-
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme, wobei ein Prozessfluid einen Phasenwechsel durchläuft.
-
Die Begrenztheit der fossilen Brennstoffe und die großen Gefahren, die etwa mit der Atomenergie verbunden sind, haben ein großes Interesse geweckt und entsprechende Entwicklungen zur Gewinnung von Energie unter nachhaltiger Nutzung der verfügbaren Ressourcen angestoßen. Ferner ist es wichtig, die verfügbaren fossilen Brennstoffe nicht ausschließlich für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen, sondern auch die dabei in großem Umfange anfallende Abwärme weiter zu verwerten. Es wurden daher viele Verfahren für die Kraft-Wärmekopplung vorgeschlagen, wobei generell ein hoher elektrischer Wirkungsgrad angestrebt wird. Mit zunehmender Verwendung nachwachsender Rohstoffe als Energieträger für die Erzeugung von Heizwärme besteht auch ein großes Interesse, zusätzlich elektrische Energie in dezentraler Weise aus den nachwachsenden Rohstoffen zu erzeugen. Im Rahmen derartiger Bestrebungen wurden etwa kleine Blockheizkraftwerke entwickelt, die etwa mit Gas, Biodiesel, etc. betrieben werden. In jüngerer Zeit wurden kleinere Blockheizkraftanlagen entwickelt, die beispielsweise mit Holzpresslingen betrieben werden und einen Stirling-Motor enthalten, der über das Rauchgas beheizt wird, um gleichzeitig mit der Heizwärme elektrische Energie erzeugen. Generell ist dies eine viel versprechende Vorgehensweise auch für sehr kleine Heizanlagen mit einer thermischen Leistung von etwa 10–20 kW, wobei die elektrische Leistung in einem Bereich von 1,5–5 kW liegt. Beim Dauerbetrieb derartiger Anlagen fällt jedoch ein extrem hoher Wartungsbedarf an, der unter anderem durch den Kontakt des Rauchgases mit dem Wärmetauscher des Stirling-Motors hervorgerufen wird und auch in der Komplexität des Stirling-Motors selbst begründet liegt. Beispielsweise sind Zuverlässigkeit und auch Energieausbeute wesentlich von der Qualität des Brennstoffes abhängig.
-
In der jüngeren Vergangenheit wurden Heizanlagen mittlerer Leistung, d. h. im Bereich von mehreren 100 kW thermischer Leistung, entwickelt, in denen eine Abwandlung des Wasserdampfkraftprozesses zum Einsatz kommt. Hierbei wird anstelle von Wasser als Prozessfluid ein organisches Medium verwendet wird, dessen Siedetemperatur geeignet ausgewählt wird und das einen deutlich geringeren Dampfdruck bei der ausgewählten Prozesstemperatur besitzt. Derartige Anlagen sind unter dem Begriff ORC-Anlagen (Organic Rankine Cycle) bekannt, in denen dem organischen Medium über einen geeigneten Wärmetauscher Wärme zugeführt wird, so dass in einem Verdampfer Dampf erzeugt wird bei einem Betriebsdruck von wenigen Bar (typischerweise < 10 bar), und dieser Dampf dann über eine langsam laufende Turbine entspannt wird. Nach der Kondensation des Dampfes wird die Flüssigkeit der Verdampfereinheit mittels einer Pumpe wieder zugeführt.
-
Da typischerweise das organische Medium, das beispielsweise in Form von Silikonöl etc. vorgesehen ist, eine relativ niedrige Zerfallstemperatur besitzt, wird ein direkter Kontakt mit dem Rauchgas einer Verbrennungsanlage vermieden und es wird stattdessen ein geeignetes Wärmemedium in Form eines Thermools verwendet, dass die Wärme von dem Rauchgas abnimmt und auf das Medium des ORC-Kreislaufes überträgt. Typischerweise liegt dabei die Temperatur des Thermoöls bei ca. 300°C.
-
Durch geeignete Auslegung der Wärmetauscher sowie der Prozessfluide können auch andere Wärmequellen, beispielsweise die Abwärme aus industriellen Prozessen, geothermische Wärme und dergleichen eingesetzt werden, um daraus elektrische Energie zu gewinnen. Abhängig von der zur Verfügung stehenden Ausgangstemperatur der Wärmequelle liegt dabei der erreichbare thermische Wirkungsgrad bei ca. 15% oder darunter.
-
Generell eröffnet dieser Prozess viele Möglichkeiten der Nutzung von Wärme aus unterschiedlichen Wärmequellen, ist aber aktuell auf größere thermische und elektrische Leistungen ausgelegt, so dass der Einsatz in kleinen Haushalten unter den gegebenen Voraussetzungen nicht aussichtsreich erscheint. Insbesondere sind eine aufwändige Turbine sowie eine zugehörige Speisepumpe zum Durchlaufen dieses Prozesses erforderlich.
-
Die Druckschrift
US 3608311 beschreibt eine Vorrichtung, in der in jeweils zwei Zylinder mit einem Öl und einem sich darüber befindlichen Gasvolumen aus Argon vorgesehen sind, um in den jeweiligen Gasvolumina eine Druckdifferenz herzustellen. Dadurch wird das Öl durch einen Hydraulikmotor getrieben. Die Erwärmung bzw. Abkühlung der Gasvolumina wird dabei durch externe Wärmetauscher und zugehörige Pumpen bewerkstelligt.
-
Die Druckschrift
DE 100 07 685 A1 beschreibt eine Kraftstation mit einem Kohlendioxid-Kreislauf, wobei das flüssige Kohlendioxid aufgrund einer Druckdifferenz von entsprechenden Gasvolumina durch eine Turbine getrieben wird.
-
Die Druckschrift
US 3901033 beschreibt ein hydrostatisches Antriebssystem, in welchem extern erzeugter Dampf abwechselnd in eines von zwei Reservoiren eingeleitet wird, um damit eine Flüssigkeit durch einen entsprechenden Motor zu treiben.
-
Die Druckschrift
WO 2005/111429 A1 beschreibt einen Gaskompressor, in welchem ein Flüssigkeitsreservoir enthalten ist, das zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, in denen elektrische Energie aus Wärme mit hoher Flexibilität im Hinblick auf die verwendete Wärmequellen möglich ist, wobei ein hoher Grad an Zuverlässigkeit bei geringem Wartungsaufwand und Materialeinsatz erreicht werden soll.
-
Generell wird die zuvor genannte Aufgabe in der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass mittels eines Prozessfluids, insbesondere eines organischen Mediums, in einer Prozesskammer zyklisch durch Verdampfung eines Teils des Prozessfluids und durch Kondensation in einer Gasphase über der flüssigen Phase des Prozessfluids abwechselnd hoher Druck und geringer Druck erzeugt werden, so dass eine Strömung der flüssigen Phase durch eine Hydraulikeinheit hervorgerufen wird, in der zumindest in gewissen Phasen der Strömung elektrische Energie durch eine mit der Hydraulikeinheit gekoppelten elektrischen Maschine gewonnen wird.
-
Insbesondere wird die zuvor genannte Aufgabe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass eine wärmebetriebenen Stromerzeugungseinheit gemäß Anspruch 1 bereitgestellt wird.
