DE4209904A1

DE4209904A1 - Mit einer stirlingmaschine arbeitendes stromerzeugungssystem

Info

Publication number: DE4209904A1
Application number: DE4209904A
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Naito
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1992-10-01
Also published as: JPH04299099A; US5203170A; JP3018550B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einer Stirling maschine arbeitendes Stromerzeugungssystem, das eine Stir lingmaschine, bei der Solarwärme als deren Wärmequelle ver wendet wird, und einen von der Stirlingmaschine angetriebe nen Generator besitzt.

Bei einer Stirlingmaschine (Heißgasmaschine), bei der Solar wärme als Wärmequelle zum Antrieb der Stirlingmaschine ver wendet wird, ändert sich die Ausgangsleistung der Maschine in Abhängigkeit von der Strahlungswärme der Solarenergie. Um den Wirkungsgrad der Maschine auf einem hohen konstanten Niveau zu halten, ist es erforderlich, die Temperatur des Arbeitsgases im Hochtemperaturbereich so hoch wie möglich konstant zu halten.

Ein System, das diese Anforderungen erfüllt, ist beispiels weise in der US-PS 44 57 133 beschrieben. Wie in Fig. 4 dieser Veröffentlichung gezeigt, wird bei diesem System eine Stirlingmaschine 20 zum Antreiben eines Generators 27 durch Solarenergie betrieben, die durch eine Strahlungswärme empfangsöffnung 21 empfangen wird. Während des Betriebes wird die Maschinentemperatur im Hochtemperaturbereich durch einen Temperatursensor 23 erfaßt, um auf diese Weise die Temperatur des Arbeitsgases im Hochtemperaturbereich abschätzen zu können. Dann rechnet eine Temperaturregelvor richtung 26 einen vorgegebenen Wert des Arbeitsgasdrucks in der Maschine in Abhängigkeit von der geschätzten Arbeits gastemperatur aus, und eine Arbeitsgasdruckregelvorrichtung 22 regelt den Arbeitsgasdruck in der Maschine, um die Diffe renz ΔP zwischen dem vorgegebenen Wert und einem von einem Arbeitsgasdrucksensor 35 an einer Differenzvorrichtung 24 (Fig. 6) erfaßten Wert auf Null zu bringen. Dadurch wird der Maschinenwirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist jedoch ein breiter Regelbereich des Arbeitsgasdrucks erforderlich, damit der hohe Maschinen wirkungsgrad auf einem Sollwert über den Bereich gehalten werden kann, in dem die Maschine in Abhängigkeit von einer Änderung der Solarwärme Leistung abgeben kann, um auf diese Weise eine konstante Drehzahl der Maschine sicherzustellen. Daher wird bei diesem System ein Arbeitsgaskompressor 30, der in der Arbeitsgasdruckregelvorrichtung 22 angeordnet ist, als wesentlicher Bestandteil gefordert, wie in Fig. 5 gezeigt.

Der vorstehend erwähnte Arbeitsgaskompressor, der einen hohen Druck erzeugt, muß jedoch ohne Schmierung betrieben werden, um das reine Arbeitsgas nicht zu verunreinigen. Hierunter leiden die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Systems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes mit einer Stirlingmaschine arbeitendes Stromerzeugungssystem zu schaffen, mit dem die vorstehend genannten Nachteile überwunden werden.

Ferner soll erfindungsgemäß ein verbessertes mit einer Stir lingmaschine arbeitendes Stromerzeugungssystem zur Verfügung gestellt werden, mit dem ein hoher Maschinenwirkungsgrad unabhängig vom Leistungsbereich der Maschine ohne Ver schlechterung der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Systems aufrechterhalten werden kann.

