DE202012007415U1

DE202012007415U1 - Gerät zur energieeffizienten Leistungssteuerung von Gasexpansionsmotoren

Info

Publication number: DE202012007415U1
Application number: DE201220007415
Authority: DE
Original assignee: Hubert Bellm
Current assignee: BELLM, HANS-PETER, DE; BELLM, HUBERT, DR.-ING., DE; HANS-PETER BELLM, DE; HUBERT BELLM, DE
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2022-08-02

Abstract

Gerät zur energieeffizienten Leistungssteuerung eines an einen Druckbehälter angeschlossenen Gasexpansionsmotors 1, – welches durch eine Steuerung der Pulsbreite für die Öffnungszeit des Einspritzventils 2 sowohl die Verwendung eines Druckminderers, als auch eine Mehrstufigkeit des Gasexpansionsmotors entbehrlich macht, – mit jeweils einem Eingang für Sensoren für die Kurbelwellen- oder Exzenterwellenstellung 6 und der Temperatur 13 des Motorgehäuses oder des ausgeblasenen Gases, – mit einem Ausgang 5 für die Ansteuerung einer Leistungsendstufe 4 für das (oder die) Einspritzventil(e) 2.

Description

In der Vergangenheit erfolgte die Energieversorgung weitgehend zentral, das heißt, die Energie wurde überwiegend in Großkraftwerken erzeugt und Energieverteilungsnetze im Hinblick auf eine zentrale Energieeinspeisung hin ausgelegt. In jüngerer Zeit werden an die Energieverteilungsnetze vermehrt dezentrale Energieerzeugungseinrichtungen insbesondere zur Nutzung regenerativer Energiequellen angeschlossen, zum Beispiel Windenergie- oder Photovoltaikanlagen. Da diese Energieerzeugungseinrichtungen häufig nicht in der Hand der Betreiber des Energieverteilungsnetzes liegen, kann durch die Netzbetreiber nicht beeinflusst werden, zu welchen Zeitpunkten und in welcher Menge Energie in das Energieverteilungsnetz eingespeist wird. Hierdurch kann eine Situation eintreten, in welcher die Kapazitäten der Leitungen des Energieverteilungsnetzes nicht mehr an die tatsächliche Energiesituation angepasst sind. Der forcierte Einsatz dezentraler Energieerzeugung erfordert neue Strategien zur Steuerung von Energieerzeugung und -verbrauch sowie größere Kapazitäten zur Zwischenspeicherung von Energie.
Eine Möglichkeit zur Abschwächung dieses Problems kann darin gesehen werden, bei dezentralen Energieerzeugern Einrichtungen zur temporären Speicherung zur Verfügung stehender, aber momentan vor Ort nicht verbrauchbarer elektrischer Energie vorzusehen. Derartige Energiespeicher finden bisher jedoch in Windkraft- oder Photovoltaikanlagen von kleiner bis mittlerer Größe, das heißt mit Spitzenleistungen von 5 kW bis zu einigen 100 kW, kaum Anwendung. Ein Grund ist der hohe Aufwand, mit welchem ein derartiger elektrischer Energiespeicher bisher verbunden ist.
Beispielsweise würde für eine Photovoltaikanlage mit einer Spitzenleistung von 5 kW, wie sie in privaten Haushalten üblich ist, ein elektrischer Energiespeicher mit einer Kapazität von 20 bis 30 kWh genügen. Die Anlage mit zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkumulatoren in dieser Größe zu versehen, würde den Aufwand für die Anlageninstallation gegenüber dem Aufwand für die reine Energieerzeugung nahezu verdoppeln. Hinzu käme, dass die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bei jeweils vollständiger Entladung auf ca. 700 Ladezyklen begrenzt ist. Weiterhin ginge von Akkumulatoren dieses Typs nach dem heutigen Stand der Technik bei Fehlbehandlung ein nicht unwesentliches Brandrisiko aus.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung elektrischer Energiespeicher stellen Druckluftspeicher dar, die bisher jedoch hauptsächlich als größere Anlagen, so genannte Druckluftspeicherkraftwerke, realisiert wurden. Das Prinzip derartiger Druckluftspeicherkraftwerke ist beispielsweise in der freien Enzyklopädie Wikipedia auf der Internet-Seite de.wikipedia.org/wiki/druckluftspeicherkraftwerk beschrieben. Druckluftspeicherkraftwerke sind Speicherkraftwerke, in denen Druckluft als Medium für die Energiespeicherung verwendet wird. Sie dienen zur Netzregelung wie beispielsweise zur Bereitstellung von Regelleistung: Wenn mehr Strom produziert als verbraucht wird, wird mit der überschüssigen Energie Luft unter Druck in einen Speicher gepumpt; bei Strombedarf wird mit der Druckluft in einer Turbine Strom produziert.
Ein Energiespeicher für kleinere Anlagen umfasst einen Kompressor mit Elektromotor, Behälter für Druckluft und einen Druckluftmotor mit gekoppeltem Generator. Erst der Einsatz eines Druckluftmotors anstelle der Turbine ermöglicht es, den Druckluftspeicher in dezentralen Energieversorgungseinrichtungen, insbesondere in Windkraft- oder Photovoltaikanlagen kleiner bis mittlerer Größe zur Anwendung zu bringen.
Bisher übliche Ausführungen von Gasexpansionsmotoren, z. B. Lamellenmotore, sind nur für Drücke kleiner 20 bar geeignet, so dass bei den für die Speicherung notwendigen Drücken von 100–300 bar entweder ein Druckminderer erforderlich ist, oder der Gasexpansionsmotor bei entsprechend höheren Kosten mehrstufig ausgeführt werden muss. Dieses Problem wird durch die Erfindung gelöst.
