Патент на изобретение №2294045

(54) БЫТОВАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ТЕПЛОВАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

(57) Реферат:

Использование: для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в жилых помещениях. Технический результат заключается в повышении надежности работы бытовой комбинированной тепловой и энергетической системы при отсутствии электропитания от сети с обеспечением части нагрузки электроэнергией. Бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система (БКТЭС) включает двигатель «Стирлинг» для обеспечения тепла в жилом помещении с источником электроэнергии. При нормальной работе БКТЭС обеспечивается энергией от сети. Когда происходит прекращение подачи основной энергии от сети, БКТЭС включается в сеть независимым образом, вырабатывает энергию и направляет ее в контроллер (26) и водяной насос с тем, чтобы поддерживать непрерывную подачу тепла в жилое помещение. Оставшаяся энергия после этого подается в выбранное бытовое энергетическое оборудование, такое как освещение или телевизионная сеть. При этом производится контроль напряжения для предотвращения остановки двигателя «Стирлинг». 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение относится к бытовому комбинированному тепловому и энергетическому агрегату.

Предпосылки к созданию изобретения

Снабжение электричеством жилых помещений не может быть всегда гарантированным и может нарушаться из-за различных внешних условий. Бытовые нагревательные приборы обычно нуждаются в электропитании, и даже когда газ является основным топливом, оно необходимо для приведения в действие схем управления, воспламенителей и т.п. Следовательно, при нарушении электропитания от сети жилище остается без основного источника тепла, а также без освещения и т.п. В случае такого нарушения электропитания потребитель обычно испытывает большое неудобство, которое может иметь более серьезное значение, когда оно касается одиноких, очень старых или очень молодых людей.

Оборудование для резервного электропитания жилых помещений обычно состоит из генератора с приводом от двигателя внутреннего сгорания, который необходимо подключать к изолированной цепи после того, как нарушилось электроснабжение. Затем он снабжает электроэнергией местную цепь, пока не будет восстановлено электропитание от сети. Затем необходимо отключить генератор, отсоединить его и вновь подсоединить электропитание от сети. Это оборудование обеспечивает резервное электроснабжение, но имеет недостатки, заключающиеся в том, что требуются хранилище для генератора и/или его передвижение на место при необходимости, альтернативное топливохранилище для генератора, регулярное техническое обслуживание для обеспечения надежности и необходимое безопасное переключение. Такое оборудование невозможно применять в городском жилище, где не имеется никакого пространства, например гаража, для размещения генератора.

Разработаны бытовые нагревательные системы, которые включают внутренний источник электропитания, как, например, в ДЕ 29706869, где резервная аккумуляторная батарея может в течение ограниченного периода времени снабжать электроэнергией нагревательную систему. Однако длительное прекращение подачи электроэнергии все же приводит к потере тепла.

Существуют бытовые фотоэлектрические системы, которые могут обеспечить резервное электроснабжение, но они зависят от погодных условий и нуждаются в дневном свете для выработки электроэнергии. Ветровая энергия также зависит от внешних условий, и на нее нельзя полагаться как на резервный источник питания. Топливные элементы могли бы обеспечить резервное электропитание, как в JP 4308432, где используются солнечные или топливные элементы в качестве резервного источника электроснабжения, но только для питания системы постоянного тока. Резервное устройство находится снаружи любой части оборудования и не является специфическим для нагревательной системы.

Недавно данные заявители предложили бытовую комбинированную тепловую и энергетическую систему (БКТЭС), содержащую линейный свободнопоршневой двигатель “Стирлинг” (ЛСПДС). В “Microgen-Cogeneration for the home”, by Dann et al, at the International Gas Research Conference, San Diego, 1998 г. приведен обзор обоснованных требований к микрокогенерационной системе и дано представление о принципе действия БКТЭС с двигателем “Стирлинг”. Как показано в этом докладе, необходимой особенностью такой БКТЭС является обеспечение резервным источником питания, когда происходит прекращение подачи электроэнергии. В этом докладе без подробного объяснения также показано, что такое обеспечение источником питания имеет свои особенности.

Настоящее изобретение направлено в особенности, но не исключительно на проблемы обеспечения резервного электропитания от БКТЭС.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно настоящему изобретению создана бытовая энергетическая система для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в жилом помещении, содержащая соединение с электропитанием от сети, которое удовлетворяет, по меньшей мере, часть бытовой потребности в электроэнергии во время нормальных рабочих условий; бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система с источником питания топливом, который вырабатывает отдаваемую электроэнергию и отдаваемое тепло, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в тепле, при этом система способна работать при отсутствии электропитания от сети средство для обнаружения нарушения электропитания от сети; и средство для автоматического подключения отдаваемой электроэнергии от бытовой комбинированной тепловой и энергетической системы при отсутствии электропитания от сети к выбранным, потребляющим электричество устройствам с меньшим потреблением электроэнергии, чем общая бытовая потребность в электроэнергии.

