WO2012034885A2 - Aggregat zur wärme-, kälte- und stromerzeugung - Google Patents

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WO2012034885A2
WO2012034885A2 PCT/EP2011/065288 EP2011065288W WO2012034885A2 WO 2012034885 A2 WO2012034885 A2 WO 2012034885A2 EP 2011065288 W EP2011065288 W EP 2011065288W WO 2012034885 A2 WO2012034885 A2 WO 2012034885A2
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stirling
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Bernd Gromoll
Johannes Reinschke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • F25B27/005—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy in compression type systems

Definitions

  • the invention relates to a modular unit for combin ⁇ th heat, cooling and power generation.
  • a reciprocating engine is coupled with a rotating electric machine, wherein the electric machine can be operated both as a motor and as a generator ⁇ .
  • the invention provides an aggregate for generating heat, cold and electricity with:
  • An electric machine which is arranged between two Stirling machines, wherein an armature of the electric machine via a first coupling device mechanically to a piston of a first Stirling machine and a second coupling Ein- direction is mechanically coupled to a piston of a second Stirling machine;
  • the centrally arranged electric machine when supplying electrical energy to the electric machine as an electric motor after suc ⁇ ter mechanical coupling of the piston of at least one of the two Stirling machines by means of the respective associated coupling device to the armature of the electric machine, this at least one coupled Stirling engine for generating heat and / or cold drives;
  • the aggregate according to the invention is preferably modular building up ⁇ and consists of an electric machine to which on at ⁇ the sides of a Stirling engine coupled is.
  • the armature of the electric machine oscillates in the first operating mode of the unit when electrical energy is supplied to the electric machine in the longitudinal direction with a certain natural frequency and displaces the mechanically coupled piston of the at least one coupled Stirling engine for generating Heat and / or cold in vibration.
  • the piston of the driving Stirling engine vibrates in the second operating mode of the unit when supplied from external heat energy to the driving Stirlingmaschi- ne with a certain natural frequency mechanically and offset the mechanically coupled armature of the electric machine for generating electrical current in vibration.
  • the armature of the electric machine is suspended from at least one mechanical spring.
  • the mass of the armature of the electric machine and the mass of one or both mechanically coupled to the armature of the electric machine piston of the Stirling engine as well as the spring constant of the mechanical spring determine the Eigenfre acid sequence of the mechanical vibration.
  • a Austiciansmas ⁇ se for adjusting the natural frequency of the mechanical vibration is provided at the anchor of the electric machine.
  • the two coupling devices are designed such that with the decoupling of the respective Stirling engine from the electric machine, a freely oscillating Organic ⁇ mass is coupled to the armature of the electric machine, where ⁇ is the same as the replacement mass moving mass of the previously coupled Stirling engine, so saltge ⁇ is that does not change by connecting and disconnecting a Stirling engine, the natural frequency.
  • the two coupling devices are designed such that is decoupled with the coupling of the respective Stirling engine to the electric machine, the previously freely oscillating equivalent mass from the armature of the electric machine and mechanically connected to a stationary component.
  • the stationary component is a component which is fixedly connected to the stator winding of the electric machine.
  • the two coupling devices can be operated manually.
  • the two coupling devices are ferngesteu ⁇ ert use.
  • the natural frequency of the mechanical oscillation is 50 Hz or 60 Hz.
  • an electrical alternating current with a frequency of 50 Hz or 60 Hz is supplied to the electric machine in the first operating mode of the unit.
  • a photovoltaic system supplies the electrical energy in the first operating mode.
  • min ⁇ least one solar collector provides the external heat energy in the second mode.
  • the unit of the invention can be varied USAGE ⁇ .
  • the unit for a building verwen ⁇ det the energy storage in the first mode of operation of the unit provides the electrical energy for generating heat and / or cold for living spaces of the building and its energy storage in the second Operating mode of the unit is charged by the electricity generated by the unit.
  • the unit is used for a subscriber of a decentralized power network
  • the power network in the first operational mode of the unit provides electrical energy to produce heat and / or cold to the subscriber, and wherein the power network in the second operating mode of the unit electric Ener ⁇ energy has obtained from the aggregate of the subscriber.
  • Fig. 1 is a block diagram illustrating a possible
  • Fig. 2 is a diagram showing an embodiment of the unit according to the invention.
  • 3A, 3B are drawings illustrating an embodiment of a coupling mechanism used in the unit according to the invention.
  • FIG. 4 shows a block diagram for illustrating an application example for the unit according to the invention
  • Fig. 5 is a block diagram illustrating another example of application for the Aggre ⁇ gat invention.
  • the unit 1 according to the invention for heat, cooling and power generation is modular ⁇ built and is suitable for combined heat, cooling and power generation.
  • the unit 1 has in its center on an electric machine 2, which is arranged between two Stirling machines 3A, 3B.
  • An armature of the electric machine 2 is mechanically coupled to a piston of the first Stirling engine 3A via a first coupling device and mechanically to the second Stirling engine 3B via a second coupling device.
  • the unit 1 of the invention can be switched between two Radiomo ⁇ d i.
  • the armature drives the centrally arranged electric machine 2 when supplying electrical energy from outside as an electric motor after mechanical coupling of the piston of at least one of the two Stirling machines 3A, 3B by means of the respective associated coupling device to the armature of the electric machine the at least one coupled Stir ⁇ ling machine 3A, 3B for generating heat or cold.
  • this first mode of operation depending on the mechanical Ankopp ⁇ ment the centrally arranged electric machine 2 one or both Stirling machines 3A, 3B driven.
  • One of the two powered Stirling engines can generate heat while the other powered Stirling engine generates cold.
  • a second mode of operation of the unit 1 drives one of the two Stirling engines 3A, 3B with supply of external heat energy to this Stirling engine as a driving Stirling engine after mechanical coupling of the
  • Piston of the driving Stirling engine means of zugehö ⁇ ring coupling device to the armature of the electric machine 2, the electric machine 2 as an electric generator for generating electrical power.
  • the piston of the other Stirling engine can additionally be coupled to the armature of the electric machine 2 by means of the associated coupling device.
  • this second additionally coupled second Stirling engine is additionally to generate refrigeration by the driving Stirling engine, which is supplied from the exterior thermal energy driven.
  • the unit 1 according to the invention thus has various operating options.
  • the unit 1 In the first operating mode, the unit 1 is externally supplied with electrical energy or electric current, for example an alternating current AC with a frequency of 50 Hz or 60 Hz. In this first operating mode, therefore, the electric current is the primary energy source.
  • the unit 1 in this first operating mode either only generate heat or generate only cold or generate both cold and heat.
  • the first Stir ⁇ ling machine 3A which is coupled to the electric machine 2, heat
  • the second Stirling machine 3B which is coupled to the Elek ⁇ tromaschine 2, cold, for the case that both Stirling machines 3A, 3B to the Electric machine 2 are coupled simultaneously, generating both heat and cold.
  • heat energy is supplied to the aggre ⁇ gate 1 from the outside, wherein this external heat energy can be generated for example by combustion of natural gas as a primary energy source.
  • This heat energy is supplied to one of the two Stirling engines 3A, 3B as a driving Stirling engine. If the external heat energy is supplied to the armature of the electric machine 2, for example, the Stirling engine 3A as a driving Stir ⁇ lingmaschine after mechanical coupling of the piston of the Stirling engine 3A by means of an associated Kopp ⁇ treatment device, the electric machine 2 by the driving Stir ⁇ lingmaschine 3A as an electric generator powered to generate electricity.
