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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit
für den Haushalt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Versorgung privater Haushalte mit Strom kann nicht immer garantiert
werden und kann aufgrund einer Vielzahl von äußeren Umständen ausfallen. Wärmeerzeuger
für Haushalte
benötigen
im Allgemeinen eine Stromversorgung, um die Steuerelektronik, Zündvorrichtungen
etc. mit Energie zu versorgen, auch wenn es sich bei dem primären Kraftstoff
um Gas handelt. Durch einen Ausfall des Netzstroms fehlt dem Wohnhaus
also seine Hauptenergiequelle für
Wärme,
wie auch für
die Beleuchtung etc. Im Falle eines solchen Ausfalles ergeben sich
für den
Verbraucher im Allgemeinen starke Beeinträchtigungen und Unannehmlichkeiten,
und wenn abgelegene Häuser,
sehr alte oder sehr junge Menschen betroffen sind, kann die Situation
sehr viel ernster werden.
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Einrichtungen
für Reserveenergie
erzeugende Anlagen für
Haushalte bestehen üblicherweise aus
motorbetriebenen Generatoren, die nach Auftreten des Stromausfalles
an den Stromkreis des Hauses angeschlossen werden müssen. Anschließend versorgen
sie den Haushalt mit Strom, bis die Versorgung durch das Stromnetz
wieder hergestellt ist. Der Generator muss dann wieder abgeschaltet,
vom Stromkreis des Hauses getrennt und die Verbindung zum Versorgungsnetz
wieder hergestellt werden. Eine solche Einrichtung stellt zwar Reserveenergie bereit,
hat jedoch Nachteile hinsichtlich der Aufbewahrung des Generators
und/oder der Tatsache, dass er bei Bedarf in Position gebracht werden
muss; weiterhin muss ein alternativer Brennstoffvorrat für den Generator
vorhanden sein, dieser muss regelmäßig gewartet werden, um zuverlässig zu
funktionieren, und es muss ein sicheres Umschalten gewährleistet
sein. Eine solche Anlage kann also bei einer städtischen Wohnstatt nicht eingesetzt
werden, bei der kein Platz wie beispielsweise eine Garage vorhanden
ist, um den Generator unterzubringen.
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Heizungsanlagen
für Haushalte,
die eine interne Stromversorgung umfassen, wurden bereits entwickelt,
wie beispielsweise in Dokument
DE 29706869 ,
in welchem eine Reserve-Speicherbatterie das Heizsystem eine gewisse
Zeit lang mit Strom versorgen kann. Ein lang andauernder Stromausfall würde jedoch
nach wie vor zu einem Verlust der Wärme führen.
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Es
gibt photovoltaische Systeme, die eine Notstromversorgung bereitstellen
können,
doch sind diese abhängig
von den Wetterverhältnissen
und benötigen
Tageslicht, um Strom zu erzeugen.
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Auch
die Windenergie ist von äußeren Bedingungen
abhängig
und eignet sich nicht als zuverlässiger
Notstromlieferant. Brennstoffzellen könnten für eine potenzielle Notstromversorgung
dienen, wie in Dokument
JP 4308432 dargelegt,
in welchem Solarzellen oder Treibstoffzellen für die Bereitstellung von Reserveenergie
verwendet werden, jedoch ausschließlich ein Gleichstromsystem
speisen. Die Reserveenergie ist extern und für jede Einrichtung einsetzbar,
und nicht auf eine Heizungsanlage beschränkt.
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Der
vorliegende Anmelder hat kürzlich
eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt
(domestic combined heat and power unit, dchp-Einheit) umfassend
einen Linear-Freikolben-Stirling-Motor (linear free piston Stirling
engine, LFPSE) angemeldet. Das Dokument "Microgen-Cogeneration for the home" von Dann et al.,
vorgestellt auf der International Gas Research Conference, San Diego,
1998, bietet einen Überblick über die
anerkannten Anforderungen an Kleinst- Cogenerationssysteme sowie eine Einführung in
die Prinzipien, die einer dchp-Einheit mit Stirling-Motor zu Grunde
liegen. Wie in diesem Schriftstück
angedeutet, ist es ein wünschenswertes
Merkmal einer solchen dchp-Einheit, Reserveenergie im Falle eines
Stromausfalles bereitstellen zu können. Das Schriftstück deutet
außerdem
an, ohne jedoch näher
darauf einzugehen, dass eine solche Bereitstellung Verwicklungen
mit sich bringt.
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EP-0
445 510 betrifft ein Energieversorgungssystem für den Haushalt, das an ein
Versorgungsnetz angeschlossen ist und eine dchp-Einheit umfasst,
die eine Reserve-Energieversorgung bereitstellt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit den Schwierigkeiten
bei der Bereitstellung von Reserveenergie mit Hilfe einer dchp-Einheit.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Energieversorgungssystem für den Haushalt zur Bereitstellung
von Wärme
und Strom für
den Bedarf eines Wohnhauses vorgesehen, wobei das System umfasst
eine Anbindung an ein Versorgungsnetz, das zumindest einen Teil
des Strombedarfs eines Haushalts unter normalen Betriebsbedingungen deckt;
eine kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt
mit einer Versorgung mit brennbarem Kraftstoff, die elektrischen
Strom und Wärme
für zumindest
einen Teil des Wärmebedarfs
eines Haushalts erzeugt, wobei die Einheit auch in Abwesenheit eines
Versorgungsnetzes betriebsfähig
ist; Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung
vom Versorgungsnetz; und Vorrichtung zur automatischen Zuschaltung
des Stroms aus der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit bei Fehlen von
Netzstrom, um eine Reservestromversorgung für ausgewählte, Strom verbrauchende Geräte bereitzustellen,
deren Stromverbrauch geringer als der des gesamten Haushaltes ist.
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Die
dchp-Einheit deckt zumindest einen Teil des Wärme- und Strombedarfs unter
normalen Betriebsbedingungen, wenn Netzstrom vorhanden ist, indem
Brennstoff aus der Versorgung mit brennbarem Kraftstoff verbraucht
wird. Wenn die Versorgung durch das Stromnetz unterbrochen ist,
werden ebendiese Einheit und die Versorgung an brennbarem Kraftstoff
genutzt, um Strom für
Strom verbrauchende Geräte
zu erzeugen. Die dchp-Einheit weist eine Maximalleistung auf, die üblicherweise
nicht ausreicht, um den gesamten Energiebedarf eines Haushalts im
letzterwähnten
Falle zu decken. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der erzeugte Strom daher in erster Linie für die Betriebssysteme
der dchp-Einheit verwendet, um weiterhin Wärmeleistung zu hervorzubringen.
