DE102011111219A1

DE102011111219A1 - Energiewandlervorrichtung für Energieanlagen und Verfahren zum Betrieb einer dahingehenden Vorrichtung

Info

Publication number: DE102011111219A1
Application number: DE102011111219A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Hydac System GmbH
Current assignee: Hydac System GmbH
Priority date: 2011-08-20
Filing date: 2011-08-20
Publication date: 2013-02-21
Also published as: CN103608580A; BR112014003383A2; AU2012299857A1; EP2745005A1; US20140159380A1; WO2013026548A1

Abstract

Energiewandlervorrichtung für Energieanlagen und Verfahren zum Betrieb einer Energiewandlervorrichtung.
Eine Energiewandlervorrichtung für Energieanlagen (2) zum Wandeln von mechanischer in hydraulische und weiter in elektrische Energie, die als Energietransportmedium ein Steuerfluid (3) einsetzt, das von mindestens einer ersten Wandlereinrichtung (5), die die mechanische in hydraulische Energie wandelt, einen variabel sich ändernden Druck erhält und mit mindestens einer zweiten nachfolgenden Wandlereinrichtung (7), die die hydraulische in elektrische Energie wandelt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinrichtung (7) in einen ersten Steuerkreis (9) und einen zweiten Steuerkreis (11) unterteilt ist, die beide auf ihrer Eingangsseite (13) mit dem Steuerfluid (3) variablen Drucks von Seiten der ersten Wandlereinrichtung (7) versorgbar sind und die überwiegend unterschiedlich hohe Druckniveaus aufweisen.

Description

Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 239376 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (RP7/2007-2013) gefördert:
Die Erfindung betrifft eine Energiewandlervorrichtung für Energieanlagen zum Wandeln von mechanischer in hydraulische und weiter in elektrische Energie, die als Energietransportmedium ein Steuerfluid einsetzt, das von mindestens einer ersten Wandlereinrichtung, die die mechanische in hydraulische Energie wandelt, einen variabel sich ändernden Druck erhält und mit mindestens einer zweiten nachfolgenden Wandlereinrichtung, die die hydraulische in elektrische Energie wandelt. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betrieb einer dahingehenden Vorrichtung.
Zu den verwertbaren Energieressourcen der Umwelt gehört auch die Energie von Heereswellen, deren Energiepotential nach vorläufigen Schätzungen zumindest etwa 15% des weltweiten Strombedarfs decken könnte. Zur Energiegewinnung unter Einsatz von Heereswellen sind Energiewandlervorrichtungen mit verschiedenen Wirk-Prinzipien bekannt.
Ein mögliches Umsetzungsprinzip basiert auf ein im Wasser schwimmendes Zweimassensystem, wobei die beiden eingesetzten Massen aufgrund deutlich voneinander verschiedener Eigenfrequenzen unterschiedliche Relativbewegungen zueinander durchführen, bedingt durch die Wellenbewegung. Die dahingehenden Relativbewegungen der Massen zueinander können in Pumpbewegungen von Arbeitszylindern, wie Hydraulikzylindern, umgesetzt werden, um dann dergestalt beispielsweise über einen Generator elektrische Energie zu erhalten, welche insoweit die hydraulische Energie durch die Arbeitszylinder, hervorgerufen durch die mechanische Energie in Form der Wellenbewegung, in nutzbaren Strom umsetzt.
Durch die DE 601 15 509 T2 ist eine dahingehende, sogenannte punktabsorbierende Wellenenergie-Umwandlungseinrichtung zur Gewinnung von Energie aus der Wellenbewegung an der Oberfläche eines Flüssigkeitskörpers und mit Dimensionen klein gegenüber der Wellenlänge der vorherrschenden Welle bekannt. Die bekannte Lösung weist zwei relativ gegeneinander bewegbare Einrichtungen in der Art zweier bewegbarer Einzelmassen auf, wobei die erste Einrichtung einen Schwimmkörper und die zweite Einrichtung einen untergetauchten Körper unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitskörpers aufweist. Ferner sind zwischen diesen beiden Masse-Einrichtungen hydraulische Arbeitszylinder angeordnet, die bedingt durch die Relativbewegung der Einzelmassen zueinander, hervorgerufen durch die Wellenbewegung, Hubbewegungen ausführen für einen Energietransfer von mechanischer in elektrische Energie.
Bei dahingehenden, im Wasser schwimmenden Zweimassensystemen ergibt sich häufig ein zeitlicher Versatz zwischen der Bewegung der Welle und der nachgeführten Bewegung mindestens einer der Massen des Zweimassensystems mit der Folge, dass die Massenbewegung aufgestoppt oder zumindest verlangsamt werden kann, was beispielsweise der Fall ist, wenn die Amplitude der Welle nach Durchlaufen eines Wellentals bereits wieder ansteigt, während zumindest eine der beiden Massen sich zeitlich nachfolgend noch in der Abwärtsbewegung in Richtung des Wellentals befindet und in dieser Bewegung dann durch die bereits aufsteigende Welle verlangsamt oder gar angehalten wird. Durch dieses „retardierende Moment” wird die beschriebene Energieumwandlung beeinträchtigt oder gar zum Erliegen gebracht.
