Einrichtung und Verfahren zur Stromerzeugung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zur Stromerzeugung, mit einem Generator und einer die Dynamik eines bewegten Mediums aufnehmenden Turbine, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und 15.

Bei der Erzeugung elektrischer Energie aus der Dynamik eines bewegten Mediums ist das die Dynamik des Mediums aufnehmende Turbinenrad oftmals über ein Getriebe mit dem Stromgenerator verbunden.

Es ist bereits bekannt, bei einer Turbine-Generator- Kopplung im Falle einer Gasturbine auf . ein..dazwischen angeordnetes Getriebe zu verzichten. Eine solche Einrichtung ist aus der EP 1 367 690 Bl für einen speziellen Anwendungsfall bekannt.

Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2007 027 349.7 ist bereits die vorteilhafte Anordnung von Turbine und Generator auf einer gemeinsamen Achse ohne Getriebe bekannt . Die

Vorteile treten bei der Anwendung für ORC Anlagen ganz erheblich hervor. Es wird eine optimale Wärmenutzung und eine Einsparung von Leitungsführungen erreicht.

Davon ausgehend liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Verbindung zwischen Turbine und Generator so erfolgt, dass Turbine und Generator druckverlustfrei angesteuert werden können und dabei noch kompakt gestaltet sind.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2-14 angegeben.

Hinsichtlich eines Verfahrens ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 15 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrogen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kern der Erfindung ist ^" , dass die Turbine bzw das Turbinenrad und der Rotor des Generators auf einer gemeisamen Achse oder Welle angeordnet sind, und die Turbine und zumindest der Rotor des Generators samt der

Achse oder Welle und deren Achslager in einer gemeinsamen druckfesten Kapselung unter Vermeidung von nach außen abdichtenden Achslagerdichtungen eingebracht sind.

In Bezug auf die direkte und somit gemeinsame Anordnung von Generator bzw Rotor des Generators und Turbine auf einer gemeinsamen Achse oder Welle entsteht ein erheblicher funktioneller Unterschied zum Gegenstand der genannten EP 1 367 690 Bl. Dies jedoch führt im Stand der Technik dazu, dass jedes Bauteil, nämlich Generator und

Turbine jeweils eine für sich separat gelagterte Achse aufweisen, die lediglich miteinanander gekoppelt werden. Da jede Achse aber dabei aber für sich selbst gelagert ist, führt dies zu einer mechanischen überbestimmung der Lager- oder Auflagepunkte. Somit wäre ein absoluter unwuchtfreier Gleichlauf nur dann erreichbar, wenn die Verbindung der Turbineachse und der Generatorachse rotatorisch zwar drehfest, axial aber ausgleichend wäre, d.h. axiale Umwuchten ausgleichen würde. Damit wäre die Verbindung zwar getriebefrei, aber dieser Achsausgleich wäre dem Verschleiß unterworfen und schluckt ausserdem auch Reibungsenergie.

Darüber hinausgehend wird nunmehr die Anordnung noch so ausgestaltet, dass Generator, d.h. zumindest der Rotor des Generators, das Turbinenrad sowie die entsprechenden Achslager der gemeinsamen Achse bzw Welle innerhalb einer druckfesten Kapselung angeordnet sind. Dabei entfallen auch ansonsten übliche, abzudichtende Lagerdichtungen. Damit wird die Bauform einfacher und kompakter. Und außerdem weniger störanfällig, da die Anforderung an die Lager bezüglich einer druckfesten Dichtigkeit entfällt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Generator so innerhalb der Kapselung angeordnet ist, dass er vom das Turbinenrad passierenden Druckmedium direkt durchströmbar ist. Dies gilt für den Fall, dass sowohl Rotor als auch Stator des Generators innerhalb der druckfesten Kapselung angeordnet sind. Dadurch kann der Generator direkt und druckmedienschlüssig in die druckfeste Kapselung eingebaut werden, die wiederum mit dem das Druckmedium führenden Druckmittelleitungsystem direkt verbunden ist. Wichtig ist hierbei aber, dass die lichten Abstände im Generator eine ungestörte Durchströmung zulassen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen ist angegeben, dass Stator und Rotor des Generators über einen Ringspalt derart beabstandet sind, dass der über den Ringspalt freigegebene Durchflußquerschnitt größer oder gleich dem Querschnitt der Druckmittelzuleitung zum Turbinenrad ist. Hierdurch wird die besagte Durchströmbarkeit gewährleistet .