Des weiteren soll ein verbessertes mit einer Stirling maschine arbeitendes Stromerzeugungssystem geschaffen wer den, mit dem ein hoher Maschinenwirkungsgrad unabhängig vom Leistungsbereich der Maschine ohne Verwendung eines Arbeits gaskompressors erreicht werden kann.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein mit einer Stirlingmaschine arbeitendes Stromerzeugungs system gelöst, das die folgenden Bestandteile umfaßt: Eine Stirlingmaschine, die durch Solarwärme angetrieben wird, die als Wärmequelle für die Maschine eingesetzt wird, einen von der Stirlingmaschine angetriebenen Generator, einen Tempera tursensor, der die Temperatur eines in einem Arbeitsraum der Maschine befindlichen Arbeitsgases detektiert, einen Arbeitsgastank, der mit dem Arbeitsraum über ein Leitungen in Verbindung steht, Einwegventile, die in den entsprechen den Leitungen angeordnet sind, um die Strömungsrichtung des Arbeitsgases in jeder Leitung umzukehren, Öffnungs- und Schließventile, von denen jedes in der entsprechenden Lei tung zwischen dem Einwegventil und dem Arbeitsgastank ange ordnet ist, eine Feldmagnetsteuervorrichtung, über die die Drehzahl des Generators einstellbar ist, und eine Tempera turregelvorrichtung, die das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließventile regelt, um den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum in Abhängigkeit von einem detektierten Signal des Temperatursensors zu verändern und die Feldmagnetsteuer vorrichtung zu steuern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Aus führungsform eines mit einer Stirling maschine arbeitenden erfindungsgemäßen Stromerzeugungssystems;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen dem Arbeitsgasdruck in einer Maschine und der Zeit sowie die Beziehung zwischen dem Arbeitsgasdruck im Arbeits gastank und der Zeit bei einem erfin dungsgemäß ausgebildeten mit einer Stir lingmaschine arbeitenden Stromerzeugungs system dargestellt ist;

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Größe der Solarstrahlung und der Stromerzeugungsleistung einer Maschine, die Beziehung zwischen der Größe der Solarstrahlung und der Drehzahl der Maschine, die Beziehung zwischen der Größe der Solarstrahlung und dem Arbeits gasdruck der Maschine und die Beziehung zwischen der Größe der Solarstrahlung und der Arbeitsgastemperatur der Maschine bei einem mit einer Stirlingmaschine arbei tenden erfindungsgemäß ausgebildeten Stromerzeugungssystem dargestellt sind;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines her kömmlichen mit einer Stirlingmaschine ar beitenden Stromerzeugungssystems;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ar beitsgastemperaturregelvorrichtung eines herkömmlichen mit einer Stirlingmaschine arbeitenden Stromerzeugungssystems;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Arbeitsgasdruck und der Temperatur einer Maschine bei einem herkömmlichen mit einer Stirlingmaschine arbeitenden Stromerzeugungssystem zeigt; und

Fig. 7 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Drehzahl einer Maschine und der Stromerzeugungsleistung einer Maschine bei einem herkömmlichen mit einer Stir lingmaschine arbeitenden Stromerzeugungs system zeigt.

Ein mit einer Stirlingmaschine arbeitendes Stromerzeugungs system, das einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht, wird nun in Verbindung mit der Zeichnung im ein zelnen erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Stirlingmaschine 1 durch Solarwärme betrieben, die als Wärmequelle für die Stirling maschine genutzt wird. Eine Heizeinrichtung 2, die eine Vielzahl von kreisförmig angeordneten Rohren umfaßt, wie be kannt, wird durch die Solarenergie erhitzt, die über eine Strahlungswärmeempfangsöffnung 2a empfangen wird. Auf diese Weise wird auch ein in einem Arbeitsraum angeordnetes Ar beitsgas durch die Heizeinrichtungen 2 erhitzt. In der Heiz einrichtung 2 ist ein Temperatursensor 3 angeordnet, der die Temperatur des in der Heizeinrichtung 2 strömenden Arbeits gases detektiert. Der Arbeitsraum der Stirlingmaschine 1 steht über ein Paar Druckleitungen 6, 6 mit einem Arbeits gastank 9 in Strömungsmittelverbindung. In den Druckleitun gen 6, 6 sind Einwegventile 5a, 5b angeordnet. Des weiteren sind elektromagnetisch betätigte Ventile 7, 8 als erfin dungsgemäße Öffnungs- und Schließventile in den Leitungen 6, 6 zwischen den Einwegventilen 5a, 5b und dem Arbeitsgastank 9 angeordnet. Durch das Einwegventil 5a kann das Arbeitsgas vom Arbeitsgastank 9 zum Arbeitsraum strömen, und es wird eine Gasströmung vom Arbeitsraum zum Arbeitsgastank 9 ver hindert. Auf der anderen Seite ermöglicht das Einwegventil 5b eine Strömung des Arbeitsgases vom Arbeitsraum zum Ar beitsgastank 9, während es eine Gasströmung vom Arbeits gastank 9 zum Arbeitsraum verhindert. Wenn daher das Elek tromagnetventil 7 geöffnet wird, strömt das Arbeitsgas im Arbeitsgastank 9 in den Arbeitsraum, so daß auf diese Weise der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum ansteigt. Das Elektro magnetventil 7 wirkt als Ventil zum Erhöhen des Arbeitsgas drucks im Arbeitsraum. Wenn andererseits das Elektromagnet ventil 8 geöffnet wird, strömt das Arbeitsgas im Arbeitsraum in den Arbeitsgastank 9, so daß auf diese Weise der Arbeits gasdruck im Arbeitsraum erniedrigt wird. Das Elektromagnet ventil 8 wirkt somit als Ventil zum Absenken des Arbeitsgas drucks im Arbeitsraum. Anstelle des elektrisch betätigten Öffnungs- und Schließventils kann auch ein anderes Öffnungs- und Schließventil verwendet werden, das über andere Mittel, beispielsweise Gas, betätigt werden kann.

