DE102019123974A1 - Hydraulic-electrical device for converting and storing energy as well as methods for operating and using such - Google Patents

Hydraulic-electrical device for converting and storing energy as well as methods for operating and using such Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie, womit Energie von einer Form in eine andere derart überführt wird und wobei die nutzbare Energie zumindest teilweise bis zu ihrer bestimmungsgemäßen Rückführung in einem Speicher verbleibt. Dazu werden gegenläufig arbeitende Zylinder mit geeigneten geometrischen Aussparungen und regulatorisch wirkenden Bypass-Leitungen zur Dämpfung eingesetzt um damit selbst größte Energiemengen - beispielsweise kinetische Energien von Eisenbahnsystemen - verarbeiten zu können.The invention relates to a method and a device for converting and storing energy, with which energy is transferred from one form to another in such a way and with the usable energy at least partially remaining in a storage unit until it is returned as intended. For this purpose, counter-rotating cylinders with suitable geometric recesses and regulatory bypass lines are used for damping in order to be able to process even the largest amounts of energy - for example kinetic energies from railway systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie, womit Energie von einer Form in eine andere derart überführt wird, dass danach die nutzbare Energie zumindest teilweise bis zu ihrer bestimmungsgemäßen Rückführung in einem Speicher verbleibt.The invention relates to a method and a device for converting and storing energy, with which energy is transferred from one form to another in such a way that the usable energy then remains at least partially in a store until it is returned as intended.

Vorrichtungen zur Wandlung und Speicherung von Energie sind gegenwärtig als sogenannte Nutzbremssysteme in Anwendung. Insbesondere im Fahrzeugbau, wie beispielsweise bei Lokomotiven, müssen mit großen Energieengen im Bereich von mehreren MJ in kürzester Zeit bewältigen. Diese Systeme werden in der Technik unter dem Begriff „Rekuperation“ zusam mengefasst.Devices for converting and storing energy are currently in use as so-called regenerative braking systems. In vehicle construction in particular, such as locomotives, large amounts of energy in the range of several MJ have to be cope with in a very short time. In technology, these systems are summarized under the term “recuperation”.

Häufig wird die Rekuperation technisch durch eine sogenannte Nutzbremse umgesetzt. Bei einer Ausgestaltung der Nutzbremse, welche häufig bei elektrifizierten Eisenbahnen verwendet wird, wird die Bewegungsenergie der Fahrzeuge in elektrische Energie gewandelt und in das Stromnetz eingespeist - derartige Systeme verfügen nicht über die Möglichkeit, große Mengen der zu rekuprierenden Energie zu speichern und somit den Zeitpunkt zur Wiederverwendung der Energie autark und autonom zu bestimmen.Often the recuperation is technically implemented by a so-called regenerative brake. In one embodiment of the regenerative brake, which is often used in electrified railways, the kinetic energy of the vehicles is converted into electrical energy and fed into the power grid - such systems do not have the ability to store large amounts of the energy to be recuperated and thus the time Determine reuse of energy self-sufficient and autonomously.

Die DE 10 2018 001 101 A1 wird eine Einrichtung, insbesondere zur Rekupration von Energie einer Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder, offenbart. Diese Einrichtung ist geeignet, komprimierte Arbeitsmedien aus der Verbrennungskraftmaschine in einem Speicher für eine spätere Verwendung zu beherbergen. Speziell diese Anordnung ist direkt an eine Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und es ergeben sich daraus nachteilig Anforderungen an die thermische Belastbarkeit unter Hochdruck an die zu verwendenden Materialien.The DE 10 2018 001 101 A1 a device, in particular for the recuperation of energy from an internal combustion engine, having at least one cylinder is disclosed. This device is suitable for storing compressed working media from the internal combustion engine in a store for later use. This arrangement, in particular, is directly coupled to an internal combustion engine and this results in disadvantageous requirements for the thermal load capacity under high pressure on the materials to be used.

Die DE 10 2018 113 076 A1 wird ein System für ein Fahrzeug offenbart, bei welchem ein Akkumulator mittels einer Pumpe geladen wird. Diese Offenbarung betrifft das Steuern einer Hydraulikschaltung innerhalb eines Automatikgetriebes zum Aufnehmen kinetischer Energie. Hieraus wird somit keine Energieabgabe im Sinne einer Rückgewinnung vollzogen - das System dient vielmehr der Aufrechterhaltung eine statischer Druckverhältnisse zu Lasten überschüssiger kinetischer Energie.The DE 10 2018 113 076 A1 discloses a system for a vehicle in which an accumulator is charged by means of a pump. This disclosure relates to controlling a hydraulic circuit within an automatic transmission to absorb kinetic energy. No energy is released from this in the sense of a recovery - the system rather serves to maintain a static pressure ratio at the expense of excess kinetic energy.

