專利名稱：發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般性地涉及一種用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術：
已知用于使用最少活動部分將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置由來已久。在19世紀末，愛迪生和特斯拉描述了用于將熱能轉(zhuǎn)換成電力的基于熱磁材料的設備。如在第16709號英國專利中描述的愛迪生熱磁發(fā)電機包括熱磁工作材料、用于磁化該工作材料的裝置、連接到該工作材料的熱源和冷源以及繞組，該繞組包圍該工作材料以及在該繞組中通過熱循環(huán)該工作材料來感生交變電流。特斯拉在第428，057號美國專利中通過建議一種替代換熱機制來公開對愛迪生發(fā)電機的一些改進。Chilowsky在第2，510，806號美國專利中公開了一種用于熱磁能量轉(zhuǎn)換的設備， 其中在閉合流體回路中的熱流體和冷流體實現(xiàn)溫度變化。Bartels在第2347377號德國專利中公開了一種與愛迪生發(fā)電機類似的設備，但是建議釓作為磁工作介質(zhì)。在一個實施例中提供永磁體以在熱磁材料中產(chǎn)生磁通，而在另一實施例中，使用電池在線圈中感生電流，以由此形成用于產(chǎn)生磁通的電磁體。盡管上述裝置確實將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，但是它們看起來并不高效、不緊湊、未針對實際使用有所優(yōu)化和/或制造起來并不成本高效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于，提供一種具有簡化而又改進的結構和操作的發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明的一個特定目的在于，提供這樣的發(fā)電系統(tǒng)，其提供高效能量轉(zhuǎn)換。本發(fā)明的又一目的在于。提供這樣的發(fā)電系統(tǒng)，其動態(tài)可控、可靠、靈活和成本合理。本發(fā)明的再一目的在于，提供這樣的發(fā)電系統(tǒng)，其適合實際使用。根據(jù)本發(fā)明，這些目的以及其它目的通過如在所附權利要求中具體說明的發(fā)電系統(tǒng)來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)包括低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)，提供用于在低頻交替地分配熱和冷；熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)，以及提供用于響應于交替分配的熱和冷來發(fā)電；電力輸送系統(tǒng)，操作地連接到熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及提供用于分配所發(fā)電力；以及過程控制系統(tǒng)，操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電力輸送系統(tǒng)，以便控制它們的操作。這樣的發(fā)電系統(tǒng)緊湊并且無需活動或者旋轉(zhuǎn)機械部分。提供過程控制系統(tǒng)用于控制低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電力輸送系統(tǒng)的操作，以便優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)的性能。據(jù)此，獲得熱能向電能的有效轉(zhuǎn)換。本發(fā)明適合于通過例如使用廢熱、燃燒熱、熱存儲貯存器能量、地熱能、太陽輻射、 太陽熱能、海洋熱能或者來自核反應的能量中的任一種的大量各種發(fā)電。
將從下文給出的對本發(fā)明優(yōu)選實施例的以下具體描述和附圖1-4中清楚本發(fā)明的更多特征及其優(yōu)點，附圖1至4僅通過示例給出且因此并不限制本發(fā)明。


圖1示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個總體方面的發(fā)電系統(tǒng)。圖2示意地示出了根據(jù)本發(fā)明一個特定方面的發(fā)電系統(tǒng)。圖3示意地示出了根據(jù)本發(fā)明另一特定方面的發(fā)電系統(tǒng)。圖4示意地示出了發(fā)電網(wǎng)，該發(fā)電網(wǎng)包括集電網(wǎng)和連接到該集電網(wǎng)的多個圖1-3 中的任一幅圖的發(fā)電系統(tǒng)。類似標號用來在所有實施例中表示類似部分和細節(jié)。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明一個總體方面的發(fā)電系統(tǒng)11如圖1中所示，包括低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13、電力輸送系統(tǒng)14和過程控制系統(tǒng)15。低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12被配置成在低頻，優(yōu)選地在0. 1與IOHz之間的頻率， 向熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13交替地分配熱和冷。