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Die
Erfindung bezieht sich auf ein System zum Erzeugen von elektrischer
Pufferenergie, mit dem eine ununterbrochene Stromversorgung für Anlagen
wie Computer und Kommunikationssysteme bereitgestellt wird.
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Herkömmlicherweise
wird Pufferenergie von Notstromgeneratoren geliefert, die mit fossilen Brennstoffen
betrieben und häufig
durch eine Batterie gestartet werden. Batterien, die zum Starten
von Notstromgeneratoren oder zum Speichern von Energie benutzt werden,
um ununterbrechbare Stromversorgungen bereitzustellen, haben eine
begrenzte Lebensdauer und verlangen einen beträchtlichen Aufwand an Wartung.
In heißem
Klima werden die Probleme durch eine weitere Verringerung der Batterielebensdauer
und durch die Forderung verstärkt,
dass die Energie nicht nur eingesetzt wird, um elektronische Steuersysteme
in Betrieb zu halten, sondern auch, um sie mit Hilfe einer Klimaanlage
kühl zu
halten.
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Das
US-Patent 4 281 256 beschreibt ein Druckluftenergiespeichersystem,
das eine Verbrennungskraftmaschine hat, die während Perioden geringen Bedarfs
als ein Verdichter betreibbar ist, um einen Speicherbehälter aufzuladen,
und während Spitzenperioden
als ein durch Druckluft aus dem Behälter angetriebener Expander.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System zu schaffen,
dass nicht nur elektrische Pufferenergie erzeugt, sondern auch eine
kühle Umgebung
herstellt, um Systeme auf einer niedrigen Betriebstemperatur zu
halten. Ein solches Erzeugungssystem wird ohne die Verwendung von
fossilen Brennstoffen und ohne den Rückgriff auf Batterien arbeiten.
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Durch
die Erfindung wird ein System geschaffen zum Erzeugen von elektrischer
Pufferenergie, mit einem Behälter,
der dafür
ausgebildet ist, ein Volumen an Druckgas aufzunehmen, einem Ventil zum
Freisetzen von Gas aus dem Behälter
bei einem vorbestimmten Druck, einem Expander, der dafür ausgebildet
ist, freigesetztes Gas zu empfangen und das durch den Expander hindurchgeleitete
freigesetzte Gas weiterzuleiten, und einem elektrischen Generator,
der mit dem drehbaren Teil des Expanders in Antriebsverbindung steht,
um so einen Vorrat an elektrischer Energie zu erzeugen, dadurch
gekennzeichnet, dass der Expander ein Spiralexpander ist.
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Die
Energie ist in dem Gas enthalten, das in dem Behälter mit einem Druck in dem
Bereich von 300 bar gespeichert ist. Die gespeicherte Druckgasenergie
nimmt mit der Umgebungstemperatur nicht ab und hat so das Potential,
eine zuverlässige
Energiereserve mit einer langen nutzbaren Lebensdauer zu bilden.
Mechanische Energie kann so zurückgewonnen
werden, wenn dem Druckgas zu expandieren gestattet wird, und die
mechanische Energie kann in elektrische Energie umgewandelt werden,
indem ein Generator verwendet wird. Dieses System wird so arbeiten,
dass, wenn elektrische Energie benötigt wird, das Druckgas aus
dem Behälter über einen
Regler abgegeben wird, um einen Luftstrom mit einem reduzierten
Druck in dem Bereich von 10 bar zu liefern. Das Gas wird dann dem
Spiralexpander zugeführt,
der durch das Hindurchleiten des Gases mechanisch in Drehung versetzt
wird und der dann mechanisch den elektrischen Generator, der mit
der Welle des Spiralexpanders verbunden ist, in Drehung versetzt,
um die notwendige elektrische Energie zu liefern.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden lediglich beispielshalber unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Blockschaltbild der Hauptkomponenten des Systems zum Erzeugen von
elektrischer Pufferenergie gemäß einer
ersten Ausführungsform ist;
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2 ein ähnliches
Schaltbild der Komponenten einer zweiten Ausführungsform ist;
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3 einen
Steueralgorithmus veranschaulicht; und
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4 die
Komponenten eines Systems zum Zurückgewinnen von Energie aus
den Systemen nach den 1 und 2 zeigt.