In einigen, stromnetzunabhängigen, Fahrzeugen sind Energiespeicher im Fahrzeug, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Speicherkondensatoren, verbaut. Als mechanische Alternative sind Schwungradspeicher bekannt.In some vehicles that are independent of the power grid, energy storage devices, such as accumulators or storage capacitors, are built into the vehicle. Flywheel accumulators are known as a mechanical alternative.

Elektrische Akkumulatoren benötigen eine aufwendige Lade- / Entladeelektronik, welche die auftretenden Leistungsspitzen von Großanwendungen kaum handhaben kann. Derartige Leistungsspitzen können zur Zerstörung der aktuell gängigen Akkumulatoren führen.Electric accumulators require complex charging / discharging electronics, which can hardly handle the power peaks that occur in large-scale applications. Such power peaks can lead to the destruction of the accumulators currently in use.

Speicherkondensatoren haben eine äußerst geringe Leistungsdichte, welche bei den in Großanwendungen auftretenden Energiemengen zu sehr überdimensionalen Bauformen führt.Storage capacitors have an extremely low power density, which leads to very oversized designs with the amounts of energy occurring in large-scale applications.

Im Falle von Schwungradspeichern haben zu große Energiemengen nur schwer handhabbare Fliehkräfte zur Folge, welche zur Zerstörung der Speichervorrichtung führen können.In the case of flywheel accumulators, excessively large amounts of energy result in centrifugal forces which are difficult to handle and which can lead to the destruction of the storage device.

In Fällen, wo der elektrische Energiespeicher voll ist, geht ein großer Teil der nutzbaren Energieformen, translatorische kinetische Energie bei einem Zug und Rotationsenergie bei einer Turbine, unwiederbringlich Verloren.In cases where the electrical energy store is full, a large part of the usable forms of energy, translational kinetic energy in the case of a pull and rotational energy in the case of a turbine, are irretrievably lost.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und sowohl Verfahren als auch Vorrichtung vorzuschlagen, welches ermöglicht, das eine große Menge nutzbarer Energie in einem Speicher verbleibt und bedarfsgemäß abgegeben wird.The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to propose both a method and an apparatus which enable a large amount of usable energy to remain in a storage device and be released as required.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Haupanspruchs sowie durch die Merkmale der unabhängigen Nebenansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den jeweils rückbezogenen abhängigen Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of the main claim and the features of the independent subsidiary claims. Preferred refinements are specified in the dependent dependent claims that refer back in each case.

Das Verfahren zum Betreiben einer hydraulisch-elektrischen transformations- und Speichervorrichtung umfasst die Schritte:

  1. a) Bereitstellen eines hohen Druckes oberhalb eines niedrigen Drucks an einem Arbeitszylinder (105) am Totpunkt des minimalen Arbeitsvolumens,
  2. b) Aufwendung eines Anteils des hohen Drucks zur Bewegung eines ersten Arbeitskolbens (112), wobei die Bewegung des Arbeitskolbens (112) von einem Totpunkt minimalem Arbeitsvolumens hin zu einem Totpunkt maximalem Arbeitsvolumens erstreckt,
  3. c) Zumindest teilweise Umwandlung der bei Schritt b) erzeugten Bewegungsenergie des ersten Arbeitskolbens (112) in einen statischen Druck,
  4. d) Speichern des statischen Drucks,
  5. e) Überführen des statischen Drucks in den niedrigen Druck,
  6. f) Erzeugung elektrischer Energie der Druckdifferenz der Drücke in Schritte) und
  7. g) Bewegung eines zweiten Arbeitskolbens (112), wobei sich die Bewegung dieses Arbeitskolbens (112) von einem Totpunkt maximalem Arbeitsvolumens hin zu einem Totpunkt minimalem Arbeitsvolumens erstreckt.
The method for operating a hydraulic-electric transformation and storage device comprises the steps:
  1. a) Providing a high pressure above a low pressure on a working cylinder ( 105 ) at the dead center of the minimum working volume,
  2. b) Expenditure of a portion of the high pressure to move a first working piston ( 112 ), whereby the movement of the working piston ( 112 ) extends from a dead point of minimum working volume to a dead point of maximum working volume,
  3. c) At least partial conversion of the kinetic energy of the first working piston generated in step b) ( 112 ) into a static pressure,
  4. d) storing the static pressure,
  5. e) converting the static pressure into the low pressure,
  6. f) Generation of electrical energy of the pressure difference of the pressures in steps) and
  7. g) Movement of a second working piston ( 112 ), whereby the movement of this working piston ( 112 ) extends from a dead point of maximum working volume to a dead point of minimum working volume.

