DE102011015371A1

DE102011015371A1 - Energiespeichervorrichtung mit Metallschaum im Arbeitsraum

Info

Publication number: DE102011015371A1
Application number: DE102011015371A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bräckelmann; Mariana Pereira Ribeiro
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung (10) mit einem Gasspeicher (30), einem Arbeitsraum (20) und einem Hydromotor (31), der auch als Pumpe arbeiten kann, wobei der Arbeitsraum (20) wenigstens teilweise mit einer Druckflüssigkeit (22) gefüllt ist, wobei die Oberfläche (23) der Druckflüssigkeit (22) einen mit Druckgas gefüllten Gasraum (21) innerhalb des Arbeitsraums (20) unmittelbar begrenzt, wobei der Gasraum (21) mit dem Gasspeicher (30) verbunden ist, wobei der Hydromotor (31) wenigstens mittelbar wahlweise Druckflüssigkeit (22) in den Arbeitsraum (20) fördern oder mit Druckflüssigkeit (22) aus dem Arbeitsraum (20) in Bewegung versetzt werden kann, wobei ein Wärmeübertrager (24) vorgesehen ist, der den Arbeitsraum (20) derart ausfüllt, dass Wärme von dem Druckgas auf die Druckflüssigkeit (22) übertragen werden kann und umgekehrt. Erfindungsgemäß steht der Hydromotor (31) in unmittelbarer Flüssigkeitsübertragungsverbindung mit dem Arbeitsraum (20), wobei die Druckflüssigkeit (22) auf Mineralöl basiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus dem Dokument ”000000270040.pdf”, welches am 22.02.2011 von der Internetseite ”http://www.bfe.admin.ch/dokumentation/energieforschung/index.html?lang=de&publication=9186” abrufbar war, ist eine Energiespeichervorrichtung bekannt. Gemäß der dortigen 1 umfasst die Energiespeichervorrichtung einen Gasspeicher in Form eines Druckluftspeichers. Dieser steht mit mehreren Arbeitsräumen in Verbindung, welche von einem Hoch- und einem Niederdruckbehälter gebildet werden. Die Arbeitsräume sind teilweise mit einer Druckflüssigkeit, insbesondere Wasser, gefüllt. Das Druckgas, nämlich Luft, welches sich unmittelbar über der Oberfläche der Druckflüssigkeit befindet, kann in den Gasspeicher gefördert werden und umgekehrt. Weiter sind ein Hoch- und ein Niederdruckzylinder vorgesehen, die in unmittelbarer Flüssigkeitsübertragungsverbindung mit einem zugeordneten Arbeitsraum stehen. Die Kolben des Hoch- und des Niederdruckzylinders sind mit dem Kolben eines Ölzylinders fest gekoppelt, welcher wiederum von dem Hydromotor mit Hydrauliköl beschickt wird. Im Ergebnis wird mechanische Energie, die über die Drehung der Antriebswelle des Hydromotors eingespeist wird, in Form von potentieller Energie im Gasspeicher gespeichert, nämlich in Form des komprimierten Gases. Die potentielle Energie aus dem Gasspeicher kann wiederum in mechanische Energie zurückverwandelt werden.
Die hierbei auftretenden Wandlungsverluste werden hauptsächlich durch die Erwärmung des Druckgases bei der Kompression bzw. durch die Abkühlung bei der Dekompression verursacht. Den optimalen Wirkungsgrad erhält man, wenn sowohl die Kompression als auch die Dekompression des Druckgases isotherm verläuft. Hierfür sind in den Arbeitsräumen Wärmeübertrager in Form von Plattentauschern vorgesehen, die den Arbeitsraum so ausfüllen, dass Wärme von dem Druckgas auf die Druckflüssigkeit übertragen werden kann und umgekehrt. Die hohe Wärmekapazität der Druckflüssigkeit wird damit ausgenutzt, um das Druckgas mit niedriger Wärmekapazität auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur zu halten.
Der Nachteil des bekannten Energiespeichers besteht in der aufwendigen Bauweise, die insbesondere mehrere Zylinder erforderlich macht. Dies ist maßgeblich darauf zurückzuführen, dass man den Hydromotor nicht mit Wasser beschicken möchte, da sich dies ungünstig auf dessen Lebensdauer auswirkt. Man hat sich daher entschieden, zwei verschiedene Druckflüssigkeiten einzusetzen, die für ihre jeweilige Funktion optimal sind. In Verbindung mit den Plattentauschern hat Wasser den Vorteil eines besonders guten Wärmeübergangs. Weiter ist bei Wasser keine Blasenbildung im Wärmeübertrager zu befürchten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache Energiespeichervorrichtung bereitzustellen.
Gemäß dem selbständigen Anspruch wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Hydromotor in unmittelbarer Flüssigkeitsübertragungsverbindung mit dem Arbeitsraum steht. Auf die verschiedenen Zylinder kann damit verzichtet werden, so dass die Energiespeichervorrichtung einfacher aufgebaut ist. Um zu dieser Lösung zu gelangen, darf die Druckflüssigkeit in den Wärmetauschern nicht zur Blasenbildung neigen, wodurch der Wärmeübergang massiv verschlechtert würde. Zudem muss sich der Hydromotor mit der Druckflüssigkeit betreiben lassen. Hier bieten sich z. B. wasserbasierte oder ionische Druckflüssigkeiten an.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