Um diesen Ausfallerscheinungen zu begegnen, ist in der PCT-WO 2005/069824 A2 eine Energiewandlereinrichtung beschrieben, die es erlaubt, unter Einbezug einer entsprechenden Sensorik einen Generator zur Stromerzeugung, hervorgerufen durch die Wellenbewegung, und eine entsprechende mechanische Wandlerstrecke in Form eines Zahnstangentriebes derart kurzzeitig in einen Motorbetrieb umzuschalten, dass zumindest ein Teil der vorher gewonnenen Energie wieder eingesetzt werden kann, um eine bedingt durch die Wellenbewegung in Richtung des Stillstandes gesetzte Masse derart anzutreiben, dass die angesprochenen Totpunktphasen überwunden sind. Je nach den tatsächlichen Gegebenheiten der Wellenbewegung kann dann die Energiewandlereinrichtung entweder als Generator im Energiegewinnmodus oder im Motorbetrieb als antreibende Steuerkraft für die jeweilige Masse der Energiewandlereinrichtung eingesetzt werden, um so eine Grundbewegungssituation sicherzustellen, aus der heraus sich die Masse leichter von der Welle bewegen läßt, als wenn sie einen verlangsamten Zustand oder gar Ruhezustand einnimmt. Trotz der insoweit verbesserten Energieausbeute geht aber für das Ansteuern der Masse aus der jeweiligen Wellen-Totpunktzone heraus Energie im Motorbetrieb der Einrichtung wieder verloren, was insgesamt die mögliche Energieausbeute reduziert.
Einen anderen Weg zur Beseitigung von Hemmnissen im Betrieb sowie für den verbesserten Erhalt der Energieausbeute verfolgt eine Energiewandlervorrichtung nach der WO 2009/153329 A2 . Diese bekannte Vorrichtung setzt eine Wellenenergie-Absorptionseinrichtung ein, die durch die Wirkung von Wellen bewegbar ist und die zum Antrieb einer Vielzahl von Aktuatoren einer Wellenergie-Umwandlungseinrichtung mit diesen gekoppelt ist. Jeder Aktuator weist eine definierte Dämpfungscharakteristik auf, die gemeinsam eine Summen-Dämpfungscharakteristik der Wellenergie-Umwandlungseinrichtung ausbilden, wobei mittels einer Kontrolleinrichtung ein Soll-Dämpfungswert der Wellenergie-Umwandlungseinrichtung in Abhängigkeit von gemessenen Parametern an der Wellenenergie-Absorptionseinrichtung eingestellt wird. Die dahingehende Kontrolleinrichtung steuert ferner im selektiven Betrieb einen oder mehrere der Aktuatoren an, um die gewünschte Dämpfungscharakteristik in Abhängigkeit der gemessenen Parameter der Wellenenergie-Absorptionseinrichtung einzustellen.
Die Größe, Höhe und die Frequenz einer Wellenbewegung variieren sehr und somit auch der Absolutwert von Bewegungsgrößen wie auch der dahingehende Relativwert der von ihr angeregten Körper in Form der bewegten Einzelmassen. Aufgrund des variablen Verhaltens der Wellenbewegung hat es sich in der Praxis gezeigt, dass die Umwandlung der hiermit in Verbindung stehenden mechanischen Energie in elektrische Energie Probleme bereitet, in dem Sinne, dass keine gleichmäßige Stromabgabe erreicht ist und/oder dass aufgrund von Rückkopplungsprozessen die „mechanische Wellenmaschine” angehalten wird, indem die jeweiligen Arbeitszylinder in ihrer Bewegung angehalten oder zumindest stark verlangsamt werden.
Zur Lösung dieser Probleme ist in der WO 2009/106213 A2 eine gattungsgemäße Energiewandlervorrichtung vorgeschlagen werden, die als Energietransportmedium ein Steuerfluid einsetzt, das in zwei unterschiedlichen Steuerkreisen geführt ist, die für einen Energietransfer über eine Kopplungseinrichtung miteinander in Wirkverbindung stehen, wobei der eine Steuerkreis der Energieeinspeisung, insbesondere in Form von mechanischer Energie und der andere Steuerkreis dem Energieabtransport in Form gewandelter Energie, insbesondere in Form elektrischer Energie dient. Durch die bekannte Aufteilung in zwei unterschiedliche Steuerkreise lässt sich die angeordnete Kopplungseinrichtung derart betreiben, dass die Energieeinspeisung in dem einen Steuerkreis vom Energieabtransport in dem anderen Steuerkreis zumindest insoweit voneinander separiert ist, dass sie in ihrem Betrieb sich nicht gegenseitig stören mit der Folge, dass nachteilige Rückkopplungseffekte, insbesondere in Richtung der Energieeinspeisung für die Wandlereinrichtung mit Sicherheit vermieden sind. Aufgrund der Vielzahl an Energiewandlungsschritten oder durch die sonstigen im Stand der Technik aufgezeigten Maßnahmen, um dem beschriebenen „Totpunktverhalten” des Systems entgegenzuwirken, kommt es jedoch zu Energieverlusten im Betrieb der dahingehenden Energiewandleranlagen und somit zu einer verschlechterten Energieausbeute für die sich allfällig an die jeweilige Wandleranlage anschließenden elektrischen Verbraucher.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Beibehalten der sonstigen Vorteile im Stand der Technik, nämlich eine Energiewandlervorrichtung zu schaffen, die Prozesssicher und nahezu rückkopplungsfrei unterschiedliche Energieformen ineinander umwandeln kann, dergestalt weiter zu optimieren, dass eine verbesserte Energieausbeute mit verringertem technischen Aufwand und somit in kostengünstiger Weise erreicht werden kann.
