NO20101725A1 - Anordning og metode for energiforsyning ved kraftvarmeverksystem til en bygning eller en farkost - Google Patents

Abstract

Anordning og metode for energiforsyning ved kraftvarmeverksystem til en bygning eller en farkost Kraftvarmeverksystem (3) hvor minst en varmemaskin (32) er tilkoplet minst en arbeidsmottaker (34), og varmemaskinen (32) er innrettet til å kunne benytte et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase, og det i varmemaskinen (32) er anordnet minst en varmeveksler (321) som står i termisk kontakt med minst ett ekspansjonskammer (322). Det beskrives også en framgangsmåte for energiforsyning til en bygning (1) eller en farkost (2).

Description

ANORDNING OG METODE FOR ENERGIFORSYNING VED KRAFTVARMEVERKSYSTEM TIL EN BYGNING ELLER EN FARKOST

Det beskrives et kraftvarmeverksystem hvor minst en varmemaskin er tilkoplet minst en arbeidsmottaker. Det beskrives også en framgangsmåte for energiforsyning til en bygning eller en farkost.

Kraftvarmeverk har i den senere tid blitt mer og mer aktuelt, da det ofte viser seg å være gunstig å produsere elektrisk energi i tillegg til varme fra en varmekilde. Pa eng-elsk benyttes begrepene CHP (Combined Heat and Power) og uCHP (micro-CHP) om kraftvarmeverk. I det etterfølgende vil begrepet CHP benyttes for enhver form for kraftvarmeverk.

CHP-systemer produserer både elektrisk energi og termisk energi (varme) fra flere ulike varmekilder. Varmekilder kan bl.a. være sol, brensler og geotermiske brønner. Brensler kan være olje, gass, ved, flis, halm, trepellets, søppel, alkoholer etc. For å produsere elektrisk energi i CHP-systemer benyttes det som oftest en varmeenergi-maskin, mer generelt også kalt varmemaskin. En varmemaskin er en innretning som konverterer varmeenergi til mekanisk energi, som igjen kan konverteres til elektrisk energi ved hjelp av en generator. Fra tidligere er det kjent flere systemer for CHP. Eksempler på moderne CHP-systemer er bl.a. illustrert i US 2010/0244444 Al og WO 2007/082640.

Fordelen med CHP er at man kan oppnå en høy energiutnyttelse av varmen, da spillvarmen som gjenstår etter at man har konvertert noe av energien til elektrisitet kan benyttes direkte til oppvarming, og man får da en svært høy totalvirkningsgrad på systemet.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav.

I forbindelse med implementering av CHP-systemer må det ofte tas flere spesielle hensyn, da systemene ofte skal opereres i forbindelse med bygninger eller farkoster, slik som f.eks. boliger eller båter. Slike hensyn kan være at kostnadene må begren-ses, at størrelsen til CHP-anleggene må minimeres pga. plassbegrensninger, pålitelig-heten må være god, eksos må avledes på en sikker måte, komponenter som har høye temperaturer må gjøres utilgjengelige slik at ikke mennesker eller dyr kan skade seg etc. På grunn av slike hensyn vil det ofte være et behov for å gjennomføre spesielle tiltak som ellers ikke vil være nødvendige ved tilsvarende teknologi installert i andre sammenhenger.

Tiltak som kan være ekstra gunstige å gjennomføre er å sikre at teknologien er billigst mulig, enklest mulig å vedlikeholde, mest mulig driftssikker samt liten i fysisk omfang og vekt. Da CHP-systemer benytter seg av varmemaskiner for å produsere elektrisitet, vil det være naturlig å legge fokus på spesielle tiltak som kan sikre at varmemaskine-ne nettopp har disse egenskapene.

I dag fins det i praksis bare noen få varmemaskinteknologier som benyttes for CHP-systemer. De vanligste er Stirling-motorer, ORC-motorer og omdesignede Otto-motorer (bensinmotorer) som benytter seg av for eksempel naturgass istedenfor ben-sin. Alle har ulike fordeler og ulemper, men noen fellestrekk ved de eksisterende teknologiene er at de ofte er dyre og krever avansert vedlikehold.

Stirling-motorer jobber ofte med svært høye arbeidstrykk, noe som gjør at de meka-niske belastningene er store, noe som igjen går ut over kost, pålitelighet og vedlike-holdssituasjonen. ORC-maskiner benytter ofte turbiner som ekspansjonsmekanismer, og disse er svært dyre, i tillegg til at de krever en fordamper, en komponent som tar mye plass. Ombygde Otto-motorer er dyre, krever forholdsvis avansert vedlikehold bl.a. pga. at de har intern forbrenning, og de kan ikke benytte andre varmekilder enn brensler egnet for nettopp internforbrenning.

Som et forbedret alternativ til disse teknologiene vil en stempelbasert tofaset varmemaskin med minst en intern varmeveksler i minst ett ekspansjonsvolum kunne benyttes. En tofasevarmemaskin er kjennetegnet ved at den benytter et fluid som veksler mellom væske- og gassfase.