Der Wärmeübertrager kann von einem Metallschaum gebildet werden. Metallschäume sind beispielsweise aus der US 7 597 840 B2 bekannt. Sie zeichnen sich durch eine besonders große Oberfläche aus, die für die Wärmeübertragung genutzt werden kann. Damit steigt die Effizienz der Wärmeübertragung.
Der Metallschaum kann offenzellig ausgeführt sein. Dies ist erforderlich, damit die Drückflüssigkeit in die Poren des Metallschaums gefördert und von dort wieder entnommen werden kann.
Die Druckflüssigkeit kann nicht entflammbar und nicht brennbar sein. Hierdurch wird verhindert, dass die Flüssigkeit aufgrund übermäßiger Erwärmung z. B. infolge von Betriebsstörungen in Brand geraten kann. Zudem ist an Leckflüssigkeit gedacht, die aus der Energiespeichervorrichtung austritt und in Kontakt mit der Umgebungsluft gelangt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:
1 eine grobschematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10. Die Energiespeichervorrichtung 10 umfasst einen Arbeitsraum 20, der von einem Behälter mit einem Hohlraum definiert wird. In dem Arbeitsraum 20 ist ein Wärmeübertrager 24 in Form eines offenzelligen Metallschaums angeordnet, der (entgegen der Darstellung) den Hohlraum des Behälters nahezu vollständig ausfüllt. Der Arbeitsraum 20 ist teilweise mit einer Druckflüssigkeit 22 gefüllt. Die Oberfläche 23 der Druckflüssigkeit 22 begrenzt unmittelbar den Gasraum 21 oberhalb der Flüssigkeit, der mit Druckgas, nämlich Luft, gefüllt ist. Der Wärmeübertrager 24 steht damit in unmittelbarem Kontakt mit der Druckflüssigkeit 22 und dem Druckgas.
Der Gasraum 21 ist an einen Gasspeicher 30 in Form eines hohlen Behälters angeschlossen. Weiter ist der Arbeitsraum 20 mit einem Hydromotor 31 verbunden, der auch als Pumpe arbeiten kann. Mit der Steuervorrichtung 34, die zwischen dem Hydromotor 31 und dem Arbeitsraum 20 angeordnet ist, kann zwischen einer Energiezuführbetriebsart und einer Energieentnahmebetriebsart umgeschaltet werden.
In der Energiezuführbetriebsart wird über die drehbare Antriebswelle 32 des Hydromotors 31 mechanische Energie zugeführt, so dass der Hydromotor Druckflüssigkeit 22 von dem Tank 33 in den Arbeitsraum 20 pumpt. Die zusätzliche Druckflüssigkeit 22 im Arbeitsraum 20 verdrängt das dortige Druckgas und komprimiert dieses, wobei es in den Gasspeicher 30 strömt. Der Erwärmung des Druckgases wird dabei durch den Wärmeübertrager 24 entgegengewirkt, indem Wärme von dem Druckgas in die Druckflüssigkeit 22 abgeleitet wird. Wahlweise kann an dem Arbeitsraum 20 ein Gasein- und ein Gasauslassventil 25; 26 in Form eines Rückschlagventils angeschlossen sein, damit dieser Energiezuführvorgang mehrmals wiederholt werden kann, wobei über das Gaseinlassventil 25 Luft von der Umgebung angesaugt wird. Optional ist eine Durchströmung des Arbeitsraums 20 im Gegenstrom möglich, um den Wärmeübergang von dem komprimierten Gas in die Druckflüssigkeit zu erhöhen. In diesem Fall sollte die Druckflüssigkeit von oben in den Arbeitsraum einströmen.
In der Energieentnahmebetriebsart wird das Gasauslassventil 26 mit einer Entsperrvorrichtung 27 entsperrt, so dass Druckgas von dem Gasspeicher 30 in den Arbeitsraum 20 fließen kann, wobei es sich entspannt. Der Abkühlung des Druckgases wird dabei durch den Wärmeübertrager 24 entgegengewirkt, indem Wärme von der Druckflüssigkeit 22 aufgenommen und an das Druckgas abgegeben wird. Das Druckgas verdrängt die Druckflüssigkeit 22 im Arbeitsraum 20, wobei diese durch den Hydromotor 31 in den Tank zurückfließt, wobei die Antriebswelle 32 in Drehbewegung versetzt wird. Damit auch der Energieentnahmevorgang mehrmals wiederholt werden kann, sollte auch das Gaseinlassventil 25 entsperrbar sein.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 10 hat den besonderen Vorteil, dass trotz einfachen Aufbaus eine annähernd isotherme Verdichtung bzw. Entspannung und damit ein guter Wirkungsgrad der Energiespeicherung möglich ist. Dieser Umstand ist auch dadurch bedingt, dass die Druckflüssigkeit 22 keine Blasen bildet, wenn es in den Metallschaum 24 gefördert oder von diesem entnommen wird. Da die Druckflüssigkeit nicht entflammbar sein darf, sollten vorzugsweise wasserbasierte oder ionische Flüssigkeiten Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

