DE102018222819B4 - combined heat and power plant (CHP) - Google Patents
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Abstract
Blockheizkraftwerk (1),
- mit einer einen Abgasstrang (16) und eine Abtriebswelle (3) aufweisenden Brennkraftmaschine (2),
- mit einem Heizkreislauf (4), an welchen wenigstens ein thermischer Verbraucher (20) koppelbar ist und welcher über einen (ersten) Wärmeüberträger (5a) thermisch mit dem Abgasstrang (16) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist,
- mit einem Kühlkreislauf (6) zum Kuhlen der Brennkraftmaschine (2), wobei der Kühlkreislauf (6) mittels eines zweiten Wärmeüberträgers (5b) thermisch mit dem Heizkreislauf (4) verbunden ist,
- mit einem ersten elektrischen Generator (7a) und mit einem zweiten elektrischen Generator (7b), die galvanisch voneinander getrennt sind und von der Brennkraftmaschine (2) antreibbar oder angetrieben sind,
- wobei der erste Generator (7a) zum elektrischen Verbinden mit einem öffentlichen Stromnetz (15) und der zweite Generator (7b) zum elektrischen Verbinden mit einem Eigenversorgungsstromnetz (14) ausgebildet sind, welches galvanisch von dem öffentlichen Stromnetz (15) getrennt ist, wobei der erste elektrische Generator (7a) und der zweite elektrische Generator (7b) jeweils zur Erzeugung von elektrischem Wechselstrom eingerichtet sind.
combined heat and power plant (1),
- with an internal combustion engine (2) having an exhaust system (16) and an output shaft (3),
- with a heating circuit (4) to which at least one thermal consumer (20) can be coupled and which is thermally connected to the exhaust system (16) of the internal combustion engine (2) via a (first) heat exchanger (5a),
- with a cooling circuit (6) for cooling the internal combustion engine (2), wherein the cooling circuit (6) is thermally connected to the heating circuit (4) by means of a second heat exchanger (5b),
- with a first electric generator (7a) and with a second electric generator (7b), which are galvanically separated from each other and can be driven or are driven by the internal combustion engine (2),
- wherein the first generator (7a) is designed for electrical connection to a public power grid (15) and the second generator (7b) is designed for electrical connection to a self-supply power grid (14) which is galvanically separated from the public power grid (15), wherein the first electrical generator (7a) and the second electrical generator (7b) are each designed to generate alternating electrical current.
Description
Die Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk (BHKW).The invention relates to a combined heat and power plant (CHP).
Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann durch viele verschiedene Technologien realisiert werden. Es basiert auf der gleichzeitigen Bereitstellung von Wärme und Elektrizität. Eine motorisch betriebene KWK-Anlage wird auch als sog. Blockheizkraftwerk (BHKW) bezeichnet. Blockheizkraftwerke, die mit Erdgas, Wasserstoff, Grubengas, Flüssiggas, Biogas, Holzgas, Klärgas, Alkoholen, Heizöl, Schweröl und Pflanzenölen angetrieben werden, finden heute eine Vielzahl von Anwendungen zur dezentralen Energieversorgung.The principle of combined heat and power (CHP) can be implemented using many different technologies. It is based on the simultaneous provision of heat and electricity. A motor-driven CHP plant is also known as a combined heat and power plant (CHP). Combined heat and power plants that are powered by natural gas, hydrogen, mine gas, liquefied petroleum gas, biogas, wood gas, sewage gas, alcohols, heating oil, heavy oil and vegetable oils are now used in a wide range of decentralized energy supply applications.
Bei einem Blockheizkraftwerk treibt eine Brennkraftmaschine, die typischerweise als sogenannter Kolbenmotor realisiert ist, einen elektrischen Generator an, der wiederum als Synchronmaschine realisiert sein kann. Die in der Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme wird aus dem Kühlwasserkreislauf der Brennkraftmaschine, der zum Kühlen der Zylinder dient, aus einem Ölkühlkreislauf zum Kühlen des von der Brennkraftmaschine verwendeten Motoröls sowie aus dem Abgasstrang zum Abführen von Abgas aus der Brennkraftmaschine entnommen und einen thermischen Verbraucher übertragen.In a combined heat and power plant, an internal combustion engine, which is typically implemented as a so-called piston engine, drives an electric generator, which in turn can be implemented as a synchronous machine. The waste heat generated in the internal combustion engine is taken from the cooling water circuit of the internal combustion engine, which is used to cool the cylinders, from an oil cooling circuit for cooling the engine oil used by the internal combustion engine, and from the exhaust system for removing exhaust gas from the internal combustion engine, and transferred to a thermal consumer.
Die vom elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie wird typischerweise entweder in ein öffentliches Stromnetz eingespeist oder vom Betreiber des Blockheizkraftwerks in einem sogenannten Eigenversorgungsstromnetz - oftmals auch „elektrischen Inselnetz“ bezeichnet - zur elektrischen Eigenversorgung selbst verwendet. Im Fall einer sogenannten Doppelnutzung der erzeugten Elektrizität, also einer Kombination aus Einspeisung in das öffentliche Netz und Eigenversorgung - diese wird auch Netzparallelbetrieb genannt -, ist der elektrische Generator des Blockheizkraftwerks elektrisch mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden. Es besteht somit keine galvanische Trennung zwischen dem öffentlichen Stromnetz und dem Eigenversorgungsstromnetz. Diese am meisten verbreitete Ausführungsform ermöglicht zwar eine unabhängige Nutzung der im Blockheizkraftwerk gleichzeitig bereitgestellten Abwärme und Elektrizität.The electrical energy generated by the electrical generator is typically either fed into a public power grid or used by the operator of the cogeneration plant in a so-called self-supply power grid - often also referred to as an "electrical island network" - for self-supply. In the case of so-called dual use of the electricity generated, i.e. a combination of feeding into the public grid and self-supply - this is also called parallel grid operation - the electrical generator of the cogeneration plant is electrically connected to the public power grid. There is therefore no galvanic separation between the public power grid and the self-supply power grid. This most common embodiment does enable independent use of the waste heat and electricity provided simultaneously in the cogeneration plant.
Als nachteilig erweis sich dabei, dass in diesem Fall immer eine elektrische Verbindung zwischen dem privaten Eigenversorgungsstromnetz und dem öffentlichen Stromnetz besteht, wodurch insbesondere störende Effekte wie Spannungsschwankungen etc. im öffentlichen Stromnetz in das private Eigenversorgungsstromnetz übertragen werden können, und umgekehrt. Darüber hinaus können gesetzliche Bestimmungen eine solche elektrische Verbindung zwischen dem Eigenversorgungsstromnetz und dem Öffentlichen Stromnetz verbieten, nur unter strengen Auflagen erlauben und - unabhängig davon - mit der Entrichtung von hohen Gebühren verbinden, die die Wirtschaftlichkeit des Blockheizkraftwerks für den Betreiber erheblich mindern können.The disadvantage here is that in this case there is always an electrical connection between the private self-supply power grid and the public power grid, which can cause disruptive effects such as voltage fluctuations etc. in the public power grid to be transferred to the private self-supply power grid, and vice versa. In addition, legal provisions can prohibit such an electrical connection between the self-supply power grid and the public power grid, only allow it under strict conditions and - regardless of this - make it subject to the payment of high fees, which can significantly reduce the profitability of the cogeneration plant for the operator.
Eine Möglichkeit, derartige Probleme zu vermeiden, besteht darin, in einem sogenannten „Inselbetrieb“ des Blockheizkraftwerks keine elektrische Verbindung zwischen dem Eigenversorgungsstromnetz und dem öffentlichen Netz zu realisieren.One way to avoid such problems is to not implement an electrical connection between the self-supply power grid and the public grid in a so-called “island operation” of the cogeneration plant.
Im Falle eines solchen, elektrisch gegenüber dem öffentlichen Stromnetz autarken „Insel-Betriebs“ wird der Generator des Blockheizkraftwerks ausschließlich an das oben erwähnte Eigenversorgungsstromnetz des BHKW-Betreibers angeschlossen, dass wiederum keinen elektrische Verbindung zum öffentlichen Stromnetz aufweist.In the case of such an “island operation” that is electrically independent of the public power grid, the generator of the cogeneration plant is connected exclusively to the above-mentioned self-supply power grid of the CHP operator, which in turn has no electrical connection to the public power grid.
Die vom elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie kann somit allerdings ausschließlich zur Eigenversorgung genutzt werden. Dies bedingt jedoch zwingend einen sogenannten „stromgeführten“ Betrieb des Blockheizkraftwerks, d.h. die von der Brennkraftmaschine erzeugte Antriebsleistung muss so angepasst werden, dass die vom elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie dem momentanen Bedarf des Eigenversorgungsstromnetzes entspricht. In diesem Fall ist jedoch nicht gewährleistet, dass die von der Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme ausreicht, um den mit dem Blockheizkraftwerk gekoppelten thermischen Verbraucher mit der erforderlichen Wärmeenergie zu versorgen.The electrical energy generated by the electric generator can therefore only be used for self-supply. However, this requires what is known as "current-controlled" operation of the cogeneration plant, i.e. the drive power generated by the internal combustion engine must be adjusted so that the electrical energy generated by the electric generator corresponds to the current demand of the self-supply power grid. In this case, however, there is no guarantee that the waste heat generated by the internal combustion engine is sufficient to supply the thermal consumer coupled to the cogeneration plant with the required thermal energy.
