TW200301342A - A domestic combined heat and power unit - Google Patents

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0) 玖Λ發W說每 (發明說明遍明$明所屬之技術領域、先前技術：内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明背景 技術領域 本發明係關於一種區域熱電聯產單元。 先前技術 對住宅的供電無法始終保證無虞，且可因各種外部條件 而發生故障。區域加熱裝置一般需包含一電源（甚至包含主 要燃料是燃氣者）以供電給控制電路及點火器等。因此，幹 線供電故障使住宅失去其熱及照明裝置等的主要來源。在 此種故障事件中，用戶一般會承受極大的不便，而對於偏 遠地區的居民以及老人和小孩，這更是非常嚴重的問題。 對住宅備用發電設備的配置一般包含發動機駆動之發電 機’其需要在故障發生後連接入隔離電路中。接著，這些 發電機即對該區域電路供電，直到網路供電恢復。此時需 要關閉並切斷發電機的連線，並重新與幹線電源相連。此 配置提供備用電源，但其缺點有··發電機的儲存及/或需要 時的移位、發電機的另外燃料儲存、確保其可靠性的日常 維護以及安全轉換的需要。此種設備不能在城市住宅中使 用’因為那裏沒有足夠空間（例如車庫）可容納發電機。 目刖已開發出併入一内部電源的區域加熱系統，例如在 專利案號DE29706869中所說明，其中一備用蓄電池可在— 有限時間内對該加熱系統供電。然而，一長時間斷電仍會 導致熱能的流失。 現有的區域光生伏打系統（photo - voltaicsystems)可提 • 6 - '20030134 ⑺ 發2月說萌續頁 供一備用電源，但其取決於天氣條件並需要曰光來發電。 風力也係取決於外部條件，因此也不能作為緊急供電情況 下的依靠。燃料電池係一潛在的備用電源，如在專利案號 JP 43 0 8432中所說明者，其中使用太陽能電池或燃料電池 來提供備用電源，但只供應一直流電（DC)系統。該備用裝 置係在任何設備之外，且並非專屬於一加熱系統。

最近，本受讓人提出一種區域熱電蹭產（domestic combined heat and power，dchp)單元，其包含一、線性自 由活塞史特靈發動機（linear free piston Stirling engine ; LFPSE)。Dann等人在1998年聖地牙哥召開的國際 燃氣研究會議（International Gas Research Conference) 中發表的 「應用於住宅的微型聯產（斛丨(：1~0忌611-C〇g e n e r a t i ο n f 〇 r t h e h 〇 m e )」中回顧了一微型聯產系統 的規格需求，並且介紹了史特靈發動機區域熱電聯產單元 的原理。如該論文所指出的，區域熱電聯產單元令人滿意 的一項功能就是在斷電時提供備用電源。該文並指出（但未 詳細解釋），此種電源的供應具有其淺藏的含義。 本發明特別關注（但不僅僅包含）研究由一區域熱電聯產 單元提供備用電源的含義。 發明内容 本發明提供一種在住宅中供應熱和電力需求的區域電源 系統，該系統包含連接至一幹線電源的一連結，該幹線電 源在正常作業條件下至少部分滿足該區域電力需求；一具 有燃料供應的區域熱電聯產單元，其產生至少滿足該住宅 '20030134 (3) 發萌說明讀頁 一部分供熱需求的電力輸出和熱輸出，該單元可在無幹線 供電時操作；偵測幹線供電中斷的構件；以及在無幹線電 源時，自動將該區域熱電聯產單元的電力輸出傳送至一電 力需求比該區域總電力需求為低的選定耗電裝置的構件。

