DE102013105186A1

DE102013105186A1 - Druckluft-Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102013105186A1
Application number: DE102013105186.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Eimatec De GmbH
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckluft-Energiespeichersystem mit einem Druckluftspeicher (10), einer Verdichteranordnung (12) zum Zuführen von komprimierter Luft zum Druckluftspeicher (10), und einer pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung (22) mit zumindest einer pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (24) zum Erzeugen eines hydraulischen Drucks, der einer hydraulischen Maschine (26) zum Antrieb einer Last (28, 30) zuführbar ist. Um ein weiteres Druckluft-Energiespeichersystem bereit zustellen, das bei geringem Platzbedarf Energie mittels Druckluft mit möglichst hohem Wirkungsgrad unter weitgehendem Ausschluss von thermodyna-mischen Verlusten speichert, ist vorgesehen, dass die zumindest eine pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (24) zumindest zwei Zylinder (50) mit jeweils einer pneumatischen Kammer (54) zum Entspannen von Druckluft aufweist, wobei die pneumatischen Kammern (54) in Reihe mit einem Auslass des Druckluftspeichers (10) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckluft-Energiespeichersystem mit einem Druckluftspeicher, einer Verdichteranordnung zum Zuführen von komprimierter Luft zum Druckluftspeicher, und mit einer Vorrichtung zum Umwandeln von pneumatischer Energie in mechanische oder elektrische Energie.
Die zunehmende Nutzung regenerativer Energieträger, die wie die Solarenergie oder Windenergie zeitlich und örtlich nur stark schwankend zur Stromerzeugung zur Verfügung stehen, macht Energiespeicher zunehmend interessant und bei höheren Anteilen regenerativer Energieerzeugung unbedingt notwendig. Insbesondere Druckluftenergiespeicher rücken dabei mehr und mehr in das Interesse der Energieerzeuger.
Aus der DE 10 2006 031 424 A1 ist bereits ein Druckluftspeicherkraftwerk mit einem Druckluftspeicher bekannt, der ein variables Volumen aufweist, und somit Druckluft sowohl beim Befüllen als auch beim Entnehmen mit konstantem Druck, insbesondere einem Druck der etwas über dem Gasturbineneintrittsdruck liegt, speichern kann. Der konstante Druck lässt sich dabei durch Gewichte oder Wasserdruck erzeugen. Ferner wird die sich beim Befüllen des Druckluftspeichers im Kompressor erwärmte heiße Luft zunächst in einem Wärmespeicher abgekühlt, sodass aus dem Speicher entnommene Druckluft vor der anzutreibenden Gasturbine durch Wärme aus dem Wärmespeicher wieder aufgewärmt werden kann, um so ein vereisen der Gasturbine zu verhindern.
Die Firma RWE AG stellt im Internet eine Demonstrationsanlage (ADELE) vor, die einen Motor/Generator aufweist, der bei überschüssiger elektrischer Energie einen Kompressor antreibt, der Druckluft erzeugt. Die Druckluft wird durch Wärmetauscher geleitet, um die Wärmeenergie der Druckluft zu speichern, und anschließend in unterirdischen Kavernen bei einem Druck von ca. 70 bar zu speichern. Wird nun vermehrt Strom benötigt, so kann die Druckluft aus den unterirdischen Speichern zunächst zum Erwärmen durch die Wärmespeicher geleitet und dann einer entsprechenden Gasturbine zugeführt werden, die dann den Motor/Generator zur Stromerzeugung antreibt. Durch das Aufwärmen der Druckluft in den Wärmespeichern soll dem Abkühlen der Druckluft beim Entspannen entgegengewirkt werden. Durch das Erwärmen soll also verhindert werden, dass die Druckluft auf Temperaturen abgekühlt wird, die sonst zum Vereisen der Turbine führen könnten.
Aus der WO 2011/059557 ist ein Druckluft-Energiespeichersystem bekannt, bei dem ein Motor/Generator zwei in Reihe geschaltete Kompressoren zum Verdichten von Luft antreibt. Um die beim Verdichten entstehende Wärme zu nutzen, wird die Druckluft am Ausgang jedes Verdichters durch einen Wärmetauscher geleitet, sodass abgekühlte Luft in einem Druckluftspeicher gespeichert wird. Die der zu speichernden Druckluft entnommene Wärme wird genutzt, um wiederum Strom zu erzeugen. Um die in der Druckluft gespeicherte Energie zurückzugewinnen, wird die Druckluft über Heizvorrichtungen entsprechenden Turbinen zugeführt, die dann den Motor/Generator zur Stromerzeugung antreiben.
Aus der EP 2 530 283 A1 ist ein Druckluft-Speicherkraftwerk bekannt, bei dem die beim Verdichten auftretende Wärme der verdichteten Druckluft entzogen und in einem Wärmespeicher gespeichert wird. Wird die Druckluft dann einer Gasturbine zum Antrieb eines Generators zugeführt, so wird sie vorher erwärmt, sodass die Temperatur der entspannten Druckluft nicht zu niedrig ist.
Neben Druckluft-Speicherkraftwerken ist es auch bekannt, Druckluftspeicher in Kraftfahrzeugen einzusetzen, um die in der Druckluft gespeicherte Energie zum Antrieb des Fahrzeugs zu nutzen. Hierzu hat PSA Peugeot Citroen ein neues Antriebskonzept entwickelt, das in gewöhnliche Benzinfahrzeuge integriert werden kann. Hierzu wird neben einem Benzinmotor, ein Hydraulikmotor, eine Hydraulikpumpe und ein Druckluftspeicher in das Fahrzeug eingebaut. Beim Bremsen komprimiert die Hydraulikpumpe Luft oder Stickstoff in dem Druckluftspeicher. Umgekehrt wird der Hydraulikmotor auch allein oder zusammen mit dem Benzinmotor zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt. Der gleichzeitige Betrieb von Benzinmotor und Hydraulikmotor ist bei starken Steigungen oder bei starken Beschleunigungen sinnvoll. Der reine Druckluftbetrieb ist beim Anfahren oder bei Fahrten in der Stadt besonders vorteilhaft, da er emissionsfrei ist.