-
Wie zuvor bereits erläutert ist, wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Prozessfluid zum einen als Wärmemedium zur Erzeugung der erforderlichen Druckverhältnisse in der Prozesskammer verwendet und dient gleichzeitig als effizientes Medium zum Antreiben der Hydraulikeinheit und damit der elektrischen Maschine. Somit kann in einer Phase, in der das Durchströmender Hydraulikeinheit durch den Druck in der Prozesskammer getrieben ist, elektrische Energie gewonnen werden, die in geeigneter Weise in dem Zwischenspeicher gespeichert wird und zum Teil für die Rückströmung des Prozessfluids in die Prozesskammer Energie zur Verfügung steht. Die flüssige Phase des Prozessfluids wird also als ein ”Fluidkolben” und gleichzeitig als mechanische Kopplung zum Antreiben der elektrischen Maschine in der Phase mit hohem Gasdruck in der Prozesskammer verwendet, während in einer Phase, in der die elektrische Maschine die Hydraulikeinheit antreibt, die flüssige Phase als Kraftkopplung und ebenfalls als Fluidkolben dient. Durch Auswahl eines geeigneten Prozessfluids und durch entsprechende Anpassung der Hydraulikeinheit und der Prozesskammer können viele unterschiedliche Wärmequellen genutzt werden, wobei der apparative Aufwand im Vergleich zu bekannten Lösungen deutlich geringer ist. Beispielsweise kann die Hydraulikeinheit in Form einer geeigneten Pumpe, beispielsweise als eine Innenzahnradpumpe, bereitgestellt werden, die in einem Vier-Quadrantenbetrieb betrieben wird, so dass durch geeignete Ansteuerung der elektrischen Maschine und damit der Hydraulikeinheit der Kreisprozess in der Prozesskammer in gewünschter Weise durchlaufen werden kann.
-
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung in dem ersten Wärmereservoir eine Verdampfereinrichtung in der Prozesskammer auf, die so ausgebildet ist, dass sie zyklisch mit der flüssigen Phase des Prozessfluids in Kontakt gebracht werden kann. Auf diese Weise wird also zyklisch eine Verdampfung eines Teils des Prozessfluids in der Prozesskammer in Gang gesetzt, so dass sich dabei der gewünschte Arbeitsdruck in dem Gasvolumen über der flüssigen Phase des Prozessfluids ausbildet.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist dazu die Verdampfereinrichtung einen Vorratsvolumenbereich auf, der zur zeitweiligen und zyklischen Bevorratung eines Teils des Prozessfluids dient. Die Verdampfereinrichtung ist also in diesem Falle so ausgebildet, dass bei Kontakt mit der flüssigen Phase des Prozessfluids ein Teil der flüssigen Phase zunächst in einem geeigneten Volumenbereich gesammelt wird und somit ständig mit einer heißen Fläche des ersten Wärmereservoirs in Kontakt sein kann, so dass eine effiziente Wärmeübertragung von dem ersten Wärmereservoir in die flüssige Phase des Prozessfluids ermöglicht wird. Dazu wird vorteilhafterweise bei der Kontaktierung der flüssigen Phase durch eine heiße Wärmetauscherfläche in der Verdampfereinrichtung eine möglichst große Oberfläche bereitgestellt, so dass in relativ kurzer Zeit ein intensiver flüssig-fest-Kontakt zwischen dem ersten Wärmereservoir und der Prozessflüssigkeit erfolgt. Dies wird beispielsweise dadurch bewerkstelligt, dass die resultierende Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase des Prozessfluids und der heißen Oberfläche des ersten Wärmereservoirs eine deutlich größere Fläche besitzt als zumindest die Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels des Prozessfluids. D. h., bei Kontakt der flüssigen Phase mit dem ersten Wärmereservoir wird einerseits kurzfristig eine sehr viel größere Oberfläche und andererseits eine deutlich erhöhte Wärmeleitung im Vergleich zum Wärmeübergang vom ersten Wärmereservoirs zur Gasphase des Prozessfluids geschaffen. Durch die Bevorratung eines Teils der flüssigen Phase bleibt dieser Teil auch noch weiterhin in direktem Kontakt mit der heißen Oberfläche, so dass auch bei einer Entkopplung des Flüssigkeitsspiegels des Prozessfluids von der heißen Oberfläche der Verdampfereinrichtung weiterhin eine Erzeugung von Dampf des Prozessfluids stattfindet.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Volumen zur zyklischen Aufnahme eines Teils des Prozessfluids aus der Prozesskammer als eine zweite Prozesskammer mit einem dritten Wärmereservoir zur Einstellung der Temperatur der Gasphase des Prozessfluids in der zweiten Prozesskammer ausgebildet. D. h., in dieser Ausführungsform wird das aus der Prozesskammer austretende und die Hydraulikeinheit durchströmende Prozessfluid in der zweiten Prozesskammer gesammelt und schließlich mit dem dritten Wärmereservoir direkt in Kontakt gebracht, so dass dort ebenfalls das Erzeugen eines Arbeitsdrucks über der flüssigen Phase des Prozessfluids ermöglicht wird. Auf diese Weise kann das Ausströmen des Prozessfluids aus der Prozesskammer gleichzeitig zur Etablierung des Zustands mit hohem Druck in der zweiten Prozesskammer genutzt werden, so dass sich insgesamt ein längerer Anteil der Energieerzeugungspreise für die Hydraulikeinheit und die elektrische Maschinen ergibt.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Fluidverbindung eine steuerbare Ventileinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, den Zufluss und/oder den Abfluss des Prozessfluids zur bzw. aus der Prozesskammer zu steuern.
-
In der Fluidverbindung können zu diesem Zweck geeignete steuerbare Ventile und auch druckgesteuerte Ventile so vorgesehen werden, dass gewünschte Strömungsverhältnisse und auch Druckverhältnisse eingerichtet werden. Dazu ist in einigen Ausführungsformen die Fluidverbindung so ausgebildet, dass zumindest zeitweilig das Zuströmen in die Prozesskammer an einer geeigneten Position stattfindet, so dass dies für das Durchlaufen des Kreisprozesses günstigere Verhältnisse ergibt. Beispielsweise kann nach erfolgtem Ausströmen eines Teils der flüssigen Phase ein Einführen der flüssigen Phase in das Gasvolumen der Prozesskammer mittels einer geeigneten Ventilstellung bewirkt werden, so dass die eintretende flüssige Phase mit der tieferen Temperatur zu einer effizienten Kühlung der Gasphase führt, so dass damit die Kondensation und somit eine Druckreduzierung stattfinden. Das Einströmen der flüssigen Phase wird dabei in einigen Ausführungsformen über eine geeignete Düse oder eine andere Öffnung bewerkstelligt, die zur Ausbildung kleiner Tröpfchen führt, so dass eine deutlich vergrößerte Oberfläche zwischen der eintretenden flüssigen Phase und der Gasphase für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht.
