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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf Mikroturbinen-Energieerzeugungssysteme.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem,
das eine Batteriequelle zur Lieferung von Startenergie aufweist.
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Das
United States Electric Power Research Institute (EPRI), das die
einheitliche Forschungseinrichtung für elektrische Haushaltsverbraucher
ist, sagt voraus, dass bis zu 40% der gesamten neuen elektrischen
Energieerzeugung um das Jahr 2006 herum durch verteilte Generatoren
geliefert werden könnte.
In vielen Teilen der Welt, denen eine elektrische Infrastruktur
(z.B. Übertragungs-
und Verteilungsleitungen) fehlt, wird die Kommerzialisierung von
verteilten Generatoren stark beschleunigt, weil zentrale Anlagen
nicht nur mehr pro Kilowatt kosten, sondern auch eine teure installierte
Infrastruktur benötigen,
um Energie an Verbraucher von Elektrizität zu liefern. In den Vereinigten
Staaten und anderen Ländern,
die bereits die elektrische Infrastruktur haben, gestatten die kleinen,
modular verteilten Vielbrennstoff-Mikroturbinen-Erzeugungseinheiten,
dass die Verbraucher von Elektrizität die richtige Methode des
elektrischen Service wählen.
Die kleinen, modular verteilten Vielbrennstoff-Mikroturbinen-Erzeugungseinheiten
gestatten auch, dass Verbraucher von Elektrizität den kosteneffektivsten elektrischen Service
wählen.
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Kleine,
modular verteilte Vielbrennstoff-Mikroturbinen-Erzeugungseinheiten
könnten
helfen, gegenwärtige
nachmittägliche "Stromstörungen" und "Stromausfälle" zu verringern, die
in vielen Teilen der Welt vorherrschen. Ein Konzept mit einem einfachen, einzelnen
bewegten Teil würde
eine Wartung mit wenig technischer Erfahrung gestatten. Niedrige
Gesamtkosten würden
einen weit verbreiteten Verkauf in denjenigen Teilen der Welt gestatten,
wo Kapital knapp ist.
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Bezüglich eines
Beispieles von einem Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem sei auf
das US-Patent 4,754,607 verwiesen, das auf die Rechtsnchfolgerin
der vorliegenden Erfindung übertragen
ist. Das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem enthält eine
Turbine, einen Verdichter und einen elektrischen Generator, wobei
jede Einrichtung eine rotierende Komponente enthält (z.B. ein Turbinenrad, ein
Verdichterrad und einen Permanentmagnetrotor).
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Das
Starten des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems kann problematisch
sein. Es könnte
ein getrennter Startermotor verwendet werden, bis das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem
in der Lage ist, eine Verbrennung aufrecht zu erhalten. Alternativ
könnte
der elektrische Generator verwendet werden, um den Verdichter während des
Startens zu drehen. Eine Schalter/Starter-Steuerung ist enthalten,
um einen Erregerstrom an die Statorwicklungen des elektrischen Generators
zu liefern, der den Verdichter dreht, bis die Verbrennung aufrecht
erhalten werden kann.
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Bei
Verwendung einer der beiden Lösungen ist
eine externe Energiequelle nötig,
um den Startermotor zu betätigen
oder einen Erregerstrom an die Statorwicklungen des elektrischen
Generators zu liefern. Eine Batterie liefert Energie an die Schalter/Starter-Steuerung.
Die Batterie ist in der Größe an die
Anforderungen des Systems angepasst.
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Allerdings
hat eine derartige Batterie die Tendenz eine hohe Spannung zu haben.
Hochspannungs-Batterien sind schwierig und möglicherweise gefährlich zu
handhaben. Große
Hochspannungs-Batterien sind auch unhandlich und deshalb schwer
in großen
Mengen zu beschaffen. Dies würde Probleme
für die
Massenproduktion der Mikroturbinen-Energieerzeugungssysteme erzeugen.
