FI12417U1 - CHP-järjestelmä - Google Patents

Description

CHP-JÄRJESTELMÄ

KEKSINNÖN ALA

Keksinnön kohde on laite yhdistettyyn sähkön ja lämmön pientuotantoon.

KEKSINNÖN TAUSTA

Keksinnön kohteena on laite, jolla voidaan tuottaa samanaikaisesti sekä lämpöä että sähköä. Yhdistettyä sähkön-ja lämmöntuotantoa (CHP) käytetään yleisesti keskitetyssä energiantuotannossa sekä yhä useammin myös pienissä energiantuotantoyksiköissä. Yhdistettyä energiantuotantoa suositaan, koska tällöin myös sähköntuotannon sivutuotteena syntyvää lämpöä voidaan hyödyntää ja se ei mene hukkaan. Yleisesti suuremmissa laitoksissa sähköntuotanto perustuu erilaisiin höyryprosesseihin ja pienemmissä sähkö tuotetaan useimmiten polttomoottorin pyörittämän generaattorin avulla.

Yleisesti tunnetut CHP-järjestelmät ovat varsin monimutkaisia ja siksi kalliita rakentaa. Lisäksi ne sisältävät useita toimilaitteita, joissa on liikkuvia osia sekä elektronisia ohjauslaitteita, joten ne ovat alttiita vikaantumiselle ja vaativa säännöllistä huoltoa. Tämän vuoksi ne soveltuvat huonosti paikalliseen energiantuotantoon, jossa tavoitteena on tuottaa yksittäisen pienen kulutuskohteen, kuten omakotitalon, loma-asunnon tai vastaavan, tarvitsema energia sen välittömässä läheisyydessä. Useimmilla ihmisillä ei ole riittävää tietoa ja taitoa näiden laitteiden huoltamiseen, joten niiden ylläpito on liian kallista pienen energiamäärän tuottamiseksi.

Pienissä CHP-järjestelmissä ongelmana on myös niiden perustuminen polttomoottoreihin, jotka pystyvät käyttämään vain kaasumaisia ja nestemäisiä polttoaineita. Tällöin uusiutuvien energianlähteiden hyödyntäminen näiden avulla on varsin vaikeaa.

KEKSINNÖN TARKOITUS

Keksinnön tarkoituksena on mahdollistaa CHP-järjestelmälle niin yksinkertainen rakenne, ettei siinä tarvita lainkaan kulumiselle alttiita toimilaitteita eikä siinä ole huoltotarpeita. Tällöin se on kustannustehokkaasti käytettävissä myös kohteissa, joissa energiantarve on varsin pieni, eikä voida olettaa, että paikalla on aina ammattitaitoista huoltohenkilöstöä ja tarpeellisia varaosia. Erityisesti tarkoituksena on myös mahdollistaa järjestelmän liittäminen osaksi olemassa olevaa tulisijaa siten, että tulisija toimii CHP-järjestelmän lämmönlähteenä ja järjestelmä hyödyntää tämän tulisijan savukaasujen lämpöä energiantuotannossa. Lisäksi tarkoitus on, että järjestelmän energianlähteenä voidaan käyttää mitä tahansa polttoainetta.

KEKSINNÖN SELOSTUS CHP-järjestelmän runkona toimii vesisäiliö, jonka vesitila voi olla avoin paineettomia järjestelmiä varten tai suljettu paineellisiin vesijärjestelmiin. Vesisäiliön keskiosaan muodostuu kanava, jonka kautta tulisijan kuumat savukaasut kulkevat. Vesisäiliön kuoressa on yksi tai useampia liitäntöjä tai hanoja säiliön täyttöä ja tyhjennystä sekä kuumennetun veden käyttöä varten, kuten yleisesti saatavilla olevissa piippulämmittimissäkin. Säiliö voi myös olla ylhäältä avoin paineettomissa järjestelmissä, jolloin veden lisääminen on erityisen helppoa.

