des Akkus, wenn der Akku voll ist. In diesem Fall wird die für die Regelung benötigte Generatorbelastung dlgen durch Zuschaltung eines weiteren Belastungswiderstandes hergestellt. Der dargestellte Fall (RL) tritt kurzzeitig nur ein, wenn der SOLL-Wert der Ladespannung, bei der die Heizung des Stirling Motors aussetzt, zu knapp dimensioniert ist. In der Regel wird der Schwellwert für die Zuschaltung von RL nicht erreicht, solange der Akku noch einen ausreichenden Ladestrom zur Ausregelung von +df aufnehmen kann. Zu diesem Zweck wird der Akku Ladestrom dlgen überwacht. Ist er zu klein, dann wird auf die Last RL umgeschaltet, ist er ausreichend groß erfolgt die Rückschaltung auf Akku Laden (bei ständigem Test).
Fig. 6b betrifft ein Beispiel, in dem gezeigt wird, wie am bevorzugt offenen Kühlkreislauf des Stirlingmotors gegebenenfalls eine Vereisung verhindert werden kann, wobei der Stirling Motor durch eine entsprechende Temperaturmeldung am Kühlkreislauf eingeschaltet wird, auch wenn die Drehmomenterzeugung es nicht erfordert. Ist der Akku noch zu laden, dann wird der vom Stirlingmotor zusätzlich erzeugte Strom über den Ladestrom weg geregelt. Ist der Akku voll, dann wird der Verbraucherstrom durch Einschalten einer Zusatzlast erhöht. Die Umwälzpumpe des Kühlkreislaufs läuft dabei entsprechend langsam, damit er sich durch die entsprechend große Abwärme aufheizt. Wird der Stirling Motor bei Frost nicht verwendet, dann erfolgt in regelmäßigen Abständen eine kurzzeitige Einschaltung der Umwälzpumpe für den offenen Kühlkreislauf um die Leistungsaufnahme zu messen. Steigt die Leistungsaufnahme der Pumpe über einen kritischen Wert an, wird von einer Eisbildung ausgegangen und die Enteisungsprozedur eingeleitet.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Hybridantriebes, bestehend aus einem Peltonrad (TB) mit einem Schieber (SB) als Stellglied, einem durch das Peltonrad angetriebenen Synchrongenerator (GEN), an dem eine optische Winkelscheibe zur Drehzahlmessung (Winkel) aufgesetzt ist und die Generatorachse eine Seite einer elektrisch (mit Steuersignal StK) geschalteten Lamellenkupplung antreibt, wobei auf der anderen Seite der Lamellenkupplung, über die der Stirling Motor sein Drehmoment einspeist, gleichfalls eine optische Winkelscheibe zur Drehzahlmessung (Winkel) aufgesetzt ist. Die Lamellenkupplung wird jeweils erst dann in den Kupplungszustand "ein" geschaltet, wenn der hochgefahrene Stirling Motor die gleiche Drehzahl aufweist, wie der Generator GEN. Der die weitere Regelung vornehmende Elektromotor M speist sein Drehmoment direkt auf der Generatorwelle ein. Durch die Lamellenkupplung kann der Stirling Motor jederzeit im Puls Pausenbetrieb gefahren werden, um mit maximaler Hitze zu arbeiten.
Der Drehstromgenerator GEN speist das gesamte Netz und die Wärmepumpe. Aus dem Netz wird die Ladeschaltung des Akkus gespeist (Netzteilregler), wobei die Steuersignale Feinregelung 1 den Ladestrom des, Akku einstellt, Feinreglung 2 den Strom einer gegebenenfalls erforderlich gewordenen zusätzlichen Belastung RL einstellt, um ein der Regelung entsprechendes Bremsmoment zu erzeugen. Der Akku liefert (über das Netzteil) den gleichfalls durch ein Steuersignal (über T3) eingestellten Motorstrom des für die Regelung verwendeten Elektromotors M. Sämtliche Steuersignale, einschließlich Akku Test, werden von der in Fig. 13 dargestellten Signalprozessorschaltung abgehandelt, wobei in der Schaltung nach Fig. 13 aus Platzgründen nicht alle Signalleitungen dargestellt sind und die nicht dargestellten in der Leitung "andere" zusammengefaßt sind. In Fig. 7 ist eine Summenerzeugung der Hitze für den Stirling Motor dargestellt (Holz und Ölbrenner). Die, Ventile V1, V2 schalten die im als Kiosk bezeichneten Raum untergebrachte Heizschlange an die Nutzung der Abwärme des Kühlkreislaufs oder es wird die Abwärme über eine direkte Überbrückung; z. B. zu einem weiteren Raum oder dem als Teich bezeichneten Auffangbecken abgeführt. Weiters ist noch das vom Sammelbehälter erhaltene Signal zur Anzeige des Füllstands mit eingezeichnet.
Fig. 8 zeigt eine Variante, bei der keine Energieerzeugung durch Wasserkraft mit vorgesehen ist. Dabei kann der Explizit dargestellte Motor M auch zugleich als Standart mäßiger Antrieb der Wärmepumpe im Kompressor enthalten sein und entsprechend der Regelung jeweils im Umkehrbetrieb als Generator geschaltet werden um den Akku zu laden. Dieser Umkehrbetrieb des Motors M entspricht dann dem weiterhin Explizit dargestellten Generator GEN, der dann nicht mehr erforderlich ist.
In Fig. 8 unten ist noch verdeutlicht, daß nach Abgabe der Abwärme das Kühlwasser des Stirling Motors in einem Rohr abgeleitet wird, in welchem innenseitig konzentrisch das Sole Rohr der Wäremepumpe eingesetzt ist, somit die Wärmepumpe dem Kühlwasser die Restwärme noch entzieht.
Fig. 11a zeigt den Abgriff für den Wärmeentzug der Wärme des vom Peltonrad abgegebenen Überwassers durch das Sole Rohr der Wäremepumpe. Neben der einfachen Möglichkeit das Sole-Rohr der Wärmepumpe direkt in einen vom Überwasser gespeisten Pool, z. B. in einen Teich zu legen, kann der Entzug direkt über das Ableitungsrohr (R) des Überwassers erfolgen. Dadurch wird verhindert, daß sich im Pool (Teich) kalte Bezirke bilden, die den Pool im Winter leichter einfrieren lassen. Bei der in Fig. 11a gezeigten Ausführung ist (aus Platzgründen) das Abflußrohr des Überwassers in mehrere parallele Rohre (R) aufgeteilt, die vom Überwasser der Turbine gespeist werden. Zusätzlich fließt noch die Abwärme des offenen Kühlkreislaufs des Stirling Motors (nach Nutzung durch entsprechende Heizkörper) in dieses Rohr. Da der gesamte Kühlkreislauf des Stirling Motors durch Einspeisung eines entsprechenden Potentials unter Verwendung einer "Opferelektrode" (die als regelmäßig ausgetauschtes Teil angefressen werden darf) geschützt ist, bestehen keinerlei Bedenken für die direkte Ableitung des offenen Kühlkreislaufs. Es kann sich darin auch kein Öl des Stirlingmotors absetzen, etc.
In die Rohre R, die das Überwasser der Turbine führen, sind die PE-Rohre des Sole Kreislaufs der Wärmepumpe eingesetzt, die als Mäander geführt sind (siehe Detail zu Fig. 9b). Abgeschlossen sind die Röhre R durch über Gewinde gehaltene Teller T, wobei durch Verdrehung der Teller (um dieses Gewinde) der Abstand XL (vgl. Fig. 9b) zur Rohröffnung, und somit der Durchfluß eingestellt wird. Es sind zwei voneinander unabhängige Sole Rohre in die Rohre R (für das Überwasser) jeweils eingesetzt mit den Zuführungsanschlüssen W1zu, W22u und W2ab, W2ab.
Fig. 9a zeigt ein Beispiel für den als Durchflußwiderstand verwendeten Teller T, wobei bei Verwendung mehrerer paralleler Rohre (R) die einzelnen Teller der Rohre durch Zahnriemen gekoppelt sind und zentral verdreht werden können. In diesem Fall von einem (im Winter) geheizten Servo Antrieb. Es bedeuten: 9. . .Gewindestange, die in Gewindebolzen 8 eingeschraubt ist. 7. . .schmaler Haltesteg (mit seitlicher zur Rohrwand gegebener Durchflußöffnung) an welchen der Gewindebolzen 8 im Rohrzentrum befestigt ist. 5. . . An der Rohrinnenwand befestigter Temperatursensor, 6a. . .optionaler Staudruckmesser, DX- Modul. . . . an Rohr R (PE-Rohr) angeschweißtes (weiteres) PE-Rohrstück, welches die beschriebene Komponente zur Aufnahme des Tellers T enthält. 11. . .90° Winkelstück des in das Rohr R jeweils konzentrisch eingesetzten Sole Rohres der Wärmepumpe.
Fig. 9b zeigt wie das Sole Rohr der Wärmepumpe (für den Wärmeentzug) in das Durchflußrohr R für die Ableitung des Überwassers des Peltonrades eingesetzt sind. Dabei weist das Durchflußrohr R einen so breiten Querschnitt auf, daß mühelos zwei. Sole Rohre zweier Wärmepumpen (W1, W2) eingesetzt werden können, wie im Querschnitt zu Fig. 11b dargestellt. Die Sole Rohre W1, W2 sind in Fig. 9b mit 11 und 22 bezeichnet, wobei jeweils durch 90° Winkelstücke 3 die Sole Rohre aus dem Durchflußrohr R durch mit Gummidichtungen 4 entsprechend abgedichtete Öffnungen heraus geführt und zu einem Mäander verbunden sind. Dabei ist das Winkelstück 3 jeweils so kurz gehalten, daß das daran auf geschweißte Sole Rohr (22 bzw. 11) stirnseitig aus dem Durchflußrohr R zum Zwecke des Anschweißens heraus geführt werden kann, bevor das DX-Modul-Mit dem Teller (Durchflußwiderstand) angeschweißt wird. Am anderen Ende des Durchflußrohres R können die Sole-Rohre auch unmittelbar durch Umbiegen verbunden werden. Die Darstellung in Fig. 11a ist nur prinzipiell schematisch.