Es ist jedoch beabsichtigt, dass der von der dchp-Einheit während eines Stromausfalls
erzeugte Strom auch dafür
ausreicht, dass andere, ausgewählte,
elektrisch betriebene Geräte,
wie beispielsweise ein Teil der Beleuchtung und essentielle elektrische
Anwendungen bis zu einem gewissen Grad vom Verbraucher genutzt werden können. Um
jedoch zu verhindern, dass übermäßig viel
Strom von der dchp-Einheit gezogen wird (beispielsweise während eines
Stromausfalls), was zu einem Blockieren des Stirling-Motors führen würde, sieht
die vorliegende Erfindung vor, dass ein Teil, jedoch nicht der gesamte
bei Anwesenheit von Netzstrom benötigte Strom bereitgestellt
wird, um Licht oder Steckdosen auch während eines Stromausfalls zu
versorgen. In einer bevorzugten Ausführung können bei Unterbrechung der
Stromversorgung nur bestimmte Haushaltssteckdosen mit Strom versorgt werden.
Alternativ kann die an die Steckdosen gelieferte Spannung auf einen
bestimmten Strombedarf reduziert werden, um somit wiederum die elektrische Leistung
zu einzuschränken,
die von der dchp-Einheit gezogen wird.
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Da
die Reservestromerzeugung nicht von einer Batterie betrieben wird,
kann sie unbegrenzte Zeit fortgesetzt werden, solange der Vorrat
an brennbarem Kraftstoff vorhanden ist.
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Wenn
das System ohne Netzstrom arbeitet, so dass Strom ausschließlich von
der dchp-Einheit geliefert wird, kann durch einen Verbraucher eine Überlast
verursacht werden, welche die dchp-Einheit beschädigen kann. Es ist möglich, einfach
eine Sicherung bereitzustellen, welche die Stromzufuhr an das ausgewählte, Strom
verbrauchende Gerät
unterbricht, falls eine Überlast
verursacht wird.
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Vorzugsweise
umfasst das System jedoch weiterhin eine Vorrichtung, um die angeforderte Stromlast
des ausgewählten,
Strom verbrauchenden Geräts
zu ermitteln, sowie eine Vorrichtung, um die an das ausgewählte Gerät gelieferte
Spitzenspannung zu reduzieren, wenn der angeforderte Strom einen
Schwellenwert überschreitet.
Bei diesem Ansatz wird der Verbraucher auf die Tatsache aufmerksam gemacht,
dass er versucht, übermäßig viel
Strom zu ziehen, indem sich die Leistung seiner Elektrogeräte auffällig verschlechtert
(beispielsweise kann die Beleuchtung schwächer werden). Er kann dann
Maßnahmen
ergreifen, um seinen Stromverbrauch zu reduzieren. Für den Fall
dass keine solchen Maßnahmen
ergriffen werden, umfasst das System vorzugsweise außerdem eine
Vorrichtung, um die Stromzufuhr an das ausgewählte, Strom verbrauchende Gerät zu unterbrechen,
falls der angeforderte Strom über
eine vorherbestimmte Zeitdauer hinweg einen Schwellenwert überschreitet.
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In
erster Linie wird beabsichtigt, die dchp-Einheit mit Hilfe der Gasversorgung
für Haushalte
zu betreiben, da dies die am weitesten verbreitete Quelle an brennbarem
Kraftstoff ist. Es können jedoch
auch andere brennbare Gase wie beispielsweise verflüssigtes
Erdölgas,
verflüssigtes
Erdgas, Biogas oder ein anderer flüssiger Brennstoff verwendet
werden. In abgelegenen Häusern,
die einen begrenzten Vorrat an flüssigem Brennstoff besitzen,
der regelmäßig wieder
aufgefüllt
wird, ist die Kapazität
für die
Notstromerzeugung zugegebenermaßen
eingeschränkt.
Dennoch übersteigt
diese Kapazität immer noch
bei Weitem die Möglichkeiten
jeder handelsüblichen
Batterie. Und auch unter solchen Umständen ist die vorliegende Erfindung
gegenüber
einem separaten Generator zu bevorzugen, da die Kosten eines solchen
Generators und die Schwierigkeit, den Generator manuell starten
zu müssen,
auf diese Weise vermieden werden.
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Allgemein
wird die Verwendung eines Stirling-Motors als kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit
für den
Haushalt bevorzugt. Bei dem Stirling-Motor handelt es sich vorzugsweise
um einen Linear-Freikolben-Stirling-Motor.
Dieser bietet verschiedene Vorteile. So handelt es sich dabei zum
Beispiel um eine gekapselte Baugruppe, die wenig Wartung erfordert
und synchron arbeitet, um eine stabile Ausgangsleistung bereitzustellen.
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Die
ausgewählten,
Strom verbrauchenden Geräte
können
in Form von Komponenten vorgesehen sein, die von den Hauptstromkreisen
in dem Haus komplett getrennt sind (z.B. ein Notbeleuchtungsstromkreis).
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Allerdings
bedingt dies die Verdoppelung von Leitungsnetz und Geräten. Alternativ
können
die ausgewählten,
Strom verbrauchenden Geräte
diejenigen sein, die sich an einem Ringnetz in einem Haus befinden,
das eine Reihe solcher Ringnetze aufweist. Vorzugsweise ist das
System jedoch mit einer Vorrichtung ausgestattet, mit Hilfe derer
verschiedene, Strom verbrauchende Geräte bei Abwesenheit von Netzstrom
selektiv abgeschaltet werden können.
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Wenn
die Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung
vom Versorgungsnetz zudem in der Lage ist, zu erkennen, ob sich
die Hauptspannung oder die Frequenz des Netzstroms außerhalb
akzeptabler Werte befinden, ist eine weitere Betriebsweise möglich. So
kann das System bestimmte Geräte
vom Netzstrom trennen, wenn dieser keine geeignete Qualität aufweist,
und dieses Gerät
stattdessen mit Strom aus der dchp-Einheit versorgen.
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Auf
diese Weise können
sensible Geräte
geschützt
werden, während
weniger sensible Geräte weiterhin
mit Netzstrom versorgt werden.
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Bei
normalen Betriebsbedingungen kann die dchp-Einheit die Fähigkeit
aufweisen, in Zeiten mit großem
Wärmebedarf
und niedrigem Strombedarf überschüssigen Strom
in das Versorgungsnetz zu exportieren. Wenn sie vom Versorgungsnetz
getrennt ist, ist dies nicht mehr möglich. Das System ist daher vorzugsweise
mit einer Stromsenke ausgestattet, um überschüssigen Strom zu verbrauchen.
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Diese
Stromsenke ist vorzugsweise in Form eines luft- oder wassergekühlten Widerstandes
vorgesehen. Somit wird der Überschussstrom
in Wärme umgewandelt,
die nutzbringend eingesetzt werden kann, da es sich ja eben um Betriebsbedingungen
mit großem
Wärmebedarf
handelt.