Erona tavallisiin piippulämmittimiin on se, että vesisäiliön muodostamaan savukaasukanavaan on asennettu yksi tai useampia termosähköisiä generaattorielementtejä (TEG-elementti), joiden avulla järjestelmä tuottaa myös sähköä. TEG-elementti tuottaa lämpösähköisen ilmiön avulla tasavirtaa, kun sen kuuman puolen lämpötila on kylmänpuolen lämpötilaa korkeampi. Elementit voivat olla joko kiinnitettynä suoraan vesisäiliön seinämään tai niiden ja seinämän välissä on tarpeellisen muotoinen lämpöä johtava välikappale, jolla TEG-elementti ja vesisäiliön seinämä liittyvät tarkasti yhteen ja lämmönsiirto elementistä vesisäiliöön on tehokasta. Elementin tai elementtien päällä savukaasukanavan puolella on yleensä kohteeseen sopivasti mitoitettu lämmönkeruulevy, joka kerää lämpöä kanavan läpi kulkevasta savukaasuvirtauksesta sekä suojaa elementtiä ja sähköjohtoja liialta kuumuudelta. Yksi tällainen lämmönkeruulevy voi peittää joko yhden tai useamman TEG-elementin.

Edellä esitetty rakenne mahdollistaa sen, että järjestelmä toimii täysin ilman liikkuvia toimilaitteita. Lämmön siirtyminen savukaasuvirtauksesta lämmönkeruulevyihin on tehokasta ilman erillisiä puhaltimia, koska savupiipun veto saa tunnetusti aikaan virtauksen tulisijasta savupiippuun. Koska TEG-elementtien kylmä puoli on kiinnitetty suoraan CHP-järjestelmän vesisäiliöön, lämpö siirtyy veteen tehokkaasti ilman pumppuja tai puhaltimia, toisin kuin yleisesti käytössä olevissa järjestelmissä, jotka on varustettu erilaisilla lämmönvaihtimilla ja putkistoilla ja vaativat jatkuvaa veden pumppaamista.

Vesisäiliön savukaasukanavassa on yksi tai useampia vesitiiviitä läpivientejä, joiden kautta TEG-elementtien sähköjohtimet voidaan kuljettaa vesitilan läpi. Tällöin ei ole vaaraa johtimien eristeiden sulamisesta käytön aikana.

Vesisäiliön ylä- ja alapuolilla sijaitsevat kiinteät tai irrotettavat liitoskappaleet, joiden avulla järjestelmä pystytään liittämään tulisijan ja savupiipun väliin. Irrotettavilla liitoskappaleilla saavutetaan huomattavaa etua, koska tällöin sama CHP-järjestelmä sopii useisiin eri kohteisiin vain liitoskappaleita vaihtamalla.

Jos järjestelmässä on useita TEG-elementtejä, niitä voidaan kytkeä sarjaa- ja rinnankytkentöihin niin, että saavutetaan sopiva jännitetaso järjestelmän ulostulossa. Ne voivat olla sijoitettuna kanavaan savukaasun virtaussuunnassa peräkkäin tai vieretysten. Lisäksi järjestelmä voidaan varustaa akustolla, lataussäätimellä ja invertterillä, jolloin sähkön tuotanto tehostuu ja sähköä voidaan käyttää eri aikaan kuin CHP-järjestelmää. Invertteri mahdollistaa tavallisten vaihtosähkölaitteiden käytön tasavirtajärjestelmässä.

KUVALUETTELO

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin kuviin, joissa

Kuva 1 esittää sivulta katsottuna erästä keksinnön mukaista CHP-järjestelmää liitoskappaleineen.

Kuva 2 esittää alhaalta kuvattuna ilman liitoskappaleita erästä keksinnön mukaista CHP-järjestelmää, joka on varustettu yhdellä TEG-elementillä.

Kuva 3 esittää ylhäältä kuvattuna ilman liitoskappaleita erästä keksinnön mukaista CHP-järjestelmää, joka muodostuu ylhäältä avoimesta vesisäiliöstä ja on varustettu yhdellä TEG-elementillä.

