Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem sowie ein Energieversorgungsmodul zur Verwendung in einem solchen Energieversorgungssystem.The invention relates to a power supply system and a power supply module for use in such a power supply system.
Bei der Umstellung der Energieversorgung von der Nutzung fossiler Energieträger auf die zunehmende Nutzung regenerativer Energieträger, insbesondere die Nutzung von Strahlungsenergie der Sonne oder Windenergie zur Stromerzeugung, stellt sich das Problem, dass die regenerativen Energiequellen mit stark schwankender Leistung zur Verfügung stehen. An sonnenreichen Tagen wird sehr viel Sonnenenergie erzeugt; bei windreichen Wetterlagen kann aus Windkraftwerken viel Energie erzeugt werden. Die regenerativ erzeugbare elektrische Leistung schwankt somit stark und kann so groß sein, dass sie nicht unmittelbar verbraucht wird. Es besteht somit ein Bedarf, regenerativ erzeugte elektrische Energie zu speichern, so dass die gespeicherte Energie bei sonnenarmen oder windarmen Wetterlagen oder bei hohem Energieverbrauch rasch zur Verfügung steht.When converting the energy supply from the use of fossil fuels to the increasing use of renewable energy sources, in particular the use of radiant energy from the sun or wind energy for power generation, there is the problem that the regenerative energy sources are available with greatly fluctuating performance. On sunny days, a lot of solar energy is generated; In windy weather conditions can be generated from wind power plants much energy. The regenerative electric power thus fluctuates greatly and can be so large that it is not consumed immediately. There is thus a need to store regeneratively generated electrical energy, so that the stored energy is available quickly in low-sun or low-wind weather conditions or high energy consumption.
Aus der EP 2 241 737 A1 ist ein Energieversorgungssystem bekannt, bei dem überschüssige regenerativ erzeugte elektrische Energie zum Antrieb eines Kompressors einer Wärmepumpe genutzt wird, in deren Verdampfer ein in geschlossenem Kreislauf strömendes Arbeitsfluid einem auf niedriger Temperatur befindlichen Medium Energie entzieht und einem auf höherer Temperatur befindlichen Speichermedium zuführt. Wenn die in dem Speichermedium gespeicherte Energie benötigt wird, bildet dieses Speichermedium einen Wärmespeicher, in dem ein in einem weiteren geschlossenen Kreislauf in einem Rankineprozess umströmendes Arbeitsmedium verdampft wird und anschließend einen Teil der in dem Wärmetauscher aufgenommenen thermischen Energie in einer Expansionsmaschine abgibt, der in mechanische Energie umgewandelt wird. Die mechanische Energie wird in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt. Nach Expansion kondensiert das expandierte und zumindest teilweise verflüssigte Arbeitsmedium in einem Kondensator unter Energieabgabe an ein auf niedriger Temperatur befindliches Kältemedium, um dann im flüssigen Zustand eine Pumpe zu durchströmen und im Wärmetauscher unter Energieaufnahme erneut zu verdampfen.From the EP 2 241 737 A1 a power supply system is known in which excess regeneratively generated electrical energy is used to drive a compressor of a heat pump, in the evaporator, a working fluid flowing in a closed circuit deprives a low-temperature medium and supplies energy to a storage medium located at a higher temperature. When the energy stored in the storage medium is needed, this storage medium forms a heat storage in which a working medium flowing around in a further closed loop in a Rankine process is vaporized and subsequently emits a part of the thermal energy absorbed in the heat exchanger in an expansion machine which is transformed into mechanical Energy is converted. The mechanical energy is converted into electrical energy in a generator. After expansion, the expanded and at least partially liquefied working medium condenses in a condenser with release of energy to a low-temperature cooling medium in order then to flow through a pump in the liquid state and to re-evaporate in the heat exchanger with energy absorption.
Das bekannte Energieversorgungssystem ist in seinem Aufbau kompliziert und verwendet als Expansionsmaschine, mit der ein Generator angetrieben wird, eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine Turbine.The known power supply system is complicated in structure and used as an expansion machine, with which a generator is driven, a turbomachine, such as a turbine.
