DE102014004237A1 - Device for generating an electric current - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines elektrischen Stromes, die wenigstens einen Druckbehälter (4) zum Speichern eines unter einem Gasüberdruck stehenden Gases und wenigstens eine Turbine (22) zum Antreiben eines Generators (2) aufweist zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung (1) wenigstens ein Mischelement (10) mit wenigstens einer Mischkammer (12), wenigstens einer Gaszuleitung (14) zum Einleitung von Gas aus dem Druckbehälter (4) in die Mischkammer (12), wenigstens einer Flüssigkeitszuleitung (16) zum Einleiten einer Flüssigkeit in die Mischkammer (12) und wenigstens einer Austrittsöffnung (20) aufweist und das Mischelement (10) derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit durch das Gas in der Mischkammer (12) derart beschleunigt wird, dass sie durch die Austrittsöffnung (20) auf die Turbine (22) trifft.A device (1) for generating an electric current, which has at least one pressure vessel (4) for storing a gas under overpressure gas and at least one turbine (22) for driving a generator (2) is characterized in that the device ( 1) at least one mixing element (10) having at least one mixing chamber (12), at least one gas inlet (14) for introducing gas from the pressure vessel (4) into the mixing chamber (12), at least one liquid inlet (16) for introducing a liquid into the mixing chamber (12) and at least one outlet opening (20) and the mixing element (10) is formed such that the liquid is accelerated by the gas in the mixing chamber (12) so that it through the outlet opening (20) on the turbine (22).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes, die wenigstens einen Druckbehälter zum Speichern eines unter einem Gasüberdruck stehenden Gases und wenigstens eine Turbine zum Antreiben eines Generators aufweist.The invention relates to a device for generating an electric current having at least one pressure vessel for storing a gas under gas pressure and at least one turbine for driving a generator.
Derartige Vorrichtungen sind als Teile von Speicherkraftwerken, insbesondere von Druckluftspeicherkraftwerken, aus dem Stand der Technik bekannt.Such devices are known as parts of storage power plants, in particular of compressed air storage power plants, from the prior art.
Insbesondere bei der Stromerzeugung durch regenerative Energien, beispielsweise durch Wind- oder Sonnenenergie, stellt sich das Problem, dass die Menge des erzeugten Stromes nicht auf den Strombedarf zu bestimmten Zeiten angepasst werden kann. Der Strom kann beispielsweise bei der Nutzung von Sonnenenergie über Photovoltaikanlagen nur tagsüber erzeugt werden. Bei der Nutzung der Windkraft über Windkraftanlagen kann Strom nur erzeugt werden, wenn ein ausreichender Wind weht. Es stellt sich folglich das Problem, wie der zu diesen Zeiten erzeugte Strom, der ggf. nicht oder noch nicht benötigt wird, zwischengespeichert werden kann.In particular, in the generation of electricity by renewable energy, for example by wind or solar energy, the problem arises that the amount of electricity generated can not be adapted to the power requirements at certain times. The electricity can be generated, for example, during the use of solar energy via photovoltaic systems only during the day. When using wind power via wind turbines, electricity can only be generated if sufficient wind blows. Consequently, there is the problem of how the current generated at these times, which may not or not yet needed, can be cached.
Dies geschieht beispielsweise in sogenannten Pumpspeicherkraftwerken, in denen mit dem erzeugten elektrischen Strom Wasser in ein hoch gelegenes Reservoir, beispielsweise einen Bergsee oder Stausee, gepumpt wird. Wird zu einem späteren Zeitpunkt Strom benötigt, kann das Wasser über Fallrohre Turbinen und Generatoren antreiben, sodass wieder elektrischer Strom erzeugt werden kann. Nachteilig ist, dass derartige Pumpspeicherkraftwerke einen großen Wasserspeicher benötigen, der deutlich höher als der Generator angeordnet sein muss. Dies ist nicht in allen Gegenden möglich.This happens, for example, in so-called pumped storage power plants in which water is pumped into a reservoir located at a high level, for example a mountain lake or reservoir, with the electric current generated. If electricity is required at a later date, the water can drive turbines and generators via downpipes so that electricity can be generated again. The disadvantage is that such pumped storage power plants need a large water storage, which must be located much higher than the generator. This is not possible in all areas.