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

Kuvissa 1-3 on käytetty seuraavaa osien numerointia: 1. Vesisäiliö, joka toimii CHP-järjestelmän runkona 2. Savukaasukanava 3. CHP-järjestelmän savukaasukanavan ja liitoskappaleen liittymäkohta 4. CHP-järjestelmän savukaasukanavan savupiippuun yhdistävä liitoskappale 5. Tulisijan ja CHP-järjestelmän savukaasukanavan yhdistävä liitoskappale 6. TEG-elementti 7. Lämmönkeruulevy 8. Vesitila 9. sähköjohtojen suojaputki vesitilassa 10. yhde putken tai hanan liittämiseksi

Kuvissa 1-3 on esitettynä eräs keksinnön mukainen CHP-järjestelmä, jonka vesitila on paineeton ja ylhäältä avoin. Kuvassa 1 nähdään järjestelmä varustettuna liitoskappaleilla 4 ja 5. Kyseinen suoritusmuoto on suunniteltu korvaamaan tavallinen saunankiukaan ja savupiipun välinen liitosputki siten että liitoskappale 5 asettuu tiiviisti kiukaan savukaasuyhteeseen ja liitoskappaleen 4 yläosa sopii savupiipun savukaasuyhteeseen. Tällöin muodostuu yhtenäinen savukaasukanava 2, joka johtaa tulisijasta liitoskappaleen 5, vesisäiliön 1 ja liitoskappaleen 4 läpi savupiippuun. Liitoskappaleita 4 ja 5 muokkaamalla samanlaiseen vesisäiliöön 1 rakennettu CHP-järjestelmä sopii useisiin eri kohteisiin, joissa tulisijan ja savupiipun savukaasuyhteiden koko ja sijoittelu voivat poiketa toisistaan. Järjestelmä on rakennettu kuvien 2 ja 3 esittämällä vesisäiliöön 1. TEG-elementti 6 on tässä tapauksessa kiinnitetty suoraan vesisäiliöön 1 ilman erillistä välikappaletta, joka on tarpeen, jos savukaasukanava 2 TEG-elementin 6 kohdalla ei ole levymäinen vaan on esimerkiksi pyöreä putki. Esitetyssä suoritusmuodossa savukaasukanavan 2 poikkileikkaus on TEG-elementin 6 kohdalla neliö, jolloin välikappale on tarpeeton. TEG-elementin 6 päällä savukaasukanavassa on lämmönkeruulevy 7, joka parantaa lämmönsiirron tehokkuutta savukaasuvirtauksesta sekä suojaa TEG-elementtiä 6 ja siitä suojaputkeen 9 kulkevia sähköjohtoja liialta kuumuudelta. Lämmönkeruulevy 7 voi olla kuvien 2-3 mukaisesti varustettu lämmönsiirtoa tehostavin rivoin tai se voi olla levymäinen kappale. TEG-elementtien läpi sekä suoraan savukaasuvirtauksesta vesisäiliöön siirtynyt lämpöenergia lämmittää vesisäiliössä 1 olevan veden, jota voidaan käyttää kuvan 2 yhteeseen 10 kytkettävän hanan tai vastaavan sulkulaitteen avulla. Vesisäiliöön voi myös olla sijoitettuna yksi tai useampi lämmönvaihdin, mikä mahdollistaa lämpöenergian siirtämisen vesisäiliöstä lämmönvaihtimen läpi virtaavaan aineeseen. TEG-elementistä 6 tulevat sähköjohtimet tuodaan vesisäiliön ulkopuolelle, tässä tapauksessa yläreunaan, vesitiiviin suojaputken 9 sisällä. Tämä estää veden pääsyn savukaasukanavaan 2 ja samalla sähköjohtimien sijoittaminen vesitilaan estää tehokkaasti niiden kuumenemista. Näistä johtimista saatavaa sähköenergiaa voidaan hyödyntää joko suoraan esimerkiksi valaistuksessa tai lataussäätimen avulla akun tai akkujen lataamisessa, joista sähköä voidaan hyödyntää myöhemmin.