  • another Stirling engine 3B can additionally be coupled to the armature of the electric machine 2 by means of an associated coupling device.
  • the driving Stirling engine 3A then operates not only the electric machine 2 as electric ⁇ generator for generating electrical power, but also the second Stirling engine 3B for generating cold or heat.
  • the unit 1 of the An ⁇ ker of the electric motor 2 vibrates by supplying electric power to the electric machine 2 in the longitudinal direction with a certain natural frequency f mechanically back and forth. He puts the mechanically coupled piston of at least one coupled to the electric machine 2 Stirling engine 3A and 3B for generating heat and / or cold also in mechanical vibration.
  • the armature of the electric machine 2 is coupled only to a piston of one of the two Stirling engines and causes it to vibrate a piston.
  • the armature of the electric machine 2 is mechanically simultaneously at both pistons of the two Stirling engines 3A, 3B coupled and puts both pistons in mechanical
  • the piston of the driving Stirling engine such as the Stirling engine 3A, reciprocates upon supplying external heat energy to the driving Stirling engine 3A at a certain natural frequency f and displaces the mechanically coupled armature of the electric machine 2 to generate electric power Electricity also in vibrations.
  • the armature of the electric machine 2 may be suspended from at least one mechanical spring. The mass of the armature of the electromag ⁇ machine 2 and the mass of the one or both of which is coupled to the armature of the electric machine 2 pistons of the Stirling engines 3A, 3B as well as the spring constant of the mechanical Aufsche ⁇ the thereby determine the natural frequency f of the mechanical vibration.
  • a compensation ⁇ equal mass for adjusting the natural frequency f of the mechanical vibration provided.
  • the coupling means for coupling a piston rod of the Stirling machines 3A, 3B to the armature of the central electric machine 2 are configured at a mög ⁇ union disclosed embodiment such that with the Abkopp ⁇ development of the respective Stirling engine 3A, 3B by the electric motor 2, a free-swinging equivalent mass is coupled to the armature of the electric machine 2.
  • the substitute mass is preferably the same size as the moving mass of the previously coupled Stirling engine 3A, so that it can be ensured in this way that the natural frequency f is not changed by coupling or decoupling a Stirling engine 3A, 3B.
  • the two coupling devices are preferably designed such that with the coupling of the respective Stirling machines 3A, 3B to the electric machine 2, the previously freely oscillating equivalent mass from the armature of the electric machine.
  • This fixed component is, for example, the holder of the stator winding of the electric machine 2.
  • the two coupling devices for coupling the two Stirling machines 3A, 3B to the centrally arranged electromag- netic machine 2 are manually operable in a possible embodiment.
  • the manually operable coupling device it follows the coupling of the armature mass and the equivalent mass in ⁇ example, via screw.
  • the coupling of the armature mass and the replacement mass can also be done via releasable mechanical locks, such as snap closures.
  • the two coupling devices for coupling the Stirling machines 3A, 3B to the electric machine 2 can be operated remotely.
  • the coupling of the armature mass and the substitute mass can take place by means of electromagnetic or piezoelectric actuators.
  • the natural frequency f is the mechanical one
  • the invention shown SSE unit 1 to a power supply and power related or from the power supply can feed into the grid vibration 50 Hz or 60 Hz.
  • This frequency corresponds to the mains frequency of a power grid, such as the public areas ⁇ chen power grid.
  • the unit 1 is supplied with an alternating current having a frequency of 50 Hz or 60 Hz in the first operating mode, the alternating current being applied to the electric machine 2.
  • the unit 1 supplies an alternating electric current with a frequency of 50 Hz and 60 Hz, which can be fed directly into an AC supply network of the same frequency.
  • the unit 1 according to the invention thus allows advantageously a converter-free operation in all Be ⁇ operating modes.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the unit according to the invention 1.
  • the two Stirling machines 3A, 3B can be coupled by means of coupling devices 4A, 4B to an armature 5 of the electric motor 2.
  • the armature 5 has, for example, a jacket with magnets of different polarization.
  • the electric machine 2 has a stator 6A, 6B surrounding the armature 5.
  • a balancing mass (not shown) may be provided, by means of which the intrinsic ⁇ frequency of the unit 1 can be adjusted.
  • the armature 5 of the electric machine 2 is suspended in the form of embodiment shown in Figure 2 by means of mechanical springs 10A, 10B.
  • pistons 8A, 8B of the two Stirling engines 3A, 3B can be coupled to the armature 5 of the electric machine 2.
  • the two Stirling machines 3A, 3B may each have an expansion space and a compression space, wherein the expansion space and the compression space are connected in the embodiment shown in Figure 2 to increase the efficiency in each case via a Re ⁇ generator 9A, 9B.
  • a heat exchanger for dissipating cold can be provided in the expansion space of a Stirling engine.
  • a heat exchanger for dissipating heat can be provided in each case.
  • the armature 5 of the electric machine 2 shown in Figure 2 oscillates in the first mode of operation of the unit 1 in Zu ⁇ management of electrical energy to the electric machine 2 in the longitudinal direction X with a certain natural frequency f mechanically back and forth.
  • the reciprocating armature 5 also causes the mechanically coupled pistons 8A, 8B of one or both of the Stirling engines 3A, 3B to vibrate mechanically.
  • a piston 8A of a driving Stirling engine such as the Stirling engine 3A
  • the piston 8A of the driving Stirling engine 3A mechanically oscillates with external heat energy to the driving Stirling engine 3A with a certain natural frequency f and offset the mechanically coupled via the coupling device 4A anchor 5 of Electric machine 2 for generating electric current in oscillation.
  • the natural frequency f of the mechanical oscillation is determined by the mass of the armature 5 of the electric machine 2, including optionally mounted on the anchor 5 balancing mass, and by the mass of one or both of the armature 5 of the electric machine 2 mechanically coupled piston 8A, 8B of the Stirling engines 3A, 3B and the spring constant in the longitudinal direction x of the two suspension springs 10A, 10B determined.
  • the two coupling devices 4A, 4B are preferably designed such that with the decoupling of the respective Stirling engine 3A, 3B from the electric machine 2 a freely oscillating equivalent mass 7A, 7B is coupled to the armature 5 of the electric machine 2.
  • This equivalent mass 7A, 7B is preferably as large as the moving mass of the previously coupled ⁇ Stirling engine 3A, 3B, that is, as large as the mass of the corresponding piston 8A, 8B. In this way, it is ensured that the egg ⁇ genfrequenz f of the mechanical vibration is not changed by connecting and disconnecting a Stirling machine 3A, 3B to or from the electric machine 2.
  • FIG. 3A shows a coupled state in which the rod IIB connected to the armature 5 of the electric machine 2 is connected to and coupled to a piston rod 8B of the Stirling engine 3B.
  • Figures 3A, 3B show the development of the second Ankopp- in Figures 1, Stirling machine shown on the right 2 3B constructed analogously in a symmetrical manner to the electric machine 2.
  • the coupling takes place with the aid of a coupling sleeve ⁇ 12B.
  • This coupling sleeve 12B may be a tube with an internal thread, as indicated in FIG.
  • the coupling collar 12B each includes a threaded end portion of the anchor rod IIB connected to the armature 5 and the piston rod 8B.
