热和电的分配以及热电联产的方法及系统

申请号 CN201080063423.8 申请日 2010-12-08 公开(公告)号 CN102906506B 公开(公告)日 2016-08-03
申请人 电动能源公司; 发明人 J·扎卡里; J·A·莱斯科舍克; G·J·蒙泰;
摘要 一种使用 热电联产 系统和方法的协同 能量 生态系统 ,其中,回收来自废热产生器的废能,废热产生器容纳在包括发 电机 的罩壳中,废能被回收用于向罩壳中的 热 泵 冷端供热,以优化在空间中为住所供暖的使用,并管理来自发电机的电的分配,以便于当高效、成本效益或被管理能量生态系统的分配政策需要这样做时,向住所或其他临近的住所供电。
权利要求

1.一种热和电的分配以及热电联产方法,该方法包括:
a)提供一种热电联产系统,包括:
(i)绝热并且充分气密的中空罩壳,其中所述罩壳适合位于需要空间加热和电能的住宅附近,
(ii)安装在所述罩壳内的燃料燃烧式发电机,第一环境空气入口和相应的第一环境空气入口导管,用于从所述罩壳外部传送环境空气,所述第一环境空气入口与所述发电机上的空气入口流体连通,排气导管从所述发电机向所述罩壳外部的环境空气传送排气,其中所述罩壳的尺寸制成以使得至少在所述发电机之上或附近提供暖空气空间,其中所述发电机适于给至少所述住宅提供供应电
(iii) 到所述罩壳中的第二环境空气入口,将环境空气提供给沿下游方向流动通过所述罩壳的气流,
(iv)安装在所述气流中的扇,所述风扇强制所述气流沿所述下游方向流过所述暖空气空间,具有热端和冷端的,所述热泵安装在所述罩壳中的所述气流中,位于所述暖空气空间的下游,被设置成当所述住宅需要所述加热时,来自所述暖空气空间的预热气流进所述热泵的所述冷端,从而被所述发电机加热的空气影响所述热泵的所述冷端,并且在从所述热泵沿所述下游方向流动的所述气流中离开所述热泵,
(v)安装在所述罩壳的下游侧的气流转向器,热泵导管安装在所述气流转向器上,用于当所述气流转向器处于气流排气位置时,使所述气流传送进入所述住宅,(vi)所述罩壳内的再循环通道,从所述气流的下游端向所述气流的上游端流体连接,所述再循环通道延伸超出所述暖空气空间,其中当所述气流转向器处于气流改向位置时,所述气流转向器充分改变所有所述气流的方向,使其流进所述再循环通道,(vii)安装在所述罩壳内的热电池,至少一个换热器从所述气流和所述排气导管捕获热量,并当所述发电机运行时,将所述热量传送到所述热电池,当所述发电机不运行所述热泵和所述风扇运行时,选择性地将存储的所述热量从所述电池传送到所述气流;
(viii)现场能量生态系统控制器,控制所述发电机、所述热泵、所述至少一个换热器的运行,
b)运行,在峰值能量需求期间,所述现场能量生态系统控制器控制所述热电联产系统,从而从所述发电机发电:
(i)向住宅供给所述电,
(ii)一旦所述住宅的能量需求得到满足,将超额的电力从所述热电联产系统提供给其他有电力需求的住宅,
c)在非峰值能量需求期间停止所述发电机的运行,除非出现电力故障,其中主电力设施电网对住宅无效,在这种情况下所述热电联产继续运行,如同在所述峰值能量需求期间一样,
d)当所述发电机停止时,利用来自所述热电池的热量取代来自发电机的热量来加热所述气流。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述至少一个换热器包括位于所述暖空气空间的所述气流下游中的气流换热器。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述暖空气空间被定位成在最大程度上从所述发电机的所述运行中捕获辐射的热量。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述通道被定位在所述暖空气空间上方,从而再次捕获来自所述气流上升的所述暖空气空间中的热量,使得对所述发电机产生影响。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述热泵被定位在所述罩壳内所述发电机之上。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述罩壳具有较高平面和较低水平面,其中所述暖空气空间、所述气流换热器和所述热泵在所述较高水平面,所述发电机和所述电池在所述较低水平面。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,气流混合器和所述气流转向器在所述较高水平面,其中在所述热泵和所述气流转向器之间的所述较高水平面对于直接位于其下方的较低水平面充分密封,从而当所述气流转向器在所述转向位置时,所述气流实际上被完全地改向进入到所述通道内。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述罩壳具有壁和顶板,所述通道由所述罩壳的所述壁中的上壁和顶板限定。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述风扇在所述热泵的所述冷端的下游。
10.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述罩壳安装在与所述住宅的共同的侧壁上,包括朝向所述住宅外部开放的通道
11.如权利要求7所述的方法,其特征在于,气流混合器是混合,所述气流转向器是转向阀。
12.如权利要求1所述的方法,其特征在于,进一步包括安装在所述发电机下游的蓄热装置,所述蓄热装置包括通过伸长的所述热电池的空气导管,其中所述热泵冷端包括至少一个冷凝器,所述至少一个冷凝器安装在所述空气导管中,其中所述风扇推动所述气流流过所述空气导管。
13.如权利要求12所述的方法,其特征在于,所述蓄热装置进一步包括夹在所述空气导管和所述热电池中间的水套。
14.如权利要求13所述的方法,其特征在于,所述蓄热装置进一步包括围绕所述空气导管的热储槽核心,所述水套夹在所述核心和所述热电池中间。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于,所述核心、所述水套和所述热电池都是圆柱形的并且一个分别嵌套在另一个内部,从而围绕所述空气导管。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,来自所述发电机的热排放物经由导管被指引通过所述核心从而加热所述核心。
17.如权利要求16所述的方法,其特征在于,第二换热器从所述气流向所述热电池供给能量。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,所述水套为所述住宅提供用于使用的热水。
19.如权利要求1所述的方法,其特征在于,包括提供气流混合器,其安装在所述罩壳内、位于所述第二环境空气入口的下游、相对于所述暖空气空间位于上游位置,所述第二环境空气入口用于从所述罩壳的外部向所述气流混合器输送环境空气,所述气流混合器从所述气流混合器沿下游方向指引所述气流,从而沿所述下游方向流进所述暖空气空间,其中所述气流混合器接收从所述通道再循环的所述气流,并将其与来自所述第二环境空气入口的环境空气根据所述现场能量生态系统控制器的指令按照比例进行混合,通过运行所述控制器以控制所述气流混合器,进而将所述热泵的所述冷端的温度稳定在预定的最佳范围以内,从而优化所述热泵的效率,并且其中:
a)当所述发电机正在运行并且所述住宅将要被加热时
(i)如果所述住宅需要,从所述发电机向所述住宅供电,来自所述发电机的超额电力提供给所述其他住宅或出售给公用事业,
(ii)当所述环境温度高于预定的低温时,所述混合器提供实质上完全来自环境空气的所述气流,所述气流转向器将全部的所述气流排放到所述罩壳外面的环境空气中去,(iii)当所述环境温度低于所述预定低温时,所述气流混合器随着环境温度的降低逐渐地从所述通道提供更大相对量的所述改变方向的气流,所述气流转向器阀门相应地从所述排气位置逐渐关向所述转向位置,所述风扇迫使所述气流进入所述通道并沿着所述通道流动,
(iv)所述至少一个换热器将热量存储在包括所述热电池和热水储槽的组中,b)当所述发电机没有运行并且所述住宅将要被加热时:
(i)所述气流换热器从包括所述热电池、所述热水储槽的组中抽取热量,并且用抽取的热量加热所述气流,
