DE102011002945B4

DE102011002945B4 - Kompakte hydraulische Großenergiespeicher

Info

Publication number: DE102011002945B4
Application number: DE102011002945.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: DE102011002945A1

Abstract

Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Energie durch die Bewegung eines Fluids (W) in zwei oder mehreren Hohlräumen, wobei sich in jedem der Hohlräume zwei übereinander angeordneten Reservoire befinden und der Druck in dem jeweils unterem Reservoir (R1) durch eine Auflastkonstruktion (A) oder eine Kombination von Federkonstruktion (F) und Auflastkonstruktion erhöht wird, und im Inneren der Auflastkonstruktion in mindestens einem Hohlraum eine Pumpturbine oder eine Pumpe und eine Turbine angeordnet sind, welche im Pumpbetrieb Fluid von den oberen in die untere Reservoire bewegen und im Turbinenbetrieb von unten nach oben durchströmt werden, wobei die Hohlräume zylinderförmig sind und zur Reduzierung der auf die Konstruktion einwirkenden Lasten für eine Anordnung in einem externen Fluid, typischerweise im Meer oder in einem See,ausgebildet sind.

Description

In DE102007062672 und DE102008006897 wird beschrieben, wie mit Hilfe von Pumpen und Turbinen große externe Gewichte zur Speicherung externer Energie angehoben werden können. In DE102008040393 werden die Grundlagen eines Hydraulischen Großenergiespeichers dargestellt.
DE 10 2008 040 393 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Energie, wobei ein Fluid zwischen zwei Reservoiren hin- und herpumpbar ist. Es findet eine Druckerhöhung durch eine Auflastkonstruktion und/oder Federkonstruktion statt.
DE 10 2008 006 897 A1 offenbart ein Hubspeicher-Kraftwerk mit mehreren Hydraulikzylindern.
DE 10 2007 017 695 A1 offenbart ein Gezeiten-Hubkraftwerk. In einem Hydraulikzylinder sind zwei übereinanderliegende Kammern angeordnet. Mittels Gezeitenkräften wird Hydraulikflüssigkeit über eine Turbine abwechselnd in die obere und untere Kammer gepresst und fließt in die jeweils entgegengesetzte Zylinderkammer zurück. Zur Ausnutzung der Gezeiten ist das Kraftwerk in einem Meer oder in einem Becken mit angestautem Wasser angeordnet. Ein Kolben wird bei Flut gehoben und bei Ebbe abgesenkt.
DE 10 2007 062 672 A1 offenbart eine Anordnung von zwei Hubvorrichtungen, deren Hydraulikzylinder über Druckleitungen verbunden sind. Eine Pumpe hebt beide Hydraulikkolben und der Rückstrom beider Hydraulikzylinder wird auf nur eine Turbine geleitet.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 bereit. Bei dieser sind u.a. in einem hohen Hohlraum zwei mit einem Fluid gefüllte Reservoire durch eine Auflastkonstruktion, in welcher eine Pumpturbine (PT) angeordnet ist, voneinander getrennt. Die in vertikaler Richtung bewegliche Auflast erzeugt aufgrund ihres hohen Eigengewichtes einen Druck in dem unterhalb befindlichen Reservoir (R1). Mittels der Pumpturbine kann Wasser zwischen den beiden Reservoiren hin und her bewegt werden. In Abhängigkeit der Druckverhältnisse bzw. der Bewegungsrichtung wird hierbei entweder elektrische Leistung aus dem Stromnetz aufgenommen (Pumpbetrieb) oder an das Netz abgegeben (Turbinenbetrieb). Im Turbinenbetrieb strömt das Fluid aus dem Reservoir mit dem höheren Druck (R1) in das typischerweise darüber angeordnete Reservoir mit dem niedrigeren Druck (R2). In einer besonderen Ausgestaltung des Konzeptes kann der Druckunterschied zwischen den beiden Reservoiren durch Federelemente erhöht werden.
Im Nachfolgenden werden weitere Details und typische Merkmale kompakter hydraulischer Großenergiespeicher mit übereinander angeordneten Reservoiren beschrieben. Hierbei werden auch Systeme mit mehreren Speichereinheiten berücksichtigt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand verschiedener Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen jeweils stark vereinfachte Darstellungen.