Für den Fall dass die besagten Querschnitte gleich sind, würde eine ungestaute Durchströmung gewährleistet sein. Für den Fall dass der Querschnitt im Ringspalt größer als der Querschnitt in der Druckmedienzuleitung des Turbinenrades gewählt wird hat dies den enormen Vorteil, dass es im Bereich des Leitungssystemes hinter dem Generator zu einer Druckentspannung, d.h. zu einer Druckreduzierung kommt. Dadurch wird eine Entspannung des Druckmittels hinter dem Turbinenrad erreicht, wodurch ein besserer Wirkungsgrad am Turbinenrad durch den entstehenden Druckgradienten erreicht wird.

In weiterer ^" vorteilhafter ^' Ausgestaltung ist ^' angegeben, dass der Stator des Generators außen an der Kapselung angeordnet ist, und der Rotor innerhalb derselben angeordnet ist und über einen Ringspalt derart von der

Innenwandung der Kapselung beabstandet ist, dass der über diesen Ringspalt zwischen Rotor und Innenwandung freigegebene Durchflußquerschnitt größer oder gleich dem Querschnitt der Druckmittelzuleitung zum Turbinenrad ist. Damit wird die Anordnung noch einfacher und im übrigen kann die Kapselung im Durchmesser kleiner ausgestaltet sein, als wenn innerhalb derselben auch noch der Stator _. , sowie auch noch der Ringspalt zu platzieren wäre.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Achslager in innerhalb der Kapselung angeordneten zentrierten Lagerständern angeordnet sind, die gänzlich innerhalb der Kapselung liegen, und über öffnungen ebenfalls vom Druckmedium durchströmbar sind. Somit behindern die Achslager die erfindungsgemäße Durchströmung des Generators bzw die Umströmung des Rotors nicht .

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Turbine eine radiale Zentripetal -Turbine ist, welche seitlich zur Rotationsachse mit dem Medium angeströmt und das Medium in axialer Richtung zentral aus der Turbine abströmbar ist. Dies ist baulich insbesondere für kompakte Anlagen von erheblichem Vorteil. Ein weiterer Vorteil liegt dabei im optimalen Wirkungsgrad einer solchen Turbinenradkonstruktion, die mit gebogenen seitlich anzuströmenden Schaufeln versehen ist.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Generator ein bürstenloser, vorzugsweise ein Generator ^" mit ^" Permanentmagneten ist. ^" Dabei ^" sind ^~ die ^~ Reibungswiderstände deutlich geringer als bei einem Generator mit Bürsten.

Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher die Achse mit Magnet- oder Luftlagern gelagert ist. Dies führt zu einer weiteren Reduktion der Reibungswiderstände, was die Effizienz der Energieumwandlung wiederum erhöht. Luftlager sind

Abschnitte auf Lagerwellen, die oberflächenstrukturiert sind. Dadurch kommt es bei höheren Drehzahlen zu einem Luftpolster, auf dem die Lagerwelle bzw die gelagerte Welle dann läuft.

