用于產(chǎn)生電能的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)電的方法以及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中的典型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)、燃料箱和發(fā)電機(jī)組成。內(nèi)燃機(jī)包括具有對應(yīng)的一組往復(fù)式活塞的一組氣缸。與以上布置相關(guān)的問題之一在于，移動活塞和其它移動部件必須不斷地用油潤滑，這對于內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行溫度具有顯著影響。進(jìn)而地，運(yùn)行溫度在考慮效率系數(shù)時是一個重要因素。上述發(fā)動機(jī)承受小于100攝氏度的運(yùn)行溫度，而耐久性無明顯劣化。該溫度對于蒸發(fā)水而言太低，因此不能有效地用于發(fā)電，即其僅為廢熱。
[0003]美國專利2，095, 984(H.Holzwarth)公開了一種爆燃式透平機(jī)設(shè)備。該爆燃式透平機(jī)設(shè)備包括:脈沖轉(zhuǎn)子、用于產(chǎn)生爆炸氣體的無活塞爆炸腔室和用于使氣體膨脹并將氣體引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子的噴嘴，該轉(zhuǎn)子僅通過所述氣體的間歇噴出而被驅(qū)動。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的另一典型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由燃?xì)廨啓C(jī)和受燃?xì)廨啓C(jī)的軸驅(qū)動的發(fā)電機(jī)組成。燃?xì)廨啓C(jī)的問題在于，燃燒室處于相對低的壓力，這是因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)的燃燒室實(shí)際上是一個開放的空間。燃燒室的低壓力使效率系數(shù)顯著下降。在Holzwarth的渦輪機(jī)設(shè)備中，間歇的低壓力使效率系數(shù)顯著下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種實(shí)施該方法的系統(tǒng)，以克服上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的通過特征在于獨(dú)立權(quán)利要求中所述的內(nèi)容的方法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中公開。
[0006]本發(fā)明基于這樣的思想:將燃燒室布置在燃?xì)廨啓C(jī)外部并提供壓縮空氣到燃燒室，以便在受控和最佳條件下執(zhí)行燃燒過程。
[0007]本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，燃燒室內(nèi)的條件對于燃燒過程可被優(yōu)化，這顯著提高了系統(tǒng)的總效率。燃燒室可具有幾百攝氏度的運(yùn)行溫度，并且壓縮室內(nèi)部的壓力可類似于往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的柴油循環(huán)中的壓縮沖程結(jié)束時的壓力。這樣的溫度提高了燃燒過程的效率，并且由于高溫度，熱量可容易地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏Α?br>【附圖說明】
[0008]下面將參照附圖借助于優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中，
[0009]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第一發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；
[0010]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的第二發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；
[0011]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有噴油器或噴油器系統(tǒng)的第三發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；
[0012]圖4示出了具有兩個燃燒室的系統(tǒng)的細(xì)節(jié)；以及
[0013]圖5示出了在根據(jù)一實(shí)施例的系統(tǒng)中的壓力隨時間的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0014]參照圖1，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括軸向地或經(jīng)由傳動裝置20與發(fā)電機(jī)26和壓縮機(jī)24連接的渦輪機(jī)22。該發(fā)電機(jī)也可以軸向地連接到渦輪機(jī)22。當(dāng)能量借助于流過渦輪機(jī)的流體被供應(yīng)到渦輪機(jī)時，渦輪機(jī)22的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳動裝置20以及均被連接到傳動裝置的發(fā)電機(jī)26和壓縮機(jī)24。渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)可以借助于驅(qū)動軸、輪軸或其他適當(dāng)?shù)膭恿鬟f裝置連接到傳動裝置。這種布置將供應(yīng)到渦輪機(jī)22的能量利用發(fā)電機(jī)26轉(zhuǎn)換成電能輸出99，以及利用壓縮機(jī)24轉(zhuǎn)換成空氣壓力，該壓縮機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮，以用于燃燒室10。