Fig. 10a zeigt oben das Überwasserbecken zur Aufnahme des vom Peltonrad abfließenden Überwassers mit der Abzweigung (Verteiler) des Durchflußrohres R, bzw. gegebenenfalls mehrerer paralleler Durchflußrohre (R-Rohre), die das Überwasser in einen Pool (Teich) leiten. Über diesen Durchflußrohren ist ein Überlaufrohr vorgesehen, dessen Querschnitt so bemessen ist, daß bei richtiger Einstellung der Durchflußwiderstände T (am unteren Ende der Durchflußrohre R im Überwasserbecken) der Wasserstand im Überwasserbecken ein bestimmtes Niveau nicht überschreitet, da das Überlaufrohr nicht voll gefüllt ist. Nur wenn die Durchflußrohre R einen zu geringen Durchfluß aufweisen (z. B. bei beginnen der Vereisung), dann übersteigt das Niveau im Überwasserbecken einen bestimmten Grenzwert, der von einer elektronischen Niveaumessung registriert wird und ein Meldesignal an die Steuerung abgibt, worauf die Durchflußteller T am unteren Ende der Durchflußrohre R in ihrem Abstand zur Rohröffnung über ihren Motorantrieb weiter heraus gedreht werden (xL = max. in Fig. 9b) und weiters Ufer Wärmeentzug der Wärmepumpe herunter gefahren wird. Diese Maßnahme hat zur Folge, daß das Niveau (Pegel) sich im Überwasserbecken wieder auf den Sollstand einstellt.
Der Motorantrieb der Teller T für die Durchflußeinstellung bewährt sich auch, wenn die Wärmepumpe im Umkehrbetrieb verwendet ist, in dem die Durchflußrohre R wie ein Durchflußerhitzer für einen Teich oder Pool, dem das Wasser der Rohre zugeleitet ist, wirken, wobei über die durch die Teller T eingestellte Durchflußmenge die aufgeheizte Wassertemperatur eingestellt wird.
Fig. 12 zeigt ein Beispiel, zur Veranschaulichung, daß auch ein autarker Schwungradspeicher SR als Energiespeicher benutzt werden kann (angetrieben von autarken Motor/Generator MS/GS), der als weitere Option zum Akku den Regelmotor M speist. Die Regelung der Schwungrad Drehzahl entspricht der Regelung des Ladezustandes, der hier z. B. einer konstanten kinetischen Energie, d. h. einer konstanten Drehzahl des als autarker Energiespeicher verwendeten Schwungrades entspricht. Die Stromzufuhr Ig des Regelmotors M, über welchen die Drehzahl des vom Stirlingmotor mit angetriebenen Verbrauchers (Synchrongenerator GEN, bzw. Kompressorantrieb einer Wärmepumpe, etc.) geregelt wird, bzw. im Pausenbetrieb des Stirling Motors, in der der Regelmotor M das Drehmoment des Stirlingmotors in dessen Pause ersetzt, wird einer konstanten Drehzahl des Verbrauchers (z. B. Synchrongenerators, Kompressors) entsprechend getastet (über Halbleiterschalter Sg). Dito wird bei der Drehzahlregelung des Verbrauchers entsprechenden Einspeisung eines Bremsmomentes, über das am Synchrongenerator GEN, bzw. Kompressorantrieb einer Wärmepumpe gespeiste Netzteil NT ein Strom Im (getastet über Halbleiterschalter Sm) in den autarken Schwungradantrieb MS eingespeist, mit dem die Energie des Schwungrades entsprechend erhöht wird. Die Drehzahlregelung des autarken Schwungradspeichers (über Winkelgeber), die mit der Drehzahlregelung des Verbrauchers im Prinzip nichts zu tun hat, da das Schwungrad hier nur den Akku ersetzt, erfolgt jedoch nicht über die nach der Drehzahl des Verbrauchers getasteten Ströme Ig (über Sg) und Im (über Sm) sondern über die Regelung der Heizleistung des Stirling Motors, da die Drehzahl des autarken Schwungradspeichers dem Akku Ladezustand der Speisung jenes Antriebes entspricht (Motor M) über den die Drehzahl des Verbrauchers (GEN, bzw. Kompressor) geregelt ist. Die Heizleistung des Stirling Motors wird dabei stets so eingestellt, daß die Drehzahl des Schwungrades (= Ladezustand) konstant auf dem Sollwert erhalten bleibt. Die bereits erläuterte Integralbildung (der Differenz von Ladestrom und Entladestrom) für den Erhalt des Akku Ladezustandes entspricht beim Schwungradspeicher der Integralbildung der Differenz von Motorstrom Im und Generatorstrom Ig des wahlweise im Umkehrbetrieb als Generator arbeitenden autarken Schwungradantriebes MS/CS.
Die beschriebene Schwungradspeicherung soll die Abhängigkeiten der Regelung für den Stirling Motor klar machen. Daß die Regelung der Heizleistung nicht nach dem vom Stirling Motor unmittelbar auf die Welle des Verbrauchers eingespeisten Drehmoment erfolgt, sondern über die Energieversorung (bzw. Ladezustand der Energieversorung) für den Regelmotor M erfolgt. Ist kein Schwungradspeicher vorgesehen, dann wird dieser durch den bereits erläuterten Akku ersetzt.
Die Heizleistung des Stirling Motors wird über die Drehzahl der Umwälzpumpe des Heizkreislaufs genau geregelt, wobei wenn die Drehzahl als Mittelwert von einem vorgegebenen Wert abweicht, die Heizleistung des Stirling Motors über einen entsprechenden Servo Motor (Servo Heizung) nachgestellt ist. Anstelle eines teuren Servo Antriebes wird der beim Heizaggregat ohnehin vorhandene Temperaturfühler derart manipuliert, daß er aus dem Herd herausgeführt über einen Heiztransistor auf eine entsprechende Temperatur mehr oder weniger aufgeheizt wird, so wie es der mit einem gesonderten Temperatursensor gemessene Temperatur des Heizkreislaufs entspricht, bzw. es die Regelung (RGL) der Heizleistung erfordert. Auf diese Weise lassen die Standart mäßig vorhandenen Temperaturfühler diverser Heizvorrichtungen sich unmittelbar als Stelleinrichtung der Heizung verwenden. Dabei kann der Temperaturfühler über den Kühlkreislauf noch ständig gekühlt werden, damit ein sofortiges Hochfahren der durch den Temperaturfühler geregelten Heizquelle bei fehlender Heizieistung des Heiztransistors gegeben ist. Eine Abschaltung der Heizquelle erfolgt dagegen durch Aufheizen des Temperaturfühlers durch den Heiztransistor (Simulation der Erwärmung).
TAW. . . .Messung der Abwärme des Stirling Motors.
Fig. 13 zeigt eine Übersicht der wichtigsten Signale, die mit einer Signalprozessorschaltung verarbeitet werden, wobei die nicht eingezeichneten unter dem Sammelbegriff "andere" zusammengefaßt sind. Hinweis: Als Ladenetzteil für die Akkuladung wird bevorzugt ein Resonanzkonverter verwendet, der mit hohem Wirkungsgrad bei zum Zwecke der Regelung jeweils vorgegebener Generatorbelastung (dlgen) die einzuhaltende Belastung bei der Akkuladung einstellt.
Fig. 14 betrifft ein Beispiel für die Verwendung eines thermischen Pufferspeichers zur Speisung des Stirling Motors. Wobei die Ventile der benutzten Ventilschaltung den Pufferspeicher entweder vom Stirlingmotor thermisch isolieren und an die Heizquelle als paralleler Verbraucher anschließen, oder den Pufferspeicher in einen seriellen Heizkreislauf mit dem Stirung Mötor und der Heizquelle schalten, wobei die Heizquelle dann als zusätzlicher Durchlauferhitzer wirkt.
Der Grund weshalb nicht der Heizbehälter des Wärmeträgers (z. B. Thermoöls) unmittelbar an der Heizstelle als Pufferspeicher verwendet wird, sondern ein externer Pufferspeicher zur Anwendung gelangt, ist der, daß das als Wärmeträger verwendete Thermoöl bis zum absolut maximal möglichen Temperaturbereich aufgeheizt werden soll, ohne daß die Filmtemperatur überschritten wird. Dies ist die Temperatur an der heißesten Stelle, bei deren Überschreitung daß Öl bereits zu koksen beginnt. Z. B. bei 340°C, wobei die Maximaltemperatur mit 320° spezifiziert ist. In Fig. 15 ist nachfolgend eine Heizquelle beschrieben, die das Thermoöl möglichst homogen aufheizt, so daß in diesem Beispiel bis zu einer Temperatur von 320°C gegangen werden kann.
Als thermischer Pufferspeicher können beispielsweise größere Thermosflaschen verwendet werden, die auch wie übliche Thermosflaschen (doppelwandig und verspiegelt) aufgebaut sind. Das Rückgaberohr geht von oben bis ganz nach unten zum Boden der Flasche, das Entnahmerohr greift das heiße Öl oben ab. Die Entnahmerohre und Rückgaberohre der Flaschen sind jeweils parallel geschaltet.
