WO2001036802A1 - Energiewandler und verfahren zum betrieb eines energiewandlers - Google Patents

Energiewandler und verfahren zum betrieb eines energiewandlers Download PDF

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Schweizerische Industrie Gesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K35/02—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit with moving magnets and stationary coil systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1869—Linear generators; sectional generators
    • H02K7/1876—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts
    • H02K7/1884—Linear generators; sectional generators with reciprocating, linearly oscillating or vibrating parts structurally associated with free piston engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder

Definitions

  • the invention relates to an energy converter comprising a free-piston Stirling engine and a linear generator directly coupled thereto in accordance with the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for operating an energy converter in accordance with the preamble of claims 9 and 12
  • an energy converter comprising a free-piston Stirling engine and a linear generator coupled directly to it is known.
  • the free-piston Stirlmg engine converts the heat energy supplied into a linear movement.
  • This linear movement is converted into electrical energy in the linear generator coupled directly to the free-piston Stirling engine
  • the purpose of this energy converter is to efficiently convert thermal energy into electrical energy.
  • the electrical energy generated can be supplied to a consumer in an island operation.
  • the electrical energy can also be used in a public one
  • the power control of the free-piston Stirling engine is of central importance for the operation of the energy converter, in order to master the transient processes when starting and stopping the energy converter on the one hand, and on the other hand to ensure stable and efficient operation of the Ensure energy converter
  • a disadvantage of this known energy converter is the fact that the autotransformer used for power control is relatively expensive and slow, so that the energy converter is relatively expensive and can also be regulated only to a limited extent.
  • It is an object of the present invention to form an economically more advantageous energy converter comprising a free-piston Stirling engine and a linear generator coupled directly to it.
  • an energy converter comprising a free-piston Stirling engine and a linear generator coupled directly to it, the linear generator comprising at least two coils in which the voltage is induced, and a switching device being designed such that the coils can be controlled both in series connection and can be connected in parallel.
  • An advantage of the energy converter according to the invention can be seen in the fact that only an additional, inexpensive switching device is required for power control, with which the coils of the linear generator are connected in series or in parallel.
  • the energy converter according to the invention is thus inexpensive to produce, which is of particular importance when it is used in small systems and, for example, single-family houses.
  • the free-piston Stirling engine of the energy converter according to the invention has an advantageous transient response, since the output power can be varied and changed quickly over time by switching the coils. This prevents a large stroke of the working piston, which harbors the risk of the working piston striking.
  • the linear generator has four separate coils, in each of which a voltage is induced. These four coils can be interconnected in different combinations, such that all four coils are connected in series or in parallel. Since there is a quadratic relationship between the output power and the voltage, the power output by the linear generator can be varied by a corresponding switching of the coils by up to a factor of 16.
  • the device according to the invention has the advantage that the coils can be interconnected very quickly and in different combinations.
  • a temperature sensor which is connected to a control device, is arranged on the heater or on the heat exchanger of the free-piston Stirling engine.
  • the coils can be switched as a function of the measured temperature, for example in such a way that a predetermined temperature setpoint is not exceeded.
  • the electrical power delivered by the linear generator to the consumer network is thus controlled in such a way that the predetermined temperature setpoint is not exceeded at the heat exchanger.
  • the energy converter also includes an oven arranged at the heat exchanger of the free-piston Stirling engine
  • Such an energy converter is suitable, for example, as a heating and power generation system, for example in order to provide both thermal energy for heating the building or for heating domestic water and electrical energy in single-family houses.
  • the linear generator is preferably directly to the public
  • a wide variety of embodiments are suitable as burners, for example a single-stage burner, or a so-called recuperative burner, as disclosed for example in the document EP 0 903 539 A2.
  • One advantage is the fact that the free-piston Stirling engine can be operated with any heat source, for example with a solar system or with wood firing.
  • the energy converter is heated with a burner, the power output of the linear generator being reduced by suitable switching of the coils when the energy converter is started up, so that the energy converter reaches its steady operating temperature in a short time, preferably within less than 8 minutes ,
  • One advantage of this method is that the pollutant emissions caused by the start-up are low, and environmental protection regulations such as the regulation of the LRV92 Air Pollution Control Ordinance applicable in Switzerland can be complied with.
  • the temperature of the heater or the heat exchanger of the free-piston Stirling engine is measured, re upon exceeding a predeterminable reference temperature T f is the power output of the linear generator is increased by corresponding switching of the coils such that the temperature TE of the heater the predeterminable Does not exceed the reference temperature T re f.
  • the process is to be seen in that an excessive thermal load on the heat exchanger can be avoided.
  • the energy converter is connected to the network during start-up, the problem arises that, given the appropriate phase relationship between the network and the position of the generator, the generator is motor-driven by the network.
  • the generator and the working piston of the free-piston striling motor coupled to it very quickly have a large stroke amplitude during start-up, so that there is a risk that the generator and / or the working piston will collide with an existing travel limitation or a stop.
  • the energy converter is described below with the aid of exemplary embodiments, which always have a feed of the generated electrical energy into a public supply network.
  • the energy converter is also suitable for island operation, for example in combination with a solar collector, which converts the sun's rays into thermal energy.
  • the energy converter can of course also be operated in parallel with the grid using a solar collector.
  • Figure 1 is a section of a side view of an energy converter, only shown symbolically.
  • Fig. 2 is a plan view of coils arranged in a cross shape
  • Fig. 7 shows schematically a connection of the linear generator to the network
  • Fig. 8 shows the stroke amplitude as a function of time during start-up.