Darüber hinaus kann die von der Brennkraftmaschine erzeugte Antriebsleistung aus technischen Gründen nicht unterhalb eines vorgegebenen Minimalwerts liegen, bei welchem sich die Brennkraftmaschine im sogenannten Teillastbetrieb befindet. Wird vom Eigenversorgungsstromnetz weniger elektrische Energie benötigt als im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine vom elektrischen Generator erzeugt wird, so muss dem elektrischen Eigenversorgungsstromnetz bei einem auftretenden Elektrizitätsbedarf unterhalb des Teillastbetriebs eine interne Redundanz, beispielsweise in Form eines separaten Batteriesystems oder einer Photovoltaik-Anlage, bereitgestellt werden. Dies ist mit zusätzlichen Kosten verbunden.In addition, for technical reasons, the drive power generated by the internal combustion engine cannot be below a specified minimum value at which the internal combustion engine is in so-called partial load operation. If the self-supply power grid requires less electrical energy than is generated by the electrical generator in partial load operation of the internal combustion engine, the self-supply power grid must be provided with internal redundancy, for example in the form of a separate battery system or a photovoltaic system, when electricity demand occurs below partial load operation. This entails additional costs.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Blockheizhaftwerk zu schaffen, bei welchem insbesondere die voranstehend erläuterten Nachteile weitgehend oder sogar vollständig ausgeräumt sind.It is therefore an object of the present invention to provide an improved embodiment for a cogeneration plant in which in particular, the disadvantages explained above have been largely or even completely eliminated.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of
Grundidee der Erfindung ist demnach, die Brennkraftmaschine eines Blockheizkraftwerks mit zwei elektrischen Generatoren zu koppeln, die galvanisch voneinander getrennt sind. Dies erlaubt es, einen der beiden elektrischen Generatoren - dieser wird nachfolgend als „erster Generator“ bezeichnet - elektrisch mit einem öffentlichen elektrischen Stromnetz zu verbinden, wohingegen der andere der beiden elektrischen Generatoren - nachfolgend als „zweiter Generator“ bezeichnet - mit dem Eigenversorgungsstromnetz des Blockheizkraftwerk-Betreibers verbunden werden kann. Da aufgrund der erfindungswesentlichen galvanischen Trennung der beiden elektrischen Generatoren des Blockheizkraftwerks keine elektrische Verbindung zwischen dem Eigenversorgungsstromnetz und dem öffentlichen Stromnetz erzeugt werden kann, kann keine Störung des Eigenversorgungsstromnetzes durch das öffentliche Stromnetz erfolgen, und umgekehrt. Darüber hinaus entfallen gegebenenfalls aufgrund gesetzlicher Bestimmungen für eine elektrische Verbindung des Eigenversorgungsstromnetzes mit dem öffentlichen Netz anfallende Gebühren. Ein wesentlicher Vorteil der hier vorgestellten Lösung eines Blockheizkraftwerks mit zwei galvanisch voneinander getrennten elektrischen Generatoren besteht außerdem darin, dass die von der Brennkraftmaschine erzeuge Antriebsleistung äußerst flexibel von den beiden elektrischen Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden kann. Da die vom Blockheizkraftwerk erzeugte elektrische Energie nicht - wie bei herkömmlichen Blockheizkraftwerken mit nur einem einzigen elektrischen Generator - ausschließlich in das öffentliche Stromnetz oder in das Eigenversorgungsstromnetz eingespeist wird, sondern auf beide Stromnetze verteilt werden kann, kann die von der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von Abwärme für den thermischen Verbraucher erzeugte Antriebsleistung äußerst effektiv zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Dabei ist die oben erwähnte Bereitstellung eines Backup-Systems für das Eigenversorgungsstromnetz - etwa in Form eines zusätzlichen Batteriesystems - nicht erforderlich.The basic idea of the invention is therefore to couple the internal combustion engine of a combined heat and power plant with two electrical generators that are galvanically separated from one another. This allows one of the two electrical generators - this is referred to below as the "first generator" - to be electrically connected to a public electrical power grid, whereas the other of the two electrical generators - referred to below as the "second generator" - can be connected to the self-supply power grid of the combined heat and power plant operator. Since no electrical connection can be created between the self-supply power grid and the public power grid due to the galvanic separation of the two electrical generators of the combined heat and power plant, which is essential to the invention, the self-supply power grid cannot be disrupted by the public power grid, and vice versa. In addition, any fees that may be incurred due to legal regulations for an electrical connection of the self-supply power grid to the public grid are waived. A key advantage of the solution presented here of a combined heat and power plant with two electrically isolated generators is that the drive power generated by the internal combustion engine can be used extremely flexibly by the two electrical generators to generate electrical energy. Since the electrical energy generated by the combined heat and power plant is not fed exclusively into the public power grid or the self-supply power grid - as is the case with conventional combined heat and power plants with just a single electrical generator - but can be distributed between both power grids, the drive power generated by the internal combustion engine to generate waste heat for the thermal consumer can be used extremely effectively to generate electrical energy. The provision of a backup system for the self-supply power grid - for example in the form of an additional battery system - mentioned above is not necessary.
Insbesondere ist es möglich, die beiden Generatoren so anzusteuern bzw. zu betreiben, dass die von der Brennkraftmaschine erzeugte Antriebsleistung dazu verwendet wird, mittels des zweiten elektrischen Generators elektrische Energie zu erzeugen, die den momentanen Bedarf des Eigenversorgungsstromnetzes deckt. Zusätzlich ist es möglich, mittels des ersten elektrischen Generators elektrische Energie zu erzeugen, die nicht für das Eigenversorgungsstromnetz benötigt wird und daher - in der Regel gegen Vergütung - in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann. Somit ist es nicht mehr erforderlich, das Blockheizkraftwerk - wie oben erläutert - stromgeführt zu betreiben. Vielmehr ist ein wärmeführender Betrieb des Blockheizkraftwerks möglich, was bedeutet, dass die von der Brennkraftmaschine erzeugte Abtriebsleistung so eingestellt wird, dass die von der Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme für eine optimale Versorgung des an den Heizkreislauf gekoppelten thermischen Verbrauchers mit Wärme abgestimmt ist. Die beiden elektrischen Generatoren können dabei derart angesteuert werden, dass die vom Eigenversorgungsstromnetz benötigte Energie vom zweiten Generator erzeugt wird. Die zum Antreiben des zweiten Generators nicht benötigte Antriebsleistung kann dazu verwendet werden, den ersten Generator anzutreiben. Die vom ersten elektrischen Generator erzeugte elektrische Energie kann gegen Vergütung in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.In particular, it is possible to control or operate the two generators in such a way that the drive power generated by the internal combustion engine is used to generate electrical energy by means of the second electrical generator, which covers the current requirements of the self-supply power grid. In addition, it is possible to use the first electrical generator to generate electrical energy that is not required for the self-supply power grid and can therefore be fed into the public power grid - usually in return for a fee. It is therefore no longer necessary to operate the cogeneration plant in an electricity-controlled manner - as explained above. Instead, heat-conducting operation of the cogeneration plant is possible, which means that the output power generated by the internal combustion engine is adjusted in such a way that the waste heat generated by the internal combustion engine is coordinated for an optimal supply of heat to the thermal consumer coupled to the heating circuit. The two electrical generators can be controlled in such a way that the energy required by the self-supply power grid is generated by the second generator. The drive power not required to drive the second generator can be used to drive the first generator. The electrical energy generated by the first electrical generator can be fed into the public power grid in return for remuneration.
Im Ergebnis erlaubt die hier vorgestellte, erfindungswesentliche Bereitstellung zweier galvanisch voneinander getrennter elektrischer Generatoren eine Nutzung des erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks mit nur einem elektrischen Generator deutlich verbesserter Wirtschaftlichkeit.As a result, the provision of two galvanically separated electrical generators presented here, which is essential to the invention, allows the use of the cogeneration plant according to the invention with only one electrical generator with significantly improved economic efficiency.
Das hier vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben eines Blockkraftheizwerks. Dabei umfasst das Blockkraftheizwerk einen ersten elektrischen Generator und einen zweiten elektrischen Generator, die galvanisch von- einander getrennt sind. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Blockheizkraftwerks übertragen sich daher auch auf das Verfahren. Gemäß dem Verfahren ist wenigstens einer der beiden Generatoren mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Besonders bevorzugt sind beide Generatoren mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Gemäß dem Verfahren ist der erste Generator elektrisch mit einem öffentlichen Stromnetz verbunden, so dass er in einem mit der Brennkraftmaschine antriebsverbundenen Zustand und für dieses öffentliche Stromnetz elektrischen Strom erzeugt. Gemäß dem Verfahren ist der zweite Generator elektrisch mit einem galvanisch vom öffentlichen Stromnetz getrennten Eigenversorgungsstromnetz verbunden, so dass er in einem mit der Brennkraftmaschine antriebsverbundenen Zustand für dieses Eigenversorgungsstromnetz elektrischen Strom erzeugt.The method presented here is used to operate a combined heat and power plant. The combined heat and power plant comprises a first electrical generator and a second electrical generator, which are galvanically separated from one another. The advantages of the combined heat and power plant explained above are therefore also transferred to the method. According to the method, at least one of the two generators is drive-connected to the internal combustion engine. Particularly preferably, both generators are drive-connected to the internal combustion engine. According to the method, the first generator is electrically connected to a public power grid, so that it generates electrical power when it is drive-connected to the internal combustion engine and for this public power grid. According to the method, the second generator is electrically connected to a self-supply power grid that is galvanically separated from the public power grid, so that it generates electrical power when it is drive-connected to the internal combustion engine for this self-supply power grid.
