-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft unterbrechungsfreie Stromversorgungen, die eine
thermische Energiequelle als Reserveenergiequelle aufweisen. Insbesondere
weisen die erfindungsgemäßen Stromversorgungen
ein Material auf, das erwärmt
wird und während
des Reservebetriebs auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird.
Im Falle eines Versagens der Primärstromquelle, z.B. Netzstrom,
wird die gespeicherte thermische Energie in Elektrizität umgewandelt,
die den notwendige Notstrom bereitstellt, bis die Primärversorgung
wieder am Netz ist.
-
Unterbrechungsfreie
Stromversorgungen (USV) sind bekannt. Solche Vorrichtungen werden häufig verwendet,
um eine nominale Strommenge für eine
bestimmte Zeitperiode bereitzustellen, so daß verschiedene Einzelteile
einer Ausrüstung,
die Primärstrom
nutzen, relativ normal abgeschaltet werden können und nicht durch Sofortabschaltung,
die bei einem Primärstromausfall
ohne Notversorgung auftreten würde.
Eine bekannte Konfiguration für
eine USV ist eine Reihe chemischer Batterien als Kurzzeit-Sekundärstromquelle.
Die Batterien sind häufig
mit einem Notstromgenerator kombiniert, der Langzeit-Sekundärstrom liefert.
-
Chemische
Batterien haben verschiedene Nachteile, nämlich großes Volumen, geringe Zuverlässigkeit,
begrenzte Lebensdauer (müssen
normalerweise alle drei bis acht Jahre ersetzt werden), hohe Wartungskosten
und relativ geringe Sicherheit. Beispielsweise erfordern chemische
Batterien eine relativ konstante und komplexe Wiederaufladung in Abhängigkeit
vom Typ der betreffenden Batterien, um sicherzustellen, daß die Batterien
effizient weiterarbeiten und ihre volle Speicherka pazität behalten. Selbst
gut gewartete Batterien können
jedoch aufgrund einer relativ hohen Empfindlichkeit gegenüber Temperatur
unzuverlässig
werden. Außerdem
gibt es gegen chemische Batterien verschiedene Sicherheitsbedenken
aufgrund des allgemeinen Charakters der großen Mengen von toxischen und ätzenden Chemikalien,
die damit verbunden sind. Typische große Batterieanlagen erfordern
oft spezielle Belüftungs-
und Klimatisierungssysteme für
die speziell vorgesehenen Batterieräume.
-
Das
US-Patent 4 094 148 betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer
Energie in einem Kontext ohne USV, bei dem Wärme, die von Abgasen freigesetzt
wird, die von der Verbrennung gasförmiger Produkte in einem Kohlevergasungsprozeß abgeleitet
werden, gespeichert und genutzt wird, um eine erhöhte elektrische
Leistung während
der Spitzenzeiten zu erzeugen.
-
Angesichts
dieser Tatsache ist es eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte unterbrechungsfreie Stromversorgungen
bereitzustellen, die Reserveenergie von einer thermischen Energiequelle
liefern.
-
Es
ist auch eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte unterbrechungsfreie
Stromversorgungen bereitzustellen, die relativ unempfindlich gegen
Umgebungstemperaturschwankungen sind, während sie Notstrom liefern.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte unterbrechungsfreie
Stromversorgungen bereitzustellen, die geringere Wartungsanforderungen
haben.
-
Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte unterbrechungsfreie
Stromversorgungen bereitzustellen, die einen im wesentlichen unbegrenzten
Lebensdauerzyklus haben.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Diese
und weitere Merkmale der Erfindung werden mit den Prinzipien der
Erfindung gelöst,
indem verschiedene unterbrechungsfreie Stromversorgungen gemäß den Ansprüchen bereitgestellt
werden, die ein Material aufweisen, das erwärmt wird, um Energie zu speichern,
und die die gespeicherte thermische Energie nutzen, um Notstrom
zu liefern. Dieses Material kann entweder mindestens ein Gefäß sein,
das eine Flüssigkeit
speichert, die erwärmt ist,
oder eine feste Masse, z.B. ein Eisenblock, der erwärmt wird.
Das Material kann unter Verwendung verschiedener unterschierschiedlicher
Verfahren erwärmt
werden, z.B. durch Widerstandsheizung, oder unter Verwendung eines
Boilers, um ein Fluid zu erwärmen,
das in einem geschlossenen Kreislauf von einem Gefäß zum Boiler
zirkuliert, oder eine Widerstandsheizung, um eine feste Masse zu
erwärmen.
-
Wenn
Primärstrom,
z.B. Netzstrom, vorhanden ist, kann der Primärstrom verwendet werden, um einen
Widerstand, der in das Fluid in dem Gefäß eingetaucht ist, oder einen
Widerstand in thermischem Kontakt mit der festen Masse zu erwärmen. Der
Widerstand erwärmt
dann das Material, um es auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten,
z.B. zwischen 150 und 300°C
bei der Flüssigkeit
oder zwischen 150 und 1000°C
bei dem Feststoff. Als Alternative kann in den Ausführungsformen
mit dem Fluid das Fluid in dem Gefäß durch einen Boiler in einen
zirkulieren, der dann mit Energie versorgt wird, beispielsweise durch
einen Brennstoff aus einer Gasleitung eines Versorgers oder einem
externen Brennstofftank oder von beiden. Netzstrom kann auch verwendet
werden, um einen Generator wie einen Motor zu versorgen, so daß er sich
ständig
dreht – dadurch
kann das System im Falle des Primärstromausfalls eine nahezu sofortigen
Notstrom liefern.