In der DE 30 32 921 A1 ist eine Kombination eines Wärmekraftmaschinen- und eines Wärmepumpenkreises bekannt. Der Kondensator des Wärmekraftmaschinenkreises, wobei die Wärmekraftmaschine als eine Dampfmaschine ausgebildet sein kann, befindet sich in einem Kaltreservoir, in dem sich auch der Verdampfer des Wärmepumpenkreises befindet. Der Verdampfer des Wärmekraftmaschinenkreises befindet sich in einem Warmreservoir, in dem sich auch der Kondensator des Wärmepumpenkreises befindet. Der Wärmepumpenkreis enthält strömungsoberhalb des Kompressors einen Überhitzer, in dem dem Arbeitsmedium des Wärmepumpenkreises von einer externen Wärmequelle thermische Energie zugeführt wird. Eine Welle der Wärmekraftmaschine ist drehfest mit einer Welle des Kompressors des Wärmepumpenkreises verbunden. Insgesamt soll an dieser Welle Nutzenergie abgreifbar sein, die etwa der im Überhitzer dem Arbeitsfluid des Wärmepumpenkreises zugeführten thermischen Energie entspricht.In the DE 30 32 921 A1 a combination of a heat engine and a heat pump cycle is known. The condenser of the heat engine cycle, wherein the heat engine may be designed as a steam engine, is located in a cold reservoir in which the evaporator of the heat pump circuit is located. The evaporator of the heat engine cycle is located in a warm reservoir, in which also the condenser of the heat pump circuit is located. The heat pump circuit includes a superheater upstream of the compressor in which thermal energy is supplied to the working fluid of the heat pump circuit from an external heat source. A shaft of the heat engine is rotatably connected to a shaft of the compressor of the heat pump cycle. Overall, useful energy should be tapped off at this shaft, which corresponds approximately to the thermal energy supplied in the superheater to the working fluid of the heat pump circuit.
Aus der EP 2 182 179 A1 ist ein System zum Speichern elektrischer Energie in Form thermischer Energie in einem thermischen Energiespeicher bekannt. Das System enthält ein Kaltreservoir und ein Warmreservoir, die über einen Wärmepumpenkreis und einen Rankinekreis verbunden sind, in dem eine Turbine als Arbeitsmaschine zum Umwandeln thermischer Energie in mechanische Energie vorhanden ist. Der Kondensator des Wärmepumpenkreises und der Verdampfer des Rankinekreises befinden sich in dem Wärmespeicher. Der Verdampfer des Wärmepumpenkreises und der Kondensator des Rankinekreises befinden sich im Kaltspeicher.From the EP 2 182 179 A1 is a system for storing electrical energy in the form of thermal energy in a thermal energy storage known. The system includes a cold reservoir and a hot reservoir connected by a heat pump circuit and a Rankine circuit in which a turbine is provided as a work machine for converting thermal energy into mechanical energy. The condenser of the heat pump circuit and the evaporator of the Rankine circuit are located in the heat storage. The heat pump circuit evaporator and the Rankine circuit condenser are located in the cold storage tank.
In der US 2011/0252796 A1 ist ein thermodynamisches System offenbart, das ein Arbeitsfluid, eine Fluidpumpe zum Pumpen des Arbeitsfluids durch einen Kreislauf, eine thermische Energiequelle zum Zuführen von Wärme zu dem Arbeitsfluid, eine Expansionsmaschine strömungsabwärts der thermischen Energiequelle zum Umwandeln der Bewegung des Arbeitsfluids in Nutzarbeit und eine Wärmepumpe enthält, die Wärme von einem Bereich des Arbeitsfluids zu einem anderen Bereich des Arbeitsfluids pumpt.In the US 2011/0252796 A1 discloses a thermodynamic system including a working fluid, a fluid pump for pumping the working fluid through a circuit, a thermal energy source for supplying heat to the working fluid, an expansion machine downstream of the thermal energy source for converting the movement of the working fluid into useful work, and a heat pump; which pumps heat from one area of the working fluid to another area of the working fluid.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Energieversorgungssystem zu schaffen, mit dem überschüssige, aus regenerativen Energiequellen erzeugte elektrische Energie zeitweilig in Form thermischer Energie gespeichert werden kann und mit gutem Wirkungsgrad in elektrische Energie zurück verwandelt werden kann, die dann zum unmittelbaren Verbrauch zur Verfügung steht.The invention has for its object to provide a power supply system, with the excess, generated from renewable energy sources electrical energy can be temporarily stored in the form of thermal energy and can be transformed back into electrical energy with good efficiency, which is then available for direct consumption ,
Diese Aufgabe wird mit einem Energieversorgungssystem gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird zur Umwandlung der gespeicherten thermischen Energie in mechanische Energie eine Kolbendampfmaschine verwendet, die gegenüber Strömungsmaschinen den Vorteil einer höheren Expansion und geringerer Strömungsverluste aufweist, so dass die bei der zeitweiligen Speicherung überschüssiger elektrischer Energie in Form thermischer Energie und der Rückverwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie entstehenden Verluste geringer sind.This object is achieved with a power supply system according to claim 1. According to the invention, a piston steam engine is used for converting the stored thermal energy into mechanical energy, which has the advantage of a higher flow compared to turbomachines Expansion and lower flow losses, so that the resulting in the temporary storage of excess electrical energy in the form of thermal energy and the re-transformation of thermal energy into electrical energy losses are lower.
Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 wird die überschüssige elektrische Energie zum Betrieb einer Wärmepumpe verwendet, so dass die im Wärmespeicher gespeicherte thermische Energie erheblich größer sein kann als die zum Betrieb der Wärmepumpe verfügbare überschüssige elektrische Energie.With the features of claim 2, the excess electrical energy is used to operate a heat pump, so that the thermal energy stored in the heat storage can be considerably larger than the available for operation of the heat pump excess electrical energy.
