DE102020106503A1

DE102020106503A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE102020106503A1
Application number: DE102020106503.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Allion
Original assignee: Allion Alternative Energieanlagen GmbH
Current assignee: Allion Alternative Energieanlagen GmbH
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-09-16
Also published as: EP4118319A1; WO2021180755A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern und Abrufen von Energie mit mindestens einem beweglichen Stellglied und einer ersten Stelleinrichtung mit einem Motorgenerator. Die erste Stelleinrichtung ist mit dem Stellglied verbunden. In einem Motorbetrieb ist das Stellglied entgegen einer gegen das Stellglied gerichteten Kraft beweglich, so dass dem Motorgenerator zugeführte elektrische Energie als potentielle Energie des Stellgliedes speicherbar ist. In einem Generatorbetrieb ist das Stellglied entlang der gegen das Stellglied gerichteten Kraft beweglich, so dass die potentielle Energie des Stellgliedes im Motorgenerator in elektrische Energie umwandelbar ist. Die gegen das Stellglied gerichtete Kraft wird durch ein druckbeaufschlagtes Gas in einem Behälter bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern und Abrufen von Energie, mit mindestens einem beweglichen Stellglied, das mit einer gegen das Stellglied gerichteten Kraft beaufschlagt ist, wobei mindestens eine erste Stelleinrichtung mindestens einen Motorgenerator aufweist und mit dem Stellglied verbunden ist, wobei das Stellglied entgegen der gegen das Stellglied gerichteten Kraft beweglich ist, so dass in einem Motorbetrieb dem Motorgenerator zugeführte elektrische Energie als potentielle Energie des Stellgliedes speicherbar ist, und wobei das Stellglied entlang der gegen das Stellglied gerichteten Kraft beweglich ist, so dass in einem Generatorbetrieb die potentielle Energie des Stellgliedes im Motorgenerator in elektrische Energie umwandelbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Speichern und Abrufen von Energie mittels einer Vorrichtung mit mindestens einem beweglichen Stellglied, das mit einer gegen das Stellglied gerichteten Kraft beaufschlagt ist, wobei mindestens eine erste Stelleinrichtung mindestens einen Motorgenerator aufweist und mit dem Stellglied verbunden ist, wobei das Stellglied parallel zu der Richtung der gegen das Stellglied gerichteten Kraft bewegt wird, mit den folgenden Schritten:

- In einem Motorbetrieb des Motorgenerators wird dem Motorgenerator elektrische Energie zugeführt und die erste Stelleinrichtung bewegt das Stellglied entgegen der gegen das Stellglied gerichteten Kraft derart, dass die zugeführte elektrische Energie als potentielle Energie des Stellgliedes gespeichert wird und
- In einem Generatorbetrieb des Motorgenerators wird das Stellglied derart bewegt, dass die potentielle Energie des Stellgliedes durch eine Bewegung des Stellgliedes entlang der gegen das Stellglied gerichteten Kraft im Motorgenerator in elektrische Energie umgewandelt wird.

Aus dem Stand der Technik ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt, deren Stellglied ausgehend von einer ersten Position in eine zweite Position entgegen der Schwerkraft angehoben wird. Die Bewegung des Stellgliedes entgegen der Schwerkraft erfolgt durch elektrische Energie, die dem Motorgenerator zugeführt wird. Dadurch ist im Motorbetrieb die dem Motorgenerator zugeführte elektrische Energie als potentielle Energie des Stellgliedes speicherbar. Im Generatorbetrieb des Motorgenerators wird das Stellglied in Richtung der Schwerkraft derart nach unten bewegt, dass die potentielle Energie des Stellgliedes in kinetische Energie und dann vom Motorgenerator in elektrische Energie umgewandelt und externen Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird.
Der wesentliche Nachteil dieser Ausgestaltungen besteht darin, dass die Richtung der Schwerkraft stets nach unten ausgerichtet ist und die Bewegungsrichtung des Stellglieds vorgibt. Dies bedeutet eine erhebliche konstruktive Beschränkung. Ferner ist die Speicherkapazität der Vorrichtung im Wesentlichen durch die Gewichtskraft und den Hub des Stellgliedes definiert. Bei großen Speicherkapazitäten müssen somit schwere Stellglieder über einen großen Hub bewegt werden. Auch dies bedeutet eine konstruktive Einschränkung. Beide Nachteile entsprechen daher einer eingeschränkten Effizienz der gattungsgemäßen Vorrichtung.
In der DE 10 2013 11 543 A1 ist ein hydrostatischer Energiespeicher beschrieben, der einen in einer Einfassung angeordneten und darin vertikal beweglichen Kolben umfasst. In einem Motorbetrieb erfolgt die Aufwärtsbewegung des Kolbens gegen die Schwerkraft durch eine unterhalb des Kolbens zugeführte Flüssigkeit mittels eines Motorgenerators, so dass die zugeführte elektrische Energie in Form von potentieller Energie des Kolbens gespeichert wird. In einem Generatorbetrieb verdrängt der Kolben durch seine Gewichtskraft die Flüssigkeit, die durch ihre Bewegung im Motorgenerator elektrische Energie erzeugt. Durch das Absenken des Kolbens und die damit bewirkte Verdrängung der Flüssigkeit ist die potentielle Energie des Kolbens in elektrische Energie umwandelbar.
