DE102014007657A1 - Vertical water tanks integrated in windmill towers to replace the upper reservoir of pumped storage power plants to store electrical energy - Google Patents
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Abstract
Ein Windrad zur Erzeugung von elektrischer Energie umfassend einen Turm, eine auf dem Turm angeordnete Gondel sowie einen an der Gondel angeordneten Rotor, welcher einen elektrischen Generator antreibt, zeichnet sich dadurch aus, dass im Inneren des Turms ein Flüssigkeitsspeicher angeordnet ist, welcher über eine durch die elektrische Energie des Generators angetriebene Pumpe mit Flüssigkeit aus einem unterhalb des Flüssigkeitsspeichers gelegenen Flüssigkeitsreservoir befüllbar ist, und dass eine unterhalb des Flüssigkeitsspeichers angeordnete, und durch die Flüssigkeit im Flüssigkeitsspeicher antreibbare Turbine vorgesehen ist, welche einen weiteren elektrischen Generator antreibt.A wind turbine for generating electrical energy comprising a tower, arranged on the tower nacelle and arranged on the nacelle rotor which drives an electric generator, characterized in that in the interior of the tower, a liquid reservoir is arranged, which via a through the electric energy of the generator driven pump can be filled with liquid from a liquid reservoir located below the liquid reservoir, and that a turbine arranged below the liquid storage and drivable by the liquid in the liquid storage is provided, which drives a further electric generator.
Description
Die Umstellung auf ”Erneuerbare Energiequellen” ist derzeit eine der größten Herausforderungen. Schwerpunkt dabei ist der Wandel hin zu einer dezentralen Energieerzeugung durch kleinere Einheiten, weg von den großen Kraftwerksblöcken wie Kern- und Kohlekraftwerken. Windenergie, Photovoltaik, Biogas und bedarfsgerecht und schnell regelbare, kleinere Gaskraftwerke stehen dabei im Mittelpunkt der zukünftigen Energieversorgung.Switching to "renewable energy sources" is currently one of the biggest challenges. The focus here is on the shift to decentralized energy production through smaller units, away from the large power plant blocks such as nuclear and coal-fired power plants. Wind energy, photovoltaics, biogas and demand-responsive and quickly controllable, smaller gas-fired power plants are the focus of the future energy supply.
Ein zentrales ungelöstes Problem in diesem Zusammenhang ist die kostengünstige Speicherung elektrischer Energie. Zusätzliche Pumpspeicherkraftwerke, welche ein Ober- und Unterbecken mit mehr als 100 m Höhenunterschied erfordern, bedeuten massive Eingriffe in die Natur und immense Investitionen, und scheitern oftmals auch am Widerstand der betroffenen Bevölkerung. Verfügbare Batterien sind zu teuer und deren Speicherkapazität zu gering. Es laufen Entwicklungen neuer Batterien auf Quarzbasis, ebenso gibt es Ansätze, elektrische Ladungsträger in Flüssigkeiten (LOHC = organisch, chemisch angereichter Wasserstoff) zu speichern. Das Aufspalten von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrische Energie, und Umwandlung des Wasserstoffs in Methan in einem zweiten Verfahrensschritt, ist technisch bereits möglich. Den temporaren Stromüberschuss im Netz dadurch in Gas umzuwandeln würde jedoch eine Vielzahl dieser Anlagen bedeuten, die allerdings die meiste Zeit ungenutzt bleiben würden. Diese zuvor geannten Entwicklungen befinden demnach oftmals noch im Anfangsstadium und sind weit entfernt von einer Serienreife und praktischen Einsatzfähigkeit. Das Kosten/Nutzenverhältnis dabei ist bis heute problematisch.A central unsolved problem in this context is the cost-effective storage of electrical energy. Additional pumped storage power plants, which require an upper and lower basin with more than 100 m difference in height, mean massive interventions in nature and immense investments, and often fail because of the resistance of the affected population. Available batteries are too expensive and their storage capacity too low. There are developments of new batteries based on quartz, as there are approaches to store electrical charge carriers in liquids (LOHC = organic, chemically enriched hydrogen). The splitting of water into hydrogen and oxygen by electrical energy, and conversion of the hydrogen into methane in a second process step, is already technically possible. Converting the temporary power surplus into gas in the network would mean a large number of these plants, which would, however, remain unused most of the time. These previously mentioned developments are therefore often still in their infancy and far from being ready for series production and practical use. The cost / benefit ratio is problematic to this day.