Die Unteransprüche 3 bis 9 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems gerichtet.The dependent claims 3 to 9 are directed to advantageous embodiments and further developments of the energy supply system according to the invention.
Der Anspruch 10 kennzeichnet ein Energieversorgungsmodul zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem, das für unterschiedliche Anwendungen geeignet ist und bedarfsgerecht an unterschiedlichen Orten einsetzbar ist.The claim 10 indicates a power supply module for use in a power supply system according to the invention, which is suitable for different applications and can be used as needed at different locations.
Mit den Merkmalen der Ansprüche 11 und 12 wird das erfindungsgemäße Energieversorgungsmodul in vorteilhafter Weise weitergebildet.With the features of claims 11 and 12, the energy supply module according to the invention is developed in an advantageous manner.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.The invention is explained below with reference to schematic drawings, for example, and with further details.
1 zeigt in einer Prinzipskizze den Aufbau eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems. 1 shows a schematic diagram of the structure of a power supply system according to the invention.
2 zeigt eine Ansicht ähnlich der 1 eines abgeänderten Energieversorgungssystems. 2 shows a view similar to the 1 a modified energy supply system.
Gemäß der 1 enthält ein Kaltreservoir 10 ein Kaltmedium, zum Beispiel Wasser mit einer Temperatur von etwa 10°C, wie sie beispielsweise in 1 m Tiefe unter der Erdoberfläche herrscht. Das Kaltreservoir 10 kann ein in den Boden versenkter wassergefüllter Behälter sein, der in Temperaturaustausch mit dem Grundwasser ist. Es kann auch unmittelbar durch stehendes oder fließendes Wasser mit einer Temperatur von etwa 2°C bis etwa 10°C gebildet sein. Weiter ist ein Wärmespeicher 12 vorhanden, der mit einem Warmmedium, beispielsweise Wasser, gefüllt ist, das eine höhere Temperatur als die des Kaltmediums hat. Der Wärmespeicher 12 kann beispielsweise ein Behälter mit geeignet großem Volumen sein, der Wasser mit einer Temperatur von beispielsweise zwischen 30°C und 45°C enthält.According to the 1 contains a cold reservoir 10 a cold medium, for example water at a temperature of about 10 ° C, as it prevails, for example, at 1 m depth below the earth's surface. The cold reservoir 10 may be a water-filled container immersed in the ground that is in temperature exchange with the groundwater. It may also be formed directly by stagnant or flowing water at a temperature of about 2 ° C to about 10 ° C. Next is a heat storage 12 present, which is filled with a hot medium, such as water, which has a higher temperature than that of the cold medium. The heat storage 12 For example, it may be a suitably large volume container containing water at a temperature of, for example, between 30 ° C and 45 ° C.
Durch die Speicher 10 und 12 führt eine geschlossene Ringleitung 14, in der ein Arbeitsmedium umströmt und die Teil einer eine Energiezufuhrvorrichtung bildenden Wärmepumpe 15 ist. Die Ringleitung 14 führt aus dem Kaltreservoir 10 durch einen Kompressor 16 zu dem Wärmespeicher 12 und bildet in dem Wärmespeicher 12 einen Wärmetauscher bzw. Kondensator 18. Aus dem Wärmespeicher 12 führt die Ringleitung 14 durch eine Entdrosseleinheit 20 hindurch zurück in das Kaltreservoir 10, in dem sie einen weiteren Wärmetauscher bzw. Verdampfer 22 bildet. Von dem Kaltreservoir 10 führt die Ringleitung 14 zurück in den Kompressor 16.Through the memory 10 and 12 leads a closed loop 14 in which flows around a working medium and the part of a heat supply device forming a heat pump 15 is. The ring line 14 leads out of the cold reservoir 10 through a compressor 16 to the heat storage 12 and forms in the heat storage 12 a heat exchanger or condenser 18 , From the heat storage 12 leads the ring line 14 through an Entdrosseleinheit 20 through back into the cold reservoir 10 in which they have another heat exchanger or evaporator 22 forms. From the cold reservoir 10 leads the ring line 14 back to the compressor 16 ,
Die Funktion der insgesamt mit 15 bezeichneten Wärmepumpe ist an sich bekannt und wird daher nur kurz beschrieben:
Das in der Ringleitung 14 umströmende Arbeitsfluid verdampft bei niedriger Temperatur unter niedrigem Druck in dem Verdampfer 22, wobei es das Kaltmedium tendenziell abkühlt und die dem Kaltmedium entnommene thermische Energie als Verdampfungswärme zur Verdampfung des auf niedrigem Druck befindlichen Arbeitsmediums dient. Das verdampfte Arbeitsmedium wird im Kompressor 16 verdichtet und kondensiert in dem Kondensator 18 unter Abgabe der Kondensationswärme an das im Wärmespeicher 12 befindliche Wärmeträgermedium. Das kondensierte Arbeitsfluid wird anschließend in der Entdrosseleinheit 20 entspannt bzw. auf niedrigen Druck gebracht, um anschließend im Verdampfer 22 erneut zu verdampfen.The function of the total with 15 designated heat pump is known per se and is therefore described only briefly:
That in the ring line 14 flowing working fluid evaporates at low temperature under low pressure in the evaporator 22 wherein it tends to cool the cold medium and the thermal energy taken from the cold medium serves as the heat of vaporization to vaporize the working medium at low pressure. The evaporated working fluid is in the compressor 16 compacted and condensed in the condenser 18 while releasing the heat of condensation to the heat storage 12 located heat transfer medium. The condensed working fluid is then in the Entdrosseleinheit 20 relaxed or brought to low pressure, then in the evaporator 22 to evaporate again.