(ii)所述气流混合器将实质上完全来自于所述通道的所述气流供应进入所述暖空气空间,所述气流转向器处于所述转向位置,其中实质上所述气流全部经由所述通道被再循环。
20.一种用于热和电的分配以及热电联产的系统,包括:
(i)绝热并且充分气密的中空罩壳,其中所述罩壳适合位于需要空间加热和电能的住宅附近,
(ii)安装在所述罩壳内的燃料燃烧式发电机,第一环境空气入口和相应的第一环境空气入口导管,用于从所述罩壳外部传送环境空气,所述第一环境空气入口与所述发电机上的空气入口流体连通,排气导管从所述发电机向所述罩壳外部的环境空气传送排气,其中所述罩壳的尺寸制成以使得至少在所述发电机之上或附近提供暖空气空间,其中所述发电机适于给至少所述住宅提供供应电力,
(iii) 到所述罩壳中的第二环境空气入口,将环境空气提供给沿下游方向流动通过所述罩壳的气流,
(iv)安装在所述气流中的风扇,所述风扇强制所述气流沿所述下游方向流过所述暖空气空间,具有热端和冷端的热泵,所述热泵安装在所述罩壳中的所述气流中,位于所述暖空气空间的下游,被设置成当所述住宅需要所述加热时,来自所述暖空气空间的预热气流进所述热泵的所述冷端,从而被所述发电机加热的空气影响所述热泵的所述冷端,并且在从所述热泵沿所述下游方向流动的所述气流中离开所述热泵,
(v) 安装在所述罩壳的下游侧的气流转向器,热泵导管安装在所述气流转向器上,用于当所述气流转向器处于气流排气位置时,使所述气流传送进入所述住宅,(vi)所述罩壳内的再循环通道,从所述气流的下游端向所述气流的上游端流体连通,所述再循环通道延伸超出所述暖空气空间,其中当所述气流转向器处于气流改向位置时,所述气流转向器充分改变所有所述气流的方向,使其流进所述再循环通道,(vii)安装在所述罩壳内的热电池,至少一个换热器从所述气流和所述排气导管捕获热量,并当所述发电机运行时,将所述热量传送到所述热电池,当所述发电机不运行所述热泵和所述风扇运行时,选择性地将存储的所述热量从所述电池传送到所述气流;
(viii)现场能量生态系统控制器,控制所述发电机、所述热泵、所述至少一个换热器的运行,
其中,所述现场能量生态系统控制器适合于:在峰值能量需求期间运行,以控制所述热电联产系统,从而从所述发电机发电:
(i)向住宅供给所述电,
(ii)一旦所述住宅的能量需求得到满足,将超额的电力从所述热电联产系统提供给其他有电力需求的住宅,
在非峰值能量需求期间停止所述发电机的运行,除非出现电力故障,其中主电力设施电网对住宅无效,在这种情况下所述热电联产继续运行,如同在所述峰值能量需求期间一样,
所述系统适合于当所述发电机停止时,利用来自所述热电池的热量取代来自发电机的热量来加热所述气流。
21.如权利要求20所述的系统,其特征在于,所述至少一个换热器包括位于所述暖空气空间的所述气流下游中的气流换热器。
22.如权利要求21所述的系统,其特征在于,所述暖空气空间被定位成在最大程度上从所述发电机的所述运行中捕获辐射的热量。
23.如权利要求22所述的系统,其特征在于,所述通道被定位在所述暖空气空间上方,从而再次捕获来自所述气流上升的所述暖空气空间中的热量,使得对所述发电机产生影响。
24.如权利要求23所述的系统,其特征在于,所述热泵被定位在所述罩壳内所述发电机之上。
25.如权利要求24所述的系统,其特征在于,所述罩壳具有较高水平面和较低水平面,其中所述暖空气空间、所述气流换热器和所述热泵在所述较高水平面,所述发电机和所述电池在所述较低水平面。
26.如权利要求25所述的系统,其特征在于,气流混合器和所述气流转向器在所述较高水平面,其中在所述热泵和所述气流转向器之间的所述较高水平面对于直接位于其下方的较低水平面充分密封,从而当所述气流转向器在所述转向位置时,所述气流实际上被完全地改向进入到所述通道内。
27.如权利要求26所述的系统,其特征在于,所述罩壳具有壁和顶板,所述通道由所述罩壳的所述壁中的上壁和顶板限定。
28.如权利要求27所述的系统,其特征在于,所述风扇在所述热泵的所述冷端的下游。
29.如权利要求20所述的系统,其特征在于,所述罩壳安装在所述住宅和所述罩壳的共同的侧壁上,包括朝向所述住宅外部开放的通道门。
30.如权利要求26所述的系统,其特征在于,所述气流混合器是混合阀,所述气流转向器是转向阀。
31.如权利要求20所述的系统,其特征在于,进一步包括安装在所述发电机下游的蓄热装置,所述蓄热装置包括通过伸长的所述热电池的空气导管,其中所述热泵冷端包括至少一个冷凝器,所述至少一个冷凝器安装在所述空气导管中,其中所述风扇推动所述气流流过所述空气导管。
32.如权利要求31所述的系统,其特征在于,所述蓄热装置进一步包括夹在所述空气导管和所述热电池中间的水套。
33.如权利要求32所述的系统,其特征在于,所述蓄热装置进一步包括围绕所述空气导管的热储槽核心,所述水套夹在所述核心和所述热电池中间。
34.如权利要求33所述的系统,其特征在于,所述核心、所述水套和所述热电池都是圆柱形的并且一个分别嵌套在另一个内部,从而围绕所述空气导管。
35.如权利要求34所述的系统,其特征在于,第二换热器从所述气流向所述热电池供给能量。
36.如权利要求34所述的系统,其特征在于,来自所述发电机的热排放物经由导管被指引通过所述核心从而加热所述核心。
37.如权利要求20所述的系统,其特征在于,包括安装在所述罩壳内、位于所述第二环境空气入口的下游、相对于所述暖空气空间位于上游位置的气流混合器,第二环境空气入口用于从所述罩壳的外部向所述气流混合器输送环境空气,所述气流混合器适于从所述气流混合器沿下游方向指引所述气流,从而沿所述下游方向流进所述暖空气空间,其中所述气流混合器被定位成接收从所述通道再循环的所述气流,并将其与来自所述第二环境空气入口的环境空气根据所述现场能量生态系统控制器的指令按照比例进行混合,通过运行所述控制器以控制所述气流混合器,进而将所述热泵的所述冷端的温度稳定在预定的最佳范围以内,从而优化所述热泵的效率,并且所述控制器适于:
a)当所述发电机正在运行并且所述住宅将要被加热时,
(i)如果所述住宅需要,从所述发电机向所述住宅供电,来自发电机的超额电力提供给所述其他住宅或出售给公用事业,
(ii)当所述环境温度高于预定的低温时,所述混合器提供实质上完全来自环境空气的所述气流,所述气流转向器将全部的所述气流排放到所述罩壳外面的环境空气中去,(iii)当所述环境温度低于所述预定低温时,所述气流混合器随着环境温度的降低逐渐地从所述通道提供更大相对量的所述改变方向的气流,所述气流转向器阀门相应地从所述排气位置逐渐关向所述转向位置,所述风扇迫使所述气流进入所述通道并沿着所述通道流动,
(iv)所述至少一个换热器将热量存储在所述热电池中,
b)当所述发电机没有运行并且所述住宅将要被加热时,
(i)所述气流换热器从所述热电池中抽取热量并且加热所述气流,
(ii)所述气流混合器将实质上完全来自于所述通道的所述气流供应进入所述暖空气空间,所述气流转向器处于所述转向位置,其中实质上所述气流全部经由所述通道被再循环。

说明书全文

热和电的分配以及热电联产的方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种使用热电联产系统和方法来优化能量(包括热能电能)的有效生产的系统,其中,回收来自在包括发电机的罩壳中的废热产生器的废能,以向罩壳中的冷端供热,用于优化在空间中为住所加热的这种使用,并优化来自发电机的电的分配的管理,以便于当高效、成本效益或通过管理能量生态系统的分配政策所需要这样做时向住所或其他临近的住所供电。

背景技术

[0002] 随着电需求的持续增长并接近最大容量,对发电和公共电网配电基础设施产生了新的需求,能量价格会逐步升高,轮流停电和电网故障会更经常地发生。历史上,发电的基本方法和分配系统自从第一个发电厂和应用电网建立以后就没有发生过改变。设施历来通过超额建设其发电和分配容量以缓解高峰需求期间的系统故障来应对增加的需求,系统设计成单向的,从大型远程发电厂向能量需求地和消耗地分配。电网峰值是电设施部最重大的问题,因为电力设施部门根据一天中能量需求的时间、需要的能量类型,从需求地点的电力和燃气设施向用户发电并分配电能。
[0003] 电力设施部门面对的另一挑战是效率差、老化的发电和分配基础设施正变得越来越无法满足日益增长的电力需求,也无法扩展以满足未来的需求。这种扩展非常困难而且昂贵,因为严格的环境法律、固有的低效率、显著的资本开支、延长的建设周期以及引入的排放税。