熱和冷有利地具有在約5與50K之間的最大溫差， 以用于在熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13中的各轉(zhuǎn)換。低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12可以操作地連接到或者包括用于存儲熱和冷的熱和冷存儲系統(tǒng)12a以及用于從熱和能存儲系統(tǒng)1 提取熱和冷的熱和冷提取系統(tǒng)12b。具體而言，熱和冷提取系統(tǒng)12b被布置成響應于來自其它源(如例如廢熱、燃燒熱、熱存儲貯存能量、地熱能量、太陽輻射、太陽熱能、海洋熱能或者來自核反應和來自水庫或者來自江河或者海洋的冷水的能量)的熱和/或冷的可用性，從熱和冷存儲系統(tǒng)1 提取熱并且從熱和冷存儲系統(tǒng)1 提取冷。熱和冷存儲和提取系統(tǒng)可以例如是集成的并且包括一個或者多個太陽能貯藏池。取而代之，熱和冷可以存儲于其它流體、石頭、混凝土材料、陶瓷材料、有孔金屬或者具有清楚相變的材料如鹽(例如LiCl)。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12并且響應于交替分配的熱和冷來發(fā)電。有利地，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13包括磁路，該磁路至少包括由熱磁材料制成的部分，該熱磁材料具有在低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12的熱和冷的溫度之間的磁相變溫度。 隨著交替地將熱磁材料加熱在熱磁材料的磁相變溫度以上和冷卻在該溫度以下，磁路的磁阻發(fā)生改變，該磁阻又調(diào)制磁路的磁通。因而，在布置于磁路周圍的線圈中獲得交變電流。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13可以包括并聯(lián)或者串聯(lián)操作的若干熱電轉(zhuǎn)換級。本發(fā)明并不限于僅使用熱磁材料?？梢杂梅謩e對于熱和冷狀態(tài)而言具有明顯不同性質(zhì)(優(yōu)選為電磁性質(zhì))的任何熱力材料來操作，以提供磁路的磁阻變化。電磁性質(zhì)改變的例子例如是如上文公開的相變或者是明顯參數(shù)變化。參數(shù)的例子是電磁參數(shù)、機械參數(shù) (如例如體積或者壓力改變)和/或化學參數(shù)。材料可以是所謂的智能材料。這樣，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13是無可動機械部分的靜止系統(tǒng)，并且包括固定布置的熱磁材料。電力輸送系統(tǒng)14操作地連接到熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13并且被配置成向例如電網(wǎng)分配所發(fā)電力。最終，過程控制系統(tǒng)15操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 13以及電力分配系統(tǒng)14，以便控制它們的操作。優(yōu)選地，提供低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12用于周期性交替地分配熱和冷，提供熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13用于周期性發(fā)電，并且提供過程控制系統(tǒng)15用于控制所發(fā)電力的周期以及熱和冷分配的周期，從而所述周期的其中一個周期為其中另一周期的η倍，其中η為整數(shù)。另外，過程控制系統(tǒng)15包括或者連接到一個或者多個傳感器，該一個或多個傳感器用于感測低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13以及電力分配系統(tǒng)14中的一個、 任一個或者每個系統(tǒng)的參數(shù)，并且被布置成響應于感測的參數(shù)，控制低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13以及電力分配系統(tǒng)14中的另一個、任一個或者每個系統(tǒng)。一個或者多個參數(shù)可以包括體積流量、質(zhì)量流量、溫度、壓力、波形、脈沖長度、頻率、相位、磁通、電壓、電流、阻抗和/或功率中的任何參數(shù)。過程控制系統(tǒng)15可以被布置成響應于感測的一個或者多個參數(shù)來控制以下參數(shù)中的任何參數(shù)交替分配的熱和冷的量值或者每單位時間的量值、交替分配的熱和冷的頻率、交替分配的熱和冷的溫度、有功功率循環(huán)、分配的所發(fā)電力的有功和/或無功功率和/ 或分配的所發(fā)電力的頻率和相位。在下文中，將參照圖2和圖3討論與本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)的感測和控制的參數(shù)有關的更多細節(jié)。另外，發(fā)電系統(tǒng)11包括保護系統(tǒng)16，該保護系統(tǒng)操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13、電力輸送系統(tǒng)14和/或過程控制系統(tǒng)15以用于保護它們。