Aus der US 2011/0247323 A1 ist ein System zum Speichern und Rückgewinnen von Energie bekannt, das einen ersten und einen zweiten Kompressions/Expansions-Behälter zur Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit und Gas oder Luft aufweist. Die Luftkammern der Behälter sind mit einem Niederdruck-Gasspeicher bzw. einem Hochdruck- Gasspeicher verbunden, während die Hydraulikkammern über entsprechende Leitung mit einer hydraulischen Pumpe verbunden sind, die von einem/einen Motor/Generator angetrieben wird/ antreibt, um Energie zu speichern bzw zurück zu gewinnen.
Zum Speichern von Energie treibt der mit Netzenergie betriebene Motor/Generator die hydraulische Pumpe an, die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten Kompressions/-Expansions-Behälter in den zweiten pumpt. Dabei strömt Gas oder Luft aus dem Niederdruck-Gasspeicher in die Luftkammer des ersten Kompressions/-Expansions-Behälters, während die in der Luftkammer des zweiten Kompressions/-Expansions-Behälters durch die in die Hydraulikkammer des zweiten Kompressions/-Expansions-Behälters strömende Hydraulikflüssig komprimierte Luft in den Hochdruck-Gasspeicher gepresst wird, um Energie zu speichern. Zur Rückgewinnung von Energie wird die Pumpe so umgeschaltet, dass der Hydraulikflüssigkeitsstrom aus dem zweiten Kompressions/-Expansions-Behälter in den ersten die Pumpe antreibt, die ihrerseits den Motor/Generator antreibt, um Strom zu erzeugen. Dieses bekannte System arbeitet mit geschlossenen Gas und Flüssigkeitskreisläufen und besitzt somit nur eine äußerst begrenzte Speicherkapazität.
Die US 2011/0247323 A1 zeigt auch ein offenes System, bei dem von einem herkömmlichen Kompressor Luft über einen Niederdruckpufferspeicher einem System zum Speichern und Rückgewinnen von Energie zu geführt wird, das die Luft in einem Hochdruckreservoir speichert. Zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie wird mit Druckluft aus dem Hochdruckreservoir über den Niederdruckpufferspeicher Gasturbine zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiteres Druckluft-Energiespeichersystem bereit zustellen, das bei geringem Platzbedarf Energie mittels Druckluft mit möglichst hohem Wirkungsgrad unter weitgehendem Ausschluss von thermodynamischen Verlusten speichert.
Diese Aufgabe wird durch das Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfingungsgemäß ist bei einem Druckluft-Energiespeichersystem mit einem Druckluftspeicher, einer Verdichteranordnung zum Zuführen von komprimierter Luft zum Druckluftspeicher, und einer pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung mit zumindest einer pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung zum Erzeugen eines hydraulischen Drucks, der einer hydraulischen Maschine zum Antrieb einer Last zuführbar ist, vorgesehen, dass die zumindest eine pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung zumindest zwei Zylinder mit jeweils einer pneumatischen Kammer zum Entspannen von Druckluft aufweist. Die pneumatischen Kammern sind dabei in Reihe mit einem Auslass des Druckluftspeichers verbunden. Die erste der beiden Kammern ist also direkt über eine entsprechende Ventilanordnung an den Druckluftspeicher angeschlossen, während die andere mit ihrer Eingangsseite mit dem Ausgang der ersten verbunden ist.
Mit einem derartigen erfindungsgemäßen System läßt sich die zur Energierückgewinnung aus dem Druckspeicher entnommene Druckluft in zumindest zwei Stufen entspannen, so dass der dabei erzeugte hydraulische Druck zum Antrieb einer Last, z.B. eines Generators zu Stromerzeugung oder eines Motors, der direkt ein Fahrzeug oder eine Maschine antreibt.
Durch die zwei oder mehrstufige Entspannung der Druckluft, lässt sich deren Abkühlung in solchen Grenzen halten, dass ein Vereisen der pneumatisch-hydraulischen Kolben-zylinderanordnung verhindert werden kann.
Ein konstruktiv einfacher technischer Aufbau lässt sich erhalten, wenn die in Reihe mit dem Druckluftspeicher verbundenen pneumatischen Kammern der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung das gleiche Volumen aufweisen. Hierbei können je nach Ausgangsdruck am Druckspeicher und gewünschtem Enddruck die einzelnen Zylinder der Anordnung modulartig ergänzt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die in Reihe mit dem Druckluftspeicher verbundenen pneumatischen Kammern der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung unterschiedliche Volumen aufweisen, wobei das Volumen einer pneumatischen Kammern, die über eine in der Reihe der pneumatischen Kammern vorher gehende pneumatische Kammer mit dem Druckluftspeicher verbunden ist, größer ist als das Volumen der in der Reihe vorher gehenden pneumatischen Kammern. Hierdurch lässt sich eine gewünschte Entspannung der Druckluft auf einen gewählten Enddruck mit einer verringerten Anzahl von Stufen erreichen, was eine einfachere Steuerung des Systems zu Folge hat.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Volumen der letzten pneumatischen Kammer in der Reihe der pneumatischen Kammern größer ist als das Volumen der in der Reihe vorher gehenden pneumatischen Kammern, deren Volumen untereinader gleich sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die pneumatischen Kammern der Zylinder durch jeweilige Kolben in den Zylindern von entsprechenden hydraulischen Kammern getrennt sind.