  • the energy converter 1 shown in FIG. 1 comprises a free-piston Stirling engine 2 and a linear generator 3 which is coupled directly to it via a clutch 4.
  • the free-piston Stirling engine 2 with an outer housing 2a comprises on the inside a displacement piston 6 which is movably mounted in a direction of movement 6a and also in Direction of movement 5a movable working piston 5.
  • a channel opening between the displacer piston 6 and the working piston 5 into the interior of the free-piston Stirling engine 2 runs via a regenerator 7 into a heat exchanger 8 designed as a heat exchange tube 8a.
  • a plurality of heat exchange tubes 8a are usually arranged, with FIG. 1 for a clear illustration only a single heat exchange tube 8a is shown.
  • These heat exchange tubes 8a, via which the heat flow Q flows in, are also referred to as tube bundles, tube coils or as tube coils.
  • a further heat exchanger 17 with feed line 17a and discharge line 17b is arranged directly in front of the regenerator 7.
  • the interior of the free-piston Stirling engine 2 is filled with helium gas.
  • the regenerator 7 could also be arranged inside the outer housing 2a.
  • the generator 3 comprises a coil 11 with coil connection lines 11a, 11b, a coil housing 9 and a permanent magnet 10 which is movably mounted in the direction of movement 5a and connected to the working piston 5.
  • the permanent magnet 10 induces a voltage in the coil 11.
  • the coil connection lines 11a, 11b are connected directly to the public supply network.
  • the operating frequency of the free-piston Stirling engine 2 is therefore approximately 50 Hz in Europe or 60 Hz in the USA.
  • FIG. 2 shows a coupling rod 4 running vertically to the viewing plane, at the end of which two cross-shaped brackets 4a, 4b are arranged, one at each end
  • Permanent magnet 10 is attached. Each permanent magnet 10 is surrounded by a separate coil 11, 12, 13, 14 with coil connection lines 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b. These four coils 11, 12, 13, 14 are controllable by a switching device 15 in different ways connected together.
  • the switching device 15 has outputs 16a, 16b which can be connected directly to the public voltage network.
  • the switching device 15 comprises switches, which are designed, for example, as classic mechanical switches or as contactless electronic switching elements in order to connect the coils 11, 12, 13, 14 in different arrangements, as shown in FIGS. 3a, 3b and 3c.
  • 3a shows a series connection of all coils 11, 12, 13, 14.
  • FIGS. 3b and 3d each show a series parallel connection.
  • 3c shows a parallel connection. In the circuit according to FIG. 3c, the greatest electrical power is transmitted into the consumer network 32, whereas with a circuit according to FIG. 3a, the lowest electrical power is transmitted into the consumer network 32.
  • the linear generator 3 can have a different number of separate coils 11, 12, 13, 14, for example two, three, four, eight or sixteen coils 11, 12, 13, 14.
  • FIGS. 4a and 4b show a linear generator 3 with only two coils 11, 12.
  • the linear generator 3 can have any number of coils 11, 12, 13, 14, in particular also an odd number.
  • FIG. 5 shows an additional voltage divider 18 connected downstream of the switching device 15 in order to control the power transmitted from the linear generator 3 to the consumer network 16a, 16b.
  • the linear generator 3 could also be connected directly to the voltage divider 18 without the switching device 15. With switch 19a closed and switch 19b open, the generator voltage is 230 volts if no switching device 15 is arranged. When the switch 19b is closed and the switch 19a is open and the impedance 20a, 20b is selected accordingly, the generator voltage is 110 volts if no switching device 15 is arranged. The power delivered by the linear generator 3 to the consumer network 16a, 16b can thus be controlled by switching the corresponding switches 19a, 19b.
  • the impedances 20a, 20b can be configured as capacitors, resistors, inductors or combinations thereof.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of an energy converter 1, with an oven 34 on the side of the heater 8 of the free-piston Stirling engine 2 a burner 23 is arranged.
  • the burner 23 is designed, for example, as a regenerator burner, as disclosed in EP 0 903 539.
  • the combustion gases emerging from the burner 23 form flames 24 which extend to the heat exchanger 8 consisting of heat exchange tubes 8a.
  • heat-conducting plates 25 also referred to as flame tubes or separating tubes, which conduct the combustion exhaust gases back towards the top.
  • the fuel is supplied via a fuel feed line 23a, a valve 27 with an ignition device being electrically controllable via a line 27a being arranged between the fuel feed line 23a and the nozzle 23.
  • Fresh air is supplied to the furnace 34 via the feed line 26a, and combustion exhaust gases are discharged via the discharge line 26c.
  • the electrical energy generated by the linear generator 3 is fed into the public network 32 via an electrical energy line 31.
  • the oven 34 can also be referred to as a boiler 22.
  • a heat exchanger 17 is arranged on the free-piston Stirling engine 2, cool water being supplied via a feed line 17a, and heated water being discharged via the discharge line 17b. This heated water is used for heating or heating domestic water.
  • a first temperature sensor 28 with an electrical line 28a is arranged in the interior of the boiler 22 in order, for example, to measure the temperature of the back-flowing combustion exhaust gases 26b.
  • a second temperature sensor 29 with an electrical line 29a is arranged on the heat exchanger 8.
  • the heating and power generation device 21 shown in FIG. 6 comprises a control device 30 which is connected via electrical lines 27a, 28a, 29a and 33 to the temperature sensors 28, 29, the valve 27 and the switching device 15.
  • the heating and power generation device 21 can be operated, for example, using the following method: on the basis of existing regulations or for reasons of environmental protection, the boiler 22 is started up in such a way that the stationary operating temperature is reached as quickly as possible.