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Das
System nach 1 umfasst einen mehrstufigen
Luftverdichter und -trockner 10, der dafür ausgebildet
ist, einen Druckbehälter 11 aufzuladen,
der, z.B., 300 Liter getrocknete und verdichtete Luft enthält, von
welcher das Energieäquivalent
in dem Bereich von 11 kW-Stunden liegt. Die trockene Luft wird bei
einem Taupunkt von –30 °C gespeichert. Trockene
Luft ist wichtig, um Korrosion des Behälters 11 zu verhindern,
wenn er aus Stahl besteht, und um Eisbildung zu verhindern, wenn
die Luft entspannt wird. Die Erzeugung von derartiger Hochdruckluft
in dem Bereich von 300 bar ermöglicht
eine beträchtliche
Dichte der Energiespeicherung bei einem relativ kleinen Volumen.
Der Verdichter 10 wird mit elektrischer Energie aus dem öffentlichen
Netz versorgt.
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Das
Verdichten von Luft auf einen so hohen Druck erzeugt beträchtliche
Abwärme,
die aus dem Verdichter abgeleitet oder für irgendeinen anderen Verwendungszweck
eingesetzt werden kann. Der Behälter 11 kann
aus einer Stahlkonstruktion bestehen ähnlich wie Behälter, wie
sie zum Speichern von industriellen Prozessgasen verwendet werden.
Alternativ kann der Behälter
aus Kohlefaser bestehen wie z.B. diejenigen, die in der Automobilindustrie
zum Aufnehmen von verdichtetem Erdgas verwendet werden.
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Stromabwärts von
dem Behälter 11 und
dafür ausgebildet,
Druckluft aus demselben zu empfangen, befindet sich ein Druckregler 12,
der so eingestellt werden kann, dass er den Druck der gespeicherten
Luft auf einen Arbeitswert in dem Bereich von 10 bar reduziert.
Der Regler wird hinsichtlich seines Ausgangsdruckes durch ein elektronisch
betriebenes Steuersystem 13 gesteuert, um die Ausgangsleistung
des Systems festzulegen.
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An
dem Auslass des Druckreglers 12 befindet sich ein elektromagnetisch
bestätigtes
Ventil 14, das von dem Typ ist, der normalerweise offen
ist und durch Versorgung mit elektrischer Energie in einen Schließzustand
gebracht wird. Das Ventil wird elektrisch geschlossen gehalten,
während
die elektrische Energieversorgung aus dem öffentlichen Netz vorhanden
ist, und öffnet
somit, um die Luft aus dem Regler zu liefern, wenn die elektrische
Energiever sorgung ausfällt.
Die gespeicherte Luft, die von dem Regler 12 abgegeben
wird, wird über
das Magnetventil 14, wenn es betätigt ist, einem Spiralexpander 15 zugeführt. Diese
Vorrichtung ist tatsächlich
ein ölfreier
Spiralverdichter, der umgestaltet worden ist, um als ein Expander
arbeiten zu können.
Im Betrieb wird die Druckluft mit einem Druck von 10 bar durch den
Expander hindurchgeleitet, wo sie sich auf Atmosphärendruck
entspannt und wo die Wirkung der Entspannung bewirkt, dass sich
eine Welle 15a des Spiralverdichters 15 dreht.
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Die
entspannte Luft, die den Spiralexpander 15 verlässt, ist
trocken, frei von Öl
und Verunreinigungen und auf einer Temperatur unterhalb von 0 °C. Diese
gekühlte
Luft ist ideal zum Kühlen
der Elektronik des Systems und der Klimaanlage des Raumes, welcher
die Elektronik enthält.
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Ein
Spiralverdichter ist eine Maschine mit hohem Wirkungsgrad, wenn
er mit traditionelleren Hubkolben-, Schaufel- oder Turbinenexpandern
verglichen wird.
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Mit
der Welle 15a des Expanders 15 ist ein elektromagnetischer
Generator 16 verbunden, der elektrische Energie liefert,
beispielsweise mit 48 Volt Gleichspannung. Diese kann je nach dem
Bedarf eines Gerätes,
welchem die elektrische Pufferenergie zuzuführen ist, herauf- oder herabgestuft
werden.
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Eine
Energiekonditioniereinheit 17 steuert die abgegebene Energie
und bildet auch eine elektrische Stromversorgung für die Steuereinheit 13.