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Umgekehrt
würde die
Anlage bei großem Strombedarf
und geringem Wärmebedarf
unter normalen Betriebsbedingungen diesen Strombedarf einfach mit
Netzstrom decken, während
die dchp-Einheit betrieben würde,
um dem Wärmebedarf
zu entsprechen. In Versorgungsnetz-unabhängigem Zustand ist dies nicht
möglich.
Infolgedessen ist vorzugsweise eine Wärmesenke vorgesehen. Dabei handelt
es sich vorzugsweise um ein zusätzliches Gebläse, welches
in der Lage ist, Wärmeleistung
von der dchp-Einheit abzuleiten.
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Die
Betriebsweise der dchp-Einheit ist dergestalt, dass ein Teil der
Betriebszeit für
das Abschalten des Motors/Generators vorgesehen ist.
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Wenn
der Netzstrom unter diesen Bedingungen ausfällt, ist es von Vorteil, die
dchp-Einheit trotzdem starten zu können, damit Wärme und
Notstrom geliefert werden können.
Daher weist die kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit
für den
Haushalt vorzugsweise einen Stirling-Motor auf, umfassend einen Brenner
zum Einspeisen von Wärmeenergie
in den Motorkopf, um ein hin- und herbewegbares Element anzutreiben,
wobei das hin- und herbewegbare Element mit Hilfe eines Wechselstromgenerators
elektrische Energie erzeugt; und ein Anlaufsystem umfassend eine
Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Anlaufens der Anlage, eine
Zündvorrichtung
zum Zünden
des Brenners, einen Impulsgenerator, der einen elektrischen Impuls
an den Generator liefert, um das hin- und herbewegbare Element in
Bewegung zu setzen, sobald die Steuerungsvorrichtung feststellt, dass
der Motorkopf eine Schwellwert-Temperatur erreicht hat, und eine
lokal begrenzte Versorgungsquelle mit elektrischer Energie, zum
Antreiben von Steuerungsvorrichtung, Zündvorrichtung und Impulsgenerator
während
des Anlaufvorgangs.
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Diese
Einheit stellt einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
dar, welcher in Verbindung mit dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung oder unabhängig
von diesem verwendet werden kann.
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Insbesondere
weist die kombinierte Wärme-und-Strom-Einheit
für den
Haushalt gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Stirling-Motor
auf, umfassend einen Brenner zum Einspeisen von Wärmeenergie
in den Motorkopf, um ein hin- und herbewegbares Element anzutreiben,
wobei das hin- und herbewegbare Element mit Hilfe eines Wechselstromgenerators
elektrische Energie erzeugt; und ein Anlaufsystem umfassend eine
Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Anlaufens der Anlage, eine
Zündvorrichtung
zum Zünden des
Brenners, einen Impulsgenerator, der einen elektrischen Impuls an
den Generator liefert, um das hin- und herbewegbare Element in Bewegung
zu setzen, sobald die Steuerungsvorrichtung feststellt, dass der Motorkopf
eine Schwellwert-Temperatur erreicht hat, und eine lokal begrenzte
Versorgungsquelle mit elektrischer Energie, zum Antreiben von Steuerungsvorrichtung,
Zündvorrichtung
und Impulsgenerator während
des Anlaufvorgangs.
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Bei
der lokal begrenzten Versorgungsquelle handelt es sich vorzugsweise
um eine Gleichstromquelle wie beispielsweise eine Batterie, es können jedoch
zum Beispiel auch ein oder mehrere Kondensatoren vorgesehen sein.
Diese Stromquelle wird nur benötigt,
um Steuerungsvorrichtung, Zündvorrichtung
und Impulsgenerator anzutreiben. Sie unterscheidet sich damit grundlegend
von allen bestehenden Anwendungen, bei denen die Batterie den gesamten
Reservestrom liefern muss. Mit dem Wiederaufladen der Batterie kann
sofort begonnen werden, wenn der Stirling-Motor läuft.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Energieversorgungssystem
für den
Haushalt zur Bereitstellung von Wärme und Strom für den Bedarf
eines Wohnhauses vorgesehen, wobei das System umfasst eine Anbindung an
ein Versorgungsnetz, das zumindest einen Teil des Strombedarfs eines
Haushalts unter normalen Betriebsbedingungen deckt; eine kombinierte
Wärme-und-Strom-Einheit für den Haushalt
mit einer Versorgung mit brennbarem Kraftstoff, die elektrischen Strom
mit einer normalen Betriebsspannung, die im Wesentlichen der des
Netzstroms entspricht sowie Wärme
für zumindest
einen Teil des Wärmebedarfs eines
Haushalts erzeugt, wobei die Einheit auch in Abwesenheit eines Versorgungsnetzes
betriebsfähig ist;
eine Vorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung der Stromversorgung
vom Versorgungsnetz; einen Schalter zur Zuschaltung des Stroms aus
der kombinierten Wärme-und-Strom-Einheit
bei Fehlen von Netzstrom, um zumindest einen Teil des Strombedarfs
bereitzustellen, wenn die Abwesenheit des Netzstroms von der Vorrichtung
zur Erkennung erkannt wurde; und einen Anlagenleistungsbegrenzer, der
so eingerichtet ist, dass er in der Zeitspanne, wenn der Strombedarf
des Haushalts von der Anlage gedeckt wird, die momentane Spitzenspannung
der Leistung der Anlage auf einen Wert reguliert, der geringer ist
als die normale Betriebsspannung, sobald der von dem Haushaltsstrombedarf
gezogene Strom den Maximalwert an Strom überschreitet, der von der Einheit
bei normaler Betriebsspannung bereitgestellt werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden werden Beispiele für
ein System und eine Einheit gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in welchen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Stirling-Motor-Systems ist, welche
die verschiedenen Eingänge
und Ausgänge
des Systems zeigt;
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2 ein
Schaltschema eines bestehenden Energieversorgungssystems darstellt;
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3 ein
Schaltschema zeigt, das dem aus 2 ähnlich ist,
jedoch ein System gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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4 eine
schematische Darstellung der Betriebsweise des Versorgungsnetz-unabhängigen Moduls
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Das
dchp-System ist um einen Stirling-Motor herum aufgebaut, wie in 1 dargestellt.
Bei dem Motor handelt es sich vorzugsweise um einen Linear-Freikolben-Stirling-Motor,
dessen Wirkungsweise unter Fachleuten allgemein bekannt ist. Zur
Verwendung in einem dchp-System
sollte der elektrische Ausgang des Motors ein Einphasen-Ausgang mit 16A sein.
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Der
Stirling-Motor 1 wird mit einer Wärmezufuhr aus einem Motor-Brenner 2 angetrieben.
Dieser Brenner wird mit brennbarem Gas 3 betrieben, das mit
Hilfe des Ventils 5 mit Luft 4 gemischt wird.