Der hydrostatische Energiespeicher weist ebenfalls die vorstehend genannten Nachteile auf. Darüber hinaus erfordert die wiederholte Bewegung der Flüssigkeit einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand. Außerdem muss der Energiespeicher aufwändig abgedichtet werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen und insbesondere eine effizienter arbeitende Vorrichtung zu entwickeln. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren zum Speichern und Abrufen von Energie in gleicher Weise weiterzubilden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die gegen das Stellglied gerichtete Kraft durch ein druckbeaufschlagtes Gas in einem Behälter bewirkt ist. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 24, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die gegen das Stellglied gerichtete Kraft durch ein druckbeaufschlagtes Gas bewirkt wird.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass durch den Druck bzw. das Druckfeld des druckbeaufschlagten Gases im Behälter ein zusätzlicher Parameter geschaffen ist, um die Energiekapazität der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verändern. Die speicherbare Energie der Vorrichtung entspricht der Arbeit, die das Stellglied gegen die Kraft auf das Stellglied verrichtet. Im Sinne der Erfindung wird die Kraft auf das Stellglied maßgeblich durch den Druck des Gases bewirkt. Daher entfällt bei einem hinreichend großen Gasdruck die Notwendigkeit, ein schweres Stellglied und/oder einen großen Hub vorzusehen, um dennoch eine große Energiekapazität zu erhalten. Außerdem entfällt durch die Druckkraft des Gases die konstruktive Beschränkung, den Hub des Stellgliedes stets vertikal auszurichten, da die Druckkraft des Gases grundsätzlich in jede Richtung gleichmäßig wirkt. Im Ergebnis ist die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung maßgeblich verbessert. Entsprechendes gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Das druckbeaufschlagte Gas im Behälter weist im Sinne der Erfindung gegenüber einer Umgebung außerhalb des Behälters einen Überdruck oder Unterdruck auf. Insbesondere beträgt die Differenz zwischen dem Gasdruck im Behälter und dem Druck der Umgebung außerhalb des Behälters mindestens 5 bar, vorzugsweise mindestens 10 bar. Vorzugsweise weist das Gas im Behälter gegenüber der Umgebung außerhalb des Behälters einen Überdruck auf. Die gegen das Stellglied wirkende Kraft entspricht im Sinne der Erfindung der Summe der insgesamt auf das Stellglied wirkenden Kräfte, einschließlich seiner Gewichtskraft.
Die Bewegungsrichtung des Stellgliedes weist im Sinne der Erfindung mindestens eine Richtungskomponente entgegen und/oder entlang der Richtung der gegen das Stellglied gerichteten Kraft auf. Die maximale Hubhöhe des Stellgliedes innerhalb des Behälters beträgt vorzugsweise mindestens 2 m, insbesondere mindestens 10 m und besonders vorzugsweise mindestens 40 m.
Das Stellglied weist vorzugsweise mindestens einen Profilkopf und mindestens eine insbesondere mit dem Profilkopf verbundene Führungsstange auf, wobei die gegen das Stellglied gerichtete Kraft gegen den Profilkopf gerichtet sein kann. Das Gas kann in unmittelbarem Kontakt mit dem Stellglied, insbesondere mit dem Profilkopf stehen. Die Richtung der gegen das Stellglied gerichteten Kraft kann dabei zumindest eine vertikale und/oder horizontale Richtungskomponente umfassen, wobei die Kraft axial und/oder radial gegen das Stellglied gerichtet sein kann.
In bevorzugter Ausgestaltung des Profilkopfes kann dieser mindestens eine Profilscheibe aufweisen, mit der die Führungsstange verbunden ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Profilkopf als Doppelkolben mit zwei Profilscheiben ausgebildet ist, wobei die Profilscheiben vorzugsweise einen dazwischen angeordneten und insbesondere einen mit einem Fluid, beispielsweise Hydrauliköl, gefüllten Zwischenraum umfassen. Der Profilkopf kann als fester Massekörper ausgebildet sein, der insbesondere Bestandteile von Zement enthält. Vorzugsweise ist der Profilkopf zylinderförmig und/oder quaderförmig ausgestaltet. In einer weiteren Ausgestaltung weist das Stellglied einen linear geführten Schlitten auf, dessen Führungsrichtung parallel zur gegen das Stellglied gerichteten Kraft angeordnet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung steht das Stellglied mit der ersten Stelleinrichtung in Eingriff, um die Bewegung des Stellgliedes effizient zu bewirken. Das Stellglied ist insbesondere in zumindest eine vertikale und/oder zumindest eine horizontale Richtungskomponente vorzugsweise mittels der ersten Stelleinrichtung beweglich. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die erste Stelleinrichtung in zumindest eine vertikale und/oder zumindest eine horizontale Richtungskomponente beweglich ist. Die Bewegung der ersten Stelleinrichtung kann dabei relativ und/oder parallel zu der Bewegung des Stellgliedes in axialer und/oder radialer Richtung erfolgen. Im Sinne der Erfindung bezeichnet eine axiale Richtung eine Richtung parallel zu der Erstreckungsachse des Stellgliedes, wobei eine radiale Richtung senkrecht zur axialen Richtung steht.
Zur Bewegung des Stellgliedes kann die erste Stelleinrichtung ein Getriebe, insbesondere ein Lineargetriebe aufweisen. Vorzugsweise weist die erste Stelleinrichtung ein Kugelgewindegetriebe mit Kugelrückführkanälen auf, das insbesondere als Gewindespindelkonstruktion ausgebildet ist, um eine möglichst reibungsarme Bewegung des Stellglieds zu bewirken. Insbesondere steht die erste Stelleinrichtung in Eingriff mit dem Stellglied. In einer weiteren Ausgestaltung weist das Stellglied ein Kugelgewindegetriebe auf, das mit einem Gewinde einer Führungsstange der ersten Stelleinrichtung in Eingriff steht. Die Führungsstange ist um ihre Erstreckungsrichtung rotierbar, um die Bewegung des Stellgliedes zu bewirken.