Das Bereitstellen eines hohen Drucks ist die erste verfahrensnotwendige Energieumwandlung. Dabei wird einem System Energie entnommen und in potentielle Energie eines statischen Drucks überführt. Es tritt erwartungsgemäß eine Druckdifferenz gegenüber einem zweiten Druckniveau auf und resultiert in einem statischen Druckniveau. Das so entstandene statische Druckniveau ist in der Lage an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Arbeit zu verrichten.Providing a high pressure is the first energy conversion required for the process. Energy is taken from a system and converted into potential energy of static pressure. As expected, a pressure difference occurs with respect to a second pressure level and results in a static pressure level. The resulting static pressure level is able to do work on a device according to the invention.

Erfindungsgemäß wird Arbeit innerhalb eines ersten Arbeitszylinders (105) an einem Arbeitskolben (112) verrichtet. DerArbeitszylinder (105) erfährt Druckbeaufschlagung im Zustand minimaler Ausdehnung des zwischen Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) gebildeten Arbeitsvolumens, dieser Zustand wird auch als der Totpunkt des minimalen Arbeitsvolumens bezeichnet, bis das er den Zustand maximaler Ausdehnung des Arbeitsvolumens erreicht hat.According to the invention, work is done within a first working cylinder ( 105 ) on a working piston ( 112 ) performed. The working cylinder (105) is pressurized in the state of minimal expansion of the working piston ( 112 ) and working cylinder ( 105 ) formed working volume, this state is also referred to as the dead center of the minimum working volume until it has reached the state of maximum expansion of the working volume.

Des Weiteren wird dadurch die Energie zumindest teilweise in eine speicherbare Form überführt und bis zu ihrer bedarfsgemäßen Nutzung bewahrt.Furthermore, the energy is at least partially converted into a storable form and stored until it is used as required.

Zumindest ein Teil der aufgenommenen Energie wird dabei zur Überführung eines Teils der transformations- und Speichervorrichtung in einen Zustand, geeignet zur Energieaufnahme, eingesetzt.At least part of the energy absorbed is used to convert part of the transformation and storage device into a state suitable for energy absorption.

Unter den hydraulischen Druckbereichen werden hier bevorzugt die Größenordnungen von einigen 10 bar bis zu einigen 100 bar verstanden. Limitiert werden die Druckbereiche durch die Verwendeten hydraulischen Verbindungselemente und überschreiten dabei bevorzugt nie einen Wert von 300 bar.The hydraulic pressure ranges here are preferably understood to be the order of magnitude of a few 10 bar to a few 100 bar. The pressure ranges are limited by the hydraulic connecting elements used and preferably never exceed a value of 300 bar.

Bevorzugt wird das Verfahren periodisch ausgeführt, wodurch die Umwandlung und Speicherung der Energien von periodisch auftretenden Leistungsspitzen erfolgt, wie sie beispielsweise bei Rotationsbewegungen auftreten, welche in eine Vorrichtung eingekoppelt werden. Hierbei wird „periodisch“ mit wiederholend und nicht mit „endlos“ gleichgesetzt.The method is preferably carried out periodically, as a result of which the energies of periodically occurring power peaks are converted and stored, as they occur, for example, with rotational movements which are coupled into a device. Here “periodic” is equated with repeating and not with “endless”.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie.The invention also relates to a device for converting and storing energy.

Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens einen Druckspeicher (108), mindestens eine hydraulische Pumpe (101), mindestens einen hydraulischen Motor (111), mindestens zwei Arbeitszylinder (105) mit Arbeitskolben (112) geeignet für Hydrauliköl, wobei der Arbeitszylinder (105) mindestens eine hydraulische Verbindung mit dem hydraulischen Motor (111) und mindestens eine Verbindung zur hydraulischen Pumpe. In Arbeitszylinder (105) werden mindestens zwei separierte Arbeitsvolumina ausgebildet Das erste Arbeitsvolumen wird dabei zwischen je einem Arbeitskolben (112) und dem zugehörigen Arbeitszylinder (105) ausgebildet. Hierzu weist ein Teil der Mantelfläche des Arbeitskolbens (112) teilweise Löcher, geeignet für Öldruchtritt, auf.The device comprises at least one pressure accumulator ( 108 ), at least one hydraulic pump ( 101 ), at least one hydraulic motor ( 111 ), at least two working cylinders ( 105 ) with working piston ( 112 ) suitable for hydraulic oil, whereby the working cylinder ( 105 ) at least one hydraulic connection with the hydraulic motor ( 111 ) and at least one connection to the hydraulic pump. In working cylinder ( 105 ) at least two separate working volumes are formed. The first working volume is placed between one working piston ( 112 ) and the associated working cylinder ( 105 ) educated. For this purpose, part of the outer surface of the working piston ( 112 ) partially holes, suitable for oil leakage.

