DE202013004669U1

DE202013004669U1 - Effizienzsteigernde Komponenten für Kolben-Kompressoren und Gasexpansionsmotore

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Publication number: DE202013004669U1
Application number: DE201320004669
Authority: DE
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Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: DE202014002179U1

Abstract

Effizienzsteigernde Komponenten für Kolbenmaschinen, – bestehen aus zwei Teilen 1, 2 – mit oberflächenvergrößernden Strukturen, – wobei Teil 1 am Zylinderkopf 3 und Teil 2 am Kolben 4 befestigt ist.

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 Druckluftspeicher für kleinere Anlagen, z. B. wie in DE 20 2012 010 190.0 dargestellt, 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.
Aus DE 20 2012 010 190.0 ist bekannt, dass bei heute handelsübliche Kleinkompressoren um 100 l/min Luftleistung, wie sie z. B. zum Füllen von Tauchflaschen verwendet werden, nur mit Wirkungsgraden zwischen 20% und 30% aufweisen. Weiterhin ist aus DE 20 2012 007 415.6 und den Datenblättern verschiedener Hersteller bekannt, dass Druckluftmotore für einen Druckluftbereich von 6–8 bar nur Wirkungsgrade um 20% erreichen.
Zur Verbesserung der Wirkungsgrade sind thermodynamische Gesetzmäßigkeiten zu betrachten: Z. B. ist der Energieaufwand bei der Kompression von Gasen ”ein sich selbstverstärkender Prozess”. Denn bei der Kompression erwärmt sich das Gas (siehe Fahrrad-Luftpumpe) ⇒ der Druck steigt ⇒ es muss mehr mechanische Energie zugeführt werden, die zum Teil wieder in Wärme umgewandelt wird ⇒ Druck und Temperatur steigen weiter ⇒ usw. Bei der isothermen Kompression müsste die geringste Wärmemenge abgeführt werden! Dieser Idealzustand ist aber technisch nur näherungsweise zu erreichen. (Die heute übliche „Zwischenkühlung” zwischen den Kompressionsstufen ist allerdings bezüglich Effizienz auch nicht zielführend, da dann ja schon ein hoher Anteil mechanischer Energie in die Erwärmung geflossen ist!)
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kompressionswärme bzw. Expansionskälte schon im Augenblick des Entstehens ab- bzw. zuzuführen. Damit kommt der Prozess näher an die Isothermie und die Effizienz steigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden in den Verdichtungsraum der Kolbenmaschinen zwei Teile mit oberflächenvergrößernden Strukturen eingebaut, wobei das eine Teil am Zylinderkopf und das andere Teil am Kolben befestigt ist. Das Verdichtungsverhältnis bleibt durch ein Ineinandergreifen der Strukturen bei der Kolbenbewegung erhalten.
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 sind die in den Verdichtungsraum der Kolbenmaschinen eingebauten Teile 1, 2 mit oberflächenvergrößernden Strukturen dargestellt, wobei das eine Teil am Zylinderkopf 3 und das andere Teil am Kolben 4 befestigt ist.
Bezugszeichenliste

1: Komponente 1
2: Komponente 2
3: Zylinderkopf
4: Kolben
5: Zylindermantel

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

DE 202012010190 [0005, 0006]
DE 202012007415 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

de.wikipedia.org/wiki/druckluftspeicherkraftwerk [0004]

Claims

Effizienzsteigernde Komponenten für Kolbenmaschinen, – bestehen aus zwei Teilen 1, 2 – mit oberflächenvergrößernden Strukturen, – wobei Teil 1 am Zylinderkopf 3 und Teil 2 am Kolben 4 befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die oberflächenvergrößernden Strukturen von Teil 1 und 2 bei der Kolbenbewegung ineinandergreifen, wodurch das Verdichtungsverhältnis erhalten bleibt.