Darüber hinaus kann die erste Stelleinrichtung mindestens ein Zahnrad und/oder mindestens ein Schneckenrad umfassen, die mit dem Stellglied in Eingriff bringbar sind. Das Stellglied kann zumindest abschnittsweise ein Gewinde aufweisen, wobei das Gewinde vorzugsweise an der Außenseite einer Mantelfläche des Stellgliedes angeordnet ist. Das Gewinde weist eine Steigung und/oder einen Nenndurchmesser und/oder einen Flankendurchmesser und/oder Gewindegänge auf, die vorzugsweise auf die damit in Eingriff bringbare erste Stelleinrichtung abgestimmt sind. Dadurch wird eine ungewollte Bewegung des Stellgliedes unterbunden.
Vorzugsweise ist die Führungsstange zumindest abschnittsweise als Zahnstange mit einem Zahnprofil ausgebildet. Die erste Stelleinrichtung, insbesondere deren Zahnrad, ist insbesondere mit dem Zahnprofil in Eingriff bringbar. Vorzugsweise kann die erste Stelleinrichtung Ritzel aufweisen, um die Bewegung des Stellgliedes zu bewirken. Das Zahnprofil ist vorzugsweise auf die damit in Eingriff bringbare erste Stelleinrichtung abgestimmt.
Das Stellglied ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung arretierbar. Eine ungewollte Bewegung des Stellgliedes kann beispielsweise mit der ersten Stelleinrichtung und/oder mit wenigstens einem mit dem Stellglied in Eingriff stehenden Halteelementes unterbunden werden. Dadurch sind nur eine kontrollierte Speicherung und eine kontrollierte Entladung von Energie möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass der Behälter einen Innenraum umfasst, wobei der Innenraum einen Reservoirbereich und einen Arbeitsbereich aufweisen kann. Der Behälter ist gegenüber einer äußeren Umgebung abgedichtet, so dass kein Gasaustausch zwischen dem Innenraum und einer äußeren Umgebung und/oder eine Kontamination des Innenraums erfolgen können.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Einfassung im Behälter den Arbeitsbereich, wobei die Einfassung einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist. Die Einfassung ist dabei derart ausgestaltet, dass das umfasste Volumen dem Volumen des Arbeitsbereiches entspricht. Darüber hinaus kann das Stellglied mindestens teilweise in der Einfassung angeordnet sein, wobei insbesondere der erste Abschnitt gegenüber dem zweiten Abschnitt durch das Stellglied abgedichtet sein kann. Die Einfassung ist dabei insbesondere auf die geometrische Ausgestaltung des Stellgliedes, insbesondere des Profilkopfes, abgestimmt. So kann die Einfassung beispielsweise als Hohlzylinder oder als Hohlquader ausgebildet sein, wobei der Profilkopf vorzugsweise bündig mit einer Innenwand der Einfassung abschließt. Im Sinne der Erfindung wird unter der bündigen Anordnung des Profilkopfes eine enge Passung innerhalb der Einfassung verstanden. Der erste Abschnitt ist durch das Stellglied und/oder durch Dichtungselemente gegenüber dem zweiten Abschnitt derart abgedichtet, dass kein Gasaustausch zwischen den Abschnitten und/oder keine Kontamination erfolgen können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Arbeitsbereich des Behälters mit dem Reservoirbereich verbindbar und/oder gegenüber diesem abdichtbar ist. Dies erfolgt beispielsweise durch mindestens ein an der Einfassung angeordnetes Ventil. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Einfassung eine insbesondere steuerbare Abdeckung aufweisen. Indem der Reservoirbereich mit dem Arbeitsbereich verbunden wird, vergrößert sich das Volumen des druckbeaufschlagten Gases. Bei einer Auslenkung des Stellgliedes ist die relative Volumenänderung des Gases vergleichsweise gering, so dass thermische Energieverluste reduziert werden. Eine Abdichtung des Arbeitsbereiches gegenüber dem Reservoirbereich ist beispielsweise bei Wartungsarbeiten innerhalb der Einfassung sinnvoll, da dann nicht das Gas des gesamten Behälters vollständig ausgeleitet werden muss, sondern nur das in der Einfassung befindliche Gas.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen dem Volumen des Arbeitsbereiches und dem Volumen des Reservoirbereiches wenigstens 1 zu 100, vorzugsweise wenigstens 1 zu 20, besonders vorzugsweise wenigstens 1 zu 5 beträgt. In diesem Fall ist die relative Volumenänderung des Gases während des Motor- und/oder Generatorbetriebes besonders klein, so dass thermische Energieverluste weiter minimiert werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Speichern und Abrufen von Energie verbessert.
Darüber hinaus kann in erfindungsgemäßer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass in dem Behälter mehrere Stellglieder und/oder Einfassungen angeordnet sind, die insbesondere parallel und/oder in Reihe und/oder unabhängig voneinander betreibbar sind. Dadurch kann die Energiekapazität der Vorrichtung vergrößert werden.
Das Stellglied kann mit einer Dämpfungseinrichtung verbunden sein, die beispielsweise als hydrostatisches und/oder hydraulisches und/oder magnetisches und/oder mechanisches Federelementes ausgebildet ist. Das Dämpfungselement ist im Motorbetrieb und/oder im Generatorbetrieb zuschaltbar, um die Bewegung des Stellgliedes zu unterstützen und/oder zu hemmen. Dadurch wird der Verschleiß der Vorrichtung verringert.