保護系統(tǒng)16可以是過程控制系統(tǒng)15的集成部分，而不是操作地連接到該過程控制系統(tǒng)。在一個實施例中，保護系統(tǒng)16包括用于感測低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12中的泄漏的泄漏傳感器，并且被布置成響應于感測到的泄漏來關斷低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12。在另一實施例中，保護系統(tǒng)16包括用于處置低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12中的泄漏的排泄裝置或者貯存器。在又一實施例中，保護系統(tǒng)16包括保護電路，該保護電路例如包括電弧消除器以避免熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13中的持久擊穿。另外，發(fā)電系統(tǒng)11包括錯誤指示系統(tǒng)17，該錯誤指示系統(tǒng)操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13、電力輸送系統(tǒng)14和/或過程控制系統(tǒng)15，用于指示在它們的操作中的錯誤。錯誤指示系統(tǒng)17可以是過程控制系統(tǒng)15的集成部分，而不是操作地連接到該過程控制系統(tǒng)。在一個實施例中，錯誤指示系統(tǒng)17被布置成響應于指示的錯誤，向操作者(例如位于遠處的操作者)發(fā)送報警。在另一實施例中，提供保護系統(tǒng)16以用于響應于指示的錯誤，斷開熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 13中和/或電力輸送系統(tǒng)14中的電流，和/或改變分配的所發(fā)電力的有功和/或無功功率 (由電力輸送系統(tǒng)14執(zhí)行)。在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明一個特定方面的用于將熱變換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。特別地，詳細說明熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13和電力輸送系統(tǒng)14。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13包括磁路21和布置于磁路1周圍的線圈或者繞組23。
磁路21可以基本上為鐵或者其它磁材料21a，但是至少包括由熱磁材料制成的部分21b，該熱磁材料具有例如在區(qū)間0-200°C中的適當相變溫度。取而代之，磁路21的實質(zhì)部分或者整個磁路21為具有適當相變溫度的熱磁材料。磁相變溫度的例子是居里溫度和奈爾溫度。低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12被配置成在具有適當相變溫度的熱磁材料的磁相變溫度以上和以下，交替地變化由該熱磁材料制成的部分21b中的溫度。低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12有利地是用于溫度交變介質(zhì)的循環(huán)(優(yōu)選為單向或者雙向連續(xù)循環(huán))的系統(tǒng)，并且包括用于接收熱介質(zhì)的裝置，用于接收冷介質(zhì)的裝置，以及用于混合熱介質(zhì)和冷介質(zhì)的至少一個裝置。取而代之，低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12是用于經(jīng)過或者穿過由熱磁材料制成的部分21b來回運送介質(zhì)/使該介質(zhì)來回流動的系統(tǒng)。下文將參照圖3詳細說明低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12的例子。在相變溫度以上和以下的溫度變化引起熱磁材料的導磁率的急劇改變，并且因此引起磁路21的磁阻的迅速變化。換而言之，當施加恒定磁場時磁化變化。假設在磁路21 中提供磁通，磁阻的迅速變化將調(diào)制磁通，由此在磁路21中獲得迅速變化的磁通。因而，在線圈23中獲得磁動勢和交變電流。磁通可以由永磁體或者如圖2中那樣由電磁體提供。有利地從系統(tǒng)本身取得用于電磁體的電流。為此，電力輸送系統(tǒng)14包括與線圈23并聯(lián)連接的電容器器件25。電容器器件25 與線圈23形成諧振電路，其中調(diào)節(jié)在熱磁材料的相變溫度以上和以下的溫度變化的頻率， 以優(yōu)化向諧振電路的諧振能量傳送。據(jù)此，單個線圈23可以用來將熱變換成電能并且用于在磁路21中提供磁通，并且這樣，電容器器件23也可以視為熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13的部分。在第一熱循環(huán)的一半中感應的電流/電荷的部分(例如主要部分)由電容器器件 25存儲，并且在第一熱循環(huán)的后一半中用來在磁路21中生成磁通。該第一熱循環(huán)有利地對應于電循環(huán)的一半。在整個第二熱循環(huán)內(nèi)重復該過程，電流和電壓相移180度。電力輸送系統(tǒng)14還包括電力電子系統(tǒng)27，操作地連接到諧振電路；以及變壓器 28，互連于電力電子系統(tǒng)27與電網(wǎng)之間，電力輸送系統(tǒng)14被布置成向該電網(wǎng)輸送所發(fā)電力。