Ein besondere Herausforderung im Zusammenhang mit dem Einsatz erneuerbarer Energien besteht darin, dass an windigen und sonnigen Tagen durch Windkraft- und Photovoltaikanlagen große Mengen an zusätzlichem Strom in das Netz eingespeist werden, die durch die Verbraucher in dem eingespeisten Umfang jedoch zur selben Zeit nicht abgenommen werden können.A particular challenge associated with the use of renewable energies is that on windy and sunny days, large volumes of additional electricity are fed into the grid by wind and photovoltaic systems, but at the same time they are not accepted by consumers at the same rate can.
Die großen Kraftwerksblöcke, welche die Netzgrundlastsicherheit gewährleisten, können bekanntermaßen nicht flexibel zurückgefahren werden.The large power plant blocks, which ensure the network basic safety, can not be reduced flexibly known.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Stromüberschuss für mehrere Stunden zu speichern und bedarfsgerecht (z. B. abends, wenn kein Photovoltaikstrom erzeugt wird, jedoch ein hoher Strombedarf im Netz besteht) wieder einzuspeisen.The object of the present invention is to store this power surplus for several hours and to re-feed it as needed (eg in the evening, when no photovoltaic power is generated, but there is a high power requirement in the network).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further features of the invention are described in the subclaims.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die für Windparks wichtige schlanke aerodynamische Form der Wasser speichernden Türme erhalten bleibt, damit die Strömungsverhältnisse in den Windparks nicht negativ beeinflusst werden.The invention provides the advantage that the important for wind farms slim aerodynamic shape of the water-retaining towers is maintained so that the flow conditions in the wind farms are not adversely affected.
Im Grunde genommen handelt es sich bei der nachfolgend beschriebene Erfindung um ein Pumpspeicherkraftwerk. Herkömmliche große Pumpspeicherkraftwerke benötigten ein Gelände welches den Bau eines Oberbeckens und Unterbeckens, mit großem Höhenunterschied ermöglicht.Basically, the invention described below is a pumped storage power plant. Conventional large pumped storage power plants needed a terrain which allows the construction of an upper basin and lower basin, with a large difference in height.
Die nachfolgend beschriebene Erfindung nutzt demgegenüber eine Vielzahl kleiner Anlagen in ebenem Gelände dezentral dort, wo der Strom durch Windräder erzeugt wird.In contrast, the invention described below uses a plurality of small plants in a flat terrain decentralized there, where the power is generated by wind turbines.
In Windradtürme integrierte Wassertanks mit entsprechendem Volumen und Wasserdruck (Fallhöhe) übernehmen die Funktion des Oberbeckens. Ein Unterbecken (oder großer Tank) aus welchem das Wasser entnommen und wieder eingefüllt wird, ist weiterhin bevorzugt als zentrales Flüssigkeitsreservoir vorgesehen. Die vorhandene Infrastruktur in Windparks hinsichtlich Geländenutzung (keine zusätzlichen Eingriffe in die Natur), Stromerzeugung, und Netzanbindung kann kostengünstig genutzt werden.In windmill towers integrated water tanks with appropriate volume and water pressure (drop height) take over the function of the upper basin. A lower basin (or large tank) from which the water is removed and refilled is furthermore preferably provided as a central liquid reservoir. The existing infrastructure in wind farms in terms of land use (no additional interference with nature), power generation, and grid connection can be used at low cost.
Die Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.The invention will be described in detail below.
Windräder zur Erzeugung hoher elektrischer Leistungen im Bereich von mehreren Megawatt, haben entsprechend große Rotoren, leistungsstarke Generatoren, und benötigen große Windstärken zur Erzeugung Ihrer Nennleistung.Wind turbines for generating high electrical power in the range of several megawatts, have correspondingly large rotors, high-performance generators, and require large wind forces to generate their rated power.
