DE102022113348A1 - Mobile solar power plants for feeding electricity into rail transport and/or storing electricity - Google Patents

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Abstract

Mobile Solarkraftwerke zur Stromeinspeisung insbesondere im Bahnverkehr zum Einsatz in Verbindung mit elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen mit jeweils einer Mittelspannung von 15 kV und einer Frequenz von 16,7 Hz, die mit einer elektrischen Versorgung über Umspannwerke vorzugsweise im Abstand von 60-80 km an den Bahnstrecken bestromt werden, bzw. in europäischen Nachbarländen mit einer Spannung von 25 KV/50 Hz betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenfahrzeuge nicht nur zum Transport von Materialien und Personen einsetzbar sind, sondern vielmehr die Züge auch zur Einspeisung von elektrischer Energie in das jeweilige Netz geeignet sind, indem die Züge mit PV-Modulen (1, 1', 1'') bestückt sind, sodass bei entsprechender Sonneneinstrahlung eine DC Spannung erzeugt wird und über geeignete Wechselrichter, vorzugsweise mit einer Ausgangsspannung von vorzugsweise 3*400 Volt/16,7 Hz, über einen Transformator mit einer Eingangsspannung / Ausgangsspannung / von 3*400 Volt/1 *400V/1 *15 kV direkt vom Zug, über geeignete Schleifbügel (8) in die Oberleitung des jeweiligen Schienenfahrzeugs eingespeist werden.Mobile solar power plants for feeding in electricity, particularly in rail transport, for use in conjunction with electrically operated rail vehicles, each with a medium voltage of 15 kV and a frequency of 16.7 Hz, which are powered by an electrical supply via substations, preferably at a distance of 60-80 km on the railway lines or in neighboring European countries are operated with a voltage of 25 KV/50 Hz, characterized in that the rail vehicles can not only be used to transport materials and people, but rather the trains can also be used to feed electrical energy into the respective network are suitable in that the trains are equipped with PV modules (1, 1', 1''), so that a DC voltage is generated when there is appropriate solar radiation and via suitable inverters, preferably with an output voltage of preferably 3*400 volts/16, 7 Hz, via a transformer with an input voltage / output voltage / of 3*400 volts/1*400V/1*15 kV directly from the train, via suitable grinding brackets (8) into the overhead line of the respective rail vehicle.

Description

Aufgrund der für die Umwelt schädlichen Auswirkungen der Verbrennung von fossilen Rohstoffen, wie etwa Kohle oder Erdgas einerseits und einem wachsenden Strombedarf andererseits, wird versucht andere Stromquellen zu nutzen, wie beispielsweise durch den Einsatz von Windrädern, Wasserkraftwerken oder die Nutzung von Photovoltaikanlagen zur Stromerzeugung und Stromspeicherung.Due to the harmful effects on the environment of burning fossil raw materials such as coal or natural gas on the one hand and a growing demand for electricity on the other hand, attempts are being made to use other sources of electricity, such as the use of wind turbines, hydroelectric power plants or the use of photovoltaic systems to generate and store electricity .

Die aktuelle Bundesregierung hat es sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahre 2025, 40-45 % des in Deutschland verbrauchten Stroms aus erneuerbaren Energien zu schöpfen. Als wichtigste Energieträger werden hierbei Wind und Sonderenergie genannt, zuzüglich deutlich geringerer Stromerzeugung durch den Einsatz von Biomasse und Wasserkraft.The current federal government has set itself the goal of generating 40-45% of the electricity consumed in Germany from renewable energies by 2025. Wind and special energy are mentioned as the most important energy sources, plus significantly lower electricity generation through the use of biomass and hydropower.

Hiervon ausgehend, hat es sich, die nachstehend zu erläuternde Erfindung, zur Aufgabe gemacht, einen weiteren Beitrag nicht nur zur Stromerzeugung, sondern auch zur Stromspeicherung zu leisten.Based on this, the invention to be explained below has set itself the task of making a further contribution not only to electricity generation, but also to electricity storage.

In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise schon jetzt aus dem Stand der Technik bekannt, den Dachbereich von Lastwagen mit Photovoltaikzellen, genauer gesagt, mit PV-Modulen (1) zu bestücken, wobei die so gewonnen Energie gespeichert und etwa zur Kühlung oder Heizung der Ladefläche eines Lastwagens eingesetzt werden.In this context, it is already known from the prior art, for example, to equip the roof area of trucks with photovoltaic cells, or more precisely, with PV modules (1), with the energy thus obtained being stored and used, for example, for cooling or heating the loading area of a truck Trucks can be used.