Bei der Durchführung des Verfahrens ist der erste Generator elektrisch mit einem öffentlichen Stromnetz verbunden und erzeugt für dieses elektrischen Strom, solange die Antriebsverbindung des ersten Generators mit der Brennkraftmaschine besteht. Bei der Durchführung des Verfahrens ist außerdem der zweite Generator elektrisch mit einem galvanisch vom öffentlichen Stromnetz getrennten Eigenversorgungsstromnetz verbunden und erzeugt für das Eigenversorgungsstromnetz elektrischen Strom, solange die Antriebsverbindung des zweiten Generators mit der Brennkraftmaschine besteht.When carrying out the method, the first generator is electrically connected to a public power grid and generates electrical power for this as long as the drive connection of the first generator to the internal combustion engine When carrying out the method, the second generator is also electrically connected to a self-supply power grid that is galvanically separated from the public power grid and generates electrical power for the self-supply power grid as long as the drive connection of the second generator to the internal combustion engine exists.
Während der Durchführung des Verfahrens wird die Brennstoffzufuhr der Brennkraftmaschine des Blockkraftheizwerks in Abhängigkeit von der für den wenigstens einen thermischen Verbraucher geforderten Heizleistung verstellt zwischen einem Vollastbetrieb, in welchem die Brennkraftmaschine mit maximaler Brennstoffzufuhr arbeitet und ein maximales Abtriebsdrehmoment erzeugt, und einem Teillastbetrieb, in welchem die Brennstoffzufuhr - und folglich auch das Abtriebsdrehmoment - der Brennkraftmaschine gegenüber dem Vollastbetrieb reduziert wird.During implementation of the method, the fuel supply of the internal combustion engine of the combined heat and power plant is adjusted depending on the heating output required for the at least one thermal consumer between a full-load operation, in which the internal combustion engine operates with maximum fuel supply and generates a maximum output torque, and a partial-load operation, in which the fuel supply - and consequently also the output torque - of the internal combustion engine is reduced compared to the full-load operation.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Drehzahl der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine unabhängig von der tatsächlichen Brennstoffzufuhr auf einen vorbestimmten Drehzahl-Sollwert geregelt. Auf diese Weise wird ein stabiler Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet. Insbesondere wird vermieden, dass die Drehzahl der Abtriebswelle unter einen Schwellwert absinkt, unterhalb dessen aus technischen Gründen eine Fehlfunktion der Brennkraftmaschine nicht ausgeschlossen werden kann.In a preferred embodiment, a speed of the output shaft of the internal combustion engine is regulated to a predetermined speed target value independently of the actual fuel supply. In this way, stable operation of the internal combustion engine is ensured. In particular, it is avoided that the speed of the output shaft falls below a threshold value, below which a malfunction of the internal combustion engine cannot be ruled out for technical reasons.
Bevorzugt wird die von der Brennkraftmaschine im Betrieb erzeugte Abtriebsleistung in Abhängigkeit von einem Eigenbedarf des Eigenversorgungsstromnetzes als erste bzw. zweite Antriebsleistung auf die beiden Generatoren verteilt.Preferably, the output power generated by the internal combustion engine during operation is distributed to the two generators as first or second drive power depending on the internal requirements of the internal power supply network.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine zum Antreiben des zweiten Generator genutzt, so dass der zweite Generator die momentane vom Eigenversorgungsstromnetz benötigte elektrische Leistung erzeugt. Die verbleibende Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine, die nicht zum Antreiben des zweiten Generators benötigt wird, kann somit bei dieser Ausführungsform zum Antreiben des ersten Generators genutzt werden, so dass der erste Generator elektrische Leistung zum Einspeisen in das öffentliche Stromnetz erzeugt.In a preferred embodiment of the method, the output power of the internal combustion engine is used to drive the second generator, so that the second generator generates the electrical power currently required by the internal power grid. The remaining output power of the internal combustion engine, which is not required to drive the second generator, can thus be used in this embodiment to drive the first generator, so that the first generator generates electrical power to feed into the public power grid.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite Generator einen ersten Stator mit Statorwicklungen und wenigstens einen zweiten Stator mit Statorwicklungen. Der/Die vorhandene(n) zweite(n) Stator(en) kann/können bei dieser Ausführungsform jeweils einzeln in Abhängigkeit von der momentanen Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine und in Abhängigkeit vom momentanen Bedarf an elektrischer Leistung für das Eigenversorgungsstromnetz elektrisch mit diesem Eigenversorgungsstromnetz verbunden oder von diesem getrennt werden. Bei dieser Ausführungsform kann vom zweiten Generator durch „Zuschalten“ von zweiten Statoren genau dann mehr elektrische Leistung erzeugt werden, wenn diese auch vom Eigenversorgungsstromnetz benötigt wird.In a further preferred embodiment, the second generator comprises a first stator with stator windings and at least one second stator with stator windings. In this embodiment, the second stator(s) present can be individually electrically connected to or disconnected from the internal power supply network depending on the current output power of the internal combustion engine and depending on the current demand for electrical power for the internal power supply network. In this embodiment, the second generator can generate more electrical power by "switching on" second stators precisely when this is also required by the internal power supply network.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere mit der voranstehend erläuterten Ausführungsform kombiniert werden kann, umfasst der erste Generator einen ersten Stator mit Statorwicklungen und wenigstens eine zweiten Stator mit Statorwicklungen. Auch bei dieser Ausführungsform kann/können der/die vorhandene(n) zweite(n) Stator(en) jeweils einzeln in Abhängigkeit von der momentanen Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine und in Abhängigkeit vom momentanen Bedarf an elektrischer Leistung für das öffentliche Stromnetz zur Stromerzeugung elektrisch mit diesem öffentlichen Stromnetz verbunden oder von diesem getrennt werden. Bei dieser Ausführungsform kann vom ersten Generator durch „Zuschalten“ von zweiten Statoren diejenige elektrische Leistung erzeugt werden, die nicht vom Eigenversorgungsstromnetz benötigt wird.In a further preferred embodiment, which can be combined in particular with the embodiment explained above, the first generator comprises a first stator with stator windings and at least one second stator with stator windings. In this embodiment too, the second stator(s) present can each be individually electrically connected to or disconnected from the public power grid for generating electricity, depending on the current output power of the internal combustion engine and the current demand for electrical power for the public power grid. In this embodiment, the electrical power that is not required by the internal power grid can be generated by the first generator by "switching on" second stators.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Verfahren in einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung durchgeführt, welche die Brennkraftmaschine und die beiden Generatoren ansteuert. Mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung können bevorzugt auch die voranstehend erläuterten (Teil-)Kupplungen sowie die vorhandenen elektrischen Schalter gesteuert werden.According to an advantageous development, the method is carried out in a control/regulation device which controls the internal combustion engine and the two generators. The control/regulation device can preferably also be used to control the (partial) clutches explained above and the existing electrical switches.
Zweckmäßig ist diese Steuerungs-/Regelungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie die beiden Generatoren nicht elektrisch miteinander verbindet. Auf diese Weise wird die erfindungswesentliche galvanische Trennung der beiden Generatoren und die damit verbundene Trennung des öffentlichen Stromnetzes vom Eigenversorgungsstromnetz sichergestellt.This control/regulation device is expediently designed in such a way that it does not electrically connect the two generators to one another. In this way, the galvanic isolation of the two generators, which is essential to the invention, and the associated separation of the public power grid from the self-supply power grid are ensured.