Eine dahingehende Aufgabe löst eine Energiewandlervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit sowie ein Verfahren zum Betrieb einer dahingehenden Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die zweite Wandlereinrichtung in einen ersten Steuerkreis und einen zweiten Steuerkreis unterteilt ist, die beide auf ihrer Eingangsseite mit dem Steuerfluid variablen Drucks von Seiten der ersten Wandlereinrichtung versorgbar sind und die überwiegend unterschiedlich hohe Druckniveaus aufweisen, ist eine Lösung geschaffen, die bei unterschiedlichen Wellenamplituden der vorgeschalteten Energie-Einspeiseeinrichtung, beispielsweise in Form einer Zweimassen-Wellenanlage, die derart in die Energiewandlervorrichtung eingebrachte Energie in unterschiedliche hydraulische Kreise der zweiten Wandlereinrichtung aufteilen hilft, um dergestalt die Energieeffizienz der Gesamt-Wandlervorrichtung zu verbessern. So ist bevorzugt vorgesehen, bei Wellenbewegungen kleiner Amplitude die in die Wandlervorrichtung eingebrachte Energie überwiegend dem als Mitteldruckteil ausgebildeten ersten Steuerkreis zuzuführen, um derart mittels eines angeschlossenen Generators Strom zu erzeugen, wohingegen bei einer Wellenbewegung mit größerer Amplitude die damit einhergehenden Energieanteile zusätzlich oder alternativ in den als Hochdruckteil konzipierten zweiten Steuerkreis der zweiten Wandlereinrichtung abgelegt werden, um dann gleichfalls mittels eines Generators elektrische Energie zu erhalten oder um Energieanteile innerhalb des Hochdruckteils abzuspeichern, was es erlaubt, diese abgespeicherten Energieanteile später teilweise oder ganz zur Unterstützung des Betriebs des Mitteldruckteils einzusetzen, was bevorzugt dann der Fall ist, wenn die Wellenenergie-Einspeiseeinrichtung nicht mehr hinreichend Energie in die Wandlereinrichtung einspeisen kann.
Demgemäß ist es ein großer Vorteil und für einen auf dem Gebiet von Energiewandlervorrichtungen tätigen Durchschnittsfachmann überraschendes Resultat, dass bei nachlassender oder stillstehender Wellenbewegung die erste Wandlereinrichtung vollständig von der zweiten Wandlereinrichtung entkoppelbar ist und dennoch mit der zweiten Wandlereinrichtung durch Abrufen von Energie aus dem Hochdruckteil in Richtung des Mitteldruckteils weiter elektrische Energie gewonnen werden kann, so dass es auch insoweit wie im Stand der Technik aufgezeigt nicht notwendig ist, durch Rückkopplung mit gegenläufigem Energie-Rückfluss die Wellenenergie-Einspeiseeinrichtung in Betrieb zu halten, um dem beschriebenen „Totpunktverhalten” entgegenzuwirken.
Da bevorzugt beide Wandlereinrichtungen Teil eines gemeinsamen einzelnen fluidführenden Steuerkreises mit dem Steuerfluid variablen Druckes sind, kann in wenigen Wandlungsschritten die mechanische über die hydraulische in die elektrische Energie gewandelt werden, was energetisch wesentlich günstiger ist, als wenn man mittels zweier getrennter Steuerkreise und einer Vielzahl an dann damit einhergehenden Wandlungsschritten die angesprochene Energiewandlung vornimmt.
Der Mitteldruck- und der Hochdruckteil kann innerhalb des gemeinsamen Steuerkreises parallel zueinander geschaltet sein. Dadurch ist die Wandlung von hydraulischer in elektrische Energie in der zweiten Wandlereinrichtung unter Anwendung eines Summenvolumenstroms von einerseits Steuerfluid variablen Drucks und andererseits Steuerfluid hohen Drucks bei nahezu konstantem Druckniveau ermöglicht. Dergestalt lässt sich die Energieausbeute erhöhen und auch die Wandlung von hydraulischer in elektrische Energie mit Hilfe der Energiewandlervorrichtung weitestgehend für angeschlossene elektrische Verbraucher konstant halten.
Der Mitteldruck- und der Hochdruckteil können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Energiewandlervorrichtung mit Hilfe einer Ventileinrichtung auf ihrer Eingangsseite voneinander trennbar gestaltet sein. Die Ventileinrichtung ist besonders bevorzugt als Rückschlagventil ausgebildet, das vorzugsweise in Strömungsrichtung von dem Mitteldruckteil zu dem Hochdruckteil öffnet und umgekehrt sperrt. Dergestalt lässt sich das Druckniveau des Hochdruckteils auf der Eingangsseite von dem des Mitteldruckteils für die vorstehend erläuterte Betriebsweise entkoppeln.
Eine weitere konstruktive Maßnahme, die Energiewandlung von hydraulischer in elektrische Energie prozesssicher und rückkopplungsfrei und weitestgehend konstant zu gestalten, ist, in dem Mitteldruckteil und in dem Hochdruckteil jeweils einen einstellbaren Hydromotor einzusetzen, wobei die dahingehenden Hydromotoren gemeinsam an einen elektrischen Generator angeschlossen sind. Durch eine geeignete adaptive Regelung, die vorzugsweise den Druckverlauf des variablen Drucks des Steuerfluids auf der Eingangsseite und den Druck des Steuerfluids in dem Hochdruckteil sowie aktuelle Drehzahlen der Hydromotoren berücksichtigt, können die Schluckvolumen der Hydromotoren laufend so verändert werden, dass sich eine möglichst konstante Wellendrehzahl für den jeweiligen Generator einstellt.
