DK144772B - Kraftproducerende anlaeg med midler til oplagring og udnyttelse af overskudsenergi under anvendelse af komprimeret luft - Google Patents

Description

144772 i

Opfindelsen angår et kraftproducerende anlæg med midler til oplagring og udnyttelse af overskudsenergi under anvendelse af komprimeret luft, hvilket anlæg har en flertrinnet kompressor med mindst en mellemkøler, hvor kompressorens trykside under 5 indkobling af mindst én kompressionsvarmen optagende varme-akkumulator er forbundet med en trykluftbeholder, og hvilket anlæg har en flertrinnet turbine, der til energiudnyttelsen tilkobles til trykluftbeholderen under indkobling af varme-akkumulatoren, der igen afgiver kompressionsvarmen.

10 Ved et kendt anlæg af denne art ledes kompressionsvarmen til et energilager. Dette består af et trykresistent vinder jordisk hulrum med en fyldning af grus. De driftsbestemte temperaturvariationer kan føre til en nedbrydning af de enkelte grusdele. Herved forringes det for luftgennemtrængningen 15 nødvendige frie porevolumen og dermed forøges grusfyldningens luftmodstand og/eller formindskes grusets virkeevne.

Desuden kan støvformige dele af gruset blive trukket med af luftstrømmen ind i de efterkoblede maskiner, således at disse udsættes for fare.

20 Der kendes endvidere anlæg, som ikke udnytter den fra mellem-køleren bortførte varme, hvorved anlæggets virkningsgrad forringes.

De ved energioplagringen og -udnyttelsen uundgåeligt optrædende ikke-udnyttelige restvarmemængder kan ved de kendte an-r læg føre til en almindelig forøgelse af varmeakkuraulatorens 25 temperaturniveau. Dette har til følge, at varmeakkumulatoren under drift kan komme i den situation, at den ikke mere er i stand til at optage kompressionsvarmen til oplagring og dermed bliver virkningsløs.

På baggrund af den førnævnte kendte teknik er det formålet med 30 opfindelsen at tilvejebringe et anlæg af den nævnte art, som muliggør en periodisk drift med forbedret og forenklet varme-oplagring og -udnyttelse, og som har vist sig driftssikker.

144772 2

Anlægget ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at varme-akkumulatoren er forbundet med mellemkøleren, som i energiudnyttelsessituationen indkobles som luftforvarmer før turbinen, og med mindst én mellem turbinen og trykluft-5 beholderen indskudt varmeveksler til optagelse af kompressionsvarmen og i energiudnyttelsessituationen til afgivelse af den oplagrede varme, hvorhos der i rørsystemet til bortledning (f.eks. til omgivelserne) af den ved energioplagringen og -udnyttelsen opståede ikke-anvendelige restvarme er indrettet 10 mindst én køler, som kan udveksle varme med den komprimerede luft og/eller med akkumulatormediet.

Herved opnås et periodisk anvendeligt anlæg, som effektivt udnytter den under luftkomprimeringen opståede varme, og som opretholder varmeakkumulatoren ved samme temperaturniveau 15 under processerne. Den ved luftkomprimeringen opståede varme udnyttes effektivt, ved at den under opladningen af trykluftbeholderen producerede kompressionsvarme afgives til varmeakkumulatoren via mellemkøleren, som er indkoblet foran turbinen, og mindst én varmeveksler, som er anbragt imellem tur-20 binen og trykluftbeholderen, medens den i varmeakkumulatoren oplagrede kompressionsvarme under trykluftbeholderens afladning afgives til den udstrømmende og til turbinen ledte trykluft via varmeveksleren og den i dette tilfælde som luftforvarmer virkende varmeveksler.

25 Varmeakkumulatoren opretholdes ved omtrent samme temperatur-niveau, så at den vedvarende kan optage og oplagre kompressionsvarme som følge af, at der i rørsystemet til bortledningen (f.eks. til omgivelserne) af den ved energioplagringen og -udnyttelsen opståede ikke-anvendelige restvarme er anbragt 30 mindst én køler, som kan udveksle varme med den komprimerede luft og/eller akkumulatormediet. Kølerne muliggør samtidigt, at den ind i trykluftbeholderen strømmende komprimerede luft til enhver tid har tilnærmelsesvis samme temperatur, hvorved afhjælpes den ulempe ved de kendte anlæg, som kan medføre, at 144772 3 trykluftbeholdere, der fortrinsvis er tildannet som et underjordisk hulrum med en fyldning af grus, beskadiges som følge af den periodisk gentagne opvarmning og afkøling.