Je nach dem welche Art von hydraulischer Maschine zum Antrieb einer Last vorgesehen ist, kann es zweckmäßig sein, wenn das Verhältnis der die pneumatische Kammer begrenzenden Kolbenfläche zur die hydraulische Kammer begrenzenden Kolbenfläche für alle Kolben einer Reihenanordnung von Zylindern gleich ist. Auf diese Weise wird der Volumenstrom den jeder Zylinder liefert im Wesentlichen konstant gehalten.
Ist es erforderlich, die Differenz des hydraulischen Drucks, der von den einzelnen Zylindern der Kolbenzylinderanordnung zu begrenzen, so kann vorgesehen werden, dass das Verhältnis der die pneumatische Kammer begrenzenden Kolbenfläche zur die hydraulische Kammer begrenzenden Kolbenfläche für einen Kolben in einem Zylinder in der Reihenanordnung von Zylindern kleiner ist als das Verhältnis der Kolbenflächen von Kolben in in der Reihenanordnung vorhergehender Zylinder.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindug ist vorgesehen, dass zumindest ein Paar von zwei zueinander parallelen pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen zumindest zwei Zylindern mit in Reihe mit dem Auslass des Druckluftspeichers verbundenen pneumatischen Kammern vorgesehen ist, wobei die Kolben von jeweils zwei einander zugeordneten Zylindern wirkungsmäßig so miteinander verbunden sind, dass im Betrieb der Zylinder der einen Kolbenzylinderanordnungen einen hydraulischen Druck liefert, während die hydraulische Kammer des anderen gefüllt wird. Hierdurch lässt sich ein kontinuierlicher Betrieb bei der Rückgewinnung von Energie ermöglichen.
Wenn zwei oder mehr Paare von pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen vorgesehen sind, können die einzelnen Paare der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen so gesteuert werden, dass die Summe der jeweils gelieferten Ausgangsdrücke nur in einem begrenzten Bereich variiert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als hydraulische Maschine ein Hydraulikmotor vorgesehen ist, der nach Art einer Reihenzahnradpumpe eine Mehrzahl von Eingängen aufweist, die jeweils mit einem Ausgang der Paare von pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen verbunden sind.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Energiegewinnungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Druckluft-Energiespeichersystem und daran angeschlossenen Verbrauchern;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Durckluft-Energiespeichersystems;
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Kolbenzylinderanordnung einer pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Druckluft-Energiespeichersystems zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie;
4a bis 4f schematische Darstellungen der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung nach 3 zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Druckluft-Energiespeichersystems zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie; und
5 eine schematische vereinfachte Darstellung einer pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Druckluft-Energiespeichersystems zum Antrieb einer Last.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie in 1 dargestellt ist, weist ein erfindungsgemäßes Druckluft-Energiespeichersystem einen Druckluftspeicher 10 auf, dem über eine Verdichteranordnung 12 komprimierte Luft, Stickstoff oder ein anderes komprimierbares Medium, nachfolgend Luft genannt, zuführbar ist. Grundsätzlich ist es möglich, einen einstufigen hydraulischen Verdichter einzusetzen. Bevorzugt ist jedoch, wie in 1 dargestellt, eine zweistufige Verdichteranordnung 12, die als erste Verdichterstufe einen elektrisch angetriebenen Kompressor 14 aufweist, der Luft bis zu einem Druck von ca. 1 bis 15 bar, vorzugsweise auf einen Druck von 5 bis 10 bar vorverdichtet. Die vorverdichtete Luft wird an einen hydraulischen Verdichter 16 geliefert, der ebenfalls mit Strom betrieben wird und der die Luft weiter verdichtet und dem Druckluftspeicher 10 zuführt. Der elektrische Strom zum Antrieb der Verdichteranordnung 12 stammt vorzugsweise von regenerierbaren Energieträgern. So kann die Energie des elektrischen Stroms, der insbesondere von Windrädern 18, Solaranlagen 19 oder Wasserkraftwerken 20 geliefert wird, zur späteren Nutzung gespeichert werden.
Zur Rückgewinnung der im Druckluftspeicher 10 gespeicherten Energie ist eine pneumatisch-hydraulische Vorrichtung 22 vorgesehen, die eine pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung 24 aufweist, der die Druckluft zugeführt wird, und die ein geeignetes hydraulisches Medium, im Folgenden Öl genannt, unter Druck setzt. Der hydraulische Druck wird einer hydraulischen Maschine 26 zugeführt, die beispielsweise einen Generator 28 zur Erzeugung elektrischen Stroms oder eine andere beliebige Last 30 antreibt.