該區域熱電聯產單元藉著消耗一燃料供應源的燃料，在 幹線電源存在的正常操作中至少部分供應熱和電力的需 求。當幹線電源中斷時，則使用上述相同單元和燃料供應 產生電力以供電給耗電裝置。該區域熱電髒產單元的最大 電力輸出通常不足以提供足夠電力以滿足後一種情形中的 正常總區域需求。因此，依據本發明，所產生的電力係優 先用於供電給該區域熱電聯產單元的作業系統，以繼續產 生熱輸出。然而，仍企求在幹線斷電期間由該區域熱電聯 產單元提供的電力位準亦足以使得的其它選定電力驅動裝 置（例如某些照明裝置）及電器設備能對用戶提供一定程度 的效用。然而，為防止從該區域熱電聯產單元汲取額外的 電力（例如在一斷電期間）而導致史特靈發動機的熄火，在 幹線電源存在期間（或即使在一斷電期間），本發明提供燈 或電插座所需的部分（但不是全部）電力。在一項較佳具體 實施例中，在一幹線供電中斷期間，只對某些家用插座供 電。或者，可根據某一電流需求而減小供應給插座的電壓， 從而也同樣限制了從該區域熱電聯產單元汲取的總電力。 由於該備用發電不是由電池供電，只要有燃料供應，它就 可持續發電。 當該系統在無幹線電源情況下作業時，唯一的電源係由 ' 200301342 發钥說明續頁 (4) 該區域熱電聯產單元供應，用戶可能會要求一額外電力負 載，其也許會損害該區域熱電聯產單元。若用戶要求一額 外負載，可簡單地使用一保險絲來切斷該選定耗電裝置的 電源。然而，該系統最好係進一步包含偵測該選定耗電裝 置所要求之電力負載的構件，以及當該要求電力超過一臨 界值時減小供應給該選定裝置的峰值電壓的構件。使用此 種方法，用戶電器性能的顯著降低（例如燈光變暗）將警告 他在試圖汲取過多電力。這樣，他就可採取行動減少其電 力消耗。若用戶未採取此類行動，該系統最好還包含一構 件，在所要求電力大於一臨界值超過一預定時間後，該構 件將切斷該選定耗電裝置的連線。 主要的目的係使用區域燃氣供應來供電給該區域熱電聯 產單元，因這是最普遍提供的燃料來源。然而，也可使用 其它可燃氣體，例如液化石油氣（LPG)、液化天然氣（LNG) 或沼氣（biogas)或液體燃料。在定期補充有限液體燃料供 應的偏遠住宅中，其緊急發電能力確實有限。然而，該能 力仍然大大超過任何市售電池的能力。另外，在此種情形 中，本發明最好更包含一分離發電機，因為可節省此種發 電機的費用及避免手動啟動該發電機的不便。 目前的選擇係使用一史特靈發動機作為區域熱電聯產單 元。該史特靈發動機最好係一線性自由活塞史特靈發動 機。此點提供多方面的益處。例如，它是一密封單元，幾 乎不需要維護，並且同步操作以提供一穩定電力輸出。 該選定耗電裝置可以是與住宅中主要電路完全分離的組 0301342 j_ ⑸ 1發钥說胡續頁 件（例如一緊急照明電路）。然而，這涉及到線路和設備的 複製。或者，該選定耗電裝置可以是在具有數個環形電路 之住宅中一環形電路上的裝置。然而，該系統最好具有在 無幹線電源時可選擇性切斷各種耗電裝置的連線之構件。 若偵測幹線供電中斷的構件也可偵測幹線供電的主電壓 或頻率是否超出可接受位準’則可以有一進一步操作模 式。這使該系統可以在幹線品質不佳時將某項設備與幹線 電源分離，而由該區域熱電聯產單元供電給該設備。如此 即可保護敏感設備，而較不敏感設備則仍可由幹線供電。 在一區域熱電聯產單元的正常操作中，在高熱量需求和 低電力需求的時候，該單元可以將額外電力輸出至電網。 當它與電網切斷連線時，此點不再可能。因此，該系統最 好有一電力吸收器（e 1 e c t r i c a 1 s i n k)來消耗額外電力。該 電力吸收器最好係一水冷式電阻器的形式。這樣就將額外 的電量轉換為熱量，其可被有效使用，因為這實質上是一 高熱量需求下的操作模式。 反之1若電力需求高，但熱需求低，在正常作業條件下， 該單元將純粹由電網滿足電力需求，而操縱該區域熱電聯 產單元來滿足熱需求。在獨立於電網的操作中，這是不可 能的。因此，最好提供一熱吸收器。它最好係一補充風扇 的形式，其可以消散該區域熱電聯產單元的熱輸出。 該區域熱電聯產單元操作的性質使得其一部分時間係在 發動機/發電機關閉的狀態。若幹線供電在此種情況下中 斷，最好仍能啟動該區域熱電聯產單元以供應熱和緊急電 -10- '200301342 _ (6) 發明說钥續頁 源。因此，該區域熱電聯產單元最好包含一史特靈發動機， 其包含將熱能輸入該發動機頭以驅動一往復構件的一燃燒 器，該往復構件經由一交流發電機產生電力輸出；以及一 啟動系統，其包含用於控制該單元啟動的控制構件、一點 燃該燃燒器的點火器、一供應該發電機電脈衝的脈衝產生 器，以在該控制構件判定該發動機頭已達一臨界溫度時啟 動該往復構件，以及一局部有限電源供應，以在該啟動操 作期間供電給該控制構件、點火器和脈衝產生器。 