  • a replacement mass 7B is decoupled from the anchor rod IIB of the armature 5 and connected to a fixed component, which may be a holder or a housing part of the electric machine 2.
  • a ring ticket ⁇ be with an internal thread, which is connected to a support or a fixed member 13B of the electric machine. 2
  • FIG. 3B shows the decoupled state of the coupling device 4B.
  • the free-floating spare mass 7B is coupled to the armature 5 connected to the anchor rod IIB, as can be seen in Figure 3B.
  • the equivalent mass 7B is preferably equal to the moving mass of the front ⁇ forth coupled in the coupled state Stirling machine 3B, so that the natural frequency f of the mechanical vibration is not changed by the detachment of the Stirling machine 3B.
  • the mechanical vibration is maintained in this way at a constant Schwingfre ⁇ frequency of 50 Hz or 60 Hz.
  • the unit 1 of the invention can be varied Einset ⁇ zen. 4 shows an example of application of the inventive unit 1 for a building 14.
  • the electric machine 2 of the unit 1 is connected via a DC / AC converter 15 to a photovoltaic system 16.
  • the unit 1 is connected to a solar collector 17, which can deliver external heat to the unit 1 when exposed to sunlight.
  • the unit 1 according to the invention can provide heat and / or cooling in the building 14 to a room 18 in which, for example, a person 19 is located.
  • an operating mode of the unit 1 can be set.
  • the unit 1 is supplied by the photovoltaic system 16 electrical energy which is converted by the pulse generator 1 in the heat and / or cooling for the room 18th
  • the Ag ⁇ gregat 1 is supplied through the solar panel 17 external heat energy, which is converted by the unit 1 into an electric current, for example by a be ⁇ find pending in the space 18 electrical device 21 is driven.
  • the device 21 may be a lamp or ⁇ same, for example.
  • the current generated when external heat W is supplied can alternatively be stored in an energy store, for example a current accumulator, for the later
  • the unit 1 illustrated in Figure 4 can thus heating or in the ers ⁇ th mode of operation upon application of electrical energy which is supplied for example by the photovoltaic system 16 or is obtained from a previously charged power storage 22, the space 18, for example, in winter, for example, cool in the summer. Furthermore, when power is supplied in the first operating mode, the unit 1 can cool a first room, for example a food storage room, and at the same time heat another room of the building 14 in which persons are located. Furthermore, the unit 1 shown in FIG. 4 can, in the second operating mode, be supplied with external heat energy, for example from the solar collector shown in FIG. 4, the building 14 Cool or warm and at the same time supply electricity for Swsgerä ⁇ te, in particular the lighting, or store the electricity in an accumulator.
  • Figure 5 shows a further application example for the dung OF INVENTION ⁇ contemporary unit 1.
  • the unit 1 is installed in an electric vehicle 21, and can provide heat or cold in a passenger compartment 24 of the electric vehicle.
  • a driver 25 may, for example, via a controller 26, the operating mode of the unit 1 ⁇ SET len.
  • the unit 1 may be connected to affyakkumulator 29 of the Fahrzeu ⁇ ges 23rd Heat energy is supplied to the accumulator 1 in the second operating mode, and the alternating current generated by the aggre ⁇ gate 1 can be converted by the AC / DC converter 28 into direct current, through which the vehicle battery 29 is charged.
  • the information stored in the Anlagenakkumulator 29, electrical energy can be used in the first operation mode of the unit 1 of this gene with electric power to versor ⁇ .
  • the unit 1 according to the invention can be used in a further embodiment for a subscriber of a decentralized power network.
  • the current network in the first mode of operation of the unit 1 supplies electric power to generate heat and / or cold in the jewei ⁇ time subscriber.
  • the power network can draw electrical energy from the unit 1 of the respective subscriber.
  • the unit 1 of the invention is also suitable for kuh ⁇ ment or heating of buildings. Further, any fluid in the ers ⁇ th mode of operation can be warmed or heated by the inventive aggregate. 1
  • the erfin ⁇ tion proper aggregate 1 is thus universally applicable and is particularly suitable for stand-alone systems that require a self-sufficient supply of heat, cold and electricity.

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Abstract

Aggregat (1) zur Wärme-, Kälte-und Stromerzeugung mit einer Elektromaschine (2), die zwischen zwei Stirling-Maschinen (3A, 3B) angeordnet ist, wobei ein Anker (5) der Elektromaschine (2) über eine erste Kopplungseinrichtung (4A) mechanisch an einen Kolben (8A) einer ersten Stirling-Maschine (3A) und über eine zweite Kopplungseinrichtung (4B) mechanisch an einen Kolben (8B) einer zweiten Stirling-Maschine (3B) koppelbar ist, wobei in einem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) die mittig angeordnete Elektromaschine (2) bei Zuführung von elektrischer Energie zu der Elektromaschine (2) als Elektromotor nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens ( 8A, 8B) von mindestens einer der beiden Stirling-Maschinen (3A, 3B) mittels der jeweils zugehörigen Kopplungseinrichtung (4A, 4B) an den Anker (5) der Elektromaschine (2) diese mindestens eine angekoppelte Stirling-Maschine (3A, 3B) zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte antreibt und wobei in einem zweiten Betriebsmodus des Aggregates (1) eine der beiden Stirling-Maschinen (3A, 3B) bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu dieser Stirling-Maschine (3A, 3B) als antreibende Stirling-Maschine nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens ( 8A, 8B) der antreibenden Stirling-Maschine (3A, 3B) mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung (4A,4B) an den Anker (5) der Elektromaschine (2) die Elektromaschine (2) als Elektrogenerator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt und nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens (8A, 8B) der anderen Stirling-Maschine (3A,3B) mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung (4A, 4B) an den Anker (5) der Elektromaschine (2) die andere Stirling-Maschine (3A, 3B) zusätzlich zur Erzeugung von Kälte antreibt.

Description

Beschreibung
Aggregat zur Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung
Die Erfindung betrifft ein modulares Aggregat zur kombinier¬ ten Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung.
Bei herkömmlichen Aggregaten, wie sie beispielsweise in der WO 2008/018806 AI beschrieben sind, wird eine Kolbenmaschine mit einer rotierenden Elektromaschine gekoppelt, wobei die Elektromaschine sowohl als Motor als auch als Generator be¬ trieben werden kann.