-
Die
Wärmekraftmaschinen,
die benutzt werden, um den Generator in verschiedenen USV-Ausführungsformen
der Erfindung anzutreiben, können mechanische
Wärmekraftmaschinen
sein, z.B. eine Dampfmaschine oder eine Stirling-Motor. Statt dessen
können
sie auch thermionische oder thermoelektrische Wärmekraftmaschinen sein, die
Gleichstrom direkt aus der gespeicherten Wärmeenergie erzeugen. Wenn eine
Dampfmaschinenkonfiguration benutzt wird, kann die Maschine eine
Turbine oder eine Kolbenmaschine sein, ohne den Schutzbereich der Erfindung
zu verlassen. Ein bestimmter Typ von Dampfmaschine, der verwendet
werden kann, ist ein Entspannungslaufrad, das eine Welle antreibt,
die den Generator treibt.
-
In
bestimmten Fällen
strömt
ein Fluid, z.B. Wasser, durch Röhren,
die in dem Gefäß angeordnet sind.
Das erwärmte Fluid überträgt die Wärme an das Fluid
im geschlossenen Röhrenkreis,
so daß das
Fluid erwärmt
wird. Es kann aus Effizienzgründen
bevorzugt sein, das Fluid über
seinen Siedepunkt zu erwärmen,
so daß es
sich beispielsweise in Dampf verwandelt, wobei der Fachmann jedoch
anerkennen wird, daß die
Prinzipien der Erfindung auch ohne eine Phasenänderung in die Praxis umgesetzt
werden können.
Der resultierende Dampf wird verwendet, um entweder die Wärmekraftmaschine
oder eine Turbine anzutreiben, die mit dem Generator verbunden ist
(das Entspannungslaufrad ändert
den Druck des Dampfes, der die Turbine treibt von hoch zu tief).
In anderen Fällen
kann die Wärme
aus dem Material direkt vom Gefäß oder der
festen Masse zur Wärmekraftmaschine übertragen
werden.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung wird anhand des Turbinenrotors selbst
realisiert, der sich, wenn Netzstrom vorhanden ist, durch den Netzstrom selbst
ständig
dreht (während
des Reservemodus arbeitet der Generator nämlich als Motor). Zusätzliche Verbesserungen
der Zuverlässigkeit
können
durch Nutzung von Magnetlagern erreicht werden, vorzugsweise aktive
Lager, um den Rotor im wesentlichen um das Gesamtgewicht zu erleichtern,
so daß sich der
Rotor kontinuierlich mit hohen Drehzahlen ohne Verschleiß drehen
kann. Der sich drehende Wärmekraftmaschinenrotor,
der sich mit etwa 20 000 bis 50 000 Umdrehungen/min drehen kann,
stellt eine zusätzliche
Quelle gespeicherte Energie bereit, in diesem Fall kinetische Energie,
die verwendet werden kann, um während
der Periode, wo der Wärmestrom erhöht ist,
Strom an die kritische Last zu liefern.
-
Zusätzliche
Vorteile der Erfindung können erreicht
werden, indem ein Kondensator oder Flüssigkeitskältetank in einem Wasser/Dampfkreis
einbezogen wird. Der Kondensator oder Kältetank kühlt den Dampf aus dem Entspannungslaufrad
bei Verwendung zu Wasser zwecks Rückführung in das Erwärmungsgefäß. Wenn
ein Kondensator verwendet wird, kann auch bevorzugt werden, einen
Radiator zu nutzen, der die Wärme
vom Kondensator abgibt. Eine Wahl zwischen einem herkömmlichen
Kondensator und einem modifizierten Kondensator, der einen Kältetank
aufweist, erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der gewünschten
Laufzeit des Systems. Wenn beispielsweise ein Reservesystem für eine relativ
kurze Dauer entworfen wird, z.B. für 15 bis 20 min (wobei dann
wahrscheinlich eine weitere Notstromquelle verwendet würde, z.B.
ein externer Dieselgenerator), kann die Kältetankkonfiguration verwendet
werden. Wenn dagegen das thermische Reservesystem dafür bestimmt
ist, nur solange zu laufen, bis die Netzenergie zurückgekehrt
ist, dann würde
man bevorzugen, die herkömmliche
Kondensator/Radiator-Kombination zu nutzen.