[0004] 多年来无数的技术和产品研发出来并提供了作为对这些挑战的潜在的解决方案,取得了有限的成功。努力的方向集中在以下方面:改进发电、分配和控制电力的能量管理系统;需求地的分布式发电装置和/或热电联产系统;以及改进电力、燃气和其他能量装置的效率,从而降低消耗。
[0005] 美国专利US 7,085,660描述了这样一种方法和系统,通过利用历史数据 和短期负荷预测来优化发电和分配系统的性能。美国专利US 6,775,594B1描述了一种通过中央监控系统在一个电脑网络上对多个发电系统进行分级和调度并控制它们的调度和分级方法,实现减少公用事业服务中的限电和停电的目的。
[0006] 美国专利US 6,583,521公开了这样一种能量管理系统,用在位于或者靠近用户房屋,专供该用户需求的发电机上。美国专利US 7,133,852公开了一种发电设备管理系统,用于向客户供电的现场发电设备,并且通过中央管理中心与进行维护的服务公司相互作用。美国专利US 6,757,591描述了这样一种方法和系统,用于管理对建筑物的能量的产生和分配。
[0007] 对于峰值需求、排放物和需求周期的一个重要贡献是住宅和商业中的加热和冷却以及热消耗。申请人认为大部分的热量和热水占典型北美家庭能量使用的70%以上。在加热和冷却工业中,微型热电联供(MCHP)联合发电系统通常包括发动机;发电机,通过利用发动机输出的旋转力发电;和传热装置,将发动机的废热或未使用的热提供给液体循环的热泵,例如热水器空调装置。
[0008] 在历史上,发电机产生的电用于使用电设备运转,例如电加热器、扇或电灯,在这个过程中,从电力设施分配电网来的电在电力设施服务损失之后完全损耗,这是反应性的,而不是导致消除峰值需求和设施故障的低效率的预作用。
[0009] 两种普通的释放来自发电机的热量的方法是液体循环冷却剂和冷却风扇,用于防止过热。传热装置回收用于冷却发动机的冷却水中的废热,或者发动机排出的废气中的废热,并且将回收的废热提供给热水器或者空调装置。然而,这种常规的热电联产系统从经验中发现的问题是冷却风扇运行期间噪音增加、捕获和利用发电机的废热低效,以及对系统效率的提升有限,包括当设施服务故障时,对于加热和冷却系统的电力不足,加热和冷却系统用来独立于由设施电网供应的电力而操作。
[0010] 现有技术中也有相当多的研究和开发的努力,试图为典型的具有电力和热能两种需求的住宅能量用户开发一种经济可行的热电联产单元。为了提高热电联产系统的效率,多种尝试已被做出。
[0011] 美国专利US 7,284,709和US 7,040,544是现有技术中采用水冷式内燃发 动机与发电机以及液体循环换热技术结合的热电联产单元的例子。这种发动机发电机组合的效率在很大程度上取决于所谓废热的数量,所述废热可以从发动机排气和用于加热和冷却需要的发动机冷却剂中回收。在很多例子中,发动机发电机装置安装在开放环境中,也就是说,在室外环境空气中,安装在混凝土台上或类似的平台上,很少或没有做出努力来回收通过辐射损失到大气中的热量。实际上,很多设计依赖于热辐射来冷却发动机。美国专利US 7,174,727和US 4,380,909是现有技术中的采用水冷内燃机与发电机和室外换热器结合的热电联产单元的例子。
[0012] 在申请人的观点中,现有技术反映出现有的系统在寒冷的天气气候中没有效率。随着空气温度的降低,空气源热泵技术变得效率很低。空气中的热能很少,因此需要更多的电能从空气中提取热量。另外,空气源热泵可能不得不结合除霜循环,暂时中断对建筑物的供热以产生热量供自己各个部件的融霜使用。美国专利US 7,503,184是试图克服以上不足的现有技术的例子。
[0013] 美国专利US 4,262,209描述了一种发动机和发电机,他们被容纳在绝热罩壳中以捕获辐射热量,也削弱运行中的噪音水平。
[0014] 美国专利US 4,495,901描述了这样一种系统,其中为发动机吸入的空气通过罩壳循环以预热,趋向于捕获一些辐射热量。然而,预热空气导致发动机的装载燃料密度低,并且会不合需要的降低发动机的额定力,因此会降低电力输出。
[0015] 在例如空调的系统中的热泵系统中使用蓄热供热系统,为了转移施加到系统上的负荷,以完成负荷均衡,避免提供这样一个热泵的需要,该热泵被设计成当最大负荷需求仅仅在其日常运行的有限期间内被需求时,满足最大负荷需求。在现有技术中美国专利US 5,355,688、US 5,755,104、US 4,554,797和US 4,686,959中说明了这种技术。
[0016] 当发动机被容纳在绝热罩壳中时,热量辐射直到罩壳中空气达到接近发动机的温度,然后热量消散,没有蓄热单元导致运行低效。此外,频繁的发动机启动和停机与系统效率的降低有密切关系。如果使用循环空气风扇提取一些加热的空气作为发动机吸入空气使用,如前文所述,这种情况没有大的改善,而且换热器也没有充分发挥效力。
[0017] 社会的能量消耗和排放已经被政府和个人强烈关注,很多努力在各种级别上被做出以监控、减少和控制上述能量消耗,同时平衡重要的经济和环境的驱动。这些努力包括能量金融激励和新的排放征税、以及信用系统,从而鼓励人们寻求更有益环境的产品和行为。美国专利US 7,181,320、美国专利申请US 2007/0179683和US 2006/0195334是提供监控和管理排放的方法的现有技术的例子。美国专利US 6,216,956描述了一种室内环境条件控制和能量管理系统,用于现场控制和减少能量成本和消耗。美国专利US 5,528,507和美国专利申请US 2006/0155423描述了包括电网级监控的系统,在需求地现场管理能量。另外,现有技术在设备级别提供了电力管理,试图降低能量消耗,并且提供了控制装置。美国专利US 
5,270,505提供了一种远程控制的开关/插座。美国专利申请US 2008/0221737和US 2007/
0136453描述了一种网络化电力管理装置和系统,用于与电气装置通信和能量控制。此外,美国专利US 7,373,222以及美国专利申请US 2009/0018706和US 2008/0116745提供了网络系统和装置以及负荷控制系统,用于切断或重新为装置通电。这些方法和系统全部的控制目标是为了当电力被提供到电气装置上时,降低峰值需求和/或能量成本。
[0018] 因为需求所述能量的季节和时间,从遥远的位置经过分配电网供电的效率损失的是远程电能发电和分配的过度建设和利用不足,从远方通过分配电网提供电力的情况下,超过2/3的能量可能以废热的形式损失。电力和天然气分配的支持基础设施被构建成提供住宅家庭用户施加到系统中的峰值需求负荷。这种峰值需求只发生在一天中的很短的期间,例如上午6点到9点,和下午5点到10点。这意味着当前的天然气和电力产生和分配装置在大部分的使用时间中利用不足。随着使用时间和智能测量仪表的大量安装,能量在需求最大时变得最贵。
[0019] 已知热电联产系统在特定情况下有缺陷,不能将自然消耗、基础设置规模、不同能量需求类型下的用户行为、主要被社会、工作等部分指定考虑其中。因此,公用事业公司必须提供发电,传输,和分配容量,足够服务所有连接用户的、总是同时发生的潜在的最大总需求。该峰值需求倾向于跟随一天之中具有两个峰值的日常周期-一个在早晨,一个在晚上,以及季节周期,在中等温暖气候部分需要空调的夏季具有一个峰值,在寒冷地 区部分需要区域供暖和热水(占需求的70%以上)的冬季具有一个峰值。
[0020] 电能特别在发电、分配和消耗利益相关者之间具有独特的共生关系。当打开开关时,没有人会对打开房间的灯进行思考-但是并没有得到广泛理解或评价的是在某个地方(也许在国家的另一边),他们所需求的能量不得不被产生并分配给他们。相反的,当关灯时,产生并提供的能量现在几乎需要立刻被传输到另一用户,或者发电站需要减少发电量进行补偿。如果这种接近即时的交互作用不能保持平衡、限电和断电发生,则导致严重问题,破坏、丧失经济输出。由于我们的能量系统对通常的用户是牢固和有效的,所有消耗利益相关者之间的关系和动态是强韧的、可维持的、脆弱的。因此,维持系统和提供峰值需求能量的设备和发电容量在多数时间下是闲置的。我们的能量系统经历着施加在其上的沉重的需求,通常在一天中的某一时段和季节性的峰值需求(这些可能一致或互相影响),这会导致系统故障。在某种意义上说,一个单独的用户可以击垮用于电网中所有其他用户的整个系统,通过施加一个额外的需求(例如,空间加热器)在系统上,这导致过度的需求超过系统能够产生和分配的容量。一个好的比喻是如果每个人同时打开各自的水龙头,则没人能获得任何水压,因此也就没有水。过度建设发电和分配系统以防止电网因过度峰值需求产生故障的成本,以及设置有效容量以防万一的费用,需要由发电设施公司消费者承担。另外,电力设施公司考虑能量需求这部分的评估非常重要,要么导致发电和分配基础设施的过度建设,要么导致无法获得能量,即导致限电、停电或对于消费者的全部电网服务失效。