此單元形成本發明的另一項觀點，其可與本發明的第一 項觀點一同使用，或獨立使用。具體而言，本發明的另一 項觀點提供一區域熱電聯產單元，該單元包含一史特靈發 動機，其包含將熱能輸入該發動機頭以驅動一往復構件的 一燃燒器，該往復構件係經由一交流發電機產生電力輸 出；以及一啟動系統，其包含用於控制該單元啟動的控制 構件、一點燃該燃燒器的點火器、一供應該發電機電脈衝 的脈衝產生器，以在該控制構件判定該發動機頭達到一臨 界溫度時啟動該往復構件，以及一局部有限電源供應，以 在該啟動操作期間供電給該控制構件、點火器和脈衝產生 哭 。 該有限局部電源最好係一直流電電源，例如一電池，但 也可為（例如）一或多個電容器。該電源只需要為該控制構 件、點火器和脈衝產生器供電。因此，其與需要電池來提 供所有備用電源的現有應用完全不同。一旦該史特靈發動 機運轉起來，可立即開始對電池重新充電。 -11 - '200301342 發玥說萌續頁 ⑺ 本發明的另一項觀點提供一區域電力系統，其提供一住 宅中的熱電需求，該系統包含連接至一幹線電源的一連 結，該幹線電源至少部分滿足正常作業條件下的區域電力 需求；一具有一燃料供應的區域熱電聯產單元，其使用實 質上等於幹線供電的一正常作業電壓產生電力輸出以及至 少滿足該區域一部分熱需求的熱輸岀，該單元係可在無幹 線供電時操作；一偵測該幹線供電中斷的偵測器；一轉換 該熱電聯產單元之電力輸出的開關，以在該偵測器發現幹 線斷電時至少供應該區域電力需求的一部分；以及一單元 電源限制器，其配置為在該單元供應該區域電力需求期 間，當區域電力需求所要求的電流將超過正常作業電壓下 可從該單元汲取的最大電流時，控制該單元輸出的即時峰 值電壓的值小於其正常作業電壓。 實施方式 該區域熱電聯產單元系統係基於如圖1所示的一史特靈 發動機1的設計理念。該發動機最好係一線性自由活塞史特 靈發動機，其操作在本技術中為眾所熟知。為在一區域熱 電聯產單元系統中使用，該發動機的電力輸出應為一 1 6A 安培的單相輸出。 該史特靈發動機1係由發動機燃燒器2的一熱輸入驅動。 該燃燒器係由可燃氣體供應3供應燃料，該可燃氣體供應在 一閥5的控制下與一空氣供應4混合。該混合流由一風扇6 傳送至燃燒器2。其以本技術熟知的方式驅動該史特靈發動 機，以從一線性交流發電機產生一電力輸出7。冷卻器8將 -12- '200301342 i_ (g\ 發頭說明續頁 熱從該史特靈發動機中擷取出來，該冷卻器8實質上係一熱 交換器，通過該冷卻器的水由一泵9沿著線路1 0輸送。接 著，通過冷卻器8的水進一步由來自發動機燃燒器的排氣在 一熱交換器1 1中加熱，該發動機燃燒器係已加熱該史特靈 發動機頭。為提供水的進一步加熱，並在該史特靈發動機 不運作時提供水加熱之一定程度的獨立性，本發明提供一 補充燃燒器1 2以在熱交換器11中加熱水。該補充燃燒器係 由可燃氣體供應3供以燃料，該可燃氣體供應在一閥1 5的控 制下與一空氣供應1 4混合。該混合流係由風扇6傳送至補充 燃燒器1 2。 風扇6通過一確保正確空氣流至每個混合器的分流器閥 (未顯示）將空氣傳送至混合器閥5和1 5。 另一項設計使用分離風扇來將空氣傳送至該二燃氣/空 氣混合器5、1 5。這樣就不需要分流器閥，但如我們的共同 待審查專利案號GB0 1 3 0 3 80. 9所說明的，這意味著相對於單 一風扇設計的顯著重量、成本和效率損失。 來自發動機燃燒器2和補充燃燒器1 2的排氣（茛已在熱交 換器11中散去其熱量）接著沿管道1 7離開。以此方式，史特 靈發動機1產生一電力輸出7和一熱輸出18，其可用來（例 如）提供區域熱水需求，或供應一中央加熱系統，或在一結 合配置（「結合」鍋爐）中同時供應這兩者。 本發明所提議的區域熱電聯產單元系統係設計用於提供 上至lkW的（淨）電量，將其直接傳送入該區域電力網路，並 與來自電網的供應相結合。圖2顯示併入一區域熱電聯產單 -13 - (9) (9)* 20030134 發明說钥續頁 元並且與電網供電平行連接的區域電路的最 結配 置。 在圖2的配置中’來自電網2。的供電經由一電網保險絲 21進入住並在通過-包含諸如隔離器、斷路器及⑽ 的標準用戶單元23之前通過區域電錶22。電力由此傳送至 區域負載2 4。 一區域熱電聯產單元25包含圖1中的史特靈裝置以及一 控制板26和電網介面27。交流發電機28係提及產生電力輸 出7之史特靈發動機1時所說明的交流發電機，而熱區段29 係對應一於產生熱水輪出以的燃燒器2、12及熱交換器u。如 圖2所不’來自交流發電機28的電力輸出係沿著線路30供應 給電網介面2 7，#、、;c益仏&。 /口者、、泉路31供應給熱區段29，以供應這 些組件基本的電力兩$ 一 而’。在該配置中，該區域熱電聯產單 7L只在電網供應存在時兩，