  • the temperature of the heat exchanger 8 or the exhaust gases is measured with the temperature sensors 28, 29.
  • the coils 11, 12, 13, 14 of the linear generator 3 are short-circuited in order to prevent the free-piston Stirling engine 2 from moving and thus removing heat from the heat exchanger 8 from the interior of the furnace 34 prevent.
  • the temperature at the second sensor 29 is approximately 600 to 700 degrees, the coils 11, 12, 13, 14 are switched, for example, as shown in FIG.
  • the coils 11, 12, 13, 14 are switched in such a way that the heat removed from the heat exchanger 8 or the electrical power dissipated is as low as possible, but at least in such a way that the temperature of the heat exchanger 8 does not reach the range of 600 to 700 degrees C. exceeds. This protects the heat exchanger, for example its tubes 8a, from overheating. As soon as a temperature of 850 to 900 degrees C occurs at the first temperature sensor 28, the combustion chamber is ramped up with its temperature and the stationary operating temperature is reached. The coils 11, 12, 13, 14 are now switched as shown in FIG. 3c in order to transmit the greatest possible electrical power into the consumer network 32. This inventive method allows a quick, low pollutant start up the heating and
  • Power generation device 21 This method is particularly advantageous in combination with a regenerator burner, as is disclosed in the document EP 0 903 539.
  • a regenerative burner has two different operating states, a burning state at a lower temperature with an increased proportion of pollutants, and a burning state at a high temperature with a reduced proportion of pollutants.
  • a heating and power generation device 21 comprising the energy converter 1 according to the invention in combination with the regenerator burner has the advantage that the combustion is very low in pollutants and with high efficiency, that the coils 11, 12, 13, 14 of the linear generator 3 directly via the switching device 15 can be connected to the consumer network, and that the control is designed to be very inexpensive, reliable and robust.
  • FIGS. 7 and 8 show a method for starting up and connecting the energy converter 1 to the network. In the illustrated embodiment, the start-up can be divided into three phases.
  • the linear generator 3 As shown in FIG. 7 by the open switch 19a, is separated from the network 16a, 16b and short-circuited via the closed switch 19b. This hinders the movement of the linear generator 3, so that the free-piston Stirling engine 2 can warm up quickly.
  • the coils 11, 12, 13, 14 are connected in series before being connected to the network and then the coils 11, 12, 13, 14 are connected to the network by opening the switch 19b and closing the switch 19a .
  • the linear generator 3 oscillates back and forth in a substantially sinusoidal manner, the stroke or the amplitude of this oscillation being a function of time as shown by curve 35a.
  • the series connection has the effect that the stroke of the generator 3 is significantly less than the maximum permitted stroke denoted by Hmax.
  • the coils 11, 12, 13, 14 are switched in parallel by the switching device 15 in the third phase, so that the stroke of the generator 3 increases in accordance with the course of the curve 35c.
  • the curve 35c has no overshoot.
  • Curve 35b shows the start-up behavior of generator 3 when coils 11, 12, 13, 14 are connected in parallel from the start when they are connected to the network.
  • the network acts motor-wise on the generator 3 in such a way that it very quickly has an impermissibly high stroke corresponding to the curve 35b.
  • the first phase can be dispensed with, so that the generator is not short-circuited and, as described in the second phase, is connected directly to the network in series connection.
  • the coils 11, 12, 13, 14 can also be connected in mixed forms, as shown in FIGS. 3b, 3d is shown in order to produce the effects described in the second phase and third phase for temporarily reducing the stroke of the generator 3.

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Abstract

Der Energiewandler (1) umfasst einen Freikolben-Stirlingmotor (2) sowie einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator (3), wobei der Lineargenerator (3) zumindest zwei Spulen (11, 12, 13, 14) umfasst, in welchen die Spannung induziert wird, und wobei eine Schaltvorrichtung (15) derart ausgestaltet ist, dass die Spulen (11, 12, 13, 14) ansteuerbar in Serieschaltung oder in Parallelschaltung verbindbar sind.

Description

Energiewandler und Verfahren zum Betrieb eines Energiewandlers
Die Erfindung betrifft einen Energiewandler umfassend einen Freikolben- Stirlingmotor sowie einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator gemass dem Oberbegriff von Anspruch 1 Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Energiewandlers gemass dem Oberbegriff von Anspruch 9 und 12
Aus der Druckschrift US 4,873,826 ist ein Energiewandler umfassend einen Freikolben-Stirlingmotor sowie einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator bekannt Der Freikolben-Stirlmgmotor wandelt die zugefuhrte Wärmeenergie in eine lineare Bewegung Diese lineare Bewegung wird in dem direkt an den Freikolben-Stirlingmotor angekoppelten Lineargenerator in elektrische Energie umgewandelt Der Zweck dieses Energiewandlers ist thermische Energie effizient in elektrische Energie zu wandeln Die erzeugte elektrische Energie kann in einem Inselbetrieb einem Verbraucher zugeführt werden Die elektrische Energie kann auch in ein öffentliches
Versorgungsnetz eingespeist werden Dabei ist die Leistungsregelung des Freikolben-Stirlingmotors für den Betrieb des Energiewandlers von zentraler Bedeutung, um einerseits die transienten Vorgange beim Starten und Stoppen des Energiewandlers zu beherrschen und andererseits trotz gegebenenfalls variierender Wärmezufuhr bzw variierender Ableitung elektrischer Energie einen stabilen und effizienten Betrieb des Energiewandlers zu gewahrleisten Nachteilig an diesem bekannten Energiewandler ist die Tatsache, dass der zur Leistungsregelung verwendete Autotransformator relativ teuer und träge ist, sodass der Energiewandler relativ teuer und zudem nur beschränkt regelbar ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen wirtschaftlich vorteilhafteren Energiewandler umfassend einen Freikolben-Stirlingmotor sowie einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator zu bilden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Energiewandler aufweisend die Merkmale von Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 8 betreffen weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem
Verfahren zum Betrieb eines Energiewandlers aufweisend die Merkmale von Anspruch 9. Die Unteransprüche 10 und 11 betreffen weitere, vorteilhafte Verfahrensschritte. Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren zum Betrieb des Energiewandlers aufweisend die Merkmale von Anspruch 11. Der Unteranspruch 12 betrifft einen weiteren, vorteilhaften Verfahrensschritt.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst mit einem Energiewandler umfassend einen Freikolben-Stirlingmotor sowie einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator, wobei der Lineargenerator zumindest zwei Spulen umfasst, in welchen die Spannung induziert wird, und wobei eine Schaltvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Spulen ansteuerbar sowohl in Serieschaltung als auch in Parallelschaltung verbindbar sind.
