从热力学循环过程向机电能量转换器供应电能

摘要

本发明公开了用于运行机电能量转换器、例如风扇或泵的设备；该设备包括：热力学循环设备；发电机，该发电机与热力学循环设备的膨胀机的轴连接并且可以与该轴一起旋转；其中，发电机与第一电压转换器电连接，第一电压转换器与直流电压中间电路电连接并且直流电压中间电路为了运行机电能量转换器可以与该机电能量转换器电连接；其中，第一电压转换器构造为将发电机的第一交流电压转换为直流电压；并且中间直流电路可以与附加能量供应设施、特别是公共电网连接。该设备还包括调节装置(60)，该调节装置用于调节输送给机电能量转换器的电能，使得该机电能量转换器能以预定转速运行，其中调节装置构造为用于调节由发电机输送给机电能量转换器的电能，并且如果由发电机提供的电能不足以用于此，则调节装置构造为用于调节由附加能量供应设施输送给机电能量转换器的电能。本发明还公开了相应的用于运行机电能量转换器的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及用于运行机电能量转换器的设备和用于运行机电能量转换器的方法。

背景技术

用于从热能中获取电能的热力学循环设备包括以下主要部件：供给泵，该供给泵在压力升高的情况下将液态工作介质输送至蒸发器；蒸发器自身，在该蒸发器中工作介质通过热量的输送热量被预热、蒸发并可选地额外地过热；膨胀机，在该膨胀机中在高压下蒸发的工作介质膨胀并且在此产生机械能，该机械能例如可以经由发电机转化为电能；以及冷凝器，在该冷凝器中将来自膨胀机的低压蒸汽(膨胀的工作介质)降温并液化。液态的工作介质从冷凝器重新到达系统的供给泵，由此闭合热力学循环。在工作介质是有机工作介质的情况中，涉及的是作为热力学循环过程涉及有机朗肯循环(ORC过程)。

由现有技术已知所谓的干式冷却器(例如，电机-中央供暖站(BHKWs)上的再冷器)，该干式冷却器通过电驱动风扇由空气流过。在此为了使能量消耗最小化，应该根据申请人的内部现有技术通过热力学循环过程(例如，ORC过程)为这些风扇供应电能。同时应该经由干式冷却器的风扇实现循环过程的散热(循环过程或者说ORC过程通常包含一个单独的风扇，以便准备经由气流对冷凝器的冷却)。在此，循环过程将热(例如，内燃机的未使用的废气热或在冷却器中的要冷却的流体的热的一部分)转化为电能。在此的问题是，确保向风扇稳定地供应电能，以免损害冷却功能。此外缺点是:ORC过程的多余能量被馈回到公共电网中。将能量馈入到电网中与进一步的要求相关，例如遵守馈入准则、设施认证、向电网运营商注册、以及根据扩展可再生能源的法律(可再生能源法，EEG)支付EEG分摊费用。

发明内容

本发明的目的是，避免或至少减轻上述缺点。

循环过程或者说ORC过程应该尽可能始终提供与风扇消耗的功率完全相同的功率(准孤岛运行)。由于对于冷却过程和循环过程共同使用风扇，风扇的转速以及由此其消耗功率仅取决于冷却过程的冷却需求。因此，ORC过程的冷却器不会受到控制技术的影响。为确保高的运行安全性，当ORC过程(例如由于外部温度高或过程能量(废热)过低)不能提供用于运行风扇的足够的功率，则必须能够从公共电网中获取额外的功率。

因此必须找到一种可能性，通过ORC发电机尽可能精确地满足风扇的波动的功率需求。如果循环过程不应供应足够的能量，则必须给出如下的可能性:通过公共电网或经由其它来源向风扇供应能量，并且同时避免到电网中的馈入。