Die Einheit 17 enthält
Kondensatoren zum Speichern einer kleinen Menge von elektrischer
Energie. Diese Kondensatoren werden von der elektrischen Hauptstromversorgung
voll aufgeladen gehalten, so dass, wenn die Energieversorgung ausfällt, die
Kondensatoren die elektrische Restpufferenergie liefern werden,
bis der Spiralexpander 15 und der Generator 16 die
notwendige elektrische Energie produzieren können, was eine oder mehrere
Sekunden dauern kann. Deshalb kann das System eine echte ununterbrechbare
Versorgung mit Energie und nicht einfach mit Pufferenergie bieten.
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Wenn
im Gebrauch die normale elektrische Stromversorgung aus dem öffentlichen
Netz verfügbar
ist, ist das Spiralexpandersystem nicht in Betrieb, und die Reserveenergie
wird in dem Behälter 11 gespeichert.
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Eine
ununterbrochene Energieversorgung ist augenblicklich erforderlich,
wenn die Energieversorgung aus dem öffentlichen Netz ausfällt.
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Bei
dem Ausfall und für
eine Anfangsperiode, während
welcher der Spiralexpander 15 und der Generator 16 Betriebsdrehzahl
erreichen und die verlangte Energie liefern, wird die elektrische
Stromversorgung von dem Kondensatorenergiespeicher in der Energiekonditioniereinheit 17 her
aufrechterhalten.
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Weiter
dient die Einheit 17 einem zweiten Zweck, nämlich das
langsame Ansprechen des Expanders 15 und des Generators 16 an
schnelle Änderungen
in der verlangten Belastung anzupassen. Wenn z.B. angenommen wird,
dass der Ausgangsenergiebedarf nahezu augenblicklich von 300 Watt
auf 600 Watt geändert
wird, wird das System eine endliche Zeit benötigen, um auf die Belastungsänderung zu
reagieren, und während
dieser Zeitspanne wird der Kondensatorenergiespeicher das Defizit
decken. Umgekehrt, wenn der Ausgangsleistungsbedarf augenblicklich
von 600 Watt auf 300 Watt reduziert wird, wird wiederum der Expander-Generator
eine endliche Zeit benötigen,
um eine reduzierte Drehzahl und Ausgangsleistung zu erreichen, wobei
während
dieser Zeitspanne der Kondensatorenergiespeicher die überschüssige Energie
absorbieren wird, die durch den Expander/Generator geliefert wird.
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Es
dürfte
klar sein, dass ein System nach der Erfindung nicht nur eine echte
ununterbrechbare Energieversorgung bietet, sondern auch ölfreie,
saubere und trockene Luft speichert und freisetzt, die so den Expander 15 verlässt und
zur Klimatisierung und zum Kühlen
von elektronischer Ausrüstung
verwendet werden kann, und dabei nicht auf die Verwendung von fossilen
Brennstoffen oder Batterien zurückgreift.
Sowohl der Verdichter 10 als auch der Expander 15 arbeiten
im Wesentlichen ölfrei,
so dass eine Verunreinigung der Luft vermieden wird.
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In 2,
auf die nun Bezug genommen wird, ist eine zweite Ausführungsform
gezeigt, in welcher der Strom von Energie in dem System weiter gesteigert
wird. Die elektrische Stromversorgung aus dem öffentlichen Netz ist bei 201 dargestellt
und besteht aus einer Versorgung mit Wechselstrom, der mit einem
Gleichrichter 202 gleichgerichtet und dann durch ein Gleichstromverbindungsglied
geleitet wird, um in einem Energiewandler 204 in eine für die verlangte
Belastung geeignete Form umgewandelt zu werden.
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Das
Gleichstromverbindungsglied umfasst einen Kondensatorenergiespeicher 212,
eine Spannungsmessvorrichtung VMD und eine Strommessvorrichtung
CMD.
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Die
Gleichstromenergie, die durch den Energiewandler 204 geliefert
wird, kann z.B. 48 Volt Gleichspannung sein für Telekommunikationszwecke,
alternativ könnte
aber der Energiewandler 204 in Form eines Netzstromrichters
bereitgestellt werden, um synthetisierte Wechselstromenergie für Netzfrequenz-
und -spannungslasten zu liefern.
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Zu
den Zeiten, zu denen die Stromversorgung unterbrochen wird, schaltet
das System um auf den Betrieb aus der Druckluftversorgung 206,
die dem Luftempfänger 11 in 1 äquivalent
ist. Energie ist in der Druckluft enthalten, der gestattet wird, durch
ein Luftsolenoid 207 und einen elektronischen Luftregler 208 zu
strömen.