Ein Vorteil des erfindungsgemässen Energiewandlers ist darin zu sehen, dass zur Leistungsregelung nur noch eine zusätzliche, kostengünstige Schaltvorrichtung erforderlich ist, mit welcher die Spulen des Lineargenerators entsprechend in Serie oder parallel geschaltet werden. Der erfindungsgemässe Energiewandler ist somit kostengünstig herstellbar, was insbesondere bei dessen Verwendung in Kleinanlagen und beispielsweise Einfamilienhäusern von entscheidender Bedeutung ist. Der Freikolben- Stirlingmotor des erfindungsgemässen Energiewandlers weist ein vorteilhaftes Einschwingverhalten auf, da durch das Schalten der Spulen die abgegebene Leistung variierbar ist und zeitlich schnell geändert werden kann. Dadurch wird ein grosser Hub des Arbeitskolbens, was die Gefahr eines Anschlagen des Arbeitskolbens birgt, verhindert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Lineargenerator vier separate Spulen auf, in welchen je eine Spannung induziert wird. Diese vier Spulen sind in unterschiedlichen Kombinationen zusammenschaltbar, so auch derart, dass alle vier Spulen in Serie oder parallel geschaltet sind. Da zwischen der abgegebenen Leistung und der Spannung ein quadratischer Zusammenhang besteht, kann die vom Lineargenerator abgegebene Leistung durch ein entsprechendes Schalten der Spulen um bis zu einem Faktor 16 variiert werden.
Eine Leistungsregelung ist auch am Freikolben-Stirlingmotor möglich, indem beispielsweise die Hitze bzw. die zugeführte Wärmemenge variiert wird. Diese Regelung ist jedoch äusserst träge. Dagegen weist die erfindungsgemässe Vorrichtung den Vorteil auf, dass die Spulen sehr schnell und in unterschiedlicher Kombination zusammenschaltbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am Erhitzer bzw. am Wärmetauscher des Freikolben-Stirlingmotors ein Temperatursensor angeordnet, welcher mit einer Regelvorrichtung verbunden ist. Die Spulen sind in Funktion der gemessenen Temperatur schaltbar, beispielsweise derart, dass ein vorgegebener Temperatursollwert nicht überschritten wird. Somit wird die vom Lineargenerator an das Verbrauchernetz abgegebene elektrische Leistung derart gesteuert, dass am Wärmetauscher der vorgegebene Temperatursollwert nicht überschritten wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Energiewandler einen beim Wärmetauscher des Freikolben-Stirlingmotors angeordneten Ofen mit
Brenner. Ein derartiger Energiewandler ist beispielsweise als eine Heizungsund Stromerzeugungsanlage geeignet, um beispielsweise in Einfamilienhäusern sowohl Wärmeenergie zur Gebäudebeheizung bzw. zur Brauchwassererwärmung als auch elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise ist der Lineargenerator direkt an das öffentliche
Stromversorgungsnetz angeschlossen. Als Brenner sind unterschiedlichste Ausführungsformen geeignet, so beispielsweise auch ein Einstufenbrenner, oder ein sogenannter Rekuperativbrenner, wie dieser beispielsweise in der Druckschrift EP 0 903 539 A2 offenbart ist.
Ein Vorteil ist die Tatsache, dass der Freikolben-Stirlingmotor mit einer beliebigen Wärmequelle betreibbar ist, so zum Beispiel auch mit einer Solaranlage oder mit einer Holzfeuerung.
In einem besonders vorteilhaften Verfahren wird der Energiewandler mit einem Brenner erhitzt, wobei beim Hochfahren des Energiewandlers die Leistungsabgabe des Lineargenerators derart durch geeignetes Schalten der Spulen reduziert wird, dass der Energiewandler in kurzer Zeit, vorzugsweise innerhalb von weniger als 8 Minuten, dessen stationäre Betriebstemperatur erreicht. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass der durch das Hochfahren bewirkte Schadstoffausstoss gering ausfällt, und somit Umweltschutzvorschriften wie beispielsweise die in Schweiz gültige Vorschrift der Luftreinhalteverordnung LRV92 eingehalten werden können.
In einem weiteren vorteilhaften Verfahren wird die Temperatur des Erhitzers bzw. des Wärmetauschers des Freikolben-Stirlingmotor gemessen, wobei beim Überschreiten einer vorgebbaren Referenztemperatur Tref die Leistungsabgabe des Lineargenerators durch entsprechendes Schalten der Spulen derart erhöht wird, dass die Temperatur TE des Erhitzers die vorgebbare Referenztemperatur Tref nicht übersteigt. Ein Vorteil dieses
Verfahrens ist darin zu sehen, dass eine übermässige thermische Belastung des Wärmetauschers vermeidbar ist.