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WO-A-9825014
beschreibt ein Energieerzeugungssystem mit einem Verdichter, einer
Turbine und einem elektrischen Generator mit zugehöriger Batterie.
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Die
Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Falls der elektrische Generator
ausfällt,
kann die Batterieleistung an den Hauptwechselrichter geliefert werden,
der die Batterieleistung steuert, um Reserveenergie mit fester Frequenz
zu liefern. Die Reserveenergie kann in ein Leistungsnetz zur Verwendung durch
den Verbraucher eingespeist werden oder die Reserveenergie kann
direkt ohne das Netz verwendet werden.
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Gemäß anderen
Aspekten der Erfindung ist die Batteriequelle eine Hochspannungs-Batteriequelle
oder alternativ eine Niederspannungs-Batteriequelle. Die erforderliche
Spannung der Batteriequelle wird durch die Benutzung des Aufwärts-Zerhackers gesenkt.
Die Senkung der erforderlichen Spannung der Batteriequelle gestattet,
dass üblicherweise
zur Verfügung
stehende Batterien verwendet werden können. Die üblicherweise zur Verfügung stehenden Niederspannungs-Batterien
sind üblicherweise
einfacher und sicherer zu handhaben und sie sind einfacher zu produzieren
als Hochspannungs-Batterien. Die Steuerung der Aufladerate als eine
Funktion der Temperatur kann Temperatur-bezogene Probleme verringern.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung enthält die Startschaltung einen
Abwärts-Zerhacker
zum Wiederaufladen der Batteriequelle während des normalen Betriebs
des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems. Dies erlaubt, dass die
Batteriequelle auf zweckmäßige Art
und Weise wieder aufgeladen werden kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm von einem Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem
gemäß der Erfindung,
wobei das System eine Batteriequelle und eine Startsteuerung enthält;
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2 ist
eine Darstellung von einer alternativen Startsteuerung für das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem;
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3 bis 5 sind
Darstellungen von alternativen Batteriequellen und alternativen
Startsteuerungen für
das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem; und
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6 ist
ein Fließbild
von einem Verfahren zum Starten des Energieerzeugungssystems gemäß der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10 mit einem
Verdichter 12, einer Turbine 14 und einem integrierten
elektrischen Generator 16. Für das in den Zeichnungen gezeigte
Ausführungsbeispiel
ist der elektrische Generator 16 von dem Verdichter 12 auskragend.
Der Verdichter 12, die Turbine 14 und der elektrische
Generator 16 werden normalerweise durch eine einzige gemeinsame Welle 18 gedreht.
Obwohl der Verdichter 12, die Turbine 14 und der
elektrische Generator 16 an getrennten Wellen angebracht
sein können,
vergrößert die Verwendung
der einzelnen gemeinsamen Welle 18 die Kompaktheit und
Betriebssicherheit des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems 10.
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Die
Welle 18 kann durch selbst-verdichtende Luftlager, wie
beispielsweise Folienlager, gestützt sein.
Die Folienlager eliminieren das Erfordernis für ein getrenntes Lagerschmiersystem
und verringern das Auftreten von Wartungsarbeiten. Die Folienlager verringern
auch Schwingungen, was die Wartung des Systems verringert.
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In
einen Einlass des Verdichters 12 eintretende Luft wird
verdichtet. Verdichtete Luft, die einen Auslass des Verdichters 12 verlässt, wird über die kalte
Seite von Luftkanälen 20 in
einem Rekuperator 22 umgewälzt. Innerhalb des Rekuperators 22 absorbiert
die verdichtete Luft Wärme
aus der Abwärme der
Turbine. Die erwärmte,
verdichtete Luft, die die kalte Seite des Rekuperators 22 verlässt, wird
einem Brenner 24 zugeführt.
Die Verwendung des Rekuperators 22, um die verdichtete
Luft zu erwärmen,
verringert den Brennstoffverbrauch.