-
Weitere
Merkmale der Erfindung, ihre Besonderheit und verschiedene Vorteile
sind aus den beigefügten
Zeichnungen und der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
erkennbar.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine schematische Darstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung
(USV), die eine thermische Energiequelle aufweist, die erfindungsgemäß aufgebaut
ist;
-
2 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren USV, die eine thermische
Energiequelle aufweist, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
-
3 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren USV, die eine thermische
Energiequelle aufweist, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
-
4 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren USV, die eine thermische
Energiequelle aufweist, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
-
5 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren USV, die eine thermische
Energiequelle aufweist, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
-
6A bis 6C sind
schematische Darstellungen weiterer USV, die eine thermische Energiequelle
aufweisen, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
-
7 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren USV, die eine thermische
Energiequelle aufweist, die erfindungsgemäß aufgebaut ist;
-
8 ist
eine dreidimensionale perspektivische Darstellung einer auf einer
thermischen Energiequelle beruhenden USV, die erfindungsgemäß aufgebaut
ist;
-
9 ist
eine dreidimensionale perspektivische Darstellung einer weiteren
auf einer thermischen Energiequelle beruhenden USV, die erfindungsgemäß aufgebaut
ist;
-
10 ist
eine dreidimensionale perspektivische Teilschnittansicht eines Entspannungslaufrad/Generators,
der in bestimmten Konfigurationen der erfindungsgemäßen USV
verwendet wird;
-
11 ist
eine dreidimensionale perspektivische Teilschnittansicht eines Dampfkondensators, der
in bestimmten Konfigurationen der erfindungsgemäßen USV verwendet wird;
-
12 ist
eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer weiteren auf
einer thermischen Energiequelle beruhenden USV, die erfindungsgemäß aufgebaut
ist; und
-
13 ist
eine dreidimensionale perspektivische Teilschnittansicht eines Kältetanks,
der in bestimmten Konfigurationen der erfindungsgemäßen USV
verwendet wird.
-
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer auf einer thermischen Energiequelle
beruhenden unterbrechungsfreien Stromversorgung 100 (USV 100),
die erfindungsgemäß aufgebaut
ist. Die USV 100 weist darstellungsgemäß mehrere Komponenten auf,
aber der Fachmann wird anerkennen, daß die Prinzipien der Erfindung
unter Verwendung einer beliebigen der hierin beschriebenen spezifischen
Konfigurationen, weiterer Kombinationen dieser Konfigurationen oder
sogar Konfigurationen, die andere Komponenten nutzen, innerhalb
des Schutzbereichs der beigefügten
Ansprüche
realisiert werden können.
-
Die
USV 100 weist auf: eine thermische Energiespeichereinheit 102 – in diesem
Fall einen ölgefüllten Wärmetauscher
und eine Speichereinheit, die nachstehend insgesamt als Wärmetankanordnung 102 bezeichnet
ist –,
eine Wärmekraftmaschine 104, einen
Generator 106, einen WS-GS-Umsetzer 108 (WG =
Wechselstrom; GS = Gleichstrom), einen GS-WS-Umsetzer 110,
einen GS-GS-Umsetzer 112, eine Pumpe 114, ein
Ventil 116, einen Widerstandsheizer 118, eine
Primärstromquelle 120 – in diesem Fall
eine Netzstrom –,
eine Regelschaltungsanordnung 122 (die einen Schalter 124 und
eine Induktionsspule 126 auf weist), die alle die Funktion
haben, Strom an eine Last 128 zu liefern. Die hierin beschriebenen
Umsetzer können
als herkömmliche
Umsetzer, als Anordnung von hochleistungsfähigen Halbleiterschaltern oder
als andere Schaltungsanordnung vorgesehen sein, ohne von der Erfindung
abzuweichen.
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung einer auf einer Energiequelle beruhenden
USV 200, die auch erfindungsgemäß aufgebaut ist. Die USV 200 gleicht
im wesentlichen der USV 100, außer daß die USV 200 zusätzlich eine
zweite Umsetzungsstufe durch die Verwendung eines verlagerten WS-GS-Umsetzers 210 (der
Umsetzer 210 kann im wesentlichen gleich dem Umsetzer 110 sein,
außer daß er dafür konfiguriert
ist, Strom vom Versorger 120 direkt an den Gleichstromschiene
zu liefern) und einen GS-WS-Umsetzer 228 hat. Die Konfiguration
in 2 setzt Netzstrom von Wechselstrom in Gleichstrom
um und dann zurück
in Wechselstrom, bevor er an die Last 128 geliefert wird.
Die in 1 gezeigte Konfiguration liefert dagegen geregelten
Wechselstrom direkt vom Netz an die Last über eine Regelschaltungsanordnung 122.
Jede Konfiguration hat Vor- und Nachteile, wie der Fachmann erkennen wird.
Beispielsweise bietet die Topologie der Einfachumsetzung in 1 einen
höheren
Wirkungsgrad und geringere Kosten (ein Umsetzer weniger ist erforderlich)
als die Topologie in 2, die ihrerseits eine verbesserte
Langzeitspannungs- und Frequenzregelung bietet im Vergleich zu der
Schaltungsanordnung in 1.
-
USV 100 und
USV 200 arbeiten nach den Prinzipien der Erfindung folgendermaßen. Während des
Normalbetriebs, wenn der Netzstrom verfügbar ist, liefert das Netz 120 Wechselstrom
an die Last 128 (entweder über eine Regelschaltungsanordnung 122 oder über Umsetzer 210 und 228).