x包’因此它不疋一獨立於雪網系 統之外。 U 電網介面2 7在專到宏$ „ ^ ^ •案竣W〇-A-0 1 / 6 9 0 78中已有詳細說 明。六係位於該區域埶磁 上「& ^ 產單元内，並允許該單元在正 ^ 軟」啟動和史特霤發私 ^ N A r ' 動機關閉期間（即與幹線電源相連 時）連接至電網與切斷和雷 一,的連接。 控制板沿著線路3 2發# 押 ^ &適當信號以在適當時機啟動介面 繼電為，另外還控制誃單一 广' ^ 711的整體操作（控制供給燃燒器的 燃料寺）。也可使用其它雷 σ / …’介面技術，例如電子可變自動 變壓器（自耦變壓琴）戋替 “ 為’ *营代繼電器的同步反相器。 電網保護控制琴？ Β传 ° '、，利案號WO-Α-0 2/ 0 6 1 9 1 1中所說 ，14- 200301342 發現說钥續頁 (ίο) 明，並監控電網供應2 0。此係顯示於該區域熱電聯產單元 内部，但也可位於外部，或取決於局部配置而與用戶單元 或電錶整合。當來自電網的供電係落在預定電壓和頻率限 度之外時，電網保護控制器2 6以信號通知控制板3 3，其在 電網介面處切斷該單元與電網間的連線。為保護發電機和 網路本身，如此的切斷連線係必要的，並且滿足任何分佈 式發電系統的法定規格要求。發生切斷連線時的電流預設 置位準係正常作業位準時電壓的-10%至+10%，以及頻率的 -6 % 至 +1 %。 該區域熱電聯產單元系統係經由用戶單元23連接入區域 負載2 4，並且在電路中具有一補充保險絲和手動隔離器 34，以供該單元的安全安裝和移除。 上述系統已依據本發明相應調整，以提供在無幹線電源 時的熱電產生。為達到此項目的，對該系統的各種調整係 必要的，如參考圖3的下述說明。 在圖3所示的配置中，一旦幹線供電中斷連線，電網保護 控制2 6將繼續運作以監控幹線供電，從而在幹線供電回到 預設位準内時可立即將其重新連接。 除此以外，如圖3所示，提供一獨立於電網的模組3 5作為 一發動機啟動設備，其允許在沒有電網供應時重新啟動區 域熱電聯產單元2 5。以下將詳細說明該模組3 5。 在幹線供電故障時，電力係由交流發電機2 8沿著線路3 6 經由電網介面2 7和獨立於電網的模組3 5供應至一獨立於電 網的供應點3 7或插座3 8。 •15- 200301342 發钥說萌續頁 ⑼ 在圖3的配置中，獨立於電網的供應點3 7係連接至一第二 電路，其具有通常不與該主區域電路相連的設備。由於該 備用電路係一分離電路，故需對設備（緊急照明等）的某些 複製，且其在正常電網連接條件下係不可運作。 然而，該配置不提供一緊急電路以對用戶提供某些效 用。該緊急電路可提供的電力可上至該發電機發電能力， 減去單元服務裝置（泵、控制電路等）所要求的寄生電力， 其通常係所產生電力的約10%至20%，並且所安裝的備用設 備不能超過該位準。在該緊急電路中設置一保險絲以執行 該限制、確保安全性並保護該系統。 在該替代配置中，可安裝獨立於電網的插座3 8 (其實際上 是區域負載2 4的一子集，儘管為方便起見，在圖3中將其分 開描繪）。這些插座通常係由電網供電（若存在），而在幹線 故障時則由區域熱電聯產早元2 5供電。 在此項配置中，獨立於電網的控制係由獨立於電網的模 組35所提供，其可與區域熱電聯產單元控制板33整合在一 起。於是就有若干標準電插座可對由該用戶選擇的設備供 電。這樣就不必複製設備，因為這些插座將一直通電，不 論電網供應存在與否。 > 現在將爷考圖4說明該獨立於電網的模組。 獨立於電網的模組3 5提供該區域熱電聯產單元所要求的 在無外部電網供應時進行操作的額外功能。一電池、充電 器或類似電源41提供一有限電容供應，以允許獨立於電網 操作下的重新啟動（請看下文）。