Wie in 2 dargestellt ist, weist der als zweiter Verdichter vorgesehene hydraulische Verdichter 16, der insbesondere als Kolbenverdichter ausgelegt ist, einen oder mehrere Zylinder 32 (32.1, 32.2) auf, deren Innenräume jeweils von einem Kolben 34 (34.1, 34.2) in eine mit Luft gefüllte pneumatische Kammer 36 (36.1, 36.2) und eine mit Öl oder einem anderen Hydraulikmedium gefüllte hydraulische Kammer 38 (38.1, 38.2) geteilt ist. Wie durch den Pfeil 39 in 2 angedeutet ist, kann vorkomprimierte Luft vom Kompressor 14 oder einem hydraulischen Vorverdichter über Einlass-Schaltventile 40 (40.1, 40.2) (im Folgenden kurz als Einlassventile genannt) den pneumatischen Kammern 36 zugeführt werden. Anstelle von Schaltventilen können auch Rückschlagventile als Einlassventile vorgesehen sein. Diese vereinfachen die Steuerung des erfindungsgemäßen Systems. Komprimierte Luft aus den pneumatischen Kammern 36 wird über entsprechende Leitungen, in denen Rückschlagventile 42 angeordnet sind, an den Druckspeicher 10 geliefert, bis dieser mit dem gewünschten Druck beaufschlagt ist. Zum Komprimieren der in der pneumatischen Kammer 36 befindlichen vorkomprimierten Luft wird Öl von einer elektrisch angetriebenen Pumpe 44 über entsprechende Einlass-Schaltventile 46 (im Folgenden kurz als Einlassventile genannt) der jeweiligen hydraulischen Kammer 38 zugeführt. Auslassseitig sind die hydraulischen Kammern 38 über Auslass-Schaltventile 48 (im Folgenden kurz als Auslassventile genannt), von denen in 2 nur eines dargestellt ist, mit einem nicht dargestellten Ölspeicher verbunden, mit dem auch der Eingang der Pumpe 44 verbunden ist, um einen Ölkreislauf zu realisieren.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass der hydraulische Verdichter 16 nur einen einzigen Zylinder zum Verdichten der vorkomprimierten Luft aufweist. Da in diesem Fall der hydraulische Verdichter 16 jedoch nicht kontinuierlich, sondern nur intermittierend arbeiten kann, wobei die pneumatische Kammer des Zylinders entweder mit Luft vom Kompressor gefüllt wird oder die Luft in der pneumatischen Kammer des Zylinders komprimiert und dem Druckspeicher zugeführt wird, sind erfindungsgemäß zwei (wie dargestellt), drei oder mehr Zylinder 32 vorgesehen. Sind mehrere Zylinder 32 vorgesehen, so wird jeweils die pneumatische Kammer 36 eines der Zylinder 32 mit vorkomprimierter Luft beaufschlagt, während aus dem oder den anderen Zylindern 32 weiter verdichtete Luft an den Druckspeicher 10 geliefert wird.
Die Arbeitsweise der Verdichteranordnung 12 wird nun unter Bezugnahme auf den in 2 mit zwei Zylindern 32 dargestellten hydraulischen Verdichter 16 näher beschrieben.
Bei Inbetriebnahme der Verdichteranordnung sind (oder werden) zunächst die hydraulischen Kammern 38 vollständig mit Öl gefüllt, sodass die pneumatischen Kammern 36 über die Rückschlagventile 42 vollständig entleert sind (oder werden). Hierzu sind die Einlassventile 40 der pneumatischen Kammern 36 geschlossen. Nach dem Füllen der hydraulischen Kammern 38 werden deren Einlassventile 46 geschlossen.
Nachdem der hydraulische Verdichter 16 vorbereitet ist, wird das Einlassventil 40.1 der pneumatischen Kammer 36.1 des ersten Zylinders 32.1 geöffnet, während das Einlassventil 40.2 der pneumatischen Kammer 36.2 des zweiten Zylinders 32.2 geschlossen bleibt. Gleichzeitig wird das der hydraulischen Kammer 38.1 zugeordnete Auslassventil 48 geöffnet, nun wird der Kompressor 14, der auch durch einen geeigneten hydraulischen Vorverdichter (nicht gezeigt) ersetzt sein kann, eingeschaltet, um Luft leicht auf ca. 1 bis 5 bar zu verdichten und an die pneumatische Kammer 36.1 des ersten Zylinders 32.1 zu liefern. Aufgrund der zugeführten komprimierten Luft füllt sich die pneumatische Kammer 36.1 und verdrängt somit über den Kolben 34 Öl oder eine andere geeignete Hydraulikflüssigkeit aus der hydraulischen Kammer 38.1, bis, wie in 2 dargestellt, diese praktisch leer ist. Nun wird das Einlassventil 40.1 der pneumatischen Kammer 36.1 sowie das nicht dargestellte Auslassventil 48 der hydraulischen Kammer 38.1 geschlossen, während das Einlassventil 46.1 der hydraulischen Kammer 38.1 geöffnet wird, sodass Öl unter Druck in die hydraulische Kammer 38.1 strömt und über den Kolben 34.1 die Luft in der pneumatischen Kammer 36.1 weiter verdichtet, sodass diese nun in den angeschlossenen Druckspeicher 10 über das entsprechende Rückschlagventil 42 strömt.
Während die Luft im ersten Zylinder 32.1 weiter verdichtet und an den Druckspeicher 10 geliefert wird, ist gleichzeitig das Einlassventil 40.2 der pneumatischen Kammer 36.2 des zweiten Zylinders 32.2 geöffnet, um vom Kompressor 14 gelieferte vorverdichtete Luft in die pneumatische Kammer 36.2 zu laden. Gleichzeitig ist das Auslassventil 48 der hydraulischen Kammer 38.2 geöffnet, um das aus dem zweiten Zylinder 32.2 verdrängte Öl an den Ölspeicher zurück zu liefern. Das Einlassventil 46.2 der hydraulischen Kammer 38.2 ist zu diesem Zeitpunkt geschlossen.
Erreicht der Kolben 34.1 im ersten Zylinder 32.1 die in 2 dargestellte Position des zweiten Kolbens 34.2, während der zweite Kolben 34.2 des zweiten Zylinders 32.2 die in 2 gezeigte Stellung des ersten Kolbens 34.1 einnimmt, so ist der erste Zylinder 32.1 wieder zum Befüllen mit komprimierter Luft vorbereitet, während der zweite Zylinder 32.2 die in seiner pneumatischen Kammer 36.2 befindliche Luft weiter komprimiert und über das entsprechende Rückschlagventil 42 an den Druckspeicher 10 liefert. Hierzu werden die jeweiligen Einlass- und Auslassventile der pneumatischen und hydraulischen Kammern wie oben beschrieben geschaltet.