Flertrinnede kompressorer eller turbiner kan med henblik 5 på den foreliggende opfindelse være udformet af enkelte maskiner, der danner en række trin, eller af en enkelt med flere kompressionstrin bestående maskine.

Ifølge opfindelsen kan hensigtsmæssigt mellemkølerens/luf tforvarmerens og varmevekslerens varmevekslingsflader være ind-10 koblet parallelt, hvorved opnås, at varmeoptagelsen/varme- afgivelsen under opladningen/afladningen af trykluftbeholderen kan reguleres uafhængigt af hinanden ved hjælp af de to komponenter.

Akkumulatormediet kan bestå af olie eller vand. På grund af 15 det høje kogepunkt foretrækkes olie, idet man derved kan undgå høje tryk ved varmeoplagringen.

Til yderligere forenkling af anlægget er det gunstigt, hvis der såvel under energioplagringen som ved energiudnyttelsen er indkoblet de samme kølere til restvarmens bortledning fra den 20 komprimerede luft. Herved kan omkostningerne i forbindelse med anlægget holdes særlig lave.

Ved brug af en varmeakkumulator med mindst to varmeakkumu-leringsrum, som via parallelt koblede varmevekslere er indbyrdes forbundet, kan ifølge en yderligere fordelagtig ud-25 førelsesform for opfindelsen det ene varmeakkumulatorrum indrettes til optagelse af tilnærmelsesvis hele mængden af opvarmet akkumulatormedium og det andet varmeakkumulatorrum til optagelse af det afkølede akkumulatormedium. Herved opnås en klar adskillelse af det opvarmede akkumulatormedium 30 fra det afkølede akkumulatormedium, så at blanding undgås og akkumuleringsvirkningsgraden øges.

144772 4

Opfindelsen skal forklares nedenfor under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser et kredsløbsdiagram over anlægget ifølge opfindelsen med en varmeakkumulator med to varmeakkumulator-5 rum, fig. 2 et til venstre for linien II-III liggende udsnit af kredsløbsdiagrammet i fig. 1 med en variant af kølerarrangementet til bortledning af restvarmen, og fig. 3 et udsnit svarende til fig. 2 med en udføringsvariant 10 af varmeakkumulator en.

I den i fig. 1 viste udførelsesform for anlægget ifølge opfindelsen drives en elektrisk maskine valgfrit som en motor eller en generator, hvilken maskine 10 via en udkoble-lig kobling 11, 12 valgfrit kan sammenkobles med en totrins-15 kompressor 13 eller en ligeledes totrinnet luftturbine 16.

Det første kompressortrins 14 sugeside er via en rørledning 19 forbundet med det omgivende rum 20. Tryksiden af dette kompressortrin er via en rørledning 21 med en mellemkoblet tilbagestrømningsforhindring 22 forbundet med en anden var-20 mevekslers 23 primærside. Denne varmeveksler virker under komprimeringsdrift som mellemkøler og under turbinedrift som luftforvarmer. Herfra fører en ledning 24 gennem en primærside af en første køler 25, der er udformet som en overfladevarme-veksler, og via en afspæringsventil 26 frem til det andet 25 kompressortrins 15 sugeside. Tryksiden af dette kompressor-trin er med en rørledning 27 via en tilbagestrømningsforhindring 28 tilsluttet primærsiden af en varmeveksler 29, der ligeledes tjener til bortledning, henholdsvis tilføring af kompressionsvarmen. Herfra fører en anden ledning 30 via en 30 anden kølers 31 primærside og et afspærringsorgan 32 frem til en trykluftbeholder 33, der fortrinsvis er dannet i et underjordisk hulrum. I det viste udførelseseksempel ifølge fig. 1 er der indrettet en vandfri konstantvolumenakkumulator som trykluftbeholder.

144772 5

Fra et forgreningspunkt 34 i rørledningen 27 fører en ledning 35 via et afspærringsorgan 36 frem til indgangssiden af et første turbinetrin 17. Dets udgangsside er via en ledning 37 med en mellemkoblet tilbagestrømningsforhindring 38 for-5 bundet med ledningen 24 ved et punkt 39.

