DE202014001543U1

DE202014001543U1 - Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckluft

Info

Publication number: DE202014001543U1
Application number: DE202014001543.0U
Authority: DE
Original assignee: CONVIA GmbH
Current assignee: CONVIA GmbH
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2014-06-27
Anticipated expiration: 2024-02-15

Abstract

Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckluft mit mindestens einem Windrad (1) zum Antrieb mindestens eines Kompressors (3) zur Verdichtung von Luft und mit einem Hauptspeicher (5) zum Speichern von Druckluft mit Anschlüssen (7, 8) für Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptspeicher (5) ein Vorspeicher (6) vorgeschaltet ist, der bei einem Druck im Vorspeicher (6) größer als der Druck im Hauptspeicher (5) über ein Überströmventil (13) Druckluft vom Vorspeicher (6) in den Hauptspeicher (5) abgibt, so dass der Hauptspeicher (5) bis zu einer oberen Druckgrenze aufgeladen wird und danach der Vorspeicher (6) auf einen Reservespeicher umschaltbar ist oder komprimierte Luft aus dem Vorspeicher (6) abblasbar ist oder der Antriebsstrang zwischen dem Windrad 1) und dem Kompressor (3) unterbrechbar ist, und dass bei einer Unterschreitung einer unteren Grenze eines vorgegebenen Betriebsdruckes im Hauptspeicher (5) ein elektrisch betriebener Kompressor (4) aktivierbar ist, der vorkomprimierte Luft aus dem Vorspeicher (6) oder bei fehlender vorkomprimierter Luft Umgebungsluft ansaugt und seine komprimierte Luft direkt in den Hauptspeicher (5) abgibt und beim Erreichen einer oberen Druckgrenze im Hauptspeicher (5) der elektrisch betriebene Kompressor (4) deaktivierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft die Bereitstellung von Druckluft insbesondere in klein- und mittelständischen Unternehmen unter Nutzung der Windkraft als Primärenergie.
Derartige Anlagen sind bekannt. So beschreibt die DE 36 28 651 A eine Anlage zur Nutzung der Windenergie mit einem Windrad und einem vom Windrad antreibbaren, dem Windrad nachgeschalteten Kompressor und einen mit dem Kompressor mediumleitend verbundenen Druckspeicher für das vom Kompressor komprimierte Medium. Der Druckspeicher ist mediumleitend als Versorgungsreservoir an eine Strömungsmaschine angeschlossen, u. a. zu einem Elektrogenerator zu dessen Antrieb. In ähnlicher Weise arbeiten auch die Anlagen gemäß DE 31 42 044 A1 und DE 199 11 534 A1 .
Die DE 199 03 907 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Antreiben eines hydraulischen Verbrauchers mit einem pneumatisch-hydraulischen Wandler, über den in einem Gas gespeicherte Energie in hydraulische Energie umsetzbar ist. Parallel zum Wandler ist ein Freikolbenmotor geschaltet, so dass der Verbraucher wahlweise über den Wandler und/oder über den Freikolbenmotor antreibbar ist, um so die Kapazität der im Gas gespeicherten Energie bestmöglich auszunutzen. Die im Gas gespeicherte Energie wird mittels eines Windrades, das einen Kompressor antreibt gewonnen und vorzugsweise in Gasflaschen gespeichert.
Aus der DE 20 2008 013 631 U1 ist es bekannt, den Stahlturm einer Windkraftanlage als Pressluftspeicher zu nutzen, um bei fehlendem Wind oder geringem Wind den ansonsten durch das Windrad angetriebenen Generator anzutreiben.
Die DE 39 08 162 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Versorgung einer Kläranlage mit Druckluft. Statt einer elektrischen Betreibung eines Lüftungsgebläses kommt ein Windrad zum Einsatz, an dem unmittelbar ein Kompressor angeordnet ist. So soll die zweimalige Energieumformung von z. B. Windkraft in elektrische Energie und von elektrischer Energie in Druckluft vermieden werden.
Letztlich soll noch auf die DE 43 39 402 C2 verwiesen werden, bei der durch ein Windrad sowohl ein Turbosatz zur Gewinnung von speicherbarer Druckluft als auch ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben werden. Die gespeicherte Druckluft soll in windarmen Zeiten zum Antrieb des Generators zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden.
Die Lösungen des Standes der Technik benötigen entweder einen überdimensionierten Speicher, um ausreichend Druckluft für windarme Zeiten speichern zu können, oder, soweit weitere Antriebe vorgesehen sind, sind für die Verbraucher zwei separate Antriebswege vorgesehen, was den Anlagenaufwand ebenfalls erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, die zur Verfügung stehende Windenergie effizienter zur Bereitstellung von gespeicherter Druckluft für Verbraucher zu nutzen, wobei das Speichervolumen optimal an den Verbraucherbedarf an Druckluft anpassbar sein und Prozesswärme einer Nutzung zugeführt werden sollen, um den Wirkungsgrad insgesamt zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird zur Bereitstellung von Druckluft aus einem Hauptspeicher für Verbraucher unter Nutzung von Windkraft, die über ein oder mehrere Windräder direkt einen oder mehrere Kompressoren antreibt, vorgeschlagen, dass
die durch die windgetriebenen Kompressoren komprimierte Luft in einem Vorspeicher gesammelt wird, wobei