Eine insbesondere auch im Flachland mögliche Form der Energiespeicherung stellen die sogenannten Druckluftspeicherkraftwerke dar. Dabei wird mit überschüssigem Strom Luft in einen Druckbehälter gepumpt, in dem dadurch der Druck erhöht wird. Wird zu einem späteren Zeitpunkt elektrischer Strom benötigt, wird die Luft aus dem Behälter abgelassen und auf eine Turbine geleitet, die den Generator antreibt. Nachteilig ist dabei jedoch, dass bei der Kompression der Luft in dem Druckbehälter diese Luft stark erwärmt wird. Hierbei können durchaus mehrere hundert Grad Celsius an Lufttemperatur erreicht werden. Die bei der Kompression der Luft auftretende Wärme muss abgeführt werden und wird oftmals ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Wird nun zu einem späteren Zeitpunkt die Luft wieder entspannt, der Druck im Innern des Druckbehälters folglich gesenkt, kommt es zu einer deutlichen Abkühlung der Luft gegebenenfalls bis weit unter den Gefrierpunkt. Dadurch kann es zu einer Vereisung des gesamten Systems kommen, so dass die Stromerzeugung nicht mehr einwandfrei funktioniert.A form of energy storage which is also possible, especially in the lowlands, is the so-called compressed air storage power plants. Air is pumped with excess flow into a pressure vessel in which the pressure is thereby increased. If electrical power is required at a later date, the air is released from the tank and directed to a turbine that drives the generator. A disadvantage, however, is that during the compression of the air in the pressure vessel, this air is strongly heated. It is quite possible to achieve several hundred degrees Celsius of air temperature. The heat generated during the compression of the air must be dissipated and is often released into the environment unused. Now, if the air is relaxed again at a later time, the pressure in the interior of the pressure vessel thus lowered, it comes to a significant cooling of the air, if necessary, well below freezing. This can lead to icing of the entire system, so that the power generation does not work properly.
Herkömmlicherweise wird daher beim Expandieren des unter Druck stehenden Gases beispielsweise Erdgas zugesetzt und verbrannt, so dass die ansonsten starke Abkühlung verhindert und die benötigte Wärmemenge zugeführt wird. Alternativ kann natürlich auch durch andere Verfahren extern Wärme hinzugeführt werden. Dies senkt jedoch den Wirkungsgrad derartiger Druckluftspeicherkraftwerke stark ab und führt zudem gegebenenfalls zu einer weiteren Verwendung fossiler Brennstoffe.Conventionally, therefore, when expanding the pressurized gas, for example, natural gas is added and burned, so that the otherwise strong cooling is prevented and the required amount of heat is supplied. Alternatively, of course, external heat can also be added by other methods. However, this greatly reduces the efficiency of such compressed air storage power plants and also possibly leads to a further use of fossil fuels.
Unter dem Produktnamen „Adele” wird daher zur Zeit ein Druckluftspeicherkraftwerk entwickelt, bei dem die bei der Kompression der Luft entstehende Wärme in separaten dafür vorgesehenen Wärmespeichern gespeichert wird, um sie beim späteren Expandieren der Druckluft wieder zu verwenden. Dazu müssen die Wärmespeicher jedoch große Wärmemengen beispielsweise bei über 600°C über wenigstens mehrere Stunden speichern können, was einen immensen apparativen Aufwand erfordert.Under the product name "Adele", a compressed air storage power plant is currently being developed in which the heat generated during the compression of the air is stored in separate heat accumulators intended for this purpose in order to reuse it as the compressed air expands later. For this purpose, the heat storage, however, must be able to store large amounts of heat, for example, at over 600 ° C for at least several hours, which requires an immense amount of equipment.
