WO2011044890A2 - Energiemanagementsystem für eine solarthermie-anlage - Google Patents

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WO2011044890A2 PCT/DE2010/001223 DE2010001223W WO2011044890A2 WO 2011044890 A2 WO2011044890 A2 WO 2011044890A2 DE 2010001223 W DE2010001223 W DE 2010001223W WO 2011044890 A2 WO2011044890 A2 WO 2011044890A2
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    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to an energy management system for the energy management of solar thermal systems.
  • Solar thermal systems provide energy only when exposed to sunlight, so energy must be taken from energy storage at night.
  • various types of memory that can act as a cache in solar thermal systems. So there are z. B. salt storage and compressed air storage.
  • the system In order to improve the overall efficiency of the solar thermal systems, the system must be optimized so that, depending on how much solar energy is provided, this amount of energy is converted by means of energy management with the highest efficiency in electrical energy. It is therefore a constant need to improve the energy management of solar thermal systems.
  • the energy management system which is coupled to a solar thermal system, has the following features: a plurality of compressed air steam engines, which are arranged on a common shaft, an electric generator, which is connected to the shaft via a generator coupling, one A compressor connected to the shaft via a compressor clutch, a compressed air reservoir connected to the compressor, valve controlled steam supply lines connected to the compressed air / steam motors, valve controlled compressed air lines connected to the compressed air / steam motors, at least one valve-controlled gas line which is connected to at least one compressed gas engine on the shaft, a heat exchanger which is thermally connected to the compressor so that the waste heat of the compressor can be supplied to the heat exchanger, wherein the gas line, the compressed gas engine, the Heat exchanger and a container which is partially filled with a medium having a boiling point which is 80 degrees maximum, are closed to a compressed gas cycle and an electronic and computerized control device is provided, in which a software for optimizing the efficiency of the solar thermal system is implemented , where i are the control device with sensors for detecting Radiome
  • gas engine is used here to distinguish from the compressed air-steam engine, which works with both compressed air and water vapor.
  • Both the gas engine and the compressed air / steam engine are rotary-piston engines and work according to the displacement principle.
  • the gas engine is driven by a liquid with a low boiling point, z.
  • tetrachloroethene As tetrachloroethene, is evaporated, so that in the closed pipe system, an increased vapor pressure is generated, with which the gas engine is driven.
  • the morning solar energy is sufficient for the evaporation of tetrachloroethene, but would not be sufficient to produce water vapor. In this respect, this energy would not be optimally utilized in conventional energy management.
  • energy can also be taken from the compressed air reservoir during this time so that the compressed air motor can be operated.
  • the maximum solar energy is available for a few hours.
  • all steam engines are switched on.
  • the compressor is coupled and generates compressed air which is stored in the compressed air reservoir.
  • the thermal energy generated during the compressed air generation process is used by the heat exchanger to heat and evaporate the low boiling point liquid so that no significant energy loss occurs when generating the compressed air.
  • the individual modules are controlled for energy generation and energy storage.
  • sensors for detecting operating parameters are provided, which are connected by signal technology with the control device.
  • the measuring Data of the sensors are evaluated according to predetermined algorithms that are stored in the software.
  • control devices as a function of sensor data and as a function of the energy removal at the generator can provide the person skilled in control technology with his expertise, without having to be inventive.
  • the compressed air-steam engines and the gas engine on a freewheel.
  • an automatic engagement and disengagement of the individual motors takes place as a function of the current engine speed.
  • the medium is tetrachloroethene.
  • This agent is particularly suitable for the intended application due to its chemical and physical properties.
  • a storage battery for storing electric power is connected to the generator. This can still be provided at night even electrical energy when the compressed air storage should be empty.
  • Tegran motor As a compressed air-steam engine advantageously a so-called Tegran motor can be used. Such a motor is described in the patent DE 10 2005 042 539 B4. The invention will be described below with reference to an embodiment and that of FIG. 1.
  • Fig. 1 shows an embodiment of the energy management system.
  • the compressed air steam engines 1a, 1b, 1c, 1d are arranged on a common shaft 2.
  • a generator 3 is connected via a generator coupling 4 with the shaft 2.
  • a compressor 5 is connected to the shaft via a compressor clutch 6 2 connected.
  • a compressed air reservoir 7 is connected to the compressor 5.
  • Valve controlled steam supply lines 8a, 8b, 8c, 8d are connected to the compressed air steam engines 1a, 1b, 1c, 1d.
  • valve-controlled compressed air lines 9a, 9b, 9c, 9d are connected to the compressed air / steam motors 1a, 1b, 1c, 1d.
  • a valve-controlled gas line 10 is connected to a pressurized gas engine 11 on the shaft 2.
  • a heat exchanger 12 is connected to the compressor 5 in terms of heat conduction such that the waste heat of the compressor 5 can be fed to the heat exchanger 12.