Es reicht jeweils eine kurzzeitige Zwischenspeicherung aus, um den Stirlingmotor im Puls Pausenbetrieb zu betreiben, wobei in der Pause jeweils der weitere Antrieb der Wäremepumpe über den Akku erfolgt (falls erforderlich). Bzw. das Puls Pausenverhältnis mit dem Einschaltzyklus der Wärmepumpe synchronisiert wird. In der Pause wird der Kühlkreislauf des Stirling Motors nicht weiter betrieben. Da der Stirlingmotor thermisch gut verpackt ist, ist beim Wiedereinschalten die Vorwärmzeit unwesentlich. Neben der ohnehin durch die gute Schall- und Wärmeisolation gegebenen absoluten Laufruhe des Motors wird noch von einer Gegenschallkompensation durch Lautsprecher Gebrauch gemacht, um das Laufgeräusch völlig zu eliminieren.
Der beschriebene Puls Pausenbetrieb des Stirling Motors kann genauso angewendet werden, um die beschriebene Energieerzeugung durch ein Peltonrad zu unterstützen, wobei egal, ob der Schieber des Peltonrades in der minimalen Stellung SBmin steht und der Stirling Motor die Energie mangels Wasserzufuhr erzeugt, oder ob der Schieber des Peltonrades in der maximalen Stellung SBmax steht und die Energie ergänzend zur Belastungsgrenze des Peltonrades erzeugt, die notwendige Dosierung der vom Stirling Motor erzeugten Leistung ergibt sich nicht aus seiner Dauerstrich Leistung, sondern aus einer über eine Pulszeit erzeugten Spitzenleistung, in der zusätzlich noch der Akku des für die Regelung verwendeten Motors M aufgeladen wird, der in der Pausenzeit des Stirlingmotors durch den Antriebsstrom des Motors M wieder entladen wird, wodurch sich die Wirkungsgradverbesserung ergibt, da das Gasvolumen des Stirling Motors ständig mit dem höchst möglichen Temperaturgefälle betrieben wird.
Der bevorzugte thermische Pufferspeicher ermöglicht es vor allem auch, daß bei niedrigerer Heizleistung eine relativ höhere Arbeitstemperatur in der Puls Phase des Stirling Motors erreicht wird.
Das beschriebene Regelverfahren ist jedoch genau so anwendbar, wenn beim Stirling Mötor die bei Kleinleistungsmotoren integrierte Heizeinrichtung verwendet wird, d. h. kein thermischer Pufferspeicher verwendet wird, wobei der Stirling Motor dann mit dem Elektromotor M gleichfalls in alternierender Folge abwechselnd das Drehmoment in den Hybridantrieb einspeist. Der thermische Pufferspeicher kann jedoch auch problemlos nachgerüstet werden, wenn an die vom Brenner geheizte Fläche des Motors ein entsprechender Wärmetauscher aufgesetzt wird.
Es ist evident, daß sich das neue Regelverfahren nicht nur für stationäre Anlagen sehr gut eignet, sondern daß auf diese Weise auch der Wirkungsgrad eines mobilen Stirling Antriebes, z. B. für ein Boot, oder ein Kraftfahrzeug, dito für ein Flugzeug, etc. verbessert werden kann.
Fig. 15a betrifft eine zur Nachrüstung für einen Holz- oder Kohle- oder Gas- oder Ölherd vorgesehene Kreis förmigen Heizplatte mit der der thermische Pufferspeicher des Stirling Motors geheizt werden kann oder der Stirling Motor auch unmittelbar geheizt werden kann. Das gleiche Prinzip läßt sich auch für die Nutzung von Solarhitze verwenden, wenn z. B. mittels günstiger Linsen (Brennglas) oder Parabolspiegel, etc., die Sonnenstrahlung ins Zentrum der Kreis förmigen Heizplatte projiziert wird (über eine entsprechende Öffnung eines thermischen Isolationsgehäuses, in dem die Platte untergebracht ist).
Der Kreis förmige Aufbau der Platte erfüllt den Zweck, daß die gleichfalls (konzentrisch) auf die Platte aufgesetzten und thermisch zur Platte gut leitenden Rohrleitungen jeweils den gleichen Weg (für die Wärmeleitung) zur im Zentrum der Platte anheizenden Heizquelle haben. Falls erforderlich, ist die Platte z. B. beidseits mit Schamott überdeckt und nur bei der unteren (gegebenenfalls auch oberen) Platte ist im Zentrum ein kreisförmiges Fenster ausgespart, über das die Heizung der Platte (jeweils) erfolgt. Die Leitungen für das Thermoöl sind als Ringleitung ausgelegt, wobei die z. B. aus Titan hergestellte Platte aus drei übereinander gelegten Teilen mit einem die Seitenwand der Ringleitungen bildenden Ring besteht, in den die beiden äußeren Platten eingepreßt sind. Der Durchmesser der mittleren Platte ist um die Breite der Ringleitung kleiner. Die Ringleitung wird von einer (auf der Mittellinie der Kreisplatte liegenden) Zuführung gespeist, dito von einer gegenüberliegenden Ableitung, wobei die entsprechenden Rohrleitungen in die Ringleitung eingepreßt sind.
Die Steuerung der Umwälzpumpe beim Aufheizen des Pufferspeichers erfolgt über die Drehzahlregelung der Umwälzpumpe so, daß die Drehzahl nach der unmittelbar am Ausgang der Ringleitung, (gegebenenfalls auch am Eingang) gemessenen Temperatur des in der Ringleitung zur Aufheizung durchfließenden Öls abgestimmt ist. Wobei eine den festgelegten zulässigen Wert am Ausgang der Leitung überschreitende Temperatur eine Erhöhung der Drehzahl der Umwälzpumpe bewirkt, bzw. eine den festgelegten zulässigen Wert am Ausgang der Leitung unterschreitende Temperatur eine Verringerung der Drehzahl der Umwälzpumpe bewirkt.
Fig. 15b betrifft die elektrische Hochtemperaturmessung des Thermo-Öls unmittelbar am Eingang und am Ausgang der Ringleitung der zu Fig. 15a beschriebenen Heizplatte.
Zu diesem Zweck ist in die jeweilige Zuführungsleitung der Heizplatte ein Keramikrohr eingesetzt, das innenseitig eine dünnwandige, in das Keramikrohr eingesetzte und einen Temperatur abhängigen ohmschen Leitwert aufweisende Metallhülse aufweist, oder eine entsprechende metallische Beschichtung.
Über das Keramikrohr ist eine Meßwicklung (z. B. aus Stahldraht) als Spule gewickelt, deren Verlust in Bezug auf die in das Keramikrohr eingesetzte Metallhülse durch Wechselstrom, z. B. wie üblich in einem Parallelschwingkreis, gemessen wird. Die Meßwicklung (aus Stahldraht) ist außenseitig mit Schamott beschichtet. Dabei ist die Schamottbeschichtung so breit gehalten, daß noch eine zur Meßspule identisch ausgeführte Referenzwicklung, jedoch ohne im Zentrum Eisen zu enthalten, gleichfalls mit ein zementiert ist. Der Zweck dieser Wicklung ist, die Temperaturabhängigkeit der Meßwicklung allein zu erhalten, da sich mit zunehmender Temperatur wegen der Erhöhung des ohmschen Serienwiderstandes der Wicklung der transformierte Parallelleitwert des Meßschwingkreises in Bezug auf den Temperaturgang der Meßwicklung erhöht, wobei sich der Parallelleitwert in Bezug auf den Temperaturgang der für eine Temperaturmessung verwendeten eingesetzten Metallhülse verringert, d. h. daß der Temperaturgang der Meßwicklung dem Temperaturverhalten der vom heißen Öl durchflossenen, und somit dem Meßergebnis entgegenwirkt. Um für den Temperaturgang der Metallhülse einen brauchbaren Wert zu erhalten, ist es ausreichend wenn der über die Referenzwicklung (z. B. mit einer anderen Frequenz) gemessene Parallelleitwert des Rerefenzschwingkreises vom Meßwert der gemessenen Hülse abgezogen wird. Dabei ist lediglich die Erkennung des geeichten zulässige Maximalwertes der über die Hülse gemessenen Öltemperatur erforderlich, z. B. 320°C. Die drei Anschlüsse der beiden Spulen (GND ist innerhalb der Schamott Umhüllung verschweißt) sind dann aus dem Ofen heraus geführt und an die extern angeschlossene Meßelektronik eines Verlustmeßsensors angeschlossen.
Fig. 16 betrifft eine Darstellung für den zeitlichen Ablauf der Drehmomenteinspeisung durch den Stirling Motor und durch den weiteren Elektromotor M im alternierenden Pulsbetrieb der Antriebe, in Abhängigkeit der Temperatur des im Pufferspeicher zwischen gespeicherten Arbeitsmittels und im Zusammenspiel mit dem Einschaltzyklus der Wärmepumpe.
Wobei die Wärmepumpe stets über eines von zwei Kriterien eingeschaltet wird:
entweder hat der Füllstand des Speicherbehälters nach dem Aufladen seinen absoluten Sollwert erreicht und die Temperatursteuerung des Heizkreislaufs der Wärmepumpe zeigt eine Temperatur an, die um eine bestimmte Absenkung (z. B. 40°C minus 2°C), unter der Abschalttemperatur (40°C) liegt und die Wiedereinschaltung des Kompressors ist nicht gesperrt, oder es wird ein noch darunter liegender (gleichfalls festgesetzter Wert), z. B. 30°C, erreicht, wobei in diesem Fall je nach Füllstand ein Teil der Energie über den Stirling Motor erzeugt ist.