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiter zu entwickeln, dass sie einfach, zuverlässig und ohne großen apparativen Aufwand betreibbar ist.The invention is therefore based on the object, so to develop a device for generating an electric current according to the preamble of claim 1 that it is simple, reliable and can be operated without much equipment.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich dadurch auszeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens ein Mischelement mit wenigstens einer Mischkammer, wenigstens einer Gaszuleitung zum Einleiten von Gas aus dem Druckbehälter in die Mischkammer, wenigstens einer Flüssigkeitszuleitung zum Einleiten einer Flüssigkeit in die Mischkammer und wenigstens einer Austrittsöffnung aufweist, wobei das Mischelement derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit durch das Gas in der Mischkammer derart beschleunigt wird, dass sie durch die Austrittsöffnung auf die Turbine trifft.The invention solves this problem by a generic device for generating an electric current according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the device at least one mixing element with at least one mixing chamber, at least one gas inlet for introducing gas from the pressure vessel in the Mixing chamber, at least one liquid supply line for introducing a liquid into the mixing chamber and at least one outlet opening, wherein the mixing element is designed such that the liquid is accelerated by the gas in the mixing chamber such that it hits through the outlet opening on the turbine.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung werden mehrere Vorteile erreicht. Dadurch, dass das Gas beim Expandieren aus dem Druckbehälter mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, die eine gewisse Temperatur aufweist, kann die beim Expandieren des Gases zur Vermeidung einer Vereisung nötige Wärmemenge der Flüssigkeit entnommen werden. Wird als Gas beispielsweise Luft und als Flüssigkeit beispielsweise Wasser verwendet, führt dies durch die höhere Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft dazu, dass sich die Temperatur des Wassers deutlich langsamer vermindert als dies bei der Luft der Fall wäre. Zudem wird im laufenden Betrieb der Vorrichtung permanent frische Flüssigkeit in die Mischkammer eingebracht, der die Wärme beim Expandieren des Gases entzogen wird, wodurch eine Vereisung insbesondere der Turbine vermieden wird. Hinzu kommt, dass durch die Austrittsöffnung der Mischkammer ein Gemisch aus dem Gas und der Flüssigkeit, vorteilhafterweise also ein Gemisch aus Luft und Wasser, austritt, das auf die Turbine trifft. Dadurch können die für den Antrieb durch Flüssigkeit ausgelegten hocheffizienten Turbinen verwendet werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter erhöht wird. Das Gas expandiert folglich beim Verlassen des Druckbehälters und kühlt dabei ab. Da es jedoch in thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit kommt, die eine gegenüber dem abgekühlten beziehungsweise abkühlenden Gas erhöhte Temperatur aufweist, entzieht das abgekühlte Gas der Flüssigkeit Wärme. Dadurch wird eine Vereisung der beteiligten Bauteile sicher vermieden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird dabei das Gesamtsystem mit Flüssigkeitsreservoir und allen beteiligten Bauteilen nahezu adiabatisch betrieben.The inventive design of the device several advantages are achieved. The fact that the gas when expanding from the Pressure vessel comes into contact with the liquid, which has a certain temperature, the necessary during expansion of the gas to avoid icing heat amount of liquid can be removed. If, for example, air is used as the gas and water as the liquid, for example, the higher heat capacity of the water relative to the air causes the temperature of the water to decrease much more slowly than would be the case with air. In addition, during operation of the device, fresh liquid is permanently introduced into the mixing chamber, which removes the heat during expansion of the gas, thereby avoiding icing, in particular of the turbine. In addition, through the outlet opening of the mixing chamber, a mixture of the gas and the liquid, advantageously a mixture of air and water, emerges, which hits the turbine. Thereby, the high-efficiency turbines designed for driving by liquid can be used, whereby the efficiency of the device is further increased. The gas thus expands when leaving the pressure vessel and cools down. However, since it comes into thermal contact with the liquid having a temperature which is higher than that of the cooled or cooling gas, the cooled gas removes heat from the liquid. As a result, icing of the components involved is reliably avoided. In a particularly advantageous embodiment, the entire system with liquid reservoir and all components involved is operated almost adiabatically.
An die Vorrichtung kann ein Kompressor angeschlossen sein oder werden, durch den die Luft in den Druckbehälter eingeführt bzw. in diesem verdichtet wird. Dabei kann der Gasüberdruck beispielsweise 46 bar bis 72 bar, insbesondere 60 bar, betragen. Prinzipiell ist der maximal verwendbare Gasüberdruck durch die mechanische Stabilität des Druckbehälters begrenzt. Werden beispielsweise als Druckbehälter Stahlrohre benutzt, wie sie auch bei Hochdruckleitungen oder Hochdruckgasleitungen verwendet werden, können Gasüberdrücke von 200 bar und mehr erreicht werden. Dabei kommt es zu einer starken Erhöhung der Temperatur des Gases. Die dabei entstehende Wärme wird vorteilhafterweise abgeführt und steht gegebenenfalls für andere Anwendungen zur Verfügung. Dies kann beispielsweise mit aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannten Wärmetauschern geschehen.To the device, a compressor may be connected or be, through which the air is introduced into the pressure vessel or compressed in this. The gas overpressure may be, for example, 46 bar to 72 bar, in particular 60 bar. In principle, the maximum usable gas pressure is limited by the mechanical stability of the pressure vessel. If, for example, steel tubes are used as pressure vessels, as are also used in high-pressure lines or high-pressure gas lines, gas excess pressures of 200 bar and more can be achieved. This leads to a strong increase in the temperature of the gas. The resulting heat is advantageously dissipated and is optionally available for other applications. This can be done, for example, with heat exchangers known in principle from the prior art.