本发明描述了至少部分上述问题的解决方案。

根据本发明的解决方案由具有根据权利要求1的特征的设备限定。

因此，本发明公开了用于运行机电能量转换器、例如风扇或泵的设备；其中，该设备包括：热力学循环设备；发电机，该发电机与热力学循环设备的膨胀机的轴连接并且可以与该轴一起旋转；其中，发电机与第一电压转换器电连接，该第一电压转换器与中间直流电路电连接并且该中间直流电路为了运行机电能量转换器而可以与该机电能量转换器电连接；其中，第一电压转换器构造为用于将发电机的第一交流电压转换为直流电压；并且中间直流电路可以与电附加能量供应设施、特别是公共电网连接。所述设备还包括调节装置(60)，该调节装置用于调节输送给机电能量转换器的电能，使得该机电能量转换器可以以预定转速运行，其中，调节装置构造为用于调节由发电机输送给机电能量转换器的电能，并且如果由发电机提供的电能不足以用于此，则调节装置构造为用于调节由附加能量供应设施输送给机电能量转换器的电能。

根据本发明的设备具有的优点是，通过经由利用废热的循环过程或者说ORC过程为机电能量转换器(例如，风扇或泵)供给来实现能量节省、例如不需要单独的循环过程风扇或ORC风扇、风扇的运行与ORC过程无关并且由此实现系统的高可靠性、以及避免了电网馈入并且因此避开对馈入要求的满足。

根据本发明的设备可以如下进一步改进为，即，还设置有第二电压转换器，该第二电压转换器用于将中间直流电路中的直流电压转换为用于在没有自己的电压转换器的情况下运行机电能量转换器的第二交流电压，其中，第二电压转换器与所述中间直流电路电连接。

另一改进方案在于，附加能量供给设施是公共电网，该公共电网经由整流器电路或经由功率因数校正级而与中间直流电路连接，并且调节装置特别还构造为用于减少由发电机提供的能量，以便避免将电能馈入到公共电网中、特别是通过减少引入到热力学循环设备中的热流和/或通过降低热力学循环设备的效率。

对此可选地，公共电网可以经由双向换流器电路而与中间直流电路连接，以便将来自发电机的多余的能量馈入到公共电网中。

根据另一改进方案，中间直流电路可以包括与第一电压转换器连接的第一部分中间直流电路、可以与机电能量转换器连接或已与第二电压转换器连接的第二部分中间直流电路以及设置在两个部分电路之间的升压斩波器。

这可以被如下地进一步改进，即，经由在第二部分中间直流电路上的并联电路可以运行另外的机电能量转换器，可选地设置有用于将第二部分中间直流电路中的直流电压转换为用于运行另外的机电能量转换器的第三交流电压的第三电压转换器，该另外的机电能量转换器例如是另外的泵、特别是用于在热力学循环设备中泵送工作介质的供给泵或者是另外的风扇。

在此，机电能量转换器可以包括具有交流电压接线的中间电路，并且该交流电压接线可以直接与第二部分中间直流电路连接。

根据另一改进方案，经由在第二部分中间直流电路上的并联电路和双向直流电压转换器可以连接有电池。

本发明还提供了系统，该系统包括：生热设备和冷却设备，所述生热设备具有用于从该生热设备排热的冷却流体，所述冷却设备具有用于冷却所述冷却流体的可电运行的风扇，其中，特别是风扇的转速以及因此特别是风扇消耗的功率由冷却设备的冷却需求预先确定；以及热力学循环设备、特别是有机朗肯循环设备，该热力学循环设备包括用于蒸发工作介质的蒸发器、通过蒸发的工作介质的膨胀可以用该蒸发的工作介质运行的膨胀机、可以利用膨胀机运行的发电机以及用于将膨胀的工作介质冷凝的冷凝器；其中，所述风扇还设置为用于冷却在冷凝器中的工作介质；并且所述系统还包括根据本发明的用于将风扇作为机电能量转换器运行的设备或上述改进方案中的一种。

