WO2011023175A2 - Wellenkraftwerk - Google Patents

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  • Flywheel device for storing rotational energy of the steam turbine and / or the pressure gas turbine.
  • Network used for storage and delivered as needed in the power grid are not limited

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wellenkraftwerks mit Druckluft- und Dampfgewinnung in thermischer Kopplung. Diese umfasst eine Energiespeichereinheit (1), enthaltend einen Druckgasbehälter (2) zur Bevorratung des komprimierten erhitzten Gases in thermischer Kopplung mit einem Dampfbehälter (3), zuschaltbar eine Schwungradvorrichtung (9), eine Energieumformungseinheit (4), enthaltend eine mit dem Dampfbehälter verbundene Dampfturbine (5) und/oder einer mit dem Druckgasbehälter verbundenen Druckgasturbine (6) zum Antreiben eines Generators (7). Solaranlagen zur Dampf- und Stromgewinnung werden einbezogen.

Description

Wellenkraftwerk
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Antreiben eines Wellenkraftwerkes mittels eines unter Druck stehenden erhitzten Gases und Dampfgewinnung in thermischer Kopplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Versuchsanlagen von Wellenkraftwerken nutzen ein- und ausströmende Luft in einer pneumatischen Kammer zum Betrieb einer Wells-Turbine. Es wird die schwingende Wassersäule genutzt. Die Wells-Turbine treibt einen Generator an, der elektrische Strom wird über Kabel an i
Land geführt. Bei diesen Versuchsanlagen ergeben sich Probleme aus Winterstürmen und ruhiger
See. Stürme erzeugen etwa hundertmal so viel Leistung wie sonst bei ruhiger See entsteht. Mit Kurzzeitspeichern, beispielsweise Schwungrädern, versucht man der Unstetigkeit der
Energiegewinnung beizukommen.
Energie aus Windrädern verstärkt das Problem der notwendigen Energiespeicherung. Es fehlen große Energiespeicher und umweltschonende, billig zu bauende Spitzenlastkraftwerke.
Es ist bekannt, komprimierte Luft zum Antreiben von Kraftwerken und Fahrzeugen zu nutzen. Bei Versuchen mit Druckluftspeicherkraftwerken soll durch Ausnutzung der Kompressionswärme ein System Wirkungsgrad von 70% erreicht werden. Es besteht somit die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Antreiben eines Wellenkraftwerkes mittels eines unter Druck stehenden Gases anzugeben, bei dem die genannten Nachteile beseitigt oder zumindest nachhaltig minimiert sind. Die gesuchte Vorrichtung soll sich vor allem durch eine möglichst effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energiequellen auszeichnen, auch auf verschiedene Energiequellen variabel zugreifen können und das Problem Energiespeicherung lösen helfen.
Grundgedanke der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, das Luft durch Kompression erwärmt wird. "So beträgt z.B. die Temperatur, wenn Luft von 1 at Spannung und 200C
Anfangstemperatur auf 6 at zusammengepresst wird, ungefähr 2200C..." Zitat aus DER GROSSE BROCKHAUS von 1931, Kompressoren.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Energiespeichereinheit und eine
Energieumformungseinheit .
Die Energiespeichereinheit enthält einen Druckgasbehälter zur Bevorratung eines komprimierten erhitzten Gases. Der Druckgasbehälter ist mit einem Dampfbehälter thermisch gekoppelt. Der Druckgasbehälter erhält die Energie durch einströmende Luft aus der pneumatischen Kammer. Weitere Druckgasbehälter und Dampfbehälter als Energiespeicher können vorgesehen werden. Die Energieumformungseinheit enthält eine mit dem Dampfbehälter verbundene Dampfturbine und/oder eine mit dem Druckgasbehälter verbundene Druckgasturbine zum Antreiben eines Generators. Der Strom wird über Kabel an Land gefuhrt.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist die Energiespeichereinheit eine
Schwungradvorrichtung zum Speichern von Rotationsenergie der Dampfturbine und/oder der Druckgasturbine auf.
Die Energiespeichereinheit weist bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform einen mit dem Generator verbundenen Akkumulator zum Speichern und Freigeben elektrischer Energie auf. Die Energieumformungseinheit weist bei einer zweckmäßigen Ausführungsform
Parabolrinnenkollektoren zum Bereitstellen von Dampf für den Dampfbehälter auf.