Tofase-varmemaskiner har den fordelen at de kan oppnå relativt høy effekttetthet selv ved lavere trykk, da faseovergangen fra væske til gass kan gi et høyt ekspansjonsfor- hold, samtidig som det krever relativt lite energi å pumpe et fluid i væskeform i for-kant av ekspansjonen, i motsetning til i en varmemaskin hvor det kun benyttes en gass. Effekttettheten til en varmemaskin er ofte definert som levert effekt per maskin-volumenhet eller levert effekt per maskinmasseenhet. Ved å benytte en tofasevarmemaskin med intern varmeveksler i ekspansjonsvolumet, kan man tilføre ekstra varme under ekspansjonen, slik som i en Stirling-motor, noe som fører til økt effekttetthet, som kan være med på å redusere størrelsen på motoren ytterligere. En ORC har kun adiabatisk ekspansjon, dvs. ekspansjon uten varmetilførsel, og vil ikke kunne dra nytte av denne fordelen. For ekspandere er stempelprinsippet det enkleste og bil-ligste alternativet. Dessuten er de fleste motorer som produseres i dag stempelmoto-rer, noe som gjør at man kan produsere stem pel baserte motorer basert på svært til-gjengelig teknologi. Dette har en positiv effekt på bl.a. kost og vedlikehold.

Ved å benytte seg av 2-fase stem pel baserte varmemaskiner med interne varmeveks-lere i ekspansjonsvolumene vil man kunne forbedre dagens CHP-systemer med hensyn på kost, størrelse, vekt, pålitelighet og vedlikehold.

Oppfinnelsen vedrører i et første aspekt mer spesifikt et kraftvarmeverksystem hvor minst en varmemaskin er tilkoplet minst en arbeidsmottaker, kjennetegnet ved at varmemaskinen er innrettet til å kunne benytte et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase, og det i varmemaskinen er anordnet minst en varmeveksler som står i termisk kontakt med minst ett ekspansjonskammer.

Arbeidsmottakeren kan være en generator. Alternativt kan arbeidsmottakeren være en aksling.

Oppfinnelsen vedrører i et andre aspekt mer spesifikt en framgangsmåte for energiforsyning til en bygning eller en farkost, kjennetegnet ved at framgangsmåten omfatter følgende trinn: å tilveiebringe i eller ved bygningen eller farkosten et kraftvarmeverksystem omfattende minst én varmemaskin som er innrettet til å kunne benytte et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase, og det i varmemaskinen er anordnet minst én varmeveksler som står i termisk kontakt med minst ett ekspansjonskammer;

å kople den minst ene varmemaskinen til én eller flere arbeidsmottakere;

å overføre mekanisk energi fra den minst ene varmemaskinen til minst én av én eller flere arbeidsmottakere; og

å overføre termisk energi fra kraftvarmeverksystemet til bygningen eller farkosten.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser skjematisk et CHP-system installert i eller i tilknytning til en

bygning, i dette eksemplet en bolig delvis vist gjennomskåret;

Fig. 2 viser skjematisk et CHP-system installert i eller i tilknytning til en farkost,

i dette tilfellet en båt; Fig. 3 viser skjematisk grunnleggende komponenter i et CHP-system og dets mulige forbindelser til forbrukere, som kan defineres som enhver enhet som forbruker energi som produseres av CHP-systemet; og Fig. 4a og b viser eksempler på ekspansjonsanordninger for en varmemaskin med

varmeveksler i ekspansjonskammeret.

Pa figur 1 angir henvisningstallet 1 en bygning hvor det er anordnet et kraftvarmeverksystem 3 i en kjeller. En alternativ plassering av kraftvarmeverksystemet er angitt med henvisningstallet 3', her indikert utenfor bygningen 1.

Få figur 2 er det vist en farkost hvor kraftvarmeverksystemet 3 er anbrakt innvendig i farkosten. Det er også indikert en alternativ plassering av kraftvarmeverksystemet 3', her anordnet i umiddelbar nærhet av farkostens 2 opplagsplass.

Det henvises så til figur 3. Kraftvarmeverksystemet 3 er her vist skjematisk. Kraftvarmeverksystemet 3 er via et multienergiuttak 39 tilkoplet en energiforbruker 4. En varmekilde 31 står i termisk forbindelse med en varmemaskin 32 som igjen står i termisk forbindelse med en kuldekilde 33. Varmekilden 31 leverer en energimengde Qvtil varmemaskinen 32. Fra varmestrømmen Qvmellom varmekilden 31 og varmemaskinen 32 kan det ved hjelp av et varmetapningspunkt 311 leveres høyverdig varmeenergi QAvtil energiforbrukeren 4 via et varmekildevarmeuttak 391.

Varmemaskinen 32 er tilkoplet en arbeidsmottaker 34, typisk en generator, og fra denne kan det via et energiuttak 392, typisk et elenergiuttak, leveres energi PEi.til energiforbrukeren 4.

