专利名称：发电机-热泵复合装置的制作方法
技术领域：
本发明系关于一种能量产生装置，特别是可以产生电力及/或产生冷热的装置。
背景技术：
由于科技发展与经济进步，对于人们日常生活或经济活动而言，电力已经变成不 可或缺的必需品。缺少电力造成生活不便自不待言。再者，由于气候暖化造成的天气异常， 使得近年来在世界各地发生的灾害的频率与规模皆大于以往。脆弱的电力系统也首当其 冲，因而造成无法稳定的提供电力。同样地，冷冻空调设备亦成为现代化生活的重要的一环。大部分的冷冻空调设备 是以消费电力的方式来运转。一旦发生停电，这些冷冻空调设备便会停摆。对于习惯于舒 适空调环境的现代人而言，停电会严重地影响生活质量。另外，冰箱因停电无法制冷，使得 存放于冰箱的食品变得容易腐坏，而且可能需要被当作废弃物来处理，这会是损失。如果这 些有可能已经腐坏的食物被误食，亦可能有害地影响食用者的健康。尤其对于制造业、食品加工业、超商、大型卖场、旅馆及医院等等而言，电力更是重 要。因此，为防范缺电所造成的损失，大型卖场、饭店或医院大多会准备备用的发电设备。 然而，此类型的发电设备一般多为大众所知的柴油发电机。柴油发电机运作时不仅噪音大， 而且会产生大量的有害废气。这会造成空气污染，使周遭的人感觉不舒适。另外，为了确保 柴油发电机足够长的运作时间，必须预先储存一定量的油料。因此，需要额外的油料储存空 间，而产生相对的油料储存成本。再者，储存油料具有潜在的风险。当柴油发电机的油料即 将耗尽时，必须以人工补充油料，不仅危险且极为麻烦。一种可同时提供冷热的发电系统，例如已揭示于中国台湾专利公告第3898M 号结合加热、通风及空调(HVAC)的发电装置，或是例如所谓的冷热电混合系统(CCHP， combined cooling heatingand power system)。此类型的发电系统一般为回收发电的后 的废热，配合热致动热泵或吸收式热泵的使用，而产生冷热。然而，其缺点是内部构造复杂， 热交换器多，易产生热损失，而且制造成本高，维修不易。此外，吸收式热泵需要有足够且稳定的热源或废热源，例如从涡轮机的排气或工 业制程所排放的废热，并不适合装设在一般家庭。因此，无论是基于成本或技术问题的考 虑，很难将上述类型的先前技术推广至一般使用者。
发明内容
为解决上述的问题，本发明提供一种内燃机驱动的发电机-热泵复合装置。采用 天然气作为内燃机的燃料。天然气的主要成分为甲烷，燃烧后产物为二氧化碳与水，因此没 有污染问题。另一方面，在都市中天然气管线铺设普及率已经很高，故燃料取得极为容易且 便利。采用天然气作为内燃机的燃料的理由，除了考虑到环保问题之外，还虑及天燃气 的供应不会因为水灾或停电等因素而受影响，是一种非常稳定的能源来源。因此特别适合应用在本发明装置。此外，只需将本发明装置接到公共事业的瓦斯管线，即可获得稳定持续 的天然气供应。更可免除准备储存油料的空间以及因储存油料带来的潜在危险。本发明所揭示的内燃机驱动的发电机-热泵复合装置包含内燃机、变速装置、离 合器、热泵及发电机，其中内燃机经由变速装置及离合器分别与热泵及发电机连结，借助离 合器可选择性地驱动热泵及/或发电机，以便可选择性地只用于发电或只用于供冷供热、 或是同时用于发电以及供冷供热。变速装置则可用于调变内燃机的动力输出，这有利于发 电机及热泵在稳定转速下运转。再者，可根据用电需求及冷热需求的程度，借助变速装置调 整分配传递至发电机及热泵的机械动力。热泵可同时产生热源与冷源，以供应冷与热的需求，充分的利用能源，达成最佳的 能源利用效率。根据本发明装置，热泵可以为已知蒸气压缩式热泵，其中所使用的压缩机种 类包含离心式、螺旋式、涡卷式、往复式及涡轮式等等。为了达成高效率的热泵，可采用多级 交换器，如双效或是多效系统，如此可减少热损失。在冷热源温差超过摄氏25度以上的运 转条件下，蒸气压缩式热泵的能源效率COP (coefficient of performance)可达到7以上。