Das erste Arbeitsvolumen zwischen den Mantelflächen von Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) ist dabei derart ausgebildet, dass mindestens zwei separierte Bereiche gleitend und dichtend mit der Innenfläche des Arbeitszylinders (105) abschließen wobei mindestens einer der Bereiche vom Arbeitskolben (112) ausgehend ist und ein weiterer Bereich vom Arbeitszylinder (105) ausgehend ist. Der Arbeitskolben (112) ist weiterhin zur Durchleitung eines hydraulischen Betriebsmittels ausgebildet, wobei die Durchleitung des Betriebsmittels durch Löcher in der Mantelfläche des Arbeitskolbens (112) erfolgt. Der somit für die Betriebsmittel leitfähige Bereich der Mantelflache ist dabei zwischen den beiden Dichtflächen angeordnet und wird am minimalen Totpunkt nicht vollständig von den Dichtelementen verdeckt ist.The first working volume between the outer surfaces of working pistons ( 112 ) and working cylinder ( 105 ) is designed in such a way that at least two separated areas slide and seal with the inner surface of the working cylinder ( 105 ) with at least one of the areas from the working piston ( 112 ) and another area from the working cylinder ( 105 ) is starting. The working piston ( 112 ) is also designed for the passage of hydraulic operating fluid, whereby the operating fluid is passed through holes in the lateral surface of the working piston ( 112 ) he follows. The area of the jacket surface, which is thus conductive for the operating means, is arranged between the two sealing surfaces and is not completely covered by the sealing elements at the minimum dead point.

Die Betriebsmittel werden durch geeignete hydraulische Verbindungen zwischen Arbeitskolben (112) und einer Pumpeinrichtung, ausgebildet für hydraulische Betriebsmittel, geleitet.The operating fluids are connected by suitable hydraulic connections between working pistons ( 112 ) and a pumping device designed for hydraulic operating media.

Das mindestens zweite Arbeitsvolumen beherbergt ebenfalls hydraulische Betriebsmittel und ist durch geeignete hydraulische Verbindungen mit mindestens einem Druckspeicher (108) verbunden.The at least second working volume also houses hydraulic equipment and is connected to at least one pressure accumulator ( 108 ) connected.

Die Weiterleitung des hydraulischen und mit Druck beaufschlagten Betriebsmittels aus dem Druckspeicher (108) erfolgt durch hydraulische Verbindungen in einen hydraulischen Motor (111).The forwarding of the hydraulic and pressurized equipment from the pressure accumulator ( 108 ) takes place through hydraulic connections in a hydraulic motor ( 111 ).

Unter hydraulischen Betriebsmitteln werden im Sinne dieser Schrift Flüssigkeiten verstanden, welche im allgemeinen Stand der Technik zum Betreiben hydraulischer Anlagen verwendet werden. Dazu zählen insbesondere Öle, welche einen Siedepunkt oberhalb der zu erwartenden Arbeitstemperaturen aufweisen.In the context of this document, hydraulic operating means are understood to mean liquids which are used in the general state of the art for operating hydraulic systems. These include, in particular, oils which have a boiling point above the expected working temperatures.

In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung Ventile auf, welche sich durch eine zeitliche Steuerung auszeichnen. Die wird vorteilhaft genutzt, um den wirtschaftlichen Aufwand zum Betreiben der Vorrichtung zu minimieren. In Fällen bekannter Leistungsspitzen kann durch den Einsatz einer zeitlichen Prozesssteuerung aus die Verwendung weiterer sensorischer Regulatoren verzichtet werden.In embodiments of the invention, the device has valves which are distinguished by a time control. That will used advantageously in order to minimize the economic outlay for operating the device. In cases of known power peaks, the use of a time-based process control eliminates the need for additional sensory regulators.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weisen die hydraulischen Verbindungen der Vorrichtung Ventile auf, welche zur Steuerung durch eine Datenverarbeitungsanlage eingerichtet sind. Dadurch wird vorteilhaft die Optimierung des Gesamtprozesses ermöglicht, da die Datenverarbeitungsanlage zur sensorischen Rückkopplung ausgelegt werden kann, was zur Verbesserung der Handhabung von spontan auftretenden Energie- und Leistungsspitzten beiträgt.In further embodiments of the invention, the hydraulic connections of the device have valves which are set up for control by a data processing system. This advantageously enables the optimization of the overall process, since the data processing system can be designed for sensory feedback, which contributes to improving the handling of spontaneously occurring energy and power peaks.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst einen hydraulischen Motor (111) und/oder eine hydraulische Pumpe (101), welche zur Steuerung durch eine Datenverarbeitungsanlage eingerichtet sind. Somit ist die Vorrichtung vorteilhaft eingerichtet, die aufgenommene und/oder abgegebene Energiemenge zu regulieren. Dies wird zur vorteilhaften apparativen Vereinfachung eingesetzt, da somit der Einbau einer Leistungselektronik vermieden wird.In further embodiments of the invention comprises a hydraulic motor ( 111 ) and / or a hydraulic pump ( 101 ), which are set up for control by a data processing system. The device is thus advantageously set up to regulate the amount of energy absorbed and / or emitted. This is used for the advantageous simplification of the apparatus, since it avoids the installation of power electronics.