Des weiteren ist in einem Abschnitt der Druckleitung 6, an die die Stirlingmaschine 1 angeschlossen ist, ein Drucksen sor 10 zum Detektieren des Arbeitsgasdrucks im Arbeitsraum angeordnet. Das detektierte Signal des Drucksensors 10 und das detektierte Signal des Temperatursensors 3 werden einer Temperaturregelvorrichtung 4 zugeführt. Das Öffnen und Schließen der vorstehend erwähnten Elektromagnetventile 7, 8 werden durch die Temperaturregelvorrichtung 4 geregelt.

Mit 11 ist ein Generator bezeichnet, der von der vorstehend beschriebenen Stirlingmaschine 1 angetrieben wird. Der vom Generator 11 erzeugte Strom wird über eine Feldmagnetsteuer vorrichtung 12 einer Batterie 13 zugeführt und darin ge speichert. Wenn es sich bei dem Generator 11 um einen Wechselstromgenerator handelt, wandelt die Feldmagnetsteuer vorrichtung 12 Wechselstrom in Gleichstrom um. Mit 14 ist eine Vorrichtung bezeichnet, die eine übermäßige Aufladung und übermäßige Entladung der Batterie 13 verhindert. Mit 15 ist eine elektrische Last bezeichnet. Die Feldmagnetsteuer vorrichtung 12 wird von der Temperaturregelvorrichtung 4 ge regelt und regelt die Drehzahl der Stirlingmaschine 1 und die Drehzahl des Generators 11.

Die vorstehend beschriebene Ausführungsform des mit einer Stirlingmaschine arbeitenden Stromerzeugungssystems funktio niert wie folgt: Die Heizeinrichtung 2 der Stirlingmaschine 1 wird durch die Solarenergie erhitzt, die über die Strahlungswärmeempfangsöffnung 2a empfangen wird. Auf diese Weise wird das in der Heizeinrichtung 2 strömende Arbeitsgas erhitzt. Wenn die Arbeitsgastemperatur, die vom Temperatur sensor 3 detektiert wird, den vorgegebenen Wert erreicht, wird die Stirlingmaschine 1 über die Temperaturregelvor richtung 4 angetrieben. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum auf einem Wert P (C), der in Fig. 2 gezeigt ist, während sich der Arbeitsgasdruck im Arbeitsgastank 9 auf einem Wert C befindet, der ebenfalls in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die über die Strahlungswärme empfangsöffnung 2a empfangene Solarenergie größer ist als der entsprechende endothermische Zykluswert der Stirling maschine 1, steigt die Arbeitsgastemperatur im Arbeitsraum weiter an. Wenn die Arbeitsgastemperatur im Arbeitsraum die vorgegebene optimale Temperatur zum Antreiben der Maschine erreicht (um den Maschinenwirkungsgrad konstant auf einem hohen Niveau zu halten) und weiterhin ansteigt, wird das Elektromagnetventil 7 von der Temperaturregelvorrichtung 4 in Abhängigkeit vom detektierten Signal des Temperatursen sors 3 geöffnet, und das Arbeitsgas im Arbeitsgastank 9 wird dem Arbeitsraum der Stirlingmaschine 1 zugeführt, um den Ar beitsgasdruck im Arbeitsraum zu erhöhen und auf diese Weise die Arbeitsgastemperatur auf der vorgegebenen optimalen Tem peratur zu halten. Obwohl das Elektromagnetventil 7 geöffnet ist, steigt jedoch der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum der Stirlingmaschine 1 nicht weiter als auf ein Niveau P (B), das in Fig. 2 gezeigt ist. Bei dem Druck P (B) handelt es sich um einen Wert, der vom Volumen des Arbeitsraumes der Stirlingmaschine 1, dem Kompressionsverhältnis der Stirling maschine 1 und dem Volumen des Arbeitsgastanks 9 beeinflußt wird. Daher ist es nicht möglich, den Arbeitsgasdruck so zu regeln, daß der hohe Maschinenwirkungsgrad über den gesamten Bereich aufrechterhalten wird, über den die Maschine in Ab hängigkeit von einer Änderung der Größe der Solarstrahlung Leistung erzeugen kann (es nicht möglich, den Arbeitsgas druck derart zu regeln, daß die Arbeitsgastemperatur im Ar beitsraum auf einer vorgegebenen optimalen Temperatur gehal ten wird). Daher wird in dem Fall, in dem ein relativ hoher Wert an Solarstrahlung vorliegt, obwohl sich der Arbeits gasdruck im Arbeitsraum, der vom Drucksensor 10 detektiert wird, auf dem Niveau P (B) befindet, ein Zustand erzeugt, in dem die Arbeitsgastemperatur im Arbeitsraum die vorgegebene Optimaltemperatur übersteigt. Nunmehr entspricht das Niveau P (B) einem vorgegebenen Druck der vorliegenden Erfindung. Zu diesem Zeitpunkt steuert bzw. regelt die Temperaturregel vorrichtung 4 die Feldmagnetsteuervorrichtung 12 derart, daß die Frequenz des rotierenden Magnetfeldes des Generators 11 (in diesem Fall ein Wechselstromgenerator) erhöht wird. Bei einem Gleichstromgenerator steuert bzw. regelt die Tempera turregelvorrichtung 4 die Feldmagnetsteuervorrichtung 12 so, daß der Feldstrom abgesenkt wird. Daher werden die Drehzahl des Generators 11 und die Drehzahl der Stirlingmaschine 1, die direkt mit dem Generator 11 gekoppelt ist, entsprechend erhöht. Folglich steigt der endothermische Wert des Zyklus der Stirlingmaschine 1 an, so daß die Arbeitsgastemperatur im Arbeitsraum auf der vorgegebenen Optimaltemperatur gehal ten wird. Daher wird der hohe Maschinenwirkungsgrad über den gesamten Bereich aufrechterhalten, in dem die Maschine in Ab hängigkeit von einer Änderung der Größe der Solarstrahlung eine Leistung erzeugen kann, ohne daß hierzu ein Arbeitsgas kompressor benötigt wird. Der erzeugte Ausgangsstrom des Ge nerators 11 wird in der Batterie 13 gespeichert oder einer elektrischen Last 15 zugeführt. In Fig. 2 zeigt die Kurve P (A) den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum im Grundzustand. Die Gerade "A" zeigt den Arbeitsgasdruck in dem Zustand, in dem sich der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum auf dem Niveau P (A) befindet, und die Gerade "B" zeigt den Arbeitsgasdruck in dem Zustand, in dem sich der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum auf dem Niveau P (B) befindet.