举例而言，传统上已知的蒸气压缩式热泵大多借助电力致动的电动机来使压缩机 运转，以将气态冷媒压缩成高温高压的过热气态冷媒。接着，高温高压的气态冷媒进入冷凝 器(即热泵的热源)，在此散热并凝结成饱和液态冷媒。液态冷媒经过膨胀装置历经减压膨 胀后，变成低温液气混合冷媒，然后进入蒸发器(即热泵的冷源)内吸热并蒸发。因此可在 热泵的冷凝器及蒸发器分别形成热源及冷源，以达成供冷与供热的目的。根据本发明装置， 热泵的压缩机由内燃机经过变速装置以机械能带动。不需要经过能源转换，能源效率可大 巾畐提尚。
图1显示根据本发明的发电机-热泵复合装置的示意图；图2显示根据本发明的发电机-热泵复合装置的一部分，其中热泵由一体式电动 机发电机驱动；及图3显示根据本发明的发电机-热泵复合装置的一部分，其中热泵由一体式电动 机发电机驱动。
具体实施例方式为了进一步说明本发明，使本发明能被更清楚的了解。以下将以可行的实施例作 为说明。如图1所示，图1显示根据本发明的发电机-热泵复合装置的示意图。发电机-热 泵复合装置整体以组件符号1标示。发电机-热泵复合装置1包含内燃机11、变速装置12、 第1离合器13、第2离合器14、发电机15及热泵20。热泵20包含压缩机21、热源22、冷 源23、供热流体回路M及供冷流体回路25。由于蒸气压缩式热泵的构造，例如蒸发器、冷 凝器及膨胀装置为已知的，在此并不多加叙述。内燃机11与变速装置12耦接。变速装置12通过第1离合器13与发电机15耦 接，通过第2离合器14与热泵20耦接，具体而言与热泵20的压缩机21耦接。变速装置12可选自已知的齿轮系统的变速器、液压系统的变速器或连续可变变速器(Continuously Variable Transmission，简称CVT)。变速装置12可根据热泵及/或 发电机的负载，将内燃机11的机械动力调变成具有适当转速及扭力的旋转动力。将作为燃料的天然气供应至内燃机11。内燃机11借助燃烧天然气而运转。内燃 机11的机械动力经过变速装置12调变之后，通过第1离合器13及第2离合器14分别传 递至发电机15及热泵20。借助各离合器的分离与接合，可选择性的将内燃机11的机械动 力只传递至发电机15或只传递至热泵20，或同时传递至发电机15及热泵20。因此，发电 机-热泵复合装置1大致可在三种模式下运作，三种模式分别为热泵优先模式、发电机优先 模式及复合模式。在热泵优先模式下，第1离合器13处于分离状态，而第2离合器14处于接合状 态。这时候，发电机15将闲置不运转。内燃机11的机械动力将全部传递至热泵20的压缩 机21。当存在高度冷热需求时，如炎热夏天，需要大量冷气时，可将发电机-热泵复合装置 1设定在热泵优先模式。在发电机优先模式下，第1离合器13处于接合状态，而第2离合器14处于分离状 态。此时，热泵20将闲置不运转。内燃机11的机械动力将全部传递至发电机15。当对于 电力需求较大时，例如商业建筑与医院紧急供电需求等，可将发电机-热泵复合装置1设定 在发电机优先模式。在复合模式下，第1离合器13及第2离合器14皆处于接合状态。此时，热泵20 与发电机15同时运转，以同时供发电、供冷及供热。较佳地，变速装置12可根据热泵20及 发电机15的负载，适当地调整分配内燃机11的机械动力，使得热泵20及发电机15可各自 在最有利的转速、扭力条件下运转。如图1所示，热泵20包含压缩机21、热源22、冷源23、供热流体回路M及供冷流 体回路25。热源22即是热泵中的冷凝器。供热流体回路M行经热源22，并与热源22作 热交换。为了进一步的提高能源使用效率，可将供热流体回路M导经内燃机11的热端，如 此可再将供热流体的温度进一步提升，增加供热流体的可用性。同时，内燃机11也因此获 得冷却，进而提高发电机-热泵复合装置1的热效率。冷源23即是热泵中的蒸发器。