用于产生电能的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电的方法以及发电机系统。
【背景技术】
[0002]现有技术中的典型发电机系统由内燃机、燃料箱和发电机组成。内燃机包括具有对应的一组往复式活塞的一组气缸。与以上布置相关的问题之一在于，移动活塞和其它移动部件必须不断地用油润滑，这对于内燃机的运行温度具有显著影响。进而地，运行温度在考虑效率系数时是一个重要因素。上述发动机承受小于100摄氏度的运行温度，而耐久性无明显劣化。该温度对于蒸发水而言太低，因此不能有效地用于发电，即其仅为废热。
[0003]美国专利2，095, 984(H.Holzwarth)公开了一种爆燃式透平机设备。该爆燃式透平机设备包括:脉冲转子、用于产生爆炸气体的无活塞爆炸腔室和用于使气体膨胀并将气体引导至转子的喷嘴，该转子仅通过所述气体的间歇喷出而被驱动。
[0004]现有技术中的另一典型发电机系统由燃气轮机和受燃气轮机的轴驱动的发电机组成。燃气轮机的问题在于，燃烧室处于相对低的压力，这是因为燃气轮机的燃烧室实际上是一个开放的空间。燃烧室的低压力使效率系数显著下降。在Holzwarth的涡轮机设备中，间歇的低压力使效率系数显著下降。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的是提供一种方法和一种实施该方法的系统，以克服上述缺点。本发明的目的通过特征在于独立权利要求中所述的内容的方法和系统实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
[0006]本发明基于这样的思想:将燃烧室布置在燃气轮机外部并提供压缩空气到燃烧室，以便在受控和最佳条件下执行燃烧过程。
[0007]本发明的方法和系统的优点是，燃烧室内的条件对于燃烧过程可被优化，这显著提高了系统的总效率。燃烧室可具有几百摄氏度的运行温度，并且压缩室内部的压力可类似于往复式内燃机的柴油循环中的压缩冲程结束时的压力。这样的温度提高了燃烧过程的效率，并且由于高温度，热量可容易地转变为电力。
【附图说明】
[0008]下面将参照附图借助于优选实施例更详细地描述本发明，附图中，
[0009]图1示出了根据本发明实施例的第一发电机系统；
[0010]图2示出了根据本发明实施例的具有蒸汽循环系统的第二发电机系统；
[0011]图3示出了根据本发明实施例的具有喷油器或喷油器系统的第三发电机系统；
[0012]图4示出了具有两个燃烧室的系统的细节；以及
[0013]图5示出了在根据一实施例的系统中的压力随时间的变化。
【具体实施方式】
[0014]参照图1，发电机系统包括轴向地或经由传动装置20与发电机26和压缩机24连接的涡轮机22。该发电机也可以轴向地连接到涡轮机22。当能量借助于流过涡轮机的流体被供应到涡轮机时，涡轮机22的转子旋转。涡轮机转子的旋转驱动传动装置20以及均被连接到传动装置的发电机26和压缩机24。涡轮机、发电机和压缩机可以借助于驱动轴、轮轴或其他适当的动力传递装置连接到传动装置。这种布置将供应到涡轮机22的能量利用发电机26转换成电能输出99，以及利用压缩机24转换成空气压力，该压缩机对空气进行压缩，以用于燃烧室10。在一个实施例中，压缩机24使压缩空气积聚到空气罐32中，该空气罐随后将积聚在空气罐32中的压缩空气供应到燃烧室10。压缩机24优选地是螺杆式压缩机，其非常有效且能够提供高压力到燃烧室10和空气罐32。在一个实施例中，该系统包括与第一螺杆式压缩机24串联连接的第二螺杆式压缩机，以提供甚至更高的压力到空气罐。在一个实施例中，该系统包括轴向式压缩机24(诸如径向式压缩机)和与轴向式压缩机24串联连接的螺杆式压缩机的组合，以提供空气到空气罐。该一个或多个压缩机优选地设置成建立超过20巴的压力到空气罐。在一个实施例中，该一个或多个压缩机设置成建立超过30巴、35巴或40巴的压力到空气罐。在一个实施例中，压缩机24可通过电动马达被驱动。在一个实施例中，中间冷却器可设置在串联连接的第一压缩机和第二压缩机之间，以冷却压缩机之间的空气。该中间冷却器进而可用来产生蒸汽和/或热空气，之后将它们供应到燃烧室。