Indem in dem Hochdruckteil auf dessen Eingangsseite mindestens ein Hydrospeicher geschaltet ist, ist es möglich, die von dem Steuerfluid in dem Hochdruckteil generierten Druckschwankungen zu glätten und im Übrigen auf der Hochdruckseite mittels der Wellenanlage eingebrachte Energie zu speichern. Die erste Wandlereinrichtung weist zumindest einen hydraulischen Arbeitszylinder auf, der die mechanische Wellenenergie einer Wellenanlage als Einspeiseeinrichtung in hydraulische Energie mit variablem Druckanteil umwandelt. Unter Bildung einer vergrößerten Gesamtanlage können mehrere Reihen von erster und zweiter Wandlereinrichtung miteinander gekoppelt sein. Durch diese konstruktive Maßnahme lässt sich sowohl das Leistungsniveau der Energiewandlervorrichtung erhöhen als auch insbesondere der Betrieb des jeweiligen Generators vergleichmäßigen.
Es kann vorteilhaft sein, die Reihenschaltung an Wandlereinrichtungen derart auszubilden, dass sich eine Art Kaskadenschaltung ergibt. Somit kann in Abhängigkeit der jeweils aktuellen Eingabe an mechanischer Energie in die Energiewandlervorrichtung auch ein gewünschtes Niveau an elektrischer Energie aus der Energiewandlervorrichtung entnommen werden. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, jede Reihe von erster und zweiter Wandlereinrichtung mit einer spezifischen maximalen elektrischen Leistung auszubilden, wobei die einzelnen Reihen sich in ihrer maximalen elektrischen Leistung voneinander unterscheiden können. Innerhalb jeder Reihe von erster und zweiter Wandlereinrichtung können auch die Mitteldruckteile und die Hochdruckteile dahingehend eingesetzt sein, dass die jeweils von der ersten Wandlereinrichtung gelieferte Steuerfluidmenge niedrigeren oder mittleren Drucks bevorzugt von dem Mitteldruckteil und die Steuerfluidmenge mit dem demgegenüber höheren Druck bevorzugt von dem jeweiligen Hochdruckteil in elektrische Energie umgewandelt werden.
Durch die angesprochene kaskadenförmig angelegte Ausgestaltung lässt sich dergestalt an den Energieeintrag angepasst eine erste Reihe von erster und zweiter Wandlereinrichtung einer sehr kleinen Wellenbewegung zuordnen; eine zweite vergleichbare Reihe einer Wellenbewegung mit mittlerer Amplitude und gegebenenfalls eine dritte Reihe den Wellenbewegungen mit sehr großer Amplitude. Somit lässt sich dann jede Energiewandlervorrichtung für einen optimalen Betriebsbereich an die jeweils herrschenden Wellenbewegungen anpassen.
Die ersten Wandlereinrichtungen der verschiedenen Reihen können darüber hinaus beliebig mit einer oder mehreren zweiten Wandlereinrichtungen anderer Reihen kombiniert werden, wodurch eine feinere Abstufung der Anpassung des Betriebsbereichs ermöglicht wird. Unter Umständen kann die erfindungsgemäße Energiewandlervorrichtung auch im Rahmen des Betriebs von Windkraftanlagen oder dergleichen eingesetzt werden, wobei dann die erste Wandlereinrichtung nicht über hydraulisch ansteuerbare Arbeitszylinder verfügt, sondern beispielsweise eine Hydropumpe aufweist. Auch dergestalt ließe sich eine Vergleichmäßigung der Energieabgabe dann über den angesprochenen Hochdruckteil der zweiten Wandlereinrichtung erreichen. Anstelle einer Zweimassen-Wellenenergieanlage können auch andere Wellenenergie-Einspeiseanlagen treten, bei der die durch Wellen bewegbaren Massen, beispielsweise in Kettenform in Folge nebeneinander angeordnet sind.
Eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung ist auch durch ein Verfahren nach dem nebengeordneten Patentanspruch 11 erreicht, dass dem Betrieb einer Energiewandlervorrichtung wie vorstehend beschrieben dient, wobei die von der ersten Wandlereinrichtung gelieferte Fluidmenge mit niedrigerem Druck bevorzugt von dem Mitteldruckteil und die Fluidmenge mit dem demgegenüber höheren Druck von dem Hochdruckteil in elektrische Energie umgewandelt wird.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Energiewandlervorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
1 den grundsätzlichen Aufbau einer Wellen-Energieeinspeiseeinrichtung in der Art eines Zweimassen-Schwingsystems als Energieanlage zum Anschluss an eine Energiewandlervorrichtung;
2 in der Art eines hydraulischen Schaltplans ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiewandlervorrichtung;
3 in der Art eines hydraulischen Schaltplans eine Gesamtanlage bestehend aus zwei Reihen von Energiewandlervorrichtungen, jeweils bestehend aus erster und zweiter Wandlereinrichtung; und
4 in der Art eines schematischen Diagramms den Verlauf der Soll-Dämpfungskraft F_D,soll soll aufgetragen über der Relativgeschwindigkeit v zwischen den Schwimmkörpern einer Wellen-Energieanlage.