Fig. 17 betrifft den bevorzugten Korrosionsschutz des Stirling Motors oder einer Wasser/Wasser Wärmepumpe. Dabei wird die entsprechend zu schützende Leitung über ein kurzes Schlauchstück isoliert und an ein einfaches kurzes Eisenrohr angeschlossen, welches zum Anschluß an ein negatives Potential vorgesehen ist. Anschließend wird die Verbindung mit einem Schlauch fortgesetzt. Das Bezugspotential wird z. B. direkt am Gehäuse des Stirlingmotors, bzw. der Wärmepumpe angeschlossen. Somit vom Wärmetauscher des Aggregats ein Strom heraus über das Wasser zum kurzen Eisenrohr fließt und einen Stromfluß in umgekehrter Richtung durch vagabundierende Thermoströme verhindert. Dabei wird nur das Eisenrohr (= Stromeintrittsstelle) angegriffen, welches bei Verschleiß ausgetauscht wird.
Fig. 18 betrifft die Regelung der Schieberstellung Sßmin, um einen bestimmten Anstieg des Wasserstandes im Sammelbecken des Wasserbehälters zu erhalten. Im Status "Sammelbecken füllen" wird ein betreffender zusätzlicher Motorstrom Im in den für die Regelung verwendeten Motor M eingespeist, der wieder reduziert wird wenn der Schieber dem Peltonrad eine geregelte Wassermenge zuführen soll.
Fig. 19a bis Fig. 19 betreffen eine Weiterbildungsmaßnahme für eine Entlastung des bei einem Stirling Motor üblichen Rhomben Getriebes. Dieses Getriebe steuert in der üblichen Weise die Zuordnung der Bewegungen von Arbeitskolben und Hilfskolben (bzw. auch Steuerkolben genannt) in Abhängigkeit der Winkelverdrehung der Antriebswelle des Motors. Dabei sind die Kolbenstangen in üblicher Weise über Durchführungsbuchsen (Stopfbuchsen) aus dem Zylindergehäuse heraus geführt.
Im Weiterbildung der Erfindung, die jedoch auch allgemein anwendbar ist, werden diese Kolbenstangen (jeweils) durch einen Linearantrieb unterstützt, wobei eine betreffende Kolbenstange das linear angetriebene Teil ist, bzw. gegebenenfalls zusätzlich noch ein entsprechendes Lineal, etc. aufgesetzt ist. Die Winkelstellung, bzw. Verdrehung der mit dem Rhomben Getriebe standart mäßig verbundenen Antriebswelle des Stirling Motors wird über einen Winkelgeber, z. B. eine optische Scheibe, abgetastet, wobei die Winkelwerte dem Signalprozessor DSP zugeführt sind, der in Abhängigkeit der Verdrehung der Welle, die an den Kolbenstangen von Arbeitskolben und Steuerkolben des Stirling Motors auftretenden Kraftmomentverteilung, z. B. als Produkt (F.dL) von jeweiliger Kraft (F) und Weglänge (dL) der jeweiligen Wegstellung entsprechend, abgespeichert hält; als jeweiliger Prozentsatz des über die Schwungmasse der Antriebswelle gemittelten jeweiligen Drehmomentes. Dieses Drehmoment kann entweder gemessen werden oder aus der im Motor in mechanische Arbeite umgesetzten Wärmeaufnahme über die Drehzahl des Stirling Motors errechnet werden. Die Wärmeaufnahme berechnet sich aus der Differenz von zugeführter und rückgeführter Wärmemenge im Heizkreislauf minus der abgeführten Wärmemenge im Kühlkreislauf (entsprechend der Differenz seiner Erhitzung im Motor).
Entsprechend den zur Verdrehung der Antriebswelle abgespeicherten Kraftmomenten der Kolbenstangen des Arbeitskolbens, dito gegebenenfalls auch für den Steuerkolben (je nach Motorgröße), wird über den zur betreffenden Kolbenstange (gegebenenfalls jeweils) vorgesehenen Linearmotor ein elektrisches Unterstützungsmoment eingespeist, wobei der Strom des Linearmotors über einen (bzw. den) vom Stirling Motor angetriebenen Generator (z. B. GEN) geliefert wird. Dabei ist es auch ausreichend, wenn nut für die Winkelstellung(en) der Antriebswelle, in denen jeweils die Spitzenbelastungswerte an einer betreffenden Kolbenstange auftreten, das durch die Kolbenstange übertragene Kraftmoment durch elektrische Stromeinspeisung des Linearmotors unterstützt wird.
Da in vorliegender Erfindung die Akku Verluste genau bestimmt werden, und neben der vom Stirling Motor unmittelbar abgegebenen Leistung, auch die vom Stirling Motor erzeugte Generatorleistung am Generator (GEN) unmittelbar elektrisch gemessen werden kann, kann der Wirkungsgrad des Rhomben Getriebes genau bestimmt werden, um die Intensität mit der über die elektrische Energieeinspeisung des Linearmotors das Rhomben Getriebe stellenweise entlastet werden soll, zu steuern.
Eine weitere Weiterbildungsmaßnahme ist das vom gleichen Erfinder erfundene Verfahren DE 42 22 990.1-52 anzuwenden, um am Rhomben Getriebe des Stirling Motors genau die Stellen auszumessen, die während einer Umdrehung der Antriebswelle von der Reibung jeweils am stärksten betroffen sind. Zu diesem Zweck wird die elektrische Kraftmoment Einspeisung des Linearmotors mit einer Vibration überlagert, indem der Motorstrom des Linearmotors mit einem entsprechenden Wechselstrom überlagert wird und das an der Antriebswelle auftretende Vibrationssignal in Relation zum elektrisch eingespeisten Wechselstromsignal gemessen (z. B. Auswertung der Phasenlage) wird, um die Stellen festzustellen, wo die Reibung des Getriebes jeweils am größten ist. Genau an diesen Stellen wird dann über den Linearantrieb ein entlastendes Moment impulsartig eingespeist. Die Abtastung der an der Antriebswelle auftretenden Vibration kann neben der Verwendung üblicher Abtastung durch Sensorspulen auch unmittelbar über die aufgesetzte optische Winkelscheibe derart erfolgen, daß jeweils die Zeit (Tx-1, Tx, Tx+1) zwischen jeweils aufeinanderfolgend abgetasteten Teilungsstrichen (x) der Scheibe gemessen und zueinander in Relation gesetzt wird, z. B. durch Differenzbildung (Tx-1) - (Tx); (Tx) - (Tx+1) . . . usw., oder Verhältnisbildung (Tx-1)/(Tx); (Tx)/(Tx+1). . . usw., wobei aus diesen Differenzen, bzw. gegebenenfalls Verhältnissen, die der Drehbewegung der Antriebswelle überlagerte Vibration heraus gerechnet, bzw. gefiltert wird. Dabei kommt z. B. eine Filtersoftware zum Einsatz, die ein auf die eingespeisten Vibration abgestimmtes Durchlaßfilter berechnet, so daß am Ausgang des Filters der Beschleunigungsanteil bzw. Verzögerungsanteil der Regelkurve nicht mehr auftritt, da die Vibration eine wesentlich höhere Frequenz aufweist. Bzw. kann die Frequenz der Regelabweichung über den Regelkreis so gesteuert sein, daß sie eine ausreichend abweichende Frequenz von der eingespeisten Virbrationsfrequenz aufweist (darüber oder darunter).
Die Teilung der für die Winkelmessung verwendeten optischen Scheibe (x) entspricht dann der Abtastrate für die Berechnung der gefilterten Schwingung, z. B. bei einer Teilung von 1000 der Scheibe und einer Drehzahl von 1200 U/min = 20 U/Sekunde ergibt entspricht dies einer Abtastrate von 20 kHz für eine Vibrationseinspeisung von z. B. 5 kHz. D. h. bei einer Phasenauswertung werden über eine Umdrehung der Antriebswelle z. B. 500 Werten je Sekunde erhalten, bzw. 25 Werte je Umdrehung, um innerhalb einer Umdrehung den Bereich anzuzeigen, der von der Reibung am meisten betroffen ist. Die betreffenden Winkelwerte können dann als reproduzierbar angesehen auch nur abgespeichert werden, so daß die beschrieben Meßvorrichtung nach DE 42 22 990.1-52 nur einmal für einen Motortyp exemplarisch benutzt werden muß.
Die beschriebene Maßnahme verbessert die Laufruhe eines Stirling Motors noch weiter, vor allem wenn er z. B. als Kleinstmotor nur einen Arbeitszylinder aufweist, und verlängert vor allem die Lebensdauer des Rhomben Getriebes. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß ein derartig verbesserter Motor auch bei kleinen Motoren mindestens die 10-fache Lebensdauer und vor allem Zuverlässigkeit aufweist wie ein Dieselmotor gleicher Leistung. Wegen der Kälteunempfindlichkeit und des niedrigen Gewichtes ist ein solcher Motor auch ideäl als Flugzeugmotor geeignet.
Für die beschriebene unmittelbare Verbesserung des Stirlingmotors wird um allgemeinsten Schutz angesucht. Das an einem betreffenden Motor angewendete Meßverfahren kann unabhängig vom Motortyp z. B. auch für Verbrennungsmotoren verwendet werden, die einen durch Kurbelwelle getriebenen Arbeitskolben je Zylinder aufweisen, oder auch Wankel Motoren, etc.
Fig. 20 betrifft die Aufnahme des Überwassers der Turbine aus dem Überwasserbecken, wobei über eine thermische Isolation des Kühlkreislaufs, eine Schleife (gegebenenfalls über einen Erdkollektor, Erdreich) geführt ist und bei Frostgefahr die Erdwärme über die Frost gefährdeten Stellen gepumpt (P) wird. Wobei in diese Rohrschleife eine Induktionsheizung L1 zwischengeschaltet ist und es ausreichend ist, die mit Hochfrequenzstrom gespeiste Spule um die betreffende metallene Rohrleitung des Kühlkreislaufs zu wickeln.