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Brennstoff
wird dem Brenner 24 ebenfalls zugeführt. Es kann entweder gasförmiger oder
flüssiger Brennstoff
verwendet werden. In einem Betrieb mit gasförmigem Brennstoff kann irgendein
geeigneter gasförmiger
Brennstoff verwendet werden. Gewählte Brennstoffe
umfassen Diesel, Leuchtgas, Abgas, Benzin, Naphtha, Propan, JP-8,
Methan, Erdgas und andere vom Menschen gemachte Gase.
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Die
Strömung
des Brennstoffes zum Brenner 24 wird durch ein Strömungssteuerventil 26 gesteuert.
Der Brennstoff wird durch eine Injektionsdüse 28 in den Brenner 24 injiziert.
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Innerhalb
des Brenners 24 werden der Brennstoff und die verdichtete
Luft gemischt und durch einen Zünder 27 in
einer exothermen Reaktion gezündet.
Heiße,
expandierende Gase, die aus der Verbrennung in dem Brenner 24 entstehen,
werden zu einer Einlassdüse 30 der
Turbine 14 geleitet. Die heißen, expandierenden Gase, die
aus der Verbrennung entstehen, werden durch die Turbine 14 expandiert und
erzeugen dadurch Turbinenleistung. Die Turbinenleistung treibt ihrerseits
den Verdichter 12 und den elektrischen Generator 16 an.
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Turbinenabgas
wird durch auf der heißen Seite
befindliche Abgaskanäle 32 in
dem Rekuperator 22 umgewälzt. Innerhalb des Rekuperators 22 wird
Wärme aus
dem Turbinenabgas auf die verdichtete Luft in den auf der kalten
Seite befindlichen Luftkanälen 22 übertragen.
Auf diese Weise wird ein gewisser Teil der Verbrennungswärme zurückgewonnen
und dazu verwendet, die Temperatur der verdichteten Luft vor der
Verbrennung zu erhöhen.
Nachdem es einen Teil seiner Wärme übergeben
hat, verlässt das
Abgas den Rekuperator 22.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
der Generator 16 eine ringgewickelte, zweipolige, zahnlose
(TPTL von two-pole, toothless) bürstenlose Permanentmagnetmaschine,
die einen Permanentmagnetrotor 34 und Statorwicklungen 36 aufweist. Der
Rotor 34 ist an der Welle 18 befestigt. Wenn der Rotor 34 durch
Turbinenleistung gedreht wird, die durch die rotierende Turbine 14 erzeugt
wird, wird in den Statorwicklungen ein Wechselstrom induziert. Die
Drehzahl der Turbine 14 kann gemäß äußeren Energieanforderungen
verändert
werden, die an das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10 gestellt werden. Änderungen
in der Turbinendrehzahl erzeugen eine Änderung in der Frequenz des
Wechselstroms, der von dem elektrischen Generator 16 erzeugt
wird.
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Die
Wechselstrom(AC)leistung wird durch einen Gleichrichter 38 in
Gleichstrom(DC)leistung gleichgerichtet, und die Gleichstromleistung
wird in Wechselstromleistung fester Frequenz durch einen elektronischen
Festkörper-Wechselrichter 40 umgewandelt
(der nachfolgend der "Haupt"-Wechselrichter 40 genannt
wird). Die Verwendung des Gleichrichters 38 und des Haupt-Wechselrichters 40 gestattet
eine breite Flexibilität
bei der Bestimmung der elektrischen Verbraucherleistung, die von
dem erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem
geliefert werden soll. Da irgendein Wechselrichter gewählt werden
kann, kann die Frequenz der Wechselstromleistung durch den Verbraucher
gewählt
werden. In Ausführungsbeispielen,
die für
eine direkte Verwendung von Wechselstromleistung bei wilden Frequenzen vorgesehen
sind, können
der Gleichrichter 38 und der Haupt-Wechselrichter 40 eliminiert
werden.