Когда имеется электропитание от сети, БКТЭС во время нормальной работы обеспечивает, по меньшей мере, часть потребности в тепле и электроэнергии, расходуя топливо из источника питания топливом. Когда нарушается электропитание от сети, тогда используется та же самая система и источник питания топливом для выработки электроэнергии для питания устройств, потребляющих электричество. В последнем случае БКТЭС будет иметь максимальную отдаваемую мощность, которая обычно является недостаточной для того, чтобы обеспечить необходимым количеством электроэнергии для удовлетворения обычной общей бытовой потребности в ней. Следовательно, согласно изобретению вырабатываемое электричество используют, в первую очередь, для питания систем управления БКТЭС, чтобы продолжать производить тепло. Однако считается, что количество электроэнергии, предоставляемое БКТЭС во время нарушения подачи электроэнергии из сети, будет также достаточно для питания выбранных других электрических устройств, как например, осветительной аппаратуры и важнейших электроприборов, чтобы обеспечить некоторую пользу для потребителя. Однако для того, чтобы предотвратить отбор от БКТЭС излишней мощности (например, во время прекращения подачи электроэнергии), приводящий к остановке двигателя “Стирлинг”, согласно настоящему изобретению предлагается даже во время прекращения подачи электроэнергии использовать для снабжения электроэнергией лампочек или электрических розеток только некоторую часть, а не всю электроэнергию, которая требуется при наличии электропитания от сети. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения во время прерывания электропитания от сети электроэнергия может быть подведена только к определенной части розеток в доме. С другой стороны, напряжение, подводимое к розеткам, может быть снижено для данной потребности в токе, а также для того, чтобы ограничить общую электрическую мощность, отводимую от БКТЭС. Так как резервное питание электроэнергией не осуществляется от аккумулятора, то БКТЭС может продолжать неограниченно вырабатывать электроэнергию, пока подается топливо.

Когда система работает без электропитания от сети, так что электроэнергия подается только от БКТЭС, то возможно, что потребитель создает чрезмерную силовую нагрузку, которая может привести к повреждению БКТЭС. Можно просто использовать плавкий предохранитель для отсоединения источника электроэнергии от выбранных, потребляющих электричество устройств, если возникнет чрезмерная силовая нагрузка. Однако предпочтительно, чтобы система, кроме того, содержала средство для обнаружения силовой нагрузки, потребляемой выбранными электрическими устройствами, и средство для уменьшения пикового напряжения, подводимого к выбранным устройствам, если потребляемая мощность превышает пороговую величину. При таком подходе предупреждение пользователя о том, что он пытается отбирать чрезмерную мощность, будет осуществляться посредством заметного ухудшения работы его электрооборудования (например, потускнением лампочек). В таком случае он может принять меры по уменьшению им потребление электроэнергии. Если не предпринимаются никакие меры, то система, кроме того, содержит средство отключения выбранных, потребляющих электричество устройств, если потребляемая мощность превышает пороговую величину в течение заранее установленного периода времени.

Для приведения в действие БКТЭС стремятся использовать, главным образом, снабжение бытовым газом, которое является наиболее распространенным источником топлива. Однако могут быть также использованы другие горючие газы, как, например, сжиженный нефтяной газ, сжиженный природный газ или биогаз либо жидкое топливо. В отдаленных жилищах, имеющих ограниченное снабжение жидким топливом, которое пополняется периодически, как правило, имеется ограниченная мощность по выработке электроэнергии при авариях. Однако эта мощность все же значительно превышает возможности любого аккумулятора, имеющегося на рынке. Кроме того, в таких случаях система согласно настоящему изобретению является более предпочтительной, чем отдельный генератор, так как исключаются расходы на такой генератор и неудобство его запуска вручную.

В настоящее время предпочтение отдается использованию двигателя “Стирлинг” в качестве бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата. Двигатель “Стирлинг” является предпочтительно линейным свободнопоршневым двигателем “Стирлинг”. Он обладает различными преимуществами. Например, он является герметизированным агрегатом, который нуждается в незначительном техническом обслуживании и работает синхронно, обеспечивая стабильную отдаваемую мощность.

Выбранные устройства, потребляющие электричество, могут быть элементами, совершенно отделенными от главных электрических цепей в жилище (например, цепи аварийного освещения). Однако это требует дублирования электропроводки и оборудования. С другой стороны, выбранными устройствами, потребляющими электричество, могут быть устройства в одной замкнутой цепи в жилище с рядом таких замкнутых цепей. Однако система предпочтительно снабжена средством для избирательного отключения различных, потребляющих электричество устройств при отсутствии электропитания от сети.

Если средство для обнаружения нарушения в подаче электроэнергии из сети также способно обнаруживать, когда сетевое напряжение и частота тока при электропитании от сети находятся за допустимыми уровнями, то возможен другой режим работы. Это дает возможность системе отключать определенное оборудование от электропитания из сети, когда сеть не обеспечивает соответствующее качество электроэнергии, и вместо этого снабжать это оборудование от БКТЭС. Таким образом, может быть защищено чувствительное оборудование, в то время как менее чувствительное оборудование будет по-прежнему получать питание от сети.

При нормальной работе БКТЭС во время высокой потребности в тепле и низкой потребности в электроэнергии агрегат имеет способность направлять избыточную электроэнергию в сеть. Когда она отключена от сети, то это уже невозможно. Следовательно, система предпочтительно снабжена стоком электроэнергии для потребления избыточного электричества. Этим стоком электроэнергии предпочтительно является резистор с водяным охлаждением. Таким образом, избыточное электричество преобразуется в тепло, которое может быть с пользой применено, как это присуще режиму работы с высокой потребностью в тепле.

И наоборот, если потребность в электроэнергии высокая, а потребность в тепле низкая, то при нормальных рабочих условиях система просто удовлетворяет эту потребность в электроэнергии из сети, при этом БКТЭС работает в соответствии с потребностью в тепле. Это невозможно при работе независимо от сети. Следовательно, предпочтительно обеспечивать сток тепла. Он предпочтительно достигается посредством дополнительного вентилятора, который способен рассеивать тепло, отбираемое от БКТЭС.