Um die Bewegung des Stellgliedes zu unterstützen kann das Stellglied mit einer zweiten Stelleinrichtung bewegbar sein. Durch die zweite Stelleinrichtung ist beispielsweise ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit und/oder ein Gas, in den ersten Abschnitt der Einfassung einleitbar und/oder von dem ersten Abschnitt der Einfassung ausleitbar. Die zweite Stelleinrichtung ist vorzugsweise als Pumpeinrichtung ausgebildet. Das in den ersten Abschnitt der Einfassung eingeleitete Fluid beaufschlagt das Stellglied beispielsweise mit einer zusätzlichen hydrostatischen Kraft, die parallel zu dessen Bewegungsrichtung ausgerichtet sein kann. Dadurch unterstützt und/oder hemmt die zweite Stelleinrichtung die Bewegung des Stellgliedes.
Das Fluid im ersten Abschnitt führt beispielweise zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität der Vorrichtung, insbesondere bei der Bewegung des Stellgliedes im Motorbetrieb. Im Generatorbetrieb hat das Fluid im ersten Abschnitt eine insbesondere verschleißmindernde Wirkung. Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Stelleinrichtung und/oder die zweite Stelleinrichtung und/oder die Dämpfungseinrichtung miteinander synchronisierbar sind.
Das Fluid kann aus dem ersten Abschnitt ausförderbar sein, um die Bewegung des Stellgliedes zu unterstützen. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Fluid einer Wandlereinrichtung zuführbar ist, die vorzugsweise einen Generator, beispielsweise eine Wasserturbine aufweist. Dadurch bei einer Bewegung des Stellgliedes im Generatorbetrieb zusätzlich elektrische Energie erzeugt werden.
Um eine gleichmäßige Bewegung des Stellgliedes zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass das Einleiten des Fluids in den ersten Abschnitt und/oder das Ausleiten des Fluids aus dem ersten Abschnitt insbesondere in Abhängigkeit von der Position des Stellgliedes mittels der Steuereinrichtung steuerbar ist. Die Steuereinrichtung ist insbesondere mit der ersten Stelleinrichtung und/oder mit der zweiten Stelleinrichtung verbunden. Diese Verbindung der Steuereinrichtung kann kabelgebunden und/oder kabellos ausgestaltet sein, in letzterem Fall insbesondere mittels Funk, Bluetooth oder WLAN.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Stellgliedes mittels einer Steuereinrichtung veränderlich und insbesondere regelbar ist. Damit ist die Rate veränderlich, mit der Energie gespeichert und/oder abgerufen werden kann. Ein ähnlicher Vorteil ergibt sich bei einer veränderlichen Beschleunigung des Stellgliedes.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, dass der Druck des druckbeaufschlagten Gases mittels der Steuereinrichtung veränderlich und insbesondere regelbar ist. Durch eine Erhöhung des Gasdrucks im Behälter vergrößert sich die gegen das Stellglied gerichtete Kraft. Dadurch vergrößert sich auch die Menge der speicherbaren Energie der Vorrichtung.
Besonders vorzugsweise ist die Führungsstange in einem Mittelbereich des Stellgliedes angeordnet und durchgreift das Stellglied. Im Sinne der Erfindung bezeichnet der Mittelbereich des Stellgliedes einen Bereich des Stellgliedes in und um dessen Mittelpunkt. Bei einem zylindrischen Profilkopf ist der Mittelbereich der radial zentrierte Bereich des Stellgliedes. Bei dieser Anordnung kompensieren sich die auf das Stellglied wirkenden radialen Kräfte gegenseitig, die bei der Bewegung des Stellgliedes auftreten. Dies erhöht die mechanische Stabilität der Vorrichtung.
Die erste Stelleinrichtung kann innerhalb des Stellgliedes und/oder außerhalb von diesem angeordnet sein, um die erste Stelleinrichtung vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein Abstand der ersten Stelleinrichtung von dem Stellglied veränderbar ist. Aufgrund mechanischer Abnutzungen kann die Verbindung der ersten Stelleinrichtung mit dem Stellglied derart beeinträchtigt sein, dass eine ideale Übertragung der Kräfte zur Bewirkung der Bewegung des Stellgliedes nicht mehr gewährleistet ist. Indem der Abstand veränderlich ist, können Reibungsverluste vermindert und die Effizienz der Vorrichtung gesteigert und/oder aufrechterhalten werden. Zu diesem Zweck kann mindestens eine Komponente der ersten Stelleinrichtung auf einem Linearschlitten angeordnet und auf diesem in Richtung des Stellgliedes beweglich sein, um einen idealen Wert für den Abstand einzuhalten bzw. wieder herzustellen. Insbesondere kann der Motorgenerator mit dem Linearschlitten verbunden sein.
Vorzugweise ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, mittels der der Abstand zwischen der ersten Stelleinrichtung und dem Stellglied auf einem vordefinierten Wert haltbar ist, um mechanische Abnutzungserscheinungen zu kompensieren. Die Regeleinrichtung kann optische Komponenten, insbesondere eine Laserkomponente und/oder eine Photodiode aufweisen, so dass präzise optische Verfahren zur Abstandsbestimmung und/oder -regelung genutzt werden können.
In bevorzugter erfindungsgemäßer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Anlage zur Energiegewinnung, insbesondere ein Blockheizkraftwerk, eine Solarstromanlage und/oder eine Windkraftanlage vorgesehen ist, um die erste Stelleinrichtung und/oder die zweite Stelleinrichtung und/oder den Motorgenerator mit Strom zu versorgen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind. Dabei zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 die Vorrichtung der 1 mit einem bewegten Stellglied,
3 eine vergrößerte Ansicht auf eine erste Stelleinrichtung der Vorrichtung der 1 und
4 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Speichern und Abrufen von Energie in einer schematischen Seitenansicht. Die Vorrichtung 10 umfasst einen gegenüber einer äußeren Umgebung 9 abgedichteten Behälter 14, der in 1 abschnittsweise in Form einer Halbkugel mit einer oberen Abdeckung 29 und einer unteren Abdeckung 30 dargestellt ist. Die obere Abdeckung 29 ist mit einer gegenüber der unteren Abdeckung 30 senkrecht verlaufenden Seitenwand 31 verbunden. Die untere Abdeckung 30 ist als tragende Stützwand verstärkt ausgebildet.