-
Auch können durch die steuerbaren Ventile geeignete Strömungswege temporär erzeugt werden, um damit beispielsweise den Betrieb der Hydraulikeinheit zu verbessern. In einigen Ausführungsformen wird dazu eine geeignete Anordnung aus steuerbaren Ventilen vorgesehen, die dazu führen, dass die Hydraulikeinheit generell nur in einer Richtung durchströmt wird, so dass auch eine entsprechende Drehrichtungsumkehr der elektrischen Maschine vermieden wird, unabhängig davon, ob die elektrische Maschine treibt oder angetrieben wird.
-
Durch eine geeignete Kombination steuerbarer Ventile kann erreicht werden, dass generell die Einschaltzeit der Ventile minimiert wird, so dass ein entsprechender Energieaufwand ebenfalls reduziert wird. Zum Beispiel keine durch eine Kombination eines Rückschlagsventils und eines zwangsgesteuerten Ventils erreicht werden, dass das ohne Energie geschlossene oder offene steuerbare Ventil nur kurzzeitig betätigt werden muss, um temporär gewünschte Strömungsverhältnisse bzw. Druckverhältnisse herzustellen, die ansonsten durch ein nicht gesteuertes Ventil, also ein Rückschlagventil, und dergleichen eingestellt werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Stromerzeugungseinheit ist eine mit der elektrischen Maschine verbundene Steuereinrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, abhängig vom Zustand des Prozessfluids in der Prozesskammer einen Motorbetrieb oder einen Generatorbetrieb der elektrischen Maschine einzustellen. D. h., die Steuereinrichtung bringt die elektrische Maschine in einen geeigneten Betriebszustand, so dass der Kreisprozess in der Prozesskammer in geeigneter Weise durchlaufen wird. Die mit der elektrischen Maschine gekoppelte Hydraulikeinheit erzeugt damit die erforderlichen Strömungsverhältnisse und Druckverhältnisse der Prozesskammer, so dass zumindest während einer gewissen Phase durch die Strömung der flüssigen Phase elektrische Energie gewonnen wird. Durch diese Art der Ansteuerung der elektrischen Maschine und damit der Hydraulikeinheit wird somit die Funktion eines ”Schwungrades” nachgebildet.
-
In einer vorteilhaften Variante ist dabei in der Steuereinrichtung ein geeigneter Mechanismus implementiert, der eine maximale Energieentnahme aus der Vorrichtung unter vorgegebenen thermodynamischen Bedingungen gewährleistet. Der Mechanismus wird also zur Ermittelung des ”Bestpunktes” der Vorrichtung verwendet, indem beispielsweise diverse Parameter für die Ansteuerung der elektrischen Maschine und damit der Hydraulikeinheit varriert werden. Beispielsweise kann generell die Drehzahl der elektrischen Maschine und/oder deren Drehmoment variiert werden, wobei gleichzeitig die während eines Durchlaufs oder mehrerer Durchläufe des Kreisprozesses in der Prozesskammer gewonnene elektrische netto-Energie bestimmt wird. Für den weiteren Betrieb wird dann beispielsweise die Parametereinstellung verändert, aus der sich der größte Betrag an netto-Energie während der vorhergehenden Testphase ergab. Der Vorgang der Ermittlung einer geeigneten Parametereinstellung kann dann periodisch oder bei Auftreten einer Änderung in der Vorrichtung durchgeführt werden, so dass ein ”optimaler Betrieb” der Anlage auch bei unterschiedlichen Bedingungen gewährleistet ist. In einigen Ausführungsformen wird dazu die thermische Leistung bzw. Energie, die etwa dem ersten Wärmereservoir zugeführt wird, ermittelt und der Steuereinrichtung zugeführt, so dass diese eine Änderung der thermodynamischen Bedingungen erkennen kann. Vorteilhafterweise wird dabei auch die von dem zweiten Wärmereservoir abgegebene thermische Leistung bzw. Energie ermittelt, so dass die Zufuhr und die Abfuhr thermischer Energie global erfasst werden können. Zur Ermittlung eines optimalen Betriebspunkts der Anlage können auch andere Parameter variiert werden, die die Verhältnisse in der Prozesskammer beeinflussen. So ist beispielsweise in einer vorteilhaften Ausführungsform die Steuereinrichtung ferner ausgebildet, die Ventileinrichtung in der Fluidverbindung entsprechend den erforderlichen Verhältnissen anzusteuern. Auf diese Weise können die Strömungswege und auch die Druck- und Temperaturverhältnisse in der Prozesskammer so variiert werden, dass sich schließlich die optimale Ausbeute an elektrischer Energie für die gegebenen thermodynamischen Randbedingungen ergibt. Zu diesem Zweck können ein oder mehrere Algorithmen in der Steuereinrichtung implementiert werden, die gegebenenfalls in Abhängigkeit der thermodynamischen Randbedingungen nacheinander oder in ausgewählte Reihe unter Varrierung der darin berücksichtigten Parameter abgearbeitet werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung von Strom aus Wärme nach Anspruch 6.
-
Wie eingangs bereits erläutert ist, findet in der Prozesskammer ein Kreisprozess statt, in welchem die Prozessflüssigkeit sowohl als Arbeitsmedium für den Wärmeaustausch als auch als Kraftkopplung für die elektrische Maschine über die entsprechende Hydraulikeinheit dient. Dabei dämpft die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit des Prozessfluids die Wärmeableitung aus der Prozesskammer. Das Erzeugen des Arbeitsdrucks erfolgt dabei durch Verdampfen eines Teils der Prozessflüssigkeit in der Prozesskammer, wodurch der Druck in dem Gasvolumen über der Prozessflüssigkeit geeignet ansteigt. In dieser Phase kann also eine Zwangsströmung der Prozessflüssigkeit durch die Hydraulikeinheit hervorgerufen werden, so dass elektrische Energie mittels der elektrischen Maschine erzeugt wird. In vorteilhaften Ausführungsformen findet auch der Rücktransport der Prozessflüssigkeit in die Prozesskammer über die gleiche Hydraulikeinheit statt, so dass eine einzelne Hydraulikeinrichtung, etwa eine geeignet gestaltete Pumpe, die auch als Turbine wirkt, in Verbindung mit einer einzelnen elektrischen Maschine ausreichend ist, um den Kreisprozess in der Prozesskammer aufrecht zu erhalten. Die Wärmeabgabe an das Gasvolumen erfolgt dabei durch einen direkten Kontakt der Prozessflüssigkeit mit einer geeigneten Wärmetauscherfläche und der daraus resultierenden Erzeugung von Dampf, während der Entzug von Wärme aus der Gasphase durch eine signifikante Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Prozessflüssigkeit und der Gasphase erreicht wird. Beispielsweise werden zumindest während einer gewissen Phase kleine Tröpfchen in das Gas bzw. den Dampf nach erfolgter Entspannung eingeführt, so dass aufgrund der nunmehr zur Verfügung stehenden deutlich vergrößerten Grenzfläche zwischen der Prozessflüssigkeit, d. h. den vielen kleinen Tröpfchen, und der Gasphase ein Wärmeübergang vom Dampf bzw. Gas in die Prozessflüssigkeit erreicht wird. Somit kann nach Beginn des Wärmeentzugs eine Verringerung des Gasvolumens durch Einführen der Prozessflüssigkeit bei geringerem Druck erfolgen, woraufhin eine erneute Kontaktierung der Prozessflüssigkeit mit der heißen Wärmetauscherfläche stattfindet.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch den angefügten Patentansprüchen zu entnehmen und gehen auch aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
-
1A schematisch eine Ansicht der Stromerzeugungseinheit gemäß einer anschaulichen Ausführungsform zeigt,
-
1B schematisch die Stromerzeugungseinheit in einem weiteren Punkt des Kreisprozesses zeigt,
-
1C bis 1E schematisch Ansichten der Prozesskammer gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigen,
-
1F schematisch die Stromerzeugungseinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt, in der eine Steuerung für die elektrische Maschine vorgesehen ist,
-
1G schematisch die Stromerzeugungseinheit gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform zeigt, in der eine Ventileinrichtung vorgesehen ist,
-
1H schematisch den Aufbau einer Steuereinrichtung gemäß einer anschaulichen Ausführungsform zeigt, wobei eine MPP-Einheit zur Einstellung eines günstigen Betriebsverhaltens implementiert ist, und
-
2A und 2B schematisch die Stromerzeugungseinheit gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen zumindest zwei Prozesskammer vorgesehen sind.