電力從該電源傳送至控制 -16- (12) (12)200301342 發明說網續買 電路、一點火器及火焰偵測器42，使得燃燒器能點燃，並 啟動脈衝產生器43以開始該史特靈發動機的往復動作。儘 管點火器和火焰偵測器42在圖5中係作為獨立於電網的模 組（Grid Independent Module)之一部分，或者其亦可為該 區域熱電聯產單元控制系統的_部分。 來自該交流發電機的電力經由電網介面2 7傳送給獨立於 電網的模組35。該交流發電機電壓係由一電壓控制系統 持續監控以保持在一安全操作位準之下，電壓控制系統45 使用波控制技術（wave control technology)通過電源傾卸 器47傾卸額外電力。其可為一氣冷式或（如在一浸入式加熱 器中的）水冷式電阻器。因此，利用幾亳秒的一時間常數即 可防止額外電壓’保護該史特靈發動機免受破壞性過電壓 的影響。若該過電壓係由於（例如）組件故障，則提供一巧 急斷電措施以關閉該發動機。 當電流上升超過一安全臨界值時，電流控制器46使用阻 抗變換波控制技術來控制該區域熱電聯產單元系統上的$ 外電力需求。電流控制器46可防止由於操作期間施加的_ 額外負載而導致的交流發電機的熄火。若用戶在獨兩 —Ί於電 網的操作期間連接太多負載，則會發生該額外負载。 在正常操作下’電流控制器4 6允許當波形峰值雪屍減】 時’電流以一受控方式上升’從而維持一可接受的雷力輪 出。這就提供一安全過電流警戒線，如下所沭。一 # ，〜一額外過 電流警告可以一光或音頻蜂鳴器48的形式提供，Α # /、知位於 該單元的外部，或位於該住宅内的一適當之可見位 ： 夏 0 -17- 20030154 (13) 發萌說钥續箅 電流控制器能夠改變電流/電壓的比率（保持電力不變）以 提供特定區域裝置要求的啟動電流（例如電視、電腦顯示 器、電動馬達）。 該高電流只在短時間内提供，其後若電流仍然相當高， 則將切斷該輸出。在低電壓下提供的高電流也確保該系統 在需要時可熔斷保險絲。 一替代性配置併入了與該區域負載電路串聯安裝的一額 外可變電阻器。如此可增加該負載電路的阻抗並減小電壓。 在自動電壓控制和電流控制中使用的波控制技術，係藉 著從輸入電力流汲取電流並重新組成電力以形成理想電壓 位準的一輸出波形進行操作。於是，所產生之電流係該驅 動裝置阻抗的一函數，即在自動電壓控制情形中的傾卸阻 抗，或在電流控制情形中的用戶負載阻抗。因此，波控制 的主要功能係使用一預先程式化之控制演算法以有目的地 改變輸出電壓幅度，以提供輸入電壓控制或輸出電流控制 兩種控制函數。 與傳統反相器技術相比’波控制技術可提供較南程度的 控制以及波形操縱。 發動機全黑啟動程序 該區域熱電聯產單元的控制策略（即：該單元只在經濟上 有利時才發電）使得區域熱電聯產單元不可避免地有一部 分時間係處於史特靈發動機關閉的狀態。該發動機的通常 啟動程序（軟啟動）係使用來自幹線電源的一電壓脆衝以開 始往復動作。在某些情況中，可能要求在沒有電網供應協 -18- '200301342 發萌說萌續頁 (14) 助的情況下啟動該發動機。

為此，該自供電區域熱電聯產單元包含一小型電池（如上 所述）以提供此種無助力啟動。一旦該區域熱電聯產單元開 始發電，該單元的電力輸出對該電池重新充電。該電池實 際上不提供備用電源，因此其大小可為一最小尺寸。目前 的選擇為一種小型可再充電電池（例如鉛酸電池、鎳鎘電池 或金屬S化鎳類電池），但也可併入其它任何再充電類電 池。也可使用其它各種替代之有限容量電力儲存裝置（例如 供入電容器）。由於其尺寸小，其可為一最小成本的可撤棄 型產品。除了該啟動電源要求（其由該電池滿足）之外，該 區域熱電聯產單元沒有外部電源要求，並可以持續獨立地 充分運作。