Das Gas-/Luft-Gemisch wird mit Hilfe eines Gebläses 6 in den Brenner 2 eingespeist.
So wird der Stirling-Motor auf unter Fachleuten allgemein bekannte
Weise angetrieben und erzeugt mit Hilfe eines linearen Wechselstromgenerators
elektrische Energie 7. Dem Stirling-Motor wird Wärme an einem
Kühler 8 entzogen, bei
dem es sich im Wesentlichen um einen Wärmeaustauscher handelt, durch
den mit Hilfe einer Pumpe 9 Wasser entlang einer Leitung 10 gepumpt
wird.
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Das
Wasser, das den Kühler 8 durchläuft, wird
dann in einem Wärmeaustauscher 11 mit
Hilfe von Abgasen aus dem Motor-Brenner weiter erwärmt, der
den Kopf des Stirling-Motors erwärmt
hat. Um das Wasser weiter zu erwärmen
und um das Wasser auch unabhängig
von dem Stirling-Motor erwärmen
zu können,
wenn dieser nicht in Betrieb ist, ist ein zusätzlicher Brenner 12 vorgesehen,
um das Wasser in dem Wärmeaustauscher 11 zu
erwärmen. Der
zusätzliche
Brenner wird mit dem brennbaren Gas 3 betrieben, das mit
Hilfe des Ventils 15 mit Luft 14 gemischt wird.
Das Gas-/Luft-Gemisch wird mit Hilfe eines Gebläses 6 in den zusätzlichen
Brenner 12 eingespeist.
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Das
Gebläse 6 speist
Luft in die Mischventile 5 und 15 mit Hilfe eines
Umleitventils (nicht abgebildet), das den korrekten Luftstrom zu
jedem Mischer sicherstellt.
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In
einem alternativen Entwurf werden getrennte Gebläse verwendet, um Luft in die
zwei Gas-/Luft-Mischventile
5,
15 zu leiten. So
wird zwar das Umleitventil überflüssig, wie
in unserer Parallelanmeldung
GB0130380.9 beschrieben,
es entstehen jedoch wesentliche Nachteile hinsichtlich Gewicht,
Kosten und Effizienz gegenüber
dem Entwurf mit nur einem Gebläse.
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Abgase
aus dem Motor-Brenner 2 und dem zusätzlichen Brenner 12,
die ihre Wärme
in dem Wärmeaustauscher 11 abgegeben
haben, treten dann über
den Rauchgaskanal 17 aus. Auf diese Weise erzeugt der Stirling-Motor 1 elektrische
Energie 7 und Wärmeenergie 18,
die beispielsweise genutzt werden kann, um den Warmwasserbedarf
des Haushalts zu decken oder eine Zentralheizungsanlage zu speisen,
oder beides in einer kombinierten Vorrichtung ("Kombiboiler").
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Das
beantragte dchp-System ist so ausgebildet, dass es bis zu 1 kW Strom
(netto) liefern kann, der direkt in das hauseigene Netz eingespeist
und dort mit dem Strom aus dem Versorgungsnetz vereint wird. 2 zeigt
die einfachste Schaltungsanordnung für einen hauseigenen Schaltkreis,
der eine dchp-Einheit umfasst, die parallel zum Versorgungsnetz
geschaltet ist.
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In
der in 2 dargestellten Anordnung gelangt der Strom aus
dem Versorgungsnetz 20 über eine
Netzsicherung 21 in das Haus, fließt durch den hauseigenen Stromzähler 22 und
anschließend durch
eine Standardverbrauchereinheit 23, die Komponenten wie
beispielsweise Isolatoren, Unterbrecher und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen
umfasst. Von hier wird der Strom zu den hauseigenen Verbrauchern 24 geleitet.
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Eine
dchp-Einheit 25 umfasst im Wesentlichen die Stirling-Anordnung
aus 1 sowie eine Steuertafel 26 und eine
Netzschnittstelle 27. Der Wechselstromgenerator 28 ist
der unter Bezug auf den Stirling-Motor 1 beschriebene Wechselstromgenerator
und erzeugt die elektrische Energie 7, wogegen die Wärmesektion 29 den
Brennern 2, 12 sowie dem Wärmeaustauscher 11 entspricht
und Wärmeenergie
in Form von heißem
Wasser 18 erzeugt. Wie in 2 dargestellt,
wird die elektrische Energie aus dem Wechselstromgenerator 28 über Leitung 30 zu der
Netzschnittstelle 27 und über Leitung 31 an
die Wärmesektion 29 geleitet,
um diese Komponenten mit dem nötigen
Strom zu versorgen. In dieser Anordnung erzeugt die dchp-Einheit
nur dann Energie, wenn Netzstrom vorhanden ist und ist daher kein
Versorgungsnetz-unabhängiges
System.
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Die
Netzschnittstelle 27 ist detailliert in Dokument WO-A-01/69078
beschrieben. Sie befindet sich innerhalb der dchp-Einheit und ermöglicht es,
dass die Einheit mit dem Versorgungsnetz verbunden und von diesem
getrennt werden kann, bei einem normalen, "sanften" Anlassen oder Abschalten des Stirling-Motors
(d.h. wenn Netzstrom vorhanden ist).
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Die
Steuertafel sendet über
die Leitung 32 die entsprechenden Signale, um je nach Bedarf
die Schnittstellenrelais zu aktivieren, zusätzlich zu ihrer Funktion, den
Betrieb der gesamten Einheit zu steuern (Zuleitung von Kraftstoff
an die Brenner, etc.). Anstelle der Relais kann auch alternative
Netzschnittstellentechnologie eingesetzt werden, wie beispielsweise
ein elektronischer Sparstelltransformator oder ein Einankerumformer.
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Die
Netzschutzsteuerung 26 ist gemäß Dokument WO-A-02/061911 ausgeführt und überwacht die
Netzstromversorgung 20. Sie ist im Inneren der dchp-Einheit
dargestellt, kann sich aber genauso außerhalb befinden sowie in die
Verbrauchereinheit oder den Zähler
integriert sein, je nach den Gegebenheiten vor Ort. Wenn die Stromversorgung
aus dem Netz vorher festgelegte Spannungs- und Frequenzgrenzen über- oder
unterschreitet, sendet die Netzschutzsteuerung 26 ein Signal
an die Steuertafel 33, welche die Einheit an der Netzschnittstelle
vom Versorgungsnetz trennt. Diese Trennung ist notwendig, um den
Generator und das Netzwerk selbst zu schützen und genügt den gesetzlichen
Vorschriften bezüglich
dezentraler Energieerzeugungssysteme. Die gegenwärtigen, voreingestellten Grenzwerte,
bei welchen eine Trennung auftritt, betragen bei der Spannung: –10%, +
10%, und bei der Frequenz: –6%,
+1% des normalen Betriebspegels.