Derartige herkömmliche Aggregate können allerdings nur zu einer kombinierten Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden, ohne dass die Möglichkeit besteht, zusätzlich Kälte zu erzeu¬ gen. In vielen Anwendungsfällen ist es allerdings erwünscht, ein Aggregat vorzusehen, welches in der Lage ist, neben elektrischem Strom auch Wärme und Kälte zu erzeugen. Beispielsweise besteht bei der Klimatisierung des Passagierraumes eines Fahrzeuges oder eines Wohnraumes die Notwendigkeit, den Passagierraum bzw. den Wohnraum in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zu erwärmen oder abzukühlen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Aggregat zu schaffen, welches zur Erzeugung von Wärme, Kälte und von elektrischem Strom geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aggregat mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft ein Aggregat zur Erzeugung von Wärme, Kälte und Strom mit:
einer Elektromaschine, die zwischen zwei Stirling-Maschinen angeordnet ist, wobei ein Anker der Elektromaschine über eine erste Kopplungseinrichtung mechanisch an einen Kolben einer ersten Stirling-Maschine und über eine zweite Kopplungsein- richtung mechanisch an einen Kolben einer zweiten Stirling- Maschine koppelbar ist;
wobei in einem ersten Betriebsmodus des Aggregates die mittig angeordnete Elektromaschine bei Zuführung von elektrischer Energie zu der Elektromaschine als Elektromotor nach erfolg¬ ter mechanischer Ankopplung des Kolbens von mindestens einer der beiden Stirling-Maschinen mittels der jeweils zugehörigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine diese mindestens eine angekoppelte Stirling-Maschine zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte antreibt; und
wobei in einem zweiten Betriebsmodus des Aggregates eine der beiden Stirling-Maschinen bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu dieser Stirling-Maschine als antreibende Stirling- Maschine nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens der antreibenden Stirling-Maschine mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine die Elektromaschine als Elektrogenerator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt und
nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens der anderen Stirling-Maschine mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine die andere Stirling-Maschine zusätzlich zur Erzeugung von Kälte antreibt.
Das erfindungsgemäße Aggregat ist vorzugsweise modular aufge¬ baut und besteht aus einer Elektromaschine an welche auf bei¬ den Seiten eine Stirlingmaschine ankoppelbar ist.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates schwingt der Anker der Elektromaschine in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates bei Zuführung von elektrischer Energie zu der Elektromaschine in Längsrichtung mit einer be¬ stimmten Eigenfrequenz und versetzt den mechanisch angekoppelten Kolben der mindestens einen angekoppelten Stirlingmaschine zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte in Schwingung.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates schwingt der Kolben der antreibenden Stirlingmaschine in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu der antreibenden Stirlingmaschi- ne mit einer bestimmten Eigenfrequenz mechanisch und versetzt den mechanisch angekoppelten Anker der Elektromaschine zur Erzeugung von elektrischem Strom in Schwingungen.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen gregates ist der Anker der Elektromaschine an mindestens einer mechanischen Feder aufgehängt.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates bestimmen die Masse des Ankers der Elektromaschine und die Masse des einen oder beider an dem Anker der Elektromaschine mechanisch angekoppelten Kolben der Stirlingmaschine sowie die Federkonstante der mechanischen Feder die Eigenfre¬ quenz der mechanischen Schwingung.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates ist am Anker der Elektromaschine eine Ausgleichsmas¬ se zur Einstellung der Eigenfrequenz der mechanischen Schwingung vorgesehen.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates sind die beiden Kopplungseinrichtungen derart gestaltet, dass mit der Abkopplung der jeweiligen Stirlingmaschine von der Elektromaschine eine frei schwingende Ersatz¬ masse an den Anker der Elektromaschine angekoppelt wird, wo¬ bei die Ersatzmasse genauso groß ist wie die bewegte Masse der vorher gekoppelten Stirlingmaschine, so dass sicherge¬ stellt ist, dass sich durch An- und Abkoppeln einer Stirlingmaschine die Eigenfrequenz nicht ändert.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates sind die beiden Kopplungseinrichtungen derart gestaltet, dass mit der Kopplung der jeweiligen Stirlingmaschine an die Elektromaschine die zuvor frei schwingende Ersatzmasse von dem Anker der Elektromaschine abgekoppelt und mit einem feststehenden Bauteil mechanisch verbunden wird. Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen gregates ist das feststehende Bauteil ein Bauteil, das mit der Statorwicklung der Elektromaschine fest verbunden ist.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates sind die beiden Kopplungseinrichtungen manuell bedienbar .
Bei einer alternativen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates sind die beiden Kopplungseinrichtungen ferngesteu¬ ert bedienbar.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates erfolgt bei einer manuell bedienbaren Kopplungseinrichtung die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse über Schraubverbindungen oder über lösbar mechanische Arretierungen, insbesondere Schnappverschlüsse.
Bei einer weiteren möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates erfolgt bei einer ferngesteuert bedienba¬ ren Kopplungseinrichtung die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse mittels elektromagnetischer oder piezoelektrischer Aktuatoren.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates beträgt die Eigenfrequenz der mechanischen Schwingung 50 Hz oder 60 Hz.
Bei einer möglichen Ausführungs form des erfindungsgemäßen Ag- gregates wird in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates der Elektromaschine ein elektrischer Wechselstrom mit einer Fre- quenz von 50 Hz oder 60 Hz zugeführt .
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen gregates liefert in dem ersten Betriebsmodus eine Photovol taikanlage die elektrische Energie. Bei einer weiteren möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates liefert in dem zweiten Betriebsmodus min¬ destens ein Sonnenkollektor die externe Wärmeenergie.
Das erfindungsgemäße Aggregat lässt sich vielseitig verwen¬ den .
Bei einer möglichen Aus führungs form wird das erfindungsgemäße Aggregat für ein Elektrofahrzeug verwendet dessen Fahrzeugak¬ kumulator in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates die elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte für einen Passagierraum des Elektrofahrzeuges bereitstellt und dessen Fahrzeugakkumulator in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates durch den durch das Aggregat erzeugten elekt¬ rischen Strom aufgeladen wird.
Bei einer weiteren möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates wird das Aggregat für ein Gebäude verwen¬ det, dessen Energiespeicher in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates die elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte für Wohnräume des Gebäudes bereitstellt und dessen Energiespeicher in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates durch den durch das Aggregat erzeugten elektrischen Strom aufgeladen wird.
Bei einer weiteren möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates wird das Aggregat für einen Teilnehmer eines dezentralen Stromnetzwerkes verwendet,
wobei das Stromnetzwerk in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte bei dem Teilnehmer liefert und wobei das Stromnetzwerk in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates elektrische Ener¬ gie von dem Aggregat des Teilnehmers bezieht.
Im Weiteren werden mögliche Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Aggregates zur Wärme, Kälte und Stromerzeugung unter Bezugnahme auch zu beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung einer möglichen
Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregats;
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aggregates;
Fig. 3A, 3B Zeichnungen zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines in dem erfindungsgemäßen Aggregat verwendeten Kopplungsmechanismus ;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Anwendungs¬ beispiels für das erfindungsgemäße Aggregat;
Fig. 5 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines weiteren Anwendungsbeispiels für das erfindungsgemäße Aggre¬ gat .
Wie man aus Figur 1 erkennen kann, ist das erfindungsgemäße Aggregat 1 zur Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung modular auf¬ gebaut und eignet sich zur kombinierten Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung. Das Aggregat 1 weist in seiner Mitte eine Elektromaschine 2 auf, die zwischen zwei Stirlingmaschinen 3A, 3B angeordnet ist. Dabei ist ein Anker der Elektromaschine 2 über eine erste Kopplungseinrichtung mechanisch an einen Kolben der ersten Stirlingmaschine 3A und über eine zweite Kopplungseinrichtung mechanisch an die zweite Stirlingmaschine 3B koppelbar.