AlIe diese bereits erzielten Vorteile korrespondieren besonders gut mit einer Ausgestaltung bei welcher die erfindungsgemäße Turbine-Generator-Anordnung in einer Niedertemperatur-ORC-Anlage integriert ist. Hier ist die kompakte und extrem laufruhige Turbine-Generator- Anordnung, sowie die Maßnahmen zur Reduktion von Reibungsverlusten besonders effektiv.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Niedertemperatur-ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle) außerdem mindestens eine Verdampferstufe, mindestens eine Kondensationsstufe, sowie ein Pumpe zur Rückführung des kondensierten Mediums von der Kondensatorstufe zur Verdampferstufe aufweist. Damit sind alle Komponenten in einem geschlossenen Kreislauf eingebunden, insbesondere die Turbine-Generator-Anordnung arbeitet dabei optimiert.

Um nun die ORC-Anlage in optimalem ökologischen Prinzip zu betreiben, d.h. mit alternativen Energiequellen zur Beheizung des Verdampfers, ist in einer Ausgestaltung der Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar, welcher aus einem Wärmeträger - (Wasser oder ^" aus Sonnenkollektoren betreibbar ist. Anlagen dieser Art haben damit sogar einen enormen Nutzwert für private Anwendungen in Wohnhäusern. So kann die Sonnenwärme herkömmlicher Sonnenkollektoren die Wärme zumindest teilweise verströmen, und den Strom ins Stromnetz einspeisen. Eine erfindungsgemäße Einrichtung gemäß dieser Ausgestaltung hat einen sehr guten Wirkungsgrad. Als ggfs kombinierte Einrichtung in Bezug auf wahleise oder kombinierte Wärme- und Stromerzeugung ist sie mit Halbleiter-SolarZeilenanlagen konkurrenzfähig.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass Verdampfer über einen Wärmetauscher beheizbar ist.

welcher wiederum aus Abwärme beheizbar ist. So kann die besagte Einrichtung auch dort genutzt und eingesetzt werden, wo Energie in Form von Abwärme anfällt, die sodann über diese ORC-technologische Ausgestaltung verströmt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Verdampfer sowie der Sonnenkollektor oder die Sonnenkollektoren einen gemeinsamen geschlossenen Medienkreislauf aufweisen, derart, dass das

Verdampfermedium ohne Wärmetauscher direkt in den Rohren der Sonnenkollektoren aufheizbar sind. Hierdurch bedarf es keines Wärmetauschers mehr, weil in den Rohren der Sonnenkollektoren kein Wasser mehr, sondern bereits das Verdampfer-Medium fließt und die Temperatur direkt aufnimmt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Rohre für den anfallenden Druck ausgelegt und dicht sind. Durch das Entfallen des Verdampfer-Wärmetauschers wird der Wirkungsgrad weiter gesteigert, weil die thermischen Energieverluste entfallen.

Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung ^" besteht ^" darin, dass dabei die Kondensatorstufe als Rohrbündel oder als eine Art Kühlkörper mit gefalteter Oberfläche ausgebildet ist, über welche die Wärmeabgabe an die Umgebung, an eine Hausheizung, in ein Fernwärmenetz oder in einen Wärmespeieher abgebbar ist.

Mit anderen Worten erfolgt die Kühlung des Kondensators durch Wärmeaustausch mit der Umgebung, bzw in der oben spezifierten Weise.

Eine Einrichtung dieser Art hat einen erheblichen Nutzen auch in Bezug auf eine klimaschonende Energieerzeugung.

Im Hinblick auf ein Verfahren der gattungsgemäßen Art besteht der Kern der Erfindung darin, dass Turbine bzw das Turbinenrad und Generator auf einer gemeisamen Achse oder Welle angeordnet sind, und zumindest der Rotor des Generators, vom anströmenden Druckmedium des

Turbinenrades direkt und in achsparaller Richtung durchströmt wird. Die Durchströmung ihrerseits ermöglicht die Integration zumindest des Rotors innerhalb einer entsprechenden Rohrleitung die die druckfeste Kapselung darstellt. Dies wiederum bedingt eine Generatorbauform, bei welcher der Luftspalt, bzw Ringluftspalt nicht minimiert ist, sondern entsprechend groß ist, dass die erfindungsgemäße Durchströmung möglich ist. Durch die Integrierbarkeit des Generator in das Druckleitungssystem in Verbindung mit einer Bauform bei der Turbinenrad und Rotor des Generators auf einer gemeinsamen Welle platziert sind entsteht eine kompakte, aber auch einfache Leitungsführung in einem geschlossenen System ermöglicht.