Die Energieumformungseinheit weist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einen elektrisch betriebenen Kompressor zum Befüllen des Druckgasbehälters auf.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist der Dampfbehälter mit der Dampfturbine in einem Dampfkreislauf mit einem der Dampfturbine nach geschaltetem Kondensator geschaltet. Dabei ist der Kondensator durch das aus der Druckgasturbine austretende entspannte Gas kühlbar ausgebildet. Es wird ein thermischer Kontakt zwischen dem Dampf innerhalb des
Dampfkreislaufs und dem komprimierten Gas sowohl über die thermische Kopplung zwischen Druckgasbehälter und Dampfbehälter als auch im Bereich der Turbinen erreicht, womit ein Teil der thermischen Energie zurückbehalten und genutzt werden kann.
Bei einer zweckmäßigen Ausfuhrangsform weist die Energieumformungseinheit eine
Photovoltaikeinrichtung zum Bereitstellen eines Ladestroms für den Akkumulator, sowie elektrischer Energie für den Generator und Kompressor auf.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird durch Elektrolyse von Meerwasser mittels Strom
Wasserstoff, oder Sauerstoff und Wasserstoff, hergestellt.
Beispielsweise können Plattformen mitten im Ozean über Tiefsee plaziert werden, wenn der erzeugte Strom vorwiegend zur Gewinnung von Brenngasen verwendet wird. Tankschiffe übernehmen die Gase und transportieren sie an alle Kontinente.
Die Plattformen werden über Satellitennavigation bei Position und Ausrichtung zur Sonne gesteuert. Strahltriebwerke im Wasser oder über Wasser treiben mittels Druckluft die
Plattformen an.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dient die beigefugte Figur 1. Es zeigt eine beispielhafte Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie besteht aus einer Energiespeichereinheit 1 und der Energieumformungseinheit 4.
Die Energiespeichereinheit 1 enthält dabei Komponenten zum Speichern von Energie in unterschiedlichen Formen. Hierzu ist zunächst ein Druckgasbehälter 2 vorgesehen, der mit einem Dampfbehälter 3 thermisch gekoppelt ist. Der Druckgasbehälter 2 wird aus der pneumatischen Kammer 10 mit Luft befüllt. In dem Druckgasbehälter befindet sich stark koprimiertes Gas, insbesondere Luft. Die bei dem Kompressionsvorgang erzeugte Wärme wird über die thermische Kopplung in den Dampfbehälter 3 übertragen und dient dort zur Dampfbereitung.
Der Dampfbehälter soll wärmegedämmt sein.
Die Energiespeichereinheit 1 enthält ein Schwungrad 9, das auf einer gemeinsamen Welle 7a der Turbinen 5 und 6 und des Generators 7 angeordnet ist. Eine Kupplungsvorrichtung 16 dient dem bedarfsweisen Trennen des Schwungrades von der Welle 7a. Das Schwungrad 9 dient somit als mechanischer Energiepuffer.
Die Energiespeichereinheit 1 enthält Akkumulatoren 12 zum Speichern und Freigeben von elektrischer Energie.
Die Energieumwandlungseinheit 4 enthält eine Dampfturbine 5, eine Druckgasturbine 6 und einen Generator 7, die auf einer gemeinsamen Welle 7a angeordnet sind.
Das komprimierte Gas und der Flüssigkeitsdampf treiben somit die Turbinen 5 und 6 an. Die
Dampfturbine 5 und der Dampfbehälter 3 bilden dabei einen geschlossenen Kreislauf. Neben
Wasser können in diesem geschlossenen System auch andere Flüssigkeiten, wie beispielsweise
Ethanol oder Mischungen aus Ethanol und Wasser, insbesondere im azeotropen
Mischungsverhältnis, umgetrieben werden.
Zur Rückkühlung und Kondensation des Dampfes ist ein Kondensator 8 vorgesehen. Der
Kondensator wird beispielsweise mit Meerwasser oder durch das aus der Druckgasturbine 6 austretende entspannte Gas gekühlt. Akkumulatoren aus Lithium-Ionen-Zellen können ebenso gekühlt werden. 3
Bei der Kompression der Luft anfallende Wärme kann beispielsweise zur Erwärmung von Druckgasturbine 6 und Bleibatterien genutzt werden.
Beispielsweise kann die Dampfturbine 5 auf einer ersten Welle und die Druckluftturbine 6 auf einer zweiten Welle angeordnet sein, wobei die erste und die zweite Welle jeweils mit einem Generator und einem Schwungrad verbunden sind.
Die Energieumformungseinheit 4 weist einen elektrisch betreibbaren Kompressor 13 zum Befüllen des Druckgasbehälters 2 auf. Der Kompressor ist zur Kühlung in den Dampfkreislauf geschaltet.