Das erfindungsgemäße Aggregat 1 ist zwischen zwei Betriebsmo¬ di umschaltbar. In einem ersten Betriebsmodus des Aggregates 1 treibt der Anker die mittig angeordnete Elektromaschine 2 bei Zuführung von elektrischer Energie von außen als Elektromotor nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens von mindestens einer der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B mittels der jeweiligen zugehörigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine 2 die mindestens eine angekoppelte Stir¬ lingmaschine 3A, 3B zur Erzeugung von Wärme oder Kälte an. In diesem ersten Betriebsmodus wird je nach mechanischer Ankopp¬ lung die mittig angeordnete Elektromaschine 2 eine oder beide Stirlingmaschinen 3A, 3B angetrieben. Eine der beiden angetriebenen Stirlingmaschinen kann dabei Wärme erzeugen, wäh- rend die andere angetriebene Stirlingmaschine Kälte erzeugt.
In einem zweiten Betriebsmodus des Aggregates 1 treibt eine der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu dieser Stirlingmaschine als antreibende Stirlingmaschine nach erfolgter mechanischer Ankopplung des
Kolbens der antreibenden Stirlingmaschine mittels der zugehö¬ rigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine 2 die Elektromaschine 2 als Elektrogenerator zur Erzeugung von elektrischem Strom an. In diesem zweiten Betriebsmodus kann zusätzlich der Kolben der anderen Stirlingmaschine mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine 2 gekoppelt werden. In diesem zweiten Betriebsmo¬ dus wird die zusätzlich angekoppelte zweite Stirlingmaschine zusätzlich zur Erzeugung von Kälte durch die antreibende Stirlingmaschine, welcher von außen Wärmeenergie zugeführt wird, angetrieben. Das erfindungsgemäße Aggregat 1 hat somit verschiedene Betriebsmöglichkeiten .
In dem ersten Betriebsmodus wird dem Aggregat 1 von außen elektrische Energie bzw. elektrischer Strom, beispielsweise ein Wechselstrom AC mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz zugeführt. In diesem ersten Betriebsmodus stellt somit der elektrische Strom die Primärenergiequelle dar. Nach Ankopp¬ lung der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B an den elektrisch angetriebenen Elektromotor bzw. die Elektromaschine 2 kann das Aggregat 1 in diesem ersten Betriebsmodus entweder nur Wärme erzeugen oder nur Kälte erzeugen oder sowohl Kälte als auch Wärme erzeugen. Erzeugt beispielsweise die erste Stir¬ lingmaschine 3A, die an die Elektromaschine 2 gekoppelt ist, Wärme, und die zweite Stirlingmaschine 3B, die an die Elek¬ tromaschine 2 angekoppelt ist, Kälte, wird für den Fall, dass beide Stirlingmaschinen 3A, 3B an die Elektromaschine 2 gleichzeitig angekoppelt sind, sowohl Wärme als auch Kälte generiert .
In dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates 1 wird dem Aggre¬ gat 1 von außen Wärmeenergie zugeführt, wobei diese externe Wärmeenergie beispielsweise durch Verbrennung von Erdgas als Primärenergiequelle erzeugt werden kann. Diese Wärmeenergie wird einer der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B als antreibende Stirlingmaschine zugeführt. Wird die externe Wärmeenergie zum Beispiel der Stirlingmaschine 3A als antreibende Stir¬ lingmaschine nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens der Stirlingmaschine 3A mittels einer zugehörigen Kopp¬ lungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine 2 zugeführt, wird die Elektromaschine 2 durch die antreibende Stir¬ lingmaschine 3A als Elektrogenerator zu Erzeugung von elektrischem Strom angetrieben. In diesem zweiten Betriebmodus kann zusätzlich eine andere Stirlingmaschine 3B mittels einer zugehörigen Kopplungseinrichtung an den Anker der Elektromaschine 2 angekoppelt werden. Die antreibende Stirlingmaschine 3A betreibt dann nicht nur die Elektromaschine 2 als Elektro¬ generator zur Erzeugung von elektrischem Strom, sondern zusätzlich auch die zweite Stirlingmaschine 3B zur Erzeugung von Kälte oder Wärme.
In dem ersten Betriebsmodus des Aggregates 1 schwingt der An¬ ker der Elektromaschine 2 durch Zuführung von elektrischer Energie zu der Elektromaschine 2 in Längsrichtung mit einer bestimmten Eigenfrequenz f mechanisch hin und her. Dabei versetzt er den mechanisch angekoppelten Kolben von mindestens einer an die Elektromaschine 2 angekoppelten Stirlingmaschine 3A bzw. 3B zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte ebenfalls in mechanische Schwingung. In einem möglichen Betriebszustand ist der Anker der Elektromaschine 2 nur an einem Kolben von einer der beiden Stirlingmaschinen gekoppelt und versetzt diesen einen Kolben in Schwingung. In einem anderen Betriebszustand ist der Anker der Elektromaschine 2 mechanisch gleichzeitig an beide Kolben der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B angekoppelt und versetzt beide Kolben in mechanische
Schwingung .
In dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates 1 schwingt der Kolben der antreibenden Stirlingmaschine, beispielsweise der Stirlingmaschine 3A, bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu der antreibenden Stirlingmaschine 3A mit einer bestimmten Eigenfrequenz f hin und her und versetzt den mechanisch angekoppelten Anker der Elektromaschine 2 zur Erzeugung von elektrischem Strom ebenfalls in Schwingungen. Dabei kann der Anker der Elektromaschine 2 an mindestens einer mechanischen Feder aufgehängt sein. Die Masse des Ankers der Elektroma¬ schine 2 und die Masse des einen oder beider an dem Anker der Elektromaschine 2 angekoppelten Kolben der Stirlingmaschinen 3A, 3B sowie die Federkonstante der mechanischen Aufhängefe¬ der bestimmen dabei die Eigenfrequenz f der mechanischen Schwingung .
Bei einer bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates 1 ist am Anker der Elektromaschine 2 eine Aus¬ gleichsmasse zur Einstellung der Eigenfrequenz f der mechanischen Schwingung vorgesehen. Die Kopplungseinrichtungen zur Ankopplung einer Kolbenstange der Stirlingmaschinen 3A, 3B an den Anker der zentralen Elektromaschine 2 sind bei einer mög¬ lichen Aus führungs form derart gestaltet, dass mit der Abkopp¬ lung der jeweiligen Stirlingmaschine 3A, 3B von der Elektromaschine 2 eine frei schwingende Ersatzmasse an den Anker der Elektromaschine 2 angekoppelt wird. Dabei ist die Ersatzmasse vorzugsweise genauso groß wie die bewegte Masse der vorher angekoppelten Stirlingmaschine 3A, so dass auf diese Weise sichergestellt werden kann, dass durch An- oder Abkopplung einer Stirlingmaschine 3A, 3B die Eigenfrequenz f nicht verändert wird.
Die beiden Kopplungseinrichtungen sind dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mit der Ankopplung der jeweiligen Stirlingmaschinen 3A, 3B an die Elektromaschine 2 die zuvor frei schwingende Ersatzmasse von dem Anker der Elektromaschi- ne 2 abgekoppelt und mit einem feststehenden Bauteil des Ag¬ gregates 1 mechanisch verbunden wird. Bei diesem feststehenden Bauteil handelt es sich beispielsweise um die Halterung der Statorwicklung der Elektromaschine 2.
Die beiden Kopplungsemrichtungen zur Ankopplung der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B an die mittig angeordnete Elektroma schine 2 sind bei einer möglichen Aus führungs form manuell be dienbar. Bei der manuell bedienbaren Kopplungseinrichtung er folgt die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse bei¬ spielsweise über Schraubverbindungen. Alternativ kann die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse auch über lösbar mechanische Arretierungen, beispielsweise Schnappverschlüsse erfolgen .