Bei dieser Ausführungsform wird der Arbeitsgasdruck im Ar beitsraum als erster Schritt der Temperaturregelung verän dert. Dann wird die Drehzahl der Stirlingmaschine 1 als zweiter Schritt der Temperaturregelung verändert. Bei der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, als erster Schritt die Drehzahl der Stirlingmaschine 1 zu regeln und dann als zweiter Schritt den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum zu regeln. Des weiteren ist es möglich, gemeinsam den Ar beitsgasdruck im Arbeitsraum und die Drehzahl der Stirling maschine 1 zu verändern.

Des weiteren kann der Arbeitsgastank 9 in Fig. 1 aus mehre ren Gastanks zusammengesetzt sein, die unterschiedliche Druckniveaus besitzen. In diesem Fall werden diese Tanks wahlweise mit der Stirlingmaschine 1 verbunden, und es ist daher möglich, die Breite zwischen den Arbeitsgasdrücken P (C) und P (B) zu erhöhen. Allgemein gesagt werden bei einem Stromerzeugungssystem, das mit einer Stirlingmaschine arbei tet und Solarenergie verwendet, die Regelbereiche des Ar beitsgasdrucks und der Drehzahl der Maschine, die in Abhän gigkeit von der Größe der Solarstrahlung geregelt werden, unter Berücksichtigung des Solarstrahlungszustandes des Or tes, an dem das System installiert ist, und des Betriebsver haltens (Wirkungsgrades) der Stirlingmaschine festgelegt. Das Diagramm der Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Größe der Solarstrahlung und der Stromerzeugungsleistung W einer Maschine, die Abhängigkeit zwischen der Größe der So larstrahlung und der Drehzahl N der Maschine, die Abhängig keit zwischen der Größe der Solarstrahlung und dem Arbeits gasdruck P in einer Maschine und die Abhängigkeit zwischen der Größe der Solarstrahlung und der Arbeitsgastemperatur T in der Maschine bei einem mit einer Stirlingmaschine arbei tenden Stromerzeugungssystem gemäß der Erfindung.