Des Weiteren ist in Australien ein sogenannter „Soltrain“ im Einsatz, dessen Waggons ebenfalls oberseitig, also im Dachbereich mit Photovoltaik bestückt sind, die zur Heizung oder Kühlung des besagten Zuges eingesetzt werden.Furthermore, a so-called “Soltrain” is in use in Australia, the wagons of which are also equipped with photovoltaics on the top, i.e. in the roof area, which are used to heat or cool the train in question.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, hat sich der Erfinder es zur Aufgabe gemacht, Züge zu entwickeln, die ebenfalls mit PV-Modulen (1) bestückt sind, wobei es hier darum geht, die mittels der PV-Module (1) gespeicherte Energie bzw. den Strom entweder auf dem Zug zu speichern und zu gegebener Zeit in das Oberleitungsnetz über Schleifbügel oder Schleifleisten einzuspeisen oder aber die Energie direkt in das Oberleitungsnetz einzuspeisen.Based on this state of the art, the inventor has set himself the task of developing trains that are also equipped with PV modules (1). The aim here is to use the energy stored by the PV modules (1). .either to store the electricity on the train and feed it into the overhead line network at the appropriate time via contact bars or contact strips, or to feed the energy directly into the overhead line network.

Darüber hinausgehend, schlägt die Erfindung aber auch vor, etwa auf stillgelegten Strecken, die vorzugsweise regelmäßig einer nennenswerten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, zu nutzen, um mittels der auf den Zügen befestigten PV-Module (1) Strom zu gewinnen und entweder direkt einzuspeisen oder zu speichern. Denkbar ist es auch, nicht benutzte Züge, die ebenfalls mit entsprechenden PV-Modulen (1) ausgestattet sind, zur Stromspeicherung und Stromeinspeisung zu nutzen.In addition, the invention also proposes using disused routes, which are preferably regularly exposed to significant solar radiation, to generate electricity using the PV modules (1) attached to the trains and either feed it in directly or store it . It is also conceivable to use unused trains, which are also equipped with appropriate PV modules (1), to store and feed in electricity.

Denkbar ist es auch, fahrenden Züge mit entsprechenden PV-Modulen (1) auszustatten, wobei auch ein Teilbereich zum Transport von Passagieren oder sonstiger Ladung genutzt sein kann, indem beispielsweise Abschnitte der Züge ausschließlich mit PV-Modulen (1) zur Stromeinspeisung bestückt sind, sowie auch Waggons zum Transport von Passagieren, Bestandteil der entsprechenden Züge sind.It is also conceivable to equip moving trains with corresponding PV modules (1), whereby a sub-area can also be used to transport passengers or other cargo, for example by having sections of the trains exclusively equipped with PV modules (1) for power supply, as well as wagons for transporting passengers are part of the corresponding trains.

In allen Fällen, werden nur Züge eingesetzt, bei denen sichergestellt ist, dass die über die PV-Modulen (1) gewonnene Energie, deutlich den Energieeinsatz für den Verkehr der Züge überschreitet.In all cases, only trains are used where it is ensured that the energy obtained via the PV modules (1) significantly exceeds the energy used for the trains' traffic.

In diesem Zusammenhang ist es aber auch denkbar, Züge mit PV-Modulen (1) auf stillgelegten Strecken abzustellen, allein um mithilfe dieser abgestellten Züge wiederum Strom zu gewinnen, der in das Netz eingespeist wird.In this context, it is also conceivable to park trains with PV modules (1) on disused routes, simply in order to use these parked trains to generate electricity that is fed into the network.

Das Streckennetz der Bahn beträgt derzeit ca. 38.400 Km + stillgelegte Strecken und Rangierbahnhöfe. Nach derzeitigem Stand der Modultechnik könnten bei einer Nutzung von 10 % der Strecken ca. 2.500 bis 3000 MWh Stunden an Energie gewonnen werden.The railway's route network is currently approx. 38,400 km + disused routes and marshalling yards. According to the current status of module technology, approximately 2,500 to 3,000 MWh hours of energy could be generated if 10% of the routes were used.

Die Bahn will ihre Anlagen bis 2038 zu 100% mit „grünem“ Strom betreiben. Die Erfindung könnte hierzu einen wesentlichen Beitrag leisten. Gemäß dem Stand um Jahr 2021 hat die Bahn einen Energiebedarf von 10 Terawattstunden.The railway wants to operate its systems 100% with “green” electricity by 2038. The invention could make a significant contribution to this. As of 2021, the railway has an energy requirement of 10 terawatt hours.