In der 1 ist in der Art einer stark vereinfachten, schematischen Funktionsdarstellung der grundsätzliche Aufbau einer Wellenanlage 31 als Energie-Einspeiseeinrichtung gezeigt. Die Wellenanlage 31 ist in der Art einer Schwimmboje aufgebaut und weist einen ersten Schwimmerkörper als Pfahlschwimmer 39 und einen, diesen radial umgebenden zweiten Schwimmerkörper als Ringschwimmer 41 auf. Der Pfahlschwimmer 39 weist eine größere Masse als der Ringschwimmer 41 auf und bildet insoweit eine Zweimassen-Wellenenergieanlage, wie sie beispielhaft in der vorstehend beschriebenen DE 601 15 509 T2 aufgezeigt ist. Der Pfahlschwimmer 39 weist dadurch bedingt eine geringere Eigenfrequenz auf als der Ringschwimmer 41. Der Ringschwimmer 41 ist relativ zu dem Plahlschwimmer 39 axial bewegbar. Durch die, die Wellenanlage 31 umgebenden, und an der Wellenanlage 31 vorbeiziehenden Meereswellen 4 wird somit ständig eine axiale Relativbewegung (in 1 mit zwei Doppelpfeilen dargestellt) des Ringschwimmers 41 relativ zu dem Pfahlschwimmer 39 verursacht, wobei mit zunehmender Amplitude der Wellenbewegung die angesprochene axiale Relativbewegung zunimmt, was zu einer Vergrößerung des Arbeitsvermögens der Wellenanlage 31 führt.
Die als Energieanlage 2 oder als Energie-Einspeiseeinrichtung ausgebildete Wellenanlage 31 ist einer Energiewandlervorrichtung 1 vorgeschaltet, wie sie von ihrem prinzipiellen Aufbau her als hydraulischer Schaltplan in der 2 gezeigt ist. Die Energiewandlervorrichtung 1 kann integraler Bestandteil der Wellenanlage 31 nach der 1 sein; es besteht aber auch die Möglichkeit, mehrere Schwimmbojen in der Art eines Energieanlagenfeldes (nicht dargestellt) „zusammengeschaltet” dergestalt hydraulisch mit einer Energiewandlervorrichtung 1 nach der 2 zu verbinden. Die Energiewandlervorrichtung 1 dient dem Wandeln von mechanischer in hydraulische und weiter in elektrische Energie, wobei die mechanische Energie aus der Relativbewegung des Ringschwimmers 41 relativ zu dem Pfahlschwimmer 39 gewonnen wird. Die Energiewandlervorrichtung 1 weist ferner ein als Energietransportmedium eingesetztes Steuerfluid 3 auf. Das Steuerfluid 3 wird von mindestens einer ersten Wandlereinrichtung 5, die die mechanische in hydraulische Energie wandelt, mit einem variabel sich ändernden Druck P_M bereitgestellt. Die Energiewandlervorrichtung 1 weist ferner eine zweite Wandlereinrichtung 7 auf, die die hydraulische Energie in elektrische Energie wandelt.
Die zweite Wandlereinrichtung 7 ist in einen Mitteldruckteil 9 als dem ersten Steuerkreis und einen Hochdruckteil 11 als dem zweiten Steuerkreis unterteilt. Der Mitteldruckteil 9 und der Hochdruckteil 11 werden mit dem Steuerfluid 3 variablen Drucks P_M auf ihrer Eingangsseite 13 von der ersten Wandlereinrichtung 5 her versorgt. Beide Wandlereinrichtungen 5, 7 sind Teil eines gemeinsamen fluidführenden zentralen Steuerkreises 15, der in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Art geschlossene Kreislaufführung ausgeführt ist. Der Mitteldruckteil 9 und der Hochdruckteil 11 innerhalb des gemeinsamen Steuerkreises 15 sind parallel zueinander geschaltet und auf ihrer Eingangsseite 13 von einer Ventileinrichtung 17, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in 2 als Rückschlagventil 19 gebildet ist, voneinander trennbar. Das Rückschlagventil 19 ist von dem Mitteldruckteil 9 zu dem Hochdruckteil 11 hin überströmbar und sperrt in umgekehrter Strömungsrichtung.
Der Mitteldruckteil 9 und der Hochdruckteil 11 weisen jeweils einen einstellbaren Hydromotor 21, 23 mit variablem Schluckvolumen auf. Beide Hydromotoren 21, 23 dienen einem gemeinsamen Antrieb eines Generators 25 zur Gewinnung elektrischer Energie. Bei einer nicht näher gezeigten Ausführungsform wäre es auch möglich, anstelle eines Generators 25 jedem Teil 9, 11 der zweiten Wandlereinrichtung 7 einen eigenen Generator zuzuordnen. Wie in Betrachtungsrichtung auf die 2 gesehen auf der rechten Seite ersichtlich, ist der Hochdruckteil 11 mit einem Hydrospeicher 27 versehen, der mittels eines Sperrventiles 26 auf die Eingangsseite 13 des genannten Hochdruckteils 11 anschließbar ist. Über das Sperrventil 26 kann somit der Hydrospeicher 27 vom Rest des hydraulischen gemeinsamen Steuerkreises isoliert werden, was auch dazu genutzt werden kann, kurzfristig eine Druckerhöhung im Hochdruckteil über das Speicherdruckniveau hinaus zu bewirken. Zwischen einer, die Eingangsseite 13 des Hochdruckteils 11 und des Mitteldruckteils 9 bildenden Steuerfluidleitung 43 und dem Hydromotor 21 ist ein elektrisch betätigbares 2/2-Wege-Ventil 45 geschaltet. Zwischen der Steuerfluidleitung 43 und dem Hydromotor 23 wiederum ist ein funktionsgleiches 2/2-Wege-Ventil 47 geschaltet. Die Ventile 45, 47 dienen jeweils zum Sperren des Zuflusses vom Steuerfluid 3 zu den betreffenden Hydromotoren 21, 23 oder zum Beaufschlagen derselben mit Steuerfluid 3. Der Mitteldruckteil 9 und der Hochdruckteil 11 sind somit geeignet, in Abhängigkeit der Schaltstellung der Ventile 45, 47 jeweils auch einzeln für den Antrieb des Generators 25 zu sorgen; und zwar unabhängig von der aktuellen Einstellung des jeweiligen Schluckvolumens der Hydromotoren 21, 23, das auch auf einen Null-Schluckvolumenstrom einstellbar ist.