1: Kompakte hydraulische Großenergiespeicher mit außerhalb des Hohlraumes angeordneten Maschinensätzen (links: nur Auflastkonstruktion, rechts: Auflast- und Federkonstruktion), die nicht Gegenstand der Erfindung sind.
2: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher (links: Anordnungsbeispiel mit tief liegender Pumpturbine und zwei Speichereinheiten, rechts: Anordnungsbeispiel mit hoch liegender Pumpturbine und zwei Speichereinheiten), das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
3: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher (Anordnungsbeispiel mit drei Speichereinheiten und einer in der Auflastkonstruktion einer der Speichereinheiten angeordneten Pumpturbine), das nicht Gegenstand der Erfindung ist.
4: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher in Seen oder im Meer - Ausführungsbeispiel mit einem geschlossenen Fluidsystems und einer in einem der Auflastkörper integrierten Pumpturbine.
5: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher in Seen oder im Meer - Ausführungsbeispiel mit einem offenen Fluidsystem im direkten Volumenaustausch mit dem externen Fluid und einer in einem der Auflastkörper integrierten Pumpturbine.
6: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher in Seen oder im Meer - Ausführungsbeispiel mit einem offenen Fluidsystem im direkten Volumenaustausch mit dem externen Fluid und einer stationär angeordneten Pumpturbine (links: Seitenansicht, rechts: grobe Lageskizze bei einer radialen Anordnung).
7: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher in Seen oder im Meer - Ausführungsbeispiel mit einem offenen Fluidsystem im direkten Volumenaustausch mit dem externen Fluid, einer stationär angeordneten Pumpturbine und einem mit dem externen Fluid gefüllten Auflastkörper (links: Seitenansicht, rechts: grobe Lageskizze bei einer radialen Anordnung).
8: System kompakter hydraulischer Großenergiespeicher in Seen oder im Meer - Ausführungsbeispiel mit einem offenen Fluidsystem im direkten Volumenaustausch mit dem externen Fluid, einer stationär angeordneten Pumpturbine und einem mit dem externen Fluid gefüllten Auflastkörper sowie einer Federkonstruktion (links: niedriger Energiezustand, rechts: höherer Energiezustand).
9: Dichtung zwischen Auflastkörper und der Wandung des Hohlraumes (links: Dichtung während der Bewegung des Auflastkörpers offen; rechts: Dichtung im Ruhezustand geschlossen).

Es ist in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform möglich, die Pumpturbine oder auch eine Pumpe und eine Turbine voneinander getrennt außerhalb des Hohlraumes anzuordnen (Bild 1). Hierdurch ist eine bessere Zugänglichkeit der Maschinen gegeben.
Es ist auch möglich, mehrere kompakte hydraulische Großenergiespeicher im Sinne einzelner Speichereinheiten zu Systemen zu gruppieren. Mittels außerhalb des Hohlraumes angeordneter Pumpturbinen (PT) oder Pumpen und Turbinen und ergänzenden Verschlüssen (V) können in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform dann alle oder auch nur ausgewählte Speichereinheiten aktiviert werden. Einfache Anordnungsbeispiele für zwei Speichereinheiten sind in Bild 2 dargestellt.
In einem System von mehreren Speichereinheiten können die Pumpturbine oder Pumpe und Turbine auch in der Auflastkonstruktion in mindestens einer der Speichereinheiten integriert sein (Bild 3). Das Fluid wird dann im Pumpbetrieb aus den jeweiligen oberen Reservoiren (R2) über Verbindungsleitungen in das obere Reservoir über der Maschineneinheit und auf der Druckseite weiter über das untere Reservoir unter der Maschineneinheit in die unteren Reservoire (R1) in den einzelnen Speichereinheiten bewegt. Die Auflastkonstruktionen steigen dann nach oben. Im Turbinenbetrieb ist die Strömung in die andere Richtung orientiert. Die Auflastkonstruktionen senken sich dann ab. Durch Verschlüsse zwischen den jeweiligen oberen und unteren Reservoiren können einzelnen Speichereinheiten aktiviert oder deaktiviert werden.
Erfindungsgemäß sind kompakte hydraulische Großenergiespeicher oder Systeme von mehreren kompakten hydraulischen Großenergiespeichern dazu ausgebildet, insbesondere in stehenden Gewässern angeordnet zu werden (Bild 4). Hier sind aus statischen Gründen insbesondere zylinderförmige Hohlräume zweckmäßig. Die dann auf die Hohlraumwandung einwirkenden Lasten sind im Wesentlichen von den maximalen Drücken im unteren Reservoir abhängig und in der Regel konstruktiv gut beherrschbar. Durch die Verwendung vorgefertigter röhrenförmiger Werkstücke aus geeignetem Material (u.a. Stahl) kann hier eine wirtschaftliche Bauweise ermöglicht werden. Die Anordnung einer vergleichsweise hohen Anzahl zylinderförmiger Speichereinheiten auf engem Raum kann die zusätzlich auftretenden Kräfte (z.B. Meeresströmungen, Wellenschlag) durch mechanische und hydraulische Verbundwirkungen reduzieren. Wenn sich kompakte hydraulische Großenergiespeicher in einem externen Fluid befinden, können die oberen Reservoire der einzelnen Speichereinheiten auch mit dem externen Fluid hydraulisch verbunden werden (Bild 5). Grundsätzlich kann sich aus betrieblichen Gründen anbieten, die Pumpen und Turbine oder die Pumpturbine ortsfest sehr nahe an der Wasserspiegeloberfläche anzuordnen (Bild 6). Es kann auch zweckmäßig sein, den hydraulischen Druck in den unteren Reservoiren durch zusätzliche externe Lasten zu erhöhen, welche unter Verwendung des externen Fluides (i.a. See- oder Meerwasser) in geeigneten Wannenkonstruktionen (L) in wirtschaftlicher Art und Weise vor Ort geschaffen werden können (Bild 7). Hierbei kann durch eine gegenüber der Grundfläche der Speicherelemente große Grundfläche der Wannenkonstruktionen eine erhebliche Drucksteigerung in den unteren Reservoiren erreicht werden. Es kann insbesondere zur Begrenzung des Hubs der Wannenkonstruktionen zweckmäßig sein, zwischen den Auflastkörpern (A) und den Wannenkonstruktionen (L) Federkonstruktionen (F) anzuordnen (Bild 8).
Die Wirksamkeit kompakter hydraulischer Großenergiespeicher ist auch von der Reibung zwischen den Auflastkörper (A) und der Wandung der typischerweise zylinderförmigen Hohlräume abhängig. Es ist zweckmäßig die in diesen Bereichen stattfindenden Kraftübertragungen durch verstellbare Dichtungen (D) zu reduzieren. Im Pump- und Turbinenbetrieb kann eine geringfügige Durchströmung zugelassen werden. In jeder beliebigen Ruheposition ist dies jedoch zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