På lignende måde er et andet turbinetrins 18 indgangsside via en ledning 41 samt et afspærringsorgan 42 forbundet med et forgreningspunkt 40 i rørledningen 21, medens dets udgangsside via en udblæsningsledning 43 er forbundet med det omgi-10 vende rum 20.

Fremløbstilslutningen for varmeveksleren 29 og den anden varmeveksler 23 er sammenkoblet ved et punkt 44 via en fremløbs-ledning 45 med en mellemkoblet pumpe 56 og afspærringsorganer 50, 55 forbundet med et lavtliggende sted i et varmeiso-15 leret første varmeakkumulatorrum 60. Dette varmeakkumulatorrum 60 er indrettet til at kunne optage det opvarmede flydende akkumulatormedium, der i det foreliggende tilfælde består af olie.

Tilbageløbstilslutningerne til varmevekslerne 29 og 23 er 20 sammenkoblet ved et punkt 53 og ligesom fremløbstilslutningerne via en tilbageløbsledning 47, en pumpe 52 og afspærringsorganer 51, 54 forbundet med et andet varmeakkumulatorrum 61 i form af en beholder, der er indrettet til optagelse af det kolde akkumulatormedium. Rumindholdet af det første varme-25 akkumulatorrum 60 må svarende til den varme olies udvidelse være udformet større end det andet varmeakkumulatorrum 61.

Sekundærsiden af den første køler 25 og den anden køler 31 tilføres kølemedium, fortrinsvis vand via ledninger 48, 49.

Hvis der skal oplagres energi med anlægget, adskilles tur-30 binen 16 fra den elektriske maskine 10 ved afbrydelse af koblingen 11. Kompressorens 13 aksel er nu via koblingen 12 sammenkoblet med den som motor arbejdende elektrisle maskine 10.

144772 6

Samtidig lukkes afspærringsorganerne 36, 42, 54, 55, medens spærreorganerne 26, 32, 50 og 51 derimod åbnes og pumpen 52 samt den elektriske maskine 10 aktiveres. Den nu af det første kompressortrin 14 fra yderrummet 20 indsugede luft bli-5 ver efter dens komprimering ført via ledningen 21 og den nu åbne tilbagestrømningsforhindrer 22 frem til primærsiden af den anden varmeveksler 23, der nu tjener som mellemkøler.

Efter bortledningen af kompressionsvarmen strømmer luften via den første køler 25, i hvilken restvarme afgives til køle-10 mediet, frem til indgangen af det andet kompressortrin 15.

Efter den anden komprimering strømmer luften via ledningen 27 og den ligeledes åbne tilbagestrømningsforhindrer 28 frem til varmeveksleren 29, i hvilken det andet kompressortrins kompressorvarme afgives til akkumulatormediet. Derefter gen-15 nemstrømmer den komprimerede luft den anden køler 31 for på ny at få fjernet ikke-udnyttelig restvarme og afgive den til et kølemedium. Den i den anden køler 31 afkølede trykluft bliver via den åbne afspærringsventil 32 tilført trykluftbeholderen 33, hvori den optages. Da trykluften på grund af af-20 giveisen af kompressionsvarmen og den i kredsprocessen ikke udnyttelige restvarme er stærkt afkølet, er der ved et givet akkumulatorvolumen mulighed for at akkumulere en stor masse.

Da pumpen 52 er i drift, bliver det kolde akkumulatormedium fra det andet varmeakkumulatorrum 61 under opvarmning i de 25 parallelkoblede varmevekslere 23, 29 ført til det første varmeakkumulatorrum 60. For at indstille gennemstrømningen gennem varmevekslerne og dermed at kunne regulere varmeop-tagelsen er der indrettet drøvleorganer 59, såsom f.eks. afspærringsskydere, i tilslutningerne til varmevekslerne.

30 Når trykluftbeholderen 33 er fyldt, frakobles den elektriske maskine 10, og pumpen 52 og afspærringsorganet 32 afbrydes. Anlægget befinder sig nu i opladet tilstand.