10: Energiespeichervorrichtung
20: Arbeitsraum
21: Gasraum
22: Druckflüssigkeit
23: Oberfläche der Druckflüssigkeit
24: Wärmeübertrager
25: Gaseinlassventil
26: Gasauslassventil
27: Entsperrvorrichtung
30: Gasspeicher
31: Hydromotor
32: Antriebswelle
33: Tank
34: Steuervorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7597840 B2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.bfe.admin.ch/dokumentation/energieforschung/index.html?lang=de&publication=9186 [0002]

Claims

Energiespeichervorrichtung (10) mit einem Gasspeicher (30), einem Arbeitsraum (20) und einem Hydromotor (31), der auch als Pumpe arbeiten kann, wobei der Arbeitsraum (20) wenigstens teilweise mit einer Druckflüssigkeit (22) gefüllt ist, wobei die Oberfläche (23) der Druckflüssigkeit (22) einen mit Druckgas gefüllten Gasraum (21) innerhalb des Arbeitsraums (20) unmittelbar begrenzt, wobei der Gasraum (21) mit dem Gasspeicher (30) verbunden ist, wobei der Hydromotor (31) wenigstens mittelbar wahlweise Druckflüssigkeit (22) in den Arbeitsraum (20) fördern oder mit Druckflüssigkeit (22) aus dem Arbeitsraum (20) in Bewegung versetzt werden kann, wobei ein Wärmeübertrager (24) vorgesehen ist, der den Arbeitsraum (20) derart ausfüllt, dass Wärme von dem Druckgas auf die Druckflüssigkeit (22) übertragen werden kann und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydromotor (31) in unmittelbarer Flüssigkeitsübertragungsverbindung mit dem Arbeitsraum (20) steht.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (24) von einem Metallschaum gebildet wird.
Energiespeichervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (24) offenzellig ausgeführt ist.
Energiespeichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckflüssigkeit (22) nicht entflammbar und nicht brennbar ist.