Der Behälter 14 umfasst einen gegenüber der äußeren Umgebung 9 abgedichteten und mit einem Überdruck von 300 bar beaufschlagten Gas befüllten Innenraum 19, wobei die Zufuhr und Kompression des druckbeaufschlagten Gases in dem Behälter 14 durch einen in 1 nicht dargestellten Kompressor mit einem daran angeschlossenen Gastank und entsprechenden Leitungen erfolgt. Im Innenraum 19 des Behälters 14 ist eine Einfassung 18 angeordnet, die als hohlzylindrischer Körper mit einer Mantelfläche 32, einer oberen Abdeckung 33 und einem Bodenteil 34 dargestellt ist. Die Einfassung 18 ist innerhalb des Behälters 14 derart am äußeren Randbereich der oberen Abdeckung 29 angeordnet, dass ein Teil der Mantelfläche 32 der Einfassung 18 mit einer Seitenwand 31 des Behälters 14 bündig abschließt. Die Einfassung 18 unterteilt den Innenraum 19 des Behälters 14 in zwei Bereiche 50, 51: Einen von der Einfassung 18 umfassten Arbeitsbereich 51 und einen Reservoirbereich 50, der dem restlichen Innenraum 19 des Behälters 14 entspricht.
Das in der 1 dargestellte Verhältnis zwischen dem Volumen des Arbeitsbereiches 51 und dem Volumen des Reservoirbereiches 50 beträgt ungefähr 1:7. Die Abdeckung 33 der Einfassung 18 weist ein erstes Ventil 28a auf, mittels dessen der Reservoirbereich 50 des Behälters 14 mit dem von der Einfassung 18 umfassten Arbeitsbereich 51 verbindbar und/oder gegenüber diesem abdichtbar ist. Das erste Ventil 28a ist als Sicherheits- und/oder Wartungsventil ausgebildet.
Innerhalb der Einfassung 18 ist ein Stellglied 11 angeordnet, das einen oberen Profilkopf 15 und eine mit dem Profilkopf 15 verbundene Führungsstange 16 umfasst. Der Profilkopf 15 ist als Doppelkolben mit einer ersten Profilscheibe 15a und einer zweiten Profilscheibe 15b ausgebildet, die einen mit einem dickflüssigen Hydrauliköl gefüllten Zwischenraum 52 begrenzen. Die Führungsstange 16 ist in Bezug auf den Profilkopf 15 radial zentriert angeordnet.
Der Profilkopf 15 unterteilt den Arbeitsbereich 51 in einen unterhalb der zweiten Profilscheibe 15b angeordneten und zur Führungsstange 16 weisenden ersten Abschnitt 18a und einen oberhalb der ersten Profilscheibe 15a angeordneten zweiten Abschnitt 18b. Der erste Abschnitt 18a ist durch die beiden Profilscheiben 15a, 15b und daran angebrachte (in 1 nicht gezeigte) Dichtungsringe gegenüber dem zweiten Abschnitt 18b derart abgedichtet, dass keine Kontamination des Arbeitsbereiches 51 mit dem Hydrauliköl erfolgen kann. In 1 ist das erste Ventil 28a geöffnet, so dass der zweite Abschnitt 18b der Einfassung 18 das mit Überdruck beaufschlagte Gas enthält. Aufgrund der Abdichtung zwischen dem ersten Abschnitt 18a und dem zweiten Abschnitt 18b erfolgt kein Gasfluss zwischen den Abschnitten 18a, 18b. Der erste Abschnitt 18a ist gemäß 1 mit Luft unter atmosphärischem Druck befüllt, so dass der Profilkopf 15 mit einer in 1 nach unten gerichteten Kraft beaufschlagt ist, die durch das Gas im Behälter 14 bewirkt ist.
Die in der Einfassung 18 angeordnete Führungsstange 16 ist mit der zweiten Profilscheibe 15b fest verbunden und zur Einfassung 18 radial zentriert angeordnet. Die Führungsstange 16 erstreckt sich in einer dem Profilkopf 15 abgewandten Richtung vertikal nach unten. Dabei durchgreift die Führungsstange 16 die untere Abdeckung 30 des Behälters 14 und dessen Bodenteil 34, wobei aufgrund elastischer Dichtungselemente 37 der erste Abschnitt 18a gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet ist.
Die Führungsstange 16 ist in 1 als Zahnstange mit einem an ihrer unteren, radialen Außenseite ausgebildeten Zahnprofil 38 dargestellt, die nach dem Austritt aus dem Behälter 14 in einer Ausnehmung 39 geführt ist. Die Ausnehmung 39 ist gemäß der Darstellung der 1 unterirdisch angeordnet und von umlaufenden Stützwänden 40 umgeben.