所述系统可以如下地进一步改进，即，风扇的转速由冷却流体的可利用冷却设备实现的温度规定。

上述问题还至少部分地通过根据权利要求10的根据本发明的方法得以解决。

因此，本发明公开了用于以预定转速运行机电能量转换器、例如泵或风扇的方法，该方法包括以下步骤：将发电机的第一交流电压转换为在发电机与机电能量转换器之间的中间直流电路中的直流电压，其中，发电机与热力学循环设备的膨胀机的轴连接、与该轴一起旋转并由该轴驱动；将中间直流电路中的直流电压施加到机电能量转换器上；从电附加能量供应设施、特别是利用来自公共电网的电能将直流电压施加到中间直流电路上；调节由发电机输送给机电能量转换器的电能，以便以预定转速运行所述机电能量转换器，并且如果由发电机提供的电能不足以使机电能量转换器以预定转速运行，则调节由附加能量供应设施输送给机电能量转换器的电能。

可选地，可以从中间直流电路产生第二交流电压，并且将该第二交流电压(代替中间直流电路中的直流电压)施加到机电能量转换器上(例如，施加到风扇电机上)。

根据本发明的方法或其改进方案的优点对应根据本发明的设备或其改进方案的优点并且因此在此不再重复。

根据本发明的方法可以如下地进一步改进，即，附加能量供应设施是公共电网，该公共电网经由整流器电路与中间直流电路连接，并且该方法还包括以下步骤：通过减少由所述发电机提供的能量、特别是通过减少引入到热力学循环设备中的热流和/或通过降低热力学循环设备的效率来避免将电能馈入到公共电网中。

对此可选地，根据本发明的方法可以如下地进一步改进，即，附加能量供应设施是公共电网，该公共电网经由双向换流器电路而与中间直流电路连接，该方法还包括以下步骤：将来自发电机的多余的能量馈入到所述公共电网中。

另一改进方案在于，中间直流电路包括与发电机连接的第一部分中间直流电路以及与机电能量转换器连接的第二部分中间直流电路，其中，所述方法包括以下另外的步骤：将第一部分中间直流电路中的第一直流电压转换为较高的、引入到第二部分中间直流电路中的第二直流电压。

这可以通过以下方式进一步改进，即，所述方法包括另外的步骤：如果由发电机提供的电能不足以使机电能量转换器以预定转速运行，则将第二直流电压调整为低于由附加能量供应设施提供的在第二部分中间直流电路中的第三直流电压。

根据另一改进方案，所述方法可以包括以下另外的步骤：将中间直流电路中的直流电压转换为第三交流电压，该第三交流电压用于运行另外的机电能量转换器、特别是泵、例如用于在热力学循环设备中泵送工作介质的供给泵或者用于运行另外的风扇。

上述改进方案可以单独使用或按要求适当地彼此结合。

附图说明

下面根据附图进一步说明本发明的其它特征和示例性实施方式以及优点。可以理解的是：各实施方式并未穷尽本发明的范围。还可以理解的是，一些或所有以下描述的特征也可以以其它方式彼此结合。

图1A示出了根据本发明的设备的第一实施方式；

图1B示出了具有根据本发明的设备的第一实施方式的根据本发明的系统；

图2示出了根据本发明的设备的第一实施方式中的一个或多个风扇的运行状态；

图3示出了根据本发明的设备的第二实施方式；

图4示出了根据本发明的设备的第三实施方式；

图5示出了根据本发明的设备的第四实施方式；

图6示出了根据本发明的设备的第五实施方式；

图7示出了根据本发明的设备的第六实施方式；

图8示出了根据本发明的设备的第七实施方式；

图9示出了根据本发明的设备的第八实施方式；

图10示出了根据本发明的设备的第九实施方式；

图11示出了根据本发明的设备的第十实施方式。

附图中相同的附图标记涉及相同或相应的部件。为了简化附图中的表示，与上述实施方式相比，部分地仅为额外的部件设置附图标记。

具体实施方式

各实施方式作为机电能量转换器仅示例性示出了一个或多个风扇和/或一个或多个泵、特别是例如在热力学循环设备中的供给泵。机电能量转换器将电能转换为机械的运动能，其中，运动可以线性进行或旋转进行。与此对应地，在线性机器与旋转电动机器之间区分。各实施方式涉及旋转的电动机器，但是在转速调节不是必需的实施方式中，线性机器也可以用于机电能量转换器。