-
1A zeigt schematisch den Aufbau einer Stromerzeugungseinheit 100 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromerzeugungseinheit 100 umfasst eine Prozesskammer 110, die geeignet ausgebildet ist, um dann Wärme auf ein Prozessfluid 140 zu übertragen und von diesem zu entziehen und geeignete Druckbedingungen einzurichten. Dazu ist ein erstes Wärmereservoir 120 vorgesehen, das beispielsweise in geeigneter Weise die Prozesskammer mittels einer Abdeckung 121 schließt und ferner eine geeignete Wärmeaustauschoberfläche 122 für eine Gasphase 142 und insbesondere für eine flüssige Phase 141A und/oder 141B des Prozessfluids bereitstellt. Insbesondere die flüssige Phase 141A des Prozessfluids 140 dient auch als ein zweites Wärmereservoir 125, mit welchem in geeigneter Weise Wärme von der Gasphase 142 entzogen wird.
-
Des weiteren umfasst die Einheit 100 eine Fluidverbindung 190, die einerseits mit der Prozesskammer 100 und insbesondere mit der flüssigen Phase 141A in Verbindung steht und andererseits über eine Hydraulikeinheit 150 mit einem Vorratsvolumen 170 verbunden ist, das in geeigneter Weise ausgebildet ist, ein entsprechendes Volumen für einen Teil der flüssigen Phase 141A aufzunehmen, die aus der Prozesskammer 110 verdrängt wird. Die Fluidverbindung 190 und/oder ein Teil der Prozesskammer 110 und/oder das Vorratsvolumen 170 können mit einem geeigneten Wärmetauscher (nicht gezeigt) in Verbindung stehen, so dass die flüssige Phase 141A auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird, um damit als das zweite Wärmereservoir 125 zu fungieren.
-
Die Hydraulikeinheit 150 ist mechanisch mit einer elektrischen Maschine 155 gekoppelt, die ihrerseits elektrisch mit einem elektrischen Zwischenspeicher 156, etwa einem Akkumulator, einer Kondensatorbatterie, und dergleichen verbunden ist. Der elektrische Zwischenspeicher 156 kann mit geeigneten Vorrichtungen verbunden sein, um überschüssige elektrische Energie über einen längeren Zeitraum zu speichern und/oder in ein elektrisches Netz einzuspeisen.
-
Während des Betriebs der Vorrichtung 100 wird bei Betriebstemperatur des ersten Wärmereservoirs 120 ein direkter Kontakt des Wärmereservoirs 120 mit zumindest einem Teil der flüssigen Phase 141A hergestellt, so dass eine große Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase 141A und dem Wärmereservoir 120 temporär erzeugt wird. Da durch den direkten Kontakt zwischen einem Teil der flüssigen Phase 141A und dem Wärmereservoir 120 die Wärmeübertragung deutlich erhöht wird im Vergleich zur Wärmeübertragung von dem Wärmereservoir 120 in die flüssige Phase 141A durch die Gasphase 142, wird ein Teil der flüssigen Phase 141A verdampft und geht in die Gasphase 142 über. In der in 1A gezeigten Ausführungsform ist ferner die Komponente 122 so ausgebildet, dass ein Vorratsvolumen für den Teil 141B der flüssigen Phase des Prozessfluids 140 gebildet ist, so dass der Teil 141B weiterhin direkt mit dem Wärmereservoir 120 in Kontakt bleibt und somit weiterhin zur Dampferzeugung bereitsteht. Die Komponente 122 im Zusammenwirken mit anderen Komponenten (nicht gezeigt) dient somit als eine Verdampfereinheit, in der kontinuierlich ein Teil der flüssigen Phase 141B verdampft wird.
-
Andererseits ist der Wärmeübergang von der Gasphase 142 auf die flüssige Phase 141A zum einen deutlich geringer und es ist auch gegebenenfalls die Grenzfläche zwischen der Gasphase 142 und der flüssigen Phase 141A kleiner als die Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase 141B und dem Wärmereservoir 120. Dadurch kann sich in der Gasphase 142 zunehmend ein erhöhter Druck aufbauen, der damit auf die flüssige Phase 141A wirkt. Die flüssige Phase 141A fungiert nunmehr als ein Kolben, der einen Teil der flüssigen Phase 141A durch die Fluidverbindung 190 und die Hydraulikeinheit 150 in das Vorratsvolumen 170 treibt.
-
In dieser Phase arbeitet die Hydraulikeinheit 150 als Turbine und treibt damit die elektrische Maschine 155 an, die direkt oder über eine entsprechende Steuerung Energie in den Zwischenspeicher 156 einspeist.
-
1B zeigt die Vorrichtung 100 in der zuletzt beschriebenen Phase, in der ein großer Teil der flüssigen Phase 141A von der Prozesskammer 110 in das Vorratsvolumen 170 unter Verrichtung von Arbeit in der Hydraulikeinheit 150 verdrängt wurde. In dieser Phase änderte sich der Betriebsmodus der Hydraulikeinheit 150, sodass die flüssige Phase 141A von dem Vorratsvolumen 170 zurück in die Prozesskammer 110 geführt wird. Da dort gegebenenfalls noch ein höherer Druck herrscht, wird die Hydraulikeinheit 150 bzw. die elektrische Maschine 155 so betrieben, dass dennoch eine gewünschte Menge der flüssigen Phase in die Prozesskammer 110 eingeführt wird. Vorteilhafterweise findet dies so statt, dass sich eine deutlich größere Grenzfläche zwischen der flüssigen Phase und der Gasphase 142 ausbildet, so dass der Gasphase 142 effizient Wärme entzogen und somit eine Kondensation in beschleunigter Weise in Gang gesetzt wird. Dazu kann zumindest in einer Anfangsphase des Flüssigkeitstransports von dem Vorratsvolumen 170 in die Prozesskammer 110 ein Teil 141B der flüssigen Phase in Form kleiner Tröpfchen, etwa durch Einspeisung über eine (nicht gezeigte) Düse oder dergleichen erfolgen. Die feinen Tröpfchen verteilen sich effizient in der Gasphase 142 und bieten eine große Kontaktfläche, so dass durch Kondensation der Druck in der Gasphase 142 rasch abnimmt. Vorzugsweise wird das Einführen von kleinen Tröpfchen auf die Gasphase 142 beschränkt, ohne dass eine direkte Kontaktierung des ersten Wärmereservoirs 120 erfolgt. Somit steht das erste Wärmereservoir 120 lediglich mittelbar über die Gasphase 142 mit dem Prozessfluid in Verbindung. Mit zunehmender Rückführung der flüssigen Phase 141A aus dem Vorratsbehälter 170 wird somit das Volumen der Gasphase 142 verringert, wobei auch aufgrund der kontinuierlichen Kondensation der Druck klein bleibt, so dass für die Volumenverringerung der Gasphase 142 weniger Arbeit durch die Hydraulikeinheit 150 zu verrichten ist, als während der Expansionsphase der Gasphase 142 gewonnen wurde. Auf diese Weise dient der elektrische Zwischenspeicher 156 im Zusammenwirken mit der elektrische Maschine 155 und der Hydraulikeinheit 150 als ”Schwungrad” des Systems 100. Sobald eine weitere direkte Kontaktierung des ersten Wärmereservoirs 120 durch die flüssige Phase erfolgt, kann der Kreisprozess erneut ablaufen.