[0021] 强硬的环境法律,长期环境影响研究周期,显著的时间延迟,与带来新的在线发电和分配基础设施相结合,公用事业公司(电力设施公司)被挑战以及时和节省成本的方式向他们的消费者提供电能。公用事业公司尝试在他们的消费者中依据他们各自的峰值应用,通过基于单个用户历史峰值需求使用确定的他们的电费来分配这种成本和估值。向家庭住宅提供天然气的公用事业公司同样面临类似的挑战,并且积极地工作以减少用户对基础设施和产品的峰值需求。国家的燃气提供者挖掘和改进他们的分配容量是昂贵的和破坏性的。
[0022] 基本上,公用事业公司已经有限地控制他们用户的能量消费、需求、 和未来的消耗,而不是采取间接的措施,例如通过当用户在白天使用能量时节能措施的赞助、对于更换低效消费电器的用户提供折扣、对用户的使用时间消耗提供能量折扣等。有人会说公用事业公司对用户的能量消耗、需求等没有或只有很少地控制等等。例如,公用事业公司可能对预定时间段,例如一天内的峰值需求、中间值和非高峰期,使用的电能制定不同的价格。公用事业公司也可能基于用户在预定需求期内的峰值电力需求的使用征收峰值电力需求费,例如一天周期内的15分钟期间。

发明内容

[0023] 本发明包括一种装置或系统,还包括一种热和电的分配以及热电联产的方法。热电联产装置或系统包括:
[0024] (a)绝热并且充分气密的中空罩壳,其中所述罩壳适合位于需要空间加热和电能的住宅附近,
[0025] (b)安装在所述罩壳内的燃料燃烧式发电机,第一环境空气入口和相应的第一环境空气入口导管,用于从所述罩壳外部传送环境空气,所述第一环境空气入口与所述发电机上的空气入口流体连通,排气导管从所述发电机向罩壳外部的环境空气传送排气,其中罩壳的尺寸制成以使得至少在发动机之上或附近提供暖空气空间,其中发电机适合于给至少一个住宅提供供应电力,
[0026] (c)到罩壳中的第二环境空气入口,例如安装在罩壳的上游侧,提供环境空气给沿下游方向流动通过罩壳的气流,
[0027] (d)安装在气流中的风扇,风扇强制气流沿下游方向流过暖空气空间,具有热端和冷端的热泵,所述热泵安装在罩壳中的气流中,位于暖空气空间的下游,被设置成当住宅需要加热时,来自暖空气空间的预热气流进热泵的冷端,从而被发电机加热的空气接触热泵的冷端,在从热泵沿下游方向流动的气流中离开热泵,
[0028] (e)气流转向器例如安装在罩壳的下游侧或罩壳末端,热泵导管安装在气流转向器上,当气流转向器处于气流排气位置时,使气流传送进入住宅,
[0029] (f)罩壳内的再循环通道,从气流的下游端向气流的上游端流体连通, 再循环通道延伸超出暖空气空间,其中当气流转向器处于气流改向位置时,气流转向器充分改变所有气流的方向,使其流进再循环通道,
[0030] (g)安装在罩壳内的热电池,至少一个换热器从气流和/或排气导管捕获热量,并当发电机运行时,将热量传送到热电池,当发电机不运行热泵和风扇运行时,选择性地将存储的热量从电池传送到气流。
[0031] 相应的方法包括提供具有这种热电联产装置或系统的住宅。在每个这种住宅中,现场能量生态系统(OEE)控制器控制发电机、热泵、至少一个换热器的运行。在峰值能量需求期间,所述OEE控制器控制热电联产系统,从而从发电机发电:
[0032] (a)向住宅供电,和
[0033] (b)一旦所述住宅的能量需求得到满足,则将超额的电力从热电联产系统提供给其他有电力需求的住宅,
[0034] 在非峰值能量需求期间,停止发电机的运行除非出现电力故障,其中主电力设施电网对于住宅无效,在这种情况下热电联产继续运行,如同在峰值能量需求期间一样。OEE控制器控制当发电机停止运行时利用来自热电池的热量取代来自发电机的热量来加热气流。
[0035] 至少一个换热器可以包括位于暖空气空间的气流下游中的气流换热器。暖空气空间被定位成在最大程度上从发电机的运行中捕获辐射热量。通道设置被定位在暖空气空间上方,从而再次捕获来自从气流上升的暖空间中的热量,使得气流对发电机产生影响。热泵可以在罩壳内被定位发电机之上。
[0036] 在一个实施例中,罩壳具有较高水平面和较低水平面。暖空气空间、气流换热器和热泵在较高水平面,发电机和电池在较低水平面。气流混合器(可以是阀门)和气流转向器在较高水平面。在该实施例中,当气流转向器在其再转向位置时,热泵和气流转向器之间的较高水平面被实际上完全地改向进入到所述通道内。
[0037] 通道由罩壳的上壁和顶板限定。风扇可以在热泵的冷端的下游。罩壳可以安装在住宅的普通侧壁上,例如统一隐藏在住宅的侧壁中。优选的罩壳具有朝向住宅外部开放的通道门,从而不需进入住宅就可以维修罩壳内部的组件。
[0038] 蓄热装置可以安装在发电机的下游。蓄热装置包括通过伸长的热电池的空气导管。热泵冷端可以包括至少一个安装在空气导管中的冷凝器。风扇推动气流流过空气导管。蓄热装置可以进一步包括夹在空气导管和热电池中间的水套。蓄热装置可以进一步包括围绕空气导管的热储槽核心,以使得水套夹在核心和热电池中间。核心、水套和热电池可以都是圆柱形的并且一个分别嵌套在另一个内部,从而围绕所述空气导管。来自发电机的热排放物经由导管被指引通过核心从而加热核心。第二换热器可以从气流向热电池供给能量。
水套可以提供热水供住宅使用。
[0039] 根据本发明一个方面的方法可以包括提供上述的热电联产系统的全部或一部分,以及其运行。
[0040] 该方法可以进一步包括提供安装在罩壳内、位于第二环境空气入口下游、相对于暖空气空间位于上游位置的气流混合器。第二环境空气入口用于从罩壳的外部向气流混合器输送环境空气。气流混合器引导气流从气流混合器向下游方向流动,从而沿下游方向流进暖空气空间。气流混合器接收从通道再循环的气流,并将其与来自第二环境空气入口的环境空气根据来自OEE控制器的指令按照比例进行混合,通过运行所述控制器以控制所述气流混合器,进而将所述热泵的所述冷端的温度稳定在预定的最佳范围以内,从而优化所述热泵的效率。因此:
[0041] a)当发电机正在运行并且住宅将要被加热时,
[0042] (i)如果住宅需要,从发电机向住宅供电,来自发电机的超额电力提供给其他住宅或出售给公用事业,
[0043] (ii)当环境温度高于预定的低温时,混合器提供实质上完全来自环境空气的气流,气流转向器将全部的气流排放到罩壳外面的环境空气中去,
[0044] (iii)当环境温度低于预定低温时,气流混合器随着环境温度的降低逐渐地从通道提供更大相对量的改变方向的气流,气流转向器阀门相应地逐渐从排气位置关向转向位置,风扇迫使气流进入通道并沿着通道流动,
[0045] (iv)至少一个换热器将热量存储在热电池中,
[0046] b)当发电机没有运行并且住宅将要被加热时,
[0047] (i)气流换热器从热电池中抽取热量,并且加热气流,
[0048] (ii)气流混合器将实质上完全来自于所述通道的所述气流供应进入所述 暖空气空间,气流转向器处于转向位置,其中实质上气流全部经由通道被再循环。附图说明
[0049] 图1a和图1b是从发电机再循环和回收废能的废能再循环和回收系统的一个实施例的示意图,该系统根据当地发电和冷/热管理及控制系统、靠近需要进行加热和供电的人居住空间在模化罩壳中提供空气源热泵;
[0050] 图2是局部剖视图,根据本发明的一个方面的热电联产系统的进一步实施例,具有水平安装在罩壳内的蓄热装置;
[0051] 图3是局部剖视图,根据本发明的一个方面的热电联产系统的进一步实施例,具有垂直安装在罩壳内的蓄热装置;
[0052] 图4是一对相邻的图2所示的热电联产系统的正面视图。
[0053] 图5是图2所示的蓄热装置的一部分的局部剖面前视图。
[0054] 图6是局部分解剖面图,根据图2所示的风扇和蓄热装置显示外壳被剖开以后露出热电池层(热电池层已经移去)中的螺旋形的冷却剂盘管,水套罩壳被剖开以后露出固体核心层(固体核心已经移去)中的螺旋形的冷却剂盘管,并露出安装在中空风道管中的热泵冷凝器;