Claims

1. Verfahren zur Regelung eitles in einen Hybrid Antrieb eingebundenen und durch Zufuhr eines Wärmeenergieträgers angetriebenen Wärmemotors (z. B. einem Stirung Motor) bestehend aus

a) einem durch Zufuhr eines Wärmeenergieträgers angetriebenen allgemeinen Wärmemotor, welcher nachfolgend als Stirling Motor bezeichnet wird,

b) und einem weiteren Antrieb, der zusammen mit dem Wärmemotor den Hybrid Antrieb bildet (z. B. einen Elektromotor M, der gegebenenfalls auch als Generator verwendet ist, und/oder eine Wasserkraft Turbine, etc.), wobei gegebenenfalls auch mehrere solche weitere Antriebe verwendet sein können,
weiters

c) mit einem dem genannten weiteren Antrieb entsprechenden Energiespeicher (z. B. Akkumulator oder Schwungrad für Elektromotor, oder Sammelbecken für Wasserkraft Turbine, etc.),

d) und einem dem weiteren Antrieb entsprechenden Regelkreis zur Drehzahlregelung bestehend aus einer Meßvorrichtung zur Erfassung der Drehzahl (bzw. Drehzahlabweichung) des Hybrid Antriebes, einer Regelschaltung und einem dem Antrieb entsprechenden Stellglied (z. B. Stromtastung für den Elektromotor gegebenenfalls auch Generator, oder Schieber für eine Wasserkraft Turbine, etc.),

dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor (a) durch zusätzliche Einspeisung eines Drehmomentes in den genannten weiteren Antrieb (b) (z. B. Elektromotor M, der gegebenenfalls auch als Generator verwendet ist, und/oder einer Wasserkraft Turbine, etc.) eine (virtuelle) Lastverringerung der angetriebenen Last (Synchrongenerator, Kompressor einer Wäremepumpe, etc.) vornimmt und daß die Regelung (d) der dem Stirling Motor zugeführten Wärmeenergie nach einem vorgegebenen, bzw. einzuhaltenden Sollzustand des vom Energiespeicher (c) des genannten weiteren Antriebs (b) (z. B. Elektromotor M oder Wasserkraft Turbine, etc.) gespeicherten Energieinhaltes erfolgt, wobei die diesem weiteren Antrieb (b) aus dem Energiespeicher (c) zugeführte Energie durch den genannten Regelkreis (bestehend aus Meßvorrichtung, Regelschaltung und Stellglied) nach einer einzuhaltenden Drehzahl des Hybrid Antriebes geregelt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte weitere Antrieb (b) in mehrere Antriebsarten unterschiedlicher Energieformen aufgeteilt ist, wobei für jede Energieform (elektrisch in Akku gespeichert, Wasserkraftzufuhr, etc.) jeweils ein entsprechender Antrieb (Motor M, Peltonrad, etc.) mit jeweils einem entsprechenden Stellglied (Steuertransistor bzw. Schieber, etc.) für die genannte Regelung (d) vorgesehen ist, welches jeweils über die genannte Messung der Drehzahl des Hybrid Antriebes die genannte Regelung vornimmt sowie daß für jede Antriebsart ein entsprechender Energiespeicher (c) als Pufferspeicher (Akku, Wasser-Sammelbehälter, etc.) vorgesehen ist, wobei die Antriebsarten unterschiedlicher Energieformen jeweils unterschiedliche Verwendungsprioritäten aufweisen (z. B. erneuerbare Energie Wasserkraft vor Akku bzw. Motor M, etc.) und daß bei der genannten Abweichungsmessung zur Feststellung der Drehzahl eine Quantisierung für die Auswertung der Abweichung derart vorgenommen ist, daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Referenzwertes der gemessenen Abweichung, der betreffende Antrieb auf den Antrieb der nächsten Priorität (z. B. von Wasserkraft auf Motor M) umgeschaltet wird sowie daß hierbei für die Regelung der dem Stirling Motor zugeführten Wärmeenergie auf den jeweils einzuhaltenden Sollzustand des Energieinhaltes (bzw. der Energiespeicherung) jenes Pufferspeichers mit umgeschaltet wird, der den umgeschalteten Antrieb jeweils in seiner Drehzahl regelt (z. B. Umschaltung der Istwertmessung des Ladestandes von Wasser-Sammelbehälter auf Akku); dito daß bei Unterschreitung des vorgegebenen Referenzwertes der gemessenen Abweichung, der betreffende Antrieb auf den Antrieb der vorherigen Priorität zurück geschaltet wird (z. B. von Motor M auf Wasserkraft) umgeschaltet wird, wobei wieder für die Regelung der dem Stirling Motor zugeführten Wärmeenergie auf den jeweils einzuhaltenden Sollzustand der Energiespeicherung jenes Pufferspeichers zurück geschaltet wird, der dem zurück zugeschalteten Antrieb jeweils entspricht (z. B. von Akku auf Wasser-Sammelbehälter).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die aktuelle Drehzahlregelung des Antriebs über einen Elektromotor M erfolgt, über den der Ausgleich einer Regelabweichung durch Dosierung der Einspeisung eines Drehmomentes jeweils vorgenommen ist, bei einer geforderten Verringerung des Antriebsmomentes zusätzlich eine elektrische Belastungserhöhung vorgenommen ist, wobei die betreffende Erhöhung des Generatorstromes (dIg) über einen bereits vorhandenen Generator (z. B. Synchrongenerator GEN zur Stromerzeugung) entnommen wird oder gegebenenfalls der betreffende Elektromotor M für die Dauer dieser Regelphase jeweils im Umkehrbetrieb in den Generator Betrieb geschaltet wird, dito in der Regelphase, in welcher die Einspeisung eines weiteren Drehmomentes gefordert ist, wieder in den Motorbetrieb (dIm) zurück geschaltet wird, bzw. die zuvor vorgenommene Erhöhung des Generatorstromes (dIg) rückgängig gemacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zur Drehzahlregelung verwendete Generatorstrom Entnahme (dIg) als Ladestrom eines Akkus verwendet ist, über den der genannte Elektromotor M zur weiteren Drehmomenteinspeisung des Antriebs gespeist wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, oder in eigener Anwendung mit einem durch genannten Akku gespeisten Antrieb (Motor M) und einer durch Messung der Drehzahl vorgenommenen Drehzahlregelung, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung durch ein der Regelung entsprechendes Erhöhen bzw. Verringern des Motorstromes (Im) sowie entsprechendes Verringern bzw. Erhöhen eines Generatorstromes (Ig) vorgenommen ist, mit dem der Akku, über den der Motor M betrieben wird, geladen ist und die Regelung der Heizleistung des Stirling Motors derart erfolgt, daß unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Akkus, die jeweils über ein Kurzzeit Integral festgestellte Ladeleistung und Entladesleistung einander entsprechen, wobei der Wert (K), der den Wirkungsgrad des Akkus berücksichtigt, über eine Langzeit Integralmessung, welche einem vorgegebenen Ladezustand des Akkus entspricht, ständig nachkalibriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung des Stirling Motors nach dem Ladezustand des Akkus derart geregelt wird, daß die integrierte Summe von Ladestrom und Entladestrom unter Berücksichtigung eines dem Wirkungsgrad des Akkus entsprechenden Offsetwertes (K) Null ist, wobei gegebenenfalls der genannte Offsetwertes (K) nach der Ladesollspannung nachgestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor in Verbindung mit einer Wärmepumpe betrieben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor den Kompressor der Wärmepumpe über mechanisch gekoppelte Einspeisung seines Drehmomentes den Kompressor antreibt und daß der für den Antrieb des Kompressors Standart mäßig vorhandene Elektromotor als für die Regelung verwendeter Motor M sowie im Umkehrbetrieb als Generator zum Laden des Akkus verwendet wird, um die Regelabweichung der Drehzahl des Kompressors bzw. zum Antrieb vorgesehenen Stirling Motors auszugleichen, bzw. gegebenenfalls den Kompressor alternativ zum Stirling Motor anzutreiben, wobei die Heizleistung des Stirlingmotors nach dem Ladezustand des Akkus geregelt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Regelabweichung der Drehzahl des Stirling Motors jeweils vorgenommene Erhöhung des Generatorstromes in Ergänzung zum Ladestrom des Akkus durch Anschalten einer entsprechenden Last (RL) weiterhin erhöht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwertvorgabe des Ladezustandes des Pufferspeichers (Sammelbehälter, Akku, Schwungrad, etc.) aus dem der Antrieb gerade betrieben wird, neben einem bestimmten Energiepegel gegebenenfalls durch eine über die Energieentnahme oder über die Rückladung der Energie erhaltene Änderung des Energiepegels (= Leistung) definiert wird und daß nach dieser Sollwertvorgabe die Heizleistung des Stirling Motors geregelt ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirlingmotor sowie der weitere Antrieb (b) (z. B. Elektromotor M), bzw. gegebenenfalls noch vorhandene weitere Antriebe (z. B. Peltonrad), bzw. deren Energiezufuhr, mit dem Einschalt- Abschaltzyklus des Verbrauchers, insbesondere einer Wäremepumpe synchronisiert ist, bzw. sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, oder in eigener Anwendung, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor über einen thermischen Pufferspeicher betrieben wird, derart, daß der thermische Pufferspeicher über die Heizquelle auf eine entsprechende Temperatur aufgeheizt wird über die der Stirling Motor im Impuls Pausenbetrieb betrieben wird, wobei während der Pause in welcher der Stirling Motor abgeschaltet ist, oder nur eine geringe Leistung fährt, der thermische Pufferspeicher über die Heizquelle jeweils aufgeheizt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf des Arbeitsmittels (z. B. heißes Öl) des Pufferspeichers über eine Ventilschaltung erfolgt, die den Pufferspeicher während der Pausenzeit des Stirlingmotor an die betreffende Heizquelle parallel anschaltet, wobei die Abgabe der Heizleistung zum Stirling Mötor gesperrt ist, sowie während der Arbeitszeit des Stirling Motors den Pufferspeicher mit der Heizquelle in Serie schaltet, wobei dies in weiterer Serienschaltung zum Stirling Motor zur Abgabe der dem Pufferspeicher entnommenen Heizleistung erfolgt und für den Rücklauf der Heizleitung zum Pufferspeicher, die Heizquelle als Durchlauferhitzer arbeitet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, oder den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Stirling Motor sich in der Pause befindet, die weitere Drehmomenterzeugung über den (genannten) Akku vorgenommen ist, der während der Betriebsdauer (Impulsdauer) des Stirling Motors jeweils aufgeladen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14 oder den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die (genannte) integrierte Summe von Ladeleistung und Entladeleistung des Akkus als Mittelwertbildung erfolgt, die über einzelne Zeitabschnitte, die einer Impuls-Pausenfolge der Betriebsweise des Stirling Motors jeweils entsprechen, gemessen ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (z. B. eine Wärmepumpe) ein Statussignal an die Schaltung zur Durchführung des Verfahrens abgibt, welches die tatsächliche Einschalt-Pausendauer des Verbrauchers (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) direkt oder indirekt (über weitere Signale) anzeigt, wobei das Tastverhältnis (Puls-Pausendauer) für die Energieerzeugung der an der Energieerzeugung zum Betrieb des Verbrauchers (z. B. einer Wärmepumpe) beteiligten Energiequelle, bzw. Energiequellen, dem Tastverhältnis der Einschalt-Pausendauer des Verbrauchers (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) entspricht oder zumindest angenähert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 und Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verbraucher (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) angezeigte Tastverhältnis, bzw. Puls- Pausenverhältnis, nach dem der Verbraucher jeweils eingeschaltet ist, bzw. zwischen den Einschaltphasen eine Pause einhält, dazu benutzt ist, um mit einem Energiemanager (Programm) jeweils den Temperaturwert (Abschalttemperatur) zu errechnen, bei dem sich die Wärmeentnahme des thermischen Pufferspeichers, bzw. die Zuführung der Wärme zum Stirling Motor jeweils abschalten soll, derart, daß bei dieser Simulation vom Energiemanager (Programm) bei schrittweiser Veränderung der Abschalttemperatur jeweils jener Wert der Abschalttemperatur des thermischen Pufferspeichers als Ergebnis errechnet wird, bei dem der durch den Stirling Motor verursachte thermische Verlust (für die mechanische Energieerzeugung) im Vergleich zu einer jeweils höheren Abschalttemperatur in Summe zum Verlust, wie er der durch die im Vergleich zur höheren Abschalttemperatur als Ergebnis erhaltenen niedrigeren Abschalttemperatur zugehörigen Verringerung der Ladedauer des Akkus entspricht (für eine jeweils vorgegebene Betriebsdauer bzw. Pulsdauer des Verbrauchers), ein Minimum aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß für die Annäherung des Tastverhältnisses (Puls-Pausendauer) für die Energieerzeugung an das Tastverhältnis der Einschalt-Pausendauer des Verbrauchers (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) eine der folgenden Maßnahmen vorgesehen ist:

a) der Verbraucher (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) gibt ein Status Signal ab, welches die Einschaltbereitschaft des Verbrauchers anzeigt (z. B. von Temperaturmelder oder von Benutzer betätigtes Tastensignal, etc.) und von der Energieerzeugung (zur Speisung des Verbrauchers) in Relation zum Ladezustand des für die Energieerzeugung vorgesehenen Pufferspeichers zeitlich bewertet ist und aus dem Bewertungsergebnis die Auswahl welcher Pufferspeicher mit welchem der zu einem Pufferspeicher jeweils vorgesehenen Antriebe (des Hybrid Antriebes) zu an die Energieerzeugung angeschaltet wird, erfolgt.

wobei die Energieerzeugung nach dem Puls-Pausenverhältnis des Verbrauchers synchronisiert wird, oder das Puls-Pausenverhältnis des Verbrauchers nach der Energieerzeugung synchronisiert wird,

a) der Verbraucher (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) gibt ein Status Signal ab, welches seinen tatsächlichen Einschaltzustand anzeigt, wobei das Puls-Pausenverhältnis des Verbrauchers von der Energieerzeugung gemessen ist und der Ladezustand der für die Energieerzeugung verwendeten Pufferspeicher nach dem jeweils zuvor gemessenen Puls- Pausenverhältnis des Verbrauchers geregelt ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einer Wärmepumpe als Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieerzeugung für den Antrieb des Kompressors der Wäremepumpe, jeweils ein Signal abgibt, wenn der maximale Ladezustand des verwendeten Energiespeichers (z. B. Füllstand für den Betrieb des Peltonrades, oder Akkuladung, oder thermischer Pufferspeicher des Stirling Motors, etc.) erreicht ist und daß der Kompressor der Wärmepumpe durch dieses Signal eingeschaltet wird (vorausgesetzt die interne Sperrfrist für die Wiedereinschaltung des Kompressors ist abgelaufen), wenn die Thermostat Steuerung der Wärmepumpe am Heizkreislauf eine Temperatur mißt, die (gegebenenfalls um einen vorgegebene Differenz) unterhalb der Abschalttemperatur des Kompressors liegt, wobei gegebenenfalls unterhalb dieses Wertes noch ein Temperaturwert vorgegeben ist, der (als Oder Funktion) die unbedingte Einschaltung der Wärmepumpe zur Folge hat, wenn dieser Temperaturwert im Heizkreislauf gemessen wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren an einem der folgenden Systeme angewendet ist,

a) einer Stirling Motor/Wärmepumpen Kombination, bei welcher der Stirling Motor den Kompressorantrieb (unmittelbar mechanisch oder in Zwischenschaltung eines eigenen Generators) vornimmt und zu dem der genannte Elektromotor M (bzw. Generator) als Hybridantrieb vorgesehen ist,

b) einem System nach vorherigem Absatz a), dem zusätzlich noch eine Energieerzeugung aus erneuerbarer Energie zugeschaltet ist, wobei die erneuerbare Energie betrifft:

- eine Energiegewinnung aus Wasserkraft

- und/oder eine Energiegewinnung aus Solarhitze (Solarspiegel)

- und/oder eine Energiegewinnung durch Solarzellen

- und/oder eine Energiegewinnung aus Windenergie

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur allgemeinen Energie Erzeugung an einem stationären oder mobilen (z. B. an einem Solar Energie betriebenen Boot, etc.) angewendet ist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor über eine durch elektrisches Steuersignal geschaltete Kupplung an den Antrieb angekuppelt wird, wobei je nach Ausführung und Anzahl der weiteren Antriebe, der gegebenenfalls für die Regelung weiterhin verwendete Elektromotor M unmittelbar über den Stirlingmotor direkt (auf der betreffenden Kupplungsseite) den Antrieb vornimmt (z. B. wenn noch Peltonrad vorhanden, etc.) oder auf der Verbraucherseite der Kupplung den Verbraucher (z. B. einen Kompressor) antreibt, wenn der Stirling Motor ausgekuppelt ist (z. B. wenn nur Stirling Motor und Elektromotor M vorhanden).

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor in einem Wärme dämmenden Gehäuse isoliert ist und die Abwärme des Kühlkreislaufs weiterhin zu Heizzwecken genutzt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor in einem Geräusch dämmenden Gehäuse isoliert ist und daß ein Gegenschall System vorgesehen ist, welches den Geräuschpegel weiter reduziert.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24 oder Verfahren in eigener Anwendung, insbesondere in Verbindung mit einer Wäremepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling Motor einen offenen Kühlkreislauf aufweist, der von der Wassersenke gespeist wird, welche das Wasser enthält, aus dem die Wärmepumpe die Wärme jeweils (bereits) entzogen hat und der nach Abgabe der Abwärme des Stirling Motors (bzw. Durchfluß entsprechender Flächen zur Wärmeabgabe) jener Wasserquelle zugeleitet ist, welche das Wasser enthält, aus dem die Wärmepumpe die Wärme entzieht.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wasserquelle den Entnahmebrunnen und die genannte Wassersenke den Rückgabebrunnen einer Wasser/Wasser Wärmepumpe betrifft.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wasserquelle die Entnahmestelle eines Zuflusses eines entsprechenden Wasserreservoires (z. B. Überwasser eines Wasserkraftwerkes) und die genannte Wassersenke die Rückgabestelle bzw. Ableitung des Wasserreservoirs betrifft, wobei über die genannte Wasserquelle die als Sole Wärmepumpe ausgeführte Wärmepumpe die Wärme entzieht und das durch die Sole Wäremepumpe abgekühlte Wasser zur genannten Wassersenke weiter strömt.

28. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwasser eines Wasserkraftwerkes (am Ausgang der Turbine) über eine (bzw. gegebenenfalls jeweils parallel vorhandene mehrere) Rohrleitung(en) R abgeleitet ist, daß in dieser (bzw. jeweils diesen) Rohrleitung(en) konzentrisch ein Wärmeentzugsrohr (z. B. PE- Rohr) eingesetzt ist, welches vom durchfließenden Wasser der betreffenden Rohrleitung(en) durchströmt wird und daß am Ende der Rohrleitung ein Durchflußwiderstand (Teller T) vorgesehen ist, der so eingestellt ist, daß die Rohrleitung(en) R (jeweils) bis zum oberen Rand vollständig mit Wasser gefüllt sind (keine Luft).

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß als Durchflußwiderstand für die genannte Rohrleitung(en) ein den offenen Rohrquerschnitt (jeweils) abschließender Teller T (bzw. Fläche) verwendet ist, dessen Abstand zum Rohr R durch eine zentrische Gewindeverbindung, über welche der Teller am Rohr gehalten ist, einstellbar gemacht ist, und so justiert wird, daß genanntes Rohr, bzw. gegebenenfalls Rohre(R), stets vollen Wasserstand aufweisen (keine Luft).