Züge mit bis zu 700 Metern Länge, gemäß dem Stand der Technik bei Güterzügen, könnten als bewegliche Kraftwerke mit Leistungen von 300 bis 500 KW betrieben werden.Trains up to 700 meters long, according to the state of the art for freight trains, could be operated as mobile power plants with outputs of 300 to 500 KW.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

11
PV ModulePV modules
22
WechselrichterInverter
33
NachführungsantriebeTracking drives
44
NachführungssteuerungTracking control
55
Steuerleitung NachführungControl line tracking
66
Hauptleitung AC 400 VMain line AC 400 V
77
Hauptleitung 3KVMain line 3KV
88th
Schleifbügel/Fahrdraht BahnnetzGrinding bar/contact wire railway network
99
Frequenzumrichter Sicherheits-RegeleinheitFrequency converter safety control unit
1010
Mittelspannungs-LeistungsschalterMedium voltage circuit breaker
1111
Transformator 400V/15KVTransformer 400V/15KV
1212
Kompaktstation / Hauptverteiler NiederspannungCompact station / main distributor low voltage
1313
Power E-SpeicherPower e-storage
1414
Transformator 3 KV / 15 KV MittelspannungTransformer 3 KV / 15 KV medium voltage
1515
Kompaktstation mit Leistungsschalter und Sicherheit 3 KVCompact station with circuit breaker and safety 3 KV
1616
Power-E-Speicher DC mit AC Ausgang 3KVPower e-storage DC with AC output 3KV
1717
Rückleitung / Übertragungs-SchienensystemReturn/Transmission Rail System
1818
ErdungGrounding
1919
AC WechselspannungAC alternating voltage
2020
DC GleichspannungDC direct voltage
2121
Stecker / Kupplung-SystemPlug/coupling system
2222
MS MittelspannungMS medium voltage
2323
MittelspannungsverteilerMedium voltage distributor
2424
NiederspannungsverteilerLow voltage distributor

Claims (10)