For at udnytte den oplagrede energi, forbindes den elektriske maskines 10 aksel ved hjælp af koblingen 11 med turbinen 16, 35 medens koblingen 12 til kompressoren afbrydes. Samtidig åbnes der for afspærringsorganerne 32, 36, 42, 54 og 55, medens af- 144772 7 spærringsorganerne 26, 50, 51 lukkes, og pumpen 56 igangsættes . Den komprimerede luft strømmer nu ud af trykluftbeholderen 33 og frem til det første turbinetrin 17 via den anden køler 31, varmeveksleren 29 og ledningen 35. Her sker der en 5 delvis ekspansion af luften for drift af den nu som generator arbejdende elektriske maskine 10. Derefter strømmer luften over den nu åbne tilbagestrømningsforhindring 38, den første køler 25, den anden varmeveksler 23, der nu tjener som luftforvarmer, og via ledningen 41 frem til det andet turbine-10 trin 18. Her ekspanderer luften sig til omgivelsernes tryk og afgives via udblæsningsledningen 43 til det omgivende rum 20. Den ved ekspansionen vundne energi omdannes af den elektriske maskine, der nu arbejder som generator, til elektrisk energi. Ved hjælp af tilbagestrømningsforhindringer-15 ne 22 og 28 samt det lukkede afspærringsorgan 26 er kompressoren 13 adskilt fra den øvrige del af anlægget.

Under energiudnyttelsesdriften bliver det varme akkumulatormedium af pumpen 56 trukket ud af det første varmeakkumula-torrum 60 og via varmevekslerne 23, 29 ført til det andet 20 varmeakkumulatorrum 61. I varmeveksleren afgiver akkumulatormediet sin varme til den komprimerede luft. I kølerne 25 og 31 føres restvarmen bort som under kompressionsdrift.

Fig. 2 viser den del af anlægget ifølge fig. 1, der er beliggende til venstre for linien II-III. I modsætning til i fig.

25 1 bliver restvarmen i dette udførelseseksempel ikke fjernet fra den komprimerede luft, men derimod optaget af akkumulatormediet. Hertil er der indrettet en tredie køler 58 i ledningen 47. Denne køler 58 kan forsynes med kølemiddel via ledningerne 48, 49.

30 Fig. 3 viser en yderligere variation af det første udførelseseksempel i et udsnit, der svarer til det udsnit, der er vist i fig. 2. I det i fig. 3 viste udførelseseksempel er der indrettet en varmeakkumulator i form af en varmtvands-fortrængningsakkumulator 62. Varmtvands-fortrængningsakku-35 mulatoren 62 består fortrinsvis af en stående forholdsvis

Claims (3)

144772 slank, varmeisoleret beholder, i hvis øvre del det i varmevekslerne 23 og 29 opvarmede akkumulatormedium, fortrinsvis vand, vinder en periode med energi oplagring indføres, og fra hvis nedre del tilsvarende koldt oplagringsmedium udtages 5 til opvarmning. Som følge af forskellene i den specifikke vægt af opvarmet og ikke opvarmet akkumulatormedium dannes der i fortrængnings-akkumulatoren 62 en ved hjælp af en streg 63 antydet skilleflade mellem det opvarmede og ikke opvarmede akkumulatormedium, 10 gennem hvilken skilleflade højst en kun ubetydelig temperatur-udjævning kan foregå. Akkumulatormediumkredsløbet opretholdes ved hjælp af en cirkulationspumpe 57. Under perioder med energioplagring er i akkumulatormediumkredsløbet afspærringsorganerne 50 og 51 15 åbne og afspærringsorganerne 54 og 55 lukkede. Under perioder med energiudnyttelse er derimod afspærringsorganerne 54 og 55 åbne og afspærringsorganerne 50 og 51 lukkede. For at forhindre dampdannelse i fortrængningsakkumulatoren 62, opbevares akkumulatormediet under et passende overtryk.

20 For at anlægget selv efter længere stilstandsperiode kan fungere sikkert, er der tilvejebragt indretninger, der forhindrer utilladelig afkøling af akkumulatormediet. Disse indretninger består fortrinsvis af el-varmeapparater. De til anlæggets sikkerhed tjenende hjælpeindretninger er ikke ind-25 tegnet i figurerne 1 til 3, da de er almindelig kendt af en fagmand. Patentkrav.

1. Kraftproducerende anlæg med midler til oplagring og udnyttelse af overskudsenergi under anvendelse af komprimeret luft, 30 hvilket anlæg har en flertrinnet kompressor (13) med mindst én mellemkøler (23), hvor kompressorens trykside under indkobling af mindst en kompressionsvarmen optagende varmeakkumulator