– bei einem Druck im Vorspeicher größer als der Druck im Hauptspeicher durch ein Überströmen der Druckluft vom Vorspeicher in den Hauptspeicher der Hauptspeicher bis zu einer oberen Druckgrenze aufgeladen wird und danach der Vorspeicher auf einen Reservespeicher umschaltet oder komprimierte Luft aus dem Vorspeicher abgeblasen oder der Antriebsstrang zwischen Windrad und Kompressor unterbrochen wird,
– bei einer Unterschreitung einer unteren Grenze eines vorgegebenen Betriebsdruckes im Hauptspeicher ein elektrisch betriebener Kompressor aktiviert wird, der Luft aus dem Vorspeicher ansaugt und seine komprimierte Luft direkt in den Hauptspeicher abgibt und beim Erreichen einer oberen Druckgrenze im Hauptspeicher der elektrische Kompressor deaktiviert wird.

Bei der Luft, die der elektrisch betriebene Kompressor aus dem Vorspeicher zieht, handelt es sich in erster Linie um durch das Windrad vorkomprimierte Luft. Das bedeutet eine Entlastung des Kompressors. Erst wenn der Druck im Vorspeicher auf den Umgebungsdruck gefallen ist, wird z. B. über einen Bypass das Ansaugen von Umgebungsluft durch den Kompressor ermöglicht.
Bei Luft im hier gebrauchten Sinn handelt es sich in erster Linie um atmosphärische Luft, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sei soll. Vielmehr ist die Erfindung auch für andere Gase nutzbar, wenn diese unkomprimiert oder teilkomprimiert aus entsprechenden Behältnissen bereitgestellt wird oder auch zusammen mit atmospärischer Luft vermischt komprimiert werden soll.
Das entsprechende Windrad ist von den Dimensionen her so ausgewählt, dass es direkt auf dem Betriebsgelände aufgebaut und auch mehrere Aggregate parallel betrieben werden können. Das Windrad wird bevorzugt über ein Spezialgetriebe mit Drehzahlregelung an den Kompressor angeflanscht, vorzugsweise mit Abtriebsdrehzahlen bis 10.000 U/min.
Die Druckluft wird über einen Vorspeicher in einem entsprechend groß dimensionierten Hauptspeicher gespeichert und der unregelmäßige Bedarf ausgeglichen. Die minimalen und maximalen Grenzen für den Luftdruck werden von einer elektronischen Regelung überwacht und durch Zu- und Abschaltung z. B. der Kompressorkupplung gesteuert.
In Fällen, wo nicht nur ein Kompressor zur Erzeugung der benötigten Mengen eingesetzt ist (Nachrüstung) oder werden soll, weil die Bedarfsschwankungen den Betrieb in wenig effektiven Teillastbereichen erfordern würde und deshalb für die Grundlast im optimalen Leistungsbereich dauernd betriebene Kompressorgruppen und für die Lastspitzen zusätzliche drehzahlgeregelte Kompressoren zu- und abgeschaltet werden, sieht die Erfindung vor, dass die Grundlast durch die windkraftgetriebenen Kompressoren geliefert wird und das schwankende Leistungsangebot, wie auch der schwankende Bedarf durch elektromotorisch angetriebene Kompressoren ausgeglichen wird.
Dies gestattet, dass das Windrad in einem weiten Leistungsbereich auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten betrieben werden kann, da der elektrisch betriebene Kompressor auch wenig vorkomprimierte Luft nutzt. Die mögliche Betriebsdauer des Windrades und die damit nutzbare Energie können so deutlich erhöht werden. Bei einem erweiterten Nutzungsbereich der Windkraftanlage auf Antriebsgeschwindigkeiten von 2...20 m/s ist von einer Energieentnahme von mehr als 24.000 kWh/a auszugehen.
Vergleichbare Anlagen, die Elektrogeneratoren antreiben, arbeiten in Nutzungsbereichen von 5...15 m/s und einer elektrischen Energieabgabe von ca. 15.000 kWh/a.
In einer bevorzugten Ausführung wird die Kompressionswärme der windkraftgetriebenen und der elektrisch betriebenen Kompressoren über Kühlkreisläufe abgeführt und einer weiteren Nutzung zugeführt, z. B. zur Erzeugung von Heißwasser, das nach einer Zwischenspeicherung Verbrauchern zur Verfügung gestellt wird. Gegenüber den elektrisch betriebenen Kompressoren, die mit einem Wirkungsgrad von 35% arbeiten, ist durch diese Abwärmenutzung eine Steigerung des Wirkungsgrades auf 65% erreichbar.
Die Kühlmittelumschichtung der Kühlkreisläufe der Kompressoren wird mittels mindestens einer luftbetriebenen Pumpe vorgenommen, die als Verbraucher an den Hauptspeicher angeschlossen ist. Somit fällt auch hier kein zusätzlicher Bedarf an Elektroenergie an.