Gleichzeitig wird der Netzwechselstrom in Gleichstrom umgesetzt
(je nach Bedarf durch den Umsetzer 110 oder den Umsetzer 210)
und an die Gleichstromschiene geliefert. Der Gleichstrom wird über den
Gleichstromschienenanschluß 112 (der
ein GS-GS-Umsetzer oder eine andere bekannte Schaltungsanordnung
sein kann) an den Widerstand 118 geliefert. Der Widerstand 118,
der in einen Fluidtank, z.B. ein Öl, getaucht ist, erwärmt das
Fluid auf eine vorbestimmte Temperatur, z.B. zwischen 150 und 300°C. Als Al ternative
kann eine feste Masse, z.B. eine Eisenmasse, thermisch mit einem
Widerstand 118 gekoppelt sein, so daß der Widerstand 118 die
feste Masse erwärmt – in diesem Fall
könnte
die feste Masse auf eine höhere
Temperatur, z.B. zwischen 150 und 1000°C erwärmt werden. Thermische Energie
kann einem Material auch entzogen werden, während es von einer Flüssigkeit in
einen Feststoff übergeht.
Beispielsweise kann ein Wärmetank 102 mit
geschmolzenem Aluminium gefüllt
sein, der durch einen Widerstand 118 auf einer Temperatur
von annähernd
670°C gehalten
wird, wenn eine Primärstromquelle
verfügbar
ist. Wenn die Primärstromquelle
versagt, würde
sich das geschmolzene Aluminium abkühlen und anfangen zu erstarren,
wobei seine Schmelzenergiewärme
bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur abgegeben würde. Die
derartig abgegebene Schmelzwärme wird
schließlich
verwendet, um die kritische Last 128 zu speisen. Strom
von der Gleichstromschiene kann auch über den Umsetzer 108 an
den Generator 106 geliefert werden (wobei dann der Umsetzer 108 eine GS-WS-Umsetzung
durchführen
würde),
um den Generator 106 als Motor in Drehbewegung zu versetzen,
so daß er
sich vorzugsweise ständig
dreht.
-
Wenn
der Strom vom Versorger 120 ausfällt, wird die in der Wärmetankanordnung 102 gespeicherte
Energie in elektrische Energie umgewandelt und über den WS-GS-Umsetzer der
Gleichstromschiene 108 zugeführt. In der Topologie in 1 würde der
Schalter 124 offen bleiben, bis der Strom wieder vom Netz 120 oder
von einem Notstromgenerator (nicht dargestellt) zugeführt würde. Die
Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie erfolgt
durch Bereitstellung eines Fluids, vorzugsweise Wasser, in einem
geschlossenen Rohrleitungskreis, der im erwärmten Fluid der Wärmetankanordnung 102 angeordnet
ist. Die Durchflußrate
des Wassers und somit die Wärmezufuhr
zur Wärmekraftmaschine 104 wird
durch eine Pumpe 114 und durch ein Ventil 116 erhöht, wenn
die USV Notstrom liefert.
-
Die
Wärmekraftmaschine 104,
die eine herkömmliche
Dampfmaschine (z.B. eine Turbine oder eine Kolbenmaschine) oder
ein Stirling-Motor sein kann, die einen Generator 106 antreibt
und ihn Wechselstrom erzeugen läßt. In beiden
Fällen
wird der Wechselstrom durch einen WS-GS-Umsetzer 108 in Gleichstrom
umgesetzt, der dann über
einen GS-WS-Umsetzer 110 oder einen GS-WS-Umsetzer 228 (je
nachdem, ob die Konfiguration in 1 oder 2 genutzt
wird) als Wechselstrom an die Last 128 geliefert wird.
Als Alternative können
die Funktionen der Wärmekraftmaschine 104 und
des Generators 106 durch einen thermoelektrischen oder
thermionischen Generator ausgeführt
werden, z.B. den, der in 6B dargestellt
ist und der Wärme
direkt in Gleichstrom umwandelt, so daß der Generator 106 und
der Umsetzer 108 nicht nötig sind. Dieser Gleichstrom
kann in Wechselstrom umgesetzt werden, um die Wechselstromlasten
zu versorgen, oder kann direkt von unternehmenskritischen Gleichstromlasten verwendet
werden, z.B. von denen, die sich in Mobilfunk-Telefonsendetürmen befinden.
-
Wenn
die Energie vom Versorger 120 wieder zurückkehrt,
wird der Strom der heißen
Flüssigkeit oder
des heißen
Gases durch die Wärmekraftmaschine 104 durch
ein Ventil 116 unterbrochen, und der Netzstrom wird wieder
in Gleichstrom umgesetzt und bereitgestellt, um den Widerstand 118 zu
erwärmen.
Das Fluid in der Wärmetankanordnung 102 wird also
wieder bis zum nächsten
Stromausfall auf seine vorbestimmte Temperatur erhöht und auf
dieser gehalten.
-
3 zeigt
eine Konfiguration einer auf einer thermischen Energiequelle beruhenden
USV 300, die eine alternative Möglichkeit der Erwärmung des Fluids
im Wärmetauscher
bietet. Anstatt den Widerstand 118, wie für die Wärmetankanordnung 102 beschrieben,
zu nutzen, nutzt die Wärmetankanordnung 302 einen
zweiten geschlossenen Rohrleitungskreis, der in diesem Fall vorzugsweise
ein Fluid, z.B. Öl,
enthält.