Mobile Solarkraftwerke zur Stromeinspeisung insbesondere im Bahnverkehr zum Einsatz in Verbindung mit elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugen mit jeweils einer Mittelspannung von 15 kV und einer Frequenz von 16,7 Hz, die mit einer elektrischen Versorgung über Umspannwerke vorzugsweise im Abstand von 60-80 km an den Bahnstrecken bestromt werden, bzw. in europäischen Nachbarländen mit einer Spannung von 25 KV/50 Hz betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schienenfahrzeuge nicht nur zum Transport von Materialien und Personen einsetzbar sind, sondern vielmehr die Züge auch zur Einspeisung von elektrischer Energie in das jeweilige Netz geeignet sind, indem die Züge mit PV-Modulen (1, 1', 1'') bestückt sind, sodass bei entsprechender Sonneneinstrahlung eine DC Spannung erzeugt wird und über geeignete Wechselrichter (2), vorzugsweise mit einer Ausgangsspannung von vorzugsweise 3*400 Volt/16,7 Hz, über einen Transformator (11) mit einer Eingangsspannung / Ausgangsspannung / von 3*400 Volt/1 *400V/1 *15 kV direkt vom Zug, über geeignete Schleifbügel (8) in die Oberleitung des jeweiligen Schienenfahrzeugs eingespeist werden.Mobile solar power plants for feeding in electricity, especially in rail transport, for use in conjunction with electrically operated rail vehicles, each with a medium voltage of 15 kV and a frequency of 16.7 Hz, which are powered by an electrical supply via substations, preferably at a distance of 60-80 km on the railway lines or in neighboring European countries are operated with a voltage of 25 KV/50 Hz, characterized in that the rail vehicles can not only be used to transport materials and people, but rather the trains can also be used to feed electrical energy into the respective network are suitable in that the trains are equipped with PV modules (1, 1 ', 1''), so that a DC voltage is generated when there is appropriate solar radiation and via suitable inverters (2), preferably with an output voltage of preferably 3*400 volts /16.7 Hz, via a transformer (11) with an input voltage / output voltage / of 3*400 volts/1 *400V/1 *15 kV directly from the train, via suitable grinding brackets (8) into the overhead line of the respective rail vehicle . Mobile Solarkraftwerke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer alternativen Ausgestaltung die Leistung auch über einen zentralen, auf einem der Wagen/Zug befindlichen Wechselrichter / Transformator (14) mit den entsprechenden DC-Eingängen und der bahnspezifischen Ausgangsspannung betrieben werden, sodass die Verluste gegenüber der stationären Netzeinspeisung reduziert sind.Mobile solar power plants Claim 1 , characterized in that in an alternative embodiment, the power is also operated via a central inverter/transformer (14) located on one of the cars/trains with the corresponding DC inputs and the railway-specific output voltage, so that the losses compared to the stationary grid feed are reduced are. Mobile Solarkraftwerke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer abermals alternativen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes die entsprechenden Züge mit Power E-Speichern DC mit AC Ausgang 3 400 V (13) versehen sind, die auf den jeweiligen Wagen oder Waggons installiert sind, wobei die Energie aus den besagten Power E-Speichern (16) entnehmbar sind, sowie über Wechselrichter (2) und einen Transformator (14) mit 3 KV / 15 KV Mittelspannung, über einen Schleifbügel (8) in die jeweils vorhandene Oberleitung einspeisbar ist.Mobile solar power plants Claim 1 or 2 , characterized in that in another alternative embodiment of the subject matter of the invention, the corresponding trains are provided with power E-storage DC with AC output 3 400 V (13), which are installed on the respective wagons or wagons, with the energy from said power E-storage (16) can be removed, and can be fed into the existing overhead line via an inverter (2) and a transformer (14) with 3 KV / 15 KV medium voltage, via a grinding bracket (8). Mobile Solarkraftwerke nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere in Ländern etwa mit einem 25 KV/50 Hz Netz eine Anpassung über geeignete Wechselrichter und/oder oder Transformatoren, eine Einspeisung, der aus den mitgeführten PV-Modulen (1) gewonnen Energie, ermöglicht ist.Mobile solar power plants according to one or more of the preceding claims, characterized in that, in particular in countries with a 25 KV/50 Hz network, an adaptation via suitable inverters and / or transformers, a feed from the PV modules (1) carried along. energy gained is made possible. Mobile Solarkraftwerke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere zum Schutz der auf den Zügen mitgeführten Photovoltaikanlagen der Wagenaufbau mittels des Einsatzes entsprechender Dämpfungselemente eine Beschädigung der mitgeführten PV-Module (1, 1', 1'') und/oder sonstige Photovoltaik-Elemente weitestgehend ausgeschlossen ist.Mobile solar power plants according to one or more of the preceding claims, characterized in that , in particular to protect the photovoltaic systems carried on the trains, the car body prevents damage to the PV modules (1, 1', 1'') carried and/or by using appropriate damping elements other photovoltaic elements are largely excluded. Mobile Solarkraftwerke nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Züge zusätzlich mit sogenannten Elektrospeichern, insbesondere mit E-Powerspeichern (13/16), ausgestattet sind, um eine Zwischenspeicherung der im Betrieb gewonnenen Energie sicherzustellen.Mobile solar power plants according to one or more of the preceding claims, characterized in that the trains are additionally equipped with so-called electric storage devices, in particular with electric power storage devices (13/16), in order to ensure intermediate storage of the energy generated during operation. Mobile Solarkraftwerke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, die gespeicherte Energie bedarfsweise in das Netz eingespeist werden kann oder insbesondere nach Sonnenuntergang oder geringer Sonneneinstrahlung an definierten Punkten in das vorhandene Oberleitungsnetz eingespeist werden können.Mobile solar power plants Claim 6 , characterized in that the stored energy can be fed into the network as required or, in particular, can be fed into the existing overhead line network at defined points after sunset or low solar radiation. Mobile Solarkraftwerke nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechenden Züge insbesondere auf stillgelegten Fahrtstrecken, vorzugsweise auf Fahrtstrecken mit einer hohen Sonneneinstrahlung einsetzbar sind, um auf diesem Wege die mitgeführten PV-Module (1, 1', 1'') entweder im Betrieb aber auch im Stillstand zur Energiegewinnung einzusetzen.Mobile solar power plants according to one or more of the preceding claims, characterized in that the corresponding trains can be used in particular on closed routes, preferably on routes with high solar radiation, in order to transport the PV modules (1, 1', 1'') carried along. ) to be used either during operation or when at a standstill to generate energy. Mobile Solarkraftwerkenach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, deren PV Module (1, 1', 1'') jeweils auf schwach geneigten Trägerkonstruktionen auf den Zügen fest installiert sind.Mobile solar power plants according to one or more of the preceding claims, the PV modules (1, 1', 1'') of which are each permanently installed on slightly inclined support structures on the trains. Mobile Solarkraftwerke, deren PV Module (1, 1', 1'') auf Trägerkonstruktionen montiert sind, die jeweils sowohl im Neigungswinkel als auch der Himmelsrichtung, über eine Nachführsteuerung zweiachsig derart nachführbar sind, dass jeweils eine maximale Sonneneinstrahlung auf die PV Module (1, 1', 1'') erzielt wird, um einen jeweils optimalen Energiegewinn zur Einspeisung in das Netz zu erzielen.Mobile solar power plants, whose PV modules (1, 1', 1'') are mounted on support structures, which can be tracked on two axes in both the angle of inclination and the direction of the compass via a tracking control in such a way that maximum solar radiation on the PV modules (1 , 1', 1'') is achieved in order to achieve optimal energy gain for feeding into the network.
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