Характер эксплуатации БКТЭС такой, что часть своего времени она будет находиться при остановленных двигателе и генераторе. Если при таких обстоятельствах прекратится электропитание от сети, то предпочтительно запускать БКТЭС для предоставления тепла и обеспечения аварийного электропитания. Следовательно, бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система предпочтительно содержит двигатель “Стирлинг”, содержащий горелку для подвода тепловой энергии к головке двигателя для приведения в действие элемента, совершающего возвратно-поступательное движение и обеспечивающего выработку электроэнергии посредством генератора переменного тока, и систему пуска, включающую средство контроля для управления пуском агрегата, воспламенитель для зажигания горелки, импульсный генератор для подачи электрического импульса к генератору для пуска элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, когда средство контроля определяет, что головка двигателя достигает пороговой температуры, и местный ограниченный источник электропитания для снабжения электроэнергией средства контроля, воспламенителя и импульсного генератора во время операции пуска.

Эта система составляет дополнительный аспект настоящего изобретения, которая может быть использована в связи с первым аспектом настоящего изобретения или независимо от него. В частности, согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения создана бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система, содержащая двигатель “Стирлинг”, содержащий горелку для подвода тепловой энергии к головке двигателя для привода в действие элемента, совершающего возвратно-поступательное движение и обеспечивающего выработку электроэнергии посредством генератора переменного тока, и систему запуска, включающую средство контроля для управления запуском агрегата, воспламенитель для зажигания горелки, импульсный генератор для подачи электрического импульса к генератору для запуска элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, когда средство контроля определяет, что головка двигателя достигает пороговой температуры, и местный ограниченный источник электропитания для снабжения электроэнергией средства контроля, воспламенителя и импульсного генератора во время операции запуска.

Ограниченным местным источником электропитания предпочтительно является источник электропитания постоянного тока, как, например, аккумулятор, но можно также использовать, например, один или большее число конденсаторов. Этот источник электропитания необходим только для снабжения электроэнергией средства управления, воспламенителя и импульсного генератора. Следовательно, это полностью отличается от существующих случаев применения, при которых требуется аккумулятор для обеспечения всего резервного электропитания. После запуска двигателя “Стирлинг” можно тотчас же начинать подзарядку аккумулятора.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создана бытовая электроэнергетическая система для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в жилом помещении, содержащая соединение с электропитанием от сети, которое удовлетворяет, по крайней мере, часть бытовой потребности в электроэнергии во время нормальных рабочих условий; бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система с источником питания топливом, который вырабатывает отдаваемую электроэнергию с нормальным рабочим напряжением, по существу равным нормальному рабочему напряжению электропитания от сети, и отдаваемое тепло, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в тепле, при этом система способна работать при отсутствии электропитания от сети; детектор для обнаружения нарушения электропитания от сети; включатель для включения подачи электроэнергии от бытовой комбинированной тепловой и энергетической системы для обеспечения, по меньшей мере, части бытовой потребности в электроэнергии, когда детектором обнаружено отсутствие электропитания от сети; и ограничитель мощности агрегата, предназначенный для того, чтобы в течение периода времени, когда агрегат обеспечивает бытовую потребность в электроэнергии, регулировать мгновенное пиковое напряжение на выходе агрегата до величины меньше, чем его нормальное рабочее напряжение, когда ток, требующийся согласно бытовой потребности в электроэнергии, превышал бы максимальный ток, который мог быть отведен от агрегата при нормальных рабочих условиях.

Краткое описание чертежей

Далее будут описаны примеры системы и агрегата согласно настоящему изобретению со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 – схематический вид системы с двигателем “Стирлинг”, показывающий различные вводы в систему и выводы из нее,

фиг.2 – блок-схема существующей электроэнергетической системы,

фиг.3 – блок-схема, сходная с блок-схемой на фиг.2, но показывающая систему согласно настоящему изобретению, и

Фиг.4 – блок-схема, показывающая работу модуля, независимого от сети.

Подробное описание предпочтительного варианта

осуществления изобретения

Бытовая комбинированная тепловая и энергетическая система (БКТЭС) основана на двигателе “Стирлинг”, как это показано на фиг.1. Двигателем предпочтительно является линейный свободнопоршневой двигатель “Стирлинг”, работа которого хорошо известна из уровня техники. Для использования в БКТЭС электрическим током, отводимым от двигателя, должен быть однофазный ток в 16A.

Двигатель “Стирлинг” 1 приводится в действие посредством подвода тепла от горелки 2 двигателя. Топливом для этой горелки является горючий газ 3, который смешивается с воздухом 4 под контролем клапана 5. Поток смеси подается в горелку 2 вентилятором 6. Это приводит в действие двигатель “Стирлинг” способом, хорошо известным из уровня техники, для выработки электропитания 7 от линейного генератора переменного тока. От двигателя “Стирлинг” тепло отводится в охладителе 8, который по существу является темплообменником и через который насосом 9 прокачивают воду по трубопроводу 10. Вода, проходящая через охладитель 8, затем дополнительно нагревается в теплообменнике 11 газообразными продуктами сгорания от горелки двигателя, которая нагревает головку двигателя “Стирлинг”. Для того, чтобы обеспечить дополнительный нагрев и создать некоторую степень независимости для нагрева воды, когда двигатель “Стирлинг” не работает, предусмотрена дополнительная горелка 12 для нагрева воды в теплообменнике 11. В дополнительную горелку подается горючий газ 3, который смешивается с воздухом 14 под контролем клапана 15. Поток смеси подается в дополнительную горелку 12 вентилятором 6.

Вентилятор 6 подает воздух в смесительные клапаны 5 и 15 через отводящий клапан (не показан), который обеспечивает правильный поток воздуха в каждый смесительный клапан.