Das Fluid wird von Brennern 330 erwärmt, die das Brennmaterial,
z.B. Erdgas, verbrennen, das beispielsweise durch einen Gasversorger 332 oder
einen Speichertank 334 (über ein Ventil 336)
bereitgestellt wird. Das erwärmte Öl wird mittels Pumpe 358 durch
den geschlossenen Kreis gepumpt, so daß die Rohrleitungen, die in
die Wärmetankanordnung 302 getaucht
sind, thermische Energie an das Fluid übertragen, das in der Wärmetankanordnung 302 enthalten
ist.
-
Die
Intensität
der Brenner 330 und die Durchflußrate des Öls können so verändert werden, daß das Fluid
in der Wär metankanordnung 302 auf einer
relativ konstanten Temperatur gehalten wird. Als Alternative können die
Brenner 330 so konfiguriert sein, daß sie das Gefäß der Wärmetankanordnung 302 direkt
erwärmen,
wobei kein zweiter geschlossener Kreis mehr nötig ist. Ein Vorteil der USV 300 gegenüber der
USV 100 und USV 200 besteht darin, daß die USV 300 möglicherweise
unbegrenzt arbeiten könnte,
vorausgesetzt, die Brennstoffversorgung wird aufrechterhalten. Selbst
wenn die Versorgung mit Brennstoff zu Ende geht, liefert die USV 300 dann
außerdem
Notstrom für
annähernd
die gleiche Zeitdauer wie die USV 100 und die USV 200.
-
4 zeigt
eine weitere Konfiguration einer auf einer thermischen Energiespeicherung
beruhenden USV 400. Die USV 400 gleicht der USV 100 insofern,
als der Widerstand 118 verwendet wird, um das Fluid in
der Wärmetankanordnung 102 zu
erwärmen,
und als die Regelschaltungsanordnung 122 verwendet wird,
um Wechselstrom vom Versorger 120 an die USV 400 zu
liefern (obwohl der Fachmann anerkennen wird, daß statt dessen der zusätzliche Umsetzer
in 2 verwendet werden könnte). 4 zeigt
eine spezifische Konfiguration für
die Wärmekraftmaschine
als Entspannungslaufrad 404. Außerdem kann die USV 400 einen
Dampfkondensator 430 und einen Radiator 432 aufweisen,
die miteinander über
einen zweiten geschlossenen Rohrleitungskreis gekoppelt sind. Ein
Fluid, vorzugsweise Wasser, wird mittels Pumpe 434 durch
den zweiten geschlossenen Rohrleitungskreis gepumpt, wie nachstehend
beschrieben.
-
Die
USV 400 greift ein, wenn ein Stromausfall vom Versorger 120 vorliegt.
Zu dieser Zeit wird Wasser mittels Pumpe 114 durch den
ersten geschlossenen Rohrleitungskreis gepumpt, so daß das Wasser
mit dem erwärmten Öl in der
Wärmetankanordnung 102 in
thermischen Kontakt tritt. Das erwärmte Öl bewirkt, daß das Wasser über seinen
Siedepunkt zu Dampf erwärmt
wird, der durch ein Ventil 116 strömt und in das Entspannungslaufrad 404 gedrückt wird.
Wenn der Dampf durch das Entspannungslaufrad 404 strömt, entspannt
er sich von hohem zu niedrigem Druck, was die Turbine des Entspannungslaufrades 404 antreibt.
Die Drehung des Entspannungslaufrades 404 wiederum treibt
einen Hochgeschwindigkeitsgenerator 106, der Wechsel strom
erzeugt. Der Wechselstrom wird einem Umsetzer 108 zugeführt, der
ihn in Gleichstrom umsetzt und der Gleichstromschiene zuführt. Ein
Teil des Gleichstroms kann über
den GS-GS-Umsetzer 112 zurückgekoppelt
werden, um den Widerstand 118 zu erwärmen und somit die Drehzahl
der zu regeln, wobei der größte Teil
der verbleibenden Energie in Wechselstrom durch den Umsetzer 110 umgewandelt
und der Last 128 zugeführt
wird.
-
Der
Niederdruckdampf, der aus dem Entspannungslaufrad 404 ausströmt, ist
relativ kühl.
Er strömt
vom Entspannungslaufrad 404 zwecks zusätzlicher Kühlung zum Dampfkondensator 430.
Der Kondensator 430, der auch ein Kälteflüssigkeitsreservoir (nicht dargestellt)
aufweist, wird vom Radiator 432 über den geschlossenen Rohrleitungskreis
und die Pumpe 434 kühl
gehalten. Der kondensierte Dampf, der nunmehr Wasser sein kann,
wird in die Wärmetankanordnung 102 zurückgeführt, wie
oben beschrieben, um den Energieumwandlungsprozeß fortzusetzen, bis der Strom
vom Versorger 120 wiederhergestellt ist. Wie mit Bezug
auf 1 beschrieben, bleibt der Schalter 124 offen,
während
die USV 400 der Last 128 Notstrom zuführt. Wenn Primärstrom wiederhergestellt
ist, wird der Schalter 124 geschlossen.
-
5 zeigt
eine zusätzliche
Konfiguration einer auf thermischer Energiespeicherung beruhenden USV 500,
die Komponenten der USV 100, USV 300 und USV 400 nutzt.