Wenn der Energiewandler während dem Anfahren an das Netz geschaltet wird ergibt sich das Problem, dass, bei entsprechender Phasenlage zwischen Netz und Lage des Generators, der Generator durch das Netz motorisch angetrieben wird. Dies bewirkt, dass der Generator und der daran gekoppelte Arbeitskolben des Freikolben-Strilingmotors während dem Anfahren sehr schnell eine grosse Hubamplitude aufweise, sodass die Gefahr besteht, dass der Generator und/oder der Arbeitskolben mit einer vorhandenen Wegbegrenzung bzw. einem Anschlag kollidiert. Es ist daher von entscheidender Wichtigkeit den Energiewandler beim Anfahren derart zu steuern, dass der Hub des Arbeitskolbens nicht unzulässig hohe Werte aufweist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Spulen des Generators beim Anfahren in Serie geschaltet sind und während dem Anfahren nachträglich in Parallelschaltung geschaltet werden.
Der Energiewandler wird im weiteren an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben, welche immer eine Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein öffentliches Versorgungsnetz aufweisen. Der Energiewandler ist jedoch auch für einen Inselbetrieb geeignet, beispielsweise in Kombination mit einem Sonnenkollektor, welcher die Sonnenstrahlen in thermische Energie wandelt. Der Energiewandler kann natürlich mit einem Sonnenkollektor auch netzparallel betrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt einer nur symbolisch dargestellten Seitenansicht eines Energiewandlers;
Fig. 2 eine Aufsicht kreuzförmig angeordneter Spulen eines
Lineargenerators;
Fig. 3a, 3b, 3c, 3d unterschiedlich geschaltete Spulen des Lineargenerators;
Fig. 4a, 4b weitere, unterschiedlich geschaltete Spulen eines Lineargenerators;
Fig. 5 schematisch einen weiteren Spannungsteiler;
Fig. 6 ein Energiewandler mit einem Brenner, einem Freikolben-
Stirlingmotor sowie einem Lineargenerator;
Fig. 7 schematisch eine Aufschaltung des Lineargenerators ans Netz;
Fig. 8 die Hubamplitude in Funktion der Zeit während des Anfahrens. Der in Fig. 1 dargestellte Energiewandler 1 umfasst einen Freikolben- Stirlingmotor 2 sowie einen über eine Kupplung 4 direkt daran gekoppelten Lineargenerator 3. Der Freikolben-Stirlingmotor 2 mit Aussengehäuse 2a umfasst im Inneren einen in einer Bewegungsrichtung 6a beweglich gelagerten Verdrängerkolben 6 sowie einen ebenfalls in Bewegungsrichtung 5a beweglich gelagerten Arbeitskolben 5. Zwischen dem Verdrängerkolben 6 bzw. dem Arbeitskolben 5 und dem Aussengehäuse 2a besteht eine Spaltdichtung. Ein zwischen dem Verdrängerkolben 6 und dem Arbeitskolben 5 in den Innenraum des Freikolben-Stirlingmotors 2 mündender Kanal verläuft über einen Regenerator 7 in einen als Wärmetauschrohr 8a ausgestalteten Wärmetauscher 8. Üblicherweise sind eine Vielzahl von Wärmetauschrohren 8a angeordnet, wobei in Fig. 1 zur übersichtlichen Darstellung nur ein einziges Wärmetauschrohr 8a dargestellt ist. Diese Wärmetauschrohre 8a, über welche der Wärmefluss Q einfliesst, werden auch als Rohrbündel, Rohrwendel oder als Rohrschlange bezeichnet. Unmittelbar vor dem Regenerator 7 ist ein weiterer Wärmetauscher 17 mit Zuleitung 17a und Ableitung 17b angeordnet. Der Innenraum des Freikolben-Stirlingmotors 2 ist mit Heliumgas gefüllt. Der Regenerator 7 könnte auch innerhalb des Aussengehäuses 2a angeordnet sein.
Der Generator 3 umfasst eine Spule 11 mit Spulenanschlussleitungen 11a, 11b, ein Spulengehäuse 9 sowie ein in Bewegungsrichtung 5a beweglich gelagerten und mit dem Arbeitskolben 5 verbundenes Permanentmagnet 10. Das Permanentmagnet 10 induziert in der Spule 11 eine Spannung. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Spulenanschlussleitungen 11a, 11 b direkt mit dem öffentlichen Versorgungsnetz verbunden. Die
Arbeitsfrequenz des Freikolben-Stirlingmotors 2 beträgt daher etwa 50 Hz in Europa, bzw. 60 Hz in USA.