功率電子系統(tǒng)27可以包括連接到電容器器件25的功率轉(zhuǎn)換器件、可控負載或者另一電力電子電路器件。這樣的功率轉(zhuǎn)換器件可以包括AC/DC或者AC/AC變頻器或者電力電子轉(zhuǎn)換器(包括電流或者電壓源轉(zhuǎn)換器)，該轉(zhuǎn)換器包括整流器和在整流器的DC側的逆變器。優(yōu)選地，電力電子系統(tǒng)27具有負載，該負載具有各自單獨和獨立可控的感性分量 /容性分量和電阻分量。有利地，負載可以用來調(diào)節(jié)有功和/或無功功率。除此之外或者取而代之，電池連接于DC側。如果從發(fā)電機輸出的功率大量波動，則這一點特別地有利。變壓器觀被配置成將來自發(fā)電系統(tǒng)的約IkV和IHz的輸出電壓和頻率變換成適合于普通電網(wǎng)連接的頻率和電壓(50/60Hz、10kV)。設備額定值通常大于lkW。優(yōu)選地，本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)被配置用于在IOOkW至100MW (并且更優(yōu)選地在1-5MW) 的范圍中發(fā)電。若干發(fā)電系統(tǒng)可以一起被布置成生成約10-50MW或者更多的電力。下文將參照圖4給出這樣發(fā)電網(wǎng)的例子。
過程控制系統(tǒng)15被布置成控制低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13以及電力輸送系統(tǒng)14。為此，可以提供不同測量器件或者傳感器，如熱傳感器^a、電流傳感器29b和電壓傳感器^c，以向過程控制系統(tǒng)15提供適當測量數(shù)據(jù)。熱傳感器29a可以向過程控制系統(tǒng)15提供在具有適當相變溫度的熱磁材料中或者在該熱磁材料處和/或在低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12中或者在該系統(tǒng)處瞬時測量的溫度數(shù)據(jù)。傳感器29b-29c可以向過程控制系統(tǒng)15提供在諧振電路中瞬時測量的電壓和電流數(shù)據(jù)，并且可以實現(xiàn)為電流或者電壓互感器。取而代之，電流傳感器是旁路器、LEM模塊或者基于霍爾效應的其它器件或者光學變換器，并且電壓傳感器是電阻分壓器。據(jù)此，可以動態(tài)控制電力輸送系統(tǒng)14的負載的阻抗幅度和相位。阻抗的變化頻率和周期是可控的，諧振電路的諧振頻率和周期也是如此。過程控制系統(tǒng)15還可以控制熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13和/或電力輸送系統(tǒng)14的電壓和 /或電流，以便控制熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和/或電力輸送系統(tǒng)的操作。另外，過程控制系統(tǒng)15可以被配置成控制在相變溫度以上和以下的溫度變化的幅度、相位和頻率。另外，可以提供過程控制系統(tǒng)15以例如通過向磁路11輸送電流脈沖來啟動發(fā)電機設備的操作，即開始諧振振蕩。圖2的系統(tǒng)也可以包括如參照圖1的系統(tǒng)公開的保護系統(tǒng)和錯誤指示系統(tǒng)。特別地，保護電路包括保護電路30，用以限制或避免熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13中的破壞或者限制或避免該系統(tǒng)中的永久故障。保護電路30可以是與線圈23和電容器器件25并聯(lián)連接并且可響應于感測的壓力差來操作的電弧消除器30。如上文描述的發(fā)電系統(tǒng)可以緊湊且基本上無可動機械部分也無需向機械能或者從機械能轉(zhuǎn)換。容易控制操作并且可以通過調(diào)節(jié)在循環(huán)期間的輸出功率來優(yōu)化效率。應當理解可以集成多個圖2的發(fā)電系統(tǒng)以形成多相發(fā)電系統(tǒng)。例如可以集成三個圖2的發(fā)電系統(tǒng)并且使其參照彼此相移120°以形成三相發(fā)電系統(tǒng)。在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明另一特定方面的用于將熱變換成電能的這樣的三相發(fā)電系統(tǒng)的例子。特別地，詳細說明低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12。僅示意地指示了熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13、電力輸送系統(tǒng)14和過程控制系統(tǒng)15。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)13包括三個磁路21，各磁路為參照圖2描述的種類，并且各磁路操作地連接到包括并聯(lián)連接的線圈和電容器的相應諧振電路。電力輸送系統(tǒng)14是互連三個諧振電路的常見系統(tǒng)并且包括功率電子系統(tǒng)27和變換器28。類似地，過程控制系統(tǒng)15有利地是用于三相的常見控制系統(tǒng)。然而可以針對各相提供單獨控制系統(tǒng)。