Der Hauptunterschied zwischen der USV 500 und den oben
beschriebenen Systemen besteht darin, daß die USV 500 den
einzelnen Umsetzer der USV 100, den gasbetriebenen Brennerheizer
der USV 300 und den Entspannungslaufrad/Kondensator/Radiator
der USV 400 nutzt. Der Fachmann wird anerkennen, daß, wie in 5 dargestellt,
verschiedene unterschiedliche Konfigurationen, die die Prinzipen
der Erfindung, einschließlich
die hier beschriebenen, sowie andere nutzen, möglich sind. Beispielsweise
könnte
die USV 500 statt dessen als ein System mit zwei Umsetzern
statt mit dem gezeigten einen Umsetzer konfiguriert sein.
-
6A zeigt
ein Beispiel einer auf thermischer Energiespeicherung beruhenden
USV 600, die dafür
konfiguriert ist, Reserveenergie für einen begrenzten Zeitraum,
z.B. nur etwa 20 min, bereitzustellen. Unter diesen Umständen kann
es wirt schaftlicher und weniger komplex sein, die Kondensator/Radiator-Einheiten
durch eine einfache Kältetankanordnung 630 zu
ersetzen (die, wie oben für
die Wärmetankanordnung
beschrieben, ein thermischer Energiespeichertank sein kann – außer daß in diesem
Fall eine kühle
Flüssigkeit
gespeichert wird – kombiniert
mit einem integrierten Wärmetauscher).
-
Eine
Wärmekraftmaschine 604,
vorzugsweise ein Stirling-Motor,
wird dann mit einem zweiten Einlaß und Auslaß versehen, der die Niedrigtemperaturflüssigkeit
zuführt,
um die Kältetankanordnung 630 über eine
Pumpe 632 zu kühlen.
Die Durchflußrate
wird durch ein Ventil 634 gesteuert, so daß das nunmehr
gekühlte
Wasser zur Wärmekraftmaschine 604 zurückgeführt wird.
Die Kältetankanordnung 630 kann
ein einfacher Tank mit thermisch leitenden Rohrschlangen (z.B. Kupferrohren)
sein, die eine große
Fläche
für den
Wärmeaustausch
bieten. Als Alternative kann, wie anhand der USV 700 in 7 gezeigt,
der geschlossene Kreis, der Dampf/Wasser enthält, ein einziger Weg sein,
der von der Wärmetankanordnung 102 über ein
Ventil 116 zur Wärmekraftmaschine 704 und
weiter zur Kältetankanordnung 630 führt, wo
er über
eine Pumpe 114 direkt zur Wärmetankanordnung 102 zurückführt.
-
6B zeigt
eine weitere geringfügige
Abwandlung der bereits beschriebenen USV-Ausführungen. Der Fachmann wird
anerkennen, daß die
mit Bezug auf 6B beschriebenen Prinzipien
gleichermaßen
auf viele der oben beschriebenen Figuren angewendet werden können. 6B zeigt
die USV 640, die im wesentlichen der USV 600 in 6A gleicht.
Es gibt zwei Hauptunterschiede zwischen der USV 600 und
der USV 640. Der erste Unterschied besteht darin, daß die USV 640 eine
Wärmekraftmaschine 644 anstelle
der Wärmekraftmaschine 604 nutzt.
Die Wärmekraftmaschine 644 ist eine
thermionische oder thermoelektrische Wärmekraftmaschine, die, wie
oben beschrieben, Gleichstrom direkt aus der thermischen Energie
erzeugt. Demzufolge sind der Generator 106 und der WS-GS-Umsetzer 108 nicht
mehr erforderlich.
-
Außerdem besteht
eine direkte Verbindung vom Netzstrom 120 zum Heizerwiderstand 118,
so daß auf
den GS-GS-Umsetzer 112 verzichtet werden kann. Anstelle
des Umsetzers 112 wird jedoch ein Schalter 642 verwendet,
um die Strommenge zu begrenzen, die durch den Widerstand 118 fließt. Der Schalter 642 kann
beispielsweise ein antiparallel geschalteter Thyristor anstatt des
teuren, transistorbestückten
Umsetzers 112 sein.
-
Eine
weitere Abwandlung der USV 600 ist in 6C als
USV 650 dargestellt. Der Fachmann wird anerkennen, daß die mit
Bezug auf 6C beschriebenen Prinzipien
auch ebenso auf viele der oben beschriebenen Figuren angewendet
werden können. Die
USV 650 gleicht im wesentlichen der USV 600, außer daß die Wärmetankanordnung 102 durch
eine Wärmetankanordnung 602 ersetzt
ist. Die Wärmetankanordnung 602 gleicht
der Wärmetankanordnung 102 insofern,
als sie ein Gefäß aufweist,
das ein Fluid enthält,
das erwärmt
wird, um thermische Energie zu speichern. Außerdem weisen die Wärmetankanordnungen 102 und 602 einen
integrierten Wärmetauscher
auf, der gespeicherte thermische Energie in Wärmeenergie 604 umwandelt.
Die Wärmetankanordnung 602 weist
jedoch ein exothermes System 652 auf, das es ermöglicht,
daß die
USV 650 für
einen verlängerten
Zeitraum läuft.
Die exotherme Reaktion des Systems 652 kann entweder reversibel oder
irreversibel sein. Das exotherme System 652 hat die Fähigkeit,
Langzeit-Notstrom ohne Ventilationsanforderungen des auf Brennstoff
beruhenden Heizsystems zu liefern.