Bevorzugt ist der zumindest eine thermische Verbraucher thermisch an den Heizkreislauf gekoppelt. Selbstredend können auch zwei oder mehr solche thermischen Verbraucher vorgesehen sein.Preferably, the at least one thermal consumer is thermally coupled to the heating circuit. Of course, two or more such thermal consumers can also be provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Generator einen ersten Stator und zumindest einen zweiten Stator, die beide Statorwicklungen aufweisen. Bei dieser Ausführungsform kann der wenigstens eine zweite Stator des ersten Generators wahlweise elektrisch mit dem ersten Stator verbunden oder elektrisch von diesem getrennt werden bzw. getrennt sein. Dies kann mit Hilfe eines geeigneten, zwischen den beiden Statoren angeordneten (ersten) elektrischen Schalters geschehen. Besonders zweckmäßig bilden bei dieser Ausführungsform der erste Stator und der wenigstens eine zweite Stator des ersten Generators eine elektrische Parallelschaltung aus. Alternativ oder zusätzlich umfasst bei dieser Ausführungsform der zweite Generator einen ersten Stator und wenigstens einen zweiten Stator. Bei dieser Ausführungsform kann der wenigstens eine zweite Stator des zweiten Generators wahlweise elektrisch mit dem ersten Stator verbunden oder von diesem elektrisch getrennt werden bzw. getrennt sein. Dies kann mit Hilfe eines geeigneten, zwischen den beiden Statorwicklungen angeordneten (zweiten) elektrischen Schalters geschehen. Besonders zweckmäßig bilden bei dieser Ausführungsform der erste Stator und der wenigstens eine zweite Stator des zweiten Generators eine elektrische Parallelschaltung aus. Bei dieser Ausführungsform kann vom zweiten Generator durch „Zuschalten“ des zumindest einen zweiten Stators entsprechend mehr elektrische Leistung erzeugt werden, wenn die Brennkraftmaschine an der Abtriebswelle entsprechende Abtriebsleistung zur Verfügung stellt, weil diese für das Eigenversorgungsstromnetz benötigt wird. Entsprechend kann durch Zuschalten des wenigstens einen zweiten Stators des ersten Generators zusätzliche elektrische Leistung zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz erzeugt werden, wenn entsprechende mechanische Leistung von der Abtriebswelle bereitgestellt ist.According to a preferred embodiment, the first generator comprises a first stator and at least one second stator, both of which have stator windings. In this embodiment, the at least one second stator of the first generator can optionally be electrically connected to the first stator or electrically separated from it. This can be done with the aid of a suitable (first) electrical switch arranged between the two stators. In this embodiment, the first stator and the at least one second stator of the first generator particularly expediently form an electrical parallel circuit. Alternatively or additionally, in this embodiment, the second generator comprises a first stator and at least one second stator. In this embodiment, the at least one second stator of the second generator can optionally be electrically connected to the first stator or electrically separated from it. This can be done with the aid of a suitable (second) electrical switch arranged between the two stator windings. In this embodiment, the first stator and the at least one second stator of the second generator particularly expediently form an electrical parallel circuit. In this embodiment, the second generator can generate correspondingly more electrical power by "switching on" the at least one second stator if the internal combustion engine provides corresponding output power at the output shaft because this is required for the internal power supply network. Accordingly, by connecting the at least one second stator of the first generator, additional electrical power can be generated for feeding into the public power grid if corresponding mechanical power is provided by the output shaft.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der erste Generator wenigstens zwei zweite Statoren auf, die unabhängig voneinander trennbar elektrisch, vorzugsweise in Form einer elektrischen Parallelschaltung, mit dem ersten Stator des ersten Generators verbunden sind. Alternativ oder zusätzlich weist bei dieser Weiterbildung der zweite Generator wenigstens zwei zweite Statoren auf, die unabhängig voneinander trennbar elektrisch, vorzugsweise in Form einer elektrischen Parallelschaltung, mit dem ersten Stator des zweiten Stators verbunden sind. Bei dieser Weiterbildung kann vom ersten bzw. zweiten Generator durch sukzessives „Zuschalten“ von einzelnen zweiten Statoren entsprechend mehr elektrische Leistung erzeugt werden, wenn die Brennkraftmaschine an der Abtriebswelle hierfür entsprechende Abtriebsleistung zur Verfügung stellt.According to an advantageous development, the first generator has at least two second stators which are electrically connected to the first stator of the first generator in an independently separable manner, preferably in the form of an electrical parallel connection. Alternatively or additionally, in this development, the second generator has at least two second stators which are electrically connected to the first stator of the second stator in an independently separable manner, preferably in the form of an electrical parallel connection. In this development, the first or second generator can generate correspondingly more electrical power by successively "switching on" individual second stators if the internal combustion engine provides corresponding output power for this on the output shaft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der erste Generator zur elektrischen Stromerzeugung einen mit seinen Statoren magnetisch zusammenwirkenden ersten Rotor mit einer vorbestimmten ersten Anzahl an ersten Polpaaren aus magnetischen Polen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Generator zur elektrischen Stromerzeugung einen mit seinen Statoren magnetisch zusammenwirkenden ersten Rotor mit einer vorbestimmten ersten Anzahl an ersten Polpaaren aus magnetischen Polen aufweisen.According to a further preferred embodiment, the first generator for generating electrical power can have a first rotor that magnetically interacts with its stators and has a predetermined first number of first pole pairs made up of magnetic poles. Alternatively or additionally, the second generator for generating electrical power can have a first rotor that magnetically interacts with its stators and has a predetermined first number of first pole pairs made up of magnetic poles.
Zweckmäßig können die ersten magnetischen Pole sowie, alternativ oder zusätzlich, die zweiten magnetischen Pole durch Magnete, vorzugsweise durch Permanentmagnete, aus einem magnetischen oder magnetisierten Material gebildet sein. Diese Variante ist technisch einfach zu realisieren und daher besonders zuverlässig. Alternativ dazu können die ersten oder/und zweiten magnetischen Pole durch Rotorwicklungen gebildet sein, die bei elektrischer Bestromung ein magnetisches Feld erzeugen, welches besonders bevorzugt ein magnetisches Dipol-Feld sein kann. Diese Variante realisiert eine sogenannte Erregermaschine, die vorzugsweise bürstenlos ausgebildet sein kann. Bei dieser Variante kann auf die Verwendung magnetischer bzw. magnetisierter Materialien, deren Beschaffung mit relativ hohen Kosten verbunden sein kann, verzichtet werden. Selbstredend ist auch eine Kombination beider voranstehend erläuterter Varianten möglich.The first magnetic poles and, alternatively or additionally, the second magnetic poles can expediently be formed by magnets, preferably by permanent magnets, made of a magnetic or magnetized material. This variant is technically simple to implement and therefore particularly reliable. Alternatively, the first and/or second magnetic poles can be formed by rotor windings which, when electrically energized, generate a magnetic field, which can particularly preferably be a magnetic dipole field. This variant implements a so-called excitation machine, which can preferably be designed to be brushless. With this variant, the use of magnetic or magnetized materials, the procurement of which can be associated with relatively high costs, can be dispensed with. A combination of both variants explained above is of course also possible.
Alternativ oder zusätzlich kann gemäß dieser Ausführungsform der zweite Generator zur elektrischen Stromerzeugung einen mit dem zweiten Stator magnetisch zusammenwirkenden zweiten Rotor mit einer vorbestimmten zweiten Anzahl an zweiten Polpaaren aus magnetischen Polen aufweisen.Alternatively or additionally, according to this embodiment, the second generator for generating electrical power can have a second rotor which magnetically interacts with the second stator and has a predetermined second number of second pole pairs of magnetic poles.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Generatoren unabhängig voneinander mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbar oder antriebsverbunden. Dieser Ausführungsform erlaubt einen variablen Betrieb der beiden elektrischen Generatoren. Insbesondere ist es bei dieser Ausführungsform möglich, den zweiten elektrischen Generator antriebsmäßig von der Brennkraftmaschine zu entkoppeln, solange es nicht erforderlich ist, für das elektrische Eigenversorgungsstromnetz elektrische Energie zu erzeugen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn keine elektrischen Verbraucher im elektrischen Eigenversorgungsstromnetz aktiv sind oder diese vorübergehend mit elektrischer Energie aus einem lokalen elektrischen Energiespeicher, wie beispielsweise eine wiederaufladbare elektrische Batterie, versorgt werden. Entsprechend ist es möglich, den ersten elektrischen Generator vom Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine zu entkoppeln, wenn die gesamte Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine ausschließlich dazu verwendet werden soll, elektrische Energie für das Eigenversorgungsstromnetz zu erzeugen.According to a preferred embodiment, the two generators can be or are drive-connected to the internal combustion engine independently of one another. This embodiment allows variable operation of the two electrical generators. In particular, in this embodiment it is possible to decouple the second electrical generator from the internal combustion engine in terms of drive as long as it is not necessary to generate electrical energy for the internal electrical power grid. This can be the case, for example, if no electrical consumers are active in the internal electrical power grid or if they are temporarily supplied with electrical energy from a local electrical energy storage device, such as a rechargeable electrical battery. Accordingly, it is possible to decouple the first electrical generator from the drive train of the internal combustion engine if the entire output power of the internal combustion engine is to be used exclusively to generate electrical energy for the internal electrical power grid.
Zum Zwecke einer besonders einfachen und somit kostengünstigen technischen Realisierung der erfindungswesentlichen Antriebsverbindung der beiden elektrischen Generatoren mit der Brennkraftmaschine wird vorgeschlagen, dass die beiden Generatoren über ein gemeinsames Getriebe mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden werden. Ein solches Getriebe kann einen Getriebeantrieb zum Koppeln mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine, einen ersten Getriebeabtriebe zum Koppeln mit dem ersten Generator und einen zweiten Getriebeabtrieb zum Koppeln mit dem zweiten Generator umfassen. Ein solches Getriebe erfordert besonders wenig Bauraum.For the purpose of a particularly simple and thus cost-effective technical realization of the drive connection of the two electric generators with the internal combustion engine, which is essential to the invention, it is proposed that the two generators generators are connected to the internal combustion engine via a common transmission. Such a transmission can comprise a transmission drive for coupling to the output shaft of the internal combustion engine, a first transmission output for coupling to the first generator and a second transmission output for coupling to the second generator. Such a transmission requires particularly little installation space.
