DE4339402C2 - Verfahren und Anlage zur Umwandlung und Speicherung von Windenergie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von Windenergie, sowie eine Anlage zu seiner Durchführung.

Aus der DE-OS 32 43 860 ist ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Leistung aus Wind­ energie bekannt, bei welchem zunächst die Windenergie mit Hilfe einer Windmühle in Rota­ tionsenergie umgewandelt wird, wobei die Rotationsenergie zum Antrieb eines Luftkompres­ sors verwendet wird, welcher einen Vorrat von unter Druck stehender Luft erzeugt. Die unter Druck stehende Luft bewegt einen ersten Luftmotor, welcher einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt. Die Abluft des ersten Luftmotors wird einem zweiten Luftmotor zugeführt, welcher auf der gleichen Welle wie die Windmühle und der Luftkompressor angeordnet ist und die Windmühle beim Drehen des Luftkompressors unter­ tützt.

Beim Verfahren zur Umwandlung von Windenergie in elektrischen Strom nach der DE-OS 31 42 044 dreht der Wind ein Windrad, welches mit einem Kompressor auf einer Welle angeord­ net ist. Die aus dem Kompressor austretende Druckluft wird einem Luftspeicher zugeführt. Über ein Steuerventil, welches mit dem Luftspeicher strömungsmäßig verbunden ist, ist eine Luftturbine mit Druckluft beaufschlagbar. Die Luftturbine ist mit einem Generator auf einer Welle angeordnet, welcher beim Rotieren der Luftturbine elektrischen Strom erzeugt.

Nachteilig ist bei den bekannten Verfahren, daß dabei die gesamte in Rotationsenergie umge­ wandelte Windenergie zunächst zur Erzeugung von Druckluft verwendet und einem Speicher zugeführt wird. Erst in einem zweiten Schritt werden aus dem Speicher Luftmotore beauf­ schlagt, durch welche mit Hilfe von Generatoren elektrische Energie erzeugt wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung und Spei­ cherung von Windenergie sowie einer Anlage zu seiner Durchführung anzugeben, bei welchem die im Wind enthaltene mechanische Arbeit unmittelbar in elektrischen Strom und/oder in speicherbare Druckluft umgewandelt wird. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Rotor einer Windkraftanlage sowohl einen Turbosatz zur Gewinnung von Druckluft von 3,5 bis 6 bar als auch einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt, daß die Druckluft von 3,5 bis 6 bar mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Hochdruck-Verdichterstufe auf 200 bis 300 bar verdichtet wird, wobei die zum Betrieb der Hochdruck-Verdichterstufe er­ forderliche elektrische Energie von der von dem vom Rotor der Windkraftanlage angetriebenen Generator gelieferten elektrischen Energie abgezweigt wird, und daß bei zu geringer Windge­ schwindigkeit der Turbosatz mit der Druckluft von 200 bis 300 bar beaufschlagt, als Expansi­ onsturbine den Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom antreibt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann wahlweise auch noch dadurch gekennzeichnet sein, daß

• a) die bei der Luftkompression anfallende Wärme durch Wärmeaustausch zu Heizzwec­ ken verwendet wird; und
• b) die bei der Luftdilatation freiwerdende Kälte durch Wärmeaustausch zu Kühlzwecken verwendet wird.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann gekennzeichnet sein durch
einen durch Anströmung mit Wind in Rotation versetzbaren, kraftschlüssig mit einem Ge­ triebe verbundenen Rotor, einen mit dem Getriebe kraftschlüssig verbundenen elektrischen Generator, wobei zwischen dem Getriebe und dem Generator eine erste Kupplung angeord­ net ist; einen mit dem Generator kraftschlüssig verbundenen Turbosatz, wobei zwischen dem Generator und dem Turbosatz eine zweite Kupplung angeordnet ist; einen mit dem Turbosatz gasströmungsmäßig verbundenen Niederdruckspeicher; einen mit dem Nieder­ druckspeicher gasströmungsmäßig verbundenen Hochdruckverdichter, einen mit der Druckseite des Hochdruckverdichters gasströmungsmäßig verbundenen Hochdruckspei­ cher; und eine Rohrleitung, welche den Hochdruckspeicher und den Turbosatz gasströ­ mungsmäßig miteinander verbindet.

Diese Anlage kann wahlweise auch noch dadurch weitergebildet sein, daß

• a) am Turbosatz ein erster Wärmetauscher zur Nutzbarmachung der bei der Luftkom­ pression anfallenden Wärme angeordnet ist; und
• b) am Turbosatz ein zweiter Wärmetauscher zur Nutzbarmachung der bei der Luftdilata­ tion freiwerdenden Kälte angeordnet ist.

Bei der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Turbosatz so­ wohl als Verdichter als auch als Turbine betrieben werden.

Bei der Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Hochdruck­ speicher eine Batterie gasströmungsmäßig miteinander verbundener Stahlflaschen dienen.

In der beigefügten Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens schematisch und teilweise im Schnitt dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 Eine Anlage mit Niederdruckspeicher und getrenntem Hochdruckverdichter;

Fig. 2 eine Anlage mit getrenntem Hochdruckverdichter;

Fig. 3 eine Anlage mit als Hochdruckverdichter ausgebildetem Turbosatz.

Ein an einer Welle angeordneter Rotor 1 ist mit einem Getriebe 2 kraftschlüssig verbunden. Das Getriebe 2 ist mit einem Generator 4 kraftschlüssig verbunden, wobei der Kraftschluß durch eine zwischen beiden Aggregaten angeordnete erste Kupplung 3 aufhebbar ist.