在幹線故障條件下的該啟動係一四步驟程序：（1)(由電 網隔離3 9 )隔離該區域電路以滿足網路安全要求；（2 )點燃 加熱頭燃燒器2 ;(3)當所記錄之加熱器頭溫度達到一目標 溫度時（例如攝氏2 2 0度），該備用電池提供一直流電方形波 電壓胍衝以啟動該交流發電機並因此開始該發動機的往復 動作；（4 )當加熱器頭溫度上升時，電力輸出增加以滿足備 用電力需求（在最大操作加熱器頭溫度時的最大電力輸出 約為 1. 1 kff)。 過電流警告 若在幹線斷電期間電器的電力需求超過史特靈發動機的 生產量，可能會對其造成損害。可以限制連接至該獨立電 路的設備，從而避免損害的發生。然而，若用戶可使用未 -19- 20030134 (15) 發萌說钥續頁 連接插座38，則對電力需求的控制即可掌握在用戶手中。 因此，在該備用電路中存在某種形式的過電流裝置以避免 對史特靈發動機的超載是很重要的。 這可以是一即時保險絲/跳脫閘（t r i p )，用來在超過限度 (例如用戶插入一額外設備）時立即切斷電源。這將導致完 全斷電，並且在涉及緊急設備的情況下是相當不便的。儘 管用戶對個別設備的電力消耗知識在此方面是有用的，但 不可依靠此知識將該電路中的需求維持在斷電臨界值之 下。 因此，可提供一替代配置，其對用戶有一 「高電流」警 告期。這將在下文中說明，並允許電流上升超過標稱最大 值_約1 0 %。在該過電流期間’電壓將成比例減小以將電力保 持在該發電機的限度内。這將導致該獨立於電網的電路中 安裝之設備的一較小性能退化。用戶將注意到此種退化， 因此就能警告該用戶將要超出限度。一過電流指示器也可 為一光或音頻蜂鳴器48的形式。然而，所允許之該電壓退 化將預先設置在一位準，使其不會導致對輸入電壓敏感之 設備的損害（如VCR機構、醫用泵等）。 提供該「高電流」警告的功能係由圖5中的電流控制4 6負 責。當發生一額外電流需求時，電流控制器4 6使用阻抗轉 換器功能減小電壓波形的振幅，從而減小峰值輸出電壓。 或者，電流控制器4 6控制與該區域負載電路串聯安裝的一 可變電阻器，以增加該負載的阻抗。如此即可以一控制方 式減小通過該負載的電壓，並允許電流上升以滿足該負 -20- '200301342 發萌說钥讀頁 (16) 載，而同時將該輸出電力保持在一安全操作位準。 由於其它區域電路的斷電，該用戶應該知道電路係處於 獨立於電網之條件下，並能夠理解過電流影響或其它警 告，其係表示需要限制安裝在該獨立於電網之電路中的設 備。若該用戶忽視該過電流指示，則將在最終限度超過時 導致一完全斷電，並因此導致強制降低該獨立於電網之電 力需求。儘管該獨立於電網的電路其它部分已切斷連線， 電力仍將繼續傳送給該區域熱電聯產單元服務裝置。因 此，即使斷電，該住宅將仍有供熱。一旦需求減小（例如將 設備·插頭從該電路上拔去）’將重新設置斷電’並且將恢 復對該獨立於電網的電路之供電。 由於退化之幹線電源品質而與電網切斷連線 除了幹線供電發生故障時的切斷連線，當由於使供電品 質退化的供電困難而導致幹線供電落在預設限度之外時， 也會與電網切斷連線。由於一低品質電源可對其供應的區 域設備產生有害影響，區域熱電聯產單元2 5可提供一替代 電源，使用戶可保護敏感設備免受任何供電變化的影響。 因此，切斷連線並不一定意味著幹線供電發生故障，它可 能僅代表幹線供電不在可接受電源品質的特定限度内。在 此種情況下，由該區域熱電聯產單元產生的電力將供應該 獨立於電網的電路，而幹線將繼續供應住宅的其它電器， 直到幹線供電恢復到可接受品質位準。 熱/電I載滿足 當區域熱電聯產單元25係與一幹線電源平行作業時，該 -21 - '200301342 發萌說鸮續頁 單元將輸出所產生的額外電力至電網，並運作以滿足該區 域熱需求。只要該熱需求充分，該發動機將以最大生產量 發電，並且將調整燃燒器，使其以最經濟的方式滿足該需 求。不必傾卸電力，因為電網將作為一電力吸收器，提供 一被動形式的電壓控制。這樣，對幹線相連單元的控制可 相對簡化。或者，熱需求低而電需求高。當與電網相連時， 該區域熱電聯產單元可滿足該熱需求，而額外電力係從電 網輸入以滿足該區域需求。 當幹線供電發生故障時，區域熱電聯產單元的操作模式 將由該區域電熱需求決定。當有熱需求時，史特靈發動機 必須運轉以產生足夠功率（約2 0 0 W)來供應該單元服務裝 置（控制電路、泵等）。將使用史特靈發動機燃燒器（設為其 最小輸出設置）來產生超過該需求的電力，故在對該額外電 力無局部需求時，需要將其傾卸。若沒有與電網相連，該 電力吸收器必須係位在該住宅的附近。 電力傾卸配置 當對所產生電力有一限制需求時，為允許該單元運作， 可將電力傳送至一水冷式電阻器，其係位於輸送至該區域 熱水系統的冷水中。如此可作為一浸入式加熱器將額外的 電力轉換為熱，就如任何傳統以電能將水加熱的裝置中的 情形。