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Das
dchp-System wird über
die Verbrauchereinheit 23 an die hauseigenen Verbraucher 24 angeschlossen
und eine zusätzliche
Sicherung sowie ein handbetätigter
Trennschalter 34 sind in dem Schaltkreis vorgesehen, um
ein sicheres Installieren und Entfernen der Einheit zu ermöglichen.
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Das
oben beschriebene System wurde gemäß der vorliegenden Erfindung
angepasst, um die Erzeugung von Wärme und Strom in Abwesenheit von
Netzstrom zu ermöglichen.
Um dies zu erreichen, sind verschiedene Anpassungen des Systems notwendig,
wie unten unter Bezug auf 3 beschrieben.
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In
der in 3 dargestellten Anordnung setzt die Netzschutzsteuerung 26 den
Betrieb fort, auch wenn die Netzstromversorgung unterbrochen ist,
um die Netzstromversorgung zu überwachen
und einen Wiederanschluss vorzunehmen, sobald sich der Netzstrom
wieder innerhalb der voreingestellten Grenzwerte befindet.
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Zusätzlich dazu
ist, wie in 3 dargestellt, ein Versorgungsnetz-unabhängiges Modul 35 als Motor-Starteinrichtung
vorgesehen, um ein Wiederanlassen der dchp-Einheit 25 bei
Abwesenheit von Netzstrom zu ermöglichen.
Dieses Modul 35 wird unten detaillierter beschrieben.
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Im
Falle eines Ausfalls der Netzversorgung wird der Strom von dem Wechselstromgenerator 28 über die
Netzschnittstelle 27, das Versorgungsnetz-unabhängige Modul 35 und über die
Leitung 36 an einen Versorgungsnetz-unabhängigen Einspeisungspunkt 37 oder
Steckdosen 38 geliefert.
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In
der Anordnung aus 3 ist der Versorgungsnetz-unabhängige Einspeisungspunkt 37 an einen
Sekundärstromkreis
angeschlossen, der Geräte
aufweist, die normalerweise nicht an den Hauptstromkreis des Hauses
angeschlossen sind. Dies bedingt, dass einige Geräte verdoppelt
werden müssen (Notbeleuchtung
etc.), da es sich bei dem Ersatzstromkreis um einen separaten Stromkreis
handelt, der unter normalen Bedingungen, also bei Anwesenheit von
Netzstrom, ausgeschaltet ist.
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Dafür ist bei
dieser Anordnung ein Notstromkreis vorhanden, der dem Verbraucher
ein gewisses Maß an
Nutzbarkeit bietet. Der Notstromkreis kann Strom bis zur vollen
Auslastung des Generators bereitstellen, abzüglich des parasitären Stroms,
der von den Betriebseinrichtungen der Einheit (Pumpen, Steuerelektronik,
etc.) gezogen wird und der üblicherweise
rund 10–20%
des erzeugten Stroms beträgt,
und die installierten Notstromgeräte dürfen dieses Niveau nicht überschreiten.
Um dies sicherzustellen ist eine Sicherung in dem Notstromkreis
vorgesehen, welche Sicherheit gewährleistet und das System schützt.
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In
der alternativen Anordnung können
Versorgungsnetz-unabhängige
Steckdosen 38 installiert sein (bei denen es sich eigentlich
um eine Teilmenge der hauseigenen Verbraucher 24 handelt,
die in 3 jedoch zum besseren Verständnis separat dargestellt sind).
Diese Steckdosen werden normalerweise mit Netzstrom betrieben, wenn
vorhanden, und erhalten den Strom aus der dchp-Einheit 25,
wenn die Netzstromversorgung ausfällt.
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In
dieser Anordnung wird die Versorgungsnetz-unabhängige Steuerung von dem Versorgungsnetz-unabhängigen Modul 35 übernommen,
das in der Steuertafel 33 der dchp-Einheit integriert sein kann.
Eine Reihe von Standardsteckdosen kann dann genutzt werden, um Strom
an vom Verbraucher ausgewählte
Geräte
zu liefern. Die Verdoppelung von Geräten wird so vermieden, da diese
Steckdosen ständig
Strom führen,
egal ob Netzstrom vorhanden ist oder nicht.
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Im
Folgenden wird das Versorgungsnetz-unabhängige Modul unter Bezug auf 4 beschrieben.
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Durch
das Versorgungsnetz-unabhängige Modul 35 wird
die dchp-Einheit
in die Lage versetzt, ohne externe Stromversorgung durch das Versorgungsnetz
zu funktionieren. Eine Batterie, ein Ladegerät oder eine ähnliche
Stromquelle 41 stellt eine begrenzte Menge Strom bereit,
um ein Wiederanlassen unter Versorgungsnetz-unabhängigen Betriebsbedingungen
zu ermöglichen
(siehe unten). Von dieser Stromquelle aus wird der Strom an die
Steuerelektronik, eine Zündvorrichtung
und einen Flammenwächter 42 gleitet,
um den/die Brenner zu entzünden und
um den Impulsgenerator 43 zu starten, damit dieser die
Hinundherbewegung des Stirling-Motors veranlasst.
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In 4 sind
Zündvorrichtung
und Flammenwächter 42 zwar
als Teil des Versorgungsnetz-unabhängigen Moduls dargestellt,
könnten
jedoch stattdessen ebenso Teil des Steuerungssystems der dchp-Einheit sein.
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Strom
aus dem Wechselstromgenerator wird über die Netzschnittstelle 27 durch
das Versorgungsnetz-unabhängige
Modul 35 geleitet. Die Spannung des Wechselstromgenerators
wird kontinuierlich überwacht
und unterhalb eines sicheren Betriebsniveaus gehalten, mit Hilfe
eines Spannungsregelsystems 45, das überschüssige Energie durch den Leistungsvernichter 47 entsorgt,
wobei Wellensteuerungstechnologie eingesetzt wird. Es kann sich
dabei entweder um einen luft- oder wassergekühlten Widerstand (wie beispielsweise
einen Tauchheizkörper) handeln. Überspannung
wird also bei einer Zeitkonstante von wenigen Millisekunden verhindert,
so dass der Stirling-Motor vor schädlicher Überspannung geschützt wird.
Sollte die Überspannung übermäßig hoch
werden, beispielsweise aufgrund des Ausfalls von Komponenten, ist
eine Notabschaltung vorgesehen, um den Motor abzuschalten.
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Die
Stromregelung 46 nutzt die Technologie einer Impedanzwandlerwellen-Steuereinheit,
um übermäßigen Strombedarf
in dem dchp-System zu regeln, wenn der Strom einen sicheren Schwellenwert überschreitet.
Die Stromregelung 46 verhindert ein Blockieren des Wechselstromgenerators,
wenn im Betrieb eine Überlast
auftritt. Eine solche Überlast würde auftreten,
wenn ein Benutzer während
des Versorgungsnetz-unabhängigen
Betriebs zu viele Verbraucher anschließen würde.