30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffangbecken zur Aufnahme des Überwassers der Turbine (bzw. des Peltonrades) über dem Niveaustand, der den vollen Wasserstand des von diesem Auffangbecken abgeleiteten Rohres R, bzw. gegebenenfalls der Rohre R, garantiert, eine weitere Ableitung des Überwassers vorgesehen ist, um den überschüssigen Wasseranteil abzuleiten.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß des Rohres zur weiteren Ableitung des Überwassers so bemessen ist, daß das Rohr niemals vollen Wasserstand aufweist, wenn der Mindestdurchfluß durch das zum Zwecke des Wärmeentzuges vom Wasser in seinem Querschnitt voll durchspülte Rohr (R) gegeben ist, somit der Wasserstand des Auffangbeckens somit steigt, wenn der Durchfluß des zum Zwecke des Wärmeentzuges vom Wasser in seinem Querschnitt voll durchspülte Rohres (R) nicht mehr gegeben ist (z. B. Beginn des Einfrierens), und daß der in einem solchen Fall gestiegene Wasserstand des Auffangbeckens gemessen ist und ein entsprechendes Alarmsignal abgegeben wird.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anzeige des am Auffangbecken gemessenen Wasser Füllstandes, bzw. das entsprechende Alarmsignal, dazu verwendet wird, den am Ende des genannten (jeweils) in seinem Querschnitt voll durchspülte Rohres (R) vorgesehenen Durchflußwiderstandes (Teller T) motorisch gesteuert entsprechend zu öffnen, um den Durchfluß zu erweitern (z. B. zum Zwecke des Abtauens einer beginnenden Eisbildung), bzw. gegebenenfalls weitere Maßnahmen einzuleiten (z. B. die Wärmepumpe auch kurzzeitig im Umkehrbetrieb zu betreiben, oder die Abwärme des vorhandenen Stirling Motors einzuspeisen, etc.).

33. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß neben der genannten Messung der Überladung (d. h. unnütze Energievergeudung durch zu hohen Motorstrom-Generatorstromanteil für die Regelung) des Akkus eine Messung des jeweils aktuellen Wirkungsgrades des Stirling Motors vorgenommen ist und der gemessene Wirkungsgrad in Relation zum jeweils festgestellten Verlust des Akkus gesetzt ist, wobei die Grenze, wo der Verlustanteil des Akkus geringer ist, als die durch die Temperaturabsenkung des thermischen Pufferspeichers gegebene Verschlechterung des Wirkungsgrades des Stirling Motors (ausgehend von der Maximaltemperatur des Arbeitsmittels beim Zuschalten des Stirling Motors) den Umschaltzeitpunkt bestimmt, zu dem jeweils der Antrieb des Stirling Motors abgeschaltet, bzw. zurückgefahren und durch den Antrieb des Akku gespeisten Elektromotors M ersetzt wird.

34. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die abgegebene mechanische Leistung sowie der Wirkungsgrad des Stirlingmotors aus der Differenz von zugeführter Wärmemenge und abgeführter Wärmemenge (über Temperaturdifferenzen und Drehzahl der Umwälzpumpe) berechnet wird.

35. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stirlingmotor zugeführte Wärmemenge in einem Stellbetrieb erfolgt, in dem die Leitung des Stirlingmotors entsprechend der Dosierung der zugeführten Wärmemenge gestellt wird und daß die gestellte Leistung des Stirlingmotors durch entsprechende weitere geregelte Beeinflußung (z. B. über Drehzahlregelung der Umwälzpumpe) derart nachgeregelt ist, daß sich am Akkumulator, der die Speisung des für die eigentliche Drehzahlregelung verwendeten Elektromotors vornimmt, eine möglichst geringe Umladung (bezüglich der Differenz von Ladeleistung zu Entladeleistung) ergibt, bzw. diese Umladung unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Akkumulators auf Null geregelt ist.

36. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Drehzahlmessung für genannte Drehzahlregelung durch optische Scheiben erfolgt.

37. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der genannten Kupplung des Stirling Motors jeweils eine Drehzahlmessung, bzw. Winkelmessung, vorgenommen ist und daß die Ankupplung des Stirlingmotors jeweils erst erfolgt, wenn der Stirling Motor nach seinem Anlaufen die geregelte Nenndrehzahl des Antriebes aufweist.

38. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Stirling Motors ein anderer (alternativer) Antrieb, der durch Regelung der zugeführten Wärmemenge stellbar ist, bzw. angetrieben wird, verwendet ist.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, oder in eigener Anwendung mit einem Stirlingmotor mit offenem Kühlkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Kühlkreislauf des Stirlingmotors gegen Korrosion geschützt ist, indem der Kühlkreislauf an einem Anschlußpunkt (z. B. an der Zuführung) mit einem kurzen Schlauchstück versehen ist, das eine elektrische Isolation bildet und an das ein zum Verschleiß vorgesehenes Rohrstück angeschlossen ist, welches gegenüber dem im Stirlingmotor vorhandenen Kühlkreislauf ein negatives elektrisches Potential mit entsprechender Stromführung aufweist, wobei gegebenenfalls dieses Potential über den zur Regelung (RL) des Stirling Motors gespeisten Akku gespeist wird.

40. Wasser/Wasser Wärmepumpe zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 38 oder in eigener Anwendung, dadurch gekennzeichnet, daß betreffende Anschlußleitungen zum Wärmetauscher der Wärmepumpe (bzw. gegebenenfalls zu den Wärmetauschern) jeweils mit einem kurzen Schlauchstück versehen sind, das jeweils eine elektrische Isolation bildet und an das ein zum Verschleiß vorgesehenes Rohrstück angeschlossen ist, welches gegenüber dem im Stirlingmotor vorhandenen Kühlkreislauf ein negatives elektrisches Potential mit entsprechender Stromführung aufweist, wobei gegebenenfalls dieses Potential über den zur Regelung (RL) des Stirling Motors gespeisten Akku gespeist wird.

41. Verfahren nach einem der vorangestellten Ansprüche oder in eigener allgemeiner Anwendung zum Zwecke der Speisung eines mit einem flüssigen Wärmeträger (z. B. heißes Öl) betriebenen Wärmemotors (z. B. Stirling Motor, etc.) mit einem entsprechenden Wärmemotor (z. B. Stirling Motor, etc.) der in einem Hybridantrieb zu einem Elektroantrieb (Motor M), welcher sowohl als Motor ein Drehmoment, als auch als Generator (GEN) ein Bremsmoment zum durch den Wärmemotor erzeugten Drehmoment einspeisen kann und einen entsprechenden Energiespeicher (z. B. Akkumulator, etc.) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der genannte Wärmemotor (z. B. Stirling Motor) ist einem Puls Pausenverhältnis betrieben, in dem er in der Pulszeit mit möglichst hoher Temperatur geheizt ist, und in der Pausenzeit im Stillstand oder einem Standby Modus gehalten ist,

b) die Pausenzeit wird durch den genannten Elektroantrieb (Motor M) überbrückt der einen Energiespeicher (z. B. Akkumulator, etc.) aufweist, der in der Pulszeit des genannten Wärmemotors geladen wird,

c) die Drehzahl des Hybrid Antriebs ist ständig durch den genannten Elektroantrieb (Motor M bzw. gegebenenfalls Generator GEN) geregelt, wobei der Energiespeicher (z. B. Akkumulator, etc.) im gegebenenfalls (optional) bei der Regelung jeweils durchgeführten Generatorbetrieb geladen wird.

d) die dem Wärmemotor zugeführte Heizleistung ist nach dem Ladestand des Energiespeichers für den Elektroantrieb geregelt,

e) es ist ein thermischer Pufferspeicher vorgesehen, aus dem der Wärmemotor im Pulsbetrieb gespeist wird, der während der Elektroantrieb die Pausenzeit des Wärmemotors überbrückt, gegebenenfalls auch über die Dauer einer weiteren Pausenzeit des Antriebs (z. B. bei Wärmepumpe) von der Heizquelle aufgeladen wird.

42. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Pufferspeicher über die Ladezeit parallel an der Heizquelle (abgetrennt vom Wärmemotor) aufgeheizt wird und in der Pulszeit des Wärmemotors seriell mit der Heizquelle in den Heizkreis des Wärmemotors geschaltet ist, wobei die Heizquelle als Durchlauferhitzer wirkt.

43. Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Gesamtzeit, aus der sich Pulszeit des Wärmemotors und die vom Elektroantrieb überbrückte Pausenzeit des Wärmemotors zusammensetzt, eine Pausenzeit des Hybrid Antriebs entsprechend der angetriebenen Verbraucherlast (z. B. Kompressor einer Wärmepumpe) vorgesehen ist, wobei die Pulszeit des Wärmemotors in Übereinstimmung mit der Einschaltzeit bzw. Pausenzeit der Verbraucherlast synchronisiert ist (bzw. gegebenenfalls umgekehrt).

44. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ohne Pufferspeicher durchgeführt wird.

45. Heizvorrichtung insbesondere in Verbindung mit einem thermischen Pufferspeicher und einem Stirlingmotor zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 41, oder in eigener Anwendung, gekennzeichnet durch eine kreisförmige gut wärme leitende Platte (z. B. Stahlplatte, Titanplatte, etc.), welche (z. B. von unten) zentrisch geheizt ist (durch einen entsprechenden Brenner oder Holzfeuer, oder duch fokussierte Sonnenstrahlung, etc.) und auf der mit einer entsprechenden guten Wärmeleitung zur Platte, auf der Platte eine konzentrisch angeordnete. Heizleitung des Wärmeträgers vorgesehen ist (z. B. Ringleitung am Umfang der Platte), wobei die Heizleitung jeweils zum Heizzentrum der Platte den gleichen Abstand hat.

46. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 45, mit einer entsprechenden Energiequelle (Wasserkraft, Solarhitze, Holzfeuer, etc.) bestehend aus einem Pufferspeicher für diese Energiequelle (Sammelbehälter, thermischer Pufferspeicher, etc.), dadurch gekennzeichnet, daß während der Aufladezeit des genannten Pufferspeichers, in den weiterhin vorhandenen gleichfalls über einen Pufferspeicher (z. B. Akku) betriebenen Elektroantrieb M eine entsprechende Stromerhöhung eingespeist wird, die über die vorhandene Drehzahlregelung (d) des Antriebs eine Drosselung der Energiezufuhr des Pufferspeichers der genannten Energiequelle (Wasserkraft, Solarhitze, Holzfeuer, etc.) zur Folge, welche weiterhin eine Aufladung des Pufferspeichers über diese Energiequelle zur Folge hat, und daß die in den genannten weiterhin vorhandenen Elektroantrieb M eingespeiste Stromerhöhung so geregelt wird, daß sich ein bestimmter Sollzustand für die genannte Aufladung des genannten Pufferspeichers, bzw. gegebenenfalls ein bestimmter Sollzustand für die genannte Drosselung der Energiezufuhr des genannten Pufferspeichers ergibt.