Der Mitteldruckteil 9 weist eine Bypassleitung 49a auf, die mit einem Rückschlagventil 55 versehen ist und den Zulauf des mitteldruckseiteigen Hydromotors 21 mit der Ausgangsseite 28 des Steuerkreises 15 verbindet. Die Bypassleitung 49a ermöglicht es dem Hydromotor 21, bei einem abrupten Wegfall der Steuerfluidzufuhr, z. B. beim Schließen des Ventils 45, Steuerfluid 3 von der Ausgangsseite 28 nachzusaugen, ohne dass es infolge des trägheitsbedingten Nachlaufens des Hydromotors 21 zu Kavitationserscheinungen kommt. In umgekehrter Richtung sperrt das Rückschlagventil 55. Eine zweite Bypassleitung 49b, die mit einem Rückschlagventil 53 versehen ist, erlaubt bei einem Anstieg des Drucks am Zulauf des Hydromotors 21 über den Druck auf der Eingangsseite 13 hinaus einen Abfluss von überschüssigem Steuerfluid zu dieser Seite hin. Der Hochdruckteil 11 weist in gleicher Weise zwei Bypassleitungen 51a und 51b auf, die über Rückschlagventile 57, 59 verfügen und die gleichen Funktionen für den hochdruckseitigen Hydromotor 23 erfüllen wie anhand der Bypassleitungen 49a, 49b und der Rückschlagventile 53, 55 für den nieder- oder mitteldruckseitigen Hydromotor 21 aufgezeigt.
Die erste Wandlereinrichtung 5 ist mit einer Bypassleitung 61 zwischen der Eingangsseite 13 und der genannten Ausgangsseite 28 versehen. In die Bypassleitung 61 ist ein Druckbegrenzungsventil 63 geschaltet, das in Parallelanordnung zu einem Rückschlagventil 60 geschaltet ist. Die zweite Wandlereinrichtung 7 weist eine weitere dritte Bypassleitung 65 zwischen der Eingangsseite 13 und der Ausgangsseite 28 auf und zwar am Ende des Steuerkreises 15, bei dem der eingangsseitige Hochdruck in einen Mitteldruckkreis überführt ist, der die Ausgangsseite 28 des gemeinsamen Steuerkreises 15 bildet. In die dahingehende dritte Bypassleitung 65 ist wiederum ein Druckbegrenzungsventil 67 geschaltet. Die beiden Druckbegrenzungsventile 63, 67 dienen vorrangig dazu, die Eingangsseite 13 des Steuerkreises 15 und deren Komponenten gegenüber Überdrücken des Steuerfluids 3 abzusichern. Sofern es infolge einer übermäßig hohen Eingangsleistung an der ersten Wandlereinrichtung 5 zu einem Überangebot an Steuerfluid kommt, das von der zweiten Wandlereinrichtung 7 nicht vollständig verarbeitet werden kann, wird das Steuerfluid über die Druckbegrenzungsventile 63, 67 zur Ausgangsseite hin abgeführt.
Die erste Wandlereinrichtung 5 weist als Aktuator einen hydraulischen Arbeitszylinder 29 in der Art eines Gleichgangzylinders auf. Der einfacheren Darstellung wegen ist in der 2 für die erste Wandlereinrichtung 5 nur ein Arbeitszylinder 29 gezeigt, wohingegen in der Darstellung nach der 1 zwei Arbeitszylinder 29 als Bestandteil der ersten Wandlereinrichtung 5 dargestellt sind. Wie die 1 weiter zeigt, sind die dahingehenden Aktuatoren oder Arbeitszylinder 29 mit der Energieanlage 2 derart verbunden, dass Wellenbewegungen in Arbeitsbewegungen des Kolbenstangenteils 75 des jeweiligen Arbeitszylinders 29 umgewandelt werden können. Sofern der in 2 gezeigte hydraulische Arbeitszylinder 29 als eine Art Gleichgangzylinder ausgebildet ist, bedeutet dies, dass in gegenläufiger Bewegungsrichtung des Kolben-Stangenteils 75 eine gleiche Fluidmenge mit gleichem Fluiddruck sowohl vom Arbeitsraum 71 als auch vom Arbeitsraum 73 stammend auf die Eingangsseite 13 der zweiten Wandlereinrichtung 7 gelangt.
Des Weiteren ist ein Hydrospeicher 69 dem hydraulischen Arbeitszylinder 29 eingangsseitig vorgelagert, dessen Aufgabe es ist, zur Vorspannung des Steuerfluids 3 in Richtung der dahingehenden Arbeitsräume 71, 73 und in den Arbeitsräumen selbst zu dienen. Auf diese Art und Weise lassen sich etwaig unerwünschte Kavitationserscheinungen vermeiden. Die in 2 dargestellte Wandlereinrichtung 5 setzt die Gleichgangcharakteristik dergestalt um, dass ein Differentialzylinder 29 in geeigneter Weise mit einer Reihe von Rückschlagventilen kombiniert wird, wodurch der ungleichflächige Zylinder in Bezug auf die geförderten Volumenströme und Drücke das geschilderte Verhalten eines gleichflächigen Zylinders annimmt.