Der Generator 4 ist mit einem Turbosatz 6 kraftschlüssig verbunden, wobei der Kraftschluß durch eine zwischen beiden Aggregaten angeordnete zweite Kupplung 5 aufhebbar ist. Am Turbosatz 6 sind ein erster Wärmeaustauscher 7 zur Nutzbarmachung der bei der Luft­ kompression anfallenden Wärme und ein zweiter Wärmeaustauscher 8 zur Ausnutzung der bei der Luftdilatation anfallenden Kälte für die Gebäudetechnik 13 angeordnet.

Gemäß Fig. 1 ist der Turbosatz 6 gasströmungsmäßig mit einem Niederdruckspeicher 9 ver­ bunden. Der Niederdruckspeicher 9 ist mit der Saugseite eines Hochdruckverdichters 10 verbunden, dessen Druckseite mit einem Hochdruckspeicher 11 in Verbindung steht.

Gemäß Fig. 2 ist der Turbosatz 6 unmittelbar mit der Saugseite des Hochdruckverdichters 10 verbunden, der druckseitig mit dem Hochdruckspeicher 11 in Verbindung steht.

Gemäß Fig. 3 ist der Turbosatz 6 als Hochdruckverdichter ausgebildet und gasströmungs­ mäßig direkt mit dem Hochdruckspeicher 11 verbunden.

Vom Hochdruckspeicher 11 kann auch ein Kraftfahrzeug 12 mit Druckluft als Treibstoff ver­ sorgt werden.

Der Betriebsablauf für das erfindungsgemäße Verfahren ist wie folgt:

Wenn Wind zur Verfügung steht und Bedarf für elektrischen Strom vorliegt, treibt der Rotor 1 bei eingeschalteter erster Kupplung 3 und ausgeschalteter zweiter Kupplung 5 nur den Gene­ rator 4 an.

Der Turbosatz 6 kann jedoch zu jeder Zeit über die zweite Kupplung 5 eingekuppelt werden, beispielsweise als Betriebsbremse des Rotors 1.

Wenn nur eine geringe Menge elektrischen Stroms benötigt wird, läßt sich die Leistung des Generators 4 über seine Erregung zurückregeln und der mitangetriebene und über druckseitige Stellventile geregelte Turbosatz 6 erzeugt entsprechend der vom Generator 4 nicht umgesetz­ ten Energie Druckluft.

Wenn kein elektrischer Strom benötigt wird, kann der vom Generator 4 erzeugte Strom zum Antrieb des Hochdruckverdichters 10 verwendet werden, der die Druckluft aus dem Nieder­ druckspeicher 9 mit beispielsweise 6 bar auf Druckluft von beispielsweise 300 bar verdichtet und dem Hochdruckspeicher 11 zuführt.

Bei Flaute kann der Druckluftvorrat aus dem Hochdruckspeicher 11 nach Ausschaltung der ersten Kupplung 3 zum Betrieb des nunmehr als Turbine laufenden Turbosatzes 6 dienen, der über die eingeschaltete zweite Kupplung 5 den Generator 4 antreibt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von Windenergie, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einer Windkraftanlage sowohl einen Turbosatz zur Gewinnung von Druck­ luft von 3,5 bis 6 bar als auch einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie an­ treibt, daß die Druckluft von 3,5 bis 6 bar mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Hoch­ druck-Verdichterstufe auf 200 bis 300 bar verdichtet wird, wobei die zum Betrieb der Hochdruck-Verdichterstufe erforderliche elektrische Energie von der von dem vom Rotor der Windkraftanlage angetriebenen Generator gelieferten elektrischen Energie abgezweigt wird; und daß bei zu geringer Windgeschwindigkeit der Turbosatz, mit der Druckluft von 200 bis 300 bar beaufschlagt, als Expansionsturbine den Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Luftkompression an­ fallende Wärme durch Wärmeaustausch zu Heizzwecken verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Luftdilatation frei­ werdende Kälte durch Wärmeaustausch zu Kühlzwecken verwendet wird.

4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen durch Anströmung mit Wind in Rotation versetzbaren, kraft­ schlüssig mit einem Getriebe (2) verbundenen Rotor (1); einen mit dem Getriebe (2) kraftschlüssig verbundenen elektrischen Generator (4), wobei zwischen dem Getriebe (2) und dem Generator (4) eine erste Kupplung (3) angeordnet ist, einen mit dem Generator (4) kraftschlüssig verbundenen Turbosatz (6), wobei zwischen dem Generator (4) und dem Turbosatz (6) eine zweite Kupplung angeordnet ist, einen mit dem Turbosatz (6) gasströmungsmäßig verbundenen Niederdruckspeicher (9); einen mit dem Niederdruck­ speicher (9) gasströmungsmäßig verbundenen Hochdruckverdichter (10); einen mit der Druckseite des Hochdruckverdichters (10) gasströmungsmäßig verbundenen Hochdruck­ speicher (11); und eine Rohrleitung (14), welche den Hochdruckspeicher (11) und den Turbosatz (6) gasströmungsmäßig miteinander verbindet.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Turbosatz (6) ein erster Wärmeaustauscher (7) zur Nutzbarmachung der bei der Luftkompression anfallenden Wärme angeordnet ist.

6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Turbosatz (6) ein zweiter Wär­ meaustauscher (8) zur Nutzbarmachung der bei der Luftdilatation freiwerdenden Kälte an­ geordnet ist.