另外，本發(fā)明的過程控制系統(tǒng)15可以是負責控制發(fā)電系統(tǒng)的各種部分的集中式系統(tǒng)，或者它可以是分配式系統(tǒng)，其中低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 13以及電力分配系統(tǒng)14中的各系統(tǒng)具有它自己的控制裝置。低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12包括外部部分，該外部部分包括第一外部管裝置 31，其中諸如熱流體的熱介質(zhì)由饋送泵32循環(huán)；以及第二外部管裝置33，其中諸如冷流體的冷介質(zhì)由饋送泵34循環(huán)。外部部分的熱流體和冷流體與彼此以及與磁路21的材料完全隔離°第一外部管裝置31中的熱流體經(jīng)由第一換熱器36向第一中間管裝置35中的流體傳遞熱，并且第二外部管裝置33中的冷流體經(jīng)由第二換熱器38向第二中間管裝置37中的流體傳遞冷。第一和第二中間管裝置35、37中的各中間管裝置連接于第一閥裝置39與第二閥裝置40之間，以從第一閥裝置39向第二閥裝置40傳送流體。第一和第二閥裝置39、 40有利地基于旋轉(zhuǎn)閥，在通過引用將內(nèi)容結合于此的JP 7107764中公開了旋轉(zhuǎn)閥的例子。應當理解外部部分可以替換為用于傳送換熱器36和38中的熱和冷的任何其它種類的裝置。例如，可以經(jīng)由焚燒爐、熱沙、太陽能加熱板等向第一換熱器36中的第一中間管裝置35中的流體傳遞熱。最終，第一內(nèi)部管裝置41、第二內(nèi)部管裝置42和第三內(nèi)部管裝置43各自經(jīng)由相應一個磁路21連接于第二閥裝置40與第一閥裝置39之間。流體流入低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)12的內(nèi)部部分，該內(nèi)部部分包括中間管裝置 35、37和內(nèi)部管裝置41、42、43以及第一閥裝置39和第二閥裝置40。內(nèi)部部分因此提供閉合流體環(huán)路。提供第二閥裝置40用于將來自第一中間管裝置35的熱流體和來自第二中間管裝置37的冷流體交替地切換到第一、第二和第三內(nèi)部管裝置41、42、43中的各內(nèi)部管裝置中， 優(yōu)選地在其間具有120°相移。因此，第二閥裝置40 “斬斷”熱流體和冷流體，并且形成向各內(nèi)部管裝置中饋送的交替熱和冷流體脈沖序列。隨著熱和冷流體脈沖通過或穿過磁路21 的熱磁材料中的孔，將如上文結合圖2的實施例描述的那樣交替地將熱磁材料加熱在相變溫度以上和冷卻在該相變溫度以下。在本文中所用的術語“熱流體”和“冷流體”分別旨在于表明“具有的溫度在磁路的部分21b的熱磁材料的相變溫度以上的流體”和“具有的溫度在磁路的部分21b的熱磁材料的相變溫度以下的流體”?？梢詫岽挪牧咸峁閮?yōu)選地相互并聯(lián)布置的平行片或者平行板、粒狀物、小球體、接線、織物等材料，這些材料允許流體在層流或者湍流中與接觸表面大的熱磁材料交換熱。在已經(jīng)通過熱磁材料之后，在熱與冷流體脈沖之間的溫度變化更小也更平穩(wěn)。然后，在相應內(nèi)部管裝置41、42、43中向與熱和冷流體脈沖序列同步的第一閥裝置39返回熱和冷流體脈沖序列。因此，提供第一閥裝置39，用于將來自第一、第二和第三內(nèi)部管裝置41、42、43的較熱流體脈沖切換到第一中間管裝置35中，而將來自第一、第二和第三內(nèi)部管裝置41、42、 43的較冷流體脈沖切換到第二中間管裝置37中。據(jù)此，將較熱和較冷流體脈沖返回到它們由其始發(fā)的相應中間管裝置。第一中間管裝置35中的流體然后返回到第一換熱器36以便再次被加熱，而第二中間管裝置37中的流體然后返回到第二換熱器38以便再次被冷卻。 內(nèi)部部分中的流體在單個方向上由饋送泵44、45驅(qū)動。圖3的旋轉(zhuǎn)閥39、40有利地裝配于單個軸上，以在其間有適當相移的情況下同時/同步旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部閉合環(huán)路中所用的流體可以是可選地已經(jīng)添加有添加物的水或者任何其它流體?？梢蕴砑邮篃岽挪牧舷嚓P的腐蝕減少的添加物。也可以使用添加物來減少粘性和/ 或增加導熱率。除此之外或者取而代之，還可以添加諸如熱鹽等其它添加物，該添加物的相變被調(diào)節(jié)為熱磁材料的相變溫度，以由此增加流體的熱容。提供相互分離的內(nèi)部和外部部分并非是必須的。例如，可以從例如(液)熱鉆孔直接取得流體并且經(jīng)由輔助或者返回鉆孔返回熱流體。熱磁材料可以是釓或者包括釓的合金。取而代之，具有適當相變溫度的熱磁材料是鉍、鋅、銻、碲、硒、鉛、硅、鍺、錫、鎂、錳、砷、鎳、鑭、鎵、磷、鈣、鋇、鍶、鐿、鐵或者其任何合金或者化合物中的任一種。注意并非所有上述元素都有磁性，而是可以在這樣的實例中與熱磁材料一起用來修改它的磁相變特性。一些上述元素可以作為氧化物或者在任何其它種類的化學化合物中存在于本發(fā)明的熱磁材料中。優(yōu)選地，布置具有熱磁材料的磁路使得在熱和冷的交替分配與熱磁材料之間每單位面積的熱傳遞沿著熱和冷的交替分配的分配方向基本上恒定。這一點可以用若干方式實現(xiàn)。磁路21在一個實施例中在熱磁材料上面包括優(yōu)選為絕熱層的層，該層具有的每單位面積的熱傳遞能力沿著熱和冷的交替分配的分配方向變化。每單位面積的變化熱傳遞能力可以由厚度或者材料組成沿著分配方向變化的層實現(xiàn)。在另一實施例中，在熱和冷的交替分配與熱磁材料之間的每單位面積的恒定熱傳遞由熱磁材料的塊材料的不均勻結構實現(xiàn)。