[0055] 图7是侧视图,是根据图6所示的安装在对应的发电机附近或下游的蓄热装置的剖视图;
[0056] 图8a是局部切开的透视图,示出了水罩壳的图7所示的热电联产系统;
[0057] 图8b是局部切开的透视图,示出了水罩壳的整体的图8a所示的热电联产系统;
[0058] 图8c是局部切开的透视图,示出了热电池和固体核心层的局部切开的螺旋形的冷却剂盘管的图8b所示的热电联产系统;
[0059] 图9是引导制冷剂从热泵到加热或冷却住宅的末端的五路螺旋管式控制流体换向阀的透视图;
[0060] 图10a和图10b是根据本发明一个方面的热电联产系统的一个实施例的图表图形化的热力学模型,在冬季工况下加热住宅和为住宅发电并用于在邻近的电网上分配;
[0061] 图11是一组表格,设置假设和计算来支持图10a和图10b的模型;
[0062] 图11a是根据现场能量生态系统的模型的性能预测表;
[0063] 图12图解地说明了每个共享现场能量生态系统的住宅,一组这种住宅形成邻域能量生态系统,一组这种邻域形成社区能量生态系统,一组这种社区能量生态系统形成全部的协同能量生态系统。

具体实施方式

[0064] 人类住宅10代表性地需要供电,在冬季还需要对空间进行供热以加热住宅,在夏季还可能需要冷却。
[0065] 在本发明的一个优选实施例中,不倾向于限制,罩壳12靠近住宅10设置,在一个实施例中罩壳自由固定,在其他实施例中罩壳依靠住宅10的一面墙安装或安装到住宅10的一面墙中,这可以包括与住宅10共享同一面普通的墙。在一个实施例中,罩壳12优选地充分密封隔离于外部环境空气,再一次地不倾向于限制,根据本发明的系统的效率在罩壳12密封、绝热的情况下可得到改善,如下文更好的描述,具有内部控制环境,其中内部环境温度在对于热泵运行最佳的温度范围进行调节,以至于实质上独立于外部坏境空气温度运行,热泵为住宅10供热。罩壳12可以充分隔音,从而削弱来自下文描述的容纳在罩壳12中的多个马达和泵的噪音辐射。罩壳12也可以适用于嵌入住宅10的外墙中,从而形成封闭的室,其为住宅外墙的一部分,并使得其看上去像住宅外部的一部分。
[0066] 在一个包含在罩壳12内的系统的基本配置中,消耗燃料例如天然气,柴油或者燃料电池14的发电机沿着上游部分安装在罩壳12中,气流A从安装在罩壳12的上游墙12a附近的混合阀16沿B方向流动。混合阀16将罩壳内的再循环空气(如下文更好的描述)与从空气入口16a吸入的外部环境空气混合。无论使用哪种发电机,除了发电,发电机的功能还能产生热量加热罩壳12中的循环空气。
[0067] 发电机14设置在罩壳12内并且不可变更地安装在罩壳12内,以至于在发电机14周围留下空隙或暖空气空间18,在一个优选实施例中,以至于至少在发电机14上方留下暖空气空间18。因为发电机14是消耗燃料的发电机,因此会释放废热,废热沿C方向上升,经过并与暖空气空间18中的暖空气混合。来自发电机14的废热因此在其沿方向B(也就是说在旋转空 气团中)流动时将热量传递给气流A,通过暖空气空间18并进入换热器20。
[0068] 换热器20可以是气液换热器,例如液体在闭合回路20a中传递,并在那儿被泵20b泵送。热量因此在气流A流经换热器20时被从气流A中抽出,然后被加热的流体从换热器经由闭合回路20a被泵送到热电池22。在热电池22中来自换热器20的热量在闭合回路20a中从换热流体被抽出,以便于储存在热电池22中。在一个不倾向于限制的实施例中,热电池22可以包括固体向液体发生相变的蓄热装置,例如采用固体石蜡。其他传统上已知的热电池也可以以本领域技术人员已知的方式来工作。
[0069] 发电机14使用经过空气入口24a并通过导管24输送的外部环境空气,用于在发电机14的内燃式发动机的燃烧过程中的使用。燃烧的排出产物通过排出导管26排出然后进入换热器28。换热器28优选可以是分离式换热器,与换热器20分离,或者可以是形成为其一部分,并操作以通过排出导管26从来自发电机14流过的排出产物中抽取热量。由换热器28抽取的热量例如通过闭合回路20a或者通过包含传热流体的分离的闭合回路被输送,以便于从排出物中将热量传递到热电池22。冷却的排出物离开换热器28经由排出管26a流过罩壳12的下游墙12b,以便于通入罩壳12外部的外部环境空气中。
[0070] 离开换热器20的气流A进入热泵30,其中气流A向热泵30的冷端提供热量。风扇32驱动气流A从换热器20以方向B流动经过热泵30,继续沿B方向进入并通过通风室34。阀门36当打开时,允许气流A经过下游墙12b排出,从而离开罩壳12进入外部环境空气。当阀门36关闭时,沿方向B进入通风室34的气流A改变方向沿方向B'通过再循环通道38,以便于在混合阀16处返回到气流A的上游端。当混合阀16偏置到其混合模式时,通道38中和沿方向B'到达阀16的再循环气流与通过入口16a进入罩壳12的外部环境空气混合,为此气流A被来自再循环通道38的暖的气流预热。在一个实施例中,不倾向于限制,混合阀16可以逐渐偏置,从而改变沿方向B'从通道38到达的暖空气和通过入口16a到达的外部环境空气的相对量。来自热泵30的加热空气通过导管30a提供给住宅10内的空气处理系统44。
[0071] 在一个优选实施例中,控制器40从传感器42接收温度数据,例如, 从定位用来测量外部环境空气温度、发电机温度、热电池温度、主换热器温度(即换热器20内的温度)、再循环通道38、发电机排出口处的排出物温度、通过阀门36排出的气流的温度、以及住宅10中的内部温度的传感器42接收温度数据。根据传感器42和控制器40给出的数据,如下文更好的描述,控制阀门16和阀门36的位置,并且与住宅内的OEE协作,控制发电机14是否运行,通过控制一个或多个泵20b的运行来控制换热器是否运行、热泵是否运行、以及一个或多个风扇是否运行。控制器40和OEE,互相结合并协同操作,也可以比较其他的数据,例如一天内的时间,峰值需求,合适的通过NEE(下文定义)供电给邻域的发电需求,或通过CEE(下文定义)提供给更大的社区。
[0072] 在优选实施例中,通过慎重使用导管(例如刚性的管状导管)使气流A不是沿着方向B或B',而是在罩壳12中的空腔中流动,其中包括发电机14、换热器20、热电池22、热泵30和风扇32的多个部件被安装在所述空腔中,另外空腔是左侧开口的。唯一的墙或挡板不是用于支撑组件的重量,而是在热泵和通风室下面提供密封,以强制气流改向到重新定向的方向B'。废热产生器,也就是发电机14,安装在罩壳12内的比热能使用者即热泵30低的位置,热泵30安装在罩壳12内较高的位置,沿着方向B相对于发电机14的位置偏向于下游。发电机和热泵的这种设置与在罩壳12内开口空腔的使用结合在一起,当暖空气伴随其逐渐减小的密度自然地上升经过罩壳12中的空腔时,提供了有效的废热清除。然后这就承认了这样一个事实,没有单一的热回收装置例如换热器20是完全高效的,利用这种低效率,当把现有的系统当做一个整体系统看待,捕获来自压缩机、泵等类似设备的热量(这些热量通常是“损失”到环境中的)时,允许现有的系统以高效的方式运行。绕着罩壳12内部的空气团的旋转通过预热进入热泵30冷端的空气,收集并再利用了所有这些否则会损失的热量。从某种意义上说,可以将罩壳12想象成一个中空的“蛋”,在蛋壳里平滑的使空气团旋转,由于其在上面通过废热被加热到达了蛋内的中空部,结果是预热空气以旋转空气团的模式再循环到热泵的入口。
[0073] 因此沿方向C自然地上升的废热通过并与经过发电机14、压缩机和泵被抽出的气流A交叉,在风扇32的作用下,从混合阀16到通风阀36。自 然的,沿方向C上升的废热不会全部被携带并混合进入气流A以通过换热器20,沿方向C上升的部分废热会向上通过进入开放通道38,也就是说,进入虚拟(或有形的)蛋形空腔的上部空腔,用于使空气团平滑地旋转。另外,如上所述,换热器20在从气流A中移除热能时不是完全有效的,在现有系统中不要求换热器20完全有效,因为从来自换热器20下游流动的气流A中携带的废热被旋转再循环气流A回收,所述旋转再循环气流A当通风阀36关闭时沿方向B'通过开放通道38的上部空腔。