In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung eingerichtet zur mechanischen Ein- oder Auskopplung von Energie. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung eingerichtet zur elektrischer Ein- oder Auskopplung von Energie. Für beide, auch gemischt auftretenden Ausführungen ist es Vorteilhaft, wenn der hydraulische Motor (111) und/oder die hydraulische Pumpe (101) jeweils eine zweckmäßige, und für die jeweilig gewählte Energieform geeignete, Kraft- oder Energiekopplung aufweist.In embodiments of the invention, the device is set up for the mechanical coupling or decoupling of energy. In further embodiments of the invention, the device is set up for the electrical coupling or decoupling of energy. For both versions, also mixed versions, it is advantageous if the hydraulic motor ( 111 ) and / or the hydraulic pump ( 101 ) each has an appropriate force or energy coupling that is suitable for the respective form of energy selected.

In Ausführungsformen der Erfindung wird die Vorrichtung zur Aufnahme großer Mengen translatorischer Energien ausgelegt. Hierfür ist es zweckmäßig, ein großes Arbeitsvolumen zur Verfügung zu haben, um die ggf. rein mechanische eingekoppelte Energie über einen langen Weg des Arbeitskolbens (112) einzukoppeln. Durch geeignete Lage der beiden Arbeitszylinder (105) kann so gegen einen Teil des translatorischen Impulses gearbeitet werden. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird die Vorrichtung zur Aufnahme großer Mengen rotatorischer Energien ausgelegt. Hierbei hat sich die Verwendung kleinerer Volumina als zweckmäßig erwiesen, da somit eine rasche Massenverschiebung, welche die Rotationsbewegung stören und die rotierende Einrichtung zerstören könnte, vermieden wird. Somit ergeben sich, je nach einsatzgebiet, vorteilhafte Maße der ersten Arbeitsvolumina, welche in einem bevorzugten Bereich von 0,01 dm3 und weniger als 20 dm3 liegen. Als erstes Arbeitsvolumen wird hier das zwischen den Mantelflächen des Arbeitskolbens (112) und Arbeitszylinders (105) sowie den gleitenden Dichtflächen gebildete Volumen verstanden.In embodiments of the invention, the device is designed to absorb large amounts of translational energies. For this purpose, it is advisable to have a large working volume available in order to use the possibly purely mechanical coupled energy over a long path of the working piston ( 112 ) to be coupled. By suitable position of the two working cylinders ( 105 ) it is possible to work against part of the translational impulse. In further embodiments of the invention, the device is designed to absorb large amounts of rotational energies. The use of smaller volumes has proven to be expedient here, since this avoids rapid mass displacement, which could disrupt the rotational movement and destroy the rotating device. Depending on the area of application, this results in advantageous dimensions of the first working volumes, which are in a preferred range of 0.01 dm 3 and less than 20 dm 3 . The first working volume is that between the outer surfaces of the working piston ( 112 ) and working cylinder ( 105 ) as well as the volume formed by the sliding sealing surfaces.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitsvolumina mittels einer hydraulischen Verbindungen teilweise als Bypass ausgebildet sind. Diese Bypass-Leitungen weisen jeweils Regelventile auf und sorgen zur Regulierung des Druckunterschiedes zwischen den beiden Arbeitsvolumina von je einem Arbeitskolben (112) und einem Arbeitszylinder (105).In further embodiments of the invention, the device is characterized in that the two working volumes are partially designed as a bypass by means of a hydraulic connection. These bypass lines each have control valves and regulate the pressure difference between the two working volumes of one working piston each ( 112 ) and a working cylinder ( 105 ).