Die Energieumfoπnungseinheit 4 weist zuschaltbare solarthermische Parabolrinnenkollektoren 14 zum Befüllen des Dampfbehälters 3 auf.
Die Energieumformungseinheit 4 weist zuschaltbare Photovoltaikanlagen 15 zum Bereitstellen von Ladestrom für Akkumulator 12, Generator 7 und Kompressor 13 auf.
Es besteht beispielsweise die weitere Möglichkeit auf der Plattform 17 im Meer
Parabolrinnenkollektoren 14 und/oder Photovoltaikanlagen 15 in Kombination mit
Energiespeichereinheit 1 und Energieumfoπnereinheit 4 zu installieren.
Der Dampfund die Druckluft treiben die vorhandenen Turbinen und/oder Generatoren an. Bei
Stromüberschuß können Kompressor und Schwungrad betrieben, sowie Druckluftspeicher,
Dampfspeicher und Akkumulator aufgefüllt werden. Es erfolgt also bei Windflaute und
Sonnenschein weitere Energiegewinnung.
Parabolrinnenkollektoren 14 können in waagerechter Achse nach unten drehbar und somit vor
Sturm und Hagel geschützt sein. Weiterhin kann die Plattform 17 im Meer in der senkrechten
Achse drehbar sein um die Solaranlagen zur Sonne ausrichten zu können. Die Vorrichtung kann wie folgt betrieben werden. Durch Meereswellen wird eine schwingende Wassersäule in einer pneumatischen Kammer 10 erzeugt, diese drückt bei steigender
Wassersäule Druckluft in den Druckluftbehälter 2. Komprimierte Luft erhitzt Flüssigkeit im Dampfbehälter 3 bis zur Dampf gewinnung. Bei Windflaute und Sonnenschein werden
Solaranlagen zur Energiegewinnung einbezogen. Der bei diesem Vorgang erzeugte Überschuß an Dampfund komprimierter Luft wird an die Turbinen 5 und 6 geleitet. Dadurch wird
Rotationsenergie im Schwungrad gespeichert und der Generator in Betrieb gesetzt. Auch ein Kompressor ist einsetzbar, er erhält Strom vom Generator, Akku und Photovoltaikanlagen, oder nutzt billigen Nachtstrom bzw. Stromüberkapazitäten im Stromnetz und speichert zusätzlich Druckluft und Dampf.
Weitere Druckluftbehälter können Luft speichern. Diese Druckluftspeicher können bei einer Plattform 17 im Meer als Auftriebkörper dienen. Druckluftspeicher und Dampfspeicher können auch an Land angelegt werden.
Von der Plattform 17 im Meer können Leitungen zum Land oder zu weiteren Plattformen neben heißer Druckluft auch heißes Wasser oder Dampf im Kreislauf mit Kühlwasser fuhren. Auf der Plattform 17 sind dann beispielsweise pneumatische Kammern 10 und Parabolrinnenkollektoren 14 angeordnet.
Befindet sich die Leitung oder der Schlauch des Dampfes oder heißen Wassers in der
Druckluftleitung, so kann die Druckluft zur Wärmedämmung des heißen Wassers oder Dampfes dienen, nach dem Prinzip "Rohr im Rohr". Die technischen Geräte zur Energiespeicherung und der Energieumformung mit Stromgewinnung befinden sich nun vorteilhafterweise an Land. Als weitere Möglichkeit können von der Plattform im Meer wärmegedämmte Leitungen zum Land erhitzte Druckluft fuhren. Druckgasbehälter und Dampfbehälter in thermischer Kopplung befinden sich dabei an Land.
Alternativ kann auf den geschlossenen Dampf kreislauf verzichtet werden, wenn
beispielsweise Dampfspeicher 3 und Kondensator 8 als Meerwasserentsalzungsanlage arbeiten. Die Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich aus der Doppelnutzung des komprimierten Gases und des Dampfes über die schwungradunterstützte Turbinenanordnung zum Betreiben des
Generators. Damit läßt sich ein theoretischer Systemwirkungsgrad von etwa 70% erreichen.
Durch koprimiertes Gas, Dampf, Schwungrad und Akkumulator sind vier Mittel zur
Energiespeicherung vorhanden.
Neben Wellenenergie wird mit Solarenergie eine nahezu stete Energiegewinnung erreicht.
Außerdem wird mit der Kompressoranordnung billiger Nachtstrom und Strom Überkapazität im
Netz zur Speicherung verwendet und bei Bedarf ins Stromnetz abgegeben.
Plattformen im Meer verbrauchen kein wertvolles Land und können mehrere Quadratkilometer groß sein, sie reduzieren das Aufheizen von Meeren.