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Eine
Steuerung 42 steuert die Turbinendrehzahl, indem die Brennstoffmenge
gesteuert wird, die zum Brenner 24 strömt. Die Steuerung 42 verwendet Sensorsignale,
die durch eine Sensorgruppe 44 erzeugt wird, um die externen
Anforderungen an das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10 zu
ermitteln, und steuert dann das Brennstoffventil 26 dementsprechend.
Die Sensorgruppe 44 enthält einen oder mehr Sensoren,
wie beispielsweise Turbinendrehzahlsensoren und verschiedene Temperatur- und
Drucksensoren zum Messen von Betriebstemperaturen und -drucken in
dem Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10.
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Eine
Batteriequelle 46 und eine Startsteuerung 48 sind
zum Starten des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems 10 enthalten.
Die Startsteuerung 48 enthält eine Gleichstromverbindung 50 und einen
Festkörper-Wechselrichter 52 (nachfolgend der "zweite" Wechselrichter 52).
Die Batteriequelle 46 liefert Gleichstromleistung bei einer
hohen Spannung an die Gleichstromverbindung 50. Die Phrase "Batteriequelle", wie sie hier verwendet
wird, bedeutet eine oder mehr Zellen oder irgendein anderes geeignetes
Mittel zum Liefern von elektrischem Strom. Wenn eine Gruppe von
zwei oder mehr Zellen verwendet wird, werden sie elektrisch verbunden.
Andere Mittel zum Liefern von elektrischem Strom umfassen beispielsweise
Kondensatoren oder Ultra-Kondensatoren und andere Energiespeichereinrichtungen.
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Während des
Startens befiehlt die Steuerung 42 den Transistoren des
zweiten Wechselrichters 52, ein- und auszuschalten und
dadurch die Gleichstromleistung auf der Gleichstromverbindung 50 in die
dreiphasige Wechselstromleistung zu wandeln. Die dreiphasige Wechselstromleistung,
die den Statorwicklungen 36 des elektrischen Generators 16 zugeführt wird,
bewirkt, dass der elektrische Generator 16 als ein Startermotor
arbeitet.
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Durch
Steuern der Steuerfrequenz der Transistoren in dem zweiten Wechselrichter 52 kann
die Steuerung 42 die Frequenz der Wechselstromleistung ändern, die
den Statorwicklungen 36 zugeführt wird. Die Frequenz der
Wechselstromleistung beginnt bei einer niedrigen Frequenz, beispielsweise
2 Hz, und wird dann hochgefahren (d.h. erhöht). Das Hochfahren der Frequenz
der Wechselstromleistung bewirkt, dass die Turbinendrehzahl steigt.
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Während der
elektrische Generator 16 als ein Startermotor betrieben
wird, überwacht
die Steuerung 42 einen oder mehr Parameter, die anzeigen, ob
das System 10 eine Verbrennung unterhalten kann. Beispielsweise
könnte
die Steuerung 42 die Turbinendrehzahl überwachen. Wenn die Steuerung 42 feststellt,
dass das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10 eine
Verbrennung unterhalten kann (z.B. die Turbinendrehzahl erreicht
einen Schwellenwert), stoppt die Steuerung 42 den Wechselrichter 40,
damit dieser keine Wechselstromleistung an die Statorwicklungen 36 liefert,
und schaltet die Brennstoffzufuhr und die Zündeinrichtung 27 ein.
Wenn der elektrische Generator 16 in der Lage ist, elektrische Energie
zu erzeugen, steuert die Steuerung 42 den Gleichrichter 38 und
den Haupt-Wechselrichter 40 an, um die Ausgangsleistung
des elektrischen Generators 16 in eine Wechselstromleistung
mit Festfrequenz zu wandeln. Der Gleichrichter 38 und der Haupt-Wechselrichter 40 werden
angesteuert, in dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel,
indem die Eingänge
des Gleichrichters 38 mit den Anschlüssen des elektrischen Generators 16 über einen
ersten Schalter 47 verbunden werden. Der erste Schalter 47 ist
zu Darstellungszwecken gezeigt. In der Praxis können der Gleichrichter 38 und der
Haupt-Wechselrichter 40 durch andere Mittel angesteuert
werden.