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wandlung und Speicherung von Energie.The invention relates to the use of a device according to the invention and a method according to the invention for converting and storing energy.

Zur Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.To implement the invention, it is also expedient to combine the above-described embodiments and features of the claims.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.

  • In 1 wird schematisch ein halbseitiger Arbeitszyklus eines Ausführungsbeispiels mit zwei Arbeitszylindern (105) dargestellt. Hierbei sind schematisch die jeweils gegenläufigen Flussrichtungen eingezeichnet, wenn bei Erreichen des maximalen Totpunktes eines Arbeitszylinders (105) der jeweils andere Zylinder bis zum minimalen Totpunkt bewegt wurde. In einem solchen Zustand kann das System die Flussrichtungen in die jeweils andere Richtung tauschen.
  • In 2 wird schematisch der zu 1 komplementäre halbseitige Arbeitszyklus schematisch dargestellt. Analog zu 1 sind schematisch die jeweils gegenläufigen Flussrichtungen eingezeichnet, wenn bei Erreichen des maximalen Totpunktes eines Arbeitszylinders (105) der jeweils andere Zylinder bis zum minimalen Totpunkt bewegt wurde. In einem solchen Zustand kann das System die Flussrichtungen in die jeweils andere Richtung tauschen.
  • In 3 ist schematisch ein Minimalbeispiel dargestellt, um die verfahrenswesentlichen Merkmale zu erläutern.
  • In 4 ist schematisch der Ausgestaltung sowohl eines Arbeitszylinders (105) als auch eines innenliegenden Arbeitskolbens (112) dargestellt. Hierbei sind die Löcher in der Mantelfläche des Kolbens nach Anspruch 1 eingezeichnet.
The invention is to be explained in more detail below with the aid of some exemplary embodiments and associated figures. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.
  • In 1 a half-sided working cycle of an embodiment with two working cylinders ( 105 ) shown. Here, the opposite flow directions are shown schematically, if when the maximum dead center of a working cylinder is reached ( 105 ) the other cylinder was moved to the minimum dead center. In such a state, the system can swap the flow directions in the other direction.
  • In 2 is schematically the to 1 complementary half-sided work cycle shown schematically. Analogous to 1 the opposite directions of flow are shown schematically, if on reaching the maximum dead center of a working cylinder ( 105 ) the other cylinder was moved to the minimum dead center. In such a state, the system can swap the flow directions in the other direction.
  • In 3 a minimal example is shown schematically in order to explain the features essential to the process.
  • In 4th is a schematic of the design of both a working cylinder ( 105 ) as well as an internal working piston ( 112 ) shown. Here, the holes in the lateral surface of the piston according to claim 1 are shown.