Wie vorstehend erläutert, ist es erfindungsgemäß möglich, den hohen Maschinenwirkungsgrad über den gesamten Bereich aufrechtzuerhalten, in dem die Maschine in Abhängigkeit von der Änderung der Größe der Solarstrahlung Leistung erzeugen kann, ohne einen Arbeitsgaskompressor zu benutzen. Das System ist in der Lage, in diesem Zustand zur gleichen Zeit Elektrizität zu erzeugen. Da des weiteren kein Arbeitsgas kompressor benutzt wird, der ohne Schmierung betrieben wer den muß, kann hierdurch die Zuverlässigkeit und die Haltbar keit des Systems per se verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird somit ein mit einer Stirlingmaschine arbeitendes Stromerzeugungssystem vorgeschlagen, das die folgenden Bestandteile umfaßt: Eine durch Solarenergie, die als Wärmequelle für die Maschine dient, betriebene Stirling maschine, einen von der Stirlingmaschine angetriebenen Gene rator, einen Temperatursensor, der die Temperatur eines in einem Arbeitsraum der Maschine befindlichen Arbeitsgases de tektiert, einen Arbeitsgastank, der mit dem Arbeitsraum über ein Paar Leitungen in Verbindung steht, Einwegventile, die in den entsprechenden Leitungen angeordnet sind, um die Strömungsrichtung des Arbeitsgases in jeder Leitung umzu kehren, Öffnungs- und Schließventile, von denen jedes in der entsprechenden Leitung zwischen dem Einwegventil und dem Ar beitsgastank angeordnet ist, eine Feldmagnetsteuervor richtung, über die die Drehzahl des Generators einstellbar ist, und eine Temperaturregelvorrichtung, die das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließventile regelt, um den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum in Abhängigkeit von einem de tektierten Signal des Temperatursensors zu ändern und die Feldmagnetsteuervorrichtung zu steuern.

Claims

1. Mit einer Stirlingmaschine arbeitendes Stromerzeugungs system, gekennzeichnet durch:
eine Stirlingmaschine (1), die durch Solarwärme betrieben wird, welche als Wärmequelle der Maschine (1) dient;
einen von der Stirlingmaschine (1) angetriebenen Generator (11);
einen Temperatursensor (3), der die Temperatur eines in einem Arbeitsraum der Maschine (1) befindlichen Arbeitsgases detektiert;
einen Arbeitsgastank (9), der über ein Paar Leitungen (6, 6) mit dem Arbeitsraum in Verbindung steht;
Einwegventile (5a, 5b), die in den entsprechenden Leitungen (6, 6) angeordnet sind, um die Strömungsrichtung des Arbeitsgases in jeder Leitung (6, 6) umzukehren;
Öffnungs- und Schließventile (7, 8), von denen jedes in der entsprechenden Leitung (6, 6) zwischen dem Einwegventil (5a, 5b) und dem Arbeitsgastank (9) angeordnet ist;
eine Feldmagnetsteuervorrichtung (12), mit der die Drehzahl des Generators (11) einstellbar ist; und
eine Temperaturregelvorrichtung (4), die das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließventile (7, 8) regelt, um den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum in Abhängigkeit von einem detektierten Signal des Temperatursensors (3) zu verändern und die Feldmagnetsteuervorrichtung (12) zu steuern.

2. Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperaturregelvorrichtung (4) die Öffnungs- und Schließventile (7, 8) und die Feldmagnet steuervorrichtung (12) derart steuert bzw. regelt, daß die vom Temperatursensor (3) detektierte Arbeitsgastemperatur auf einer vorgegebenen optimalen Temperatur gehalten wird.

3. Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren einen Drucksensor (10) umfaßt, der den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum detektiert, wobei der Generator (11) ein Wechselstromgenerator ist und die Temperaturregelvorrichtung (4) die Feldmagnetsteuervor richtung (12) derart steuert bzw. regelt, daß die Frequenz des rotierenden Magnetfeldes des Generators (11) erhöht wird, wenn sich der Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum auf einem vorgegebenen Druck befindet und die Arbeitsgastemperatur im Arbeitsraum die vorgegebene optimale Temperatur übersteigt.

4. Stromerzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren einen Drucksensor (10) umfaßt, der den Arbeitsgasdruck im Arbeitsraum detektiert, wobei der Generator (11) ein Gleichstromgenerator ist und die Temperaturregelvorrichtung (4) die Feldmagnetsteuervor richtung (12) derart steuert bzw. regelt, daß der Feldstrom des Generators (11) abgesenkt wird, wenn sich der Arbeits gasdruck im Arbeitsraum auf einem vorgegebenen Druck befin det und die Arbeitsgastemperatur im Arbeitsraum die vorgege bene optimale Temperatur übersteigt.