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Unter
normalen Betriebsbedingungen ermöglicht
die Stromregelung 46 ein kontrolliertes Ansteigen des gelieferten
Stroms, da die Spitzenspannung der Wellenform reduziert wird, um
eine akzeptable Ausgangsleistung zu erhalten. Dies gewährleistet
eine sichere Überstromwarnungs-Grenze,
wie später
beschrieben. Eine zusätzliche Überstromwarnung
ist in Form eines Lichts oder eines hörbaren Summers 48 vorgesehen,
der oder das sich entweder außen
an der Einheit, oder an einer geeigneten, gut sichtbaren Stelle
innen im Haus befindet.
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Die
Stromregelung ist in der Lage, das Strom-Spannungs-Verhältnis zu
verändern
(und eine konstante Leistung aufrechtzuerhalten), um den von bestimmten
Anwendungen im Haushalt (z.B. Fernseher, Computerbildschirmen, Elektromotoren)
gezogenen Anlassstrom bereitzustellen.
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Die
hohe Spannung wird nur kurzfristig bereitgestellt, woraufhin die
Ausgangsleistung, sollte der Strom immer noch hoch sein, abgeschaltet
wird. Die bei niedriger Spannung bereitgestellte, hohe Stromstärke gewährleistet
auch, dass das System bei Bedarf Sicherungen zerbersten lassen kann.
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In
einer alternativen Anordnung wird ein zusätzlicher Regelwiderstand mit
dem hauseigenen Verbraucherstromkreis in Reihe geschaltet. So wird die
Impedanz des Verbraucherstromkreises erhöht und die Spannung reduziert.
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Die
Wellensteuerungstechnologie, die sowohl bei der automatischen Spannungsregelung
als auch der Stromregelung eingesetzt wird, funktioniert, indem
sie Strom von dem Eingangsstrom zieht und solcherart umformt, dass
eine Ausgangswellenform des erwünschten
Spannungspegels gebildet wird. Der gelieferte Strom ist dann eine
Funktion der Impedanz des betriebenen Gerätes und somit der Vernichtungswiderstand
im Falle der automatischen Spannungsregelung und die Verbraucherlastimpedanz
im Falle der Stromregelung. Die Hauptfunktion der Wellensteuerung
ist es somit, die Ausgangsspannungsamplitude mit Hilfe eines vorprogrammierten
Steuerungsalgorithmus zweckmäßig zu variieren,
um die beiden Steuerungsfunktionen der Eingangsspannungsregelung
oder der Ausgangsstromregelung bereitzustellen.
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Die
Technologie der Wellensteuerung bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit
zur Steuerung und Manipulation der Wellenformen, verglichen mit
der herkömmlichen
Wechselrichter-Technologie.
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Ablauf des
Motoranlassens bei Netzstromausfall
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Die
Steuerungsstrategie der dchp-Einheit, nur dann Energie zu erzeugen,
wenn es ökonomisch sinnvoll
ist, bedingt, dass zwangsläufig ein
Teil der Zeit für
das Abschalten des Stirling-Motors aufgewendet wird. Das übliche Verfahren
zum Anlassen des Motors (Sanftanlauf) sieht die Verwendung eines Spannungsimpulses
von dem Versorgungsnetz vor, um die Hinundherbewegung zu initiieren.
In einigen Fällen
muss der Motor jedoch auch ohne Unterstützung aus dem Versorgungsnetz
gestartet werden können.
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Zu
diesem Zweck umfasst die autarke dchp-Einheit eine kleine Batterie
(wie oben beschrieben), um dieses selbständige Anlaufen zu ermöglichen.
Die Batterie wird mit dem von der Einheit erzeugten Strom wieder
aufgeladen, sobald die dchp-Einheit Energie erzeugt. Die Batterie
liefert nicht wirklich den Reservestrom und kann daher so klein
wie möglich
gehalten werden. Gegenwärtig
wird eine kleine, wiederaufladbare Art von Batterie bevorzugt (wie
beispielsweise ein Blei-, Nickel-Cadmium- oder Metall-Nickel-Halid-Akkumulator),
doch kann jede beliebige, wiederaufladbare Art verwendet werden.
Ebenso kann auch jede andere Art von Gerät mit einer beschränkten Stromspeicherkapazität verwendet
werden, darunter beispielsweise Kondensatoren. Aufgrund der geringen
Größe kann
es sich um eine Einrichtung zu minimalen Kosten handeln, die problemlos
entsorgt werden kann. Außer
diesem Anlassstrom, der von der Batterie geliefert wird, benötigt die
dchp-Einheit keine externe Stromversorgung und kann unbegrenzte
Zeit gänzlich
unabhängig
arbeiten.
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Das
Anlassen bei Ausfall der Netzstromversorgung erfolgt in 4 Schritten:
(1) Entkoppeln des hauseigenen Stromkreises (durch die Netzstromunterbrechung 39),
um den Netzwerksicherheitsbestimmungen zu entsprechen; (2) Zünden des
Erhitzerkopfbrenners 2; (3) wenn der Erhitzerkopf eine
Zieltemperatur von z.B. 220°C
erreicht hat, liefert die Reservebatterie einen Gleichstrom-Rechteckspannungsimpuls,
um den Generator in Bewegung zu versetzten und die Hinundherbewegung
des Motors zu initiieren; (4) die Leistungsabgabe nimmt mit steigender
Temperatur des Erhitzerkopfes zu, um den Notstrombedarf zu decken
(Maximalleistung etwa 1,1 kW bei maximalen Betriebstemperaturen
des Erhitzerkopfes).
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Überstromwarnung
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Wenn
der Strombedarf der elektrischen Geräte bei Abwesenheit von Netzstrom
die Kapazität des
Stirling-Motors überschreitet,
kann dies zu Beschädigung
des Motors führen.
Um das zu vermeiden, kann die Anzahl an Geräten, die an den unabhängigen Stromkreis
angeschlossen sind, eingeschränkt
werden. Wenn dem Verbraucher jedoch daran nicht angeschlossene Steckdosen 38 zur
Verfügung
stehen, liegt die Kontrolle über
den Strombedarf in den Händen
des Verbrauchers. Es ist also wichtig, dass in dem Reservestromkreis
irgendeine Form von Überstromschutz
vorhanden ist, um eine Überlastung
des Stirling-Motors zu vermeiden.
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Dabei
kann es sich um eine flinke Sicherung/Schnellauslöser handeln,
welche die Stromversorgung unterbricht, sobald der Grenzwert überschritten
wird (wenn z.B. ein zusätzliches
Gerät eingesteckt
wird). Dies würde
zu einer Unterbrechung des gesamten Stroms führen, und könnte, wenn es sich um Notfalleinrichtungen
handelt, unwillkommen sein. Die Kenntnis des Verbrauchers über den
Stromverbrauch der individuellen Geräte ist zwar in dieser Hinsicht
nützlich,
bietet aber keine zuverlässige
Basis, um den Bedarf des Stromkreises unterhalb des Abschalt-Schwellenwerts
zu halten.