Es werden hohe Türme benötigt auf welchen die Windkraftanlagen montiert sind, damit die Rotoren in Höhen mit entsprechenden Windstärken angetrieben werden. Aufgrund der auf die Türme wirkenden Windlast sind diese extrem stabil ausgeführt und an ein massives und großflächiges Fundamenten angebunden. Die Türme können Stahlgitterkonstruktionen sein; jedoch werden heutzutage überwiegend Stahlbetontürme verwendet, die vor Ort aus vorgefertigten Teilen erstellt werden. Als Beispiel sei hier eine Enercon E 82 (2 MW) Windkraftanlage genannt, welche in Schwachwindregionen auf einem Stahlbetonturm mit 135 m Turmhöhe angebracht wird.High towers are needed on which the wind turbines are mounted, so that the rotors are driven at heights with corresponding wind strengths. Due to the wind load acting on the towers, they are extremely stable and connected to a solid and large-scale foundation. The towers can be steel grid constructions; However, today mainly reinforced concrete towers are used, which are created on site from prefabricated parts. An example of this is an Enercon E 82 (2 MW) wind turbine, which is installed in low-wind regions on a reinforced concrete tower with a tower height of 135 m.
Dieser Turm hat unten einen Außendurchmesser von 10,7 m und oben einen Außendurchmesser von 3,2 m. Die Wandstärke des Turm beträgt ca. 0,3 m. Windradtürme werden generell schlank ausgeführt, speziell in den Höhen, in denen der Rotor sich dreht. Der Winddruck welcher auf den Rotor wirkt, wird beim Vorbeilaufen am Turm kurzzeitig durch eine Art Schattenbildung des Turms reduziert. Es entstehen dadurch belastende Pulse auf die Lager der Getriebe. Generell spielen optimale Windströmungsverhältnisse in Windparks mit mehreren Windrädern eine große Rolle. Die Standorte und Abstände der Windräder zueinander werden entsprechend bestimmt. Die Windströmung störende Hindernisse werden möglichst vermieden.This tower has an outer diameter of 10.7 m at the bottom and an outer diameter of 3.2 m at the top. The wall thickness of the tower is about 0.3 m. Windmill towers generally become lean executed, especially in the heights in which the rotor rotates. The wind pressure which acts on the rotor is briefly reduced when passing the tower by a kind of shadowing of the tower. This results in stressful pulses on the bearings of the transmission. In general, optimal wind flow conditions in wind farms with several wind turbines play a major role. The locations and distances between the wind turbines are determined accordingly. The wind flow disturbing obstacles are avoided as possible.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die Volumina (Höhe × Innendurchmesser) und Stabilität von bestehenden, oben beschriebenen Windradtürmen aus Stahlbeton zum Speichern von Energie durch Befüllen der Türme mit Wasser zu nutzen. Beim Befüllen der Wasserspeicher in den Türmen durch Pumpen, die von Elektromotoren angetrieben werden, welche durch die Generatoren der Windräder gespeist werden, wird die elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die als potentielle Energie in den Wasserspeichern im Inneren der Windradtürme gespeichert wird. Umgekehrt treibt das Wasser beim Entleeren die Turbine an, wobei durch einen gekoppelten Generator die mechanische Energie in elektrische Energie zurück gewandelt wird. Die Verluste entsprechen denen bekannter Pumpspeicherkraftwerke. Über ein Rohrsystem, welches am unteren Ende der Tanks angeschlossen ist, sind diese mit der Turbine/Pumpe verbunden. Die Tanks befinden sich vorzugsweise im oberen Teil der Türme, z. B. in einer Höhe oberhalb 50 m bis nahezu zum Turmende, das sich z. B. in 135 m Höhe befindet (siehe Skizze). Dadurch wird die nötige Wasserfallhöhe – und dadurch der zum Betreiben der Turbine notwendige Wasserdruck bereitgestellt, welcher zum Antrieb der Turbinen bei der Rückgewinnung der Energie benötigt wird. Gemäß der Erfindung sind die Tanks, die z. B. aus einem in den Innenraum der Türme eingebrachten Inliner aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen können, ebenso wie die Rohrsysteme, Turbinen, etc. ggf. mit einer entsprechenden Isolierung versehen, bzw. im Winter beheizt, um Frostschäden zu vermeiden.The basic idea of the invention is to utilize the volumes (height × internal diameter) and stability of existing reinforced concrete wind turbine towers described above for storing energy by filling the towers with water. When filling the water reservoirs in the towers by pumps driven by electric motors powered by the generators of the windmills, the electrical energy is converted into mechanical energy, which is stored as potential energy in the water reservoirs inside the windmill towers. Conversely, the water drives the turbine when emptying, whereby the mechanical energy is converted back into electrical energy by a coupled generator. The losses correspond to those of known pumped storage power plants. Through a pipe system, which is connected to the lower end of the tanks, they are connected to the turbine / pump. The tanks are preferably in the upper part of the towers, z. B. at a height above 50 m to almost the tower end, the z. B. at 135 m altitude (see sketch). This provides the necessary height of the waterfall - and thereby provides the water pressure necessary to operate the turbine, which is needed to drive the turbines to recover the energy. According to the invention, the tanks, the z. B. may consist of a introduced into the interior of the towers inliner made of glass fiber reinforced plastic, as well as the pipe systems, turbines, etc. optionally provided with appropriate insulation, or heated in winter to prevent frost damage.