虽然离开泵30的暖气流A会自然上升,使得当通风阀36关闭时暖气流A的自然倾向将沿方向B'上升,在优选实施例中,如上所述在热泵30下面或者至少在风扇32下面,通风室34例如使用挡板或类似部件是密封的或者至少实质上密封,使得当通风阀36关闭时,气流A被强制向上,从方向B变换到旋转方向B',从而沿着通道38的上部空腔再循环。随着气流A沿方向B'旋转或再循环,无论来自发电机14的废热,还是来自压缩机或泵的废热,或者由气流A与罩壳
12中的内部环境空气混合的漩涡自然上升的热能,任何在罩壳12中中空空腔内上升的暖空气都会通过通道38进入沿方向B'旋转的气流A中。
[0074] 在一个优选实施例中,通道38因此是一个被例如罩壳12内侧的墙和顶板所限定开放的空腔或导管或拉长的室。不需要为了使暖空气团旋转成虚拟的中空蛋而必须是蛋形的。因此,虽然如图所示,气流A被描绘成一个不显眼的沿方向B的线性流和一个不显眼的沿方向B'的弯曲的线性流,气流A可以被想成是循环的或旋转的暖空气流或暖空气团。通过入口阀16和通风阀36的操作,以及发电机14和其他废热发电机的操作,或通过替换来自热电池22的储存能量直到电池被废弃,罩壳12内的内部环境温度和特别是气流A在预期的温度范围内是稳定的,在该温度范围内,热泵30是有效的或者是最高效的。必须记住,随着外部环境温度降低并接近0℃以下,根据本发明在罩壳12内部没有稳定环境,热泵30的效率也会快速降低以至于热泵30实际上在加热或辅助加热住宅10方面是无用的。
[0075] 在进一步的实施例中,换热器20、28或另一个换热器被用于为住宅加热热水,例如利用常规的设置在住宅或罩壳12(优选后者)中的热水槽。来自换热器使用过的热液体制冷剂通过盘管被引导到热水槽中,从而预热 或者完全地加热热水。在下文描述的进一步的实施例中,采用水套与圆柱形蓄热装置中的热电池结合提供热水供应。
[0076] 控制器40的一个目标最好是能够平衡能量的产生,通过来自罩壳12中的发电机14、压缩机和泵的废热,结合来自热电池22内部的储存能量的利用,以及在下文描述的进一步的实施例中热水储存槽中储存的能量,以便于在外部环境温度持续降低或已经足够冷时(此时不进行人工加热罩壳12内部的环境,热泵30的效率将会很低,或者处于它的除霜周期,或者不能产生热量)维持罩壳12内部某种程度的稳定温度。当外部环境温度变暖时,控制器40可以采用废热主要为热电池22充电,以便于在热电池22中存储尽可能多的能量。一旦热电池被充电,控制器停止发电机14的使用,因此将住宅10内的电力应用切换到公用事业电网主电力供应,或者如果由于电力消耗成本需要(例如如果控制器确定其处于峰值使用期),或者无法从公用事业电网获得电力,那么控制器40可以向NEE发送信号,根据本发明从邻域热电联产单元供电,或者可以继续运行发电机14,过量的热能可以通过打开阀门16从罩壳12中被废弃,以允许外部环境空气通过入口16a流进罩壳12,并从罩壳12通过阀门36排出暖空气。除霜虽然通常是负面因素,因为需求能量同时使热泵失效,但是当这样做有利于成本时,除霜可以在目前的热电联产系统中使用,用于加热例如热水,尽管热泵实际上并不需要除霜。
[0077] 本领域技术人员应该知道,热泵30可以是那种既可以被用来加热又可以被用来冷却住宅10的。由于控制器40检测上升的外部环境空气温度,所以当需要冷却住宅10而不是加热住宅10时,风扇32沿方向B吸入外部环境空气温度的空气,可以采用换热器20以在气流A进入热泵30之前冷却气流A,例如从地热热沉或其他冷源例如制冷盘管48中向住宅10中的换热器20提供冷流体。提取的热量可以用于为住宅10加热热水、蓄热、地板供热等。
[0078] 如图所示,冷源之一可以是空气推进器或空气处理系统44,其包含风扇46,在一个实施例中,不倾向于限制,包含制冷剂盘管48。风扇56使空气循环通过住宅10,并使在制冷剂盘管48上空气循环。制冷剂管线50在热泵30和空气处理系统44之间运载制冷剂,以将冷或热空气D提供到 住宅10内。
[0079] 供电线路52从发电机14为电源逆变器54供电。电源逆变器54通过供电线路52a为配电盘56提供电力。配电盘56通过电路58为住宅10内的插座60提供电力,住宅10的插座60可包括常规的电器电源插头60a或者受控制的电气连接60b,通过通讯线路62的方式控制,通讯线路62与现场能量生态管理系统控制器64通信,该控制器64也可以构成控制器40的一部分。
[0080] 控制的电力设施断开/转换开关66通过电连接68电力设施表70和电力设施电连接72控制与电力设施主电网的电连接。通信线路74提供现场能量管理系统控制器64与邻域能量管理系统(下文更好的描述)之间的通信。从配电盘56通过电路76向罩壳12内的各组件提供电力。
[0081] 根据本发明的热电联产单元的冬季运行在图10a和图10b和图11中模拟,其中图10a和图10b是显示温度和流量的示意图,图11设置了与图10a和图10b所示的图解模型相关并支持该模型的计算和假设。特别的,环境空气温度是-15℃,从发电机流出并提供给热泵冷端的空气的温度是67.9℃(其中的能量在其他方式下作为废热损失),从热泵供应给住宅的热空气供应温度为31.9℃(返回的空气温度为18℃),从热泵冷端流到热水槽换热器中的空气温度为55.8℃,然后流到热电池换热器的温度为55.1℃。在空气团中在罩壳(图中以点化线示出)中以方向B'旋转,返回气流到并越过/围绕发电机(从而从发电机中取出废热)的空气温度为20℃。
[0082] 尽管图表模型不是意味着单独依靠图1a和图1b中的实施例(修改为加了热水换热器)推断,图表模型意味着适用于其他热电联产系统的实施例,例如下文描述的,为了参考简便,图1a和图1b中的附图标记和字母同样适用于图表模型中使用的相应部分。此外,尽管图表模型中示出的数值化的模型温度、流量、耗电量和发电量表示预期的数据趋势,但是申请人不希望被保持在确切数值所代表的结果上(温度、发电量、效率等),因为图表模型计算以外的其他变量和对图示模型计算的基础假设有影响的因素会影响到实现本发明热电联产方面实际获得的结果。然而,尽管如此,基于发电机效率18%的图表模型,以每小时0.51美元的花费返还全部的99%的效率,这来源于热泵COP7.9的效率,每小时花费-0.17美元。根据下 文设置的NEE管理的政策,图表模型假设在住宅中消耗2千瓦电能,大约向邻域电网输出5.5千万电能。
[0083] 在图3所示的热电联产系统另一可选实施例中,设置与图1a和图1b所示的热泵相比,热电池和发电机在罩壳中重新布置。特别是,在罩壳100中,热电联产单元蓄热装置102包括中空中心导管104,用于使得空气经过导管104流动。导管104容纳布置在其中的热泵的冷凝器106。导管104形成在固体圆柱形热保持核心108中并沿着核心108成形。核心108形成为蓄热装置102的一部分。水套110形成在核心108和热电池112之间。水套110可以成形为例如所示的圆筒形(虽然并不倾向于限制),从而在围绕核心108的套筒中提供热储槽。导管104和核心108可以是圆柱形的用来均匀地分布传热,或者是圆形以外的其他截面形状,只要是封闭的,例如完全封闭在水套中和多层蓄热装置的其余部分中。因此水套110是自封闭的,例如完全被嵌套在其中包围热电池11。热电池112是例如包括固体石蜡以为热电池提供蓄热的一层。包括核心108、水套110和热电池112的整体蓄热装置因此可以是如图所示的圆柱形,虽然并不倾向于限制。
[0084] 由于蓄热装置层嵌套设置在中空导管104周围,到热核心108或热电池112的单独的换热器、或者为热水提供热量、在地板供热中等就不是必需的了。否则需要采用单独的换热器来加速换热,这种情况下相应的泵如前所述被安装在罩壳100内,从而增加了在罩壳中空气团变暖的废热。罩壳可以接近椭圆或与“蛋”类似的形状,或者在罩壳100内设置成半球形,使得罩壳100内的空气团沿方向D有效地旋转,从中空导管104的一端到另一端,如图2所示。
[0085] 来自发电机122的热排气流经核心108中的螺旋形盘管的进气管114。这加热了核心108,核心108又依次加热了经过导管104的气流D(用于加热蒸发器106)和水套110中的水。热电池层112中的螺旋形盘管118容纳液体冷却剂或制冷剂,用于与热电池层换热,加热或预热散热器或地板供暖。当水套110中的家用热水没有被使用时,例如非峰值需求,水套110用作热水槽提供热水供住宅中使用,也提供核心和热电池之间的换热媒介以及热储槽。
这利用了其他方式中会被当做废热从住宅独立的热水槽中损失的热量。水通过导管110a流进或流出水套110。