Der Regler 208 wirkt als eine Drossel zum Regeln des Luftstromes
zu einem Spiralexpander 209, wo die Luft entspannt wird.
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Der
Spiralexpander 209 treibt einen elektrischen Wechselstromgenerator 210 an,
um elektrische Wechselstromenergie zu erzeugen. Diese wird durch
einen zweiten Gleichrichter 211 in Gleichstromenergie umgewandelt,
dessen Ausgang mit dem Gleichstromverbindungsglied 203 verbunden
ist. Die Energie fließt
somit über
das Gleichstromverbindungsglied zu dem Ausgangsenergiewandler 204, um
die Belastung 205 zu versorgen.
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Um
ausreichend Zeit zur Verfügung
zu stellen, damit der Expander 209 seine kritische Betriebsdrehzahl
erreichen und auf schnelle Änderun gen
im Lastbedarf reagieren kann, ist der Kondensatorenergiespeicher 212 an
dem Gleichstromverbindungsglied vorgesehen.
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Das
Management des Energiestromes während
eines Betriebes mit Luft, d.h. wenn die elektrische Energieversorgung
aus dem öffentlichen
Netz unterbrochen ist, erfolgt durch einen elektronischen Regler 213.
Die Regelalgorithmen sind in 3 dargestellt,
wo die Gleichstromverbindungsgliedspannung und der Gleichstromverbindungsgliedstrom
bei 301 ständig überwacht
werden und die verlangte Energie durch Signalmultiplikation bei 302 berechnet wird.
Der Regler enthält
ein mathematisches Modell 303 für den Betrieb des Expanders,
der so den verlangten Luftdruck für jeden Lastbedarf liefern
kann.
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Gleichzeitig
wird die Istspannung des Gleichstromverbindungsgliedes mit der Sollspannung
des Gleichstromverbindungsgliedes bei 304 verglichen, und
ggf. wird ein Fehlersignal bei 305 erzeugt. Dieses Signal
wird durch einen Proportional-Integral-Differenzial (PID)-Regler 306 und
einen Begrenzer 307 geleitet, um ein Druckeinstellsignal
bereitzustellen.
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Schließlich wird
das anhand des Lastbedarfes gewonnene Drucksignal aus dem Modell 303 bei 308 mit
dem Druckeinstellsignal summiert, bevor es als ein Solldrucksignal 309 von
dem Regler 213 geliefert wird, um den elektronischen Luftdruckregler 208 und
das Luftsolenoid 207 einzustellen.
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Zu
jeder Zeit überwacht
der Regler 213 die elektrische Energieversorgung bei 201 über ein Netz-Vorhanden-Relais 214.
Das Netz-Vorhanden-Signal
bei 310 geht durch einen Signalwandler 311 hindurch
und wird verwendet, um das Luftsolenoid 207 zu steuern
und das Solldrucksignal bei 309 abzugeben. Wenn somit die
elektrische Netzversorgung verfügbar
ist, ist dass Luftsolenoid 207 „Aus" und das Solldrucksignal ist blockiert.
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Gegenwärtig verfügbare Luftexpander
tendieren dazu, die verdichtete Luft zu unterexpandieren und so
Luft abzugeben, die noch beträchtliche
Energie mit einem Druck oberhalb des Atmosphärendrucks enthält. Das
Folgende ist eine Beschreibung eines Systems zum Zurückgewinnen
der in dieser unterexpandierten Luft enthaltenen Energie und deshalb
zum Optimieren des Wirkungsgrades des Systems.
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Luftexpander
haben ein Verdichtungsverhältnis,
das niedriger ist als das Verhältnis
des Druckes der treibenden Luft zum Atmosphärenluftdruck. Zum Beispiel
kann der Luftexpander 15, 209 ein Expansionsverhältnis von
3:1 haben. Bei einem solchen Expander kann es erforderlich sein,
dass er mit Luft mit einem Druck von 9 bar versorgt wird, um die
verlangte Ausgangsleistung zu liefern. In diesem Fall wird die Luft
den Expander mit 3 bar verlassen und somit noch beträchtliche
Energie enthalten. 4 veranschaulicht ein System
zum Zurückgewinnen der
Energie aus der abgegebenen Druckluft.