Besonders bevorzugt sind die beiden Generatoren, vorzugsweise mittels des Getriebes, miteinander antriebsverbindbar oder antriebsverbunden. Eine solche Antriebsverbindung der beiden Generatoren miteinander - unabhängig von der bzw. zusätzlich zur Antriebsverbindung der Generatoren mit der Brennkraftmaschine - erlaubt einen Notbetrieb des Blockheizkraftwerks, falls die Brennkraftmaschine aufgrund eines technischen Defekts nicht ordnungsgemäß arbeitet oder vollständig ausfällt. In diesem Fall kann einer der beiden Generatoren - falls er als Motor-Generator ausgestaltet ist - den jeweils anderen Generator antreiben, so dass letzterer elektrischen Strom erzeugen kann.It is particularly preferred that the two generators are drive-connectable or drive-connected to one another, preferably by means of the transmission. Such a drive connection of the two generators to one another - independently of or in addition to the drive connection of the generators to the internal combustion engine - allows emergency operation of the cogeneration plant if the internal combustion engine does not work properly or fails completely due to a technical defect. In this case, one of the two generators - if it is designed as a motor generator - can drive the other generator so that the latter can generate electrical current.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung, die technisch besonders einfach aufgebaut ist, so dass mit ihr nicht unerhebliche Kostenvorteile einhergehen, kann der zweite Generator über den ersten Generator mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden sein, oder umgekehrt. Diese Variante realisiert antriebstechnisch eine Reihenschaltung der beiden Generatoren hinter der Abtriebswelle. Bei dieser Variante kann insbesondere die Bereitstellung eines Verteilergetriebes entfallen.According to an advantageous further development, which is technically particularly simple in design, so that it is accompanied by considerable cost advantages, the second generator can be connected to the output shaft of the internal combustion engine via the first generator, or vice versa. In terms of drive technology, this variant implements a series connection of the two generators behind the output shaft. In particular, this variant eliminates the need for a transfer case.
Besonders bevorzugt können die beiden Generatoren bei der voranstehend erläuterten Weiterbildung mittels einer Teilkupplung entkoppelbar miteinander antriebsverbunden sind. Somit ist es möglich, den nachgeschalteten der beiden Generatoren vom Abtriebsstrang der Brennkraftmaschine abzukoppeln, falls von diesem keine elektrische Energie erzeugt werden soll. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn der nachgeschaltete Generator der erste Generator ist und die gesamte Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine für den zweiten Generator, also zur Stromerzeugung für das Eigenversorgungsstromnetz, benötigt wird.Particularly preferably, in the above-described development, the two generators can be decoupled and connected to one another by means of a partial coupling. This makes it possible to decouple the downstream of the two generators from the drive train of the internal combustion engine if no electrical energy is to be generated by it. This can be the case in particular if the downstream generator is the first generator and the entire output power of the internal combustion engine is required for the second generator, i.e. for generating electricity for the internal power supply network.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die beiden Generatoren mittels einer gemeinsamen Kupplung, die zwischen dem Verteilergetriebe und der Abtriebswelle angeordnet ist, von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine entkoppelbar. Für den Fall, dass die Brennkraftmaschine - beispielsweise aufgrund eines technischen Defekts - nicht einsatzbereit ist, ist es somit möglich, einen oder beide elektrische Generatoren mithilfe eines anderen geeigneten Antriebssystems in der Art eines sogenannten Notstrombetriebs - anzutreiben. Dieses Szenario bietet sich insbesondere dann an, wenn einer der beiden elektrischen Generatoren als sogenannter Motor-Generator ausgestaltet ist, was bedeutet, dass dieser Generator wahlweise als Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie oder als elektrischer Motor zum Erzeugen mechanischer Arbeit betrieben werden kann, der elektrisch angetrieben wird.According to an advantageous development, the two generators can be decoupled from the output shaft of the internal combustion engine by means of a common clutch that is arranged between the transfer case and the output shaft. In the event that the internal combustion engine is not ready for use - for example due to a technical defect - it is thus possible to drive one or both electric generators using another suitable drive system in the form of a so-called emergency power operation. This scenario is particularly suitable if one of the two electric generators is designed as a so-called motor generator, which means that this generator can be operated either as a generator for generating electrical energy or as an electric motor for generating mechanical work that is driven electrically.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Generator mittels einer ersten Teilkupplung unabhängig vom zweiten Generator entkoppelbar mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. Bei dieser Weiterbildung ist der zweite Generator mittels einer zweiten Teilkupplung unabhängig vom ersten Generator entkoppelbar mit der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine antriebsverbunden. In einer vereinfachten Variante dieser Weiterbildung ist nur die erste oder nur die zweite Teilkupplung vorgesehen.According to an advantageous development, the first generator is drive-connected to the output shaft of the internal combustion engine by means of a first partial clutch that can be decoupled independently of the second generator. In this development, the second generator is drive-connected to the output shaft of the internal combustion engine by means of a second partial clutch that can be decoupled independently of the first generator. In a simplified variant of this development, only the first or only the second partial clutch is provided.
Besonders bevorzugt ist der erste Generator über die erste Teilkupplung entkoppelbar mit dem ersten Getriebeabtrieb des Verteilergetriebes antriebsverbunden. Bei dieser Ausführungsform ist der zweite Generator über die zweite Teilkupplung entkoppelbar mit dem zweiten Getriebeabtrieb des Verteilergetriebes antriebsverbunden. Somit können die einzelnen Generatoren vom Abtriebsstrang entkoppelt werden, solange von diesen kein elektrischer Strom, insbesondere zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz bzw. das Eigenversorgungsstromnetz, erzeugt werden soll.Particularly preferably, the first generator is connected to the first transmission output of the transfer case via the first partial clutch in a decoupleable manner. In this embodiment, the second generator is connected to the second transmission output of the transfer case via the second partial clutch in a decoupleable manner. The individual generators can thus be decoupled from the drive train as long as they are not intended to generate electrical power, in particular for feeding into the public power grid or the self-supply power grid.
Als technisch besonders einfach zu realisieren und somit kostengünstig in der Herstellung erweist sich eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die beiden Generatoren mittels des Verteilergetriebes kupplungsfrei, also nicht entkoppelbar, mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden sind. Diese Ausführungsform ist nicht nur kostengünstig, sondern auch besonders wartungsarm. Darüber hinaus benötigt sie weniger Bauraum als Ausführungsformen mit Kupplung.Another preferred embodiment has proven to be particularly simple to implement technically and thus cost-effective to manufacture, in which the two generators are connected to the internal combustion engine via the transfer case without a clutch, i.e. cannot be decoupled. This embodiment is not only cost-effective, but also particularly low-maintenance. In addition, it requires less installation space than embodiments with a clutch.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen der Brennkraftmaschine und den beiden Generatoren zumindest ein kinetischer Energiespeicher angeordnet, der bei Störung oder Ausfall der Brennkraftmaschine das sofortige Einleiten eines Notbetriebs und somit eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, vor allem für das Eigenstromversorgungsnetz, gewährleistet. In einem solchen Notbetrieb Szenario arbeitet der erste elektrische Generator entkoppelt von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine als elektrischer Motor, der vom öffentlichen Stromnetz elektrische Energie bezieht und diese als mechanische Antriebsenergie an den zweiten Generator des Eigenstromversorgungsnetzes weitergibt.According to an advantageous development, at least one kinetic energy storage device is arranged between the internal combustion engine and the two generators, which ensures the immediate initiation of emergency operation in the event of a malfunction or failure of the internal combustion engine and thus an uninterrupted power supply, especially for the internal power supply network. In such an emergency operation scenario, the first electric generator works decoupled from the output shaft of the internal combustion engine as an electric motor, which draws electrical energy from the public power grid and supplies it as mechanical drive energy to the second generator of the self-generated power grid.