[0086] 在图3所示的可选实施例中,罩壳100'不是水平的延伸而是垂直的延伸,例如图示的钟形,从而容纳垂直定向的热电联产单元蓄热装置102。发电机122安装在其下,因此气流D是垂直的,利用了热空气流的自然上升,较冷的返回气流D'(等同于图1a和图1b中的返回气流B')因此在较冷、密度更大的空气的自然下降的辅助下向下流动。
[0087] 在进一步的实施例中,提供了如图9所示的五路螺线盘管换热器系统,用于与具有冷凝器106的集成在内部导管104中的单一空气源热泵使用,导管104提供了热电联产单元102的空气通道。螺线管用来转换或改变冷却剂/制冷剂流进或流出热泵冷凝器106的流动方向,从而:加热家用热水,充电/耗尽蓄热电池,加热地板供暖流体,提供空间加热(空气处理盘管),利用包括挡板等(同时也提供消声器的功能)的单独的空气室从排气捕获热量,“移动”或“转换”多个圆筒室之间的能量(也就是说,当不需要给空间加热过程提供热能时,充入的家用热水热能被抽出),捕获和存储空气调节热能给多个圆筒“层”组件;加热家庭热水,加热地板中流体以及加热蓄热电池。
[0088] 罩壳100包围的空气团被风扇拉/推出圆柱形蓄热装置的中央导管104,流过一个或多个换热器,从蓄热空气导管104排出,自然地向着罩壳100的上部上升。然后空气向着空气导管104的入口循环回去,在空气导管104的入口处风冷发电机的空气入口利用空气冷却自身同时将热能引入空气,然后空气以旋转方式绕着罩壳的内部重复其路线。
[0089] 发电机排气流经位于临近空气管道的固体保温核心内部的螺线导管,流经围绕第二核心盘旋的导管。第二核心包括有利于从燃气抽取热能的固体材料,例如灰渣与树脂的混合物或者碳和水泥的混合物或其他本领域技术人员已知的混合物,并根据排除燃气之前抽出和存储热能的最大值进行大小排列。
[0090] 一个或多个换热器设置在入口、出口或空气室内部,使得气流经所述换热器取出或引入热能,根据具体情况而定是在空气和蓄热装置之间,或者在多个圆筒形核心层之间。由于临近的核心互相接触,所以临近的核心在互相之间传递热能。
[0091] 罩壳100的材料、设计和表面积从太阳捕获热能,同时是绝热和密封 的以捕获罩壳包围的区域内产生的任何热能并最小化罩壳包围的区域内产生的任何热能损失。罩壳内腔平滑地弯曲以辅助空气在空腔内以旋转的方式循环。此外,罩壳为元件提供保护,抵抗材料的堆积,以及野生生物的入侵,并通过升起盖部件防止阻塞空气的进入和排出以控制空气交换和通风。
[0092] 下面是加热循环的示例:
[0093] 恒温器登记低于预定温度的温度,向OEE发送信号请求加热。在接合热电联产系统提供加热之前,OEE控制器核对时间,确定所述请求发生在峰值需求。这一信息与峰值需求规则互相参照,峰值需求规则指示OEE控制器如果需要加热则在上午6-9点之间发电。然后OEE控制器执行以下步骤/动作:
[0094] a.核对规则,控制器发现如果能量可用并具有预先核准的授权,则网络仪表规则指示热电联产单元向NEE电网或公用事业电网提供超额的电能。
[0095] b.热电联产单元启动其空气冷却发电机并提速以提供最大值的电能,例如5KW。
[0096] c.空气运动在罩壳腔内启动;流过发电机的空冷入口和排气装置,其包含了从发电机抽取的热能,在换热器和蓄热装置(热电池)之间循环。
[0097] d.传感器向控制器传送数据,包括:
[0098] i.空气温度
[0099] ii.湿度
[0100] iii.蓄热装置中可用的热能。
[0101] e.发电机向热电联产单元内部系统和组件提供电能,将超额发电量与从公用事业传输给现场的电同步。
[0102] f.发电机燃烧和排放的废气被导管从罩壳腔分离,确保发电机的燃烧过程不会污染腔内的空气。
[0103] g.发电机的排放废气在被排除到外部环境之前经过排气蓄热装置,排气蓄热装置抽取了废气热能的绝大部分。
[0104] h.通过发电机、泵等在罩壳中放出的废热,经过通过腔体的旋转,罩壳腔内的空气温度缓慢上升。多个换热器从腔内空气吸热,也向腔内空 气放热。
[0105] i.传感器向热电联产单元控制器提供实时反馈。
[0106] j.同时,热电联产控制器响应于来自以下装置的控制指令:
[0107] i.OEE系统和规则
[0108] ii.来自邻域能量生态系统(NEE)或社区能量生态系统(CEE)的发电请求。
[0109] k.当OEE最初请求发电和加热时,蓄热装置缓慢的蓄热以供随后当需求加热时使用,当规则指示不要发电但是住宅需要加热时。
[0110] l.与以上步骤结合,容纳在单独的导管线路中的热水、地板供暖冷却剂或制冷剂的组合物在各自蓄热组件的每个中以螺旋形模式通过,互相之间协同地引入或者取出热能。
[0111] m.当OEE发信号表明需要的温度已经达到时,热电联产控制器然后核对规则中有关以下方面的指令:
[0112] i.发电机运行时间,
[0113] ii.蓄热装置热容量等级,
[0114] iii.来自NEE或CEE的关于电能的请求,如果有的话。
[0115] n.取决于蓄热的状态和电力需求,热电联产单元可以继续发电,进一步为蓄热装置蓄热,或者停止运行,或者提供电力和/或如果不能利用的话排出剩余的热量。
[0116] 如果热电联产控制器或OEE确定时间是例如下午1点(也就是说非高峰),通过核对网络仪表规则指示不发电,则热电联产单元可以继续运行其泵、热泵、换热器、空气处理器、蓄热装置,取决于蓄热装置的状态,按照需求向住宅提供加热和热水,直到蓄热和/或热水被耗尽。
[0117] 现场能量生态系统(OEE)包括设置在住宅内的一体化触屏计算机,能量的用户可以容易的看到,如果想的话也可以接近。OEE由室内的电线供电,也利用电线或其他通信手段在交互式电插头和用电装置之间通信,同样也在热电联产单元和/或其他现场发电系统之间通信。OEE计算机会显示实时信息,例如能耗、发电量、数据趋势、成本等。OEE计算机具有数据库,其中包含提供用户消耗的趋势分析(如图形界面)的信息,例如经过上一天、24小时、周、月等。
[0118] OEE与交互式电插头通信并对他们进行微取样,用于通过其数据库系统进行能耗和趋势分析。一个例子是如果室内的第一插头上安装有或插接有娱乐系统、电视或其他类似装置,第二插头有照明或用于空间加热的加热设备。OEE监控两个单独的插头,例如每毫秒取样一次,进入数据库并监控能耗图。OEE计算机程序然后可以分析和模拟或公式化表达住宅内的能耗模式结论,从而使OEE可以基于应用预测能耗和需求。系统运行越久OEE计算机收集的数据就越多,然后能够计划出房间从电网获得的能源需求,并以主动的方式传达计划的需求。与不同的单独的交互式电插头通信的另一方面方面和优点在于,通过微取样和趋势分析,OEE计算机程序能够确定是否有电力短缺或特定插头的故障或相应设备的故障。OEE主动通过插头与插头或设备交互作用。在适当的情况下,插头或设备可以被关闭。
[0119] 与本发明减少按照单独能量使用的家庭的常规地窖和有关的废热或热量损失的目标一致,其他可以被回收而不是作为废热被损失掉的热源的例子包括:灰水,包括绝热材料的墙体绝热材料,建筑纸板,太阳能加热器释放的额外热量,这些热量是偶尔不能被常规的太阳能驱动的储热器存储的额外热量,超出家庭需要的地热。
[0120] 根据本发明进一步方面的协同能量生态系统(SEE)包括多个能量生态层。
[0121] OEE计算机可以提供住宅内能量使用的实时数据。看到这份实时数据的用户可以看到不正常的高能耗并定位高能耗的来源。用户可以查询OEE计算机,确定哪一个插头,也就是说哪个设备分配给了那个插头,分析或在住宅到处走看是哪个设备在耗电。OEE计算机能够与邻域能量生态系统(NEE)中的其他OEE通信。现场的OEE计算机基于伺机发电或能量减少模型监测和控制现场的发电和能量减少,这也允许OEE计算机与邻域中的其他OEE在成果和容量方面合作。邻域中的OEE通过NEE配合。在一个实施例中,邻域被限定为那些直接连接到本地电变压器的OEE。因此在那个实施例中,变压器是确定控制哪些OEE在特定NEE的邻域中的决定因素。每个OEE首先与相应的NEE通信取得指令,从而与其他邻域OEE在发电和能量减少工作方面合作。热电联产单元在邻域中的一个或多个OEE的所在地称为在现场,但是并不限于此。每个热电联产单元现场发电、产生热 量和热水用于如上所述的消耗。多个规则确定每个热电联产系统将什么时候发电。规则包括识别多个因素,例如时间、季节、电网能耗、现场需要的能量种类,并确定何时将能量通过电网推出出售给公用事业。适当的规则可以是这样的,如果OEE正在那个地点同时发电和产热,并且将要能够生产出超额的能量,那么OEE可以将超额的能量通过其NEE提供给其他OEE,或者将超额的能量通过电网出售给电力公用事业。