在熱和冷的分配與熱磁材料之間的界面表面區(qū)域沿著熱和冷的交替分配的分配方向增加。例如，如上文參照圖2所述，可以提供過程控制系統(tǒng)15用于測量發(fā)電系統(tǒng)的性能并且優(yōu)化功率輸出?？梢蕴峁└鄠鞲衅髌骷?未圖示)，用于測量溫度可變流體的流量或者質(zhì)量速率，并且可以提供過程控制系統(tǒng)15以用于控制溫度可變流體的流量或者質(zhì)量速率以及旋轉(zhuǎn)閥的速度。另外，可以通過改變熱和冷的溫差，來調(diào)節(jié)諧振電路中的電感。可以停止或者調(diào)節(jié)水流體，并且可以調(diào)節(jié)閥頻率。圖3的系統(tǒng)也可以包括如參照圖1和圖2的系統(tǒng)公開的保護系統(tǒng)和錯誤指示系統(tǒng)。例如，可以用壓力傳感器、溫度傳感器和斷路信號控制漏水。泵和閥可以是電壓和 /或電流監(jiān)控的。功率輸出測量可以用于檢錯。必須保護電器使其免于水，因而需要安裝充分排放裝置或者貯存器。本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)有利地用于通過使用廢熱、燃燒熱、熱存儲貯存器能量、地熱能量、太陽輻射、太陽熱能或者海洋熱能中的任一種來生成電力。圖4示意地示出了包括集電網(wǎng)42和連接到該集電網(wǎng)的多個圖1-3中的任一幅圖的發(fā)電系統(tǒng)11的發(fā)電網(wǎng)41。該網(wǎng)絡包括用于從發(fā)電系統(tǒng)11向輸電網(wǎng)輸出所發(fā)電力的單個輸出43。集電網(wǎng)42a_^b工作于MV電壓，是AC或者DC電網(wǎng)，和/或是布置為星型、放射狀或者網(wǎng)狀的電網(wǎng)。在所示例子中，互連鄰近發(fā)電系統(tǒng)11的本地集電網(wǎng)4 工作于I-IOOkV 這一范圍中，而互連本地集電網(wǎng)4 的集電網(wǎng)42b工作于10-130kV。各發(fā)電系統(tǒng)11經(jīng)由變壓器44或者DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到本地電網(wǎng)，以用于從發(fā)電系統(tǒng)向本地輸電網(wǎng)4 傳送所發(fā)的電力。
權利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)(11)，包括-低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)(12)，提供用于在低頻交替地分配熱和冷； -熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(13)，操作地連接到所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)，以及提供用于響應于所述交替分配的熱和冷來發(fā)電；-電力輸送系統(tǒng)(14)，操作地連接到所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以及提供用于分配所發(fā)電力；以及-過程控制系統(tǒng)(15)，操作地連接到所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和所述電力輸送系統(tǒng)以便控制它們的操作。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)是用于溫度交替介質(zhì)的循環(huán)的系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述用于熱和冷的循環(huán)的系統(tǒng)是用于所述介質(zhì)的單向或者雙向連續(xù)循環(huán)的系統(tǒng)。
4.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)包括用于接收熱介質(zhì)的裝置(35)、用于接收冷介質(zhì)的裝置(37)以及用于混合所述熱介質(zhì)和冷介質(zhì)的至少一個裝置(39，40)。
5.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述低頻在約0.1與IOHz之間。
6.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱和冷具有在約5與50K之間的最大 iS差ο
7.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是無可動機械部分的靜止系統(tǒng)。
8.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括并聯(lián)或者串聯(lián)操作的若干熱電轉(zhuǎn)換級。
9.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括固定布置的熱力材料。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)被形成為使得在所述熱和冷的交替分配與所述固定布置的熱力材料之間每單位面積的熱傳遞基本上恒定，由此產(chǎn)生所述熱力材料沿著所述熱和冷的交替分配的分配方向的基本上恒定溫度。
11.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供用于生成周期性變化的電流。