此外，各实施方式中的机电能量转换器主要以以下方式构造，即，机电能量转换器自身具有带交流电压接线的中间电路。这些实施方式可以分别以以下方式改变，即，在中间直流电路上设置有相应的电压转换器，用于与机电能量转换器连接。

图1A示出了根据本发明的用于运行风扇的设备的第一实施方式100。

设备100包括具有电机10和DC(直流)/AC(交流)电压转换器44的可电运行的风扇80，与热力学循环设备的、在此为ORC设备的膨胀机30的轴35连接并且与该轴35一起旋转的发电机20。在发电机20和风扇80之间设置有第一电压转换器42(输入转换器42)和中间直流电路40。第一电压转换器42构造为用于将发电机20的第一交流电压转换为直流电压。DC/AC电压转换器44(或输出转换器44)构造为用于将中间直流电路40中的直流电压转换为用于运行风扇电机10的第二交流电压。中间直流电路40与电附加能量供应设施50、在此为公共电网51连接。设备100还包括调节装置60，该调节装置用于调节输送给风扇80的电能，使得该风扇可以以预定转速运行，其中，调节装置60构造为，其调节由发电机20输送给风扇80的电能，并且如果由发电机20提供的电能对此不足够，则其调节由附加能量供应设施50输送给风扇80的电能。

中间直流电路40包含电容器41。由整流器电路52对来自公共电网51的交流电压进行整流并将其施加到中间直流电路40上。调节装置60还构造为用于，减少由发电机20提供的能量，以对应一个/多个消耗器的能量需求、特别是通过减少引入到热力学循环设备中的热流和/或通过降低热力学循环设备的效率。

用于从热能(例如废热)获取电能的ORC设备包括：供给泵，该供给泵在压力增加下将液态工作介质输送至蒸发器；蒸发器自身，在该蒸发器中工作介质在输送热量下被预热、蒸发并且可选地额外过热；膨胀机30，在该膨胀机中在高压下的蒸发的工作介质膨胀并且在此产生机械能，该机械能可以经由发电机20转化为电能；以及冷凝器，在该冷凝器中将来自膨胀机30的低压蒸汽(膨胀的工作介质)降温并液化。液态的工作介质从冷凝器重新到达所述系统的供给泵，由此闭合了热力学循环。

图1B示出了与根据本发明的设备的根据图1A的第一实施方式相结合的根据本发明的系统。

所述系统包括：生热装置110；生热装置的输出端111，该输出端111设置为用于从生热装置110中排出待冷却的过程流体；生热装置110的输入端112，输入端112设置为用于将经冷却的过程流体输送至生热装置110；以及热力学循环设备、特别是ORC设备，其中，所述热力学循环设备包括：蒸发器120，该蒸发器具有用于从生热装置110的输出端111输送待冷却的过程流体的入口121和用于将经冷却的过程流体导出至生热装置110的输入端112的出口122，该蒸发器120构造为借助来自过程流体的热来蒸发热力学循环设备的工作介质；膨胀机30，该膨胀机用于使蒸发的工作介质膨胀并用于借助发电机20产生电能；气冷式冷凝器150，该气冷式冷凝器用于使膨胀的工作介质液化；以及泵160，该泵用于将液化的工作介质泵送至蒸发器。