-
Die Vorrichtung 100 wird dabei in ihrem Aufbau auf die entsprechende Anwendung geeignet angepasst. Beispielsweise kann das erste Wärmereservoir 120 der Wärmetauscher eines Heizsystems sein, aus welchem thermische Energie durch ein Wärmetransportmedium übertragen wird. Zum Beispiel kann das Wärmereservoir 120 von dem Rauchgas eines Brenners beaufschlagt werden, der etwa durch fossile Brennstoffe, nachwachsende Brennstoffe und dergleichen betrieben wird. Wenn der Wärmetauscher bzw. das Wärmereservoir 120 mit relativ hohen Temperaturen von etwa 700–1100°C betrieben werden soll, sind die Eigenschaften des Prozessfluids 140 darauf abzustimmen. Beispielsweise kann in diesem Falle effizient Wasser als Fluid 140 verwendet werden. In diesem Falle ist die Prozesskammer 110 auf die dabei entstehenden Druckverhältnisse auszulegen. In anderen Ausführungsformen erfolgt die Wärmezufuhr zu dem Wärmereservoir 120 über ein Thermoöl, das beispielsweise mit Temperaturen beaufschlagt wird, die für ein organisches Prozessfluid geeignet sind. In diesem Falle können entsprechende Prozessfluide, wie sie auch in einer ORC-Anlage verwendet werden, eingesetzt werden. Vorteilhaft dabei ist, dass die auftretenden Druckverhältnisse keine besonderen Maßnahmen im Hinblick auf die Auslegung der Prozesskammer 110 sowie den Betrieb der Anlage 100 erfordern. Wenn die Einheit 100 mit einer geringeren Temperatur im Wärmetauscher 120 zu betreiben ist, werden die Eigenschaften des Prozessfluids 140 geeignet ausgesucht, so dass bei den zur Verfügung stehenden Temperaturen eine Verdampfung möglich ist.
-
In anderen Ausführungsformen wird das Prozessfluid 140 sowohl in der Prozesskammer 110. als auch in dem Vorratsvolumen 170 ständig unter Druck gehalten, so dass stets eine flüssige Phase vorhanden ist. Beispielsweise können Butan, Propan, und dergleichen als Prozessfluid verwendet werden, wobei die Prozesskammer und das Vorratsvolumen für einen Druckbereich von 20–50 bar auszulegen sind, wobei auch die entsprechenden gesetzlichen Vorschriften zu beachten sind.
-
1C zeigt schematisch die Vorrichtung 100, d. h. die Prozesskammer 110, in einer weiteren Ausführungsform, in der die thermische Ankopplung und Entkopplung der flüssigen Phase 141A zu der Gasphase 142 unter Verwendung eines Wärmespeichers 111 erfolgt. Beispielsweise ist der Wärmespeicher 111 mit einem Schwimmer 111A versehen, der auf der flüssigen Phase 141A ausreichend Auftrieb erzeugt, so dass ein wärmespeicherndes Geflecht oder Material, beispielsweise in Form von dünnen Kupferfäden, oder dergleichen mit dem Wärmereservoir 120, etwa der Komponente 122, in direktem Kontakt gebracht werden kann, sobald der Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Phase 141A ausreichend hoch ist. D. h., bei direktem Kontakt des Materials 111B mit der Komponente 122 wird Wärme gespeichert, die wirksam bei Absinken des Schwimmers 111A weiterhin in die Gasphase 142 aufgrund der relativ großen Oberfläche des Materials 111B übertragen wird. Andererseits verhindert der Schwimmer 111A, der aus einem thermisch isolierenden Material aufgebaut ist, eine rasche Ableitung der in dem Material 111B gespeicherten Wärme in die flüssige Phase 141A. Andererseits wird bei Einführen von ”kalter” Flüssigkeit in Form von feinen Tröpfchen nicht nur die Gasphase 142 effizient abgekühlt, sondern es findet auch eine Abkühlung des Materials 111B statt, so dass bei weiterer Zufuhr von Flüssigkeit und somit beim Ansteigen des Flüssigkeitsspiegels eine bessere thermische Ankopplung an das zweite Wärmereservoir, d. h. an die flüssige Phase, erfolgt. Es sollte beachtet werden, dass der Wärmespeicher 111 auch eine andere geometrische Gestalt besitzen kann, solange eine größere Oberfläche für den Kontakt mit dem Wärmereservoir 120 und der Gasphase 142 gewährleistet ist.
-
1D zeigt eine weitere Ausführungsform, in der das Wärmereservoir 120 während einer geeigneten Phase des Kreisprozesses effizient mit Flüssigkeit beaufschlagt werden kann, um damit zu einem gewünschten Zeitpunkt die Verdampfung der Flüssigkeit einzuleiten. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Teil 141B der Flüssigkeit über einen entsprechenden Teil 191 der Fluidverbindung, etwa unter Ansteuerung eines Ventils 131, unter Erzeugung kleiner Tröpfchen eingeführt. Auf diese Weise kann ein Teil des Prozessfluids verdampft werden, ohne dass der Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Phase 141A das Wärmereservoir 120 direkt kontaktieren muss. Auch in diesem Falle kann das Wärmereservoir 120 eine geeignet gestaltete Oberflächenstruktur sowie gegebenenfalls ein Vorratsvolumen aufweisen, so dass eine effiziente thermische Ankopplung an die flüssige Phase 141B erfolgt. Dabei ist vorteilhaft, dass sich kleinste Tröpfchen auf der Oberfläche des Wärmereservoirs absetzen, die somit effizient direkt mit dem Reservoir in Kontakt sind und auch eine große Oberfläche für die Kontaktierung der Gasphase 142 bereitstellen. In anderen Fällen kann die flüssige Phase 141B auch direkt ohne Tröpfchenbildung eingeleitet werden, so dass sich unmittelbar ein Flüssigkeitsfilm auf der großen Oberfläche des Wärmereservoirs 120 ausbildet.