Damit eine Anlage wie oben beschrieben sinnvoll betrieben werden kann, müssen einige Tausend m3 Wasser in innen liegende Tanks von Türmen gespeichert werden. Der bisher innen im Turm angebrachte Lift, der für Wartung und Reparatur an Rotor, Generator, Steuerung usw. benötigt wird, kann ggf. durch einen durchgehenden Hohlraum im Tank hindurchgeführt oder aber nach außen verlegt werden, zumindest ab der Höhe der Tankunterseite im Turm. Eine verschließbare Öffnung oben am Wassertank, oder ein seitlicher Zugang zum Tank, kann für Wartungsarbeiten nötig sein und durch diesen Lift zugänglich gemacht werden.In order for a plant to be usefully operated as described above, several thousand m 3 of water must be stored in internal tanks of towers. The hitherto mounted inside the tower lift, which is required for maintenance and repair of the rotor, generator, control, etc., can optionally be passed through a continuous cavity in the tank or relocated to the outside, at least from the height of the tank bottom in the tower. A closable opening at the top of the water tank, or a side access to the tank, may be needed for maintenance and be made accessible through this lift.
Windradtürme welche möglichst große Mengen an Wasser aufnehmen können, sollten auch im oberen Bereich der Türme einen etwas größeren Durchmesser haben. Bei einem konstanten Innendurchmesser von z. B. 4,0 m ab 50 m Höhe bis 130 m kann ein integrierter Tank ein Wasservolumen von z. B. 1005 m3 Wasser besitzten.Windmill towers that can absorb as much water as possible should also have a slightly larger diameter at the top of the towers. At a constant inner diameter of z. B. 4.0 m from 50 m height to 130 m can be an integrated tank a volume of water of z. B. 1005 m 3 water possessed.
Der vertikale Tank im Windradturm kann weiterhin aus mehreren Kammer bestehen, die mit separaten Anschlüssen (Zuleitungen) versehen sind, um die daraus resultierenden unterschiedlichen Wasserdrücke zur Verbesserung des Wirkungsgrades mit dafür ausgelegten unterschiedlichen Turbinen zu nutzen. Weiterhin können mehrere Kammern auch aus statischen Gründen des Turms von Vorteil sein.The vertical tank in the windmill tower can further consist of several chambers, which are provided with separate connections (supply lines) in order to use the resulting different water pressures to improve the efficiency with designed different turbines. Furthermore, several chambers may also be advantageous for static reasons of the tower.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Kammern der Tanks über entsprechende Rohrleitungen und Ventile miteinander und/oder mit einem gemeinsamen Anschluss zu verbinden.Furthermore, it is possible to connect the chambers of the tanks via corresponding pipes and valves with each other and / or with a common connection.
Generell ist die Auslegung der Türme hinsichtlich Gesamtwasservolumen und Fallhöhe (Wasserdruck) von den Leistungsmerkmalen der Wasserturbinen abhängig, welche sich für diese Art Pumpspeicherwerk eignen.In general, the design of the towers in terms of total water volume and drop height (water pressure) depends on the performance of the water turbines, which are suitable for this type pumped storage.