供冷 流体回路行经冷源23，并与冷源23作热交换。供热流体可用于暖房及提供热水等等，而供 冷流体则可用于冷冻空调、制冰水及其它冷却需求等等。一般而言，供热流体可为水，供冷 流体可为水或空气。当然依使用目的的不同，其它适合的气态介质或液态介质亦可应用在 供热流体及供冷流体。较佳地，发电机-热泵复合装置1进一步包含自动切换开关16(Aut0matiC Transfer Switch，简称ATS)。自动切换开关能在市电供应中断时，将电力需求端的负载切 换至发电机-热泵复合装置1，而在市电恢复供电时，自动再将负载切换至市电。另一方面，发电机-热泵复合装置亦可应用于分布式电力供应。根据自行发电的 条件，选择消费市电或是自行发电。举例而言，若自行发电的成本比市电低，即使市电仍正 常供应，可将电力需求端的负载切换至发电机-热泵复合装置图2显示根据本发明的另一实施例，其中仅有发电机-热泵复合装置1的一部 分被显示于图2中。此实施例中，发电机15为一体式电动机发电机(integrated motor generator)。当市电正常供应时，一体式电动机发电机的发电机15亦可作用成电动机，并 以市电致动。在此情况下，使第1离合器13及第2离合器14处于分离状态，由作用成电动机的发电机15通过第3离合器17驱动热泵20的压缩机21，以便供冷供热。图3显示另一种替代方案，其中发电机-热泵复合装置1可另外包含电致动的电 动机。当市电正常供应时，电动机由市电致动并通过第3离合器驱动热泵20的压缩机21， 以便供冷供热。如此，根据本发明的电机-热泵复合装置，电机-热泵复合装置中的热泵可被独立 使用，如同一般热泵系统被使用来供冷供热。可达一机多用的功效。此外，当内燃机运作时， 较佳地使第3离合器处于分离状态。虽然在图1中揭示发电机及热泵以并联的方式来设置。亦可将发电机及热泵以串 联的方式来设置，如此，仍然可以同时发电、供热及供冷。此外，应了解的是，内燃机的燃料 并不以天然气为限。根据本发明装置亦可使用其它具有类似组成的气体、可燃气体或生物 质气体等等。因此，根据本发明的装置具有以下的优点1.天然气的供应不易受天灾或是停电影响，且天然气的主要成分为甲烷，燃烧后 只有二氧化碳以及水，没有其它污染物，更具环保的功效。2.天然气为可由公共事业(例如瓦斯公司)的瓦斯管线直接供应，不需要以人工 添加，省去储存燃料的成本及储存燃料带来的潜在危险。3.压缩机直接以内燃机的机械动力带动压，减少能源转换，提高能源使用效率。4.有助于分布式发电系统的实现。与集中式供电方式相比，可节省电力传输的损 耗与输配电的成本。5.在供电正常情况下，根据本发明装置中的热泵可以独立当作一般热泵使用，具 有一机多用的功能。上述为一可行实施方式，非为所限制。其它与本发明的等效结构应包含于本专利 范围内。
权利要求
1.一种发电机-热泵复合装置，其包含内燃机、变速装置、离合器、热泵及发电机，其中 用于产生机械动力的内燃机经由变速装置及离合器分别与热泵及发电机连结，借助离合器 的分离或接合可选择性地将机械动力传递至发电机及/或热泵，以便可选择性地发电及/ 或供冷供热。
2.如权利要求1所述的发电机-热泵复合装置，其中热泵为蒸气压缩式热泵，其包含压 缩机、冷凝器、蒸发器及膨胀装置。
3.如权利要求1所述的发电机-热泵复合装置，其中内燃机为燃气式内燃机，其燃料选 自天然气或生物质气体。
4.如权利要求3所述的发电机-热泵复合装置，内燃机的燃料由公共事业的瓦斯管线 供应。
5.如权利要求1所述的发电机-热泵复合装置，更包含自动切换装置，其可自动地将电 力负载由市电切换至发电机-热泵复合装置，或由发电机-热泵复合装置切换至市电。
6.如权利要求2所述的发电机-热泵复合装置，热泵又包含供热流体回路及供冷流体 回路，其中供热流体回路行经热泵的冷凝器并与冷凝器作热交换，而供冷流体回路行经热 泵的蒸发器并与蒸发器作热交换。