In der Ausnehmung 39 steht die Führungsstange 16 mit einer ersten Stellvorrichtung 12 in Eingriff, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3 vergrößert dargestellt ist. Die erste Stelleinrichtung 12 weist einen Motorgenerator 13 auf, der mittels einer Welle 41 und einer Übersetzung 42 mit mehreren Zahnrädern 42a, 42b mit der Führungsstange 16 verbunden ist. In der Darstellung der 3 befindet sich das Zahnrad 42a in Eingriff mit dem Zahnprofil 38 der Führungsstange 16, das derart auf die Ausmaße der Zahnräder 42a, 42b abgestimmt ist, dass eine selbstständige Abwärtsbewegung der Führungsstange 16 vermieden ist. Dies wird dadurch erreicht, dass das ausgebildete Zahnprofil 38 eine Steigung, einen Nenndurchmesser, einen Flankendurchmesser und Gewindegänge aufweist, die auf die Ausgestaltung des mit dem Zahnprofil 38 in Eingriff stehenden Zahnrades 42a der ersten Stelleinrichtung 12 abgestimmt sind. Die Führungsstange 16 ist somit mittels der ersten Stelleinrichtung 12 arretierbar und zwischen einer ersten in 1 dargestellten Position und einer zweiten in 2 dargestellten Position beweglich.
1 zeigt das Stellglied 11 in einer ersten abgesenkten Position, 2 in einer zweiten, angehobenen Position. Die vertikale Differenz zwischen den beiden Positionen zeigt sich insbesondere in den unterschiedlichen Positionen des Profilkopfes 15. In der zweiten Position ist das Gas im Innenraum 19 des Behälters 14 im Vergleich zur ersten Position des Stellgliedes 11 komprimiert. Die Bewegung des Stellgliedes 11 zwischen der ersten Position und der zweiten Position erfolgt durch die erste Stelleinrichtung 12, deren Motorgenerator 13 zwei unterschiedliche Betriebsarten aufweist:
In einem Motorbetrieb wird dem Motorgenerator 13 über nicht dargestellte Leitungen elektrische Energie zugeführt, die in der Vorrichtung 10 als potentielle Energie zu speichern ist. Zu diesem Zweck versetzt der Motorgenerator 13 über die Welle 41 und die Übersetzung 42 insbesondere das Zahnrad 42a derart in Rotation, dass sich die mit dem Zahnrad 42a in Eingriff stehende Führungsstange 16 vertikal nach oben bewegt. Die Bewegung des Stellgliedes 11 erfolgt dabei entgegen der Richtung der an der Stirnseite der ersten Profilscheibe 15a angreifenden pneumatischen Kraft durch das Gas im Innenraum 19 des Behälters 14. Die dadurch verrichtete Arbeit wird als potentielle Energie des Stellgliedes 11 gespeichert. Dies entspricht einem Übergang von der ersten Position gemäß 1 zur zweiten Position gemäß 2.
In einem Generatorbetrieb des Motorgenerators 13 wird das Stellglied 11 vertikal nach unten bewegt, so dass das Zahnrad 42a, die Übersetzung 42 sowie die Welle 41 in umgekehrter Richtung gegenüber dem Motorbetrieb des Motorgenerators 13 angetrieben werden. Der Motorgenerator 13 wandelt diese kinetische Energie in elektrische Energie um, die einem Stromnetz und damit Verbrauchern über nicht dargestellte Verbindungsleitungen zur Verfügung gestellt wird. Dies entspricht einem Übergang von der zweiten Position gemäß 2 zur ersten Position gemäß 1.
Das in 3 gezeigte Stellglied 11 weist ein Zahnprofil 38 auf, dessen Ausgestaltung auf die damit in Eingriff stehende erste Stelleinrichtung 12 abgestimmt ist. Der Abstand der ersten Stelleinrichtung 12 zur zugeordneten Führungsstange 16 ist veränderbar. In 3 ist der Motorgenerator 13 auf einem Linearschlitten 24 angeordnet, der entlang einer Linearführung 48 horizontal in Richtung der Führungsstange 16 beweglich ist. Aufgrund mechanischer Abnutzungen kann die Verbindung zwischen der ersten Stelleinrichtung 12 und der Führungsstange 16 beeinträchtigt sein, so dass sich die Effizienz beim Betrieb der Vorrichtung 10 vermindert.
Mittels einer Regeleinrichtung 25 ist ein Abstand d1 zwischen dem Zahnrad 42a und der Führungsstange 16 regelbar. Die Regeleinrichtung 25 weist eine in 3 oben angeordnete Laserdiode 43 auf, die einen kollimierten Laserstrahl 43a, der in 3 gestrichelt dargestellt ist, zu einer der Laserdiode 43 entgegengesetzt angeordneten unteren Fotodiode 44 aussendet. Die Intensität des kollimierten Laserstrahls 43a wird von der Fotodiode 44 ausgewertet. In 3 wird der Laserstrahl 43a etwa zur Hälfte vom Zahnrad 42a derart verdeckt, dass die Fotodiode 44 die Hälfte der Gesamtintensität des Laserstrahls 43 aufnimmt. Verändert sich der Abstand d1 des Zahnrades 43a zur Führungsstange 16, verändert sich auch die gemessene Intensität an der Fotodiode 44. Übersteigt die gemessene Intensität ein benutzerdefiniertes Intervall, veranlasst die Regeleinrichtung 25 den Linearschlitten 24 derart zu einer Bewegung entlang der Linearführung 48, dass die gemessene Intensität des Laserstrahls 43a an der Fotodiode 44 wieder im benutzerdefiniertem Intervall liegt.
Um die Bewegung des Stellgliedes 11 von der ersten in die zweite Position und/oder umgekehrt zu dämpfen, ist der erste Abschnitt 18a unterhalb der Profilscheibe 15b des Profilkopfes 15 mit einer Flüssigkeit 21, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glysantin, befüllt, was in 2 gezeigt ist. Dadurch ist insbesondere die vertikale Abwärtsbewegung des Stellgliedes 11 im Generatorbetrieb gedämpft, wobei die auf das Stellglied 11 und die erste Stelleinrichtung 12 wirkenden Kräfte verringert werden. Dadurch der Verschleiß dieser Bauteile vermindert und die Nutzungsdauer der Vorrichtung 10 verlängert.