Zum Betrieb der Energiewandlervorrichtung nach der 2 dient eine als Ganzes mit 77 bezeichnete Regeleinrichtung, die insbesondere mit zwei Reglern 79 und 81 versehen ist, beispielsweise in der Ausgestaltung als PID-Regler. Als Eingangsgrößen erhält der Regler 79 den variablen Druckwert P_M auf der Mitteldruckseite und der Regler 81 den Hochdruckwert PH auf der Hochdruckseite der Eingangsseite 13 des Steuerkreises 15. Die dahingehende Druckwertvorgabe wird bezogen auf den Regler 81 mit einem vorgebbaren Sollwert P_soll verglichen, der beispielsweise von einer nicht näher dargestellten Rechnereinheit stammt. Der Eingangsdruck p_D,soll für den Regler 79 wird der Dämpfungskraftcharakteristik nach 4, umgerechnet auf den Dämpfungsdruck im Arbeitszylinder 29, entnommen. Nach einem linearen Anstiegsvorgang des Dämpfungsdrucks, wie er sich aus der steilen Flanke des Kraftverlaufs in der Diagrammdarstellung in 4 ergibt, wird der Druck im Speicher 27 auf einen vorgebbaren Druckniveau gehalten, das als Eingangsgröße p_D,soll auf die Reglereingangsseite des Reglers 79 gelangt.
Vorzugsweise wird die Energiewandlervorrichtung 1 nach der 2 auf diesem Sollvorgabewert des Speichers 27 ausgeregelt. Da der Mitteldruckteil der Wandlereinrichtung 7 durch das Rückschlagventil 17 vom Hochdruckteil mit dem Hydrospeicher 27 getrennt ist und selbst nicht über einen Speicher verfügt, ist der Mitteldruckteil von einer hohen hydraulischen Steifigkeit gekennzeichnet, die es ermöglicht, den Dämpfungsdruck p_D und damit die Dämpfungskraft F_D im Bereich des linearen Anstiegs in 4 sehr genau zu regeln. Die genannte Eingangsgröße P_Dsoll wird dabei im Rahmen des Reglers 79 mit der Druckeingangsgröße P_M von der Mitteldruckseite stammend abgeglichen. Weitere zu berücksichtigende Eingangsgrößen bei den Reglern 79 und 81 ist der ausgangsseitige Druckwert P_A, der auf der Ausgangsseite 28 des gemeinsamen Steuerkreises 15 abgegriffen wird. Des Weiteren erhalten beide Regler 79 und 81 eine Drehzahlwertvorgabe n und/oder die Angabe der Winkelgeschwindigkeit ω einer Welle 83 des Generators 25 auf ihrer Eingangsseite, wohingegen ausgangsseitig beide Regler 79, 81 als Stellgröße das Schluckvolumen der Hydromotoren 21, 23 vorgeben.
Für die dahingehende Ansteuerung der Hydromotoren 21, 23 sind diese bevorzugt als Axialkolbenmaschinen ausgebildet, deren Schwenkwinkel stufenlos von der genannten Regeleinrichtung 77 unter Einsatz von nicht näher dargestellten Stellmitteln ansteuerbar ist. Der Aufbau dahingehender Hydromotoren ist hinreichend bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht mehr näher eingegangen wird.
Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass die Energiewandlervorrichtung mit ihrer zugeordneten Regeleinrichtung 77 schnelle Ansteuer- und Regelvorgänge erlaubt, um die gewünschte Dämpfungskraft einzustellen und somit die eingebrachte Wellenenergie entsprechend mittels den genannten Wandlereinrichtungen 5, 7 in elektrische Energie umzuwandeln.
Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Energiewandlervorrichtung wird deren Funktion und Wirkungsweise im Nachfolgenden näher erläutert. Die von der Energieanlage 2 bedingt durch die Wellenbewegung zur Verfügung gestellte Ansteuerung für den jeweiligen Aktuator oder Arbeitszylinder 29 führt zu einer Einspeisung von Steuerfluid mit einem variabel sich ändernden Druck P_M auf der Eingangsseite 13 sowohl von Mitteldruckteil 9 als auch von Hochdruckteil 11. In Phasen geringer Einspeisung als Folge geringer Relativgeschwindigkeiten wird parallel zur Wandlug der gespeicherten Energie die Wandlung der neu eingespeisten Energie durch den Mitteldruckteil 9 mit dem Hydromotor 21 veranlasst, der insoweit den Generator 25 antreibt. Die bei höherer Einspeisung entstehenden überschüssigen Fluid-Volumenanteile, die von dem Mitteldruckteil 9 nicht aufgenommen werden, werden in Richtung des Hochdruckteiles 11 verbracht, werden dort in den Hydrospeicher 27 eingespeist und können von dort unmittelbar zum Betrieb des weiteren Hydromotors 23 eingesetzt werden, der, wiederum von der Regeleinrichtung 77 unter Berücksichtigung des Diagramms nach der 4 angesteuert, den Generator 25 antreibt.
Kommt es nun auf der Mitteldruck- oder der Hochdruckseite zu einer Unterversorgung, lässt sich die Energiemenge aus dem Hydrospeicher 27 abrufen und der Generator 25 über den Hydromotor 23 des Hochdruckteils 11 ansteuern. Insoweit ist also die Möglichkeit eröffnet, mit einer einzigen Energiewandlervorrichtung 1 eine Vielzahl von Wellenbetriebsvorgängen sicher in elektrische Energie umzuwandeln.