-
Ein
exothermes System 652 weist beispielsweise einen thermisch
leitenden Tank (z.B. Aluminium) auf, der in das Primärgefäß innerhalb
der Wärmetankanordnung 602 eingefügt sein
kann. Wenn sich ein Primärstromausfall über einen
bestimmten Zeitraum erstreckt, z.B. 5 min (und ein getrenntes optionales
dieselbetriebenes Aggregat nicht verwendet wird oder nicht ans Netz
kann), wird ein Steuersignal an das exotherme System 652 übergeben,
das bewirkt, daß mindestens
zwei Substanzen miteinander in Kontakt kommen, was zu einer kontrollierten
exothermen Reaktion führt.
Die Wärme
aus dieser Reaktion erwärmt
den thermisch leitenden Tank, der das Fluid im Gefäß in der
Wärmetankanordnung 602 erwärmt. Die
vom exothermen System 652 erzeugte Wärme reicht aus, bis die Chemikalien
verbraucht sind, wobei dann der Einsatz, der die Chemikalien enthält, ausgetauscht
werden könnte.
Demzufolge könnte
ein System Notstrom für
mehrere Tage liefern.
-
Wie
bereits erwähnt,
gibt es eine große
Anzahl verschiedener verfügbarer
Konfigurationen, die die erfindungsgemäßen Prinzipien nutzen, um Notstrom
aus einem thermischen Energiespeichersystem zu liefern. Die spezifischen
Konfigurationen unterscheiden sich anhand der Anforderungen der
Endanwender, einschließlich
der erwartete Zeitdauer als Reservequelle und der Stromanforderungen.
-
8 zeigt
eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer Darstellung
der USV 800, die beispielsweise eine Implementation der
USV 400 sein könnte.
Die USV 800 weist einen Elektronikschrank 860,
eine Wärmetankanordnung 802,
ein Entspannungslaufrad 804, einen Generator 806, Pumpen 814 und
eine Sekundärwärmetankanordnung 840 auf.
Der Dreiphasenausgang 807 des Generators 806 ist
mit Stromschienen 809 gekoppelt, die den Generator-Wechselstrom
zum Elektronikschrank 860 führen. Zwei zusätzliche
Verbindungen 803, die darstellungsgemäß zwischen dem Elektronikschrank 860 und
der Wärmetankanordnung 802 verlaufen,
liefern Strom, um den Widerstand (nicht dargestellt), der in das Öl der Wärmetankanordnung 802 getaucht
ist, zu erwärmen.
-
Im
Elektronikschrank 860 ist der größte Teil der Elektronik angeordnet,
einschließlich
beispielsweise der Steuersysteme (nicht dargestellt) und der Umsetzer 108, 110 und 112.
Ein Kondensator 850, der dem in 4 und 5 gezeigten
Kondensator gleicht, ist mit einem Entspannungslaufrad 804 gekoppelt,
um den relativ kühlen
Dampf aufzunehmen. Über
den Kondensator 850 kann ein Radiator sein, wie bereits
beschrieben (eine solche Konfiguration ist in 9 dargestellt).
Eine Sekundärwärmetankanordnung 840 kann
benutzt werden, um zusätzliche Laufzeit
für das
System bereitzustellen, ohne daß eine
Brennstoffleitung nötig
wäre.
-
9 zeigt
eine dreidimensionale perspektivische Ansicht einer Darstellung
der USV 900, die beispielsweise eine Implementation der
USV 500 sein könnte
(z.B. ein gasbetriebenes Brennersystem). Die USV 900 weist
auf: eine kleine Wärmetankanordnung 902,
ein Entspannungslaufrad 804, einen Generator 806 (der
mit Stromschienen 809 gekoppelt ist, um die erzeugte Energie
zur Elektronik zu führen),
Brenner 930, einen Radiator 932, einen Kondensator 850 und
einen Elektronikschrank 960. In diesem Fall kann der Wärmetank
kleiner sein als der, der in 8 gezeigt
ist, da die Laufzeit des Systems durch eine externe Brennstoffzuführung, die
Brenner 930 speist, erweitert ist. Dadurch bleibt in einem
solchen System das Öl
in der Wärmetankanordnung 902 relativ
warm, auch nachdem die USV 900 eingeschaltet worden ist
und Notstrom an die Last liefert.
-
10 zeigt
einen dreidimensionalen Teilschnitt eines Entspannungslaufrad/Generatorsystems 970,
das nach den Prinzipien der oben beschriebenen Erfindung verwendet
werden kann. Der Entspanner/Generator 970 weist einen Turbinenteil 972 und
einen Generatorteil 974 auf. Dampf oder irgendeine andere
Art von unter Druck stehendem Gas, das durch einen Wärmetauscher
erwärmt
worden ist, wird über
einen Einlaß 976 in
einen Turbinenteil 972 eingeleitet. Der Dampf bewirkt,
daß sich
die Turbine dreht, die einen Generatorteil 974 antreibt. Der
entspannte Niederdruckdampf tritt zur weiteren Behandlung (z.B.
durch einen Kondensator und/oder Kühlflüssigtank) über einen Auslaß 978 aus
dem Turbinenteil aus. Der Generatorteil 974 weist Spulen 980 auf,
durch die die elektrische Leistung induziert wird.