Dies betrifft insbesondere die nächste vorteilhafte

Ausgestaltung, bei welcher dieses Verfahren innerhalb eines ^~ geschlossenen Druckmittelzyklüs einer ORC-Anlage betrieben wird.

Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die

Verdampfungstemperatur T2 im Verdampfer im Betrieb zwischen 50 ⁰ C und 130 ⁰ C liegt und eingestellt wird, und dass nach Durchlaufen des Mediums durch die Turbine eine Abkühlung um mindestens 30 K erfolgt.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Verfahrens ist angegeben, dass die Verdampfungstemperatur T2 vorzugsweise bei etwa 70 ⁰ C eingestellt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine

Temperaturführung angegeben, bei welcher die Kondensationskühlung im Kondensator über einen Wärmetauscher in etwa auf die Rückführungstemperatur Tl des Mediums zum Verdampfer gekühlt wird, derart, dass die Temperaturunterschiede δT zwischen Rückführungstemperatur Tl und Verdampfertempertur T2 , in beiden Richtungen gleich sind.

In letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die bei der Kondensationskühlung entstehende Abwärme als Heizenergie genutzt oder auf dem erhaltenen Temperaturniveau separat nachverstromt wird.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .

Es zeigt:

Figur 1 : Generator mit durchströmtem

Ringluftspalt, sowie Turbinenrad und Rotor des Generators auf einer Achse.

Figur ^" 2 : Ausfuhrungsbeispiel ^" mit ^" Turbine ,

Generator und Rückführungspumpe auf einer Achse .

Figur 3 : Ausführungsbeispiel mit Integration der Verdampferstufe direkt in Sonnenkollektoren .

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem das Turbinenrad der Turbine 3 mit dem Generator auf einer physisch gemeinsamen Achse A angeordnet sind. Dabei ist hier zu beachten, dass im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik die Turbine und der Generator nicht jeweils zwei getrennte Achsen aufweisen,

die mit einander gekoppelt sind. Denn dies führt zu einer Lagerüberbestimmung und damit zu einer Laufruhestörung dieser beiden Komponenten.

Erfindungsgemäß ist die verlängerte Achse A des Generators 4 eins mit der Achse der Turbine 3 bzw des Turbinenrades 11. Damit ist die Einrichtung extrem laufruhig und die Kopplung führt zu einer den Wirkungsgrad der gesamten Einrichtung steigernden technischen Maßnahme. Zusätzlich ist nun der Rotor so im druckfesten Gehäuse oder der Kapselung 12 angeordnet, dass Rotor und Gehäuseinnenwandung so zueinander bemessen sind, dass sich hierzu ein Ringspalt bildet, der vom Druckmedium durchströmt werden kann. Der Querschnitt des Ringspaltes bemisst sich genau aus dem Zusammenhang, dass dieser größer oder gleich als der bzw dem Querschnitt der Druckmedienzuführung zum Turbinenrad sein soll. Bei einer Ausgestaltung, bei welcher der Querschnitt des Ringluftspaltes gleich dem Querschnitt der Druckmedienzuführung zum Turbinenrad ist, stellt der so integrierte Generator bzw zumindest sein Rotor keinen wesentlichen ^" Ströϊnungswiderstarid dar. Besser ^" ist jedoch die Ausgestaltung, bei welcher der Querschnitt des Ringspaltes etwas größer als der Querschnitt der Druckmedienzuleitung zur Turbine gewählt ist. Dies, weil dadurch eine Art Druckentspannung nach Passieren des Turbinerades im Druckmittel erfolgen kann. Dieser entstehende Druckgradient erhöht den Wirkungsgrad der Turbine .