  • the gas line 10, the compressed gas engine 11, the heat exchanger 12 and a container (not shown), which is partially filled with a medium having a boiling point which is 80 degrees or less, are closed to a pressurized gas circuit.
  • An electronic and computer-aided control device (not shown) is provided, in which a software for optimizing the efficiency of the solar thermal system is implemented, wherein the control device with sensors (not shown) for detecting operating parameters are connected by signal technology.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem für eine Solarthermieanlage. Das Energiemanagementsystem weist nachfolgende Merkmale auf: Druckluft-Dampf-Motore (1a, 1b, 1c, 1d), die auf einer Welle (2) angeordnet sind, einen Generator (3), der über eine Generator-Kupplung (4) mit der Welle (2) verbunden ist, einen Kompressor (5), der über eine Kompressorkupplung (6) mit der Welle (2) verbunden ist, einen Druckluftspeicher (7), der mit dem Kompressor (5) verbunden ist, Dampfzuleitungen (8a, 8b, 8c, 8d), die mit den Druckluft-Dampf-Motoren (1a, 1b, 1c, 1d) verbunden sind, Druckluftleitungen (9a, 9b, 9c, 9d), die mit den Druckluft-Dampf-Motoren (1a, 1 b, 1c, 1d) verbunden sind, eine Gasleitung (10), die mit einem Druckgas-Motor (11) auf der Welle (2) verbunden ist, einen Wärmetauscher (12), der mit dem Kompressor (5) verbunden ist, so dass die Abwärme des Kompressors (5) dem Wärmetauscher (12) zuführbar ist, wobei die Gasleitung (10), der Druckgas-Motor (11), der Wärmetauscher (12) und ein Behälter, der teilweise mit einem Medium mit einem geringen Siedepunkt gefüllt ist, zu einem Druckgaskreislauf geschlossen sind und eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, in welcher eine Software zur optimalen Steuerung des Wirkungsgrades der Solarthermieanlage implementiert ist.

Description

Energiemanagementsystem für eine Solarthermie-Anlage
Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementsystem für das Energiemanagement von Solarthermieanlagen. Solarthermieanlagen liefern nur bei Sonneneinstrahlung Energie, daher muss nachts die Energie aus Energiespeichern entnommen werden. Es sind aus dem Stand der Technik verschiedene Speicherarten bekannt, die bei Solarthermieanlagen als Zwischenspeicher wirken können. So gibt es z. B. Salzspeicher und Pressluftspeicher.
Um den Gesamtwirkungsgrad der Solarthermie-Anlagen zu verbessern, muss die Anlage dahin gehend optimiert werden, dass je nachdem, wie viel Sonnenenergie bereitgestellt ist, diese Energiemenge mittels eines Energiemanagements mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt wird. Es ist daher ein ständiges Bedürfnis, das Energiemanagement von solarthermischen Anlagen zu verbessern.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 gelöst.
Das Energiemanagementsystem, welches mit einer Solarthermieanlage gekop- pelt ist, weist nachfolgende Merkmale auf: eine Mehrzahl von Druckluft-Dampf- Motoren, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind, einen elektrischen Generator, der über eine Generator-Kupplung mit der Welle verbunden ist, einen Kompressor, der über eine Kompressorkupplung mit der Welle verbunden ist, einen Druckluftspeicher, der mit dem Kompressor verbunden ist, ventilgesteuerte Dampfzuleitungen, die mit den Druckluft-Dampf-Motoren verbunden sind, ventilgesteuerte Druckluftleitungen, die mit den Druckluft-Dampf-Motoren verbunden sind, wenigstens eine ventilgesteuerte Gasleitung, die mit wenigstens einem Druckgas-Motor auf der Welle verbunden ist, einen Wärmetauscher, der mit dem Kompressor wärmeleitungsmäßig so verbunden ist, dass die Abwärme des Kompressors dem Wärmetauscher zuführbar ist, wobei die Gasleitung, der Druckgas-Motor, der Wärmetauscher und ein Behälter, der teilweise mit einem Medium gefüllt ist, welches einen Siedepunkt hat, der maximal 80 Grad beträgt, zu einem Druckgaskreislauf geschlossen sind und eine elektronische und rechnergestützte Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, in welcher eine Software zur Optimierung des Wirkungsgrades der Solarthermieanlage implementiert ist, wobei die Steuerungsvorrichtung mit Sensoren zur Erfassung von Betriebsparame- tern signaltechnisch verbunden sind. Aufgrund der erfassten Betriebsparametern steuert die Steuerungsvorrichtung die unterschiedlichen Module zur Energieumwandlung so, dass bezogen auf die einen vorgegebenen Zeitabschnitt ein Optimum erreicht wird. Der vorgegebene Zeitabschnitt kann 24 h sein oder eine anderer, frei wählbarer Abschnitt.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass alle Motore auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Damit wird eine sehr kompakte Bauweise erreicht und ein guter mechanischer Wirkungsgrad. Nachfolgend wird die prinzipielle Anwendung der Erfindung erläutert, wobei die technischen Details im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Kurz nach Sonnenaufgang steht für eine Solarthermieanlage noch wenig Sonnenenergie zur Verfügung. Diese Energiemenge reicht aber bereits aus, um den Gasmotor zu betreiben. Der Begriff„Gasmotor" wird hier zur Unterscheidung vom Druckluft-Dampf-Motor verwendet, der sowohl mit Druckluft als auch mit Wasserdampf arbeitet.