Kommt es zu Wellenbewegungen mit ausgesprochen hoher Amplitude, wird das System gegen Überlast geschützt, indem das Fluid über das Druckbegrenzungsventil 63 wiederum auf die Niederdruckseite des Steuerkreises 15 geführt wird. Als energetisch besonders günstig hat es sich erwiesen, die Gesamtanlage auf den Dämpfungskraftsollwert Fsoll zu betreiben, gemäß der Darstellung nach 4, die das Dämpfungsverhalten der Energiewandlereinrichtung betrifft. Es ist selbstredend, dass es sich bei der hydraulischen Schaltplandarstellung nach der 2 um eine vereinfachte prinzipielle Darstellung handelt und dass insbesondere die angesprochenen Komponenten wie Arbeitszylinder, Hydrospeicher, Motoren, Schaltventile und dergleichen mehr in Mehrfachanordnung vorhanden sein können.
Die 3 zeigt in der Art einer hydraulischen Schaltplandarstellung eine vom Leistungsvermögen her vergrößerte Gesamtanlage 33, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zwei Reihen 35, 37 zweier Energiewandlervorrichtungen nach der 2 gebildet sind. Dabei wurden für dieselben Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, wie in der 2 aufgezeigt, und die insoweit getroffenen Ausführungen gelten demgemäß auch für die Ausführungsform nach der 3.
Neben einer redundanten Ausführung, die es beispielsweise erlaubt, bei Ausfall einer Energiewandlervorrichtung 1 mit der noch in Funktion befindlichen anderen weiterzuarbeiten, ermöglicht die dahingehende Lösung auch Wartungsarbeiten an einer stillgesetzten Energiewandlervorrichtung 1, während die andere noch in Betrieb ist. Vorzugsweise ist jedoch ein Kaskadenbetrieb vorgesehen, der es ermöglicht, mit den unterschiedlichen Reihen 35, 37 an Wandlervorrichtungen 1 unterschiedliche Wellenbereiche bei Betrieb der Energieanlage 2 abzudecken. So kann beispielsweise die eine Reihe 35 kleinere Wellenamplituden auswerten und zur Energiewandlung heranziehen, wohingegen die andere Reihe 37 in Betrieb gesetzt ist bei Wellen höherer Amplituden. Zur Kopplung der beiden Reihen 35, 37 miteinander dienen zwischen den Reihen angeordnete Schaltventile 85.
Die erfindungsgemäße Lösung braucht nicht auf den Einsatz bei Wellenanlagen 31 eingeschränkt zu sein, sondern kann auch für sonstige Energieanlagen eingesetzt werden. Anstelle der gezeigten Arbeitszylinder 29 für die erste Wandlereinrichtung 5 kann eine „intermittierend” arbeitende Verdrängungseinrichtung wie eine Hydropumpe oder dergleichen treten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60115509 T2 [0004, 0028]
WO 2005/069824 A2 [0006]
WO 2009/153329 A2 [0007]
WO 2009/106213 A2 [0009]

Claims

Energiewandlervorrichtung für Energieanlagen (2) zum Wandeln von mechanischer in hydraulische und weiter in elektrische Energie, die als Energietransportmedium ein Steuerfluid (3) einsetzt, das von mindestens einer ersten Wandlereinrichtung (5), die die mechanische in hydraulische Energie wandelt, einen variabel sich ändernden Druck erhält und mit mindestens einer zweiten nachfolgenden Wandlereinrichtung (7), die die hydraulische in elektrische Energie wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandlereinrichtung (7) in einen ersten Steuerkreis (9) und einen zweiten Steuerkreis (11) unterteilt ist, die beide auf ihrer Eingangsseite (13) mit dem Steuerfluid (3) variablen Drucks von Seiten der ersten Wandlereinrichtung (7) versorgbar sind und die überwiegend unterschiedlich hohe Druckniveaus aufweisen.
Energiewandlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das überwiegend herrschende Druckniveau des ersten Steuerkreises (9) als Mitteldruck und dass des zweiten Steuerkreises (11) als Hochdruck einstufbar ist.
Energiewandlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Wandlereinrichtungen (5, 7) Teil eines gemeinsamen fluidführenden Steuerkreises (15) sind.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteldruckteil (9) als erster Steuerkreis und der Hochdruckteil (11) als zweiter Steuerkreis innerhalb des gemeinsamen Steuerkreises (15) parallel zueinander geschaltet sind.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteldruck (9)- und der Hochdruckteil (11) auf ihrer Eingangsseite (13) von einer Ventileinrichtung (17), vorzugsweise in Form eines Rückschlagventils (19), voneinander trennbar sind.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass der Mitteldruck(9)- und der Hochdruckteil (11) jeweils einen einstellbaren Hydromotor (21, 23) aufweisen, die gemeinsam an einen Generator (25) angeschlossen sind.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckteil (11) auf seiner Eingangsseite (13) mindestens einen Hydrospeicher (27) aufweist.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandlereinrichtung (5) mindestens einen hydraulischen Arbeitszylinder (29) aufweist, der die mechanische Wellenenergie einer Wellenanlage (31) in hydraulische Energie mit variablem Druck (P_M) umwandelt.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Bildung einer vergrößerten Gesamtanlage (33) mehrere Reihen (35, 37) von erster und zweiter Wandlereinrichtung (5, 7) miteinander gekoppelt sind.
Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung an Wandlereinrichtungen (5, 7) derart erfolgt, dass eine Kaskadenschaltung erreicht ist.
Verfahren zum Betrieb einer Energiewandlervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten Wandlereinrichtung (5) gelieferte Fluidmenge mit niedrigerem oder mittlerem Druck (P_M), bevorzugt von dem Mitteldruckteil (9) und die Fluidmenge mit dem demgegenüber höheren Druck (PH) bevorzugt von dem Hochdruckteil (11) stammend in elektrische Energie umgewandelt wird.