В альтернативной конструкции используются отдельные вентиляторы для подачи воздуха к двум клапанам 5, 15 для смешивания газа и воздуха. Это устраняет необходимость в отводящем клапане, но, как описано в заявке данных заявителей GB 0130380.9, одновременно находящейся на рассмотрении, происходит значительное ухудшение показателей в отношении веса, стоимости и эффективности по сравнению с конструкцией с одним вентилятором.

Газообразные продукты сгорания от горелки 2 двигателя и дополнительной горелки 12, которые отдали свое тепло в теплообменнике 11, затем выводятся по дымоходу 17. Таким образом, двигатель “Стирлинг” вырабатывает отдаваемую электроэнергию 7 и отдаваемое тепло 18, которые могут быть использованы, например, для обеспечения бытовой потребности в горячей воде или для питания системы центрального отопления либо для того и другого при комбинированном выполнении (котел “комби”).

Предложенная БКТЭС предназначена для предоставления до 1 кВт электричества (сетевого), подаваемого непосредственно в домовую цепь и, следовательно, объединяемого с электричеством из сети. На фиг.2 показана простейшая схема соединения для домовой цепи, включающей БКТЭС, соединенная параллельно с электропитанием от сети.

В блок-схеме на фиг.2 электроэнергия из сети 20 поступает в жилое помещение через сетевой плавкий предохранитель 21 и проходит через домовый электросчетчик 22, прежде чем пройти через стандартный блок 23 потребителя, содержащий такие устройства, как разъединители, выключатели и устройство защиты от токов замыкания на землю. Отсюда электроэнергия подается к бытовым нагрузкам 24.

БКТЭС 25 по существу содержит двигатель “Стирлинг” на фиг. 1, а также пульт управления 26 и сетевой интерфейс 27. Генератор переменного тока 28 – это генератор, который описан со ссылкой на двигатель “Стирлинг” 1 и который вырабатывает электроэнергию 7, в то время как тепловая секция 29 соответствует горелкам 2, 12 и теплообменнику, вырабатывающим горячую воду 18. Как показано на фиг.2, электроэнергия от генератора переменного тока 28 подается к сетевому интерфейсу 27 по линии 30 и к тепловой секции 29 по линии 31 для обеспечения их важнейших потребностей в электроэнергии. При этой схеме БКТЭС будет работать тогда, когда имеется электропитание от сети, и, следовательно, он не является системой, независимой от сети.

Сетевой интерфейс 27 подробно описан в WO-А-01/69078. Он расположен в БКТЭС и обеспечивает возможность соединять агрегат с сетью и отсоединять от нее во время нормальных “мягких” запусков и остановов двигателя “Стирлинг” (т.е. когда подсоединено электропитание от сети).

Пульт управления по линии 32 посылает соответствующие сигналы для приведения в действие соответствующих реле интерфейса в дополнение к управлению работой агрегата в целом (управляя подачей топлива к горелкам и т.п.). Может быть использована альтернативная сетевая интерфейсная техника, как, например, электронный регулируемый автотрансформатор (вариак) или синхронный преобразователь вместо реле.

Сетевое защитное устройство 26 описано в WO-A-02/061911 и служит для контроля питания от сети 20. Оно показано внутри БКТЭС, но может быть также расположено снаружи или выполнено за одно целое с бытовым прибором или измерителем в зависимости от местных схем. Когда электропитание от сети оказывается за предварительно установленными пределами напряжения и частоты, сетевое защитное устройство 26 подает сигналы на пульт управления 33, который отключает агрегат от сети в сетевом интерфейсе. Это отключение необходимо для защиты генератора и самой цепи и удовлетворяет законным требованиям со стороны любой распределительной энергосистемы. Предварительные установки по току, при которых происходит отключение, составляют -10%, +10% по напряжению и -6%, +1% по частоте от нормального рабочего уровня.

БКТЭС подключена к бытовым нагрузкам 24 через блок 23 потребителя, а в цепи предусмотрены дополнительный плавкий предохранитель и ручной разъединитель 34 для обеспечения возможности безопасной установки и снятия агрегата.

Вышеописанная система согласно настоящему изобретению выполнена с возможностью выработки тепла и электричества при отсутствии электропитания от сети. Для того, чтобы это обеспечить, необходимы различные дополнения в системе, описанные ниже со ссылкой на фиг.3.

В блок-схеме, показанной на фиг.3, сетевое защитное контрольное устройство 26 продолжает действовать и после отключения электропитания от сети, отслеживая электропитание от сети, так чтобы оно могло быть вновь подключено, как только оно возвратится в заранее установленные параметры.

Как доказано на фиг.3, в дополнение к этому имеется независимый от сети модуль 35 в качестве средства пуска двигателя, так чтобы иметь возможность повторного пуска БКТЭС 25 при отсутствии электропитания от сети. Этот модуль 35 подробнее описан ниже.

В случае нарушения электропитания от сети электроэнергия подается от генератора переменного тока 28 через сетевой интерфейс 27 и независимый от сети модуль 35 по линии 36 к точке независимого от сети электропитания 37 или к розеткам 38.

В блок-схеме на фиг.3 точка независимого от сети электропитания 37 подключена к дополнительной цепи, имеющей оборудование, которое обычно не подключено к главной домовой цепи. Это требует некоторого дублирования оборудования (аварийной осветительной аппаратуры и т.д.), так как резервная цепь является отдельной цепью и недействующей при нормальных условиях подключения к сети.

Однако в этой схеме предусмотрена аварийная цепь для предоставления пользователю некоторого электроснабжения. Аварийная цепь может обеспечивать мощность вплоть до мощности генератора при меньшей паразитной электроэнергии, требуемой вспомогательными устройствами агрегата (насосами, схемами управления и т.д.), которая обычно составляет около 10-20% выработанной электроэнергии, и установленное резервное оборудование не должно превышать этого предела. Для обеспечения этого предела в аварийней цепи помещен плавкий предохранитель, гарантирующий безопасность и защиту системы.