12.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述電力輸送系統(tǒng)包括用于向所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供電的裝置。
13.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)提供用于周期性交替地分配所述熱和冷；所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供用于周期性發(fā)電；以及所述過程控制系統(tǒng)提供用于控制所發(fā)電力的周期和所述熱和冷的分配的周期，以使得所述周期的其中一個周期為其中另一周期的η倍，其中η為整數(shù)。
14.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)包括-感測裝置09a-29c)，提供用于感測所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的任何系統(tǒng)的參數(shù)；以及-所述過程控制系統(tǒng)提供用于響應于所述感測的參數(shù)，控制所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的任何系統(tǒng)。
15.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)包括-感測裝置09a-29c)，提供用于感測所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)的參數(shù)；以及-所述過程控制系統(tǒng)提供用于響應于在所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的所述一個系統(tǒng)中感測的所述參數(shù)，控制所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的另一系統(tǒng)。
16.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)包括-感測裝置09a-29c)，提供用于感測所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的各系統(tǒng)的相應參數(shù)；以及-所述過程控制系統(tǒng)提供用于響應于所述感測的參數(shù)，控制所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)。
17.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)包括-感測裝置09a-29c)，提供用于感測所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的各系統(tǒng)的多個參數(shù)；以及-所述過程控制系統(tǒng)提供用于響應于所述感測的多個參數(shù)，控制所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及所述電力輸送系統(tǒng)中的任何系統(tǒng)。
18.根據(jù)權利要求14-17中的任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述一個或者多個參數(shù)包括體積或者質(zhì)量流量、溫度、壓力、波形、脈沖長度、頻率、相位、磁通或者磁通密度、電壓、 電流、阻抗和/或功率中的任一個。
19.根據(jù)權利要求14-18中的任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)提供用于響應于所述感測的一個或者多個參數(shù)，控制所述交替分配的熱和冷的量值或者每單位時間的量值、所述交替分配的熱和冷的低頻、所述交替分配的熱和冷的溫度、有功功率循環(huán)、所述分配的所發(fā)電力的有功和/或無功功率、和/或所述分配的所發(fā)電力的頻率和相位中的任一個。
20.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)包括操作地連接到所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和所述電力輸送系統(tǒng)的可控電路(XT)，以及所述過程控制系統(tǒng)提供用于控制所述可控電路的阻抗、電壓和/或電流，以便控制所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和/或所述電力輸送系統(tǒng)的操作。
21.根據(jù)權利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述過程控制系統(tǒng)提供用于在所述系統(tǒng)起動期間按照所述交替分配的熱和冷的溫度變化在啟動和/或同步所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電振蕩期間控制所述可控電路。
22.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，還包括提供用于存儲熱和冷的熱和冷存儲系統(tǒng)(1 )。