In einem Ausführungsbeispiel ist die hydraulische Pumpe (101) in der Lage, die Energie eines Motors (111) einer Leistung von 1 kW aufzunehmen. Die Leistung des Motors (111) wird vollständig abgebaut und in einen Druck von 100 bar umgewandelt. Durch eine geeignete Einstellung der Bypassventile zwischen Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) wird die Zeitdauer der Leistungsaufnahme auf 500 ms eingestellt. Der Arbeitszylinder (105) besteht aus Edelstahl der Klasse St52 und weist einen Innendurchmesser von 92 mm auf. Die das Arbeitsvolumen bildende Verjüngung des Arbeitskolbens (112) weist einen Durchmesser von 70 mm auf. Diese Verjüngung erstreckt sich entlang der Zylinderachse über 250 mm. Somit ist das Arbeitsvolumen am Punkt maximaler Ausdehnung von 0,095 dm3 pro Arbeitseinheit, wobei eine Arbeitseinheit aus je einem Arbeitskolben (112) und dem zugehörigen Arbeitszylinder (105) besteht. Der Arbeitskolben (112) besteht aus Edelstahl der Klasse St52. In diesen sind in einem Bereich, gemessen vom Fußpunkt des Kolbens, von 180 mm bis 240 mm in seine Mantelfläche 56 Löchern (402) mit einem Durchmesser von 5 mm eingebracht. Die Verbindungen zwischen der hydraulischen Pumpe und der Arbeitseinheit bzw. der zwischen der Arbeitseinheit und dem Druckspeicher (108) wird durch Hydraulikschläuche realisiert, welche einem maximalem Nenndruck von 160 bar standhalten. Die entlang der Verbindungsstrecken verwendeten Absperr- und Regelventile sind für einen maximalen Nenndruck von 200 bar ausgelegt. Zusätzlich wird in diesem Ausführungsbeispiel eine zeitliche Steuereinheit der Firma Hansa Flex verwendet, um den Druckspeicher (108) mit je zwei wechselseitig betriebenen Arbeitseinheiten zu beladen. Der Druckspeicher (108) verfügt über ein maximales Fassungsvermögen von 3,324 dm3 bei einem maximalen Nenndruck von 250 bar. In diesem Beispiel werden die gespeicherten 100 bar mit einer Flussrate von bis zu 1 dm3/min abgegeben um einerseits das Erneute Anlaufen des 1 kW Motors (111) zu unterstützen und um die komplett gegenläufig agierende Arbeitseinheit in den Zustand der Druckaufnahmen zu überführen. Im Gesamtkreislauf befinden sich dazu 5dm3 Hydrauliköl vom Typ HLP46.In one embodiment, the hydraulic pump ( 101 ) able to use the energy of a motor ( 111 ) with a power of 1 kW. The power of the engine ( 111 ) is completely broken down and converted to a pressure of 100 bar. A suitable setting of the bypass valves between the working pistons ( 112 ) and working cylinder ( 105 ) the duration of the power consumption is set to 500 ms. The working cylinder ( 105 ) is made of stainless steel of class St52 and has an inner diameter of 92 mm. The taper of the working piston that forms the working volume ( 112 ) has a diameter of 70 mm. This taper extends over 250 mm along the cylinder axis. Thus, the working volume at the point of maximum expansion is 0.095 dm 3 per working unit, whereby one working unit consists of one working piston ( 112 ) and the associated working cylinder ( 105 ) consists. The working piston ( 112 ) is made of stainless steel of class St52. In this area, measured from the base of the piston, from 180 mm to 240 mm, there are 56 holes in its outer surface ( 402 ) introduced with a diameter of 5 mm. The connections between the hydraulic pump and the working unit or between the working unit and the pressure accumulator ( 108 ) is realized by hydraulic hoses, which can withstand a maximum nominal pressure of 160 bar. The shut-off and control valves used along the connecting lines are designed for a maximum nominal pressure of 200 bar. In addition, a time control unit from Hansa Flex is used in this exemplary embodiment to control the pressure accumulator ( 108 ) to be loaded with two alternately operated work units. The pressure accumulator ( 108 ) has a maximum capacity of 3.324 dm 3 at a maximum nominal pressure of 250 bar. In this example, the stored 100 bar are delivered at a flow rate of up to 1 dm 3 / min to prevent the 1 kW motor from starting up again ( 111 ) and to transfer the completely opposing work unit to the state of the print recordings. There is also 5dm 3 of hydraulic oil of the HLP46 type in the overall circuit.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

101101
Hydraulische PumpeHydraulic pump
102102
VentilValve
105105
ArbeitszylinderWorking cylinder
108108
DruckspeicherPressure accumulator
111111
Hydraulischer MotorHydraulic motor
112112
ArbeitskolbenWorking piston
116116
Reservoirreservoir
401401
Hydraulische Zuleitung des ersten ArbeitsvolumensHydraulic supply of the first working volume
402402
Mantelfläche mit Löchern für ÖldurchtrittOuter surface with holes for oil passage
403403
Hydraulische Zuleitung des zweiten ArbeitsvolumensHydraulic supply of the second working volume
404404
Hydraulische Ableitung des zweiten ArbeitsvolumensHydraulic discharge of the second working volume
405405
Kolbenseitige DichtungPiston-side seal
406406
Zylinderseitige DichtungCylinder-side seal
407407
Erstes ArbeitsvolumenFirst volume of work
408408
Zweites ArbeitsvolumenSecond volume of work

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102018001101 A1 [0004]DE 102018001101 A1 [0004]
  • DE 102018113076 A1 [0005]DE 102018113076 A1 [0005]

Claims (13)