При альтернативной схеме могут быть установлены розетки 38, независимые от сети (которые по существу являются подгруппой бытовых нагрузок 24, хотя на фиг.3 они для удобства показаны отдельно). Эти розетки обычно питаются электроэнергией от сети, когда она имеется, и питаются электроэнергией от БКТЭС 25, когда нарушено электроснабжение от сети.

В этой схеме контрольным устройством, независимым от сети, является независимый от сети модуль 35, который может быть объединен с пультом управления 33 БКТЭС. В этом случае имеется ряд стандартных электрических розеток для электропитания оборудования, выбранного потребителем. Устраняется дублирование оборудования, так как эти розетки будут постоянно действующими независимо от того, имеется ли электропитание от сети или нет.

Теперь со ссылкой на фиг.4 будет описан модуль, независимый от сети.

Независимый от сети модуль 35 обеспечивает дополнительные функциональные возможности, необходимые для работы БКТЭС при отсутствии внешнего электропитания от сети. Аккумулятор, зарядное устройство или подобный источник электропитания 41 обеспечивает ограниченную мощность, подводимую для обеспечения возможности повторного пуска при работе независимо от сети (см. ниже). От этого источника питания электроэнергия подводится в схемам управления, воспламенителю и детектору пламени 42 для обеспечения возможности зажигания горелки (горелок) и также для пуска импульсного генератора 43, чтобы инициировать возвратно-поступательное движение двигателя “Стирлинг”. Хотя воспламенитель и детектор пламени 42 показаны на фиг.3 как часть независимого от сети модуля, они вместо этого могли быть частью системы управления БКТЭС.

От генератора переменного тока электроэнергия через сетевой интерфейс 27 подается к модулю 35, независимому от сети. Напряжение, подводимое с генератора переменного тока, непрерывно контролируется и поддерживается ниже безопасного рабочего уровня посредством системы регулирования напряжения 47, которая сбрасывает избыточную мощность через сток мощности 47, в котором используется технология волнового регулирования. Им может быть резистор с воздушным или водяным охлаждением (как в погружном нагревателе). Следовательно, избыточное напряжение устраняется с временной константой в несколько миллисекунд, что защищает двигатель “Стирлинг” от повреждения перенапряжением. Если перенапряжение становится чрезмерным вследствие, например, неисправностей элементов, то аварийное отключение обеспечивает остановку двигателя.

В регуляторе тока 46 используется технология волнового регулирования с преобразованием полного сопротивления, чтобы контролировать чрезмерную потребность в электроэнергии со стороны БКТЭС, когда ток нарастает выше безопасной пороговой величины. Регулятор тока 46 предотвращает опрокидывание генератора переменного тока из-за чрезмерной нагрузки, прилагаемой во время работы. Эта чрезмерная нагрузка имела бы место, если пользователь подключил бы слишком много нагрузки во время работы независимо от сети.

При нормальной работе регулятор тока 46 обеспечивает возможность подаваемому току нарастать контролируемым образом при уменьшении пикового напряжения, чтобы поддерживать приемлемую отдаваемую мощность. Это обеспечивает безопасные пределы сигнализации о перегрузке по току, как это будет описано далее. Дополнительная сигнализация о перегрузке по току обеспечивается в виде лампочки или зуммера 48, расположенных или снаружи агрегата, или в подходящем видимом месте в жилище.

Регулирование по току дает возможность изменять отношение ток/напряжение (поддерживая мощность постоянной) для снабжения пусковым током, требуемым определенными бытовыми приборами (например, телевизором, мониторами компьютеров, электродвигателями).

Большой ток подается только в течение короткого периода времени, после которого, если ток еще большой, отключается выходная мощность. Большой ток, подаваемый при низком напряжении, также обеспечивает, что система при необходимости может разрушить плавкие предохранители.

Альтернативная схема содержит дополнительный переменный резистор, установленный последовательно с домовой цепью нагрузки. Он действует для увеличения полного сопротивления цепи нагрузки, уменьшая напряжение.

Технология волнового регулирования, используемая как при автоматическом регулировании напряжения, так и при регулировании тока, действует посредством отвода тока от входного потока мощности и восстановления мощности для образования формы кривой выходного сигнала с требуемым уровнем напряжения. В этом случае подаваемый ток является функцией полного сопротивления управляемого устройства, являющегося сбрасывающим сопротивлением в случае автоматического регулирования напряжения или полным сопротивлением нагрузки потребителя в случае регулирования тока. Таким образом, главная функция волнового регулирования – это преднамеренно изменять амплитуду выходного напряжения, используя предварительно программированный алгоритм регулирования для получения двух функций регулирования – регулирования входного напряжения или регулирования выходного тока.

Технология волнового регулирования обеспечивает высокую степень регулирования и манипулирования с формами волны по сравнению с обычной инверторной технологией.

Способы пуска двигателя при аварийном перерыве

в энергоснабжении

Стратегия регулирования БКТЭС, работающей только тогда, когда это экономически оправдано, требует, что часть своего времени она неизбежно находится при остановленном двигателе “Стирлинг”. Полезный способ пуска (мягкий пуск) двигателя – это использование импульса напряжения от электропитания от сети для инициирования возвратно-поступательного движения. В некоторых случаях может вполне потребоваться пуск двигателя без помощи электропитания от сети.