Die in Fig. 2 dargestellte Aufsicht zeigt eine vertikal zur Betrachtungsebene verlaufende Kupplungsstange 4, an deren Ende zwei kreuzförmig angeordnete Halterungen 4a, 4b angeordnet sind, an deren Ende je ein
Permanentmagnet 10 befestigt ist. Jedes Permanentmagnet 10 ist von einer separaten Spule 11 , 12, 13, 14 mit Spulenanschlussleitungen 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b umgeben. Diese vier Spulen 11 , 12, 13, 14 sind über eine ansteuerbare Schaltvorrichtung 15 auf unterschiedliche Weise zusammenschaltbar. Die Schaltvorrichtung 15 weist Ausgänge 16a, 16b auf, welche direkt an das öffentliche Spannungsnetz anschliessbar sind. Die Schaltvorrichtung 15 umfasst Schalter, welche beispielsweise als klassische mechanische Schalter oder auch als kontaktlose elektronische Schaltelemente ausgestaltet sind, um die Spulen 11 , 12, 13, 14, wie in den Fig. 3a, 3b und 3c dargestellt, in unterschiedlichen Anordnungen zu verbinden. Fig. 3a zeigt eine Serieschaltung aller Spulen 11 , 12, 13, 14. Fig. 3b sowie Fig. 3d zeigt je eine Serie-Parallelschaltung. Fig. 3c zeigt eine Parallelschaltung. In der Schaltung gemass Fig. 3c wird die grösste elektrische Leistung in das Verbrauchernetz 32 übertragen, wogegen mit einer Schaltung gemass Fig. 3a die geringste elektrische Leistung in das Verbrauchernetz 32 übertragen wird.
Der Lineargenerator 3 kann je nach Erfordernis eine unterschiedliche Anzahl separater Spulen 11 , 12, 13, 14 aufweisen, so beispielsweise zwei, drei, vier, acht oder sechzehn Spulen 11 , 12, 13, 14. Die Figuren 4a und 4b zeigen einen Lineargenerator 3 mit nur zwei Spulen 11 , 12. Der Lineargenerator 3 kann eine beliebige Anzahl Spulen 11 , 12, 13, 14 aufweisen, insbesondere auch eine ungerade Anzahl.
Fig. 5 zeigt einen zusätzlichen, der Schaltvorrichtung 15 nachgeschalteten Spannungsteiler 18, um die vom Lineargenerator 3 an das Verbrauchernetz 16a, 16b übertragene Leistung anzusteuern. Der Lineargenerator 3 könnte auch, ohne die Schaltvorrichtung 15, direkt mit dem Spannungsteiler 18 verbunden sein. Bei geschlossenem Schalter 19a und geöffnetem Schalter 19b beträgt die Generatorspannung 230 Volt, falls keine Schaltvorrichtung 15 angeordnet ist. Bei geschlossenem Schalter 19b und geöffnetem Schalter 19a sowie entsprechender Wahl der Impedanz 20a, 20b beträgt die Generatorspannung 110 Volt, falls keine Schaltvorrichtung 15 angeordnet ist. Somit ist die vom Lineargenerator 3 an das Verbrauchernetz 16a, 16b abgegebene Leistung durch ein Schalten der entsprechenden Schalter 19a, 19b ansteuerbar. Die Impedanzen 20a, 20b können als Kapazitäten, Widerstände, Induktivitäten oder deren Kombinationen ausgestaltet sein.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Energiewandlers 1 , wobei auf der Seite des Erhitzers 8 des Freikolben-Stirlingmotors 2 ein Ofen 34 mit einem Brenner 23 angeordnet ist. Der Brenner 23 ist beispielsweise als Regeneratorbrenner, wie dieser in der Druckschrift EP 0 903 539 offenbart ist, ausgestaltet. Die aus dem Brenner 23 austretenden Verbrennungsgase bilden Flammen 24, welche zu dem aus Wärmetauschrohren 8a bestehenden Wärmetauscher 8 hin verlaufen. Im Ofen 34 sind Wärmeleitbleche 25, auch als Flammrohr oder Trennrohr bezeichnet, angeordnet, welche die Verbrennungsabgase gegen oben hin zurück leiten. Der Brennstoff wird über eine Brennstoffzuleitung 23a zugeführt, wobei zwischen er Brennstoffzuleitung 23a und der Düse 23 ein über eine Leitung 27a elektrisch ansteuerbares Ventil 27 mit Zündvorrichtung angeordnet ist. Dem Ofen 34 wird über die Zuleitung 26a Frischluft zugeführt, und über die Ableitung 26c Verbrennungsabgase abgeführt. Die vom Lineargenerator 3 erzeugte elektrische Energie wird über eine elektrische Energieleitung 31 in das öffentliche Netz 32 gespeist. Der Ofen 34 kann auch als ein Heizkessel 22 bezeichnet werden. Am Freikolben-Stirlingmotor 2 ist ein Wärmetauscher 17 angeordnet, wobei über eine Zuleitung 17a kühles Wasser zugeführt, und über die Ableitung 17b erwärmtes Wasser abgeführt wird. Dieses erwärmte Wasser dient zum Heizen oder zur Erwärmung von Brauchwasser. Im Innenraum des Heizkessels 22 ist ein erster Temperatursensor 28 mit elektrischer Leitung 28a angeordnet, um beispielsweise die Temperatur der rückströmenden Verbrennungsabgase 26b zu messen. Am Wärmetauscher 8 ist ein zweiter Temperatursensor 29 mit elektrischer Leitung 29a angeordnet. Die in Fig. 6 dargestellte Heizungs- und Stromerzeugungsvorrichtung 21 umfasst eine Regelvorrichtung 30, welche über elektrische Leitungen 27a, 28a, 29a und 33 mit den Temperatursensoren 28, 29, mit dem Ventil 27, sowie mit der Schaltvorrichtung 15 verbunden sind.