[0015]该发电机系统还包括燃烧室10，该燃烧室被布置成接收来自压缩机24或来自空气罐32的压缩空气以及来自燃料箱30的燃料，以引发燃烧过程。压缩空气借助于可控阀门从空气罐被释放到燃烧室10中。压缩空气在进入燃烧室之前被热回收单元40预热，该热回收单元将来自燃烧室的热量传递给压缩空气。当该系统启动并且燃烧室处于室温时，压缩空气也可被其它装置预热，例如用电阻器电力地预热。燃料被从燃料箱释放或泵出并喷射到燃烧室中。燃料优选地是柴油或液态天然气(LNG)。在一个实施例中，燃料是汽油、天然气、乙醇、生物柴油或者两种或更多种上述燃料的混合物。在一个实施例中，燃料包括氢气和一氧化碳混合物，该混合物是碱回收单元的副产物。在一个实施例中，水或蒸汽可与燃料一起被喷射到燃烧室中。
[0016]喷射到燃烧室中的燃料由于燃烧室内的高的压力和温度而点燃。燃烧室中的高压力通过将空气从空气罐释放到燃烧室而形成。除了预热，燃烧室的热量加热燃烧室内的释放空气，并建立甚至更高的压力。当系统启动且燃烧室还没有达到其运行温度时，点火装置可用点火线圈、电热塞、预热装置或加热器装置而被触发。燃烧过程产生热量，该热量通过加热被引入到燃烧室中的燃料和压缩空气而加热燃烧室并保持燃烧过程运行。在一个实施例中，点火装置也用在系统启动之后的燃烧循环中。
[0017]燃烧室10优选地是中空容器，具有用于燃料和压缩空气的输入装置和用于燃烧产物(即废气)的输出端。这些输入和输出是可控的，并且可以在燃烧循环的特定阶段关闭和打开，以便在燃料的点燃之前建立进入燃烧室的压力以及在点燃之后排出燃烧产物。燃烧室中的燃烧过程是一个至少类似于狄塞尔(Diesel)循环的循环过程。来自空气罐的预热的压缩空气被引入到燃烧室中，且燃料被喷射到燃烧室中，直到空气-燃料混合物点燃。空气-燃料混合物的燃烧使其体积膨胀，从而燃烧产物和压缩空气在输出阀门打开时通过输出端被排出。燃烧循环的运行速度通过控制该输入和输出阀门来控制。所述运行速度可在系统性能限定的一定范围内自由选择。可能限制运行速度的这些性能可以例如是阀门的操作速度、空气罐中的气压、燃料类型等。然而，所述运行速度可在每个系统中被调整以获得最优性能，这是因为它不受移动活塞或类似的移动质量的物理限制所限制。
[0018]优选地，燃烧室具有简单的形状，最优选地是球体或圆柱体，以便能够进行快速的、彻底的和完整的燃烧过程。这种简单形状确保了较高的运行温度，这提高了效率并降低了燃烧过程中产生的有害颗粒和气体的量。燃烧室被设置成在高温下运行。除了简单形状夕卜，燃烧室的材料也必须能够承受高温，而不会使性能或耐久性显著劣化。燃烧室的材料可以是陶瓷、金属、合金或优选两种或更多种材料的组合。例如，燃烧室可包含具有陶瓷内涂层的合金壳体。该合金壳体承受高压和强力，同时陶瓷内涂层承受高表面温度。燃烧室的构造优选地设置成承受400摄氏度的运行温度。在一个实施例中，燃烧室设置成承受500、600、700或800摄氏度的运行温度。燃烧室自身不包括任何运动部件，因此将燃烧室设计成承受高温是相对较简单的工作。遭受最高热应力的运动部件是燃烧室的输入和输出端口处的阀门。然而，容易得到被设计成在这些温度下工作的阀门，因此设计和实现一种耐用的阀门系统应该是相对容易的工作。
[0019]燃烧室10的输出端将来自燃烧室的燃烧产物和压缩空气所组成的气流(stream)引向涡轮机22中。由于燃烧室中的高压力，当输出端打开时，所述气流以高速度被排出。通过使输出端和空气输入端同时打开一段时间，燃烧产物的排出可增强。涡轮机22包括转子，当气流流过涡轮机时，该转子