Die Leistungszahl COP einer Wärmepumpe beträgt maximal Tw1/(Tw1 – Tk1), wobei Tw1 die absolute Temperatur des Arbeitsmediums bei dessen Kondensation im Kondensator 18 ist und Tw1 die absolute Temperatur des Arbeitsmediums bei dessen Verdampfung im Verdampfer 22 ist. Bei geeigneter Wahl des Arbeitsmediums, dem Druck strömungsabwärts des Kompressors 16 und dem Druck strömungsabwärts der Entdrosseleinheit 20 sowie der Temperaturen im Kaltreservoir 10 und Wärmespeicher 12 kann dem Wärmespeicher 12 ein mehrfaches der vom Kompressor 16 aufgenommenen elektrischen Energie als thermische Energie zugeführt werden.The coefficient of performance COP of a heat pump is at most Tw1 / (Tw1 - Tk1), where Tw1 is the absolute temperature of the working medium when it condenses in the condenser 18 and Tw1 is the absolute temperature of the working medium as it evaporates in the evaporator 22 is. With a suitable choice of working fluid, the pressure downstream of the compressor 16 and the pressure downstream of the Entdrosseleinheit 20 as well as the temperatures in the cold reservoir 10 and heat storage 12 can the heat storage 12 a multiple of that from the compressor 16 Recorded electrical energy can be supplied as thermal energy.
Das System enthält weiter eine Krafterzeugungsvorrichtung 26 mit einer weiteren geschlossenen Ringleitung 28, in der ein Arbeitsfluid unter Durchlaufen eines Rankinekreisprozesses strömt. Genauer verlässt das Arbeitsfluid im flüssigen Zustand das Kaltreservoir 10 und wird in einer Pumpe 29 unter Druck gesetzt, um anschließend in einem im Wärmespeicher 12 angeordneten weiteren Wärmetauscher bzw. Verdampfer 30 unter Aufnahme der Verdampfungswärme zu verdampfen. Anschließend expandiert der unter Druck stehende Dampf in einer Kolbendampfmaschine 31, in der die im Dampf enthaltene Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, die an einer Kurbelwelle 32 der Kolbendampfmaschine abgreifbar ist. Von der Kurbelwelle 32 wird ein Generator 34 angetrieben. Die vom Generator erzeugte elektrische Energie wird über eine Stromleitung 36 abgeführt. Nach Energieabgabe in der Kolbendampfmaschine 31 strömt das entspannte und teilweise kondensierte Arbeitsfluid durch einen Wärmetauscher bzw. Kondensator 38, der im Kaltreservoir 10 angeordnet ist, und kondensiert unter Abgabe von Kondensationswärme vollständig. Anschließend wird das flüssige Arbeitsfluid von der Pumpe 29 wieder unter Druck gesetzt.The system further includes a force generating device 26 with another closed loop 28 in which a working fluid flows through a Rankine cycle process. More specifically, the working fluid in the liquid state leaves the cold reservoir 10 and gets in a pump 29 put under pressure to then in a heat storage 12 arranged further heat exchanger or evaporator 30 evaporate under the absorption of the heat of vaporization. Subsequently, the pressurized steam expands in a piston steam engine 31 in which the energy contained in the steam is converted into mechanical energy, which is at a crankshaft 32 of the Piston steam engine can be tapped. From the crankshaft 32 becomes a generator 34 driven. The electrical energy generated by the generator is via a power line 36 dissipated. After energy release in the piston steam engine 31 the expanded and partially condensed working fluid flows through a heat exchanger or condenser 38 in the cold reservoir 10 is arranged, and condenses completely with the release of condensation heat. Subsequently, the liquid working fluid from the pump 29 again pressured.
Der Wirkungsgrad der Kolbendampfmaschine 31 ist umso größer, je größer das Verhältnis (Tw2 – Tk2)/Tw2 ist, wobei Tw2 die absolute Temperatur des Arbeitsfluids am Eintritt in die Kolbendampfmaschine ist und Tk2 die absolute Temperatur des Arbeitsfluids am Auslass der Kolbendampfmaschine ist.The efficiency of the piston steam engine 31 is larger, the larger the ratio (Tw2 - Tk2) / Tw2, where Tw2 is the absolute temperature of the working fluid at the inlet to the piston steam engine and Tk2 is the absolute temperature of the working fluid at the outlet of the piston steam engine.