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Daher
kann eine alternative Anordnung vorgesehen sein, bei welcher der
Verbraucher eine gewisse Zeit lang eine "Hochstrom"-Warnung erhält. Dies ist unten beschrieben
und ermöglicht
es, dass der Strom das nominelle Maximum um etwa 10% überschreitet.
Während
dieser Überstrom-Phase wird
die Spannung entsprechend reduziert, um die Leistung innerhalb der
Grenzen des Generators zu halten. Dies führt zu einer geringen Leistungsverschlechterung
der an den Versorgungsnetz-unabhängigen
Stromkreis angeschlossenen Geräte.
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Diese
Verschlechterung ist für
den Verbraucher wahrnehmbar und dient daher als Warnung, dass der
Grenzwert im Begriff ist überschritten
zu werden. Ein Überstrommelder
ist außerdem
in Form eines Lichts oder eines hörbaren Summers 48 vorhanden.
Die erlaubte Spannungsverschlechterung wird allerdings bei einem
solchen Pegel voreingestellt, dass keine Geräte beschädigt werden können, die
sensibel auf die Eingangsspannung reagieren (Videorekorder, medizinische
Pumpen, etc.).
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Die
Funktionsfähigkeit,
diese "Hochstrom"-Warnung bereitzustellen,
wird durch die Stromregelung 46 in 4 gewährleistet.
Wenn ein übermäßiger Strombedarf
auftritt, reduziert die Stromregelung 46 die Spitzenausgangsspannung, indem
sie die Impedanzwandlerfunktion einsetzt, um die Amplitude der Spannungswellenform
zu verringern.
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Alternativ
wird ein zusätzlicher,
mit dem hauseigenen Verbraucherstromkreis in Reihe geschalteter
Regelwiderstand von der Stromregelung 46 geregelt, um die
Impedanz der Last zu erhöhen.
So wird die Spannung an der Last auf geregelte Weise reduziert und
die Stromstärke
kann ansteigen, um der Last zu genügen, während die Ausgangsleistung
auf einem sicheren Betriebsniveau gehalten wird.
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Aufgrund
der nicht mehr vorhandenen Stromversorgung der anderen hauseigenen
Stromkreise sollte dem Verbraucher bewusst werden, dass die Stromkreise
Versorgungsnetz-unabhängig
arbeiten und er kann so die Überstromeffekte
oder andere Warnzeichen als eine Notwendigkeit deuten, die an den
Versorgungsnetz-unabhängigen
Stromkreis angeschlossenen Geräte
einzuschränken.
Ein Nicht-Eingreifen
des Verbrauchers bei Anzeichen von Überstrom führt zu einer Unterbrechung
des gesamten Stroms, wenn die äußerste Grenze überschritten
wird, und somit zu einer zwangsweisen Reduzierung des Versorgungsnetz-unabhängigen Strombedarfs.
Der zu den Betriebseinrichtungen der dchp-Einheit geleitete Strom
fließt
weiterhin, trotz der Unterbrechung des übrigen Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreises.
Das Haus wird somit weiterhin mit Wärme versorgt, auch wenn der
Strom abgeschaltet ist. Sobald der Bedarf reduziert wird (z.B. durch
Trennen von Geräten
von dem Stromkreis) wird die Abschaltung zurückgesetzt und die Versorgung
des Versorgungsnetz-unabhängigen
Stromkreises wird wieder aufgenommen.
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Trennung vom
Versorgungsnetz aufgrund beeinträchtigter
Netzstromqualität
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Neben
einem Netzstromausfall tritt die Trennung vom Versorgungsnetz auch
dann auf, wenn die Versorgung mit Netzstrom aufgrund von Versorgungsproblemen,
welche die Qualität
des Netzstroms untergraben, vorher festgelegte Grenzen über- oder
unterschreitet. Da eine schlechte Stromqualität nachteilige Auswirkungen
auf die zu versorgenden, hauseigenen Geräte haben kann, kann die dchp-Einheit 25 eine
alternative Stromversorgung bereitstellen, mit Hilfe derer der Verbraucher
sensible Geräte
vor Stromschwankungen schützen
kann.
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Die
Unterbrechung bedeutet also nicht notwendigerweise, dass die Netzstromversorgung
ausgefallen ist, sondern nur, dass sie sich nicht innerhalb der
festgesetzten Grenzen befindet, welche eine Stromversorgung mit
akzeptabler Qualität
kennzeichnen. In einer solchen Situation liefert die dchp-Einheit
den Strom für
den Versorgungsnetz-unabhängigen
Stromkreis, während
das Versorgungsnetz weiterhin den Rest des Hauses versorgt, bis
sich der Netzstrom wieder innerhalb akzeptabler Qualitätsgrenzen
befindet.
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Wärme-/Stromlast-Anpassung
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Wenn
die dchp-Einheit 25 parallel zu einem Versorgungsnetz betrieben
wird, exportiert die Einheit überschüssig erzeugten
Strom in das Versorgungsnetz und arbeitet, um den Wärmebedarf
des Hauses zu decken. So lange ein ausreichender Wärmebedarf
besteht, erzeugt der Motor bei voller Auslastung Energie und die
Brenner werden so reguliert, dass sie auf möglichst wirtschaftliche Weise
den Bedarf decken. Es besteht keine Notwendigkeit, Strom zu vernichten,
da das Versorgungsnetz als Stromsenke genutzt wird und gleichzeitig
eine passive Form der Spannungsregelung darstellt. Auf diese Weise
kann die Steuerung für
die an das Versorgungsnetz angeschlossene Einheit relativ einfach sein.
Alternativ kann der Wärmebedarf
niedrig sein, während
ein großer
Bedarf an Strom besteht. Wenn die Einheit an das Versorgungsnetz
angeschlossen ist, kann sie den Wärmebedarf decken, während zusätzlicher
Strom aus dem Versorgungsnetz importiert wird, um der Nachfrage
des Haushalts zu entsprechen.
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Bei
Ausfall der Netzversorgung richtet sich die Betriebsweise der dchp-Einheit nach dem
Strom- und Wärmebedarf
des Haushalts. Wenn Wärme
benötigt
wird, muss der Stirling-Motor ausreichend Strom erzeugen (ca. 200
W), um die Betriebseinrichtungen der Einheit (Steuerelektronik,
Pumpen, etc.) zu speisen. Doch selbst wenn der Brenner des Stirling-Motors
mit minimaler Ausgabeleistung arbeitet, wird so überschüssiger Strom erzeugt, der entsorgt werden
muss, wenn es keine Verwendung vor Ort dafür gibt. Wenn keine Verbindung
mit dem Versorgungsnetz besteht, muss diese Stromsenke in dem Haus
vor Ort sein.