Als technisch besonders einfach zu realisieren und somit kostengünstig erweist sich eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der Zwischenspeicher als Schwungrad ausgebildet ist oder ein solches Schwungrad umfasst.A particularly preferred embodiment in which the intermediate storage device is designed as a flywheel or comprises such a flywheel has proven to be particularly simple to implement from a technical perspective and is therefore cost-effective.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Generator oder/und der zweite Generator über ein Übersetzungsgetriebe mit der Abtriebswelle antriebsverbunden, welches die Drehzahl des Rotors des Generators gegenüber der Drehzahl der Abtriebswelle vergrößert oder verkleinert. Für den Fall, dass bei einer bestimmten Solldrehzahl der Abtriebswelle und vorgegebenen Netzfrequenzen für das öffentliche Netz und das Eigenversorgungsstromnetz eine optimale Anpassung der Anzahl an ersten und zweiten Polpaaren nicht möglich ist, bietet es sich an, eine Antriebsverbindung zwischen zumindest einem der beiden Generatoren und der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine über ein Übersetzungsgetriebe zu realisieren welches die Drehzahl des Rotors dieses Generators gegenüber der Drehzahl d der Abtriebswelle vergrößert oder verkleinert. Alternativ dazu kann ein solches Übersetzungsgetriebe auch im Abtriebsstrang zwischen beiden Generatoren angeordnet werdenAccording to another advantageous development, the first generator and/or the second generator are connected to the output shaft via a transmission gear, which increases or decreases the speed of the generator rotor compared to the speed of the output shaft. In the event that an optimal adjustment of the number of first and second pole pairs is not possible at a certain target speed of the output shaft and specified grid frequencies for the public grid and the self-supply power grid, it is advisable to implement a drive connection between at least one of the two generators and the output shaft of the internal combustion engine via a transmission gear, which increases or decreases the speed of the rotor of this generator compared to the speed d of the output shaft. Alternatively, such a transmission gear can also be arranged in the output train between the two generators.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Generator elektrisch mit einem - typischerweise privaten - elektrischen Eigenversorgungsstromnetz verbunden oder verbindbar, welches galvanisch getrennt von einem öffentlichen Stromnetz ist. Auf diese Weise kann der vom zweiten elektrischen Generator erzeugte elektrische Strom zum Verbrauch im Eigenversorgungsstromnetz zur Verfügung gestellt werden, ohne dass dadurch das öffentliche Stromnetz gestört würde. Insbesondere können unvermeidliche Frequenzschwankungen im öffentlichen Stromnetz vom Eigenversorgungstromnetz ferngehalten werden.According to a preferred embodiment, the second generator is electrically connected or connectable to a - typically private - self-supply electrical power grid, which is galvanically separated from a public power grid. In this way, the electrical power generated by the second electrical generator can be made available for consumption in the self-supply electrical power grid without disrupting the public power grid. In particular, unavoidable frequency fluctuations in the public power grid can be kept away from the self-supply electrical power grid.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste elektrische Generator elektrisch nicht mit dem (privaten) elektrischen Eigenversorgungsstromnetz verbunden oder verbindbar. Diese Variante erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn der erste Generator elektrisch mit einem öffentlichen Stromnetz verbindbar ist und wenn gesetzliche Regelungen bestehen, die eine elektrische Verbindung des Eigenversorgungsstromnetzes mit dem öffentlichen Stromnetz verbieten.According to an advantageous further development, the first electrical generator is not electrically connected or connectable to the (private) electrical self-supply power grid. This variant proves to be particularly advantageous if the first generator can be electrically connected to a public power grid and if legal regulations exist that prohibit an electrical connection of the self-supply power grid to the public power grid.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Generator elektrisch mit einem öffentlichen Stromnetz verbunden oder verbindbar, welches galvanisch getrennt von dem Eigenversorgungsstromnetz ist, mit welchem der zweite Generator elektrisch verbindbar oder verbunden ist. Somit kann der erste elektrische Generator dazu verwendet werden, Antriebsleistung der Brennkraftmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden, die nicht für das elektrische Eigenversorgungsstromnetz benötigt wird, so dass sie als überschüssige elektrische Energie gegen Vergütung in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.According to a preferred embodiment, the first generator is or can be electrically connected to a public power grid, which is galvanically separated from the self-supply power grid to which the second generator is or can be electrically connected. The first electrical generator can thus be used to use drive power of the internal combustion engine to generate electrical energy that is not required for the self-supply power grid, so that it can be fed into the public power grid as surplus electrical energy against payment.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Generator und, alternativ oder zusätzlich, der zweite Generator als Motor-Generator ausgebildet. Ein solcher Motor-Generator kann in dem Fachmann bekannter Weise in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden: In einem ersten Betriebsmodus arbeitet der Motor-Generator als herkömmlicher Generator und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. In einem zweiten Betriebsmodus arbeitet der Motor-Generator als elektrischer Motor und wandelt bereitgestellte elektrische Energie in mechanische Energie um. Die Ausbildung des ersten Generators als Motor-Generator ermöglicht die bereits erwähnte Realisierung eines Notstrombetriebs des Blockheizkraftwerks bei Ausfall der Brennkraftmaschine. In diesem Fall kann der erste Generator entsprechend dem zweiten Betriebsmodus als alternatives Antriebssystem arbeiten, welches elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz bezieht und auf diese Weise den zweiten Generator antreibt, so dass diese elektrische Energie für das Eigenversorgungsstromnetz erzeugen kann. According to an advantageous development, the first generator and, alternatively or additionally, the second generator are designed as motor generators. Such a motor generator can be operated in two different operating modes, as is known to those skilled in the art: In a first operating mode, the motor generator works as a conventional generator and converts mechanical energy into electrical energy. In a second operating mode, the motor generator works as an electric motor and converts the electrical energy provided into mechanical energy. The design of the first generator as a motor generator enables the aforementioned implementation of emergency power operation of the cogeneration plant in the event of failure of the internal combustion engine. In this case, the first generator can work as an alternative drive system in accordance with the second operating mode, which draws electrical energy from the public power grid and in this way drives the second generator so that it can generate electrical energy for the self-supply power grid.
Denkbar ist aber auch eine Ausbildung des zweiten Generators als Motor-Generator.It is also conceivable that the second generator could be designed as a motor generator.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann zumindest der zweite Generator als Gleichstrommaschine ausgebildet sein. Diese Variante bietet sich an, wenn der vom Generator erzeugte elektrische Strom zur Versorgung des elektrischen Verbrauchers ohnehin in Form von elektrischem Gleichstrom vorliegen muss. Dies ist kann bei verschiedenen Anwendungen der Fall sein. Beispielsweise werden moderne Rechenzentren typischerweise mit elektrischer Energie in Form von Gleichstrom versorgt. Eine überflüssige Umwandlung von elektrischen Strom elektrischen Wechselstrom, der von einem elektrischen Wechselstromgenerator erzeugt wird, kann auf diese Weise entfallen.According to another preferred embodiment, at least the second generator can be designed as a direct current machine. This variant is suitable if the electrical current generated by the generator to supply the electrical consumer has to be in the form of direct current anyway. This can be the case in various applications. For example, modern data centers are typically supplied with electrical energy in the form of direct current. An unnecessary conversion of electrical current into alternating current generated by an alternating current generator can be eliminated in this way.
Zweckmäßig besitzt das Blockheizkraftkraftwerk eine Steuerungs- /Regelungseinrichtung zur Steuerung/Regelung der Brennkraftmaschine und der beiden Generatoren. Dabei ist die Steuerungs-/Regelungseinrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass sie die beiden Generatoren nicht elektrisch miteinander verbindet. Auf diese Weise werden die erfindungswesentliche galvanische Trennung der beiden Generatoren und somit auch die galvanische Trennung des öffentlichen Stromnetzes vom Eigenversorgungsstromnetz gewährleistet.The combined heat and power plant expediently has a control/regulation device for controlling/regulating the internal combustion engine and the two generators. The control/regulation device is preferably designed in such a way that it does not electrically connect the two generators to one another. In this way, the The galvanic separation of the two generators, which is essential to the invention, and thus also the galvanic separation of the public power grid from the self-supply power grid is ensured.
Mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung können bevorzugt auch die voranstehend erläuterten (Teil-)Kupplungen sowie die vorhandenen elektrischen Schalter gesteuert werden.The control/regulation device can preferably also be used to control the (partial) clutches explained above as well as the existing electrical switches.
Die Erfindung betrifft ein Blockheizkraftwerk. Das Blockheizkraftwerk umfasst eine Brennkraftmaschine, die einen Abgasstrang und eine Abtriebswelle aufweist. Ferner umfasst das Blockheizkraftwerk einen Heizkreislauf, an welchen wenigstens ein thermischer Verbraucher thermisch koppelbar oder gekoppelt, und welcher über einen (ersten) Wärmeübertrager thermisch mit dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine verbunden ist. Ferner umfasst das Blockheizkraftwerk einen Heizkreislauf zum Kühlen der Brennkraftmaschine, wobei der Heizkreislauf mittels eines zweiten Wärmeübertragers thermisch mit dem Heizkreislauf verbunden ist. Erfindungsgemäß umfasst das Blockheizkraftwerk einen ersten elektrischen Generator und mit einen zweiten elektrischen Generator, die galvanisch voneinander getrennt sind und mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbar oder antriebsverbunden sind. Das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk umfasst außerdem eine mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung, die zur Durchführung des voranstehend erläuterten Verfahrens eingerichtet/programmiert ist. die vorangehend erläuterten Vorteile des Verfahrens übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk.The invention relates to a combined heat and power plant. The combined heat and power plant comprises an internal combustion engine which has an exhaust system and an output shaft. The combined heat and power plant further comprises a heating circuit to which at least one thermal consumer can be or is thermally coupled and which is thermally connected to the exhaust system of the internal combustion engine via a (first) heat exchanger. The combined heat and power plant further comprises a heating circuit for cooling the internal combustion engine, wherein the heating circuit is thermally connected to the heating circuit by means of a second heat exchanger. According to the invention, the combined heat and power plant comprises a first electrical generator and a second electrical generator, which are galvanically separated from one another and can be or are drive-connected to the internal combustion engine. The combined heat and power plant according to the invention also comprises a control/regulation device which is set up/programmed to carry out the method explained above. The advantages of the method explained above are therefore also transferred to the combined heat and power plant according to the invention.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to like or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch
-
1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerks in schematischer, stark vereinfachter Darstellung, -
2a ,abdas Blockheizkraftwerk der 1 jeweils in einer Detailansicht, in welcher der Aufbau der beiden Generatoren genauer dargestellt ist, -
3 eine Variante des Beispiels der1 .
-
1 an example of a combined heat and power plant according to the invention in a schematic, highly simplified representation, -
2a ,from the combined heat and power plant of1 each in a detailed view, in which the structure of the two generators is shown in more detail, -
3 a variant of the example of1 .