Wird das Gas aus dem Druckbehälter dem Mischelement zugeführt, kann es sinnvoll sein, den Gasüberdruck auf einen jeweiligen Betriebsdruck, der beispielsweise 10 bar betragen kann, zu reduzieren. Dies kann beispielsweise über aus dem Stand der Technik ebenfalls prinzipiell bekannte Reduktionsventile geschehen.If the gas supplied from the pressure vessel to the mixing element, it may be useful to reduce the gas pressure to a respective operating pressure, which may be, for example, 10 bar. This can be done, for example, via reduction valves which are also known in principle from the prior art.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung verfügt die Flüssigkeitszuleitung über ein Leitelement, das in die Mischkammer hineinragt. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Leitelement ein in die Mischkammer hineinragendes Umlenkelement, insbesondere ein Umlenkblech, ist. Dies kann beispielsweise gewölbt oder schräg ausgebildet sein, wobei eine Wölbung beispielsweise mit der konvexen Seite der Gaszuleitung zugewandt ist.In a preferred embodiment of the device, the liquid feed line has a guide element which projects into the mixing chamber. It has been found to be advantageous if the guide element is a deflecting element projecting into the mixing chamber, in particular a deflection plate. This can be curved or obliquely formed, for example, with a curvature, for example, facing the convex side of the gas supply line.
Das Umlenkelement kann zudem weitere strömungsleitende Elemente aufweisen, die beispielsweise an der der Gaszuleitung zugewandten Seite des Umlenkelementes angeordnet sind. Durch diese Elemente wird der Strömungswiderstand, den das Umlenkelement dem durch die Gaszuleitung einströmenden Gas entgegenstellt, verringert. Dadurch kann mehr Energie aus dem Gas verwendet werden, um die Flüssigkeit entsprechend zu beschleunigen.The deflection element can also have further flow-conducting elements, which are arranged, for example, on the side of the deflection element facing the gas supply line. Through these elements, the flow resistance, which opposes the deflecting element to the gas flowing through the gas inlet, is reduced. This allows more energy from the gas to be used to accelerate the fluid accordingly.
Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Mischkammer zylinderförmig ausgebildet und die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in einer Mantelfläche der Mischkammer angeordnet. An einer der beiden Stirnseiten der Mischkammer befindet sich in diesem Fall die Austrittsöffnung, während bevorzugt am gegenüberliegenden Stirnende, gegebenenfalls aber auch in der Mantelfläche des Zylinders, die Gaszuleitung angeordnet ist.Advantageously, the at least one mixing chamber is cylindrical and the at least one liquid feed line is arranged in a lateral surface of the mixing chamber. At one of the two end faces of the mixing chamber is in this case the outlet opening, while preferably at the opposite end, but optionally also in the lateral surface of the cylinder, the gas supply line is arranged.
Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung Strömungsrichtung hinter der wenigstens einen Gaszuleitung angeordnet. Möglich ist auch, die Gaszuleitung und die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in Strömungsrichtung auf der gleichen Höhe anzuordnen, so dass das Gas aus der wenigstens einen Gaszuleitung und die Flüssigkeit aus der wenigstens einen Flüssigkeitszuleitung gleich lange Strecken innerhalb der Mischkammer zurücklegen.Advantageously, the at least one liquid supply flow direction behind the at least one gas supply line is arranged. It is also possible to arrange the gas supply line and the at least one liquid supply line in the flow direction at the same height, so that the gas from the at least one gas supply line and the liquid from the at least one liquid supply lines of equal length travel within the mixing chamber.
Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Mischkammer ist die Austrittsöffnung vorzugsweise eine Düse. Dies bedeutet, dass die Austrittsöffnung einen kleineren Querschnitt als die Mischkammer aufweist, so dass das in der Mischkammer erzeugte Gemisch aus Gas und Flüssigkeit, bevorzugt aus Luft und Wasser, beim Austreten durch die Austrittsöffnung nochmals beschleunigt wird, bevor es auf die dahinter angeordnete Turbine trifft, durch die ein angeschlossener Generator angetrieben werden kann. Durch ihn wird letztendlich der elektrische Strom erzeugt.Regardless of the exact configuration of the mixing chamber, the outlet opening is preferably a nozzle. This means that the outlet opening has a smaller cross section than the mixing chamber, so that the mixture of gas and liquid, preferably of air and water, which is produced in the mixing chamber, is accelerated again as it exits through the outlet opening before it strikes the turbine arranged behind it through which a connected generator can be driven. It ultimately generates the electrical current.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden. Das Flüssigkeitsreservoir steht dabei vorzugsweise unter einem Flüssigkeitsüberdruck. Der Flüssigkeitsüberdruck ist dabei größer als der umgebende Atmosphärendruck. Durch die Verwendung eines derartigen Flüssigkeitsreservoirs ist es zudem möglich, die Flüssigkeit in einem Kreislauf zu verwenden. Nachdem das Gemisch aus Gas und Flüssigkeit auf die Turbine getroffen ist, wird die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, dem Reservoir wieder zugeführt. Das Reservoir kann dabei ein Tank oder eine Kaverne aber auch ein See, Stausee, Fluss oder ein Meer sein. Da anders als bei Pumpspeicherkraftwerken der Wasserdruck nicht die für die Stromerzeugung entscheidende Größe ist, ist es auf diese Weise auch möglich, nur kleine Flüssigkeitsüberdrücke gewinnbringend zu verwenden. Insbesondere für den Fall eines sehr großen Reservoirs, beispielsweise in Form eines natürlichen oder künstlich angelegten Stausees, führt die bei der Expansion des Gases dem Wasser entnommene Wärmemenge nicht zu einer nennenswerten Abkühlung des Reservoirs.In a preferred embodiment of the device, the at least one liquid feed line is connected to a liquid reservoir. The liquid reservoir is preferably under a liquid overpressure. The liquid overpressure is greater than the surrounding Atmospheric pressure. By using such a liquid reservoir, it is also possible to use the liquid in a circuit. After the mixture of gas and liquid has hit the turbine, the liquid, for example water, is returned to the reservoir. The reservoir can be a tank or a cavern but also a lake, reservoir, river or a sea. Since, unlike pumped storage power plants, the water pressure is not the decisive factor for power generation, in this way it is also possible to profitably use only small liquid overpressures. Particularly in the case of a very large reservoir, for example in the form of a natural or artificially created reservoir, the amount of heat taken from the water during the expansion of the gas does not lead to any appreciable cooling of the reservoir.
Bevorzugt wird die bei der Kompression des Gases frei werdende Wärme dem Flüssigkeitsreservoir zugeführt. Insbesondere für den Fall eines besonders großen Reservoirs führt auch dies nicht zu einer nennenswerten Änderung der Temperatur der Flüssigkeit. Insgesamt kann in diesem Fall folglich sowohl die Kompression als auch die Expansion des Gases nahezu isotherm erfolgen. Das Gesamtsystem mit Flüssigkeitsreservoir und allen beteiligten Bauelementen stellt sich bevorzugt als zumindest nahezu adiabatisch, im Optimalfall als vollständig adiabatisch dar. Dies gilt vorzugsweise unabhängig davon, was mit der beim Komprimieren des Gases entstehenden Wärme geschieht. Diese kann als Abwärme ungenutzt verpuffen oder beispielsweise gespeichert und anschließend beim Expandieren des Gases wieder verwendet werden. Als Speicher bietet sich dabei insbesondere ein großes Flüssigkeitsreservoir an.Preferably, the released in the compression of the gas heat is supplied to the liquid reservoir. In particular, in the case of a particularly large reservoir, this does not lead to a significant change in the temperature of the liquid. Overall, in this case, therefore, both the compression and the expansion of the gas can be almost isothermal. The overall system with liquid reservoir and all components involved preferably represents at least almost adiabatic, in the optimal case as completely adiabatic dar. This is preferably independent of what happens with the heat generated during the compression of the gas. This can be used as waste heat unexploited or stored, for example, and then be used again during expansion of the gas. In particular, a large liquid reservoir offers itself as storage.
Eine Speicherung extrem großer Wärmemengen bei sehr hohen Temperaturen ist daher nicht nötig. Es entfallen daher auch die Bauteile, die thermisch hoch belastet teilweise extremen Drücken standhalten müssen. Die Konstruktion einer derartigen Vorrichtung wird daher gegenüber einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik deutlich vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert.A storage of extremely large amounts of heat at very high temperatures is therefore not necessary. It therefore also eliminates the components that have to withstand high thermal loads partially withstand extreme pressures. The construction of such a device is therefore considerably simplified compared with a device of the prior art and reduces the manufacturing costs.