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Vorrichtungen
zur Stromvernichtung:
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Damit
die Einheit auch bei einem begrenzten Bedarf an dem erzeugten Strom
betrieben werden kann, kann Strom in einen wassergekühlten Widerstand
geleitet werden, der sich in dem Kaltwasserzulauf zu dem Warmwassersystem
des Hauses befindet. Dieser fungiert als ein Tauchheizkörper, um
die überschüssige elektrische
Energie in Wärme
umzuwandeln, wie in jeder herkömmlichen,
elektrischen Wasserheizungsvorrichtung. Sollte bereits ein Tauchheizkörper in
dem Haus vorhanden sein, könnte
dieser als alternative/zusätzliche
Wärmesenke
verwendet werden. Alternativ umfasst das Versorgungsnetz-unabhängige Modul
gebläsegekühlte Widerstände, um überschüssige Energie
abzuleiten.
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Vorrichtungen zur Wärmevernichtung:
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Da
der Stirling-Motor ohne Bedarf an der Abwärme nicht betrieben werden
kann, ist eine Verwendung für
die überschüssige Wärme für den Versorgungsnetz-unabhängigen Betrieb
notwendig. Die thermische Kapazität der Heizkörper der hauseigenen Heizungsanlage
kann eine Senke für
die erzeugte Wärme
darstellen, doch wenn die Heizkörper
abgestellt werden und kein warmes Wasser benötigt wird, wird die Temperatur
des Wassers allmählich
ansteigen. Die Leistung des Stirling-Motors, der von einer niedrigen
Kühlertemperatur
abhängig
ist, wird dann sehr bald nachlassen. Wenn die Wassertemperatur des
Systems zu hoch wird, kann ein zusätzlicher Luftstrom aus dem
Umleitventil eingesetzt werden, um eine zusätzliche Luftkühlung bereitzustellen.
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Wiederanschluss
an das Versorgungsnetz
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Wenn
die Netzschutzsteuerung 26 eine Wiederaufnahme der Netzstromversorgung
feststellt, wird die Einheit vorübergehend
abgeschaltet. Dieses Abschalten ist notwendig, da die dchp-Einheit
bei Trennung vom Versorgungsnetz mit ihrer eigenen Frequenz arbeitet.
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Diese
ist geringfügig
abweichend von der normalen Netzfrequenz und nach der Phase des
Versorgungsnetz-unabhängigen
Betriebs nicht synchron. Ein Abschalten wird durchgeführt, worauf
ein Neustart erfolgt, nachdem an dem Netzstromunterbrechungsmodul 39 ein
Wiederanschluss an das Netz stattgefunden hat. Der übliche Netzstartvorgang,
bei dem ein Spannungsimpuls vom Versorgungsnetz genutzt wird, um
die Hinundherbewegung zu initiieren, kann für den Neustart verfolgt werden und
die dchp-Einheit kann ihren Betrieb parallel zum Versorgungsnetz
wieder aufnehmen.
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Die
gegenwärtigen
gesetzlichen Bestimmungen fordern, dass der Anschluss an die Netzversorgung
erst wieder erfolgen darf, wenn über
eine Zeitspanne von drei Minuten hinweg überwacht wurde, ob der Netzstrom
innerhalb der vorher festgelegten Grenzen liegt. Der Stirling-Motor wird daher
erst dann abgeschaltet, wenn diese Bedingung erfüllt wurde. So wird sichergestellt,
dass der Versorgungsnetz-unabhängige
Stromkreis, der möglicherweise
unentbehrliche Geräte
im Haus speist, nicht länger
inaktiv ist als notwendig, um einen sicheren Wiederanschluss zu
gewährleisten.
Nachdem drei Minuten lang überwacht
wurde, dass der Netzstrom innerhalb der Netzschutzgrenzen liegt,
läuft der
Wiederanschlussvorgang wie folgt ab:
- 1. Abschalten
des Stirling-Motor-Brenners;
- 2. Trennen der dchp-Einheit 25 von dem Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis
an der Netzschnittstelle 27 – der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis
ist inaktiv;
- 3. Wiederanschließen
des Netzstroms an dem Netzstromunterbrechungsmodul 39 – der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis
wird mit Netzstrom gespeist;
- 4. Warten bis der Motor 1 angehalten hat, in der Regel
wenn die Erhitzerkopftemperatur unter 200°C gefallen ist, nach rund zehn
Minuten;
- 5. Wiederanschließen
der dchp-Einheit an das Versorgungsnetz an der Netzschnittstelle 27;
- 6. Wiederanlassen des Stirling-Motor-Brenners 2;
- 7. Warten bis die Erhitzerkopftemperatur 220°C beträgt;
- 8. Senden eines Neustartimpulses, um die Hinundherbewegung des
Stirling-Motors zu initialisieren.
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Durch
das Abschalten entstehen für
den Verbraucher keine Unannehmlichkeiten, da die hauseigenen Hauptstromkreise
einsatzbereit sind und der Versorgungsnetz-unabhängige Stromkreis nur kurzfristig
zwischen den oben genannten Schritten 2 und 3 keinen Strom führt. Für den Fall,
dass während
dieser Wiederanschlussphase dennoch ein Wärmebedarf besteht, setzt der
zusätzliche
Brenner 12 den Betrieb fort. Die Betriebseinrichtungen
der Einheit erhalten Strom von einem Teil des Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreises,
so dass die Pumpen, etc. ihren Betrieb fortsetzen, gespeist von
dem wiederangeschlossenen Netzstrom, und dabei ein Überhitzen
der Heizungsanlage verhindern.
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Eine
alternative Anordnung kann integriert werden, bei der ein widerstandbasierter
Netzschnittstellenstromkreis (wie für die Netzschnittstelle 27 verwendet
und beschrieben in Dokument WO-A-01/69078)
eingesetzt wird, um einen Wiederanschluss an die Netzversorgung
ohne ein Abschalten des Motors zu ermöglichen. So wird sichergestellt,
dass eine sanfte Resynchronisierung in dem Versorgungsnetz-unabhängigen Stromkreis
stattfindet, wobei eine Anordnung mit unterbrecherlosem Umschaltkontakt
in dem Netzschnittstellenstromkreis genutzt wird.
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Eine
weitere alternative Anordnung wäre
die Verwendung einer Synchronisierungsschaltung an dem Netzstromunterbrechungspunkt 39.
Diese überwacht
und vergleicht die Spannungswellenformen des Netzstroms und des
Stroms aus der dchp-Einheit. Sobald festgestellt wird, dass sie
synchron sind, wird der Anschluss hergestellt.