此外设置有空气冷却器170，该空气冷却器用于冷却至少一部分待冷却的过程流体。所述系统包括分支171，该分支示例性地针对过程流体的流动方向在输出端111的下游和入口121的上游设置用于将待冷却的过程流体分为过程流体的第一部分流和第二部分流。所述系统还包括汇聚部172，该汇聚部针对过程流体的流动方向在出口122的下游和输入端112的上游设置为用于将过程流体的由冷却器170冷却的第二部分流与由蒸发器120冷却的第一部分流汇聚；其中，所述分支171构造为用于将第一部分流输送至蒸发器120并且将第二部分流输送至冷却器170。环境空气流依次先经过冷却器170，并且然后经过冷凝器150。

所述系统的具体设计仅是示例性的。

图2以功率与外部温度的线图示出了根据本发明的设备的第一实施方式100中的一个或多个风扇的运行状态，下面将对其进行详细描述。

风扇80经由一个DC中间电路(直流)40(或经由多个DC中间电路)而与发电机20连接。风扇80的转速根据冷却系统的额定始流温度来调节并且与发电机转速和来自ORC过程的能量输送无关。

如果ORC过程产生的能量少于中间电路40(U_DC)所需的能量，则缺少的能量从公共电网51经由整流器52提取。整流器52还确保风扇80独立于热力学循环过程的运行(例如，在失效、故障的情况下)。在循环过程发生故障或失效的情况中，从电网51提取全部所需的功率。因此，由该风扇80运行的冷却器可以连续且独立地提供足够的冷却能力。如果ORC过程产生的能量多于中间电路40(U_DC)所需的能量(对此，所述系统设计为为了低于特定外部温度的正常运行情况)，则必须采取适当的措施。

发电机20的转速首先对准ORC过程的最优工作点，并借助输入转换器42进行调节(调节运行)。在这个运行点传递到ORC上的热量Q

为了根据期望减少转换的电能，原则上有两种不同的可能性：

-通过降低供给泵转速来降低输送的热Q

-通过降低效率链中的各个效率，例如热效率η

在实际的转化中，这些措施将彼此之间相应轻微地影响，例如，降低供给泵转速导致另外的蒸汽参数并因此也导致变化的热效率。

与至今为止的ORC调节不同，现在将电压U_DC用作用于发电机转速和/或供给泵转速的调节变量，并降低或重新提高风扇的转速，直到在ORC发电和能量消耗之间调整出稳定的平衡为止。在通过风扇恒定地消耗能量的情况下，电压U_DC表现为，其在ORC功率升高时同样升高。电压U_DC因此用作调节变量。

根据现有技术会在中间电路40上设置制动斩波器，该制动斩波器将中间电路电压限制到对于构件而言不是临界性的值上。然而，这具有以下缺点：必须确保制动电阻的充分散热，并且附加部件的材料成本增加。因此可以在此摒弃。相反，根据本发明，通过输入转换器42的快速调节和在次优范围中对发电机20的操控，在发电机20中产生更多的损耗，并且由此限制了中间电路电压。也就是说，输入转换器42有意地以较低的效率运行。

图3示出了根据本发明的用于运行风扇的设备的第二实施方式200。

与根据图1A的第一实施方式100相比，中间直流电路40包括与输入转换器42连接的第一部分中间直流电路46、与输出转换器44连接的第二部分中间直流电路48以及设置在两个部分电路之间的升压斩波器45。升压斩波器45也被同义地称为升压转换器或升压变换器。

为了获得额定电压远低于风扇所需输出电压的发电机，中间接入了升压转换器45。在此，电网接线包括无源的B6整流器52，该无源B6整流器三相连接。

图4示出了根据本发明的用于运行风扇的设备的第三实施方式300。

作为根据图3的第二实施方式200的替代，电网联接也可以在升压转换器45的输入侧上进行。此外，使用经由功率因数校正级54(有源PFC，功率因数校正)的有源电网联接，该有源电网联接总是从电网提取少的功率并且因此为ORC发电机和消耗器(风扇)之间的功率平衡的调节提供了余地。与第二实施方式不同，一相电网连接是足够的。与第二实施方式不同，电流消耗通过有源PFC几乎是正弦形式的(避免谐波)。