Als Turbinen können z. B. Turbinen der Fa. Osberger zum Einsatz gelangen, die mehrzellig aufgebaut sind, um unterschiedliche Wasserströme effektiv nutzen zu können (kleine Zelle = kleiner Wasserstrom, große Zelle = mittlerer Wasserstrom, beide Zellen = voller Wasserstrom). Diese Turbinen können zur Stromerzeugung den Generator gemeinsam antreiben. Da die Turbinen das Wasser nicht pumpen können, ist in diesem Falle eine weitere Hochleistungspumpe erforderlich, um das Wasser in die Speichertürme zu befördern.As turbines z. B. turbines of the company. Osberger come used, which are multicellular in order to use different water streams can effectively (small cell = small water flow, large cell = medium water flow, both cells = full water flow). These turbines can drive the generator together to generate electricity. Since the turbines can not pump the water, another high-performance pump is required in this case to transport the water into the storage towers.
Ein typisches Beispiel einer zuvor genannten Turbine mit 500 kW benötigt z. B. eine Wasserfallhöhe von 130 m und eine Durchlaufmenge von 0,5 m3/s (1800 m3/Std.) Wasser. Bei einer Wasserfallhöhe von 50 m und einer Durchlaufmenge von 0,5 m3/s reduziert sich die Leistung der Turbine auf 200 kW Leistung.A typical example of a previously mentioned turbine with 500 kW requires z. B. a waterfall height of 130 m and a flow rate of 0.5 m 3 / s (1800 m 3 / hr.) Water. With a waterfall height of 50 m and a flow rate of 0.5 m 3 / s, the turbine's output is reduced to 200 kW.
Hieraus ergibt sich vereinfacht ausgedrückt, dass neun durch ein Rohrsystem verbundene Windradtürme mit integrierten Tanks von je 1000 m3 Wasser bei einer Tankhöhe von 50 m bis 130 m, eine durchschnittliche Leistung von 350 kW über 5 Stunden (1750 kWh) speichern können. Diese Leistung kann unter Berücksichtigung der für Pumpspeicherkraftwerk typischen Verluste bedarfsgerecht wieder ins Stromnetz zurück eingespeist werden.This means, in simple terms, that nine wind turbine towers connected by a pipe system with integrated tanks of 1000 m 3 of water at a tank height of 50 m to 130 m can store an average power of 350 kW over 5 hours (1750 kWh). This power can be fed back into the power grid as needed, taking into account the typical losses for pumped storage power plants.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken werden Wasserspeichertürme nur zu diesem Zweck erstellt, also ohne Windrad und Generator. Zusätzlich zu den Windrädern in Windparks installiert liefern diese Wasserspeichertürme zusätzliche Speicherkapazität. Weiterhin besteht dann die Möglichkeit bestehende Windparks zu Pumpspeicherkraftwerken auszubauen, bzw. diese nachzurüsten.According to another underlying idea of the invention water storage towers are created only for this purpose, ie without wind turbine and generator. In addition to wind turbines installed in wind farms, these water storage towers provide additional storage capacity. Furthermore, it is then possible to expand existing wind farms to pumped storage power plants, or to retrofit them.
Die Verfügbarkeit von Wasser in der näheren Umgebung, oder die Möglichkeit ein entsprechend großes Wasserbecken in Nähe der Windparks anzulegen, muss hingegen gegeben sein.The availability of water in the immediate vicinity, or the ability to create a correspondingly large pool of water in the vicinity of the wind farm, must, however, be given.
Generell ist die bereits genannte Nutzung der bestehenden Infrastruktur in Windparks von großem Vorteil, dahingehend dass kein weiteren Eingriffe in unberührte Natur nötig sind, die zusätzlichen Türme kaum eine Veränderung des Gesamtbildes der Windparks bedeuten, die Akzeptanz in der Bevölkerung gegeben sein sollte.In general, the already mentioned use of the existing infrastructure in wind farms is of great advantage, to the extent that no further intervention in pristine nature is necessary, the additional towers hardly mean a change in the overall picture of the wind farms, which should be acceptable to the public.
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- 2014-05-27 DE DE102014007657.1A patent/DE102014007657A1/en not_active Withdrawn
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