Sowohl der Gasmotor als auch der Druckluft-Dampf-Motor sind Rotationskol- benmotore und arbeiten nach dem Verdrängerprinzip.
Der Gasmotor wird dadurch angetrieben, dass eine Flüssigkeit mit einem niedrigen Siedepunkt, z. B. Tetrachlorethen, verdampft wird, sodass in dem geschlossenen Rohrsystem ein erhöhter Dampfdruck erzeugt wird, mit dem der Gasmotor antreibbar ist. Die morgendliche Sonnenenergie reicht für die Verdampfung von Tetrachlorethen aus, würde jedoch nicht ausreichen, um Wasserdampf zu erzeugen. Insofern würde bei einem herkömmlichen Energiemanagement diese Energie nicht optimal genutzt werden. Je nach Anforderung kann in dieser Zeit auch Energie aus dem Druckluftspeicher entnommen werden, sodass der Druck- luftmotor betrieben werden kann.
Zwei Stunden später, wenn bereits mehr Sonnenenergie zur Verfügung steht, kann bereits ein Dampfmotor zugeschaltet werden und der Druckluftmotor kann gedrosselt oder abgeschaltet werden.
Nach weiteren zwei bis drei Stunden steht über einige Stunden die maximale Sonnenenergie zur Verfügung. Während dieser Zeit sind alle Dampfmotore zugeschaltet. Weiterhin ist der Kompressor angekoppelt und erzeugt Druckluft, die in dem Druckluftspeicher gespeichert wird. Die bei der Drucklufterzeugung anfal- lende Wärmeenergie wird mittels des Wärmetauschers genutzt, um die Flüssigkeit mit dem niedrigen Siedepunkt zu erhitzen und zu verdampfen, sodass bei beim Erzeugen der Druckluft kein wesentlicher Energieverlust entsteht.
Mittels einer elektronischen und rechnergestützten Steuerungsvorrichtung wer- den die einzelnen Module zu Energieerzeugung und zur Energiespeicherung gesteuert. Es sind Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern vorgesehen, die signaltechnisch mit der Steuerungsvorrichtung verbunden sind. Die Mess- daten der Sensoren werden nach vorbestimmten Algorithmen ausgewertet, die in der Software abgelegt sind.
Die Programmierung derartiger Steuerungsvorrichtungen in Abhängigkeit von Sensordaten und in Abhängigkeit von der Energieentnahme am Generator kann der Fachmann für Steuerungs- und Regelungstechnik mit seinem Fachwissen bereitstellen, ohne erfinderisch tätig werden zu müssen.
Nach Anspruch 2 weisen die Druckluft-Dampf-Motore und der Gasmotor einen Freilauf auf. Dadurch erfolgt ein automatisches Ein- und Auskuppeln der einzelnen Motore in Abhängigkeit von der aktuellen Motordrehzahl.
Nach Anspruch 3 ist das Medium Tetrachlorethen. Dieses Mittel ist für den vorgesehenen Anwendungsfall aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders geeignet.
Nach Anspruch 4 ist eine Speicherbatterie zum Speichern von Elektroenergie mit dem Generator verbunden. Damit kann auch nachts noch elektrische Energie bereitgestellt werden, wenn der Druckluftspeicher leer sein sollte.