Для этой цели БКТЭС с собственным источником энергии содержит небольшой аккумулятор (как, например, описанный выше), чтобы обеспечить возможность пуска без помощи электропитания от сети. Аккумулятор подзаряжают, используя электропитание от агрегата, как только заработает БКТЭС. Аккумулятор по существу не снабжает аварийной электроэнергией, и его размер, следовательно, может быть минимальным. В настоящее время предпочтительно используется небольшой подзаряжаемый аккумулятор (как, например, свинцово-кислотный, никель-кадмиевый или никель-галоидный аккумулятор), но может быть встроен любой подзаряжаемый аккумулятор. Могут быть также использованы любые другие альтернативные виды устройства для аккумулирования электроэнергии, имеющего ограниченную емкость, включая, например, конденсаторы. Ввиду своего небольшого размера оно может быть устройством одноразового использования с минимальной стоимостью. Кроме этой потребности в электроэнергии для пуска, которая удовлетворяется аккумулятором, БКТЭС не имеет никакой потребности во внешнем источнике электроэнергии и может работать полностью независимо и неограниченно долго.

Порядок пуска при условиях нарушения электропитания от сети заключается в следующем: 1) отсоединяют домовую цепь (сетевым разъединителем 39) для удовлетворения требований по безопасности этой цепи, 2) поджигают горелку 2 у головки нагревателя, 3) когда достигнута заданная температура головки нагревателя, например, 220°С, резервный аккумулятор подает импульс постоянного тока с напряжением прямоугольного сигнала для запуска генератора переменного тока и, следовательно, инициирования возвратно-поступательного движения двигателя, 4) увеличивают отдаваемую мощность в соответствии с потребностями в резервной электроэнергии по мере того, как повышается температура головки нагревателя (при максимальных рабочих температурах головки нагревателя максимальная отдаваемая мощность составляет приблизительно 1,1 кВт).

Сигнализация о перегрузке по току

Если во время прекращения подачи электроэнергии из сети потребление электроэнергии электрооборудованием превышает мощность двигателя “Стирлинг”, то может произойти его повреждение. Чтобы избежать этого, можно ограничить оборудование, подключенное к независимой цепи. Однако если в распоряжении потребителя имеются неподключенные розетки, то регулирование электропотребления находится в руках потребителя. Следовательно, важно, чтобы для предотвращения перегрузки двигателя “Стирлинг” в резервной цепи имелось электрическое устройство для предотвращения перегрузки по току.

Им может быть мгновенно действующий плавкий предохранитель/расцепитель, который отключает электропитание, как только превышен предел (например, когда включена дополнительная часть оборудования). Это приводит к полному прекращению подачи электроэнергии и может быть неудобным там, где имеется аварийное оборудование. Для поддержания электропотребления в цепи ниже порога отключения потребитель не может полагаться на свое знание о потреблении электроэнергии отдельными частями оборудования, хотя оно и полезно в этом отношении.

Следовательно, может быть использована альтернативная схема, при которой потребитель имеет период предупреждения о “большом токе”. Она описана ниже и позволяет нарастать току выше номинального максимума приблизительно на 10%. Во время этого периода перегрузки по току напряжение будет пропорционально снижаться для поддержания мощности в пределах мощности генератора. Это приведет к незначительному ухудшению в работе установленного оборудования в цепи, независимой от сети. Это ухудшение будет заметно для потребителя и, следовательно, будет действовать как сигнализация о том, что намечается превышение предела. Кроме того, имеется указатель перегрузки по току в виде лампочки или зуммера 48. Однако допустимое ухудшение напряжения будет предварительно установлено на таком уровне, так чтобы оно не вызывало повреждение оборудования, которое может быть чувствительным к входному напряжению (механизмы кассетных видеомагнитофонов, медицинские насосы и т.д.).

Функциональные возможности для обеспечения такой сигнализации о “большом токе” обеспечиваются посредством регулятора тока 46 на фиг.4. Когда имеет место чрезмерная потребность в токе, регулятор тока 46 понижает пиковое выходное напряжение посредством использования функции преобразователя полного сопротивления, чтобы уменьшить амплитуду формы кривой напряжения. С другой стороны, переменный резистор, установленный последовательно с домовой цепью нагрузки, регулируется регулятором тока 46 для увеличения полного сопротивления нагрузки. Это контролируемым образом понижает напряжение по всей нагрузке и дает возможность току нарастать для удовлетворения нагрузки, в то время как выходная мощность сохраняется на безопасном рабочем уровне.

Вследствие прекращения подачи электроэнергии к другим домовым цепям потребитель должен понимать, что эти цепи находятся в условиях независимости от сети и что он может истолковывать влияния перегрузки по току или другие предупреждения как необходимость ограничить оборудование, установленное в цепи, независимой от сети. Неспособность потребителя действовать при сигналах о перегрузке по току приведет к полному прекращению подачи электроэнергии, когда будет превышен максимальный предел, и, следовательно, к принудительному снижению электропотребления, независимого от сети. Несмотря на отключение остальной части цепи, электроэнергия будет продолжать поступать к обслуживающим устройствам БКТЭС. Следовательно, жилище не будет без тепла, даже когда отключена электроэнергия. Как только будет уменьшена потребность (например, вследствие отключения оборудования от сети), выключатель возвратится в исходное положение и восстановится электропитание цепи, независимой от сети.

Отключение сети вследствие ухудшения качества электроэнергии в сети

Кроме отключения при нарушении электропитания от сети, отключение от цепи будет также происходить тогда, когда электропитание от сети оказывается вне заранее установленных пределов из-за трудностей в электроснабжении, ухудшающих качество электроэнергии. Так как плохое качество электроэнергии могло иметь вредные воздействия на питаемое ей бытовое оборудование, то БКТЭС 25 может быть снабжен альтернативным источником электропитания, чтобы потребитель мог защитить чувствительное оборудование от любых изменений в электропитании. Следовательно, отключение необязательно означает, что нарушено электропитание от сети, а означает как-раз то, что оно не находится в установленных пределах, определяющих допустимое качество электропитания. В таком случае электричество, вырабатываемое БКТЭС, будет подаваться в цепь, независимую от сети, а сеть будет продолжать снабжать электроэнергией остальную часть жилища, пока электропитание от сети не восстановится до допустимых пределов качества.