當住宅中已經有一浸入式加熱器，可用其作為一替 代/額外熱傾卸器。或者，該獨立於電網的模組可併入風扇 冷卻電阻器來消除額外電力。 散熱配置 .22 - '200301342 發明說明續頁 (18) 由於若沒有對多餘熱量的需求，史特靈發動機將不能運 轉，因此獨立於電網的操作需要使用額外熱量。區域加熱 系統散熱器的熱容量可提供對所產生熱量的一吸收器，但 當散熱器關閉並且不需要熱水時，水溫將逐漸上升。依賴 於一低冷卻器溫度的史特靈發動機之性能將因此很快開始 退化。當系統水溫變得過高時，可使用來自分流器閥的一 補充氣流來提供額外空氣冷卻。 電網重新連接 當電網保護控制2 6發現幹線供電恢復時’該半元將暫時 關閉。此種關閉係必要的，因為當該區域熱電聯產單元從 電網供電切斷連線時，它將以其正常頻率作業。如此將不 同於正常電網頻率的邊際值，並且在獨立於電網的操作期 間之後被非同步化。將執行一關閉，其後是在電網隔離模 組3 9重新連接後的一重新啟動。該重新啟動可跟隨在正常 電網啟動程序之後（其使用來自電網電源的一電壓酿衝來 開始往復動作），該區域熱電聯產單元即可與電網平行恢復 其操作。 電流規定要求意味著：除非對電網供電的監控顯示它在 三分鐘内皆處於預設限度内，才重新與其相連。因此，直 到滿足該條件時，才關閉史特靈發動機。如此將確保供應 區域設備的該獨立於電網的電路不會在不必要的時段内停 止運作，從而確保一安全的再連接。一旦對電網供應的監 控顯示其係處於該電網保護限度内達三分鐘，則該重新連 接程序將： -23- 200301342 _ (19) 發璃說钥讀頁 1. 關閉史特靈發動機燃燒器； 2. 在電網介面2 7將區域熱電聯產單元2 5從獨立於電網 的電路切斷連線，使得獨立於電網的電路不起作用； 3. 在電網隔離模組3 9重新連接電網供應，使得獨立於電 網的電路由幹線電源供電； 4. 等待至發動機1停止運轉，一般大約為十分鐘後加熱 器頭溫度降至低於攝氏2 0 0度； 5. 在電網介面2 7將區域熱電聯產單元重新連接至電網； 6. 重新啟動史特靈發動機燃燒器2 ; 7. 等待至加熱器頭溫度為攝氏220度； 8. 發送重新啟動脈衝，以開始史特靈發動機的往復。 如此的關閉不會對該用戶造成不便’因為主區域電路將 再次運作，且該獨立於電網的電路只在上述步驟2和3之間 瞬時斷電。若在該重新連接期間仍有熱需求，則補充燃燒 器1 2將繼續運作。單元服務裝置從部分獨立於電網的電路 接收電力，使得泵等裝置將由重新連接的幹線電源供電而 繼續運作，從而防止該加熱系統内的過熱。 可併入一替代配置，其使用專利案號WO-A- 0 1 / 6 9 0 78中所 說明的基於電阻器的一電網介面電路（如電網介面2 7所使 用者）重新連接電網供應而不需要關閉發動機。此係使用該 電網介面電路的「先接後斷」繼電器接點配置，確保在該 獨立於電網的電路中的一順利再同步化。 另一替代配置則係在電路隔離點3 9使用一同步化電路。 其監控並比較幹線與區域熱電聯產單元供電的電壓波形。 -24- 20030134

(20) 一旦發現它們係同步化，則教行一連結。 圖式簡單說明 以上係參考附圖說明依據本發明之系統和單元的範例， 其中： 圖1係一史特靈發動機系統的示意圖，其顯示對該系統的 各種輸入和輸出； 圖2係一現有電力系統的示意圖； 圖3係類似於圖2的示意圖，但顯示依據本發明的一系 統；以及 圖4係顯示該獨立於電網的模組之操作示意圖。 圖式代表符號說明 1 史特靈發動機 2 發動機燃燒器 3 可燃氣體供應 4 空氣供應 5^15 混合氣閥 6 風扇 7 電力輸出 8 冷卻器 9 泵 10 ' 30、3卜 32、 36 線路 11 熱交換器 12 補充燃燒器 -25- (21) 發碉說钥續頁 空氣供應 管道 熱輸出 電網 電網保險絲 區域電錶 用戶單元 區域負載 區域熱電靡產早元 電網保護控制器 電網介面 交流發電機 熱區段 控制板 保險絲和手動隔離器 獨立於電網的模組 獨立於電網的供應點 獨立於電網的插座 電網隔離 電池/充電器/電源 點火器/火焰偵測器 脈衝產生器 電壓控制系統 電流控制器 -26- 20030134 (22) 4 7 電源傾卸器 4 8 光或音頻蜂鳴器 發萌說朝.續貝.