In dem Fall, dass bei nicht ausreichendem Wind der Bedarf an Druckluft nicht gedeckt werden kann, besteht die Möglichkeit, mittels des Turboeffekts einen elektrisch betriebenen Kompressor durch die erzeugte Druckluft aufzuladen.
Dieser saugt über den Vorspeicher die vorkomprimierte Luft an und speist direkt in den Hauptspeicher. Da er dabei bereits vorkomprimierte Luft nutzt, erfordert dies auch eine geringere Leistung. Währenddessen lädt der windkraftgetriebene Kompressor so wie möglich weiter den Vorspeicher auf. Ist die obere Druckgrenze im Hauptkessel erreicht, wird der elektrisch betriebene Kompressor abgeschaltet. Sinkt der Druck, weil die Windkraft nicht ausreicht wieder unter die untere Grenze so wiederholt sich dieser Zyklus erneut.
Untere Grenze im hier gebrauchten Sinn kann ein Absolutwert sein oder auch eine berechnete Tendenz zu Annäherung an einen Absolutwert. Letzeres ermöglicht es, den elektrischen Kompressor bereits frühzeitiger zu aktivieren, so dass auch eine kurzzeitige Unterschreitung eines Absolutwertes ausgeschlossen werden kann.
Als Kompressor wird bevorzugt ein Verdichter eingesetzt, bei dem die Geschwindigkeit des Hubes keine Rolle spielt und evtl. die zu geringe Antriebskraft vom Windrad durch das Getriebe ausgeglichen werden kann. Die Antriebsleistung des Windrades wird über eine Welle zum Fußpunkt übertragen und der Kompressor direkt daneben platziert. Die Medien Luft und Warmwasser können leicht über Rohrsysteme weitergeleitet werden.
Die elektronische Steuerung ist so konzipiert, dass Schnittstellen vorgesehen sind, so dass sinnvolle Komponenten eingebunden werden können, wie z. B. auch eine Wärmepumpe oder Adsorptionskältemaschine, die in den Sommermonaten genutzt werden kann, um aus der Temperaturdifferenz zwischen Heißwasser und Umgebungstemperatur Kühlwasser für die Raumkühlung zu erzeugen.
Anhand der Zeichnung soll die erfindungsgemäße Vorrichtung erläutert werden. Die 1 zeigt die Vorrichtung mit mindestens einem Windrad 1 zum Antrieb mindestens eines Kompressors 3 zur Verdichtung von Luft und mit einem Hauptspeicher 5 zum Speichern von Druckluft mit Anschlüssen 7, 8 für Verbraucher.
Dem Hauptspeicher 5 ist ein Vorspeicher 6 vorgeschaltet, der bei einem Druck im Vorspeicher 6 größer als der Druck im Hauptspeicher 5 über ein schaltbares Überströmventil 13 Druckluft vom Vorspeicher 6 in den Hauptspeicher 5 abgibt, so dass der Hauptspeicher 5 bis zu einer oberen Druckgrenze aufgeladen wird und danach der Vorspeicher 6 auf einen Reservespeicher umschaltbar ist oder der Antriebsstrang zwischen dem Windrad 1 und dem Kompressor 3 unterbrechbar ist, und oder Druckluft abgeblasen wird.
Beim Druckluftabblasen läuft der windgetriebene Kompressor 3 weiter, so dass hier auch weiter nutzbare Abwärme entsteht.
Bei einer Unterschreitung einer unteren Grenze eines vorgegebenen Betriebsdruckes im Hauptspeicher 5 ist ein elektrisch betriebener Kompressor 4 aktivierbar, der Luft aus dem Vorspeicher 6 ansaugt und seine komprimierte Luft direkt bei geschlossenem Überströmventil 13 in den Hauptspeicher 5 abgibt und beim Erreichen einer oberen Druckgrenze im Hauptspeicher 5 der elektrisch betriebene Kompressor 4 deaktivierbar ist. Fällt der Druck im Vorspeicher 6 auf den Umgebungsdruck, wird der Kompressor 4 auf das Ansaugen von Umgebungsluft umgeschaltet.
Im Antriebsstrang Windrad 1 – Kompressor 3 ist ein Getriebe 2 zur Drehzahlreglung des windgetriebenen Kompressors 3 angeordnet.
Die Kompressoren 3, 4 sind mit einem Kühlsystem 9 mindestens teilweise ummantelt zur Abführung der Kompressionswärme über Zu- und Abläufe 10, 11 in einen Heißwasserspeicher oder zu einem Wärmetauscher eines Heißwasserspeichers oder zu anderen zur Wärmeabnahme bzw. Zwangskühlung geeignete Systeme.
In den Zu- und/oder Abläufen 10, 11 ist die mindestens eine notwendige druckluftbetriebene Umwälzpumpe 12 angeordnet, die vorteilhafterweise mit Druckluft direkt aus dem Hauptspeicher 5 betrieben wird.
Eine weitere Verbesserung der Effizienz besteht darin, dass die Heißwasserkessel nicht nur bis auf die Betriebstemperaturen von 35...60°C aufgeladen werden, sondern auf mehr als 70°C. Um auf die Vorlauftemperaturen der Brauch- und Heizwasserkreise herunter zu kühlen, wird der Vorlauf deshalb über Bypässe gemischt.
Bezugszeichenliste