Der kritische Punkt von Kohlendioxid liegt bei 31,0°C und 73,8 bar. Der Tripelpunkt liegt bei –56,6°C und 5,18 bar. Zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt nimmt die Siede-/Kondensationstemperatur des Kohlendioxids mit steigendem Druck zu. Wenn die Temperatur des Kaltmediums beispielsweise bei 10°C liegt, eine typische Grundwassertemperatur, wie sie unterhalb der Erdoberfläche herrscht, und die Temperatur des Warmmediums etwa 30°C beträgt, kann als Arbeitsfluid in beiden Ringleitungen 14 und 28 Kohlendioxid verwendet werden. Die an den verschiedenen Bereichen der Ringleitungen 14 und 28 herrschenden Drucke können jeweils durch die Förderleistungen des Kompressors 16, der Pumpe 29, das Betriebsverhalten der Entdrosseleinheit 20 und der Kolbendampfmaschine 31 in geeigneter Weise eingestellt werden. Dazu ist eine elektronische Steuereinheit 40 vorhanden, die über mit mit Schrägstrichen dargestellte Leitungen mit dem Kompressor 16, der Pumpe 29 und einer Leistungssteuereinrichtung der Kolbendampfmaschine 31, beispielsweise einer Verstellvorrichtung für die Steuerzeiten der Einlass- und/oder Auslassventile der Kolbendampfmaschine 31, verbunden ist. Dem System wird elektrische Energie über eine Versorgungsleitung 42 zugeführt, die mit einer Stromquelle 44 verbunden ist, die Strom aus regenerativen Energiequellen, beispielsweise Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen und/oder Wasserkraftanlagen, erzeugt. Die Stromquelle 44 ist über eine Leitung 46 mit dem öffentlichen Netz oder sonstigen Verbrauchern verbunden.The critical point of carbon dioxide is 31.0 ° C and 73.8 bar. The triple point is -56.6 ° C and 5.18 bar. Between the triple point and the critical point, the boiling / condensation temperature of the carbon dioxide increases with increasing pressure. For example, if the temperature of the cold medium is 10 ° C, a typical groundwater temperature below the surface, and the temperature of the hot medium is about 30 ° C, then working fluid in both loops may be used 14 and 28 Carbon dioxide can be used. The at the different areas of the ring lines 14 and 28 prevailing pressures can each be determined by the delivery rates of the compressor 16 , the pump 29 , the operating behavior of the Entdrosseleinheit 20 and the piston steam engine 31 be adjusted in a suitable manner. This is an electronic control unit 40 present over the lines indicated with slashes with the compressor 16 , the pump 29 and a power control device of the piston steam engine 31 , For example, an adjustment for the timing of the intake and / or exhaust valves of the piston steam engine 31 , connected is. The system gets electrical energy via a supply line 42 supplied with a power source 44 is connected, the power from renewable energy sources, such as photovoltaic systems, wind turbines and / or hydropower plants generated. The power source 44 is over a line 46 connected to the public network or other consumers.
Die Funktion des beschriebenen Systems ist folgende:
Wenn von der Stromquelle 44 erzeugter Strom nicht vollständig von an die Leitung 46 angeschlossenen Verbrauchern verbraucht wird, wird von der Steuereinrichtung 40 gesteuert, der überschüssige Strom dem erfindungsgemäßen System zugeführt und der Kompressor 16 in Betrieb gesetzt. Dadurch tritt die Wärmepumpe 15 in Funktion, so dass aus dem Kaltreservoir 10 thermische Energie in den Wärmespeicher 12 übertragen wird. Die Wärmekapazität des Kaltreservoirs 10 ist so groß, dass sich dessen Temperatur dadurch kaum vermindert. Der Wärmespeicher 12 kann bei Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsfluid bis auf 30°C aufgeheizt werden, wobei dessen Wärmekapazität ebenfalls vorteilhaft so groß ist, dass in Betriebsphasen der Wärmepumpe 15 und bei Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsfluid seine Temperatur nicht über 30°C ansteigt.The function of the described system is as follows:
When from the power source 44 not completely generated power to the line 46 Connected consumers is consumed by the controller 40 controlled, the excess flow supplied to the system according to the invention and the compressor 16 put into operation. This causes the heat pump 15 in function, leaving the cold reservoir 10 thermal energy in the heat storage 12 is transmitted. The heat capacity of the cold reservoir 10 is so large that its temperature hardly diminished. The heat storage 12 can be heated when using carbon dioxide as the working fluid up to 30 ° C, wherein the heat capacity is also advantageously so large that in the operating phases of the heat pump 15 and when using carbon dioxide as a working fluid, its temperature does not rise above 30 ° C.