-27-

Claims (1)

1. 20030134 拾、申請專利範圍

   1. 一種在一區域住宅中提供熱和電力需求的區域電源糸 統，該系統包含連接至一幹線電源的一連結，該幹線電 源在正常作業條件下至少部分滿足該區域電力需求，一 具有燃料供應源的區域熱電聯產單元，其產生至少滿足 該區域住宅一部分供熱需求的電力輸出和熱輸出，該單 元係可在無幹線供電時操作；偵測幹線供電中斷的裝 置；以及在無幹線電源時，自動將該區域熱電聯產單元 的電力輸出傳送至一電力需求較該區域總電力需求為 低的選定耗電裝置的裝置。

   2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該區域熱電聯產單 元包含一史特靈發動機，其包含為驅動一往復構件將熱 能輸入該發動機頭的一燃燒器，該往復構件係經由一交 流發電機產生電力輸出；以及一啟動系統，其包含用於 控制該單元啟動的控制裝置、一點燃該燃燒器的點火 器、一供應該發電機電脈衝的脈衝產生器，以在該控制 構件判定該發動機頭達到一臨界溫度時啟動該往復構 件，以及一局部有限電源供應，以在該啟動操作期間供 電給該控制裝置、點火器和脈衝產生器。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之系統，進一步包含一電力 輸出限制器，其配置為在幹線斷電期間，將該熱電聯產 單元的電力輸出限制在等於或小於其預定最大可用電 力輸出的一數值。 4.如申請專利範圍第3項之系統，其中該電力輸出限制器 200301342 係一控制益，其配置為 巧仗幹線斷電期間， 取的電流超過在一正金^ 田 員载要/及 其中該控制器係一阻抗 於該正常作業電麼的一數值…時峰值電壓控制在小 5·如申請專利範圍第4項 片、糸統 變換波控制器。 6.如申請專利範圍第4項之备 ^ ^ ^ .、系统，進一步包含一定時器， 其配置為判疋該負載| .¾ 及取的電流超過在 均方根（RMS)電壓下可、方％ 隹这正吊作業 的該最大電流的超時量，者 該判定之時間超過一預金咬町里 田 界值時，將該區域埶電聯逄 單元的電力輸出與該選宏, 匕埤.、、、私聯產 &疋耗電裝置的使用隔離。 7·如上述申請專利範圍第丨項 ^ 係該區域燃氣供應。、系統其中該燃料供應源 8·如上述申請專利範圍第1項 吝留&益七紅... 之系統’其中一區域熱電聯 產早7G係包括一史特靈發 ’ 機。 9·如申請專利範圍第8項之车 '、统’其中該史特 一線性自由活塞史特靈發 竹展發動機係 10 功機。 如上述申請專利範圍第13^ 之系統，其中該選定乾雷验 置係與一區域住宅中正常供♦ X、疋耗1：裝 11 、^*之電器完全隔雜的植徠 如申請專利範圍第1項之系技 h離的組件。 “煢，其中該選定 該區域住宅中正常供電之祀电衣置係 器的一子集，並且苴中該丰 統具有在無幹線電源時選您， ’、 ^ 釋性切斷各種耗電裝置之連 線的裝置。 12·如上述申請專利範圍第1項> 、〈系統，其中偵測該幹線供 '2. •200301342 申請專刹續頁 電中斷的該裝置亦可偵測該幹線供電的主電壓或頻率 是否在可接受位準之外。 1 3.如上述申請專利範圍第1項之系統，進一步包含一消耗 額外電力的電力吸收器。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之系統，其中該電力吸收器係以 一氣冷式或水冷式電阻器的形式提供。 1 5.如上述申請專利範圍第1項之系統，進一步包含一消耗 額外熱量的熱吸收器。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之系統，其中該熱吸收器係一補 充氣流，其能夠消散來自該區域熱電聯產單元的熱輸 出。 1 7.如申請專利範圍第1 5項之系統，其中該熱吸收器係一區 域中央加熱系統的一散熱器。