Bei einer alternativen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates 1 sind die beiden Kopplungseinrichtungen zur Ankopplung der Stirlingmaschinen 3A, 3B an die Elektromaschine 2 ferngesteuert bedienbar. Dabei kann bei einer möglichen Aus führungs form die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse mittels elektromagnetischer oder piezoelektrischer Ak- tuatoren erfolgen.
Bei einer möglichen Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggregates 1 beträgt die Eigenfrequenz f der mechanischen
Schwingung 50 Hz oder 60 Hz. Diese Frequenz entspricht der Netzfrequenz eines Stromnetzes, beispielsweise des öffentli¬ chen Stromnetzes, so dass in diesem Falle das erfindungsgemä¬ ße Aggregat 1 umrichterfrei an einem Stromnetz angeschlossen und Strom vom Stromnetz beziehen oder ins Stromnetz einspeisen kann. Bei dieser Aus führungs form wird dem Aggregat 1 in dem ersten Betriebsmodus ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz zugeführt, wobei der Wechselstrom an der Elektromaschine 2 anliegt. Umgekehrt liefert das Aggregat 1 in dem zweiten Betriebsmodus einen elektrischen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz und 60 Hz, welcher direkt in ein Wechselstromversorgungsnetz gleicher Frequenz eingespeist werden kann. Das erfindungsgemäße Aggregat 1 erlaubt somit vorteilhafterweise einen umrichterfreien Betrieb in allen Be¬ triebsmodi .
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aggregates 1. Wie man aus Figur 2 erkennen kann, können die beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B mittels Kopplungseinrichtungen 4A, 4B an einen Anker 5 des Elektromotors 2 angekoppelt werden. Der Anker 5 weist beispielsweise einen Mantel mit Magneten unterschiedlicher Polarisierung auf. Ferner hat die Elektromaschine 2 einen Stator 6A, 6B der den Anker 5 umgibt. Am Anker der Elektromaschine 2 kann eine Ausgleichsmasse (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mittels derer die Eigen¬ frequenz des Aggregates 1 justiert werden kann. Der Anker 5 der Elektromaschine 2 ist bei der in Figur 2 dargestellten Aus führungs form mittels mechanischer Federn 10A, 10B aufgehängt. Mittels der Kopplungseinrichtungen 4A, 4B sind Kolben 8A, 8B der beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B an den Anker 5 der Elektromaschine 2 koppelbar. Die beiden Stirlingmaschinen 3A, 3B können jeweils einen Expansionsraum und einen Kompressionsraum aufweisen, wobei der Expansionsraum und der Kompressionsraum in bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erhöhung des Wirkungsgrades jeweils über einen Re¬ generator 9A, 9B verbunden sind. In dem Expansionsraum einer Stirlingmaschine kann ein Wärmetauscher zur Abführung von Kälte vorgesehen sein. In dem Kompressionsraum einer Stirlingmaschine 3A, 3B kann jeweils ein Wärmetauscher zur Abführung von Wärme vorgesehen sein.
Der in Figur 2 dargestellte Anker 5 der Elektromaschine 2 schwingt in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates 1 bei Zu¬ führung von elektrischer Energie zu der Elektromaschine 2 in Längsrichtung X mit einer bestimmten Eigenfrequenz f mechanisch hin und her. Der hin und her schwingende Anker 5 versetzt dabei den mechanisch angekoppelten Kolben 8A, 8B einer oder beider Stirlingmaschinen 3A, 3B ebenfalls in mechanische Schwingung. Ist umgekehrt ein Kolben 8A einer antreibenden Stirlingmaschine, beispielsweise der Stirlingmaschine 3A, über die zugehörige Kopplungseinrichtung 4A mechanisch mit dem Anker 5 der Elektromaschine 2 verbunden, schwingt der Kolben 8A der antreibenden Stirlingmaschine 3A bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu der antreibenden Stirlingmaschine 3A ebenfalls mit einer bestimmten Eigenfrequenz f mecha- nisch hin und her und versetzt den mechanisch über die Kopplungseinrichtung 4A angekoppelten Anker 5 der Elektromaschine 2 zur Erzeugung von elektrischem Strom in Schwingung. Die Eigenfrequenz f der mechanischen Schwingung wird dabei von der Masse des Ankers 5 der Elektromaschine 2, einschließlich der gegebenenfalls am Anker 5 angebrachten Ausgleichsmasse, sowie durch die Masse der einen oder beider an den Anker 5 der Elektromaschine 2 mechanisch angekoppelten Kolben 8A, 8B der Stirlingmaschinen 3A, 3B sowie der Federkonstanten in Längsrichtung x der beiden Aufhängungsfedern 10A, 10B bestimmt.
Die beiden Kopplungseinrichtungen 4A, 4B sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass mit der Abkopplung der jeweiligen Stirlingmaschine 3A, 3B von der Elektromaschine 2 eine frei schwingende Ersatzmasse 7A, 7B an den Anker 5 der Elektroma- schine 2 angekoppelt wird. Diese Ersatzmasse 7A, 7B ist dabei vorzugsweise so groß, wie die bewegte Masse der vorher ange¬ koppelten Stirlingmaschine 3A, 3B, das heißt, so groß wie die Masse des entsprechenden Kolbens 8A, 8B. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass durch An- und Abkoppeln einer Stirling- maschine 3A, 3B an die oder von der Elektromaschine 2 die Ei¬ genfrequenz f der mechanischen Schwingung nicht verändert wird. Bei Ankopplung einer Stirlingmaschine 3A, 3B an die Elektromaschine 2 wird umgekehrt die zuvor frei schwingende Ersatzmasse 7A, 7B von dem Anker 5 der Elektromaschine 2 ab- gekoppelt und mit einem feststehenden Bauteil, beispielsweise mit der Halterung der Statorwicklung 6A, 6B der Elektromaschine 2 fest verbunden. Die in Figur 2 dargestellten Kopplungseinrichtungen 4A, 4B können manuell oder ferngesteuert bedient werden.
Die Figuren 3A, 3B zeigen Ausführungsbeispiele zur Ausgestal¬ tung der Kopplungseinrichtungen 4A, 4B bei der in Figur 2 dargestellten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Aggrega- tes 1. Figur 3A zeigt einen gekoppelten Zustand bei dem die mit dem Anker 5 der Elektromaschine 2 verbundene Stange IIB mit einer Kolbenstange 8B der Stirlingmaschine 3B verbunden bzw. daran gekoppelt ist. Figuren 3A, 3B zeigen die Ankopp- lung der zweiten in den Figuren 1, 2 rechts dargestellten Stirlingmaschine 3B an die Elektromaschine 2. Der Kopplungs¬ mechanismus der links dargestellten ersten Stirlingmaschine 3A an die Elektromaschine 2 ist in symmetrischer Weise analog aufgebaut. Bei dem von Figur 3A, 3B dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kopplung mit Hilfe einer Kopplungs¬ manschette 12B. Bei dieser Kopplungsmanschette 12B kann es sich um ein Rohr mit einem Innengewinde handeln, wie es in Figur 3 angedeutet ist. Die Kopplungsmanschette 12B umfasst jeweils einen mit einem Gewinde versehenen Endabschnitt der mit dem Anker 5 verbundenen Ankerstange IIB sowie der Kolbenstange 8B. Im gekoppelten Zustand ist eine Ersatzmasse 7B von der Ankerstange IIB des Ankers 5 abgekoppelt und mit einem feststehenden Bauteil verbunden, bei dem es sich um eine Halterung bzw. ein Gehäuseteil der Elektromaschine 2 handeln kann. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Ersatzmasse 7A, 7B um eine Ringschei¬ be mit einem Innengewinde, die mit einer Halterung bzw. einem feststehenden Bauteil 13B der Elektromaschine 2 verbunden ist .