[0122] 因此每个OEE可以与其NEE协同,并且通过NEE向邻域中的其他OEE提供能量。例如,如图12所示,如果一个邻域中有六户家庭,其中两户具有热电联产单元,六户全部有OEE,则两个热电联产单元的规模和容量将会是在全运行容量中,两个单元能够产生足够的电能满足整个邻域的能量需求,包括四个没有热电联产单元的家庭。OEE能够管理额外的或单独的能量生产系统,例如太阳能、风能、天然气等。太阳能和风能发电仅仅是绿色能源技术的示例。由绿色能源技术产生的能量被相应的OEE主动传送给现场的发电机,或者在那一点不足的特别时刻传送给其他OEE。NEE然后可以在多个OEE之间进行协调,缓和或补偿用例如是太阳能板或风力发电系统产生的能量的短缺或过剩。绿色能源技术的问题之一是当需要时,例如峰值需求期,可能无法生产能量。峰值需求期一般在上午6-9点和下午5-10点期间。峰值需求期间是大多数电力设施满容量运行的时候。热电联产单元产生超额的能量或者响应于NEE中(有些情况下也从NEE外部)多个OEE的反馈缓和他们的能量输出,在这里参照社区能量生态系统CEE。
[0123] CEE监控社区整体,在CEE中有多个NEE,以及在每个NEE中有多个OEE。通过组合或缓和太阳能或风能发电机的输出,或他们输出的不足,NEE和OEE缓和任何能量生产容量的过度和不足。OEE程序可以直接通过屏幕或图形界面与用户接触,但是也可以通过其他通信系统例如e-mail或短信、使用例如智能手机设备与用户接触。因此为了适当的发电和适当的能量减少,如果公用事业在特殊时间需要超额的能量,公用事业可以在OEE级别联系消费者或用户请求帮助生产能量或者减少能量消耗。OEE程序可以学习正在使用该系统的用户的行为,以及现场住宅的实际情况。OEE程序建立一个数据库和一个概况,这将允许OEE程序主动地提高发电量或者减少能量输出。这一信息对当地社区级别是有价值的和有益的,因为,上 游的电力设施和电网的管理者可以更好的补偿能量产生、发电和分配。另外,他们获取信息的能力对于工业来说是有价值的,例如需要提供何种智能仪表这样的信息。
[0124] OEE的协作能力通过在NEE内部的一起协作有利于主动帮助防止电网故障,并且即便在故障中也能够支撑邻域。
[0125] 图12中所示的邻域能量生态系统(NEE)仅仅是一个示例,因为用于任何特别的邻域的NEE都可以更加简单或者更为复杂。然而前提还是一样的。NEE作为一个集体起作用,并且被NEE处理器管理,NEE处理器可以设置在特殊的居所或者具有OEE处理器的住宅。NEE的处理和那个住宅OEE的处理可以在同一个处理器内完成。
[0126] 在NEE中,个体的居所或住宅有他们自己的OEE处理器。至少一个居所或住宅具有根据图1a和图1b实施例的现场热电联产单元或系统,或者其派生或等价系统,当使用时,罩壳的开口空腔内部的旋转的暖空气团使用废热被加热,废热来自于系统罩壳内部所有组件(包括发电机热泵),从而暖空气施加热量到热泵的冷端。这在外部空气温度低时提供了有效的热泵运行。下文中热电联产单元或热电联产系统可选择地被称为CS。
[0127] 优选的,每个NEE具有一个以上的CS。每个CS具有自己的OEE控制器,例如控制器40。NEE内的居所或住宅,但是没有热电联产系统,仅仅是能量用户,这里称为无CS用户。这种无热电联产能量用户依赖的电力产生于:(1)NEE内的热电联产系统;(2)来自NEE外部的热电联产系统,但是例如在形成的CEE的NEE邻域社区内部的附近邻域中(例如这种社区可以是整个自治城市,郊区,村庄,镇区或甚至一个城市);或(3)电力设施公司维护的常规的电网。
[0128] 在邻域内NEE处理器监控时间,OEE热电池的充电状态,根据一天中的时间、一年中的季节等确定的常规电网的能量成本,以及从每个CS了解能量成本,间隔地或者充分连续的比较从而知道什么时候让CS开始为相应邻域中的居所和住宅发电。每一个参与的邻域中的居所或住宅已经同意现有的规则,规则设置了分配电力以向邻域供应的协议,也就是向邻域中签署协议的居所或住宅供应。当NEE处理器或OEE处理器指示这样做经济时,具有CS的居所或住宅向自己的建筑物供电。但是当CS的OEE处理器向 NEE处理器报告他们产生了过量的能量超过了CS居所或住宅需求时,NEE处理器可以指派CS处理器向无CS用户提供电力。NEE可以连续地或者隔一段时间向CS的OEE处理器查询这一信息。来自CS的OEE的可用电量的历史数据会使得NEE处理器能够预知在邻域中分配的可用电量。
[0129] CS的OEE处理器会向邻域汇报与可用电量相关的其他因素。例如,如果特定的CS具有部分或全部耗尽的热电池,CS的OEE处理器会向NEE处理器发送信号表明它需要运行发电机为它的热电池充电。相反的,如果特定的CS热电池充满了电,则相应的CS处理器不想再运行它的发电机,除非可以使他的所有者获得高的金钱回报率,或者需要例如仅仅加热热水(如果那个CS配置成这样并且需要加热其热水槽或具有地板供暖和住宅需要供暖等)。
[0130] 在实例中,CS并不归相应的居所或住宅的主人所有,而是例如仅仅是从NEE的所有者或经营者(可以是电力设施公司或其他)那里租借CS,作为租赁条款的一部分,当NEE处理器指派运行时,居所OEE处理器没有选择只能这样做。因此当例如峰值需求期间,当来自电网的电力同来自NEE内的CS的电力成本相比不经济时,NEE处理器可以指派租借的CS运行,优先于其他例如热电池等级的因素向邻域提供电力。
[0131] 由图10a和图10b中的模型可以看出,以整数表示,每个峰值需求夜晚每个CS可以比其内部需求(也就是说其居所或住宅需求)超额发电供应大约6KWH,同期每个无CS用户需要2KWH,那么每个CS可以支持3个邻居。NEE处理器从其历史数据追踪中知道这一情况。如果特定的无CS用户在特定的峰值需求期需要超过其通常的消耗量(例如2KWH),那么NEE处理器可以从多个可选方案中采取一种措施,即:(1)引入更多的CS在线向NEE提供更多的电力,并允许无CS用户增加的需求;(2)允许供电以满足增加的需求,只要并直到NEE内无CS用户全体地需要他们的历史电力分配,这时发信号给更高需求的无CS的OEE通知其需求不能被满足(因此,如果那个居所装配有交互式设备或交互式电源插座,则具有NEE处理器或OEE处理器为那个居所关闭不重要的设备或应用的电源,使用居所内的OEE显示器首先警告用户,并选择哪一个耗电设备或应用继续而不超过允许的最大耗电量);(3)核对那个特定的无CS用户预定计划(在方案 中无CS用户可以使用不同的预定计划),如果那个无CS用户的计划允许该用户超过历史需求一个阈值的额外电力,那么提供需求的超额的电力(例如,如果那个用户支付额外的费用就不中断供电服务),否则向居所内的OEE显示器发送警告,一旦警告,如果居所这样装配,则开始通过与交互设备和电源插座交互而关闭不重要的用电或者将这种使用切换到非峰值之间以减少用电量,或(4)将那个无CS用户切换到费率更高的主电源。
[0132] 由于邻域之间例如变压器之间的能量损失,每个NEE处理器仅在经济时或紧急情况下向CEE提供超额电力。在电力设施电网供电故障的情况下,或者由每个OEE和NEE处理器公认的其他紧急情况预先设定下,电力分配通过CEE处理器在整个CEE中协调,例如越过NEE处理器的内部优先判断,同时要求所有CS尽其所能最大程度运行,记住在紧急情况下依赖于例如天然气运行的CS可能是不能运行的,如果其天然气供应故障的话。一个例子可能与停电结合或是由于地震,地震使得天然气输送中断。在易于发生这种紧急状况的地区,CS可能装配成例如在CEE或NEE处理器向OEE处理器发出紧急信号的基础上默认为可选择燃料。
[0133] 根据前述公开,在本发明实施过程中多种不脱离本发明的精神或者范围的改变和变形是可能的,这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此,本发明的保护范围依照下面的权利要求限定的主旨被解释。
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