Entsprechend
Ferner umfasst das Blockheizkraftwerk 1 einen ersten elektrischen Generator 7a und einen zweiten elektrischen Generator 7b. Die beiden elektrischen Generatoren 7a, 7b sind galvanisch voneinander getrennt und mit der Abtriebswelle 3 der Brennkraftmaschine 2 antriebsverbindbar. Bei im Betrieb befindlicher Brennkraftmaschine 2 und bestehender Antriebsverbindung mit der Abtriebswelle 3 erzeugen die beiden elektrischen Generatoren 7a, 7b unabhängig voneinander elektrische Energie. Im Beispiel der
Gemäß
Im Beispiel der
Im Beispiel der
Der zweite Generator 7b kann elektrisch mit einem privaten elektrischen Stromnetz 14 - dem einschlägigen Fachmann als sog. „Eigenversorgungsstromnetz“ oder „Insel-Stromnetz“ bekannt - verbunden werden, welches galvanisch getrennt von einem öffentlichen Stromnetz 15 ist. Somit kann die vom zweiten elektrischen Generator 7b erzeugte elektrische Energie dem Eigenversorgungsstromnetz 14 zur Verfügung gestellt werden, ohne dass es dadurch zu Störungen im öffentlichen Stromnetz 15 kommt. Der erste Generator 7a ist hingegen elektrisch nicht mit dem privaten elektrischen Eigenversorgungsstromnetz 14 verbunden, ist also stets galvanisch von diesem getrennt. Stattdessen kann der erste Generator 7a elektrisch mit dem öffentlichen Stromnetz 15 verbunden werden. Somit kann der erste elektrische Generator 7a dazu verwendet werden, Antriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 zur Erzeugung elektrischer Energie zu verwenden, die nicht für das elektrische Eigenversorgungsstromnetz 14 benötigt wird. Diese elektrische Energie kann gegen Vergütung in das öffentliche Stromnetz 15 eingespeist werden. Der zweite Generator 7b kann nicht mit dem öffentlichen Stromnetz 15 verbunden werden. Dies erweist sich als vorteilhaft, wenn gesetzliche Regelungen bestehen, die eine elektrische Verbindung des Eigenversorgungsstromnetzes 14 mit dem öffentlichen Stromnetz 15 verbieten oder nur in Verbindung mit der Entrichtung von entsprechenden Gebühren erlauben. In analoger Weise zum ersten Generator 7a ist auch der zweite Generator 7b mittels einer zweiten Teilkupplung 13b unabhängig vom ersten Generator 7a entkoppelbar mit der Abtriebswelle 3 der Brennkraftmaschine 2 antriebsverbunden. Dabei ist der zweite Generator 7b über die zweite Teilkupplung 13b entkoppelbar mit dem zweiten Getriebeabtrieb 10b des Getriebes 8 bzw. des Verteilergetriebes 11 antriebsverbunden. In analoger Weise zur Kupplung 12 bzw. zur ersten Teilkupplung 13a ist auch die zweite Teilkupplung 13b zwischen einem Kupplungszustand, in welchem der zweite Generator 7b mit dem der Brennkraftmaschine 2 antriebsverbunden ist, und einem entkoppelten Zustand, in welchem diese Antriebsverbindung unterbrochen bzw. aufgehoben ist, verstellbar.The
Somit können die beiden Generatoren 7a, 7b einzeln vom Abtriebsstrang entkoppelt werden, beispielsweise solange von diesen keine elektrische Energie, insbesondere zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz 15 bzw. das Eigenversorgungsstromnetz 14, erzeugt werden soll.Thus, the two
Eine Antriebsverbindung der beiden Generatoren 7a, 7b miteinander - bei gleichzeitiger Entkopplung der beiden Generatoren 7a, 7b von der Abtriebswelle 3 mittels der Kupplung 12 - erlaubt einen Notbetrieb des Blockheizkraftwerks 1, falls die Brennkraftmaschine 2 aufgrund eines technischen Defekts nicht ordnungsgemäß arbeitet oder vollständig ausgefallen ist. In diesem Fall werden die beiden Generatoren 7a, 7b mittels der Kupplung 12 von der Abtriebswelle 3 entkoppelt. Somit kann einer der beiden Generatoren 7a, 7b - falls er als Motor-Generator ausgestaltet ist - den jeweils anderen Generator 7b, 7a antreiben, so dass letzterer elektrischen Strom erzeugen kann. Für besagten Notbetrieb ist zwischen der Brennkraftmaschine 2 und den beiden Generatoren 7a, 7b ein kinetischer Zwischenspeicher 36 zum Zwischenspeichern der von der Brennkraftmaschine 2 erzeugten kinetischen Energie angeordnet, der hierfür ein in
Ein solcher Notbetrieb kann mithilfe des Zwischenspeichers 36 unmittelbar nach Eintritt des Ausfalls bzw. der Störung der Brennkraftmaschine 2 aktiviert werden, so dass, insbesondere für das Eigenstromversorgungsnetz 14, eine unterbrechungsfreie elektrische Stromversorgung gewährleistet werden kann. In einem solchen Notbetrieb kann der erste elektrische Generator 7a - entkoppelt von der Abtriebswelle 3 der Brennkraftmaschine 2 - als elektrischer Motor arbeiten, der vom öffentlichen Stromnetz elektrische Energie bezieht und diese als mechanische Arbeit zum Antreiben des zweiten Generators 7b bereitstellt, welcher wiederum elektrische Energie für das Eigenstromversorgungsnetz 14 erzeugt.Such an emergency operation can be activated with the aid of the buffer 36 immediately after the failure or malfunction of the
Zweckmäßig können die ersten magnetischen Pole bzw. Polpaare p1, sowie, alternativ oder zusätzlich, die zweiten magnetischen Pole bzw. Polpaare p2 durch Magnete, vorzugsweise durch Permanentmagnete, aus einem magnetischen oder magnetisierten Material gebildet sein. Alternativ dazu können die ersten oder/und zweiten magnetischen Pole bzw. Polpaare p1, p2 durch Rotorwicklungen gebildet sein, die bei elektrischer Bestromung ein magnetisches Feld erzeugen, welches besonders bevorzugt ein magnetisches Dipol-Feld sein kann. Auch eine Kombination beider voranstehend erläuterter Varianten ist denkbar.The first magnetic poles or pole pairs p1 and, alternatively or additionally, the second magnetic poles or pole pairs p2 can expediently be formed by magnets, preferably by permanent magnets, made of a magnetic or magnetized material. Alternatively, the first and/or second magnetic poles or pole pairs p1, p2 can be formed by rotor windings which, when electrically energized, generate a magnetic field which can particularly preferably be a magnetic dipole field. A combination of both variants explained above is also conceivable.
Die Anzahl n1 an ersten Polpaaren p1 beeinflusst - zusammen mit der Drehzahl d der Abtriebswelle 3 im wärmegeführten Betrieb der Brennkraftmaschine 2 - die Frequenz des vom ersten Generator 7a erzeugten Wechselstroms. Dabei ist die Anzahl n1 idealerweise derart festgelegt, dass die Frequenz des vom ersten Generators 7a erzeugten Wechselstroms der für die Einspeisung in das öffentliche Stromnetz 15 erforderlichen Netzfrequenz entspricht. Entsprechendes gilt für die Anzahl n2 an zweiten Polpaaren p2 des zweiten Generators 7b. Es versteht sich, dass das Eigenversorgungsstromnetz 14 für eine andere Wechselstrom-Frequenz ausgelegt sein kann als das öffentliche Stromnetz 15, sodass die Anzahl n1 an ersten Polpaaren p1 von der Anzahl an zweiten Polpaaren n2 verschieden gewählt sein kann.The number n1 of first pole pairs p1 influences - together with the speed d of the
Typischerweise besitzt das öffentliche Stromnetz eine Netzfrequenz von 50Hz. Auch das Eigenversorgungsstromnetz 14 privater Haushalte weist in der Regel eine Netzfrequenz von 50 Hz auf. In bestimmten Fällen, insbesondere wenn elektrischer Strom mit erhöhter Stromqualität erzeugt werden soll, kann das Eigenstromversorgungsstromnetz 14 aber mit einer höheren Netzfrequenz, beispielweise von 400 Hz, betrieben werden.Typically, the public power grid has a grid frequency of 50 Hz. The self-
Der zweite Stator 30b des ersten Generators 7a kann mittels eines ersten elektrischen Schalters 35a wahlweise elektrisch parallel zu dessen ersten Stator 30a geschaltet oder elektrisch von diesem getrennt werden. Der erste Generator 7a besitzt im Beispiel der
Der zweite Generator 7b mit seinen, jeweils Statorwicklungen 31.1a und 31.1b aufweisenden Statoren 31a, 31b, die mittels des zweiten elektrischen Schalters 35b wahlweise elektrisch parallel zueinander geschaltet oder elektrisch von diesem getrennt werden können, ist in analoger Weise zum ersten Generator 7a aufgebaut. Der im zweiten Stator 31 erzeugte elektrische Strom kann - wie in
Das Blockheizkraftkraftwerk 1 weist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 40 zur Steuerung/Regelung der Brennkraftmaschine 2 und der beiden Generatoren 7a, 7b auf. Mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 40 kann das Verfahren ausgeführt werden. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 40 steuert die Brennkraftmaschine 2 und die beiden Generatoren 7a, 7b an. Hierzu können geeignete elektrische Steuerleitungen (in den
Zweckmäßig wird das Blockheizkraftwerk 1 in einem sogenannten wärmegeführten Betriebsmodus betrieben, in welchem die tatsächliche Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 wenigstens 50% der maximal möglichen Abtriebsleistung beträgt. Dies wird durch eine entsprechende Anpassung der Brennstoffzufuhr in die Brennkraftmaschine 2 erreicht. Diese Anpassung geschieht derart, dass die von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Abwärme ausreicht, um den thermischen Verbraucher 20 mit der erforderlichen Menge an Wärmeenergie zu versorgen. Bei maximal möglicher Ausgangsleistung arbeitet die Brennkraftmaschine im sogenannten Vollastbetrieb, bei gegenüber der maximal möglichen Ausgangsleistung reduzierter Ausgangsleistung arbeitet die Brennkraftmaschine im sogenannten Teillastbetrieb.The combined heat and