Figur 3B zeigt den entkoppelten Zustand der Kopplungsvorrichtung 4B. Bei Abkopplung der Stirlingmaschine 3B von der
Elektromaschine 2 wird die frei schwingende Ersatzmasse 7B an die mit dem Anker 5 verbundene Ankerstange IIB angekoppelt, wie man in Figur 3B erkennen kann. Die Ersatzmasse 7B ist dabei vorzugsweise genauso groß wie die bewegte Masse der vor¬ her im angekoppelten Zustand angekoppelten Stirlingmaschine 3B, so dass durch das Abkoppeln der Stirlingmaschine 3B die Eigenfrequenz f der mechanischen Schwingung nicht verändert wird. In einer weiteren Aus führungs form wird die mechanische Schwingung auf diese Weise auf einer konstanten Schwingfre¬ quenz von 50 Hz oder 60 Hz gehalten. Das erfindungsgemäße Aggregat 1 lässt sich vielseitig einset¬ zen. Die Figur 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungs- gemäßen Aggregats 1 für ein Gebäude 14. Die Elektromaschine 2 des Aggregates 1 ist über einen DC/AC-Wandler 15 mit einer Photovoltaikanlage 16 verbunden. Ferner ist das Aggregat 1 an einen Sonnenkollektor 17 angeschlossen, der bei Sonneneinstrahlung externe Wärme an das Aggregat 1 liefern kann. Das erfindungsgemäße Aggregat 1 kann im Gebäude 14 Wärme und/oder Kälte an einen Raum 18 liefern, in dem sich beispielsweise eine Person 19 befindet. Über eine Steuerung 20 kann ein Betriebsmodus des Aggregates 1 eingestellt werden. In dem ers¬ ten Betriebsmodus des Aggregates 1 wird dem Aggregat 1 durch die Photovoltaikanlage 16 elektrische Energie zugeführt, die durch das Aggregat 1 in Wärme und/oder Kälte für den Raum 18 umgewandelt wird. In dem zweiten Betriebsmodus wird dem Ag¬ gregat 1 durch den Sonnenkollektor 17 externe Wärmeenergie zugeführt, die durch das Aggregat 1 in elektrischen Strom umgewandelt wird, indem beispielsweise ein in dem Raum 18 be¬ findliches elektrisches Gerät 21 angetrieben wird. Bei dem Gerät 21 kann es sich beispielsweise um eine Lampe oder der¬ gleichen handeln. Der bei Zuführung von externer Wärme W erzeugte Strom kann alternativ in einem Energiespeicher, beispielsweise einem Stromakkumulator, für den späteren
Verbrauch gespeichert werden.
Das in Figur 4 dargestellte Aggregat 1 kann somit in dem ers¬ ten Betriebsmodus bei Zuführung von elektrischer Energie, welche beispielsweise von der Photovoltaikanlage 16 geliefert wird oder von einem zuvor aufgeladenen Stromspeicher 22 bezogen wird, den Raum 18 zum Beispiel im Winter heizen oder zum Beispiel im Sommer kühlen. Weiterhin kann das Aggregat 1 bei Zuführung von Strom in dem ersten Betriebsmodus einen ersten Raum, beispielsweise einen Vorratsraum für Lebensmittel, kühlen und gleichzeitig einen anderen Raum des Gebäudes 14, in welchem sich Personen befinden, heizen. Weiterhin kann das in Figur 4 dargestellt Aggregat 1 in dem zweiten Betriebsmodus bei Zuführung von externer Wärmeenergie, beispielsweise von dem in Figur 4 dargestellten Sonnenkollektor, das Gebäude 14 kühlen oder wärmen und gleichzeitig Strom für Haushaltsgerä¬ te, insbesondere die Beleuchtung, liefern bzw. den Strom in einem Akkumulator speichern.
Figur 5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für das erfin¬ dungsgemäße Aggregat 1. Bei dem gezeigten Anwendungsbeispiel ist das Aggregat 1 in einem Elektrofahrzeug 21 eingebaut und kann Wärme bzw. Kälte in einen Passagierraum 24 des Elektro- fahrzeugs liefern. Ein Fahrer 25 kann beispielsweise über eine Steuerung 26 den Betriebsmodus des Aggregates 1 einstel¬ len. Dem Aggregat 1 kann beispielsweise Wärmeenergie zuge¬ führt werden, die von einem Verbrennungs- oder Elektromotor 27 des Fahrzeuges 23 stammt. Über einen AC/DC-Koppler 28 kann das Aggregat 1 mit einem Fahrzeugakkumulator 29 des Fahrzeu¬ ges 23 verbunden sein. Dem Akkumulator 1 wird in dem zweiten Betriebsmodus Wärmeenergie zugeführt, und der von dem Aggre¬ gat 1 dabei generierte Wechselstrom kann durch den AC/DC- Wandler 28 in Gleichstrom umgewandelt werden, durch welchen der Fahrzeugakkumulator 29 aufgeladen wird. Umgekehrt kann die in dem Fahrzeugakkumulator 29 gespeicherte elektrische Energie dazu verwendet werden, in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates 1 dieses mit elektrischer Energie zu versor¬ gen .
Das erfindungsgemäße Aggregat 1 kann in einer weiteren Aus¬ führungsform für einen Teilnehmer eines dezentralen Stromnetzwerkes eingesetzt werden. Dabei liefert das Stromnetzwerk in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates 1 elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte bei dem jewei¬ ligen Teilnehmer. Weiterhin kann das Stromnetzwerk in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates 1 elektrische Energie von dem Aggregat 1 des jeweiligen Teilnehmers beziehen.
Das erfindungsgemäße Aggregat 1 eignet sich ferner zur Küh¬ lung oder Erwärmung von Gebäuden. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Aggregat 1 ein beliebiges Fluid in dem ers¬ ten Betriebsmodus erwärmt bzw. erhitzt werden. Das erfin¬ dungsgemäße Aggregat 1 ist somit universell einsetzbar und eignet sich insbesondere für Stand-alone-Systeme, die eine autarke Versorgung von Wärme, Kälte und Strom benötigen.