Es entstehen keine umweltschädlichen Abgase, wie CO2 und Methan.
Schwimmende Plattformen können die Wellen dämpfen und so zum Küstenschutz beitragen.
Die Plattform ist erhöht angeordnet und somit sicher vor Monsterwellen.
Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind eine Reihe weiterer Ausführungsformen möglich, die im Bereich des erfindungsgemäßen Grundgedankens verbleiben. Weitere Ausführungsformen ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
B
Bezugszeichenliste
1 Energiespeichereinheit
2 Druckgasbehälter
3 Dampfbehälter
4 Energieumformungseinhe
5 Dampfturbine
6 Druckgasturbine
7 Generator
7a Welle
8 Kondensator
9 Schwungrad
10 Pneumatische Kammer
11 Ventile
12 Akkumulator
13 Kompressor
14 Parabolrinnenkollektoren
15 Photovoltaikanlage
16 Kupplung
17 Plattform

Claims

Wellenkraftwerk Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Betreiben eines Wellenkraftwerkes,
umfassend
eine Energiespeichereinheit (1), enthaltend einen Druckgasbehälter (2) zur Bevorratung des komprimierten erhitzten Gases in thermischer Kopplung mit einem Dampfbehälter (3),
eine Energieumformungseinheit (4), enthaltend eine mit dem Dampfbehälter verbundenen Dampfturbine (5) und/oder einer mit dem Druckgasbehälter verbundenen Druckgasturbine (6) zum Antreiben eines Generators (7).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energiespeichereiheit (1) eine zuschaltbare Schwungradvorrichtung (9) zum Speichern von Rotationsenergie der Dampfturbine (5) und/oder der Druckgasturbine (6) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energiespeichereinheit (1) einen mit dem Generator (7) verschaltbaren Akkumulator (12) zum Speichern und Freigeben elektrischer Energie aufweist. 40
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieumformungseinheit (4) mindestens eine pneumatische Kammer (10) zum Befallen des Druckgasbehälters (2) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Dampfbehälter (3) mit der Dampfturbine (5) in einen Dampfkreislauf mit einem der Dampfturbine nachgeschalteten Kondensator (8) geschaltet ist, wobei der Kondensator durch Wasser und/oder durch das aus der
Druckgasturbine (6) austretende entspannte Gas kühlbar ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dampfturbine (5) auf einer ersten Welle und die Druckluftturbine (6) auf einer zweiten Welle angeordnet sind , wobei die erste und/oder die zweite Welle mit einem Generator und einem Schwungrad verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieumformungseinheit (4) eine zuschaltbare solarthermische
Einrichtung (14) zum Befüllen des Dampfbehälters (3) aufweist und/oder eine zuschaltbare Photovoltaikeinrichtung (15) zum Bereitstellen eines Ladestroms für den Akkumulator (12) und/oder zum Bereitstellen elektrischer Energie für den Kompressor (13) und/oder Generator (7) erhält.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieumformungseinheit (4) einen elektrisch betreibbaren Kompressor (13) zum Befüllen des Druckgasbehälters (2) aufweist und der zur Kühlung in den Dampfkreislauf geschaltet sein kann. *1
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
von einer Plattform (17) im Wasser über Druckgasbehälter (2) und
Dampfbehälter (3) Druckluft und heiße Flüssigkeit oder Dampf über
Rohrleitungen oder Schläuche als System "Rohr im Rohr" ans Land und/oder zu weiteren Plattformen transportiert und die Druckluft im Rohr zur
Wärmedämmung genutzt werden kann.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich auf einer Plattform (17) im Wasser pneumatische Kammern (10) und/oder Solaranlagen befinden, während sonstige Energiespeicher (1) und Energieumformer (4) an Land oder weiteren Plattformen stehen, oder
Energiespeicherung und Stromerzeugung nach dem Stand der Technik erfolgt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
von einer Plattform (17) im Wasser erhitzte Druckluft aus pneumatischen Kammern (10) über eine wärmegedämmte Rohrleitung oder
Schlauch an Land oder zu weiteren Plattformen transportiert wird.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Druckgasbehälter (2) als Auftriebkörper für Plattformen (17) verwendet werden.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Plattform (17) im Wasser in der senkrechten Achse drehbar ist. f2
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Plattform (17) durch Elektrolyse von Wasser mittels Strom vom Generator (7) und/oder von Photovoltaikanlagen (15) Wasserstoff, oder Wasserstoff und Sauerstoff, hergestellt wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Plattform (17) Dampfbehälter (3) und Kondensator (8) als Meerwasserentsalzungsanlage betrieben werden.
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