Vorzugsweise ist der Flüssigkeitsüberdruck kleiner als der Gasüberdruck. Je höher der Gasüberdruck ausgebildet ist, desto größer ist die Gasmenge, die einem gegebenen Volumen gespeichert werden kann. Dadurch werden hohe Speicherdichten und hohe Energiedichten erreicht.The liquid overpressure is preferably smaller than the gas overpressure. The higher the gas overpressure is formed, the greater the amount of gas that can be stored in a given volume. This achieves high storage densities and high energy densities.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung verfügt die Vorrichtung über eine Einstelleinrichtung, durch die ein Mischungsverhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit in der Mischkammer, vorzugsweise auch während eines Betriebs der Vorrichtung, einstellbar ist. Dies geschieht beispielsweise über Reduktionsventile und/oder eine Pumpe, durch die die Menge der einströmenden Flüssigkeit, die durch die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in die Misch-Flüssigkeit, die durch die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in die Mischkammer eingebracht wird, eingestellt werden kann. Je nach vorhandenem Gasüberdruck oder eingestellten Betriebsdruck des durch die wenigstens eine Gaszuleitung eingeleiteten Gases sind unterschiedliche Flüssigkeitsmengen optimal. Durch die Einstelleinrichtung kann das optimale Verhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit in der Mischkammer für jeden der eingestellten Drücke erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter angehoben wird.In an advantageous embodiment of the device, the device has an adjusting device, by means of which a mixing ratio between gas and liquid in the mixing chamber, preferably during operation of the device, is adjustable. This is done for example via reduction valves and / or a pump, by which the amount of inflowing liquid, which can be adjusted by the at least one liquid feed into the mixing liquid, which is introduced by the at least one liquid feed into the mixing chamber. Depending on the existing gas overpressure or the set operating pressure of the gas introduced through the at least one gas supply line, different amounts of liquid are optimal. By the adjustment means, the optimum ratio between gas and liquid in the mixing chamber can be achieved for each of the set pressures, whereby the efficiency of the device is further increased.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Turbine um eine Pelton-Turbine. Diese Turbine weist insbesondere bei der Verwendung einer Flüssigkeit als Antriebsmedium eine besonders hohe Effizienz auf. Natürlich ist auch die Verwendung anderer Turbinen, beispielsweise einer Francis-Turbine möglich.Advantageously, the turbine is a Pelton turbine. This turbine has a particularly high efficiency, especially when using a liquid as a drive medium. Of course, the use of other turbines, such as a Francis turbine is possible.
Um die beschleunigte Masse des Gemisches aus Gas und Flüssigkeit, das aus der Austrittsöffnung der Mischkammer tritt, möglichst optimal nutzen zu können, ist die Turbine vorteilhafterweise von einem Gehäuse umgeben. Dieses befindet sich bevorzugt möglichst nah an den Flügeln der jeweiligen Turbine, um den Anteil des Gas-Flüssigkeit-Gemisches, der nicht auf die Turbinenflügel trifft, möglichst zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann es auch sinnvoll sein, an der Austrittsöffnung Strahlformungselemente anzuordnen oder der Austrittsöffnung selbst eine strahlformende Form zu geben.In order to be able to optimally use the accelerated mass of the mixture of gas and liquid which emerges from the outlet opening of the mixing chamber, the turbine is advantageously surrounded by a housing. This is preferably located as close as possible to the wings of the respective turbine in order to reduce as much as possible the proportion of the gas-liquid mixture which does not hit the turbine blades. For this purpose, it may also be useful to arrange beam shaping elements at the outlet opening or to give the outlet opening itself a jet-shaping shape.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Mischelement für eine hier beschriebene Vorrichtung.The invention also solves the problem posed by a mixing element for a device described here.
Mit einem hier beschriebenen Mischelement, das beispielsweise als Strahldüse ausgebildet werden kann, kann ein Wirkungsgrad von 95% erreicht werden. Dies bedeutet, dass 95% der zunächst im Gas enthaltenen kinetischen Energie in der Mischkammer auf die Flüssigkeit übertragen werden können.With a mixing element described here, which can be formed for example as a jet nozzle, an efficiency of 95% can be achieved. This means that 95% of the kinetic energy initially contained in the gas can be transferred to the liquid in the mixing chamber.