Claims

regat (1) zur Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung mit: einer Elektromaschine (2), die zwischen zwei Stir- ling-Maschinen (3A, 3B) angeordnet ist, wobei ein Anker (5) der Elektromaschine (2) über eine erste Kopp¬ lungseinrichtung (4A) mechanisch an einen Kolben (8A) einer ersten Stirling-Maschine (3A) und über eine zweite Kopplungseinrichtung (4B) mechanisch an einen Kolben (8B) einer zweiten Stirling-Maschine (3B) koppelbar ist;
wobei in einem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) die mittig angeordnete Elektromaschine (2) bei Zuführung von elektrischer Energie zu der Elektromaschine (2) als Elektromotor nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens ( 8A, 8B) von mindestens einer der beiden Stirling-Maschinen (3A, 3B) mittels der jeweils zugehörigen Kopplungseinrichtung (4A, 4B) an den Anker (5) der Elektromaschine (2) diese mindestens eine angekoppelte Stirling-Maschine (3A, 3B) zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte antreibt; und wobei in einem zweiten Betriebsmodus des Aggregates (1) eine der beiden Stirling-Maschinen (3A, 3B) bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu dieser Stirling-Maschine (3A, 3B) als antreibende Stirling- Maschine nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens ( 8A, 8B) der antreibenden Stirling-Maschine (3A, 3B) mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung (4A, 4B) an den Anker (5) der Elektromaschine (2) die Elektromaschine (2) als Elektrogenerator zur Erzeu¬ gung von elektrischem Strom antreibt und
nach erfolgter mechanischer Ankopplung des Kolbens ( 8A, 8B) der anderen Stirling-Maschine (3A, 3B) mittels der zugehörigen Kopplungseinrichtung (4A, 4B) an den Anker (5) der Elektromaschine (2) die andere Stirling-Maschine (3A, 3B) zusätzlich zur Erzeugung von Kälte antreibt.
2. Aggregat nach Anspruch 1,
wobei der Anker (5) der Elektromaschine (2) in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) bei Zuführung von elek¬ trischer Energie zu der Elektromaschine (2) in Längsrichtung mit einer bestimmten Eigenfrequenz (f) mechanisch schwingt und den mechanisch angekoppelten Kolben ( 8A, 8B) der mindestens einen angekoppelten Stirling-Maschine (3A, 3B) zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte in Schwingung versetzt .
3. Aggregat nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Kolben ( 8A, 8B) der antreibenden Stirling- Maschine (3A, 3B) in dem zweiten Betriebsmodus des Aggre¬ gates (1) bei Zuführung von externer Wärmeenergie zu der antreibenden Stirling-Maschine (3A, 3B) mit einer bestimmten Eigenfrequenz (f) mechanisch schwingt und den mechanisch angekoppelten Anker (5) der Elektromaschine (2) zur Erzeugung von elektrischem Strom in Schwingungen versetzt .
4. Aggregat nach Anspruch 1 bis 3,
wobei der Anker (5) der Elektromaschine (2) an mindestens einer mechanischen Feder (10A, 10B) aufgehängt ist.
5. Aggregat nach Anspruch 4,
wobei die Masse des Ankers (5) der Elektromaschine (2), die Masse des einen oder beider an den Anker (5) der Elektromaschine (2) mechanisch angekoppelten Kolben ( 8A, 8B) der Stirling-Maschine (3A, 3B) , die Masse der Kopp¬ lungseinrichtung (4A, 4B) zwischen Anker (5) und Kolben ( 8A, 8B) sowie die Federkonstante der mechanischen Feder (10A, 10B) die Eigenfrequenz (f) der mechanischen Schwingung bestimmen.
6. Aggregat nach Anspruch 5,
wobei am Anker (5) der Elektromaschine (2) eine Aus¬ gleichsmasse zur Einstellung der Eigenfrequenz (f) der mechanischen Schwingung vorgesehen ist.
Aggregat nach Anspruch 2 bis 6,
wobei die beiden Kopplungseinrichtungen (4A, 4B) derart gestaltet sind, dass mit der Abkopplung der jeweiligen Stirling-Maschine (3A, 3B) von der Elektromaschine (2) eine Ersatzmasse (7A, 7B) an den Anker (5) der Elektroma¬ schine (2) angekoppelt wird, wobei die Ersatzmasse (7A, 7B) frei schwingend und genauso groß ist wie die bewegte Masse der vorher gekoppelten Stirling-Maschine (3A, 3B) , so dass sichergestellt ist, dass sich durch An- oder Ab¬ koppeln einer Stirling-Maschine (3A, 3B) die Eigenfre¬ quenz (f) nicht ändert.
Aggregat nach Anspruch 7,
wobei die beiden Kopplungseinrichtungen (4A, 4B) derart gestaltet sind, dass mit der Ankopplung der jeweiligen Stirling-Maschine (3A, 3B) an die Elektromaschine (2) die zuvor frei schwingende Ersatzmasse (7A, 7B) von dem Anker (5) der Elektromaschine (2) abgekoppelt und mit einem fest stehenden Bauteil (13A, 13B) des Aggregates (1) me¬ chanisch verbunden wird.
Aggregat nach Anspruch 8,
wobei das fest stehende Bauteil (13A, 13B) ein Bauteil ist, das mit der Statorwicklung ( 6A, 6B) der Elektromaschine (2) fest verbunden ist.
Aggregat nach Anspruch 2-9,
wobei die beiden Kopplungseinrichtungen (4A, 4B) manuell oder ferngesteuert bedienbar sind.
Aggregat nach Anspruch 10 mit einer manuell bedienbaren Kopplungseinrichtung (4A, 4B) ,
wobei die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse (7A, 7B) über Schraubverbindungen oder lösbare mechanische Arretierungen erfolgt.
Aggregat nach Anspruch 10 mit einer ferngesteuert bedien baren Kopplungseinrichtung (4A, 4B) ,
wobei die Kopplung der Ankermasse und der Ersatzmasse (7A, 7B) mittels elektromagnetischer oder piezoelektrischer Aktuatoren erfolgt.
13. Aggregat nach Anspruch 2 bis 12,
wobei die Eigenfrequenz (f) der mechanischen Schwingung 50 Hz oder 60 Hz beträgt.
14. Aggregat nach Anspruch 11,
wobei in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) der Elektromaschine (2) ein elektrischer Wechselstrom (AC) mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz zugeführt wird.
15. Aggregat nach Anspruch 1 bis 12,
wobei in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) eine Photovoltaikanlage die elektrische Energie liefert.
Aggregat nach Anspruch 1 bis 12,
wobei in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates (1) mindestens ein Sonnenkollektor die externe Wärmeenerg liefert . 17. Verwendung des Aggregates nach Anspruch 1 bis 12 für ein Elektrofahrzeug, dessen Fahrzeugakkumulator in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) die elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte für einen Passagierraum (24) des Elektrofahrzeuges (23) bereitstellt und dessen Fahrzeugakkumulator (29) in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates (1) durch den durch das Aggregat (1) erzeugten elektrischen Strom aufgeladen wird.
Verwendung des Aggregates nach Anspruch 1 bis 12 für ein Gebäude (14), dessen Energiespeicher in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) die elektrische Energie zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte für Wohnräume (18) des Gebäudes (14) bereitstellt und dessen Energiespeicher in dem zweiten Betriebsmodus des Aggregates (1) durch den durch das Aggregat (1) erzeugten elektrischen Strom aufgeladen wird. 19. Verwendung des Aggregates nach Anspruch 1 bis 12 für
einen Teilnehmer eines dezentralen Stromnetzwerkes, wobei das Stromnetzwerk in dem ersten Betriebsmodus des Aggregates (1) elektrische Energie zur Erzeugung von Wär¬ me und/oder Kälte bei dem Teilnehmer liefert, und
wobei das Stromnetzwerk in dem zweiten Betriebsmodus des
Aggregates (1) elektrische Energie von dem Aggregat (1) des Teilnehmers bezieht.
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