Die Heizungs- und Stromerzeugungsvorrichtung 21 kann beispielsweise mit folgendem Verfahren betrieben werden: Auf Grund bestehender Vorschriften oder aus Umweltschutzgründen wird der Heizkessel 22 derart hochgefahren, dass die stationäre Betriebstemperatur möglichst schnell erreicht wird. Mit den Temperatursensoren 28, 29 wird die Temperatur des Wärmetauschers 8 bzw. der Abgase gemessen. Zu Beginn des Hochfahrens sind die Spulen 11 , 12, 13, 14 des Lineargenerators 3 kurzgeschlossen, um eine Bewegung des Freikolben-Stirlingmotors 2 und damit ein Wärmeentzug des Wärmetauschers 8 aus dem Innenraum des Ofens 34 möglichst zu verhindern. Sobald die Temperatur am zweiten Sensor 29 etwa 600 bis 700 Grad beträgt werden die Spulen 11 , 12, 13, 14 beispielsweise wie in Fig. 3a dargestellt geschaltet, sodass sich der Freikolben-Stirlingmotor 2 zu bewegen beginnt, dem Wärmetauscher 8 etwas Wärme entzogen wird, und eine geringe elektrische Leistung in das öffentliche Netz 32 gespeist wird. Die Spulen 11 , 12, 13, 14 werden derart geschaltet, dass die dem Wärmetauscher 8 entnommene Wärme, bzw. die abgeführte elektrische Leistung möglichst gering ist, jedoch zumindest derart, dass die Temperatur des Wärmetauschers 8 den Wertebereich von 600 bis 700 Grad C nicht übersteigt. Dadurch wird der Wärmetauscher, beispielsweise dessen Rohre 8a, vor Überhitzung geschützt. Sobald am ersten Temperatursensor 28 eine Temperatur von 850 bis 900 Grad C auftritt ist der Brennraum mit dessen Temperatur hochgefahren und die stationäre Betriebstemperatur ist erreicht. Nun werden die Spulen 11 , 12, 13, 14 wie in Fig. 3c dargestellt geschaltet, um eine möglichst grosse elektrische Leistung in das Verbrauchernetz 32 zu übertragen. Dieses erfindungsgemässe Verfahren erlaubt ein schnelles, Schadstoff armes Hochfahren der Heizungs- und
Stromerzeugungsvorrichtung 21. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einem Regeneratorbrenner, wie dieser in der Druckschrift EP 0 903 539 offenbart ist. Ein derartiger Regeneratorbrenner weist zwei unterschiedliche Betriebszustände auf, ein Brennzustand bei tieferer Temperatur mit erhöhtem Schadstoffanteil, und ein Brennzustand bei hoher Temperatur mit reduziertem Schadstoffanteil. Beim Hochfahren eines derartigen Regeneratorbrenners ist es von entscheidender Bedeutung, den Brennzustand bei hoher Temperatur möglichst schnell zu erreichen. Eine Heizungs- und Stromerzeugungsvorrichtung 21 umfassend den erfindungsgemässen Energiewandler 1 in Kombination mit dem Regeneratorbrenner weist den Vorteil auf, dass die Verbrennung sehr schadstoffarm und mit hohem Wirkungsgrad erfolgt, dass die Spulen 11 , 12, 13, 14 des Lineargenerators 3 über die Schaltvorrichtung 15 direkt ans Verbrauchernetz anschliessbar ist, und dass die Regelung sehr kostengünstig, zuverlässig und robust ausgestaltet ist.
Die im vorhergehenden Ausführungsbeispiel erwähnten Temperaturwerte sind nur als ein Beispiel zu verstehen. Die Temperaturwerte, gemass denen geregelt wird, könnten auch anders gewählt sein. Es ist von entscheidender wirtschaftlicher Bedeutung, den Energiewandler 1 kostengünstig und sicher hochzufahren und an das öffentliche Stromversorgungsnetz anzukoppeln. In den Figuren 7 und 8 ist ein Verfahren zum Anfahren und zum Aufschalten des Energiewandlers 1 an das Netz dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Anfahren in drei Phasen unterteilt werden.
In der ersten Phase ist der Lineargenerator 3, wie in Fig. 7 durch den geöffneten Schalter 19a dargestellt, vom Netz 16a, 16b getrennt, und über den geschlossenen Schalter 19b kurzgeschlossen. Dadurch wird die Bewegung des Lineargenerators 3 behindert, sodass sich der Freikolben- Stirlingmotor 2 schnell aufwärmen kann.
In der zweiten Phase werden die Spulen 11 ,12,13,14 vor dem Aufschalten an das Netz in Serieschaltung geschaltet und daraufhin die Spulen 11 ,12,13,14 an das Netz aufgeschaltet, indem der Schalter 19b geöffnet und der Schalter 19a geschlossen wird. Während dem Anfahren schwingt der Lineargenerator 3 im wesentlichen sinusförmig hin und her, wobei der Hub bzw. die Amplitude dieser Schwingung in Funktion der Zeit wie mit der Kurve 35a dargestellt verläuft. Die Serieschaltung bewirkt, dass der Hub des Generators 3 wesentlich unter dem mit Hmax bezeichneten, maximal zulässigen Hub liegt. Nach einer gewissen Zeit werden in der dritten Phase die Spulen 11 ,12,13,14 durch die Schaltvorrichtung 15 parallel geschaltet, sodass sich der Hub des Generators 3, entsprechend dem Verlauf der Kurve 35c, erhöht. Die Kurve 35c weist kein Überschwingen auf. Durch dieses Verfahren kann der Generator 3 sicher angefahren werden, ohne dass ein unzulässig hoher Hub Hmax auftritt, welcher beispielsweise die Aufhängevorrichtung der beweglichen Teile beschädigen könnte. Die Kurve 35b zeigt das Anfahrverhalten des Generators 3 wenn die Spulen 11 ,12,13,14 beim Aufschalten an das Netz von Anbeginn parallel geschaltet sind. Das Netz wirkt dabei derart motorisch auf den Generator 3, dass dieser entsprechend dem Verlauf der Kurve 35b sehr schnell einen unzulässig hohen Hub aufweist.