Ist der Druckspeicher 10 mit dem gewünschten Druck beaufschlagt, beispielsweise mit einem Druck von 280 bar oder auch 500 bar, wobei auch jeder andere technisch beherrschbare Druck angenommen werden kann, so kann nach jeder gewünschten Zeit die gespeicherte Luft zur Rückgewinnung der Energie wieder entnommen werden.
Hierzu ist die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung 24 vorgesehen, die den pneumatischen Druck des Druckspeichers in einen hydraulischen Druck umsetzt, der der hydraulischen Maschine 26 der pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung 22 zuführbar ist.
Wie in 2 dargestellt ist, weist die pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung zwei Zylinder 50 (50.1, 50.2) auf, die von jeweiligen Kolben 52 (52.1, 52.2) in eine pneumatische Kammer 54 (54.1, 54.2) und eine hydraulische Kammer 56 (56.1, 56.2) geteilt werden. Die pneumatische Kammer 54.1 des ersten Zylinders 50.1 ist über ein Einlass-Schaltventil 58 (im Folgenden kurz Einlassventil genannt) mit dem Druckspeicher 10 verbunden. Das Einlasstventil 58 kann auch als Druckminderer ausgelegt sein, um einen entsprechenden Arbeitsdruck z. B. 70 bar, an den ersten Zylinder 50.1 zu liefern, selbst wenn der Druckspeicher 10 auf einen Druck von 280 oder sogar 500 bar aufgeladen ist.
Die in 2 gezeigten zwei pneumatischen Kammern 54.1, 54.2 sind über ein Schaltventil 60 miteinander verbunden. Die pneumatische Kammer 54 des letzten Zylinders 50 (in 2 die pneumatische Kammer 54.2 des zweiten Zylinders 50.2) ist über ein Auslass-Schaltventil 62 (im Folgenden kurz Auslasventil genannt) mit der Umgebung oder vorzugsweise mit einem Behälter verbunden, der eine Verwertung des verbliebenen Drucks von beispielsweise ca. 10 bar ermöglicht wird. Beispielsweise könnte mit der nunmehr nur noch einen relativ geringen Druck aufweisenden Druckluft ein Druckluftmotor oder dergleichen betrieben werden. Ferner ließe sich der Ölvorratsbehälter auch mit diesem Druck beaufschlagen, um Blasenbildung im Hydraulikmedium oder Öl zu verringern und gegebenenfalls einen Förderdruck bereitzustellen.
Den hydraulischen Kammern 56 der Zylinder 50 wird zum Füllen über ein entsprechendes Einlass-Schaltventil 64 (im Folgenden kurz Einlasventil genannt), von denen nur eines dargestellt ist, Öl mittels einer geeigneten Pumpe (nicht dargestellt) zugeführt. Über Auslass-Schaltventile 66 (66.1, 66.2) (im Folgenden kurz Auslasventile genannt) wird dann Öl unter hohem Druck an die hydraulische Maschine 26 geliefert.
Soll nun Energie aus dem Druckspeicher 10 entnommen werden, so werden (oder sind) zunächst die hydraulischen Kammern 56 der Zylinder 50 mit Öl aus dem Ölspeicher gefüllt, sodass die Kolben 52 die in 2 dargestellte Position einnehmen. Das Schaltventil 60 zwischen den pneumatischen Kammern 54 und das Auslassventil 62 sind geschlossen. Ebenso ist das Auslassventil 66.2 der hydraulischen Kammer 56.2 des zweiten Zylinders 50.2 geschlossen, während das Einlassventil 58, über das die pneumatische Kammer 54.1 des ersten Zylinders 50.1 mit dem Druckspeicher verbunden ist, sowie das Auslassventil 66.1 der hydraulischen Kammer 56.1 geöffnet werden. Während sich die pneumatische Kammer 54.1 mit Druckluft füllt, wird das Öl aus der hydraulischen Kammer 56.1 im Wesentlichen mit demselben Druck über das Auslassventil 66.1 an die hydraulische Maschine 26 geliefert. Sobald die pneumatische Kammer 54.1 vollständig mit Druckluft gefüllt ist, werden das Einlassventil 58 der ersten pneumatischen Kammer 54.1 sowie das Auslassventil 66.1 der ersten hydraulischen Kammer 56.1 geschlossen. Gleichzeitig wird das Verbindungsventil 60 zwischen den pneumatischen Kammern 54 und das Auslassventil 66.2 der pneumatischen Kammer 56.2 des zweiten Zylinders 50.2 geöffnet. Nun kann sich die in der ersten pneumatischen Kammer 54.1 befindliche Druckluft in die zwei pneumatische Kammer 54.2 hinein entspannen, sodass das Öl aus der zweiten hydraulischen Kammer 56.2 mit abnehmendem hydraulischem Druck an die hydraulische Maschine 26 geliefert wird.
Wird im dargestellten Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, dass der vom Druckspeicher gelieferte Druck konstant 70 bar beträgt, so wird während des Entleerens der ersten hydraulischen Kammer 56.1 des ersten Zylinders 50.1 das Öl mit einem konstanten Druck von 70 bar an die hydraulische Maschine geliefert. Beim Entleeren der zweiten hydraulischen Kammer 56.2 des zweiten Zylinders 50.2 sinkt der Ausgangsdruck des Hydrauliköls von 70 bar kontinuierlich auf 35 bar unter der Voraussetzung, dass die beiden pneumatischen Kammern 54 gleich groß sind. Wird angenommen, dass die Kolbenzylinderanordnung 24 noch einen dritten oder auch vierten Zylinder 50 aufweist, so sinkt der an die hydraulische Maschine gelieferte Druck weiter zunächst auf ca. 23 bar und beim Nutzen des vierten Zylinders auf etwa 17,5 bar ab.