Zur Realisierung der Durchstömung des Generators sind nunmehr zwei grundsätzliche Baufomen möglich. Entweder der Stator des Generator ist ebenso wie der Rotor innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet, oder zumindest der Stator ist außerhalb, d.h. an der Außenwandung des

Gehäuses 12 angeordnet. Dies ist im gezeigten Ausführungsbeispiel so gewählt, weil das die effizienteste Form zur Integration des Generator zu direkten Durchströmung mit dem Druckmedium ist.

Die besagte Turbine-Generator-Einheit ist in diesem Ausgestaltungsbeispiel in einen ORC-Kreislauf eingebaut, wie Figur 2 zeigt . Dabei wird das Turbinenrad der Turbine 3 mit Hilfe des aus dem Verdampfer 1 ausströmenden Verdampfer-Mediums angetrieben, in diesem Beispiel

1 , 1 , 1, 33-Pentafluor-Propan, welches im Verdampfer durch Wärmezufuhr über den Verdampfer-Wärmetauscher 40 auf eine Verdampfungstemperatur Tl gebracht wird und das Turbinenrad der Turbine 3 anströmt . Das so beströmte Turbinenrad nimmt diese Energie auf und durch die drehfeste Verbindung über die gemeinsame Achse A mit dem Generator 4, bzw den Rotor des Generators 4 wird dieser angetrieben. Der Generator ist dabei z.B. als bürstenloser permanentmagneterregter Generator ausgebildet. Die erzeugte elektrische Energie liegt dann am Ausgang 10 an. Dabei ist ^~ angedeutet; ^{^} dass ^{^} das Druckmedium seitlich das Turbinenrad anströmt und zentral in Richtung Generator 4 strömt, der vom anliegenden Druckmedium auch durchströmt wird.

Die Turbine 3 ist als radiale Zentripetal -Turbine ausgestattet, in welchem das Medium tangential auf das Turbinerad 11 eingeströmt und durch eine entsprechende Lamellierung dann zentral abgeleitet wird. Das Medium fließt dabei in einen Kondensator 2 der über einen Wärmetauscher 7 das Medium wieder herunterkühlt . Die dabei aufgenommen Wärme kann seinerseits wieder genutzt werden, oder nachverstromt , oder rückgeführt werden.

Das abgekühlte und kondensierte Medium wird dabei auf eine Kondensationstemperatur von T2 heruntergekühlt und über eine Rückführpumpe 5 zurück in den Verdampfer 1 gepumpt . Diesem wird von extern wieder Wärme zugeführt und der Prozess läuft dann weiter. Das heisst das Medium ist hierbei in einem geschlossenen Kreislauf.

Am Wärmetauscher 7 wird bei einer niedrigen Temperatur eine Kühlmittel durch einen Wärmetauscherleitung geführt. Die am Wärmetauscher 7 aufgenommene Wärme wird dabei in der besagten Weise entweder genutzt oder recycliziert .

über ein Steuerventil 6 wird der Kreislauf insgesamt geregelt .

Generator 4 und Turbine 3 können auch in einer Baugruppe 20 gehaust werden.

Eine beispielhafte Temperaturführung läuft je nach Druck und verwendetem Medium so ab, dass Tl, d.h. die

Ausgangstemperatur bei etwa 70 ⁰ C liegt, im Kondensator 2 ^{^} danrT wieder ^~ lϊuf T27 d7h . etwa 40 ^~ °C herüntergekührt ^uhd ^~ kondensiert wird, und bei etwa diesem Temperaturniveau von T4=T2 in etwa wieder dem Verdampfer 1 zugeführt wird.

Am Eingang des Wärmetauschers 7 wird ein Kühlmittel bei etwa T3 gleich 10 ⁰ C zugeführt und auf etwa T4 gleich 40 °C wieder abgeführt.