Fra en restvarmestrøm QKmellom varmemaskinen 32 og kuldekilden 33 kan det ved hjelp av et spillvarmetapningspunkt 329 leveres restvarmeenergi QaKtil energiforbrukeren 4 via et spillvarmeuttak 393.

Varmekildevarmeuttaket 391, elenergiuttaket 392 og spillvarmeenergiuttaket 393 tildanner sammen multienergiuttaket 39. Multienergiuttaket 39 tildanner et hensiktsmessig grensesnitt mellom kraftvarmeverksystemet 3 og et distribusjonsnett (ikke vist) hos energiforbrukeren, for eksempel for distribusjon av elektrisk strøm til oppvarming og lys samt varmeenergi til romoppvarming etc.

Pa figur 4 er det vist skjematiske eksempler på varmemaskinens 32 ekspansjonskammer 322 og den tilhørende varmeveksleren 321 hvor det tilføres en energimengde Qv. Et arbeidsfluid med strømningsrate m strømmer inn i ekspansjonskammeret 322 gjennom et arbeidsfluidinnløp 323 og med samme strømningsrate m ut fra ekspansjonskammeret 322 gjennom et arbeidsfluidutløp 324.

Kraftvarmeverksystemet 3 anbringes i bygningen 1 eller farkosten 2 hvor det er behov for energitilførsel QAv/Peu Qaktil én eller flere energiforbrukere 4. Varmekilden 31 skaffer til veie en høyverdig varmeenergi Qvtil varmemaskinen 32 for eksempel ved flis-, pellets-, ved-, olje- eller gassfyring, varmegjenvinning fra ventilasjonsluft og andre spillvarmekilder, prosessvann etc. En andel av varmeenergien Qvkan ved behov anvendes ved tapping fra varmetapningspunktet 311 for anvendelse i forbruker(e) 4 som behøver høyverdig energi for å kunne fungere effektivt.

Varmemaskinen 32 omdanner en andel av den tilførte varmeenergien Qvtil mekanisk energi ved at arbeidsfluidet m på i og for seg kjent vis ekspanderer i ekspansjonskammeret 322 på grunn av oppvarmingen. Ekspansjonen tilveiebringer, eventuelt ved hjelp av en transformering av en translasjonsbevegelse til rotasjon, drift av arbeidsmottakeren 34 som i en foretrukket utførelse er en generator som kan produsere elektrisk strøm som via elenergiuttaket 392 kan fordeles på et distribusjonsnett (ikke vist) hos forbrukeren 4.

Ved behov kan en andel av restvarmen QKsom normalt overføres fra varmemaskinen 32 til kuldekilden 33, distribueres via spillvarmeuttaket 393 til forbrukeren 4 hvor mottakere (ikke vist) som kan anvende lavverdig energi, nyttiggjør seg denne spillvarmen på en hensiktsmessig måte, f.eks. til oppvarming. Dersom varmeenergibehovet hos forbrukeren 4 er stort nok, vil hele spillvarmen QKfra varmemaskinen 32 kunne distribueres til forbrukeren 4, og følgelig vil kuldekilden 33 ikke måtte motta noe av denne. I et videre eksempel hvor forbrukeren 4 garantert vil kunne forbruke hele spillvarmen QKfra varmemaskinen 32, vil funksjonen til den selvstendige kuldekilden 33 da kunne utgjøres av forbrukeren 4, slik at denne også vil ha funksjon som kuldekilde 33.

Claims (4)

1. Kraftvarmeverksystem (3) hvor minst en varmemaskin (32) er tilkoplet minst en arbeidsmottaker (34),karakterisert vedat varmemaskinen (32) er innrettet til å kunne benytte et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase, og det i varmemaskinen (32) er anordnet minst en varmeveksler (321) som står i termisk kontakt med minst ett ekspansjonskammer (322).

2. Kraftvarmeverksystem i henhold til krav 1,karakterisertved at arbeidsmottakeren (34) er en generator.

3. Kraftvarmeverksystem i henhold til krav 1,karakterisertved at arbeidsmottakeren (34) er en aksling.

4. Framgangsmåte for energiforsyning til en bygning (1) eller en farkost (2),karakterisert vedat framgangsmåten omfatter følgende trinn: å tilveiebringe i eller ved bygningen (1) eller farkosten (2) et kraftvarmeverksystem (3) omfattende minst én varmemaskin (32) som er innrettet til å kunne benytte et arbeidsfluid som veksler mellom væske- og gassfase, og det i varmemaskinen (32) er anordnet minst én varmeveksler som står i termisk kontakt med minst ett ekspansjonskammer (322); å kople den minst ene varmemaskinen til én eller flere arbeidsmottakere (34); å overføre mekanisk energi fra den minst ene varmemaskinen (32) til minst én av én eller flere arbeidsmottakere (34); og å overføre termisk energi fra kraftvarmeverksystemet (3) til bygningen (1) eller farkosten (2).