Wenn die von der regenerativen Stromquelle 44 erzeugte Energie nicht zur Versorgung von Verbrauchern ausreicht, wird der Kompressor 16 bzw. die Wärmepumpe 15 abgeschaltet und werden die Pumpe 29 sowie die Kolbendampfmaschine 31 in Betrieb gesetzt. Der dazu erforderliche Strom kann ebenfalls der regenerativen Stromquelle 44 entnommen werden, oder, falls diese bei fehlendem Sonnenschein oder bei Windstille ausfällt, dem Netz entnommen werden. Durch das durch die Ringleitung 28 strömende Arbeitsfluid wird dem Wärmespeicher 12 thermische Energie entnommen, die in der Kolbendampfmaschine 31 zumindest teilweise in mechanische Energie zum Antrieb des Generators 34 umgewandelt wird, dessen Strom über die Stromleitung 36 dem allgemeinen Netz oder anderen Verbrauchern zugeführt werden kann. Es versteht sich, dass mit dem vom Generator 34 erzeugten Strom auch die Pumpe 29 betrieben werden kann.If that of the regenerative power source 44 generated energy is not sufficient to supply consumers, the compressor becomes 16 or the heat pump 15 shut off and become the pump 29 as well as the piston steam engine 31 put into operation. The required power can also be the regenerative power source 44 be removed from the network, or if this fails in the absence of sunshine or calm. Through the through the loop 28 flowing working fluid is the heat storage 12 Thermal energy taken in the piston steam engine 31 at least partially in mechanical energy to drive the generator 34 is converted, its current through the power line 36 can be supplied to the general network or other consumers. It goes without saying that with the generator 34 generated electricity also the pump 29 can be operated.
Das beschriebene System kann in vielfältiger Weise abgeändert und ergänzt werden. Beispielsweise kann in der Ringleitung 14 zwischen dem Verdampfer 22 und dem Kompressor 16 ein Umweltwärmetauscher 52 angeordnet werden, in dem dem Arbeitsfluid thermische Energie zugeführt wird, die Umweltwärmequellen, wie Abwasserleitungen, Abwärmeleitungen von Kraftwerken oder Fabriken usw. entnommen wird.The system described can be modified and supplemented in many ways. For example, in the loop 14 between the evaporator 22 and the compressor 16 an environmental heat exchanger 52 can be arranged, in which the working fluid thermal energy is supplied, the environmental heat sources, such as sewers, waste heat from power plants or factories, etc. is removed.
Eine unmittelbare Anbindung des erfindungsgemäßen Systems an eine regenerative Stromquelle ist nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann das System in den Zeiträumen, in denen im öffentlichen Netz überflüssige elektrische Energie zur Verfügung steht, mit Strom aus dem öffentlichen Netz versorgt werden und als Wärmepumpe zur Energiespeicherung arbeiten. Wenn im öffentlichen Netz nicht genügend Energie zur Verfügung steht, arbeitet das System als Energielieferant bei abgeschaltetem Kompressor 16 und in Betrieb befindlicher Pumpe 29 und Kolbendampfmaschine 31.An immediate connection of the system according to the invention to a regenerative power source is not absolutely necessary. Rather, the system can be supplied with electricity from the public grid in the periods in which excess electricity is available in the public grid and work as a heat pump for energy storage. If there is insufficient energy available in the public grid, the system operates as an energy supplier with the compressor switched off 16 and operating pump 29 and piston steam engine 31 ,
Vorteilhaft ist, das gesamte innerhalb eines in der Figur gestrichelten Rechtecks befindliche System modular auszubilden und beispielsweise in einem transportablen Container 54 unterzubringen, der bedarfsgerecht an Orten aufgestellt werden kann, an denen es zweckmäßig ist, überschüssige elektrische Energie zu speichern und dann bedarfsgerecht als mechanische Energie oder wiederum elektrische Energie verfügbar zu machen. Ein Wärmespeicher kann vor Ort bereitgestellt werden, indem beispielsweise ein Behältnis mit geeignet großem Volumen für das Warmmedium, beispielsweise Wasser, geschaffen wird. Als Kaltreservoir kann beispielsweise unter der Erdoberfläche befindliches Grundwasser oder Fließwasser geeigneter Temperatur verwendet werden. Die Nutzung von Fließwasser hat den Vorteil, dass sich die Temperatur des Kaltmediums, das den Verdampfer 22 und den Kondensator 38 umgibt, praktisch nicht ändert. Bei Verwendung eines Kaltreservoirs 10 mit einem Vorrat an Kaltmedium und eines Wärmespeichers 12 mit einem Vorrat an Warmmedium sind die Wärmekapazitäten des Kaltreservoirs 10 und des Wärmespeichers 12 vorteilhaft derart, dass sich deren Temperaturen bei in Betrieb befindlicher Wärmepumpe 15 bzw. in Betrieb befindlicher Krafterzeugungsvorrichtung 26 nicht so weit verändern, dass der jeweilige Arbeitsprozess der Wärmepumpe 15 bzw. der Krafterzeugungsvorrichtung 26 nicht mehr zuverlässig und mit ausreichendem Wirkungsgrad abläuft.It is advantageous to design the entire modular system within a dashed rectangle in the figure and, for example, in a transportable container 54 which can be placed as needed in places where it is to store electrical energy and then make it available as needed as mechanical energy or in turn electrical energy. A heat storage can be provided on site, for example, by creating a container with a suitably large volume for the warm medium, such as water. As a cold reservoir groundwater or running water of suitable temperature below ground level can be used, for example. The use of flowing water has the advantage that the temperature of the cold medium, which is the evaporator 22 and the capacitor 38 surrounds, practically does not change. When using a cold reservoir 10 with a supply of cold medium and a heat storage 12 with a supply of hot medium are the heat capacity of the cold reservoir 10 and the heat storage 12 advantageous in such a way that their temperatures when in operation heat pump 15 or operating force generating device 26 do not change that far so that the respective work process of the heat pump 15 or the force generating device 26 no longer reliable and with sufficient efficiency expires.