R1: Reservoir mit dem höheren Druck
W: Fluid
R2: Reservoir mit dem niedrigeren Druck
PT: Pumpturbine oder Pumpe und Turbine (voneinander getrennte Maschinensätze)
A: Auflastkonstruktion
F: Feder
D: Dichtung
S: Seitliche Führung
V: Verschlüsse
L: Wannenartige Konstruktion zur Erhöhung der Auflast

Claims

Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Energie durch die Bewegung eines Fluids (W) in zwei oder mehreren Hohlräumen, wobei sich in jedem der Hohlräume zwei übereinander angeordneten Reservoire befinden und der Druck in dem jeweils unterem Reservoir (R1) durch eine Auflastkonstruktion (A) oder eine Kombination von Federkonstruktion (F) und Auflastkonstruktion erhöht wird, und im Inneren der Auflastkonstruktion in mindestens einem Hohlraum eine Pumpturbine oder eine Pumpe und eine Turbine angeordnet sind, welche im Pumpbetrieb Fluid von den oberen in die untere Reservoire bewegen und im Turbinenbetrieb von unten nach oben durchströmt werden, wobei die Hohlräume zylinderförmig sind und zur Reduzierung der auf die Konstruktion einwirkenden Lasten für eine Anordnung in einem externen Fluid, typischerweise im Meer oder in einem See,ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Hohlräume über Verschlüsse (V), welche sich an Leitungen zwischen den jeweiligen oberen und unteren Reservoiren oder an den Anschlussleitungen zu den Pumpturbinen oder zu den Pumpen und Turbinen befinden, aktiviert und deaktiviert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Hohlräume zur Reduzierung der einwirkenden äußeren hydraulischen Kräfte (z.B. Meeresströmungen, Wellenschlag) in sehr engem Abstand zueinander angeordnet werden, wobei typischerweise die Abstände zwischen den einzelnen Hohlräumen deutlich kleiner sind als deren Durchmesser.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Hohlräume zur Erhöhung der Stabilität durch mechanische Querverstrebungen miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Reservoire (R2) mittels geeigneter Öffnungen hydraulisch mit dem externen Fluid verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflastkörper in den einzelnen Hohlräumen zur Erhöhung des Druckes in den unteren Reservoiren (R1) mit einer oder mehreren zumindest teilweise über der Wasseroberfläche angeordneten Wannenkonstruktionen (L), welche typischerweise mit dem externen Fluid gefüllt sind und zusammen eine deutlich größere Grundfläche als die Summe der Grundflächen aller Hohlräume aufweisen, verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Auflastkörpern (A) und den Wannenkonstruktionen (L) Federkonstruktionen (F) angeordnet sind, wodurch im Pumpbetrieb das Anheben der Wannenkonstruktion (L) erst nach einer weitgehenden Lastaufnahme durch die Federkonstruktion (F) beginnt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstellbare Dichtung (D) zwischen den Auflastkörpern (A) und den Innenwandungen der zylinderförmigen Hohlräume während des Pump- oder Turbinenbetriebes des kompakten hydraulischen Großenergiespeichers zur Reduzierung der Wandreibung eine geringfügige Strömung des Fluids (W) in dem Zwischenraum zwischen Auflastkörper und Hohlraumwandung zulässt und in jedem beliebigen Ruhezustand ein Durchströmen dieses Zwischenraumes verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Dichtung (D) zwischen den Auflastkörpern (A) und den Innenwandungen der typischerweise zylinderförmigen Hohlräume aus einem schlauchartigen Ring besteht, welcher durch Anpassung des Innendruckes über geeignete Zuleitungen und Regelventile in seiner Form und Dichtwirkung verändert werden kann.