In einem weiteren Anfahrverfahren kann auf die erste Phase verzichtet werden, sodass der Generator nicht kurzgeschlossen wird und direkt, wie mit der zweiten Phase beschrieben, in Serieschaltung an das Netz aufgeschaltet wird. An Stelle der reinen Serie- und Parallelschaltung, wie diese in den Fig. 3a, 3c, 4a, 4b dargestellt sind, können die Spulen 11 ,12,13,14 auch in Mischformen geschaltet werden, wie dies in den Fig. 3b, 3d dargestellt ist, um die in der zweiten Phase und dritten Phase beschriebenen Effekte zur temporären Reduktion des Hubes des Generators 3 zu erzeugen.

Claims

Patentansprüche:
1. Energiewandler (1) umfassend einen Freikolben-Stirlingmotor (2) sowie einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator (3) zumindest zwei Spulen (11 , 12, 13, 14) umfasst, in welchen die Spannung induziert wird, und dass eine Schaltvorrichtung (15) derart ausgestaltet ist, dass die Spulen (11 , 12, 13, 14) ansteuerbar sowohl in Serieschaltung als auch in Parallelschaltung verbindbar sind.
2. Energiewandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator (3) zumindest drei Spulen (11 , 12, 13, 14) umfasst, und dass die Spulen (11 , 12, 13, 14) ansteuerbar in Serieschaltung und/oder in Parallelschaltung verbindbar sind.
3. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (11 , 12, 13, 14) mit einem Stromnetz (32) verbindbar sind.
4. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben-Stirlingmotor (2) einen Erhitzer (8) aufweist, dass ein Temperatursensor (29) im Bereich des Erhitzers (8) angeordnet ist, dass der Temperatursensor (29) mit einer Regelvorrichtung (30) verbunden ist, und dass die Regelvorrichtung (30) mit der Schaltvorrichtung (15) verbunden und derart ausgestaltet ist, dass die Spulen (11, 12, 13, 14) in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur in Serieschaltung oder Parallelschaltung verbindbar sind.
5. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Spulen (11 , 12, 13, 14) nachfolgend ein schaltbarer Spannungsteiler (18) angeordnet ist, welcher einerseits mit dem Stromnetz (32) und andererseits mit den Spulen (11 , 12, 13, 14) verbunden ist.
6. Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben-Stirlingmotor (2) einen Erhitzer (8) aufweist, und dass beim Erhitzer (8) ein Ofen (34) mit Brenner (23), oder eine Holzfeuerung oder ein Solarkollektor angeordnet ist.
7. Energiewandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben-Stirlingmotor (2) einen Regenerator (7) aufweist bei welchem zudem ein Wärmetauscher (17) angeordnet ist, und dass der
Wärmetauscher (17) mit einem Wasserkreislauf für die Heizung und/oder für Brauchwasser verbindbar ist.
8. Energiewandler nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet dass der Ofen (34) mit Brenner (23) als ein Einstufenbrenner oder als ein Regeneratorbrenner ausgestaltet ist.
9. Verfahren zum Betrieb eines an ein Netz gekoppelten Energiewandlers (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Freikolben-Stirlingmotor (2), einen direkt daran gekoppelten Lineargenerator (3), und im Lineargenerator (3) angeordnete Spulen (11 , 12, 13, 14), in welchen während dem Betrieb eine Spannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verändern der Leistungsabgabe die Spulen (11 , 12, 13, 14) in Serieschaltung, in Parallelschaltung oder in einer Kombination von Serie- und Parallelschaltung geschaltet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
Freikolben-Stirlingmotor (2) des Energiewandlers (1) mit einem Brenner (23) erhitzt wird, und dass beim Hochfahren des Energiewandlers (1 ) die Leistungsabgabe des Lineargenerators (3) derart durch geeignetes Schalten der Spulen (11 , 12, 13, 14) reduziert wird, dass der Energiewandler (1) in kurzer Zeit, vorzugsweise in weniger als 10
Minuten, dessen stationäre Betriebstemperatur erreicht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Freikolben-Stirlingmotor (2) einen Erhitzer (8) aufweist, dessen Temperatur (TE) gemessen wird, und dass beim Überschreiten einer vorgebbaren Referenztemperatur (Tref) die Leistungsabgabe des
Lineargenerators (3) durch entsprechendes Schalten der Spulen (11 , 12, 13, 14) derart erhöht wird, dass die Temperatur (TE) des Erhitzers (8) die vorgebbare Referenztemperatur (Tref) nicht übersteigt.
12. Verfahren zum Anfahren eines Energiewandlers (1) und zu dessen Aufschalten an das Netz, wobei der Energiewandler (1) einen Freikolben-Stirlingmotor (2), einen direkt daran gekoppelten
Lineargenerator (3), und im Lineargenerator (3) angeordnete Spulen (11 , 12, 13, 14) umfasst, in welchen während dem Betrieb eine Spannung induziert wird, dadurch gekennzeichnet, - dass die Spulen (11 ,12,13,14) vor dem Aufschalten an das Netz in Serieschaltung geschaltet sind,
- dass die Spulen (11 ,12,13,14) an das Netz aufgeschaltet werden,
- und dass die Spulen (11 , 12, 13, 14) während dem Anfahren in Parallelschaltung geschaltet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, - dass der Lineargenerator (3) vor dem Aufschalten an das Netz kurz geschlossen ist,
- und dass während dem Anfahren der Kurzschluss des Lineargenerators (3) unterbrochen wird und die Spulen (11 ,12,13,14) an das Netz aufgeschaltet werden.
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