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In
dem Fall eines Expanders mit einem niedrigen Expansionsverhältnis, wie
er oben erläutert worden
ist, geht ein Minimum an abgegebener Energie verloren, wenn der
Druck an dem Auslass des Expanders auf einem Druck oberhalb des
Atmosphärendruckes
gehalten wird, indem ein Gegendruckregelventil verwendet wird. Ein
solches Ventil ist bei 41 in 4 gezeigt.
Da Luft normalerweise mit einem viel höheren Druck verfügbar ist,
als er durch den Expander verfangt wird, kann die Hochdruckluft
verwendet werden, um den Druck von einem Teil der Luft aus dem Expander
zu erhöhen,
um so die Menge an Luft zu reduzieren, die erforderlich ist, um
eine bestimmte Energiemenge zu erzeugen.
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Die
Hochdruckluft muss zuerst auf einen konstanten Druck reduziert werden,
der geeignet ist, um das Expander-Venturi 42 durch einen
Regler 43 anzusteuern. Die Luft gelangt dann in das Venturi
als die treibende Luft, und diese nimmt die Niederdruckluft aus
dem Auslass des Expanders mit, die auf Atmosphärendruck oder einem höheren Druck
sein kann, wenn das Überdruckventil 41 vorgesehen
ist. Somit gelangt die Niederdruckausgangsluft über das Rückschlagventil 45 in
das Venturi 42. Die vereinigte Luft wird mit einem Druckwert
abgegeben, der zwischen demjenigen der treibenden Luft und demjenigen
der mitgeführten
Luft liegt.
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Wenn
der Energiebedarf der Last variabel ist, kann ein weiterer Druckregler 46 vorgesehen
werden, um den Eingangsdruck des Expanders aufgrund eines Steuersignals
zu verändern.
Dieser Regler ist dem bei 208 in 2 gezeigten äquivalent
und wird an dem elektronischen Regelsystem 213 betrieben.
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Ein
weiteres Ventil 47 kann eingefügt werden entweder als ein
Regler, um eine ausreichende Luftzufuhr zu Zeiten hohen Bedarfs
zu gewährleisten, oder
als ein Solenoidventil, welches öffnet,
wenn der Druck aus der Hochdruckluftquelle unter einen Wert sinkt,
welcher zum Ansteuern des Venturis 42 ausreichend ist.
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Typische
Betriebsdrücke
sind in 4 bei jedem Ventil/Regler gezeigt.
Bei diesen Drücken
werden etwa 25% des Stroms durch den Expander 44 über das
Venturi abgeleitet und wieder durch den Expander hindurchgeleitet.
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Ein
hier beschriebenes System nach der Erfindung zum Erzeugen von elektrischer
Pufferenergie kann in Verbindung mit einer Fernfüllmöglichkeit verwendet werden.
Das heißt
hoch verdichtete Luft kann in Reservoiren bereitgestellt werden,
die vorgeladen an einem entfernten Ort wie z.B. einem entfernten
Telekommunikationsterminal installiert sind, das üblicherweise
Batterien enthält
zum Bereitstellen von Pufferenergie. Somit kann in einem Fernterminalschrank
ein Energieerzeugungssystem, wie es hier beschrieben ist, untergebracht
werden, um bei Bedarf in Betrieb genommen zu werden, d.h. dann, wenn
die elektrische Energieversorgung ausfällt. Das mit Druckluft betriebene
Pufferenergiesystem kommt deshalb bei Bedarf ins Spiel, und das
System nimmt beträchtlich
weniger Raum ein als eine Reihe von Pufferbatterien. Die Tanks oder
Reservoire, die die verdichtete Luft enthalten, können groß sein und
sich entweder unter oder über
der Erde oder in einem separaten Raum befinden, wo sie bei Bedarf
leicht ausgetauscht werden können
und somit keinen Raum innerhalb des normalen Fernterminalschranks
einzunehmen brauchen.
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Es
ist nicht beabsichtigt, die Erfindung lediglich auf die obigen Beispiele
zu beschränken.
Zum Beispiel kann der Behälter 11 ein
Gas enthalten, bei dem es sich nicht um Luft handelt, sondern das
beispielsweise aus einem Industrieprozess stammen könnte. Darüber hinaus
können
mehrere derartige Behälter
in Tandem verbunden sein, um so die nutzbare Lebensdauer des Systems
in dem Fall von Ausfällen
der elektrischen Energieversorgung aus dem öffentlichen Netz, die häufig während einer
kurzen Zeitspanne auftreten, zu verlängern.