Согласование тепловой и электрической нагрузки

Когда БКТЭС 25 будет работать параллельно с электропитанием от сети, она будет отдавать излишнюю вырабатываемую электроэнергию в сеть и действовать по удовлетворению бытовой потребности в тепле. Пока потребность в тепле будет достаточной, двигатель будет работать на полную мощность, а горелки будут настроены, чтобы соответствовать этой потребности по возможности наиболее экономичным образом. Не будет никакой необходимости в сбросе электроэнергии, так как сеть будет использоваться как потребитель электроэнергии, обеспечивая пассивную форму регулирования напряжения. Таким образом, регулирование агрегата, подключенного к сети, может быть сравнительно простым. С другой стороны, потребность в тепле может быть низкой, в то время как потребность в электроэнергии – высокая. Когда подключена сеть, БГТЭС может действовать в соответствии с потребностью в тепле, в то время как из сети отбирается дополнительная электроэнергия в соответствии с бытовыми потребностями в ней.

Когда нарушено электроснабжение от сети, режим работы БКТЭС будет определяться бытовыми потребностями в электроэнергии и тепле. В тех случаях, когда имеется потребность в тепле, двигатель “Стирлинг” должен работать для выработки достаточной мощности (приблизительно 200 Вт) для питания обслуживающих устройств агрегата (цепей регулирования, насосов и т.д.). Мощность сверх этого будет создаваться посредством горелки двигателя “Стирлинг” при установке на ее минимальный выход, так что будет необходим сброс дополнительной электроэнергии, если не имеется никакой потребности в ней. В тех случаях, когда не имеется никакого соединения с сетью, этот сброс электроэнергии должен быть местным для жилища.

Способы сброса электроэнергии

Для того, чтобы система могла работать в тех случаях, когда имеется ограниченная потребность в вырабатываемой электроэнергии, электроэнергию можно подавать к охлаждаемому водой резистору, расположенному в холодной воде и предназначенному для местной системы горячего водоснабжения. Он действует как погружной нагреватель, превращая избыточную электроэнергию в тепло, как и в любом обычном электрическом устройстве для нагрева воды. Когда погружной нагреватель уже имеется в жилище, его можно использовать в качестве альтернативного/дополнительного средства сброса тепла. С другой стороны, модуль, независимый от сети, содержит охлаждаемые вентилятором резисторы для рассеивания избыточной энергии.

Способ сброса тепла

Так как без некоторой потребности в отходящем тепле двигатель “Стирлинг” не может работать, то для работы независимо от сети требуется использование избыточного тепла. Для сброса выработанного тепла может быть использована теплоемкость радиаторов местной системы отопления, но в тех случаях, когда радиаторы отключены, а горячая вода не требуется, температура воды будет постепенно повышаться. Тогда вскоре начнется ухудшение работы двигателя “Стирлинг”, которая основывается на низком температуре охладителя, когда температура воды в системе станет чрезмерной, можно использовать дополнительный поток воздуха от отклоняющего клапана.

Повторное подключение к сети

Когда сетевое защитное устройство 26 обнаруживает возобновление электропитания от сети, агрегат временно останавливается. Эта остановка необходима, так как БКТЭС будет работать на своей собственной частоте, когда она будет отключена от электропитания из сети. Она будет незначительно отличаться от нормальной частоты сети и будет рассинхронизирована после периода работы независимо от сети. Остановку осуществляют с последующим повторным пуском после того, как произойдет повторное подключение в модуле отключения от сети 39. Для повторного пуска может применяться обычный порядок пуска от сети с использованием импульса напряжения от электропитания из сети, чтобы инициировать возвратно-поступательное движение, и БКТЭС может возобновить свою работу параллельно сети.

Установленные потребности в токе означают, что электропитание от сети не может быть вновь подключено до тех пор, пока оно не будет проконтролируемо как находящееся в заданных пределах в течение трехминутного периода времени. Следовательно, двигатель “Стирлинг” не остановится до тех пор, пока не будет удовлетворено это условие. Это гарантирует, что независимая от сети цепь, которая может питать важнейшее бытовое оборудование, не действует больше, чем это необходимо для обеспечения безопасного повторного подключения. После того, как электропитание от сети контролировалось как находящееся в пределах защиты от сети в течение трех минут, применяется следующий порядок повторного подключения:

1) останавливают горелку двигателя “Стирлинг”,

2) отключают БКТЭС 25 от независимой от сети цепи в сетевом интерфейсе 27 – независимая от сети цепь не действует,

3) повторно подключают электропитание от сети в модуле отключения от сети 39 – независимая от сети цепь снабжается электроэнергией от сети,

4) ожидают, пока не остановится двигатель 1, обычно когда температура головки нагревателя упадет до ниже 200°С, после приблизительно десяти минут,

5) повторно подключают БКТЭС к сети в сетевом интерфейсе 27,

6) вновь запускают горелку 2 двигателя “Стирлинг”,

7) ожидают, пока температура головки нагревателя не достигнет 220°С,

8) посылают импульс повторного запуска для инициирования возвратно-поступательного движения двигателя “Стирлинг”.

