DE4339402A1

DE4339402A1 - Verfahren und Anlage zur Umwandlung und Speicherung von Windenergie

Info

Publication number: DE4339402A1
Application number: DE4339402A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2013-11-19
Also published as: DE4339402C2

Description

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

Energie aus regenerativen Energieträgern, beispielsweise Wind, steht in der Regel nicht permanent zur Verfügung. Daher bringt die bisher angewandte Arbeitsweise, Wind unmittelbar und ausschließlich in elektrischen Strom zu konvertieren, den Nachteil mit sich, daß der so erzeugte elektrische Strom nicht kontinuierlich fließt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von Windenergie sowie eine Anlage zu seiner Durchführung anzugeben, bei welchem die im Wind enthaltene mechanische Arbeit nur zum Teil in elektrischen Strom umgewandelt und mindestens teilweise in Form von Druckluft gespeichert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Rotor einer Windkraftanlage einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie und/oder einen Turbosatz zur Gewinnung von Druckluft antreibt.

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

a) die zum Betrieb der Hochdruck-Verdichterstufe erforderliche elektrische Energie von dem vom Rotor der Windkraftanlage angetriebenen Generator geliefert wird,
b) beim Betrieb des Turbosatzes Druckluft von 3,5 bis 6 bar gewonnen wird,
c) die beim Betrieb des Turbosatzes gewonnene vorgespannte Druckluft mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Hochdruck-Verdichterstufe auf 200 bis 300 bar verdichtet wird. (Die dazu notwendige elektrische Energie kann der Generator der Windkraftanlage liefern),
d) bei unterhalb der Einschalt-Windgeschwindigkeit der Windkraftanlage herrschender Windgeschwindigkeit der Turbosatz mit Hilfe von Druckluft von 200 bis 300 bar als Expansionsturbine wirkt und den Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt,
e) die bei der Luftkompression anfallende Wärme durch Wärmeaustausch zu Heizzwecken verwendet wird,
f) die bei der Luftdilatation auftretende 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 Getriebe verbundenen Rotor, einem mit dem Getriebe kraftschlüssig verbundenen Generator, wobei zwischen dem Getriebe und dem Generator eine erste Kupplung angeordnet ist, einem mit dem Generator kraftschlüssig verbundenen Turbosatz, wobei zwischen dem Generator und dem Turbosatz eine zweite Kupplung angeordnet ist und einem Niederdruckspeicher, welcher mit dem Turbosatz gasströmungsmäßig verbunden ist.

Diese Anlage kann wahlweise dadurch weitergeleitet sein, daß

g) der Turbosatz mit einem Niederdruckspeicher gasströmungsmäßig verbunden ist,
h) der Turbosatz mit einem Hochdruckverdichter gasströmungsmäßig verbunden ist,
i) der Hochdruckverdichter druckseitig mit einem Hochdruckspeicher in gasströmungsmäßiger Verbindung steht,
j) der Turbosatz als Hochdruckverdichter ausgebildet ist, welcher mit einem Hochdruckspeicher in gasströmungsmäßiger Verbindung steht,
k) eine Rohrleitung vorgesehen ist, welche den Hochdruckspeicher und den Turbosatz gasströmungsmäßig miteinander verbindet,
l) am Turbosatz ein erster Wärmeaustauscher zur Nutzbarmachung der bei der Luftkompression anfallenden Wärme angeordnet ist,
m) am Turbosatz ein zweiter Wärmeaustauscher zur Nutzbarmachung der bei der Luftdilatation freiwerdenden Kälte angeordnet ist.

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

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

In der beigefügten Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 16 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 Luftkompression 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 verbunden.

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 gasströmungsmäßig direkt mit dem Hochdruckspeicher 11 verbunden.

Der Hochdruckspeicher ist über eine Leitung 14 mit dem Turbosatz 6 verbunden.

Vom Hochdruckspeicher 11 kann auch ein Kraftfahrzeug 12 mit Druckluft als Treibstoff versorgt 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 Generator 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 umgesetzten 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 Niederdruckspeicher 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

1. Verfahren zur Umwandlung und Speicherung von Windenergie, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einer Windkraftanlage einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder einen Turbosatz zur Gewinnung von Druckluft antreibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb des Turbosatzes Druckluft von 3,5 bar bis 6 bar gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Betrieb des Turbosatzes gewonnene vorgespannte Druckluft mit Hilfe einer elektrisch betriebenen Hochdruck-Verdichterstufe auf 200 bis 300 bar verdichtet wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betrieb der Hochdruck-Verdichterstufe erforderliche elektrische Energie von dem vom Rotor der Windkraftanlage angetriebenen Generator geliefert wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei unterhalb der Einschalt-Windgeschwindigkeit der Windkraftanlage herrschender Windgeschwindigkeit der Turbosatz mit Hilfe von Druckluft von 200 bis 300 bar als Expansionsturbine wirkt und den Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie antreibt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Luftkompression anfallende Wärme durch Wärmeaustausch zu Heizzwecken verwendet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Luftdilatation auftretende Kälte durch Wärmeaustausch zu Kühlzwecken verwendet wird.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen durch Anströmung mit Wind in Rotation versetzbaren, kraftschlüssig mit einem Getriebe (2) verbundenen Rotor (1), einem mit dem Getriebe (2) kraftschlüssig verbundenen Generator (4), wobei zwischen dem Getriebe (2) und dem Generator (4) eine erste Kupplung (3) angeordnet ist, einem mit dem Generator (4) kraftschlüssig verbundenen Turbosatz (6), wobei zwischen dem Generator (4) und dem Turbosatz (6) eine zweite Kupplung (5) angeordnet ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbosatz (6) mit einem Niederdruckspeicher (9) gasströmungsmäßig verbunden ist.

10. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbosatz (6) mit einem Hochdruckverdichter (10) gasströmungsmäßig verbunden ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckverdichter (10) druckseitig mit einem Hochdruckspeicher (11) in gasströmungsmäßiger Verbindung steht.

12. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbosatz (6) als Hochdruckverdichter ausgebildet ist, welcher mit einem Hochdruckspeicher (11) in gasströmungsmäßiger Verbindung steht.

13. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rohrleitung (14) vorgesehen ist, welche den Hochdruckspeicher (11) und den Turbosatz (6) gasströmungsmäßig miteinander verbindet.

14. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Turbosatz (6) ein erster Wärmeaustauscher (7) zur Nutzbarmachung der bei der Luftkompression anfallenden Wärme angeordnet ist.

15. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Turbosatz (6) ein zweiter Wärmeaustauscher (8) zur Nutzbarmachung der bei der Luftdilatation freiwerdenden Kälte angeordnet ist.