-
1E zeigt schematisch die Vorrichtung 100 in einer späteren Phase des Kreisprozesses, wobei der Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Phase 141A abgesenkt ist, wodurch Arbeit geleistet wird, wie dies auch zuvor beschrieben ist. D. h. es erfolgte eine Volumenänderung der Gasphase 142, die durch delta V angegeben ist. Wenn zu diesem Zeitpunkt eine Druckverringerung der Gasphase erforderlich ist, kann über einen Teil 192 der Fluidverbindung unter Anwendung eines gesteuerten Ventils 132 ein Teil der flüssigen Phase 141A und zur Bildung von kleinen Tröpfchen eingeführt werden, so dass rasch eine große Oberfläche und damit eine effiziente Wärmeübertragung von der Gasphase 142 in die eingeleitete flüssige Phase 141A erfolgt, wodurch rasch eine Kondensation erreicht wird. Somit erfolgt eine weitere Verringerung des Gasvolumens bei geringerem Druck, bis ein gewünschter Ausgangszustand wieder erreicht ist.
-
1F zeigt schematisch die Stromerzeugungseinheit 100 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform. Wie gezeigt, ist eine Steuereinrichtung 160 vorgesehen, die den Betrieb der elektrischen Maschine 155 und damit der Hydraulikeinheit 150 steuert. Dazu enthält die Steuereinrichtung 160 geeignete elektronische Komponenten, beispielsweise in Form eines Umrichters, wenn eine Wechselspannungsmaschine zu betreiben ist. Beispielsweise sind entsprechende elektronische Komponenten für Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, und dergleichen verfügbar in jedem gewünschten Leistungsbereich, so dass die elektrische Maschine 155 im 4-Quadranten-Betrieb bei Bedarf betrieben werden kann. In ähnlicher Weise sind auch für gleichspannungsbetriebene elektrische Maschinen Steuerungskomponenten verfügbar, die einen Betrieb als Motor und Generator der elektrischen Maschine 155 ermöglichen. Es sollte beachtet werden, dass gegebenenfalls auch ein 2-Quadranten-Betrieb ausreichend ist, wenn etwa nur eine Drehrichtung für die elektrische Maschine 155 und damit für die Hydraulikeinheit 150 ausreichend ist. Dies kann durch eine geeignete Ventileinrichtung in der Fluidverbindung 190 erreicht werden, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
-
Ferner ist die Steuereinrichtung 160 ausgebildet, zumindest einen Parameter auszuwerten, der mit dem Zustand des Prozessfluids 140 in der Prozesskammer 110 korreliert ist. Beispielsweise werden Druck und Temperatur, wie dies durch 114, 113, 112 angegeben ist, der Steuereinrichtung 160 über geeignete Sensoren zugeleitet, um damit die Ansteuerung der elektrischen Maschine 155 und damit der Hydraulikeinheit 150 dem thermodynamischen Zustand in der Prozesskammer 110 anzupassen. Zum Beispiel kann eine geeignete Umschaltung vom Generatorbetrieb in den Motorbetrieb und umgekehrt in Abhängigkeit der ausgewerteten Sensorsignale eingeleitet werden. In einigen Ausführungsformen wird etwa die Anlage 100 ohne Einsatz von steuerbaren Ventilen betrieben, wobei die Hydraulikeinheit 150 die geeignete Zufuhr in und Ableitung der flüssigen Phase 141A aus der Prozesskammer 110 steuert, und dabei auch die geeigneten Druckverhältnisse in der Prozesskammer 110 einstellt. Zu diesem Zweck wird eine ausreichend schnelle Steuerung der elektrischen Maschine 155 vorgesehen, so dass diese die Hydraulikeinheit 150, etwa in Form einer Innenzahnradeinheit, oder dergleichen in einen geeigneten Betriebszustand versetzt, um damit den gewünschten Zustand in der Prozesskammer 110 zu erhalten. Beispielsweise können verfügbare elektronische Steuerkomponenten für die Ansteuerung elektrischer Maschinen eine Änderung des Drehmoments innerhalb von Millisekunden bewerkstelligen, so dass auch bei Bedarf sehr rasche Änderungen im Zustand der Prozesskammer 110 über die Hydraulikeinheit 150 bewirkt werden können. Wenn etwa während einer gewissen Phase des Kreisprozesses eine kurzzeitige Druckerhöhung erforderlich ist, kann dies effizient über die Steuerung 160 und die entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine 155 erreicht werden.
-
In weiteren Ausführungsformen erhält die Steuereinrichtung 160 auch Signale, die die thermodynamische Gesamtsituation der Anlage 100 erfassen. Beispielsweise kann die dem Wärmereservoir 120 zugeführte Wärmeenergie bzw. Leistung ermittelt werden, die etwa in Form eines Thermoöls, eines Rauchgases und dergleichen zugeleitet wird, wie dies etwa mittels eines Wärmemengenzähler 125 erfolgen kann. In der dargestellten Ausführungsform findet beispielsweise ein Zufluss 123 von Thermoöl statt, wobei der Temperaturunterschied zum Abfluss 124 und der entsprechende Volumenstrom gemessen werden. Auf diese Weise kann die Steuerung 160 die aufgenommene Wärmemenge ermitteln und kann gegebenenfalls die Betriebsweise der Hydraulikeinheit 150 über eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine 155 einstellen, so dass etwa ein höherer elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird, oder dass das Erzeugen der elektrischen Leistung zu Gunsten einer höheren thermischen Leistung verringert wird. In der dargestellten Ausführungsform wird beispielsweise das zweite Wärmereservoir 125, das im Wesentlichen durch die flüssige Phase 141A repräsentiert ist, mittels einem geeigneten Wärmetauscher 126 auf der gewünschten Temperatur gehalten, wobei auch entsprechende Messsignale 115 der Steuerung 160 zugeleitet werden können, so dass diese auch die vom Wärmetauscher 126 entnommene Wärme ermitteln kann.
-
1G zeigt schematisch die Stromerzeugungseinheit 100 in einer Ausführungsform, in der eine Ventileinrichtung 130 vorgesehen ist, die zusammen mit der Fluidverbindung 190 die Möglichkeit schafft, mehrere unterschiedliche Strömungswege und Eintrittspunkte für die Prozesskammer 110 und/oder das Vorratsvolumen 170 bereitzustellen. Wie gezeigt, sind als ein Beispiel mehrer Ventile 131A, 132A, 133A, 134A vorgesehen, die mit einer Seite der Hydraulikeinheit 150 in Verbindung stehen und eine Fluidverbindung zu der Prozesskammer 110 bzw. dem Vorratsvolumen 170 herstellen. Andererseits sind Ventile 131B, 132B, 133B, 134B mit der anderen Seite der Hydraulikeinheit 150 und der Prozesskammer 110, 170 verbunden. Das gezeigte Beispiel der Ventileinrichtung 130 kann eine Verbindung zu drei unterschiedlichen Positionen in der Prozesskammer 110 bereitstellen, wobei auch eine gewünschte Flussrichtung durch die Hydraulikeinheit 150 einstellbar ist. Beispielsweise kann durch Ansteuern des Ventile 133A, 133B, 134A, 134B sichergestellt werden, dass die flüssige Phase 141A die Hydraulikeinheit 150 stets nur in der gleichen Weise durchströmt, wenn dies erwünscht ist. Auf diese Weise muss bei einer Ansteuerung der elektrischen Maschine 155 kein Wechsel in der Drehrichtung vorgenommen werden, sondern es genügt eine geeignete Ansteuerung der zuvor genannten Ventile, um die flüssige Phase 141A aus der Prozesskammer 110 in das Vorratsvolumen 170 und umgekehrt zu leiten. Dadurch kann gegebenenfalls der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine im Generatorbetrieb und auch im Motorbetrieb erhöht werden, da unter Umständen entsprechende Anlaufphasen größtenteils vermieden werden können. Wie gezeigt, kann die Ventileinrichtung 130 ebenfalls durch die Steuereinrichtung 160 in geeigneter Weise gesteuert werden.