Остановка не вызовет неудобство для потребителя, так как главная домовая цепь будет еще раз приведена в действие, а независимая от сети цепь будет только мгновение находиться без электроэнергии между стадиями 2 и 3. В тех случаях, когда все еще будет иметься потребность в тепле во время этого периода повторного подключения, будет продолжать работать дополнительная горелка 12. Обслуживающие устройства агрегата получают электроэнергию из части независимой от сети цепи, так что насосы и т.д. будут продолжать работать с электропитанием от повторно подключенной сети, тем самым предотвращая перегрев в нагревательной системе.

Может быть применена альтернативная схема в тех случаях, когда цепь сетевого интерфейса на основе резистора (например, используемая для сетевого интерфейса 27), описанная в WO-A-01/69078, используется для возможности повторного подключения электропитания от сети без остановки двигателя. Это обеспечивает плавную ресинхронизацию в независимой от сети цепи с использованием устройства контактов реле типа “включение без перерыва питания” в цепи сетевого интерфейса.

Возможно использование другой альтернативной схемы для использования цепи синхронизации в точке отключения сети 39. Она контролирует и сравнивает форму кривой напряжения сети и источника питания БКТЭС. Как только они обнаруживаются как синхронизированные, происходит соединение.

Формула изобретения

1. Бытовая энергетическая система для обеспечения потребностей в тепле и электроэнергии в жилом помещении, содержащая соединение с электропитанием от сети, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в электроэнергии во время нормальных рабочих условий, бытовой комбинированный тепловой и энергетический агрегат с источником питания топливом, который вырабатывает отдаваемую электроэнергию и отдаваемое тепло, которое обеспечивает, по меньшей мере, часть бытовой потребности в тепле, при этом система способна работать при отсутствии электропитания от сети, средство для обнаружения нарушения электропитания от сети и средство для автоматического подключения отдаваемой электроэнергии от бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата при отсутствии электропитания от сети для обеспечения резервной электроэнергией выбранных, потребляющих электричество устройств с меньшим потреблением электроэнергии, чем общая бытовая потребность в электроэнергии, при отсутствии электропитания от сети.

2. Система по п.1, в которой бытовой комбинированный тепловой и энергетический агрегат содержит двигатель «Стирлинг», содержащий горелку для подвода тепловой энергии к головке двигателя для приведения в действие элемента, совершающего возвратно-поступательное движение и обеспечивающего выработку электроэнергии посредством генератора переменного тока, и систему пуска, включающую средство контроля для управления пуском агрегата, воспламенитель для зажигания горелки, импульсный генератор для подачи электрического импульса к генератору для пуска элемента, совершающего возвратно-поступательное движение, когда средство контроля определяет, что головка двигателя достигает пороговой температуры, и местный ограниченный источник электропитания для снабжения электроэнергией средства контроля, воспламенителя и импульсного генератора во время операции пуска.

3. Система по п.1 или 2, дополнительно содержащая ограничитель отдаваемой мощности, выполненный для ограничения отдаваемой мощности бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата до величины, равной или меньше его заранее установленной максимальной располагаемой отдаваемой мощности, во время отсутствия электропитания от сети.

4. Система по п.3, в которой ограничителем отдаваемой мощности является регулятор, выполненный для регулирования во время отсутствия электропитания от сети мгновенного пикового напряжения до величины меньше, чем нормальное рабочее напряжение, когда ток, отводимый нагрузкой, превышает максимальный ток, который отводится от бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата при нормальном рабочем напряжении.

5. Система по п.4, в которой регулятором является волновой регулятор с преобразованием полного сопротивления.

6. Система по п.4 или 5, дополнительно содержащая реле времени, выполненное для определения количества времени, на протяжении которого ток, отводимый нагрузкой, превышает максимальный ток, который отводится при нормальном рабочем напряжении системы с элементом, совершающим возвратно-поступательное движение, при этом отдаваемая мощность бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата отключена от использования выбранными, потребляющими электричество устройствами, когда определенное время превышает заранее установленную пороговую величину.

7. Система по п.1, в которой источником питания топливом является источник снабжения бытовым газом.

8. Система по п.1, в которой бытовой комбинированный тепловой и электроэнергетический агрегат содержит двигатель «Стирлинг».

9. Система по п.8, в которой двигателем «Стирлинг» является линейный свободно-поршневой двигатель «Стирлинг».

10. Система по п.1, в которой выбранными, потребляющими электричество устройствами являются устройства, по существу, отдельные от тех, которые обычно снабжаются электроэнергией в жилом помещении.

11. Система по п.1 или 9, в которой выбранные, потребляющие электричество устройства являются подгруппой тех устройств, которые обычно снабжаются электроэнергией в жилом помещении, при этом система включает средство для избирательного отключения различных, потребляющих электричество устройств при отсутствии электропитания от сети.

12. Система по п.1, в которой средство для обнаружения нарушения электропитания от сети способно обнаруживать, когда сетевое напряжение или частота электропитания от сети находятся за допустимыми уровнями.

13. Система по п.1, дополнительно содержащая сток электроэнергии для потребления избыточного электричества.

14. Система по п.13, в которой сток электроэнергии выполнен в виде сопротивления с воздушным или водяным охлаждением.

15. Система по п.1, дополнительно содержащая сток тепла для потребления избыточного тепла.

16. Система по п.15, в которой стоком тепла является дополнительный воздушный поток, который обеспечивает рассеивание тепла, отдаваемого от бытового комбинированного теплового и энергетического агрегата.

17. Система по п.15, в которой стоком тепла является радиатор местной системы центрального отопления.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 19.12.2007

Извещение опубликовано: 27.07.2009 БИ: 21/2009

NF4A – Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.08.2009

Извещение опубликовано: 10.08.2009 БИ: 22/2009