Als Druckluft-Dampf-Motor kann vorteilhafterweise ein sogenannter Tegran- Motor verwendet werden. Ein derartiger Motor ist in der Patentschrift DE 10 2005 042 539 B4 beschrieben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der der Fig. 1 beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Energiemanagementsystems. Die Druckluft-Dampf-Motoren 1a, 1b, 1c, 1d sind auf einer gemeinsamen Welle 2 angeordnet. Ein Generator 3 ist über eine Generator-Kupplung 4 mit der Welle 2 verbunden. Ein Kompressor 5 ist über eine Kompressorkupplung 6 mit der Welle 2 verbunden. Ein Druckluftspeicher 7 ist mit dem Kompressor 5 verbunden. Ventilgesteuerte Dampfzuleitungen 8a, 8b, 8c, 8d sind mit den Druckluft-Dampf- Motoren 1a, 1b, 1c, 1d verbunden. Weiterhin sind ventilgesteuerte Druckluftleitungen 9a, 9b, 9c, 9d mit den Druckluft-Dampf-Motoren 1a, 1b, 1c, 1d verbun- den. Eine ventilgesteuerte Gasleitung 10 ist mit einem Druckgas-Motor 11 auf der Welle 2 verbunden. Ein Wärmetauscher 12 ist mit dem Kompressor 5 wär- meleitungsmäßig so verbunden, dass die Abwärme des Kompressors 5 dem Wärmetauscher 12 zuführbar ist. Die Gasleitung 10, der Druckgas-Motor 11 , der Wärmetauscher 12 und ein Behälter (nicht gezeigt), der teilweise mit einem Me- dium gefüllt ist, welches einen Siedepunkt hat, der maximal 80 Grad beträgt, sind zu einem Druckgaskreislauf geschlossen. Eine elektronische und rechnergestützte Steuerungsvorrichtung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, in welcher eine Software zur Optimierung des Wirkungsgrades der Solarthermieanlage implementiert ist, wobei die Steuerungsvorrichtung mit Sensoren (nicht gezeigt) zur Erfassung von Betriebsparametern signaltechnisch verbunden sind.
Nachfolgend wird eine Situation beschrieben, in der für die Motore 1a bis 1d und 11 die volle Dampfleistung zur Verfügung steht. In diesem Fall treiben alle Motore den Generator 3 und gleichzeitig den Kompressor 5 an. Der Generator 3 er- zeugt Strom und der Kompressor 5 verdichtet Luft, die in dem Druckluftspeicher 7 gespeichert wird. Wenn nicht genügend Dampf zur Verfügung steht und trotzdem eine hohe elektrische Leistung erbracht werden muss, wird der Dampf z. B. nur auf 3 Motore geleitet, während die verbleibenden 2 Motore mit Pressluft betrieben werden. Es ist für den Fachmann klar, dass je nach Erfordernis zwischen Dampfenergie und Pressluftenergie gewählt werden kann. Besonders vorteilhaft ist hier die Eigenschaft des Tegran-Dampfmotors, der wahlweise mit Pressluft bzw. mit jedem verdichteten Gas arbeitet. Die Kupplungen dienen zum Abkuppeln des Generators oder des Kompressors, falls keine elektrische Leistung abgerufen wird oder wenn keine Pressluft erzeugt werden soll.

Claims

Ansprüche
1. Energiemanagementsystem, welches mit einer Solarthermieanlage gekoppelt ist, wobei das Energiemanagementsystem nachfolgende Merkmale aufweist:
- eine Mehrzahl von Druckluft-Dampf-Motoren (1a, 1 b, 1c, 1d), die auf
- einer gemeinsamen Welle (2) angeordnet sind,
- einen Generator (3), der über
- eine Generator-Kupplung (4) mit der Welle (2) verbunden ist,
- einen Kompressor (5), der über
- eine Kompressorkupplung (6) mit der Welle (2) verbunden ist,
- einen Druckluftspeicher (7), der mit dem Kompressor (5) verbunden ist,
- ventilgesteuerte Dampfzuleitungen (8a, 8b, 8c, 8d), die mit den Druckluft- Dampf-Motoren (1a, 1b, 1c, 1d) verbunden sind,
- ventilgesteuerte Druckluftleitungen (9a, 9b, 9c, 9d), die mit den Druckluft- Dampf-Motoren (1a, 1b, 1c, 1d) verbunden sind,
- wenigstens eine ventilgesteuerte Gasleitung (10), die mit wenigstens einem Druckgas-Motor (11) auf der Welle (2) verbunden ist,
- einen Wärmetauscher (12), der mit dem Kompressor (5) wärmeleitungsmäßig so verbunden ist, dass die Abwärme des Kompressors (5) dem Wärmetauscher (12) zuführbar ist,
wobei
- die Gasleitung (10), der Druckgas-Motor (11), der Wärmetauscher (12) und ein Behälter, der teilweise mit einem Medium gefüllt ist, welches einen Siedepunkt hat, der maximal 80 Grad beträgt, zu einem Druckgaskreislauf geschlossen sind und - eine elektronische und rechnergestützte Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, in welcher eine Software zur optimalen Steuerung des Wirkungsgrades der So- larthermieanlage implementiert ist, wobei die Steuerungsvorrichtung mit
- Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern signaltechnisch verbunden sind.
2. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft-Dampf-Motore (1a, 1 b, 1c, 1d) einen Freilauf aufweisen.
3. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Tetrachlorethen ist.
4. Energiemanagementsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Speicherbatterie zum Speichern von Elektroenergie mit dem Generator verbunden ist.
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