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Die
Batteriequelle 46 hat eine Spannung, die für einen
Motorbetrieb des elektrischen Generators 16 geeignet ist.
Die tatsächliche
Spannung hängt
teilweise von der Gegen-EMK ab, die während des Startens durch den
elektrischen Generator 16 erzeugt wird. Als ein Ausführungsbeispiel
wird eine Hochspannungs-Batterie, wie beispielsweise eine einzelne
gekapselte Blei-Säure-Batterie
mit zwei 192 Volt Zellen in Reihe zur Erzeugung einer Nominalspannung
von etwa 400 Volt verwendet. Eine derartige Batteriequelle 46 ist
von Hawker Energy Products erhältlich,
die in Warrensburg, Missouri, sitzt.
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2 zeigt
eine alternative Startsteuerung 148. Die Startsteuerung 148 enthält die DC
Verbindung 50, den zweiten Wechselrichter 52 und
einen Abwärts-Zerhacker 154.
Während
des normalen Betriebs des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems 10 zieht
der Abwärts-Zerhacker 154 einen
Teil des Stroms an einem Ausgang des Gleichrichters 38 und verwendet
diesen Strom, um die Batteriequelle 46 zu laden. Der Abwärts-Zerhacker 154 enthält einen Schalter 156,
der durch die Steuerung 42 gesteuert wird. Da die Spannung
am Ausgang des DC Gleichrichter 38 gewöhnlich höher ist als die Batteriespannung,
wird der Schalter 156 in dem Abwärts-Zerhacker 154 durch
die Steuerung 42 pulsbreitenmoduliert, so dass die mittlere
Spannung über
der Batteriequelle 46 die Batteriequelle 46 richtig
laden kann. Der Abwärts-Zerhacker 154 enthält auch
eine Diode 158 und eine Drossel 160. Die Drossel 160 dient
als ein Stromfilter, der die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzt,
während
der Abwärts-Zerhackerschalter 156 geschlossen
ist. Die Diode 158 bildet eine Bahn für den Drosselstrom, während der
Abwärts-Zerhackerschalter 156 offen
ist. Somit gestattet der Abwärts-Zerhacker 154,
dass die Hochspannungs-Batteriequelle 46 auf zweckmäßige Weise
geladen werden kann.
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Der
Abwärts-Zerhackerschalter 156 wird
bei einem festen Tastverhältnis
gesteuert bzw. moduliert. Beispielsweise wird in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Abwärts-Zerhackerschalter 156 bei einem
Tastverhältnis
von 80% gesteuert, damit eine 400 Volt Batterie durch einen Gleichrichter 38 geladen
werden kann, der eine Ausgangsspannung von 500 VDC hat. Jedoch wird
in alternativen Ausführungsbeispielen
ein komplizierteres Schema verwendet, um die Ladegeschwindigkeit
der Batteriequelle 46 zu steuern. Beispielsweise wird die
Batteriequelle 46 mit einer Geschwindigkeit geladen, die
eine Funktion von Parametern ist, wie beispielsweise Batterietemperatur,
Ladestrom und Batteriespannung. Diese Parameter anzeigende Signale
können
durch die Sensorgruppe 44 generiert werden. Während die Batteriequelle 46 geladen
wird, überwacht
die Steuerung 42 diese Parameter, um die Aufladegeschwindigkeit
zu steuern. Die Steuerung 42 beginnt die Ansteuerung des
Schalters 156 bei einem festen Tastverhältnis. In der Zwischenzeit überwacht
die Steuerung 42 auch den Ladestrom um sicherzustellen, dass
der Ladestrom einen Schwellenwert nicht überschreitet. Wenn der Ladestrom
einen Schwellenwert überschreitet,
senkt die Steuerung 42 das Tastverhältnis, bis der Strom unter
den Schwellenwert fällt. Während die
Batteriequelle 46 aufgeladen wird, überwacht die Steuerung 42 die
Batterietemperatur und -spannung. Die Steuerung 42 stoppt
die Wiederaufladung der Batteriequelle 46, wenn die Batteriequelle 46 bei
einer gegebenen Temperatur eine gewisse Batteriespannung erreicht.