7.如权利要求6所述的发电机-热泵复合装置，其中供热流体回路行经冷凝器后，被导 入内燃机的热端，以对供热流体进行再热。
8.如权利要求6所述的发电机-热泵复合装置，其中供热流体及供冷流体选自水、空气 或其它冷媒。
9.如权利要求2所述的发电机-热泵复合装置，其中发电机为一体式电动机发电机，其 作用成电致动电动机，当市电正常供应时，借助作用成电致动电动机的一体式电动机发电 机驱动热泵的压缩机。
10.如权利要求2所述的发电机-热泵复合装置，更包含用于驱动热泵的压缩机的电致 动电动机，当市电正常供应时，借助电致动电动机驱动热泵的压缩机。
11.如权利要求1所述的发电机-热泵复合装置，其中发电机及热泵为以并联方式或以 串联方式设置。
12.如权利要求1所述的发电机-热泵复合装置，其中变速装置根据热泵及/或发电机 的负载，调整分配传递至发电机及热泵的机械动力。
13.如权利要求1所述的发电机-热泵复合装置，其中变速装置选自齿轮系统的变速 器、液压系统的变速器或连续可变变速器。
14.一种发电机-热泵复合装置，其包含内燃机、变速装置、第1离合器、第2离合器、热 泵及发电机，其中用于产生机械动力的内燃机与变速装置耦接，变速装置通过第1离合器 与发电机耦接，通过第2离合器与热泵耦接，借助第1离合器及第2离合器的分离或接合可 选择性地将机械动力传递至发电机及/或热泵，以便可选择性地发电及/或供冷供热。
15.如权利要求14所述的发电机-热泵复合装置，其中热泵为蒸气压缩式热泵，其包含 压缩机、冷凝器、蒸发器及膨胀装置。
16.如权利要求14所述的发电机-热泵复合装置，其中内燃机我燃气式内燃机，其燃料 选自天然气或生物质气体。
17.如权利要求16所述的发电机-热泵复合装置，内燃机的燃料由公共事业的瓦斯管线供应。
18.如权利要求14所述的发电机-热泵复合装置，更包含自动切换装置，其自动地将电 力负载由市电切换至发电机-热泵复合装置，或由发电机-热泵复合装置切换至市电。
19.如权利要求15所述的发电机-热泵复合装置，热泵更包含供热流体回路及供冷流 体回路，其中供热流体回路行经热泵的冷凝器并与冷凝器作热交换，而供冷流体回路行经 热泵的蒸发器并与蒸发器作热交换。
20.如权利要求19所述的发电机-热泵复合装置，其中供热流体回路行经冷凝器后，被 导入内燃机的热端，以对供热流体进行再热。
21.如权利要求19所述的发电机-热泵复合装置，其中供热流体及供冷流体选自水、空 气或其它冷媒。
22.如权利要求15所述的发电机-热泵复合装置，更包含第3离合器，其中发电机系一 体式电动机发电机，其可作用成电致动电动机，当市电正常供应时，借助作用成电致动电动 机的一体式电动机发电机通过第3离合器驱动热泵的压缩机。
23.如权利要求15所述的发电机-热泵复合装置，更包含第3离合器及用于驱动热泵 的压缩机的电致动电动机，当市电正常供应时，借助电致动电动机通过第3离合器驱动热 泵的压缩机。
24.如权利要求14所述的发电机-热泵复合装置，其中变速装置根据热泵及/或发电 机的负载，调整分配传递至发电机及热泵的机械动力。
25.如权利要求14所述的发电机-热泵复合装置，其中变速装置选自齿轮系统的变速 器、液压系统的变速器或连续可变变速器。
全文摘要
本发明涉及一种发电机-热泵复合装置，包含内燃机、变速装置、离合器、热泵及发电机，其中内燃机经由变速装置及离合器分别与热泵及发电机连接。内燃机的燃料可为天然气或生物质气体，而热泵可为机械式蒸气压缩热泵。当内燃机运转时，借助离合器的接合或分离可选择性地驱动热泵及/或发电机，以便可选择性地发电及/或供冷供热。
文档编号F25B31/02GK102136778SQ20101010002
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者萧玮炯, 黄宇宏 申请人:能原科技股份有限公司