Aus B1016880(A) – 1966-01-12 ist eine pneumatische Steuerung bekannt, jedoch wird hier ein Elektromotor pulsbreitenmoduliert angesteuert. CN201021142(Y) – 2008-02-13 beschreibt einen Fahrzeugantrieb mit einem Pneumatikmotor, jedoch erfolgt hier keine Steuerung der Pulsbreite für die Öffnungszeit des Steuerventils für den Motor.
Ein weiteres Steuergerät für einen Druckluftmotor wird in "Pneumatic motor speed control by trajectory tracking fuzzy logic controller", CENGIZ SAFAK, VEDAT TOPUZ and A FEVZI BABA, Department of Electronics and Computer Education, Marmara University, Istanbul 34046, Turkey, beschrieben. Dabei handelt es sich aber um einen industrieüblichen Druckluftmotor für einen Druckbereich von 6–10 bar. Weiterhin wird für die zugeführte Druckluft ein analog angesteuertes Proportionalventil verwendet.
Hubkolben- bzw. Wankelmotore für Hochdruck-Anwendungen mit elektrisch ansteuerbaren Ein- oder Auslassventilen sind in hinreichend bekannt, z. B. DE 2422672A1 (1975), WO 2006/061429A1 (2006) und DE 10 2009 044 930 A1 (2011). DE 20 2006 010 655 U1 schlägt dessen Einsatz an Fahrrädern, DE 10 2005 039 281 A1 für einen Hybridantrieb an einem PKW vor. Bisher ist jedoch keine Realisierung bekannt geworden, bei der die Einspritzventile elektrisch mit Impulsen variabler Dauer angesteuert werden. Das liegt zum einen daran, dass mobile Anwendungen aufgrund der erforderlichen Größe des Druckbehälters unpraktisch sind, zum anderen sind die erforderlichen schnellschaltenden Ventile erst in jüngerer Zeit industriell verfügbar, siehe z. B. Fischer, Stephan; Heil, Wolfgang; Klinksiek, Dirk, Müller, Jasmin; "Magnetventiltechnik", Süddeutscher Verlag onpact GmbH, München 2011. Bei diesen schnellschaltenden Kugelventilen kommen zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit auch Hohlkugeln zum Einsatz, siehe z. B.
http://www.ifam-dd.fraunhofer.de/de/Zellulare_metallische_Werkstoffe/Hohlkugelstrukturen/werkstoffe_und_anwendungen.html.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur energieeffizienten Leistungssteuerung von Gasexpansionsmotoren mit einem oder mehreren elektrisch angesteuerten Einspritzventil(en) zu schaffen, das es ermöglicht, diese(s) direkt an Hochdruckbehälter mit 100 bis 300 bar anzuschließen.
Zur Lösung dieser Aufgabe erzeugt des Steuergerät elektrische Impulse variabler Dauer, durch die eine veränderliche Öffnungszeit des Einspritzventils sowohl die Verwendung eines Druckminderers, als auch eine Mehrstufigkeit des Gasexpansionsmotors entbehrlich machen. Dies veringert die Kosten des Gesamtsystems.
Industrielle einstufige Druckluftmotoren erreichen nur einen Wirkungsgrad von ca. 20%. Durch die Steuerung der Öffnungszeit des Einspritzventils 2 mittels der Erfindung kann der Gasexpansionsmotor direkt mit 100 bis 300 bar betrieben werden, so dass durch den Entfall eines Druckminderes bzw. trotz des Verzichts auf eine Mehrstufigkeit des Gasexpansionsmotors ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Dies wird durch eine Berechnung der Öffnungszeit des Einspritzventils für einen Restdruck der ausgeblasenen Luft von ca. 1 bar erreicht.
Weiterhin weist das Steuergerät Eingänge für Sensoren zur Erfassung der Stellung der Kurbel- oder Exzenterwelle, des Druckes vor dem Einspritzventil und die Temperatur des Motorgehäuses bzw. des ausgeblasenen Gases auf. Aus den Sensorsignalen werden auf der Grundlage thermodynamischer Gesetze Steuersignale für die Einspritzventile und einer Heizeinrichtung erzeugt. Dies kann sowohl mittels Analogtechnik, als auch durch einen Mikrokontroller erfolgen. Die Berücksichtigung thermodynamischer Gesetze verbessert vorteilhaft den Wirkungsgrad des Gasexpansionsmotors.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
In der Figur ist ein Blockschaltbild einer Anlage mit Gasexpansionsmotor dargestellt, die mit dem erfindungsgemäßen Gerät (8) zur energieeffizienten Leistungssteuerung versehen ist. Einem (Zweitakt-)Hubkolben- oder Wankelmotor 1 wird Energie in Form eines verdichteten Gases über ein elektrisch angesteuertes Einspritzventil 2 und eine Rohrleitung 3 zugeführt. Das Einspritzventil wird vom Ausgang 5 des Gerätes 8 über eine industriell erhältliche Leistungsendstufe 4 angesteuert. Das Gerät 8 erhält über entsprechende Sensoren die Stellung der Kurbel- bzw. Exzenterwelle 6, die Drehzahl 7 sowie den Druck in der Rohrleitung 9 vom Druckbehälter 11. Bei der Entspannung des Gases wird durch den Gasexpansionsmotor 1 mechanische Energie erzeugt, die z. B. einen Generator antreiben kann. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads ist der Gasexpansionsmotor 1 an eine Heizvorrichtung 14 angeschlossen, die z. B. Niedertemperaturwärme aus der Umgebung zuführt. Das Steuersignal 5 für das elektrisch ansteuerbare Einspritzventil 2 wird energieeffizient auf der Grundlage thermodynamischer Gesetze aus dem Leistungssollwert 12 und der Temperatur 13 des Motorgehäuses bzw. des ausgeblasenen Gases berechnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 201021142 [0007]
DE 2422672 A1 [0009]
WO 2006/061429 A1 [0009]
DE 102009044930 A1 [0009]
DE 202006010655 U1 [0009]
DE 102005039281 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