Vesisäiliön 1 sisällä sijaitsevan savukaasukanavan 2 pintaan voidaan asentaa TEG-elementtejä myös useita. Niitä voi olla sijoitettuna koko savukaasukanavan pituudelle tai vain osalle siitä. Lämmönsiirto savukaasuvirtauksesta veteen on tehokkaampaa sellaisella osalla, jossa ei ole TEG-elementtiä 6 ja lämmönsiirtolevyä 7, jotka vastustavat lämmön siirtymistä. Näin ollen joissain suoritusmuodoissa voi olla edullista jättää osa savukaasukanavan 2 pinnasta kuvien 2 ja 3 mukaisesti ilman TEG-elementtejä 6.

Edellä esitetty selitys tarjoaa ei-rajoittavan kuvauksen eräistä keksinnön suoritusmuodoista. Alan ammattilaiselle on selvää, ettei keksintö rajoitu tässä esitettyihin yksityiskohtiin, jotka kuvaavat vain eräitä keksinnön suoritusmuotoja ja siksi on selvää, että keksintö voidaan toteuttaa useilla vastaavilla tavoilla ja edellä esitetty selitys on vain periaatteita kuvaava selostus, eikä siten rajoita keksintöä. Keksinnön suojapiiriä rajoittavat ohessa annetut suojavaatimukset.

Claims (4)

SUOJAVAATIMUKSET

1. Kraftvärmesystem som består av en vattenbehållare (1) som innehåller en rökgaskanal (2) i vilken ett eller flera TEG-element (6) och en värmeupptagningsskiva (7) har placerats för elproduktion, och kraftvärmesystemet är avsett att placeras mellan en vanlig eldstad och en skorsten, kännetecknat av att ett eller flera TEG-element (6) som har täckts med en värmeupptagningsskiva (7) har placerats fördelaktigt i den rökgaskanal (2) som utgörs av vattenbehållaren (1) för att anordna elproduktion.

1. CHP-järjestelmä, joka muodostuu vesisäiliöstä (1), jonka sisällä on savukaasukanava (2), johon on sijoitettu yksi tai useampi TEG-elementti (6) ja lämmönkeruulevy (7) sähköntuotantoa varten ja CHP-järjestelmä on tarkoitettu sijoitettavaksi tavallisen tulisijan ja savupiipun välille, tunnettu siitä, että vesisäiliön (1) muodostamaan savukaasukanavaan (2) on edullisesti sijoitettuna sähköntuottamisen järjestämiseksi yksi tai useampi lämmönkeruuelementillä (7) peitetty TEG-elementti (6).

2. Kraftvärmesystem enligt skyddskrav 1, kännetecknat av att en eller flera värmeväxlare har placerats i vattenbehållarens (1) vattenrum, vilka kan användas för att värma upp ett medium som förs genom värmeväxlaren.

2. Suojavaatimuksen 1 mukainen CHP-järjestelmä, tunnettu siitä, että vesisäiliön (1) vesitilaan on sijoitettu yksi tai useampi lämmönvaihdin, jonka avulla voidaan lämmittää siihen johdettavaa väliainetta.

3. Kraftvärmesystem enligt skyddskrav 1 eller 2, kännetecknat av att två eller flera TEG-element (6) har placerats under en värmeupptagningsskiva (7).

3. Suojavaatimuksen 1 tai 2 mukainen CHP-järjestelmä, tunnettu siitä, että yhden lämmönkeruulevyn alle on sijoitettu kaksi tai useampia TEG-elementtejä.

4. Jonkin edellisen kohdan mukainen CHP-järjestelmä, tunnettu siitä, että yhden tai useamman savukaasukanavaan sijoitetun TEG-elementin (6) ja vesisäiliön (1) savukaasukanavan (2) seinämän välille on järjestetty edullinen välikappale jolla TEG-elementti (6) kiinnittyy tiiviisti savukaasukanavan (2) seinämään. SKYDDSKRAV

4. Kraftvärmesystem enligt något av de föregående skyddskraven, kännetecknat av att ett fördelaktigt mellanstycke har anordnats mellan väggen till vattenbehållarens (1) rökgaskanal (2) och ett eller flera TEG-element (6) som placerats i rökgaskanalen, genom vilket mellanstycke TEG-elementet (6) fästs tätt vid rökgaskanalens (2) vägg.