Sobald die hydraulischen Kammern 56 der Zylinder 50 entleert sind, wird die restliche Luft aus den Zylindern beim Befüllen der hydraulischen Kammern einer weiteren Verwertung über das nun offene Auslassventil 62 zugeführt.
Um einen kontinuierlichen Antrieb zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, zwei Kolbenzylinderanordnungen 24 vorzusehen, von denen die eine Öl unter hohem Druck an die hydraulische Maschine liefert, während die andere zur Entnahme von Druckluft vorbereitet wird.
In 3 ist ein Paar von zwei parallel zueinander angeordneten Kolbenzylinderanordnungen 24.1 und 24.2 dargestellt, deren einzelne Zylinder 50 einander so zugeordnet sind, dass jeweils die Kolben 54 von zwei Zylindern 50 über eine gemeinsame Kolbenstange 55 miteinander verbunden sind. Die pneumatischen Kammern 54.1, 54.4 der ersten Zylinder 50.1, 50.4 sind über ein Einlassventil 58.1, 58.2 wahlweise mit dem Auslass des Druckspeichers 10 verbindbar. Die Einlassventile 58 können dabei wiederum als Druckminderer ausgebildet sein. Die pneumatischen Kammern 54 der Zylinder 50 beider Kolbenzylinderanordnungen sind jeweils über Schaltventile 60.1, 60.2 bzw. 60.3, 60.4 miteinander verbunden, während die pneumatischen Kammern 54.3, 54.6 der letzten Zylinder 50.3, 50.6 über Auslassschaltventile 62.1, 62.2 mit der Umgebung oder mit einer weiteren den Restdruck nutzenden Vorrichtung verbunden sind.
Die Hydraulikkammern 56 sind über entsprechende Einlassschaltventile 64 (im Folgenden kurz Einlassventile genannt) mit dem Ölspeicher und über entsprechende Auslassschaltventile 66 (im Folgenden kurz Auslassventile genannt) mit der hydraulischen Maschine 26 verbunden.
In 3 sind die beiden Kolbenzylinderanordnungen 24.1, 24.2 der pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung 22 in der Position dargestellt, dass die in 3 linke Kolbenzylinderanordnung 24.1 bereit ist, um nunmehr Hydraulikdruck an die hydraulische Maschine 26 zu liefern, während die zweite Kolbenzylinderanordnung 24.2, in 3 rechts dargestellt, ihren Arbeitszyklus beendet hat.
Die verschiedenen Schaltventile werden über elektrische und/mechanische Sensoren, die in nicht näher dargestellter Weise die Betriebszustände der einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Systems erfassen, elektrisch und/oder mechanisch gesteuert.
Die in 2 und 3 dargestellten Zylinder 50 weisen in Reihe mit dem Druckluftspeicher 10 verbundene pneumatische Kammern 54 auf, deren Volumen gleich sind, die also alle das gleich Volumen an Luft aufnehmen können.
Es ist jedoch auch möglich, dass die in Reihe mit dem Druckluftspeicher 10 verbundenen pneumatischen Kammern 54 der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung 24 unterschiedliche Volumen aufweisen. Dabei ist beispielsweise das Volumen der pneumatischen Kammern 54.3, die als letzte über die in Reihe geschalteten, vorhergehenden pneumatischen Kammern 54.1, 54.2 mit dem Druckluftspeicher verbunden ist, größer ist als das Volumen der in der Reihe vorhergehenden zweiten pneumatischen Kammer 54.2. In gleicher Weise kann auch das Volumen der zweiten Kammer 54.2 größer sein als das der ersten Kammer 54.1.
Um jeweils eine Halbierung des Drucks bei der Entspannung der Druckluft in der zweiten und der dritten Stufe zu erhalten, ist es auch möglich, dass das Volumen der dritten pneumatischen Kammer 54.3 doppelt so groß ist, wie das Gesamtvolumen der vorhergehenden pneumatischen Kammern 54.1, 54.2, deren Volumen untereinader gleich sind.
Die Wahl der einzelnen Volumen der einzelnen Zylinder 50 und damit die Wahl der Volumen der einzelen pneumatischen Kammern 54 kann je nach den Anforderungen das erfindungsgemäße System und den gewünschten Eigenschaften getroffen werden. Ebenso kann die Anzahl der in Reihe mit dem Druckspeicher 10 verbundenen Zylinder 50 der Kolbenzylinderanordnungen 24 je nach der gewünschten und/oder erforderlichen Anzahl von Entspannungsstufen gewählt werden.
In den in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Verhältnis der die pneumatische Kammer 54 begrenzenden Kolbenfläche zu der die hydraulische Kammer 56 begrenzenden Kolbenfläche für alle Kolben 52 der Reihenanordnung von Zylindern 50 gleich.
Falls es erforderlich ist, Änderungen des gelieferten Hydraulikdrucks zu begrenzen, ist möglich das Verhältnis der Kolbenfläche zu verändern, wobei beispielsweise die die hydraulische Kammer begrenzenden Kolbenfläche des Kolbens 52.2 im Zylinder 50.2 gleichbleibender Fläche auf der pneumatischen Seite kleiner ist als die entsprechende Kolbenfläche des Kolbens 52.1. In entsprechender Weise kann dann der Kolben 52.3 auf der hydraulischen Seite eine kleinere Fläche aufweisen als der Kolben 52.2.
Die Arbeitsweise der parallel geschalteten Kolbenzylinderanordnungen 24 wird nun anhand der 4a bis 4f näher erläutert.