-
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Ventileinrichtung 130 auch eine andere geeignete Konfiguration besitzen kann, um die gewünschten Strömungswege in der Vorrichtung 100 bereitzustellen. D. h., es können weniger oder mehr Ventile vorgesehen werden, als dies in 1G gezeigt ist. Auch können zusätzlich oder alternativ zu den Ventilen, die durch die Steuerung 160 angesteuert werden, auch druckgesteuerte Ventile, d. h. Rückschlagventile und ähnliche Regelglieder verwendet werden, so dass gegebenenfalls die Einschaltdauer der steuerbaren Ventile reduziert werden kann, so dass sich diese günstig auf den Gesamtenergieverbrauch der Ventileinrichtung 130 auswirkt. Ferner ist zu beachten, dass die Anzahl der möglichen Strömungswege in der Prozesskammer 110 und/oder in dem Vorratsvolumen 170 nach Bedarf geändert werden kann, um beispielsweise eine geeignete Beaufschlagung der Prozesskammer 110 mit der flüssigen Phase 141A, beispielsweise in Form von Tröpfchen, und dergleichen zu ermöglichen.
-
1H zeigt schematisch eine Ausführungsvariante der Steuereinrichtung 160, in der eine Ventilsteuerkomponente 161 und eine Motorsteuerkomponente 162 vorgesehen sind. Wie dies zuvor bereits mit Bezug zu den 1F und 1G erläutert ist, sind diese Komponenten geeignet ausgebildet, Steuersignale für die Ventileinrichtung 130 (siehe 1G) und für die elektrische Maschine 155 (siehe 1F) bereitzustellen, so dass die gewünschten Strömungswege und ein angepasster Betriebszustand der elektrischen Maschine 155 und damit der Hydraulikeinheit 150 bereitgestellt werden. Dazu kann die Steuereinrichtung 160 entsprechende Maschinendaten 164 empfangen, die beispielsweise die Drehzahl, den aktuellen Strom, die aktuelle Spannung, und dergleichen beinhalten, so dass daraus eindeutig der aktuelle Betriebszustand der elektrischen Maschine und damit auch der Betriebszustand der Hydraulikeinheit bestimmt werden kann. Ferner werden auch ”thermodynamische Daten” 165 bereitgestellt, so dass die Ventilsteuerkomponente 161 eine geeignete Ventilstellung für eines oder mehrere möglicherweise vorgesehener Ventile ermittelt und die Motorsteuerung 162 einen geeigneten Betriebszustand für die elektrische Maschine einstellt. Wie zuvor bereits erläutert wurde, kann gegebenenfalls die Steuereinrichtung 160 ohne die Ventilsteuerung 161 bereitgestellt werden, wenn etwa keine steuerbaren Ventile vorgesehen sind, und die thermodynamischen Bedingungen in der Prozesskammer im Wesentlichen durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine und damit der Hydraulikeinheit, die in diesem Falle in beiden Drehrichtungen betrieben wird, eingestellt werden. Auch in diesem Falle können die Daten 164, 165 effizient verwendet werden, um in dynamischer Weise den Betriebszustand der elektrischen Maschine anzupassen.
-
In einigen anschaulichen Ausführungsformen, wie dies bereits auch zuvor mit Bezug zu 1F erläutert ist, enthalten die thermodynamischen Daten 165 auch Daten bzw. Messsignale, die gegebenenfalls eine Einstellung des Verhältnisses von thermischer Leistung zu elektrischer Leistung ermöglichen.
-
In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in der Figur dargestellt ist, ist in der Steuerung ein Mechanismus 163 implementiert, der eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads ermöglicht. D. h., die Komponente 163 ist ausgebildet, unter vorgegebenen Betriebsmodi oder Betriebsalgorithmen eine Optimierung der erzeugten elektrischen Leistung durchzuführen, indem zumindest ein Parameter des ausgewählten Betriebsmodus varriert wird, und die unter diesen Bedingungen erzeugte elektrische Leistung aufgezeichnet wird. Beispielsweise können diverse Betriebsalgorithmen in der Komponente 163 und somit in der Steuerung 160 hinterlegt sein, die jeweils mit entsprechenden Parameter a1, ..., ak betrieben werden. Ein Betriebsalgorithmus kann beispielsweise festgelegt sein, indem der Kreisprozess mit vorgegebenen Parameterwerten, etwa mit vorgegebenen Druckwerten in der Gasphase 142 (siehe etwa 1A) durchlaufen wird. In diesem Falle könnte beispielsweise die Steuerung so erfolgen, dass verschiedene Druckwerte für mehrere Kreisprozesse verwendet werden, wobei von ausgewählten Druckwerten die gewonnene netto-Leistung ermittelt wird. Daraufhin kann dann für den weiteren Betrieb der Parameterwert verwendet werden, der die höchste elektrische netto-Leistung ergeben hat. Wenn mehrere Parameter beteiligt sind, können diese nacheinander varriert werden, um beispielsweise den Parameter mit dem größten Einfluss zu ermitteln, so dass für diesen dann eine geeignete Parametereinstellung erfolgt. Ferner können auch unterschiedliche Betriebsalgorithmen untereinander verglichen werden, um damit den Algorithmus mit der höchsten elektrischen Effizienz zu ermitteln, der dann unter den gegebenen Bedingungen weiterverwendet wird. Die entsprechende Optimierung kann dabei regelmäßig und/oder bei Änderung der thermodynamischen Verhältnisse, beispielsweise bei einer Änderung des ersten und/oder des zweiten Wärmereservoirs durchgeführt werden. Damit kann also unter gegebenen Bedingungen und mit einer geeigneten ”Auflösung” ein Punkt maximaler Leistung (MPP) ermittelt werden.