-
Der
Entspanner/Generator 970 hat dadurch weitere Vorteile,
daß er
aktive Magnetlager 982 aufweist, die es ermöglichen,
daß sich
der Entspannerteil 972 und der Generatorteil 974 kontinuierlich
mit hohen Drehzahlen (z.B. etwa 20 000 Umdrehungen/min bis etwa
50 000 Drehungen/min.) drehen können,
ohne daß die
Lager verschleißen.
Das Trägheitsdrehmoment
des Entspanners/Generators kann, was wichtig ist, in elektrische
Energie umgewandelt werden, um eine kritische Last mit Strom zu versorgen,
während
die USV ans Netz geht. Diese Zeit kann beispielsweise immerhin 200
ms dauern, bevor sich die Ventile geöffnet haben. Wenn sich jedoch
der Entspanner/Generator nicht kontinuierlich drehen würde, würde die
USV mehrere Sekunden brauchen, um ans Netz zu gehen – was normalerweise
nicht akzeptabel ist.
-
11 zeigt
einen dreidimensionalen Teilschnitt eines Dampfkondensators 990,
der nach den Prinzipien der oben be schriebenen Erfindung verwendet
werden kann. Der Kondensator 990 weist thermisch leitende
Röhren 992 auf,
die ein Kühlfluid enthalten.
Das Kühlfluid
wird zyklisch vom Kondensator 990 zu einem Radiatorsystem
(nicht dargestellt) und wieder zurück gepumpt. Der relativ kühle Dampf
tritt über
einen Einlaß 994 in
den Kondensator ein, wo er dadurch weitergekühlt wird, daß er mit
den Röhren 992 in
Kontakt kommt. Der gekühlte Dampf/das
gekühlte
Wasser tritt über
den Auslaß 996 für eine schließliche Rückkehr zur
Wärmetankanordnung
aus.
-
Der
Reservoirabschnitt des Kondensators 990 (d.h. der Abschnitt,
der die Röhren 992 umgibt) kann
während
der Reservebedingungen eine relativ große Menge von Kühlflüssigkeit
enthalten (d.h. wenn der Primärstrom
verfügbar
ist). Das Kühlflüssigkeitsreservoir
kann eine erhebliche Wärmemenge aus
dem Dampf absorbieren, was die Anforderungen für eine zusätzliche Kühlung reduzieren kann. Je nach
Anwendungsfall kann bei Nutzung des Reservoirs ein wesentlich kleinerer
Radiator verwendet werden, der das Reservoir in seinen "Kaltzustand" zurückversetzen
würde,
nachdem die Netzenergie, beispielsweise nach einigen Stunden, zurückgekehrt ist.
-
12 und 13 zeigen
dreidimensionale Teilschnittansichten der auf thermische Energiespeicherung
beruhenden USV 1000, die eine Kältetankanordnung 1030 anstelle
einer Kondensator/Radiatoranordnung aufweist. Die USV 1000 weist
auf: eine rechteckige Wärmetankanordnung 1002,
ein Entspannungslaufrad 1004, einen Generator 1006, Stromschienen 1003 und 1009,
eine Kältetankanordnung 1030,
Lüfter 1032 (ein
Radiatorkern ist für
den Betrieb der USV 1000 nicht erforderlich, aber kann dennoch
vorhanden sein) und einen Elektronikschrank 1060. Die Wärmetankanordnung 1002 und die
Kältetankanordnung 1030 sind
vorzugsweise Anordnungen, die einen kombinierten thermischen Energiespeichertank
mit einem integrierten Wärmetauscher
aufweisen, der thermische Energie an die USV liefert oder ihr entzieht.
-
Die
USV 1000 arbeitet zwar im wesentlichen auf die gleiche
Weise, wie oben beschrieben, dennoch hat die USV 1000 die
folgenden Vorteile. Wie in 12 und 13 gezeigt,
ist ein Kühlkörper 1034 an
der Seite der Kältetankanordnung 1030 ange ordnet.
Außerdem
ist ein Elektronikschrank 1060 auch in thermischem Kontakt
mit dem Kühlkörper 1034 sowie
in Kontakt mit der Kältetankanordnung 1030.
-
Die
Kältetankanordnung 1030 weist
zahlreiche thermisch leitende Röhren 1092 auf,
die mit dem Dampf versorgt werden, der aus dem Entspannungslaufrad 1004 austritt,
das zyklisch durch die Röhren 1092 über den
Einlaß 1094 und
den Auslaß 1096 strömt. Diese
Konfiguration ermöglicht
eine erhebliche Erhöhung
der Kühlkapazität, und es
ist kein gesonderter Radiator mit Radiatorwasserpumpe mehr erforderlich.
Außerdem
ermöglicht
die rechteckige Ausrichtung jedes der Schränke, daß die Kältetankanordnung 1030 als
Kühlkörper für den Elektronikschrank 1060 wirkt.
-
Man
wird verstehen, daß die
vorstehende Beschreibung nur darstellenden Charakter in Bezug auf
die Prinzipien der Erfindung hat und daß verschiedene Modifikationen
für den
Fachmann möglich sind,
ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.