Die Wärmetauscher 30, 18, 38 und 22 werden in dem Wärmespeicher 12 bzw. Kaltreservoir 10 installiert und über Leitungen mit entsprechenden am Container 54 ausgebildeten Leitungsanschlüssen verbunden. Die Ringleitungen 14 und 28 werden mit geeigneten Arbeitsfluiden befüllt. Es versteht sich, dass bei geeigneter Größe der Speicher mehrere Container bzw. Module an die jeweiligen Speicher angeschlossen werden können.The heat exchangers 30 . 18 . 38 and 22 be in the heat storage 12 or cold reservoir 10 installed and via lines with corresponding to the container 54 connected to trained line connections. The ring lines 14 and 28 are filled with suitable working fluids. It is understood that with appropriate size of the memory several containers or modules can be connected to the respective memory.
In einer vereinfachten Ausführungsform ohne Wärmepumpe des Systems kann der Wärmetauscher bzw. Kondensator 18 durch ein elektrisches Heizelement ersetzt werden, mit dem das im Wärmespeicher 12 befindliche Wärmespeichermedium bei überschüssigem regenerativen Strom erwärmt wird. Auch andere verfügbare Energiequellen können für die Beheizung verwendet werden.In a simplified embodiment without heat pump of the system, the heat exchanger or condenser 18 be replaced by an electric heating element, with which in the heat storage 12 befindliches heat storage medium is heated with excess regenerative power. Other available energy sources can be used for heating.
Als Arbeitsfluid kann nicht nur Kohlendioxid verwendet werden, sondern jedes für das Arbeiten in den jeweiligen Temperatur- und Druckbereichen geeignete Arbeitsfluid. In den beiden Ringleitungen 14 und 28 können unterschiedliche Arbeitsfluide verwendet werden.Not only carbon dioxide can be used as the working fluid, but also any working fluid suitable for working in the respective temperature and pressure ranges. In the two ring lines 14 and 28 Different working fluids can be used.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems, das anstelle der einen Wärmepumpe 15 des Systems gemäß 1 mit zwei hintereinander angeordneten Wärmepumpen 15 1 und 15 2 ausgerüstet ist. Die erste Wärmepumpe 15 1 dient der Übertragung von Wärme aus dem Kaltreservoir 10 in einen Zwischenspeicher 80, der mit einem geeigneten Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, gerillt ist. Zu der ersten Wärmepumpe 15 1 gehören die Ringleitung 14 1, der Verdampfer 22 1, der Kompressor 16 1, der im Zwischenspeicher 80 angeordnete Kondensator 18 1 und als Expansionseinheit die Entdrosseleinheit 20 1. In dem Zwischenspeicher 80 ist der Verdampfer 22 2 einer zweiten Wärmepumpe 15 2 angeordnet, zu der die Ringleitung 14 2, der Kompressor 16 2, der im Wärmespeicher 12 angeordnete Kondensator 18 2 und die Entdrosseleinheit 20 2 gehören. Mit der Anordnung gemäß 2 kann die Problematik abgemildert werden, dass der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe mit steigendem Unterschied zwischen den Temperaturen im jeweiligen Kaltreservoir 10 und Wärmespeicher 12 abnimmt, wohingegen der Wirkungsgrad des aus Wärmeenergie mechanische Energie erzeugenden Krafterzeugungsvorrichtung 26 mit steigendem Temperaturunterschied zwischen dem Wärmespeicher 12 und dem Kaltreservoir 10 zunimmt. Die Temperatur des Zwischenspeichers 80 liegt zwischen der Temperatur im Kaltreservoir 10 und im Wärmespeicher 12. In den beiden Wärmepumpen 15 1 und 15 2 können unterschiedliche Arbeitsfluide verwendet werden. In der Kreisleitung 28 kann ein weiteres Arbeitsfluid verwendet werden. In allen Ringleitungen 14 1, 14 2 und 28 kann auch mit dem gleichen Arbeitsfluid gearbeitet werden. In 2 ist der Umweltwärmetauscher 52 nicht dargestellt. Er kann je nach Temperatur in einer oder beiden der Wärmepumpen gemäß 2 angeordnet sein. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Wärmepumpen in Reihe angeordnet werden können. 2 shows an embodiment of the power supply system according to the invention, which instead of a heat pump 15 according to the system 1 with two consecutively arranged heat pumps 15 1 and 15 2 is equipped. The first heat pump 15 1 is used to transfer heat from the cold reservoir 10 in a cache 80 , which is grooved with a suitable heat transfer medium, such as water. To the first heat pump 15 1 belong to the ring line 14 1 , the evaporator 22 1 , the compressor 16 1 , in the cache 80 arranged capacitor 18 1 and as expansion unit the Entdrosseleinheit 20 1 . In the cache 80 is the evaporator 22 2 a second heat pump 15 2 arranged, to which the ring line 14 2 , the compressor 16 2 , in the heat storage 12 arranged capacitor 18 2 and the Entdrosseleinheit 20 2 belong. With the arrangement according to 2 the problem can be mitigated, that the efficiency of a heat pump with increasing difference between the temperatures in each cold reservoir 10 and heat storage 12 decreases, whereas the efficiency of the thermal energy generating mechanical energy generating device 26 with increasing temperature difference between the heat storage 12 and the cold reservoir 10 increases. The temperature of the buffer 80 lies between the temperature in the cold reservoir 10 and in the heat storage 12 , In the two heat pumps 15 1 and 15 2 , different working fluids can be used. In the district administration 28 another working fluid can be used. In all ring lines 14 1 , 14 2 and 28 can also be worked with the same working fluid. In 2 is the environmental heat exchanger 52 not shown. It can vary according to the temperature in one or both of the heat pumps according to 2 be arranged. It is understood that more than two heat pumps can be arranged in series.