Um den Arbeitszyklus der ersten Kolbenzylinderanordnung 24.1 zu starten, wird das Einlassventil 58.1, das die erste pneumatische Kammer 54.1 des ersten Zylinders 50.1 der ersten Kolbenzylinderanordnung 24.1 mit dem Druckspeicher 10 verbindet, geöffnet. Die Ventile 60.1, 60.2 sowie das Auslassventil 62.1 sind geschlossen, während das Auslassventil 66.1 der hydraulischen Kammer 56.1 des ersten Zylinders 50.1 geöffnet ist. Die Auslassventile 66.2 und 66.3 des zweiten und dritten Zylinders 50.2, 50.3 der ersten Kolbenzylinderanordnung 24.1 sind geschlossen. Bei der zweiten Kolbenzylinderanordnung 24.2 sind die Ventile 60 und das Auslassventil 62 der pneumatischen Kammern 54 geöffnet, während das Einlassventil 58.2 geschlossen ist. In gleicher Weise sind die Auslassventile der hydraulischen Kammern 56 geschlossen, während die Einlassventile (in 4 nicht dargestellt) zum Befüllen der hydraulischen Kammern 56 geöffnet sind.
Somit kann Druckluft aus dem Druckspeicher in die pneumatische Kammer 54.1 des ersten Zylinders 50.1 strömen und dabei durch das geöffnete Auslassventil 66.1 Hydraulikdruck an die hydraulische Maschine 26 liefern. Mit der Bewegung des Kolbens 52.1 verschiebt sich auch der Kolben 52.4 des ersten Zylinders 50.4 der zweiten Kolbenzylinderanordnung 24.1 derart, dass die restliche Luft aus der pneumatischen Kammer 54.4 entleert wird, während sich die hydraulische Kammer 56.4 mit Öl füllt.
Erreichen die Kolben 52.1 und 52.4 die in 4b dargestellte Stellung, so wird das Schaltventil 60.1 zwischen den pneumatischen Kammern 54.1, 54.2 der ersten und zweiten Zylinder 50.1, 50.2 geöffnet, während das Einlassventil 58.1 geschlossen wird. Gleichzeitig wird das Auslassventil 66.2 geöffnet, sodass nunmehr hydraulischer Druck aus der hydraulischen Kammer 56.2 des zweiten Zylinders 50.2 an die hydraulische Maschine geliefert werden kann, wenn sich die Druckluft aus der ersten pneumatischen Kammer 54.1 des ersten Zylinders 50.1 in die pneumatische Kammer 54.2 des zweiten Zylinders 50.2 hinein entspannt.
Um ein Befüllen der pneumatischen Kammer 56.5 des zweiten Zylinders 50.5 der zweiten Kolbenzylinderanordnung 24.2 zu ermöglichen, wird das entsprechende Auslassventil geschlossen. Gleichzeitig wird auch das Verbindungsventil 60.3 zwischen den pneumatischen Kammern 54.4 und 54.5 geschlossen, sodass die Luft aus den pneumatischen Kammern der zweiten Kolbenzylinderanordnung 24 zuverlässig entleert werden kann.
Sobald die Kolben 52.2 und 52.5 der zweiten Zylinder 50.2 und 50.5 die in 4c gezeigte Stellung erreichen, wird das Verbindungsventil 60.2 zwischen den pneumatischen Kammern 54.2 und 54.3 der zweiten und dritten Zylinder 50.2, 50.3 der ersten Kolbenzylinderanordnung 25.1 geöffnet, sodass nunmehr Hydraulikdruck aus der hydraulischen Kammer 56.3 über das nunmehr geöffnete Auslassventil 66.3 zur hydraulischen Maschine 26 geliefert werden kann.
Sobald die Kolben 52 der dritten Zylinder 50.3 und 50.6 der ersten und zweiten Kolbenzylinderanordnungen 24.1, 24.2 die in 4d gezeigte Stellung erreicht haben, ist der Arbeitszyklus der ersten Kolbenzylinderanordnung abgeschlossen, während die zweite Kolbenzylinderanordnung für den nächsten Arbeitszyklus vorbereitet ist. Somit kann die zweite Kolbenzylinderanordnung 24.2 unmittelbar nach Abschluss des Arbeitszyklus der ersten Kolben-/Zylinderanorndung 24.1 ihren in den 4d bis 4f dargestellten Arbeitszyklus starten, der dann in der gleichen Weise abläuft, wie anhand des Arbeitszyklus der ersten Kolbenzylinderanordnung beschrieben ist.
Die in 3 dargestellte Kolbenzylinderanordnung kann somit zum Antrieb der hydraulischen Maschine 26 kontinuierlich einen hydraulischen Druck liefern, der jedoch zeitlich schwankt. Um den Hydraulikdruck trotz schwankender Ausgangsdrücke der beschriebenen Kolbenzylinderanordnung zu vergleichmäßigen, ist es möglich, wie in 5 dargestellt, zwei oder mehr kontinuierlich arbeitende Kolbenzylinderanordnungen bereitzustellen, deren Arbeitszyklen dann so gesteuert werden, dass sie zeitlich gegeneinander versetzt arbeiten.