de.wikipedia.org/wiki/druckluftspeicherkraftwerk [0004]
”Pneumatic motor speed control by trajectory tracking fuzzy logic controller”, CENGIZ SAFAK, VEDAT TOPUZ and A FEVZI BABA, Department of Electronics and Computer Education, Marmara University, Istanbul 34046, Turkey [0008]
Fischer, Stephan; Heil, Wolfgang; Klinksiek, Dirk, Müller, Jasmin; ”Magnetventiltechnik”, Süddeutscher Verlag onpact GmbH, München 2011 [0009]
http://www.ifam-dd.fraunhofer.de/de/Zellulare_metallische_Werkstoffe/Hohlkugelstrukturen/werkstoffe_und_anwendungen.html [0009]

Claims

Gerät zur energieeffizienten Leistungssteuerung eines an einen Druckbehälter angeschlossenen Gasexpansionsmotors 1, – welches durch eine Steuerung der Pulsbreite für die Öffnungszeit des Einspritzventils 2 sowohl die Verwendung eines Druckminderers, als auch eine Mehrstufigkeit des Gasexpansionsmotors entbehrlich macht, – mit jeweils einem Eingang für Sensoren für die Kurbelwellen- oder Exzenterwellenstellung 6 und der Temperatur 13 des Motorgehäuses oder des ausgeblasenen Gases, – mit einem Ausgang 5 für die Ansteuerung einer Leistungsendstufe 4 für das (oder die) Einspritzventil(e) 2.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Eingänge für Sensoren zur Erfassung der Drehzahl 7 und dem Druck 9 im Speicher-Druckbehälter oder in der Rohrleitung vor dem Ventil vorhanden sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Ausgang 10 zum Ein-/Ausschalten einer Heizeinrichtung 14 vorhanden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine optimale Effizienz die Öffnungszeit des Einspritzventils für einen Restdruck der ausgeblasenen Luft von ca. 1 bar berechnet wird. Dies kann sowohl mittels Analogtechnik, als auch durch einen Mikrokontroller realisiert werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das (oder die) Steuersignal(e) 5, für das (oder die) elektrisch ansteuerbare(n) Einspritzventil(e) 2 aus dem Leistungssollwert 12 berechnet werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung auf der Grundlage thermodynamischer Gesetze erfolgt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Leistungssollwerts 12 ein Drehmomentsollwert genommen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Leistungssollwerts 12 ein Drehzahlsollwert genommen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät, wenn die Temperatur 13 des Motorgehäuses oder des ausgeblasenen Gases einen bestimmten Wert unterschreitet, eine Heizeinrichtung 14, z. B. einen Lüfter oder die Pumpe eines Flüssigkeitskreislaufs einschaltet.