图5示出了根据本发明的设备的第四实施方式400。

在第四实施方式400中，与第二实施方式200相比，在第二部分中间直流电路48上设置有并联电路。以此方式，泵81可以经由另一用于将第二部分中间直流电路48中的直流电压转换为用于运行泵81、例如水泵和/或用于在热力学循环设备中泵送工作介质的供给泵的电机11的第三交流电压的输出转换器49被驱动。

在此，除了风扇80之外，还从第二中间电路48(U_DC2)为泵81供给。优点是进一步的效率提高，因为在正常运行中，泵81的能量也源自ORC过程，而不必从电网51提取。为了启动ORC过程，经由B6桥式整流器52从电网51提取能量。以相同的方式，可以从中间电路48获取辅助电压供应(例如24V DC，未示出)。

图6示出了根据本发明的设备的第五实施方式500。

与第四实施方式400相比，代替泵81，另一风扇82被驱动。

第五实施方式500示出了在公共DC中间电路上的多个风扇80、82的并联电路。在此可以根据风扇的功率并联连接任意数量的风扇。在实践中，通常使用若干风扇和较大的冷却器，以便通过降低的空气速度来改善运转平稳性和效率。

图7示出了根据本发明的设备的第六实施方式600。第六实施方式600包括经由公共逆变器、即输出转换器44给若干风扇80、82进给。并联电路在AC侧实现。为此，需要连接在所述公共逆变器44下游的正弦滤波器13。这提供了频率可变的正弦形式的输出电流。相对第五实施方式500的优点通过较简单的布线(抗电强度、省略被屏蔽的导线)和较好的EMV性质(电磁兼容性)获得。在此，逆变器44和风扇电机之间的布线例如可以是10m和更长。

图8示出了根据本发明的设备的第七实施方式700。

第七实施方式700示出了通风器80的三相AC输入端直接连接到DC中间电路48上。转换器44通常具有输入整流二极管(体二极管)，其能够实现到DC电路上的直接连接。因此，中间电路48(U_DC2)直接连接到风扇转换器(转换器44)的中间电路上。这样可以直接使用商业上通用的经调节的EC通风器(电子整流电机)。为此必须禁用可能情况下存在的相故障电压监控或AC电压监控。在一种变型中，该实施方式还允许若干通风器并联连接。

图9示出了根据本发明的设备的第八实施方式800。

第八实施方式800示出了蓄能器、例如中间电路48上的电池70。这是向着完全无电流的通风器的方向迈出的一步(所有消耗器，例如泵、通风器、辅助电压供应设施都连接在中间电路上，至少不需要持续连接到供电电网上，并且在电池70的对应尺寸的情况下可以完全省去电网连接)，并且此外能够实现在设计ORC功率调节电路时的更大的自由度。

图10示出了根据本发明的设备的第九实施方式900。

第九实施方式900示出了具有反馈能力的电网转换器53(双向换流器电路)的拓扑。因此，多余的能量流回到电网51中，而不会限制ORC发生器的功率。馈入转换器53必须遵守在相应国家适用的馈入准则。消除为满足所有技术和监管的馈入准则而增加的花费是所有前述实施方式的优点。

图11示出了根据本发明的设备的第十实施方式1000。

第十实施方式1000示出了从DC中间电路48对泵83、例如加热回路的热水泵的供给。然而代替泵83，也可以连接压缩机或任何其它电消耗器。

在该应用中，泵通常比风扇具有更高的功率需求。如果所需的泵功率持续大于ORC功率，则可以将ORC发电机转换器的DC输出端直接连接到经调节的泵的电压中间电路上。然后，ORC将在其最优工作点处产生最大的能量，该能量将用于运行泵。额外的能量持续从电网提取。

所示实施方式仅是示例性的。本发明的完整范围由权利要求限定。