Die Batterietemperatur kann innerhalb des Batteriegehäuses gemessen
werden. Der Ladestrom kann durch einen Stromsensor gemessen werden,
der an einem oberen Leiter innerhalb der Batteriequelle 46 befestigt
ist.
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Der
Abwärts-Zerhacker 154 gestattet
auch, dass die Batteriequelle 46 DC Leistung direkt an
den Haupt-Wechselrichter 40 liefert. Wenn beispielsweise
der elektrische Generator 16 ausfällt und keine elektrische Energie
generieren kann, schließt
die Steuerung 42 den Schalter 156 und befielht
dem Haupt-Wechselrichter 40, die Batterieleistung zu steuern,
um eine Wechselstromleistung mit Festfrequenz zu erzeugen. Somit
gestattet der Abwärts-Zerhacker 154 auch,
dass die Batteriequelle 46 eine Reserve-Energieversorgung
bildet.
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3 zeigt
eine alternative Batteriequelle 246 und eine weitere (dritte)
Startsteuerung 248. Anstatt dass sie eine hohe Spannung
liefert, liefert die alternative Batteriequelle 246 eine
niedrige Spannung. Die Niederspannungsquelle 246 enthält eine einzelne
48 Volt Batterie oder vier 12 Volt Batterien, die in Reihe geschaltet
sind. Die 12 Volt Batterien sind in einem Ausführungsbeispiel Automobil-Batterien,
die üblicherweise
zur Verfügung
stehen im Gegensatz zu den großen
Hochspannungs-Batterien.
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Die
Niederspannungsquelle 246 liefert allein keine ausreichende
Spannung, um den elektrischen Generator 16 während des
Startens im Motorbetrieb zu speisen. Jedoch enthält die dritte Startsteuerung 248 einen
Aufwärts-zerhacker 254,
der die Spannung aus der Niederspannungsquelle 246 auf
einen Wert erhöht,
der in der Lage ist, den elektrischen Generator 16 als
Motor zu betreiben. Der Aufwärts-Zerhacker 254 erhöht die Spannung
um einen Faktor zwischen 5 und 15. Beispielsweise könnte der
Aufwärts-Zerhacker 254 die
48 Volt aus der Niederspannungsquelle 246 auf eine Spannung
von 400 Volt erhöhen.
Die erhöhte
Spannung wird in eine dreiphasige Wechselstromleistung für den Motorbetrieb
des elektrischen Generators 16 während des Startens umgewandelt.
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Der
Aufwärts-Zerhacker 254 enthält einen Kondensator 256,
einen Schalter 258, eine Drossel 260 und eine
Diode 262. Am Beginn des Startvorganges sorgt die Steuerung 42 für eine Pulsbreitenmodulation
des Aufwärts-Zerhackerschalters 258,
wodurch der Aufwärts-Zerhackerschalter 258 geöffnet und
geschlossen wird. Wenn der Aufwärts-Zerhackerschalter 258 geschlossen
ist, wird die Energie aus der Batterie in der Aufwärts-Zerhackerdrossel 260 gespeichert.
Wenn der Aufwärts-Zerhackerschalter 258 geöffnet ist,
wird Energie aus der Aufwärts-Zerhackerdrossel 260 zum
Aufwärts-Zerhackerkondensator 256 übertragen.