Verfahren zum Betreiben einer hydraulisch-elektrischen Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie, aufweisend die Schritte: a) Bereitstellen eines hohen Druckes oberhalb eines niedrigen Drucks an einem Arbeitszylinder (105) am Totpunkt des minimalen Arbeitsvolumens, b) Aufwendung eines Anteils des hohen Drucks zur Bewegung eines ersten Arbeitskolbens (112), wobei die Bewegung des Arbeitskolbens (112) von einem Totpunkt minimalem Arbeitsvolumens hin zu einem Totpunkt maximalem Arbeitsvolumens erstreckt, c) Zumindest teilweise Umwandlung der bei Schritt b) erzeugten Bewegungsenergie des ersten Arbeitskolbens (112) in einen statischen Druck, d) Speichern des statischen Drucks, e) Überführen des statischen Drucks in den niedrigen Druck, f) Erzeugung elektrischer Energie der Druckdifferenz der Drücke in Schritte) und g) Bewegung eines zweiten Arbeitskolbens (112), wobei sich die Bewegung dieses Arbeitskolbens (112) von einem Totpunkt maximalem Arbeitsvolumens hin zu einem Totpunkt minimalem Arbeitsvolumens erstreckt.Method for operating a hydraulic-electrical device for converting and storing energy, comprising the steps: a) providing a high pressure above a low pressure on a working cylinder (105) at the dead center of the minimum working volume, b) application of a portion of the high pressure to move a first working piston (112), the movement of the working piston (112) extending from a dead point of minimum working volume to a dead point of maximum working volume, c) At least partial conversion of the kinetic energy of the first working piston (112) generated in step b) into a static pressure, d) storing the static pressure, e) converting the static pressure into the low pressure, f) Generation of electrical energy of the pressure difference of the pressures in steps) and g) Movement of a second working piston (112), the movement of this working piston (112) extending from a dead point of maximum working volume to a dead point of minimum working volume. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Punkt h) eine periodische Fortsetzung an Punkt a) erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that after point h) there is a periodic continuation at point a). Hydraulisch-elektrische Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie aufweisend, mindestens einen Druckspeicher (108), mindestens eine hydraulische Pumpe (101), mindestens einen hydraulischen Motor (111), mindestens zwei Arbeitszylinder (105) mit Arbeitskolben (112) geeignet für Hydrauliköl, wobei der Arbeitszylinder (105) mindestens eine hydraulische Verbindung mit dem hydraulischen Motor (111) und mindestens eine Verbindung zur hydraulischen Pumpe ausbildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) mindestens zwei separierte Arbeitsvolumina ausgebildet sind, wobei die Mantelfläche des Arbeitskolbens (112) teilweise Löcher, geeignet für Öldruchtritt, aufweist und zwischen der Innenwand des Zylinders und des gelöcherten Teils der Mantelfläche des Arbeitskolbens (112) mindestens ein erstes Arbeitsvolumen ausgebildet ist.A hydraulic-electrical device for converting and storing energy, comprising at least one pressure accumulator (108), at least one hydraulic pump (101), at least one hydraulic motor (111), at least two working cylinders (105) with working pistons (112) suitable for hydraulic oil, wherein the working cylinder (105) forms at least one hydraulic connection to the hydraulic motor (111) and at least one connection to the hydraulic pump, characterized in that at least two separate working volumes are formed between the working piston (112) and the working cylinder (105), the The outer surface of the working piston (112) has partially holes suitable for oil penetration and at least one first working volume is formed between the inner wall of the cylinder and the perforated part of the outer surface of the working piston (112). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Anschlüsse Ventile aufweisen.Device according to Claim 3 , characterized in that the hydraulic connections have valves. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile zeitgesteuert sind.Device according to Claim 4 , characterized in that the valves are time-controlled. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile der Vorrichtung von der Datenverarbeitungsanlage gesteuert werden.Device according to Claim 4 or 5 , characterized in that the valves of the device are controlled by the data processing system. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Motor (111) eine Kraft- oder Energiekopplung aufweist und das die hydraulische Pumpe (101) eine Kraft- oder Energiekopplung aufweist.Device according to one of the Claims 3 to 6th , characterized in that the hydraulic motor (111) has a force or energy coupling and that the hydraulic pump (101) has a force or energy coupling. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Motor (111) durch die Datenverarbeitungsanlage gesteuert und/oder geregelt ist.Device according to Claim 4 , characterized in that the hydraulic motor (111) is controlled and / or regulated by the data processing system. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen zwischen dem maximalen Totpunkt des Arbeitszylinders (105) und minimalem Totpunkt des Arbeitszylinders (105) größer 0,01 dm3 und weniger als 20 dm3 beträgt.Device according to one of the Claims 3 - 8th , characterized in that the volume between the maximum dead center of the working cylinder (105) and the minimum dead center of the working cylinder (105) is greater than 0.01 dm 3 and less than 20 dm 3 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung kaskadierbar ist.Device according to one of the Claims 3 - 9 , characterized in that the device can be cascaded. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Verbindungen teilweise als Bypass ausgebildet sind.Device according to Claim 3 , characterized in that the hydraulic connections are partially designed as a bypass. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen als Bypass Regelventile aufweisen.Device according to Claim 11 , characterized in that the connections have control valves as bypasses. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12 zur Transformation, Speicherung und bedarfsgerechten Abgabe überschüssiger Energie in ein System.Use of a device according to one of the Claims 3 to 12th for the transformation, storage and demand-based delivery of excess energy into a system.
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