1: Windrad
2: Getriebe
3: windgetriebener Kompressor
4: elektrisch betriebener Kompressor
5: Hauptspeicher
6: Vorspeicher
7: Anschluss Verbraucher
8: Anschluss Verbraucher
9: Kühlsystem
10: Zulauf
11: Ablauf
12: Umwälzpumpe
13: Überströmventil

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 3628651 A [0002]
DE 3142044 A1 [0002]
DE 19911534 A1 [0002]
DE 19903907 A1 [0003]
DE 202008013631 U1 [0004]
DE 3908162 A1 [0005]
DE 4339402 C2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung von Druckluft mit mindestens einem Windrad (1) zum Antrieb mindestens eines Kompressors (3) zur Verdichtung von Luft und mit einem Hauptspeicher (5) zum Speichern von Druckluft mit Anschlüssen (7, 8) für Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hauptspeicher (5) ein Vorspeicher (6) vorgeschaltet ist, der bei einem Druck im Vorspeicher (6) größer als der Druck im Hauptspeicher (5) über ein Überströmventil (13) Druckluft vom Vorspeicher (6) in den Hauptspeicher (5) abgibt, so dass der Hauptspeicher (5) bis zu einer oberen Druckgrenze aufgeladen wird und danach der Vorspeicher (6) auf einen Reservespeicher umschaltbar ist oder komprimierte Luft aus dem Vorspeicher (6) abblasbar ist oder der Antriebsstrang zwischen dem Windrad 1) und dem Kompressor (3) unterbrechbar ist, und dass bei einer Unterschreitung einer unteren Grenze eines vorgegebenen Betriebsdruckes im Hauptspeicher (5) ein elektrisch betriebener Kompressor (4) aktivierbar ist, der vorkomprimierte Luft aus dem Vorspeicher (6) oder bei fehlender vorkomprimierter Luft Umgebungsluft ansaugt und seine komprimierte Luft direkt in den Hauptspeicher (5) abgibt und beim Erreichen einer oberen Druckgrenze im Hauptspeicher (5) der elektrisch betriebene Kompressor (4) deaktivierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressoren (3, 4) mit einem Kühlsystem (9) mindestens teilweise ummantelt sind zur Abführung der Kompressionswärme über Zu- und Abläufe (10, 11).
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zu- und/oder Abläufen (10, 11) mindestens eine druckluftbetriebene Umwälzpumpe (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die druckluftbetriebene Umwälzpumpe (12) mit dem Hauptspeicher (5) zum Antrieb mit Druckluft aus dem Hauptspeicher (5) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Antriebsstrang Windrad (1) – Kompressor (3) ein Getriebe (2) zur Drehzahlreglung des windgetriebenen Kompressors (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptspeicher (5) zu Steuerungszwecken mindestens mit Druckmessern zur Überwachung der oberen und der unteren Druckgrenze ausgerüstet ist und der Vorspeicher (6) über mindestens einen Druckmesser verfügt.