Nehmen wir beispielsweise eine Kolbenzylinderanordnung mit drei Zylinderpaaren an, wie in 3 dargestellt, also ein Paar von zwei parallel zueinander angeordneten Kolbenzylinderan-ordnungen 24.1 und 24.2 mit jeweils drei Zylindern 50 so ist es zweckmäßig, drei derartige Anordnungen 24A, 24B, 24C oder Paare vorzusehen, die dann einen als hydraulische Maschine dienenden Hydraulikmotor so beaufschlagen, dass die Summe der Drücke zu jedem Zeitpunkt im Wesentlichen konstant ist. Im kontinuierlichen Betrieb einer erfindungsgemäßen pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung, wie sie in Kolbenzylinderanordnung gezeigt ist, startet die erste Kolbenzylinderanordnung 24A ihren Arbeitszyklus, wie in 4a beschrieben. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet die zweite Kolbenzylinderanordnung 24B im zweiten Takt des Arbeitszyklus, der oben anhand von 4b erläutert wurde, während die dritte Kolbenzylinderanordnung 24C im letzten Takt des Arbeitszyklus arbeitet, der anhand von 4c beschrieben wurde.
Somit liegt am ersten Eingang 27.1 des Hydraulikmotors 26 der volle Arbeitsdruck, also beispielsweise 70 bar, an, während der Druck am zweiten Eingang 27.2 je nach dem Fortschritt des Arbeitstaktes zwischen 70 und 35 bar liegt. Der Druck am dritten Eingang 27.3 des Hydraulikmotors 26, der von der dritten hydraulischen Maschine 24C geliefert wird, liegt im Bereich zwischen 35 und ungefähr 23 bar.
Somit schwanken zwar die einzelnen Drücke an den einzelnen Eingängen des Hydraulikmotors, der beispielsweise nach Art einer Reihenzahnradpumpe aufgebaut ist, jedoch bleibt das auf die Ausgangswelle des Hydraulikmotors wirkende Drehmoment konstant, sodass sich die Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle nur in Abhängigkeit von der anzutreibenden Last ändert.
Der Einsatz der Erfindung zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie ist nicht auf die beschriebenen Drücke beschränkt. Vielmehr können je nach Anwendungszweck und Einsatzgebiet alle technisch beherrschbaren Drücke eingestzt werden. Sind höhere Leistungen erforderlich, sind auch die gesetzten Drücke zu erhöhen. Um das System auch bei sehr hohem Speicherdruck möglichst vielseitig einsetzen zu können, sind entsprechende Druckminderer zweckmäßig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006031424 A1 [0003]
WO 2011/059557 [0005]
EP 2530283 A1 [0006]
US 2011/0247323 A1 [0008, 0010]

Claims

Druckluft-Energiespeichersystem mit – einem Druckluftspeicher (10), – einer Verdichteranordnung (12) zum Zuführen von komprimierter Luft zum Druckluftspeicher (10), und – einer pneumatisch-hydraulischen Vorrichtung (22) mit zumindest einer pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (24) zum Erzeugen eines hydraulischen Drucks, der einer hydraulischen Maschine (26) zum Antrieb einer Last (28, 30) zuführbar ist, – dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine pneumatisch-hydraulische Kolbenzylinderanordnung (24) zumindest zwei Zylinder (50) mit jeweils einer pneumatischen Kammer (54) zum Entspannen von Druckluft aufweist, wobei die pneumatischen Kammern (54) in Reihe mit einem Auslass des Druckluftspeichers (10) verbunden sind.
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe mit dem Druckluftspeicher (10) verbundenen pneumatischen Kammern (54) der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (24) das gleiche Volumen aufweisen.
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Reihe mit dem Druckluftspeicher (10) verbundenen pneumatischen Kammern (54) der pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnung (24) unterschiedliche Volumen aufweisen, wobei das Volumen einer pneumatischen Kammern (54), die über eine in der Reihe der pneumatischen Kammern (54) vorher gehende pneumatische Kammer (54) mit dem Druckluftspeicher (10) verbunden ist, größer ist als das Volumen der in der Reihe vorher gehenden pneumatischen Kammern (54).
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der letzten pneumatischen Kammer (54) in der Reihe der pneumatischen Kammern (54) größer ist als das Volumen der in der Reihe vorher gehenden pneumatischen Kammern (54), deren Volumen untereinader gleich sind.
Druckluft-Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatischen Kammern (54) der Zylinder (54) durch jeweilige Kolben (52) in den Zylindern (52) von entsprechenden hydraulischen Kammern (56) getrennt sind.
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Verhältnis der die pneumatische Kammer (54) begrenzenden Kolbenfläche zur die hydraulische Kammer (56) begrenzenden Kolbenfläche für alle Kolben (52) einer Reihenanordnung von Zylindern gleich ist.
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Verhältnis der die pneumatische Kammer (54) begrenzenden Kolbenfläche zur die hydraulische Kammer (56) begrenzenden Kolbenfläche für einen Kolben (52) in einem Zylinder (50) in der Reihenanordnung von Zylindern (50) kleiner ist als das Verhältnis der Kolbenflächen von Kolben (52) in in der Reihenanordnung vorhergehender Zylinder (50).
Druckluft-Energiespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Paar von zwei zueinander parallelen pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen (24.1, 24.2) zumindest zwei Zylindern (50) mit in Reihe mit dem Auslass des Druckluftspeichers (10) verbundenen pneumatischen Kammern (54) vorgesehen ist, wobei die Kolben (52) von jeweils zwei einander zugeordneten Zylindern (50) wirkungsmäßig so miteinander verbunden sind, dass im Betrieb der Zylinder (50) der einen Kolbenzylinderanordnungen (24.1) einen hydraulischen Druck liefert, während die hydraulische Kammer (56) des anderen gefüllt wird.
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Paare von pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen (24) vorgesehen sind.
Druckluft-Energiespeichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als hydraulische Maschine (26) ein Hydraulikmotor vorgesehen ist, der nach Art einer Reihenzahnradpumpe eine Mehrzahl von Eingängen (27) aufweist, die jeweils mit einem Ausgang der Paare (24A, 24B, 24C) von pneumatisch-hydraulischen Kolbenzylinderanordnungen verbunden sind.