Das Turbinenrad selbst wird am Rand in etwa tangential vom verdampften Medium angeströmt . Das Medium wird durch die Lamellenführung zum Zentrum des Turbinenrades geleitet und kann dort zentral ausströmen, bevor es dem Kondensator zugeführt wird.

Figur 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher nicht nur Generator 4 und Turbine 3 bzw Turbinenrad 11 und Rotor auf einer gemeinsamen physischen Achse A angeordnet sind, sondern zusätzlich noch die Rückführpumpe 5. Dies hat nicht nur den Vorteil, dass die Energie für die Rückführpumpe 5 direkt aus der erzeugten mechanischen Energie des Turbinenrades angewendet wird, was den Wirkungsgrad weiter steigert, sondern die Bauform der gesamten Einrichtung wird dadurch noch kompakter.

Dabei kann, wie hier angedeutet, die gesamte Baugruppe Turbine, Generator und Rückführpumpe aufrecht stehend zwischen Verdampfer 1 und Kondensator 2 platziert werden. Durch die kompaktere Bauform werden nur kurze Medienleitungen notwendig, was Wärmeverluste reduziert und dadurch ebenfalls den Wirkungsgrad nochmals steigert. Ausserdem ergibt sich eine kleinbauende Einrichtung. Auch hierbei wird der Generator erfindungsgemäß durchströmt.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem statt eines separaten Verdampfers 1, dem bodenseitig wie in Figur -1 ^* dargestellt thermische ^" Energie durch den Verdampfer-Wärmetauscher 40 zugeführt werden muss, stattdessen nun der Verdampfer in die Rohre eines Sonnenkollektors 30 sogleich mitintegriert wird.

Die Rohre des Sonnenkollektors müssen dabei nur druckfest verlegt und ausgestaltet sein, so dass die aufgenommene Sonnenenergie das Medium, z.b. das genannte Penta-fluor- Propan sogleich in den Rohren des Sonnenkollektors 30 verdampft wird, und der Dampf dann direkt der Turbine zugeführt wird.

Die weitere Ausgestaltung kann dann wieder gemäß Figur 2 oder Figur 3 ausgebildet sein. In beiden Fällen brauch

der Verdampfer 1 nur gegen einen druckfesten Sonnenkollektor 30 ausgetauscht werden.

In allen Ausgestaltungsbeispielen können die Lager der gemeinsamen Achse überdies Magnet- oder Luftlager sein, wass sowohl die Laufruhe erhöht, als auch die Reibungsverluste stark reduziert. Insgesamt erhöht auch dieses Merkmal den im Gesamtprozess erzielbaren Wirkungsgrad. Eine erfindungsgemäße Durchströmung des Generators vom anliegenden Druckmedium, d.h. dem verdampften und so druckbeladenen Medium findet auch hier statt.

Die Verwendung von Butan oder Penta-fluor-Propan sind nur beispielhaft. Möglich sind dabei alle Medien mit entsprechend niedrigem Siedepunkt.

Bezugszeichen;

1 Verdampfer 2 Kondensator

3 Turbine

4 Generator

5 Pumpe , Rückführpumpe

6 Steuerventil 7 Wärmetauscher

10 Ausgang elektrischer Energie

11 Turbinenrad

12 Gehäuse, druckfeste Kapselung 13 Stator des Generators

14 Rotor des Generators

15 Achslager

16 Ringspalt

17 LagerStänder 18 öffnungen, Durchgangsöffnungen in den Lagerständern

20 Baugruppe

30 Sonnenkollektor

40 Verdampfer-Wärmetauscher

A Achse, Welle

Tl Ausgangstemperatur Verdampfer

T2 Rückführungstemperatur zum Verdampfer

T3 Eingangstemperatur Wärmetauscher

T4 Ausgangstemperatur Wärmetauscher