Die Aufwärts-Zerhackerdiode 262 verhindert,
dass der Kondensator 256 entladen wird, während der
Aufwärts-Zerhackerschalter 258 geschlossen
ist.
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Die
Steuerung 42 steuert die Geschwindigkeit, mit der der Aufwärts-Zerhackerkondensator 256 geladen
wird. Der Aufwärts-Zerhackerschalter 258 wird
bei einem Tastverhältnis
angesteuert, das gestattet, dass der Aufwärts-Zerhackerkondensator 256 schnell
geladen wird, wenn die Spannung über dem
Aufwärts-Zerhackerkondensator 256 niedrig
ist. Der Aufwärts-Zerhackerschalter 258 kann
bei einem Tastverhältnis
angesteuert werden, das gestattet, dass der Kondensator 256 bei
einer Dauergeschwindigkeit geladen wird, wenn die Spannung über dem Aufwärts-Zerhackerkondensator 256 hoch
ist. Die Dauerladung des Aufwärts-Zerhackerschalters 256 gestattet,
dass die Komponenten (z.B. die Diode 262 und die Drossel 260) ökonomisch
bemessen werden können.
Die Verkleinerung der Komponentengröße verringert Kosten und Temperatur-bezogene
Probleme, wie beispielsweise thermische Kühlungs- und Komponenten-Ineffizienzen.
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4 zeigt
eine Niederspannungs-Batteriequelle 346 und eine Startersteuerung 348 mit
einer DC Verbindung 50, einem Wechselrichter 52 und
einem bidirektionalen Zerhacker 354. Der bidirektionale
Zerhacker 354 sorgt für
die Funktionalität
von sowohl dem Aufwärts-Zerhacker 254 als
auch dem Abwärts-Zerhacker 154.
Somit erhöht
der bidirektionale Zerhacker 354 die Spannung aus der Niederspannungs-Batteriequelle 346 und
legt die erhöhte
Spannung an die DC Verbindung 50 an. Der zweite Wechselrichter 52 wandelt
die Energie auf der DC Verbindung 50 in dreiphasige Wechselstromleistung
zum Starten. Während
des normalen Betriebs des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems 10 verwendet der
bidirektionale Zerhacker 354 die Ausgangsleistung des Gleichrichters,
um die Niederspannungs-Batteriequelle 346 zu laden. Ein
Tastverhältnis von
beispielsweise 10% würde
eine gleichgerichtete Spannung von 500 Volt auf etwa 50 Volt zum
Laden einer 48 Volt Batterie senken. Im Falle des Versagens des
elektrischen Generators 16 während des normalen Betriebs
verbindet der bidirektionale Zerhacker 354 die Batteriequelle 346 mit
Eingängen
des Haupt-Wechselrichters 14, um Reserveenergie zu liefern.
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5 zeigt
Anzapfungen 435A, 435B, 435C auf Wicklungen 436A, 436B, 436C der
Statorwicklungen, die aus der elektrischen Maschine 416 herausgeführt sind.
Die Anzapfungen 435A, 435B, 435C erlauben,
dass ein Wechselrichter 452 und eine Niederspannungs-Batteriequelle 446 für einen
Motorbetrieb des elektrischen Generators 416 sorgen. Die Niederspannungs-Batteriequelle 446 kann
verwendet werden, weil die Gegen-EMK an den Anzapfungen 435A, 435B, 435C kleiner
ist als an den Anschlüssen 437A, 437B, 437C des
elektrischen Generators 416.
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6 zeigt
ein verallgemeinertes Verfahren der Verwendung einer Batterie in
Verbindung mit einem Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem. Während des
Startens des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems wird Gleichstromleistung
aus der Batteriequelle empfangen (Block 500). Wenn eine Hochspannungs-Batterie
verwendet wird, wird die Energie direkt aus der Batterie empfangen.