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 wird eine Drehzahl d der Abtriebswelle 3 der Brennkraftmaschine 2 auf einen vorbestimmten Drehzahl-Sollwert dSoll geregelt. Mittels einer derartigen Regelung der Drehzahl d wird verhindert, dass diese einen minimal zulässigen Schwellwert unterschreitet, unterhalb welchem die ordnungsgemäße Funktion der Brennkraftmaschine 2 und somit des gesamten Blockheizkraftwerks 1 aus technischen Gründen nicht mehr gewährleistet ist. Vor allem soll durch die Einhaltung des minimal zulässigen Schwellwert eine vollständige und saubere Verbrennung des in die Brennkraftmaschine 2 eingebrachten Brennstoffs -gemisches gewährleistet werden, so dass die gesetzlich geltenden Emissionsgrenzwerten eingehalten werden. Auch darf die Ausgangsleistung im Teillastbetreib der Brennkraftmaschine einen zulässigen Schwellwert nicht unterschreiten welche die ordnungsgemäße Funktion der Brennkraftmaschine 2 und somit des gesamten Blockheizkraftwerks 1 aus technischen Gründen nicht mehr gewährleistet. insbesondere soll durch Einhaltung des minimal zulässigen Schwellwerts der Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine 2 eine zu geringe Kolbenausdehnung der beweglichen Kolben der Brennkraftmaschine 2 vermieden werden, so dass ein damit verbundener, unerwünschter Schmieröleintrag in die Brennkammer eines jeweiligen Zylinders verhindert wird.When the
Darüber hinaus wird - bei geeigneter bzw. angepasster Festlegung der oben erläuterten Polpaare p1, p2 in den beiden Generatoren 7a, 7b - durch die Regelung der Drehzahl d sichergestellt, dass der von den beiden Generatoren 7a, 7b erzeugte elektrische Wechselstrom die jeweils zur Einspeisung in das das öffentliche Netz 15 bzw. in das Eigenversorgungsstromnetz 14 gewünschte Netzfrequenz f1 bzw. f2 aufweist. Hierfür gilt folgender, dem einschlägigen Fachmann bekannten Zusammenhang: dsoll = f1/p1 bzw. dsoll = f2/p2. Typischerweise beträgt die Netzfrequenz f des öffentlichen Stromnetzes 50Hz. Somit ergeben sich gemäß der sogenannten 50Hz-Regel verschiedene Kombinationen aus erforderlicher Drehzahl d der Abtriebswelle 3 und Anzahl an Polpaaren p1 des ersten Rotors 33a des ersten Generators 7a. Möglich ist beispielsweise ein Betrieb der Brennkraftmaschine 2 mit zwei ersten Polpaaren p1 und mit einer Drehzahl d = 1500 Umdrehungen/Minute. Alternativ dazu ist ein Betrieb der Brennkraftmaschine 2 mit vier ersten Polpaaren p1 bei einer Drehzahl d = 750 Umdrehungen/Minute. Für das Eigenversorgungsstromnetz 14 kann die Netzfrequenz f2 beispielsweise 400Hz betragen. In diesem Fall bietet es sich an, den Rotor 33a des zweiten Generators 7b mit p2 = 16 Polpaaren auszustatten, wenn die Abtriebswelle 3 mit einer Soll-Drehzahl dSoll = 1500 Umdrehungen/Minute betrieben werden soll.In addition, with a suitable or adapted definition of the pole pairs p1, p2 in the two
Für den Fall, dass bei einer bestimmten Solldrehzahl dSoll und vorgegebenen Netzfrequenzen f1, f2 eine optimale Anpassung der Anzahl an ersten und zweiten Polpaaren p1, p2 nicht möglich ist, bietet es sich an, einen der beiden Generatoren - beispielsweise den zweiten Generator 7b - über ein Übersetzungsgetriebe mit der Abtriebswelle 3 in Antriebsverbindung zu setzten, welches die Drehzahl des Rotors dieses Generators 7b gegenüber der Drehzahl d der Abtriebswelle 3 vergrößert oder verkleinert. Beträgt die gewünschte Netzfrequenz f1 des öffentlichen Stromnetzes 15 f1 = 50Hz und die Netzfrequenz f2 des Eigenversorgungsstromnetzes f2 = f60 Hz, so kann durch Wahl der ersten Polpaare zu p1 = 2 und der zweiten Polpaare zu p2 = 2 eine optimale Anpassung erzielt werden, wenn zwischen der Abtriebswelle 3 und dem zweiten Rotor 33b ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen wird, welches die Drehzahl d der Abtriebswelle 3 um einen Faktor 1,2 ins Schnelle übersetzt. Hierzu ist das Übersetzungsgetriebe eingangsseitig mit der Abtriebswelle und Auf diese Weise wird eine Rotor-Drehzahl des zweiten Rotors 33b um den Faktor 1,2 gegenüber der Drehzahl d der Abtriebswelle 3 erhöht. Die Drehzahl d der Abtriebswelle, welche im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 der Soll-Drehzahl dSoll = 1500 U/min entspricht, liegt eingangsseitig am Übersetzungsgetriebe an beträgt nach Übersetzung um den Faktor 1,2 ausgangsseitig 1800U/min, so dass der zweite Rotor 33b mit der für eine Netzfrequenz f2 = 60 Hz idealen Drehzahl rotiert.In the event that an optimal adjustment of the number of first and second pole pairs p1, p2 is not possible at a certain target speed d target and given grid frequencies f1, f2, it is advisable to put one of the two generators - for example the
Die von der Brennkraftmaschine 2 im Betrieb erzeugte Abtriebsleistung wird in Abhängigkeit vom Eigenstrombedarf des Eigenversorgungsstromnetzes 14 als erste und zweite Antriebsleistung P1, P2 auf den ersten bzw. zweiten Generator 7a, 7b verteilt. Die an der Abtriebswelle 3 bereitgestellte Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 wird dabei derart zum Antreiben des zweiten Generator 7b genutzt, dass von diesem die momentane vom Eigenversorgungsstromnetz 14 angeforderte elektrische Leistung erzeugt wird. Die nicht zum Antreiben des zweiten Generators 7b erforderliche verbleibende Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 kann zum Antreiben des ersten Generators 7a verwendet werden, so dass dieser elektrische Leistung zum Einspeisen in das öffentliche Stromnetz 15 erzeugt.The output power generated by the
Für eine optimierte Stromerzeugung können die vorhandenen zweiten Statoren 31b des zweiten Generators 7b einzeln in Abhängigkeit von der momentanen Abtriebsleistung der Brennkraftmaschine 2 und in Abhängigkeit vom momentanen Bedarf an elektrischer Leistung im Eigenversorgungsstromnetz 14 zur Stromerzeugung elektrisch mit diesem verbunden oder von diesen getrennt werden. Entsprechend können die einzelnen zweiten Statoren 30b des ersten Generators 7a einzeln in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Abtriebsleistung elektrisch mit dem öffentlichen Stromnetz 15 verbunden oder von diesem getrennt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die gesamte von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Abtriebsleistung für die elektrische Stromerzeugung und somit auch zur Einspeisung des erzeugten elektrischen Stroms in das Eigenversorgungsstromnetz 14 bzw. in das öffentliche Stromnetz 15 genutzt wird.For optimized power generation, the existing
Einer der beiden Generatoren 7a, 7b oder beide elektrische Generatoren 7a, 7b können optional als Motor-Generator ausgebildet sein. Ein solcher Motor-Generator kann in dem Fachmann bekannter Weise in zwei Betriebsmodi betrieben werden: In einem ersten Betriebsmodus arbeitet der Motor-Generator als herkömmlicher Generator und wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um. In einem zweiten Betriebsmodus arbeitet der Motor-Generator als elektrischer Motor und wandelt bereitgestellte elektrische Energie in mechanische Energie um. Die Ausbildung des ersten Generators 7a als Motor-Generator ermöglicht die bereits erwähnte Realisierung eines Notstrombetriebs des Blockheizkraftwerks 1, insbesondere bei Ausfall der Brennkraftmaschine 2. In diesem Fall kann der erste Generator 7a entsprechend dem zweiten Betriebsmodus als alternatives Antriebssystem arbeiten, welches elektrische Energie aus dem öffentlichen Stromnetz 15 beziehen und auf diese Weise den zweiten Generator 7b antreibt, so dass dieser elektrische Energie für das Eigenversorgungsstromnetz 14 erzeugen kann. Grundsätzlich ist aber auch eine Ausbildung des zweiten Generators 7b als Motor-Generator denkbar. In diesem Fall kann die in einem im Eigenversorgungsstromnetz 14 vorhandenen elektrischen Energiespeicher, beispielsweise einer wiederaufladbaren Batterie, gespeicherte elektrische Energie dazu verwendet werden, den ersten Generator 7a anzutreiben und somit elektrische Energie für das öffentliche Stromnetz 15 zu erzeugen.One of the two
Die voranstehend erläuterten Varianten können, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden. In einer ersten vereinfachten Variante des Beispiels der
Mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 40 können bevorzugt auch die voranstehend erläuterten (Teil-)Kupplungen 12, 13a, 13b sowie die elektrischen Schalter 35a, 35b gesteuert werden.By means of the control/
Claims (22)
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DE102018222819.1A DE102018222819B4 (en) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | combined heat and power plant (CHP) |
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EP2661549B1 (en) | 2011-01-05 | 2017-05-10 | Duerr Cyplan Ltd. | Device for generating energy |
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2018
- 2018-12-21 DE DE102018222819.1A patent/DE102018222819B4/en active Active
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EP2661549B1 (en) | 2011-01-05 | 2017-05-10 | Duerr Cyplan Ltd. | Device for generating energy |
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