Vorrichtung kann folglich ein Druckluftspeicherkraftwerk erreichtet werden, das isotherm oder zumindest nahezu isotherm und/oder adiabat betrieben werden kann, ohne dass beispielsweise durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zusätzlich Energie zugeführt werden müsste. Die Konstruktion ist dabei denkbar einfach und weist insbesondere gegenüber der momentanen getesteten Vorrichtung „Adele” eine Vielzahl konstruktiver Vorteile auf, insbesondere müssen keine thermisch hochbelasteten Komponenten entwickelt und verbaut werden und auch die für Adele speziell entwickelten Wärmetauscher werden nicht benötigt. Die für die hier beschriebene Vorrichtung verwendeten Bauteile sind per se aus dem Stand der Technik nahezu alle bekannt und zur Serienreife und höchster Effizienz entwickelt. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass der wenigstens eine Druckbehälter, in dem das Gas gespeichert wird, in nahezu jeder beliebigen Größe herstellbar und verwendbar ist. Neben Hochdrucktanks, die speziell für diese Anwendung hergestellt werden, können auch natürliche Kavernen, beispielsweise in Felsen oder Salzstöcken oder unterseeische Wasserblasen verwendet werden. Daher sind die Druckbehälter nahezu beliebig skalierbar und auch die durch die Vorrichtung erzeugbare Strommenge bzw. elektrische Leistung kann an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Insbesondere bei unterseeischen oder andernorts Unterwasser angeordneten Druckbehältern, bei denen der aufgebrachte Druck von der oberhalb des Behälters befindlichen Wassersäule aufgebracht wird, bietet sich der Vorteil, dass dieser Druck unabhängig vom Füllstand des Druckbehälters, in dem das Gas komprimiert wird, nahezu oder vorteilhafterweise sogar vollständig konstant bleibt. Während bei starren Überdruckbehältern, beispielsweise Kavernen oder Behältern, der Druck innerhalb des Behälters beim Komprimieren des Gases zunimmt und beim Expandieren des Gases abnimmt, kann bei Druckbehältern, bei denen der Druck durch eine oberhalb des Behälters angeordnete Wassersäule aufgebracht wird, unabhängig von der eingefüllten Gasmenge das Gas immer unter dem gleich hohen Druck verwendet werden.As a result, a compressed air storage power plant can be achieved, which can be operated isothermally or at least almost isothermally and / or adiabatically, without, for example, having to additionally supply energy through the combustion of fossil fuels. The design is very simple and has in particular compared to the current tested device "Adele" a variety of design advantages, in particular, no thermally highly stressed components must be developed and installed and also specially developed for Adele heat exchanger are not needed. The components used for the device described here are known per se from the prior art almost all known and developed for mass production and highest efficiency. A further advantage of the device described here is that the at least one pressure vessel in which the gas is stored can be produced and used in virtually any desired size. In addition to high-pressure tanks, which are manufactured especially for this application, natural caverns, for example, in rocks or salt flats or undersea water bubbles can be used. Therefore, the pressure vessels are almost arbitrarily scalable and also the amount of electricity or electrical power that can be generated by the device can be adapted to the respective needs. In particular, in underwater or otherwise underwater pressure vessels arranged in which the applied pressure is applied by the water column located above the container, there is the advantage that this pressure, regardless of the level of the pressure vessel in which the gas is compressed, almost or advantageously even completely remains constant. While in rigid overpressure containers, such as caverns or containers, the pressure within the container increases upon compression of the gas and decreases upon expansion of the gas, in pressure vessels in which the pressure is applied by a water column disposed above the container, regardless of the amount of gas filled the gas should always be used under the same high pressure.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung eingerichtet, in einem gepulsten Betrieb betrieben zu werden. Die Vorrichtung verfügt dazu insbesondere über eine Verschlusseinrichtung zum Verschließen der Austrittsöffnung, sowie ein Gaszuleitungsventil und ein Flüssigkeitszuleitungsventil. Im gepulsten Betrieb wird nun zunächst die Austrittsöffnung der Mischkammer durch die Verschlusseinrichtung geschlossen. Das Flüssigkeitszuleitungsventil ist geöffnet, während das Gaszuleitungsventil geschlossen ist. In diesem Zustand wird folglich Flüssigkeit in die Mischkammer eingeleitet, während Gas nicht eindringen kann. Sobald die Mischkammer bis zu einem vorbestimmten Grad gefüllt ist, beispielsweise bis zur Hälfte, zu dreiviertel oder vollständig wird das Flüssigkeitszuleitungsventil geschlossen, um zu verhindern, dass Flüssigkeit durch die Flüssigkeitszuleitung aus der Mischkammer gedrückt werden kann. Anschließend