Wenn eine Niederspannungs-Batterie verwendet wird, wird die Batteriespannung
erhöht
oder, alternativ, eine Statorwicklung des elektrischen Generators
wird angezapft und es wird die angezapfte Spannung geliefert.
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Die
Batterieleistung wird in eine mehrphasige Wechselstromleistung während des
Startens des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems gewandelt (Block 502),
und die mehrphasige Wechselstromleistung wird an die Statorwicklungen
des elektrischen Generators geliefert (Block 504). Die
mehrphasige Wechselstromleistung bewirkt, dass der elektrische Generator
als ein Startermotor während des
Startens des Energieerzeugungssystems arbeitet.
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Etwa
zur gleichen Zeit, zu der das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem
eine Verbrennung aufrecht erhalten kann, wird die Lieferung der
mehrphasigen Leistung zu den Statorwicklungen gestoppt (Block 506).
Wenn der elektrische Generator in der Lage ist, elektrische Energie
zu erzeugen, kann die Ausgangsleistung des elektrischen Generators gleichgerichtet
und moduliert bzw. gesteuert werden, um eine Wechselstromleistung
mit Festfrequenz zu erzeugen (Block 508). Die Wechselstromleistung
mit Festfrequenz wird auf ein Energienetz zum Verbrauch durch Benutzer
gegeben oder wird direkt ohne das Netz verwendet.
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Für das in
den Zeichnungen gezeigte Ausführungsbeispiel
wird die gleichgerichtete Ausgangsleistung des elektrischen Generators
auch abwärts-zerhackt
und verwendet, um die Batteriequelle zu laden (Block 510).
Im Falle eines Versagens des elektrischen Generators kann die Batterieleistung dem
Haupt-Wechselrichter zugeführt
werden, der die Batterieleistung in Reserveenergie mit fester Frequenz
moduliert (Block 512). Die Reserveenergie kann in ein Leistungsnetz
zur Verwendung durch Verbraucher eingespeist werden oder die Reserveenergie
kann direkt ohne das Netz benutzt werden.
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Somit
ist ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem offenbart, das eine
Batteriequelle zur Lieferung von Gleichstromleistung und eine Startschaltung
zum Wandeln der Gleichstromleistung in Wechselstromleistung enthält. Die
Batteriequelle ist, alternativ, eine Hochspannungs-Batterie oder
eine Niederspannungs-Batterie. Die erforderliche Batteriequellenspannung
kann durch die Verwendung von einem Aufwärts-Zerhacker gesenkt werden.
Eine Pulsbreitenmodulation des Aufwärts-Zerhackers als eine Funktion
der Temperatur kann Temperatur-bezogene Probleme verringern. Die
erforderliche Batteriespannung wird alternativ dadurch gesenkt,
dass Energie Anzapfungen auf den Statorwicklungen des elektrischen
Generators zugeführt
wird. Die Senkung der erforderlichen Batteriequellenspannung gestattet,
dass üblicherweise
zur Verfügung
stehende Batterien verwendet werden können. Die üblicherweise verfügbaren Niederspannungs-Batterien
sind üblicherweise
einfacher und sicherer zu handhaben und sie sind einfacher zu besorgen
als Hochspannungs-Batterien.
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Die
Batteriequelle kann während
des normalen Betriebs des Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems
wieder aufgeladen werden, indem ein Abwärts-Zerhacker verwendet wird. Der Abwärts-Zerhacker
gestattet, dass die Batteriequelle auf zweckmäßige Weise wieder aufgeladen
wird. Der Abwärts-Zerhacker
kann auch gestatten, dass die Batteriequelle Reserve-Ausgangsleistung
liefert, wenn der elektrische Generator ausfallen sollte. Die Batteriequelle
kann stattdessen in Kombination mit einem bidirektionalen Zerhacker
verwendet werden, der die Funktion von sowohl dem Aufwärts-Zerhacker
als auch dem Abwärts-Zerhacker
ausübt.