-
2A zeigt schematisch eine Stromerzeugungseinheit 200, die in ähnlicher Weise aufgebaut ist wie die Einheit 100, wie sie zuvor beschrieben ist, wobei jedoch als Vorratsvolumen eine zweite Prozesskammer vorgesehen ist. Die Anlage 200 umfasst somit eine erste Prozesskammer 210A mit einem ersten Wärmereservoir 220A, die eine geeignete Komponente 222A aufweist, um eine flüssige Phase 241A zu kontaktieren, wie dies auch zuvor mit Bezug zu der Anlage 100 erläutert ist. Ferner ist eine zweite Prozesskammer 210B vorgesehen, die ein zugehöriges Wärmereservoir 220B, etwa mit einer Komponente 222b, aufweist, so dass auch hier eine thermische Ankopplung an die flüssige Phase 241A erfolgen kann. Ein entsprechendes Wärmereservoir mit niedrigerer Temperatur ist somit durch die flüssige Phase 241A bzw. durch einen entsprechenden Wärmetauscher, der geeignet mit den Prozesskammern 210A, 210B und/oder einer Fluidverbindung 290 in Verbindung steht, bereitgestellt. Ferner ist eine Hydraulikeinheit 250 in mechanischer Verbindung mit einer elektrischen Maschine 255 vorgesehen, die wiederum mit einem elektrischen Zwischenspeicher 256 verbunden ist. Auch für diese Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu der Anlage 100 erläutert sind.
-
Während des Betriebs wird somit die flüssige Phase 241A beispielsweise in der ersten Prozesskammer 210A mit dem Wärmereservoir 220A in Kontakt gebracht, während in der zweiten Prozesskammer 210B eine Gasphase mit großem Volumen und geringem Druck bereitsteht. Durch die einsetzende Verdampfung eines Teils der flüssigen Phase 241A in der ersten Prozesskammer 210A wird somit Druck aufgebaut und es erfolgt eine Entspannung durch Strömung der Phase 241A über die Fluidverbindung 290 und die Hydraulikeinheit 250 in die zweite Prozesskammer 210B, wobei zumindest während einer gewissen Zeitdauer dieser Phase elektrische Energie erzeugt wird. Daraufhin wird in der zweiten Prozesskammer 210B die Verdampfung der flüssigen Phase 241A in Gang gesetzt, so dass dort sich ein gewünschter Arbeitsdruck aufbaut, während in der ersten Prozesskammer 210A ein großes Gasvolumen bereitsteht. Eine effiziente Ankopplung an diese Gasphase kann beispielsweise so bewerkstelligt werden, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Beispielsweise kann in einer Anfangsphase, während sich in der zweiten Prozesskammer 210B weiterhin der Arbeitsdruck aufbaut, ein Teil der flüssigen Phase 241A mit Oberfläche, beispielsweise in Form kleinster Tröpfchen, eingeführt werden, so dass eine rasche Druckverminderung in der Gasphase in der Prozesskammer 210A stattfindet. Daraufhin wird eine Strömung der flüssigen Phase 241A von der zweiten Prozesskammer 210B in die erste Prozesskammer 210A bewirkt, wobei wiederum elektrische Energie gewonnen wird.
-
2B zeigt schematisch die Stromerzeugungseinheit 200 in einer weiteren Ausführungsvariante, wobei hier eine Ventileinrichtung 230 vorgesehen ist, so dass mehrere Strömungswege zwischen der ersten Prozesskammer 210A und der zweiten Prozesskammer 210B eingerichtet werden können. Zum Beispiel umfasst die Fluidverbindung 290 mehrere Eintrittspunkte für die Prozesskammern, so dass etwa Flüssigkeit in die Gasphase eingebracht werden kann, während Flüssigkeit über einen anderen Eintrittspunkt aus der Prozesskammer abgeleitet wird. Es sollte beachtet werden, dass die dargestellte Ventileinrichtung 230 nur anschaulicher Natur ist und auch andere Konfigurationen implementiert werden können, um die gewünschten Strömungswege bereitzustellen. Ferner kann die Ventileinrichtung auch so ausgelegt sein, dass zusätzlich oder alternativ zur Bereitstellung verschiedener Strömungswege in und aus den Prozesskammer an auch bei Bedarf nur eine einzige Strömungsrichtung in der Hydraulikeinheit 250 eingerichtet wird, so, dass sich gegebenenfalls eine entsprechende Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 255 ergibt. In diesem Falle ist eine Steuerung 260 so ausgebildet, dass sie die elektrische Maschine 255 sowie die Ventileinrichtung 230 auf der Grundlage geeigneter Signale, wie dies beispielsweise zuvor im Zusammenhang mit der Einrichtung 100 erläutert ist, ansteuert.
-
Durch die Verwendung einer zweiten Prozesskammer kann somit die Phase der elektrischen Maschine 255, in der diese im Motorbetrieb agiert, deutlich verringert werden, so dass insgesamt der elektrische Wirkungsgrad der Stromerzeugungseinheit 200 im Vergleich zu einer Ausführungsform mit nur einer Prozesskammer erhöht wird. Demgegenüber sind die zusätzlichen thermischen Verluste abzuwägen, die sich gegebenenfalls durch eine größere Gesamtfläche der Wärmereservoire 220A, 220B ergeben können.
-
Die zuvor beschriebene Stromerzeugungseinheit kann durch entsprechende Auslegung der Prozesskammer sowie der Hydraulikeinheit und der zugehörigen elektrischen Maschine auf eine gewünschte elektrische und thermische Leistung ausgelegt werden, wobei sich insbesondere durch die effiziente Nutzung der flüssigen Phase des Prozessfluids ein kompakter Aufbau der Hydraulikeinheit ergibt, so dass auch kleine Einheiten, beispielsweise im Bereich von einigen 100 W elektrischer Leistung oder sogar weniger, und auch Einheiten im Bereich von mehreren Kilowatt oder mehr mit einem geringeren apparativen Aufbau im Vergleich zu konventionellen Anlagen verwirklicht werden können. Durch Verwendung eines geeigneten Mediums als Prozessfluid können auch Wärmequellen mit niedriger Energie, die beispielsweise von solarthermischen Anlagen, geothermischen Anlagen und dergleichen bereitgestellt wird, genutzt werden. Günstig ist auch bei Verwendung von organischem Prozessfluiden, dass nur ein relativ kleiner Druck in der Prozesskammer vorliegt, so dass gegebenenfalls entsprechende gesetzliche Regelungen für das Betreiben derartiger Anlagen keine größeren Aufwendungen erfordern. Selbstverständlich können auch Prozessfluide verwendet werden, in denen der Arbeitsdruck wesentlich höher ist, so dass insgesamt bei einem kompakteren Aufbau eine höhere Leistung erreichbar ist.
-
Das Prozessfluid ist nicht notwendigerweise ein kontinuierliches Medium, sondern kann auch als ein Verbund aus zwei oder mehreren Prozessfluiden bereitgestellt werden. Dabei können einzelne Komponenten des Prozessfluids gegebenenfalls im Wesentlichen entmischt bleiben, so dass beispielsweise eine Komponente im Wesentlichen für die mechanische Ankopplung an die Hydraulikeinheit zuständig ist, während die zweite Komponente als Medium zum Verdampfen dient. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass eine Kontaktierung der zu verdampfenden Komponente mit dem ersten und dem zweiten Wärmereservoir durch Änderung des Flüssigkeitsspiegels der anderen Komponente erfolgt.
-
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 3608311 [0007]
- DE 10007685 A1 [0008]
- US 3901033 [0009]
- WO 2005/111429 A1 [0010]