Der Zulauf der Flüssigkeit 21 erfolgt über eine zweite Stelleinrichtung 20, die die Flüssigkeit 21 ausgehend von einem Vorratstank 45 über eine erste Leitung 46 in den ersten Abschnitt 18a fördert. Die zweite Stelleinrichtung 20 ist in 1 und 2 als schematisch gezeigte Pumpeinrichtung ausgebildet. Der Zulauf der Flüssigkeit 21 ist über ein zweites Ventil 28b mittels einer damit verbunden Steuereinrichtung 23 steuerbar. Während des Motorbetriebes wird über die zweite Stelleinrichtung 20 die Flüssigkeit 21 in den ersten Abschnitt 18a geleitet. Nach dem Ende des Motorbetriebs des Motorgenerators 13 wird das zweite Ventil 28b geschlossen. Aufgrund der geringen Kompressibilität der Flüssigkeit 21 ist das Stellglied 11 auf seiner Position, beispielsweise gemäß 2, trotz der an der ersten Profilscheibe 15a angreifenden pneumatischen Kräfte, arretiert.
Durch die Zufuhr der Flüssigkeit 21 in den ersten Abschnitt 18a im Motorbetrieb wird auch die Aufwärtsbewegung des Stellgliedes 11 unterstützt, so dass die Energiekapazität der Vorrichtung, also deren maximal speicherbare Energie erhöht wird, wobei der Fokus der zweiten Stelleinrichtung 20 aber maßgeblich auf der vorstehend beschriebenen, dämpfenden Wirkung beruht. Die Zufuhr der Flüssigkeit 21 in den ersten Abschnitt 18a ist nach Bedarf und dem Umfang der gewünschten Dämpfungswirkung zuschaltbar. Insofern wirkt die zweite Stelleinrichtung 20 als Dämpfungseinrichtung 53.
Im Generatorbetrieb wird die Flüssigkeit 21 aus dem ersten Abschnitt 18a über eine zweite Leitung 47 einer Wandlereinrichtung 22 zugeführt, wobei die Flüssigkeit 12, wie bereits beschrieben, die Bewegung des Stellgliedes 11 nach unten dämpft, wobei dabei die Flüssigkeit 21 aus dem ersten Abschnitt 18a verdrängt wird. Die Wandlereinrichtung 22 ist als Turbine ausgestaltet, die in Abhängigkeit von der zugeleiteten Flüssigkeit 21 elektrische Energie erzeugt. Um die Flüssigkeit 21 aus dem ersten Abschnitt 18a über eine zweite Leitung 47 fördern zu können, wird ein mit der zweiten Leitung verbundenes drittes Ventil 28c geöffnet.
Für einen verbesserten Austrag der Flüssigkeit 21 über die zweite Leitung 47 wird durch die zweite Stelleinrichtung 20 aus der Umgebung 9 Luft angesaugt und in den ersten Abschnitt 18a gefördert. Dabei wird eine Verdrängungswirkung erzeugt, die die Bewegung der Flüssigkeit 21 aus dem ersten Abschnitt 18a zur Wandlereinrichtung 22 unterstützt. Die mittels der Wandlereinrichtung 22 gewonnene elektrische Energie wird ebenfalls den Verbrauchern zur Verfügung gestellt.
Um einen kontrolliertes Umschalten zwischen dem Motor- und dem Generatorbetrieb zu gewährleisten, sind insbesondere der Zu- und Ablauf der Flüssigkeit 21 über die Steuereinrichtung 23 regelbar. Die Steuereinrichtung 23 ist hierzu mit den Ventilen 18a, 18b, 18c, der zweiten Stelleinrichtung 20, der Wandlereinrichtung 22 und der ersten Stelleinrichtung 12 synchronisiert und steuerbar.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Aufsicht, anhand der das Volumenverhältnis zwischen dem Volumen des Reservoirbereichs 50 und dem Volumen des Arbeitsbereichs 51 abschätzbar ist. In 4 ist der Behälter 14 und die darin angeordnete Einfassung 18 dargestellt, wobei der Radius des Behälters 14 in etwa dem Zehnfachen des Radius der Einfassung 18 entspricht. Dies entspricht einem Volumenverhältnis zwischen dem Reservoirbereich 50 und dem Arbeitsbereich 51 von 1:1000. Dadurch ist die relative Volumenänderung des Gases im Behälter 14 beim Betrieb der Vorrichtung 10 derart klein, dass das Gas im Behälter 14 nicht wesentlich erwärmt wird. Thermische Energieverluste werden somit weitgehend reduziert, was den Wirkungsgrad der Vorrichtung 10 erhöht.
Der in 4 gezeigte Behälter 14 ist im Unterschied zu dem Behälter 14 der 1 und 2 als vollumfänglicher kreisrunder Bogen dargestellt, wobei die Einfassung 18 ähnlich zur Einfassung 18 der 1 und 2 ausgebildet und am äußeren Rand der oberen Abdeckung 29 angeordnet ist. Der Behälter schließt dabei bündig mit der oberen Abdeckung 29 ab.