werden Gaszuleitungsventil und Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung geöffnet, sodass die sich in der Mischkammer befindende Flüssigkeit durch das aus der Gaszuleitung austretende und expandierende Gas aus der Mischkammer gedrückt wird, die es durch die Austrittsöffnung verlässt. Dabei können beispielsweise die Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung und das Gaszuleitungsventil gleichzeitig geöffnet werden. Alternativ ist es auch möglich, zunächst das Gaszuleitungsventil zu öffnen und erst eine vorbestimmte Zeitspanne später die Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung zu öffnen.In a preferred embodiment, the device is set up to be operated in a pulsed mode. The device has in particular a closure device for closing the outlet opening, as well as a gas supply valve and a liquid supply valve. In pulsed operation, the outlet opening of the mixing chamber is now closed by the closure device. The liquid supply valve is opened while the gas supply valve is closed. In this state, liquid is thus introduced into the mixing chamber, while gas can not penetrate. Once the mixing chamber is filled to a predetermined degree, for example, up to one-half, three-quarters or full, the liquid supply valve is closed to prevent liquid from being forced out of the mixing chamber through the liquid supply line. Subsequently, the gas supply valve and closing device for the outlet opening are opened, so that the liquid located in the mixing chamber is forced out of the mixing chamber by the gas emerging from the gas inlet line and expanding, leaving it through the outlet opening. In this case, for example, the closure device for the outlet opening and the gas supply valve can be opened simultaneously. Alternatively, it is also possible to first open the gas supply valve and only a predetermined period later to open the closure device for the outlet opening.
Nach einer vorbestimmten Zeitspanne, innerhalb derer ein festgelegter Anteil der sich in der Mischkammer befindenden Flüssigkeit die Mischkammer verlassen hat, wird das Gaszuleitungsventil und die Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung geschlossen. Auch dies kann gleichzeitig oder nacheinander geschehen, wobei vorteilhafterweise zunächst das Gaszuleitungsventil und anschließend die Verschlusseinrichtung geschlossen wird. Nun wird das Flüssigkeitszuleitungsventil geöffnet und erneut Flüssigkeit in die Mischkammer eingeleitet. Dieses Verfahren kann zyklisch betrieben werden, sodass die Vorrichtung in einem gepulsten Betrieb betreibbar ist.After a predetermined period of time, within which a predetermined proportion of the liquid located in the mixing chamber has left the mixing chamber, the gas supply valve and the closure device for the outlet opening is closed. This can also be done simultaneously or successively, wherein advantageously first the gas supply valve and then the closure device is closed. Now, the liquid supply valve is opened and again introduced liquid into the mixing chamber. This method can be cyclically operated so that the device is operable in a pulsed mode.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung verfügt die Vorrichtung über eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines derartigen Verfahrens. Sie ist dabei Vorteilhafterweise eingerichtet, ein Gaszuleitungsventil, ein Flüssigkeitszuleitungsventil und/oder eine Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung der Mischkammer zu steuern und durch Steuersignale zu öffnen und/oder zu schließen.In a preferred embodiment of the device, the device has an electrical control which is set up to carry out such a method. It is advantageously arranged to control a gas supply valve, a liquid supply valve and / or a closure device for the outlet opening of the mixing chamber and to open and / or close by control signals.
Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigtWith the aid of a drawing, an embodiment of the present invention will be explained in more detail below. It shows
Die Vorrichtung
Bevorzugt wird die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir
Beim Komprimieren des Gases im Kompressor
Beim Expandieren des Gases, das im Druckbehälter
Wird das Flüssigkeitsreservoir
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Generatorgenerator
- 44
- Druckbehälterpressure vessel
- 66
- Druckleitungpressure line
- 88th
- Kompressorcompressor
- 10 10
- Mischelementmixing element
- 1212
- Mischkammermixing chamber
- 1414
- Gaszuleitunggas supply
- 1616
- Flüssigkeitszuleitungliquid supply
- 1818
- Flüssigkeitsreservoirliquid reservoir
- 2020
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 2222
- Turbineturbine
- 2424
- RückführleitungReturn line
- 2626
- Zweite DruckleitungSecond pressure line
- 2828
- Düsejet
- 3030
- Umlenkelementdeflecting
- 3232
- WärmeabführleitungWärmeabführleitung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 8539763 B2 [0008] US 8539763 B2 [0008]
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-
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