In 2 ist der Container 54 der 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß 2 können in einem Container die der 1 entsprechenden Baugruppen sowie die beiden Kompressoren 16 1 und 16 2 und die Entdrosseleinheiten 20 1 und 20 2 mit den dazugehörigen Leitungen aufgenommen werden. Der Zwischenspeicher 80 ist vorteilhafterweise außerhalb des Containers angeordnet und mit diesem über entsprechende Anschlüsse verbunden.In 2 is the container 54 of the 1 for the sake of simplicity not shown. In the embodiment according to 2 can in a container the the 1 corresponding assemblies as well as the two compressors 16 1 and 16 2 and the Entdrosseleinheiten 20 1 and 20 2 are included with the associated lines. The cache 80 is advantageously arranged outside of the container and connected to this via appropriate connections.
Die Drucke, Temperaturen und Arbeitsfluide in den verschiedenen Ringleitungen sowie die Auslegung der Kolbendampfmaschine richtet sich nach den jeweiligen Einsatz- und Umgebungsbedingungen.The pressures, temperatures and working fluids in the various ring pipes as well as the design of the piston steam engine depend on the respective application and ambient conditions.
Der Einsatz einer Kolbendampfmaschine zur Rückverwandlung thermischer Energie bzw. in Form von thermischer Energie gespeicherte elektrische Energie in mechanische Energie ist, wie vorstehend ausgeführt, in Hinblick auf den guten Wirkungsgrad der Kolbendampfmaschine vorteilhaft. Es können jedoch auch andere Expansionsmaschinen eingesetzt werden, beispielsweise reine Strömungsmaschinen, wie Turbinen, wenn es beispielsweise im System der 2, das höhere Temperaturen im Wärmespeicher 12 ermöglicht, zweckmäßig ist.The use of a piston steam engine for re-conversion of thermal energy or stored in the form of thermal energy electrical energy into mechanical energy, as stated above, in view of the good efficiency of the piston steam engine advantageous. However, other expansion machines can be used, for example, pure turbomachines, such as turbines, if, for example, in the system of 2 , the higher temperatures in the heat storage 12 allows, is appropriate.
Alle genannten Temperaturen und Drucke sowie sonstige Dimensionierungen sind nur beispielhaft und in keiner Weise einschränkend.All mentioned temperatures and pressures as well as other dimensions are only exemplary and in no way limiting.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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1010
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Kaltreservoircold reservoir
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1212
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Wärmespeicherheat storage
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1414
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Ringleitungloop
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1515
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Wärmepumpeheat pump
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1616
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Kompressorcompressor
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1818
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Kondensatorcapacitor
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2020
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EntdrosseleinheitEntdrosseleinheit
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2222
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VerdampferEvaporator
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2626
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KrafterzeugungsvorrichtungForce generating device
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2828
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Ringleitungloop
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2929
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Pumpepump
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3030
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VerdampferEvaporator
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3131
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KolbendampfmaschineReciprocating steam engine
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3232
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Kurbelwellecrankshaft
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3434
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Generatorgenerator
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3636
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Stromleitungpower line
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3838
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Kondensatorcapacitor
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4040
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Steuereinrichtungcontrol device
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4242
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Versorgungsleitungsupply line
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4444
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Stromquellepower source
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4646
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Leitungmanagement
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5252
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UmweltwärmetauscherEnvironmental heat exchanger
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5454
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ContainerContainer
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8080
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Zwischenspeichercache