In 4 ist eine alternative Ausgestaltung der zweiten Stelleinrichtung 20 gezeigt, wobei die Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit 21 jeweils über die erste Leitung 46 erfolgen. Über die erste Leitung 46 wird die Flüssigkeit 21 mittels der zweiten Stelleinrichtung 20 aus dem Vorratstank 45 entnommen und/oder diesem zugeführt. Die unterschiedlichen Richtungen der Flüssigkeit 21 im Sinne eines Zu- und Ablaufs sind durch die oberhalb der zweiten Stelleinrichtung 20 angebrachten Richtungspfeile skizziert. Die für einen Betrieb der zweiten Stelleinrichtung 20 benötigte elektrische Energie wird mittels eines seitlich der zweiten Stelleinrichtung 20 angeordneten Antriebes 35 zugeführt.

Claims

Vorrichtung (10) zum Speichern und Abrufen von Energie, mit mindestens einem beweglichen Stellglied (11), das mit einer gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft beaufschlagt ist, wobei mindestens eine erste Stelleinrichtung (12) mindestens einen Motorgenerator (13) aufweist und mit dem Stellglied (11) verbunden ist, wobei das Stellglied (11) entgegen der gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft beweglich ist, so dass in einem Motorbetrieb dem Motorgenerator (13) zugeführte elektrische Energie als potentielle Energie des Stellgliedes (11) speicherbar ist, und wobei das Stellglied (11) entlang der gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft beweglich ist, so dass in einem Generatorbetrieb die potentielle Energie des Stellgliedes (11) im Motorgenerator (13) in elektrische Energie umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegen das Stellglied (11) gerichtete Kraft durch ein druckbeaufschlagtes Gas in einem Behälter (14) bewirkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) mindestens einen Profilkopf (15) und mindestens eine Führungsstange (16) aufweist, wobei die gegen das Stellglied (11) gerichtete Kraft gegen den Profilkopf (15) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) mit der ersten Stelleinrichtung (12) in Eingriff steht und/oder zumindest abschnittsweise ein Gewinde (17) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) zumindest abschnittsweise als Zahnstange mit einem Zahnprofil (38) ausgebildet und/oder arretierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (14) einen Innenraum (19) umfasst, wobei der Innenraum (19) einen Reservoirbereich (50) und einen Arbeitsbereich (51) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einfassung (18) im Behälter (14) den Arbeitsbereich (51) umfasst, wobei die Einfassung (18) einen ersten Abschnitt (18a) und einen zweiten Abschnitt (18b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) mindestens teilweise in der Einfassung (18) angeordnet ist, wobei insbesondere der erste Abschnitt (18a) gegenüber dem zweiten Abschnitt (18b) durch das Stellglied (11) abgedichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich (51) mit dem Reservoirbereich (50) des Behälters (14) verbindbar und/oder gegenüber dem Reservoirbereich (50) des Behälters (14) abdichtbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Volumen des Arbeitsbereiches (51) und dem Volumen des Reservoirbereiches (50) wenigstens 1 zu 100, vorzugsweise wenigstens 1 zu 20, besonders vorzugsweise wenigstens 1 zu 5 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (14) mehrere Stellglieder (11) und/oder Einfassungen (18) angeordnet sind und/oder dass eine Dämpfungseinrichtung (53) mit dem Stellglied (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) mittels einer zweiten Stelleinrichtung (20) bewegbar ist, wobei insbesondere die erste Stelleinrichtung (12) mit der zweiten Stelleinrichtung (20) synchronisierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluid (21) mittels der zweiten Stelleinrichtung (20) in den ersten Abschnitt (18a) der Einfassung (18) einleitbar und/oder von dem ersten Abschnitt (18a) der Einfassung (18) ausleitbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (21) von dem ersten Abschnitt (18a) einer Wandlereinrichtung (22) zuführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Stellgliedes (11) mittels einer Steuereinrichtung (23) veränderlich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des druckbeaufschlagten Gases im Behälter (14) mittels der Steuereinrichtung (23) veränderlich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d1) der ersten Stelleinrichtung (12) von dem Stellglied (11) veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Komponente der ersten Stelleinrichtung (12) auf einem Linearschlitten (24) angeordnet und auf diesem in Richtung des Stellgliedes (11) beweglich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung (25) vorgesehen ist, mittels der der Abstand (d1) zwischen der ersten Stelleinrichtung (12) und dem Stellglied (11) auf einem vordefinierten Wert haltbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Energiegewinnung, insbesondere ein Blockheizkraftwerk, eine Solarstromanlage und/oder eine Windkraftanlage, angeordnet ist, um die erste Stelleinrichtung (12) und/oder die zweite Stelleinrichtung (20) und/oder den Motorgenerator (13) mit Strom zu versorgen.
Verfahren zum Speichern und Abrufen von Energie mittels einer Vorrichtung (10) mit mindestens einem beweglichen Stellglied (11), das mit einer gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft beaufschlagt ist, wobei mindestens eine erste Stelleinrichtung (12) mindestens einen Motorgenerator (13) aufweist und mit dem Stellglied (11) verbunden ist, wobei das Stellglied (11) parallel zu der Richtung der gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft bewegt wird, mit den folgenden Schritten: - In einem Motorbetrieb des Motorgenerators (13) wird dem Motorgenerator (13) elektrische Energie zugeführt und die erste Stelleinrichtung (12) bewegt das Stellglied (11) entgegen der gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft derart, dass die zugeführte elektrische Energie als potentielle Energie des Stellgliedes (11) gespeichert wird und - In einem Generatorbetrieb des Motorgenerators (13) wird das Stellglied (11) derart bewegt, dass die potentielle Energie des Stellgliedes (11) durch eine Bewegung des Stellgliedes (11) entlang der gegen das Stellglied (11) gerichteten Kraft im Motorgenerator (13) in elektrische Energie umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gegen das Stellglied (11) gerichtete Kraft durch ein druckbeaufschlagtes Gas bewirkt wird.