23.根據(jù)權利要求22所述的系統(tǒng)，包括熱和冷提取系統(tǒng)(12b)，操作地連接到所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)以及所述熱和冷存儲系統(tǒng)(1 )，以及提供用于從所述熱和冷存儲系統(tǒng)(12a)提取熱和/或冷。
24.根據(jù)權利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述熱和冷提取系統(tǒng)(12b)提供用于響應于來自其它源的熱和/或冷的可用性從所述熱和冷存儲系統(tǒng)(12a)提取熱和/或冷。
25.根據(jù)權利要求22-24中的任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述熱和冷存儲系統(tǒng)包括一個或者多個太陽能貯藏池、流體貯存器、基于鹽的儲存器、陶瓷磚儲存器和/或基于巖石的儲存器。
26.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，還包括用于保護所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、所述電力輸送系統(tǒng)和/或所述過程控制系統(tǒng)的保護系統(tǒng)(16)。
27.根據(jù)權利要求沈所述的系統(tǒng)，其中所述保護系統(tǒng)包括用于感測所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)中的泄漏的泄漏傳感器，以及提供用于響應于所述感測的泄漏來關斷所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)。
28.根據(jù)權利要求沈或者27所述的系統(tǒng)，其中所述保護系統(tǒng)包括用于處置所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)中的泄漏的排放裝置或者貯存器。
29.根據(jù)權利要求沈-28中的任一權利要求所述的系統(tǒng)，其中所述保護系統(tǒng)包括保護電路，所述保護電路包括用于限制所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的擊穿或者持久故障的電弧消除器 (30)。
30.根據(jù)任一前述權利要求所述的系統(tǒng)，還包括錯誤指示系統(tǒng)(17)，用于指示所述低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、所述電力輸送系統(tǒng)和/或所述過程控制系統(tǒng)的操作中的錯誤。
31.根據(jù)權利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述保護系統(tǒng)提供用于響應于指示的錯誤，斷開所述熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中和/或所述電力輸送系統(tǒng)中的電流，和/或改變所述分配的所發(fā)電力的有功和/或無功功率。
32.一種發(fā)電網(wǎng)(41)，包括集電網(wǎng)(42a-42b)和連接到所述集電網(wǎng)的多個根據(jù)權利要求1-31中的任一權利要求所述的系統(tǒng)。
33.根據(jù)權利要求32所述的發(fā)電網(wǎng)，包括用于向輸電網(wǎng)輸出來自所述發(fā)電系統(tǒng)的所發(fā)電力的單個輸出G3)。
34.根據(jù)權利要求32或者33所述的發(fā)電網(wǎng)，其中所述集電網(wǎng)工作于MV電壓、是AC或者DC電網(wǎng)，和/或布置為星型、放射狀和/或網(wǎng)狀網(wǎng)。
35.根據(jù)權利要求32-34中的任一權利要求所述的發(fā)電網(wǎng)，對于每個發(fā)電系統(tǒng)包括用于向所述輸電網(wǎng)傳送來自所述發(fā)電系統(tǒng)的所發(fā)電力的變壓器G4)或者DC/DC轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
一種發(fā)電系統(tǒng)(11)包括低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)(12)，提供用于在低頻交替地分配熱和冷；熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(13)，操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)，并且提供用于響應于交替分配的熱和冷來發(fā)電；電力輸送系統(tǒng)(14)，操作地連接到熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)并且提供用于分配所發(fā)電力；以及過程控制系統(tǒng)(15)，操作地連接到低頻交替熱和冷分配系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電力輸送系統(tǒng)以便控制它們的操作。
文檔編號H01L37/04GK102165616SQ200980137976
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權日2008年9月26日
發(fā)明者G·拉斯伯格, M·達爾格倫, S·索伯恩 申請人:Abb研究有限公司