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß für eine der jeweiligen Lastanschaltung entsprechende Regelung des Stirlingmotors nach dem Niveau (H) eines betreffenden Energiespeichers bei Vorhandensein mehrerer, den verwendeten Antrieben jeweils entsprechenden Energiespeichern (z. B. Sammelbecken für Peltonrad, dito Akku für Motor M) jeweils das Energieniveau jenes Energiespeichers in seiner Leistungsentnahme (d. h. entladen) bzw. gegebenenfalls auch Leistungsaufnahme unmittelbar durch die dem Stirling Motor zugeführte Heizleistung geregelt wird, der für die Drehzahlregelung des Antriebes für die Energieerzeugung (des Generators, bzw. gegebenenfalls auch unmittelbar des Kompressors) jeweils gerade verwendet ist.

48. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß für eine der jeweiligen Lastanschaltung entsprechende Regelung des Stirlingmotors nach dem Niveau (H) eines betreffenden Energiespeichers bei Vorhandensein mehrerer, den verwendeten Antrieben jeweils entsprechenden Energiespeichern (z. B. Sammelbecken für Peltonrad, dito Akku für Motor M, bzw. auch ohne Wasserkraft nur mit Motor M) jeweils das Energieniveau jenes Energiespeichers in seiner Leistungsentnahme (d. h. entladen) bzw. gegebenenfalls auch Leistungsaufnahme (d. h. laden) mit der angeschalteten Lastveränderung (z. B. dem Signal "Wärmepumpe ein"/"Wärmepumpe aus") synchronisiert wird und unmittelbar durch die dem Stirling Motor zugeführte Heizleistung geregelt wird, der für die Drehzahlregelung des Antriebes für die Energieerzeugung (des Generators, bzw. gegebenenfalls auch unmittelbar des Kompressors) jeweils gerade verwendet ist.

49. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedoch kein durch Zufuhr eines Wärme Energieträgers angetriebener Wärmemotor vorgesehen ist mit einer Wärmepumpe als Verbraucher und einer Energieerzeugung durch Wasserkraft, welches ein Sammelbehälter als Pufferspeicher aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß nach Verfahren entsprechend der Ansprüche 16 bis 19, die Entnahme des Wasserstandes aus dem Sammelbehälter mit dem Einschaltzyklus des Kompressors der Wärmepumpe synchronisiert ist.

50. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2 oder Anspruch 47 oder 48 oder 49 mit einer durch einen Schieber geregelten Energieerzeugung durch Wasserkraft, dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres Umschaltkriterium für die Regelung der Heizleistung des Stirling Motors, in der Minimalstellung des Schiebers (Stellung SBmin) die vom Stirling Motor gefahrene Leistung nach dem Ladeszustandes des Akkus der den Motorstrom Im für die Drehzahlregelung durch einen Elektroantrieb (M) liefert, geregelt wird.

51. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung der Regelung der Heizleistung, von der Niveauregelung des Sammelbehälters (der die Wasserkraft liefert) auf eine Regelung Ladeszustandes des Akkus der den Motorstrom Im liefert stets dann erfolgt, wenn die Drehzahl des Synchrongenerators durch den Schieber nicht mehr regelbar ist oder wenn durch Leistungssteigerung des Stirling Motors, die Aufladung des betreffenden Pufferspeichers nach dessen Ladezustand der Stirling Motor gerade geregelt wird, nicht mehr gesteigert werden kann.

52. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung der Regelung der Heizleistung, von der Niveauregelung eines betreffenden Pufferspeichers (Z. B. thermischer Pufferspeicher für die Erzeugung von Solarenergie oder für die Nutzung eines Holz Feuers, etc.) auf eine Regelung Ladeszustandes des Akkus der den Motorstrom Im liefert stets dann erfolgt, wenn die Drehzahl des Synchrongenerators durch den von diesem Pufferspeicher gespeisten Antrieb nicht mehr regelbar ist oder wenn durch Leistungssteigerung des Stirling Motors, die Aufladung des betreffenden Pufferspeichers nach dessen Ladezustand der Stirling Motor gerade geregelt wird nicht mehr gesteigert werden kann.

53. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Puls Pausenbetrieb des Stirling Motors in folgenden Schritten in Verbindung mit einer Wärmepumpe betrieben ist:

a) während des Pulsbetriebes wird die Pulsdauer (Laufzeit) des Stirling Motors jeweils durch die festgelegte maximal zulässige Absenktemperatur bestimmt, bei deren Erreichen der Stirlingmotor abgeschaltet wird und der Pufferspeicher erneut durch die Heizquelle als Parallelverbraucher aufgeladen ist,

b) reicht die über die Pulsdauer (Laufzeit) des Stirling Motors hinausgehende Stromversorgung des während der Pulsdauer über den Stirling Motor geladenen Akkus, der für den auf die Pulsdauer nachfolgend vorgenommenen elektrischen Antrieb (M) den Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe weiter vornimmt, nicht aus, dann wird der Kompressor der Wärmepumpe abgeschaltet, auch wenn die Abschalttemperatur der Wärmepumpe noch nicht erreicht ist und die zum Erreichen der Abschalttemperatur fehlende elektrische Energiemenge (unter Berücksichtigung der Leistungszahl der Wärmepumpe) festgestellt sowie eine dieser fehlenden Energiemenge entsprechende Ladungserhöhung über nachfolgende die Pulsdauer (Laufzeit) des Stirling Motors durch eine entsprechende Verlängerung der Pulsdauer erzeugt (bei entsprechend niedrigerer Abschalttemperatur betreffend Abschalttemperatur des Pufferspeichers) und er Akku über diese verlängerte Pulsdauer des Stirlingmotors verstärkt geladen,

c) wird für die über die Pulsdauer (Laufzeit) des Stirling Motors hinausgehende Stromversorgung des während der Pulsdauer über den Stirling Motor geladenen Akkus, der für den auf die Pulsdauer nachfolgend vorgenommenen elektrischen Antrieb (M) den Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe weiter vornimmt, nach ordnungsgemäßer Abschaltung des Kompressors der Wärmepumpe ein Überschuß des Akku Ladezustandes festgestellt, dann wird eine dieser überschüssigen Energiemenge entsprechende Ladungsverringerung über die nachfolgende die Pulsdauer (Laufzeit) des Stirling Motors durch eine entsprechende Verkürzung der Pulsdauer erzeugt (bei entsprechend niedrigerer Abschalttemperatur).

54. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wärmeentzugsvorrichtung im Umkehrbetrieb der Wärmepumpe verwendet ist, wobei die Durchflußrohre (R) als Durchflußerhitzer zum Füllen eines Teiches (Pools, etc.) verwendet sind.

55. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 54, oder 28 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Wärmeentzugsvorrichtung unabhängig von einer bestimmten Speiseart des Wassers (d. h. ohne Turbinenabfluß) verwendet ist.

56. Verfahren, bzw. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder in eigener Anwendung zur Regelung der Heizleistung einer Thermostat geregelten Heizquelle (Herd, Gas- oder Ölheizung, etc.) dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler des vorhandenen Thermostates mit einem Heiztransistor bestückt wird, über dessen Heizleistung eine Erwärmung des Temperaturfühlers simuliert wird, die für die Regelung der Heizquelle benutzt ist, wobei erforderlichenfalls der Temperaturfühler noch gekühlt wird.

57. Vorrichtung zur Temperaturmessung eines Heizölkreises für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 56 oder in eigener Anwendung gekennzeichnet durch ein nicht magnetisches hitzebeständiges Rohr (z. B. Keramik) in welches eine dünnwandige Metallhülse eingesetzt ist, die vom heißen Öl, dessen Temperatur gemessen werden soll, durchströmt wird, weiters durch eine Drahtwicklung über das Rohr, welche eine Meßspule bildet, ebenso durch eine Drahtwicklung neben dem Rohr, welche eine weitere Spule als Referenzspule bildet, die neben der Meßspule gehalten wird (z. B. durch Schamott, etc.) und durch eine Auswertung bei der der über einen Wechselstrom über die Spulen jeweils gemessene Verlust der Spulen in Relation (z. B. Differenzbildung) gesetzt wird, um einen Wert zu erhalten, welcher der maximal zulässigen Temperatur des geheizten Öls entspricht.

58. Regelverfahren für Pumpe zur Aufheizung eines thermischen Pufferspeichers nach Anspruch 12 oder 13 oder nach einem der vorherigen Absprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim thermischen Aufladen des Pufferspeichers die Erhitzungstemperatur des Arbeitsmittels örtlich unmittelbar nach der Erhitzung gemessen ist und die Umwälzpumpe des Arbeitsmittels nach der Solltemperatur (an der betreffenden Meßstelle) gesteuert ist.

59. Verbesserungsverfahren für einen in den Ansprüchen 1 bis 58 (gegebenenfalls) verwendeten Stirling Motor, oder in eigener unabhängiger Anwendung, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (z. B. Rhomben Getriebe), welches die zeitliche Abstimmung der Bewegung von Arbeitskolben und Hilfskolben (Steuerkolben) des Motors herstellt durch Einspeisung eines elektrisch erzeugten Kraftmomentes über die betreffende(n) Kolbenstange(n) bewegenden Linearmotor(en) vorgenommen ist, wobei die über eine Umdrehung der Antriebswelle zeitlich entsprechend verteilten Energieimpulse vom Linearmotor so eingespeist sind (bzw. die Energieimpulse zeitlich entsprechend platziert sind), daß das genannte Getriebe des Motors in seiner Beanspruchung entsprechend entlastet wird.

60. Verbesserungsverfahren nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß der über eine Umdrehung der Antriebswelle jeweils über den genannten Linearantrieb einzuspeisende Kraftmomentverlauf als Funktion einer an der betreffenden Welle abgegriffenen Winkelabtastung gesteuert ist.