在一個實(shí)施例中，壓縮機(jī)24使壓縮空氣積聚到空氣罐32中，該空氣罐隨后將積聚在空氣罐32中的壓縮空氣供應(yīng)到燃燒室10。壓縮機(jī)24優(yōu)選地是螺桿式壓縮機(jī)，其非常有效且能夠提供高壓力到燃燒室10和空氣罐32。在一個實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括與第一螺桿式壓縮機(jī)24串聯(lián)連接的第二螺桿式壓縮機(jī)，以提供甚至更高的壓力到空氣罐。在一個實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括軸向式壓縮機(jī)24(諸如徑向式壓縮機(jī))和與軸向式壓縮機(jī)24串聯(lián)連接的螺桿式壓縮機(jī)的組合，以提供空氣到空氣罐。該一個或多個壓縮機(jī)優(yōu)選地設(shè)置成建立超過20巴的壓力到空氣罐。在一個實(shí)施例中，該一個或多個壓縮機(jī)設(shè)置成建立超過30巴、35巴或40巴的壓力到空氣罐。在一個實(shí)施例中，壓縮機(jī)24可通過電動馬達(dá)被驅(qū)動。在一個實(shí)施例中，中間冷卻器可設(shè)置在串聯(lián)連接的第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)之間，以冷卻壓縮機(jī)之間的空氣。該中間冷卻器進(jìn)而可用來產(chǎn)生蒸汽和/或熱空氣，之后將它們供應(yīng)到燃燒室。
[0015]該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)還包括燃燒室10，該燃燒室被布置成接收來自壓縮機(jī)24或來自空氣罐32的壓縮空氣以及來自燃料箱30的燃料，以引發(fā)燃燒過程。壓縮空氣借助于可控閥門從空氣罐被釋放到燃燒室10中。壓縮空氣在進(jìn)入燃燒室之前被熱回收單元40預(yù)熱，該熱回收單元將來自燃燒室的熱量傳遞給壓縮空氣。當(dāng)該系統(tǒng)啟動并且燃燒室處于室溫時，壓縮空氣也可被其它裝置預(yù)熱，例如用電阻器電力地預(yù)熱。燃料被從燃料箱釋放或泵出并噴射到燃燒室中。燃料優(yōu)選地是柴油或液態(tài)天然氣(LNG)。在一個實(shí)施例中，燃料是汽油、天然氣、乙醇、生物柴油或者兩種或更多種上述燃料的混合物。在一個實(shí)施例中，燃料包括氫氣和一氧化碳混合物，該混合物是堿回收單元的副產(chǎn)物。在一個實(shí)施例中，水或蒸汽可與燃料一起被噴射到燃燒室中。
[0016]噴射到燃燒室中的燃料由于燃燒室內(nèi)的高的壓力和溫度而點(diǎn)燃。燃燒室中的高壓力通過將空氣從空氣罐釋放到燃燒室而形成。除了預(yù)熱，燃燒室的熱量加熱燃燒室內(nèi)的釋放空氣，并建立甚至更高的壓力。當(dāng)系統(tǒng)啟動且燃燒室還沒有達(dá)到其運(yùn)行溫度時，點(diǎn)火裝置可用點(diǎn)火線圈、電熱塞、預(yù)熱裝置或加熱器裝置而被觸發(fā)。燃燒過程產(chǎn)生熱量，該熱量通過加熱被引入到燃燒室中的燃料和壓縮空氣而加熱燃燒室并保持燃燒過程運(yùn)行。在一個實(shí)施例中，點(diǎn)火裝置也用在系統(tǒng)啟動之后的燃燒循環(huán)中。
[0017]燃燒室10優(yōu)選地是中空容器，具有用于燃料和壓縮空氣的輸入裝置和用于燃燒產(chǎn)物(即廢氣)的輸出端。這些輸入和輸出是可控的，并且可以在燃燒循環(huán)的特定階段關(guān)閉和打開，以便在燃料的點(diǎn)燃之前建立進(jìn)入燃燒室的壓力以及在點(diǎn)燃之后排出燃燒產(chǎn)物。燃燒室中的燃燒過程是一個至少類似于狄塞爾(Diesel)循環(huán)的循環(huán)過程。來自空氣罐的預(yù)熱的壓縮空氣被引入到燃燒室中，且燃料被噴射到燃燒室中，直到空氣-燃料混合物點(diǎn)燃?？諝?燃料混合物的燃燒使其體積膨脹，從而燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣在輸出閥門打開時通過輸出端被排出。燃燒循環(huán)的運(yùn)行速度通過控制該輸入和輸出閥門來控制。所述運(yùn)行速度可在系統(tǒng)性能限定的一定范圍內(nèi)自由選擇?？赡芟拗七\(yùn)行速度的這些性能可以例如是閥門的操作速度、空氣罐中的氣壓、燃料類型等。然而，所述運(yùn)行速度可在每個系統(tǒng)中被調(diào)整以獲得最優(yōu)性能，這是因?yàn)樗皇芤苿踊钊蝾愃频囊苿淤|(zhì)量的物理限制所限制。
[0018]優(yōu)選地，燃燒室具有簡單的形狀，最優(yōu)選地是球體或圓柱體，以便能夠進(jìn)行快速的、徹底的和完整的燃燒過程。這種簡單形狀確保了較高的運(yùn)行溫度，這提高了效率并降低了燃燒過程中產(chǎn)生的有害顆粒和氣體的量。燃燒室被設(shè)置成在高溫下運(yùn)行。除了簡單形狀夕卜，燃燒室的材料也必須能夠承受高溫，而不會使性能或耐久性顯著劣化。燃燒室的材料可以是陶瓷、金屬、合金或優(yōu)選兩種或更多種材料的組合。例如，燃燒室可包含具有陶瓷內(nèi)涂層的合金殼體。該合金殼體承受高壓和強(qiáng)力，同時陶瓷內(nèi)涂層承受高表面溫度。燃燒室的構(gòu)造優(yōu)選地設(shè)置成承受400攝氏度的運(yùn)行溫度。在一個實(shí)施例中，燃燒室設(shè)置成承受500、600、700或800攝氏度的運(yùn)行溫度。燃燒室自身不包括任何運(yùn)動部件，因此將燃燒室設(shè)計(jì)成承受高溫是相對較簡單的工作。遭受最高熱應(yīng)力的運(yùn)動部件是燃燒室的輸入和輸出端口處的閥門。然而，容易得到被設(shè)計(jì)成在這些溫度下工作的閥門，因此設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種耐用的閥門系統(tǒng)應(yīng)該是相對容易的工作。
[0019]燃燒室10的輸出端將來自燃燒室的燃燒產(chǎn)物和壓縮空氣所組成的氣流(stream)引向渦輪機(jī)22中。由于燃燒室中的高壓力，當(dāng)輸出端打開時，所述氣流以高速度被排出。通過使輸出端和空氣輸入端同時打開一段時間，燃燒產(chǎn)物的排出可增強(qiáng)。渦輪機(jī)22包括轉(zhuǎn)子，當(dāng)氣流流過渦輪機(jī)時，該轉(zhuǎn)子