Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie, womit Energie von einer Form in eine andere derart überführt wird, dass danach die nutzbare Energie zumindest teilweise bis zu ihrer bestimmungsgemäßen Rückführung in einem Speicher verbleibt.

Vorrichtungen zur Wandlung und Speicherung von Energie sind gegenwärtig als sogenannte Nutzbremssysteme in Anwendung. Insbesondere im Fahrzeugbau, wie beispielsweise bei Lokomotiven, müssen mit großen Energieengen im Bereich von mehreren MJ in kürzester Zeit bewältigen. Diese Systeme werden in der Technik unter dem Begriff „Rekuperation“ zusammengefasst.

Häufig wird die Rekuperation technisch durch eine sogenannte Nutzbremse umgesetzt. Bei einer Ausgestaltung der Nutzbremse, welche häufig bei elektrifizierten Eisenbahnen verwendet wird, wird die Bewegungsenergie der Fahrzeuge in elektrische Energie gewandelt und in das Stromnetz eingespeist - derartige Systeme verfügen nicht über die Möglichkeit, große Mengen der zu rekuperierenden Energie zu speichern und somit den Zeitpunkt zur Wiederverwendung der Energie autark und autonom zu bestimmen.

Die DE 102018 001 101 A1 wird eine Einrichtung, insbesondere zur Rekuperation von Energie einer Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens einem Zylinder, offenbart. Diese Einrichtung ist geeignet, komprimierte Arbeitsmedien aus der Verbrennungskraftmaschine in einem Speicher für eine spätere Verwendung zu beherbergen. Speziell diese Anordnung ist direkt an eine Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und es ergeben sich daraus nachteilig Anforderungen an die thermische Belastbarkeit unter Hochdruck an die zu verwendenden Materialien.

Die DE 10 2018 113 076 A1 wird ein System für ein Fahrzeug offenbart, bei welchem ein Akkumulator mittels einer Pumpe geladen wird. Diese Offenbarung betrifft das Steuern einer Hydraulikschaltung innerhalb eines Automatikgetriebes zum Aufnehmen kinetischer Energie. Hieraus wird somit keine Energieabgabe im Sinne einer Rückgewinnung vollzogen- das System dient vielmehr der Aufrechterhaltung eine statischer Druckverhältnisse zu Lasten überschüssiger kinetischer Energie. In einigen, stromnetzunabhängigen, Fahrzeugen sind Energiespeicher im Fahrzeug, wie beispielsweise Akkumulatoren oder Speicherkondensatoren, verbaut. Als mechanische Alternative sind Schwungradspeicher bekannt.

Elektrische Akkumulatoren benötigen eine aufwendige Lade- / Entladeelektronik, welche die auftretenden Leistungsspitzen von Großanwendungen kaum handhaben kann. Derartige Leistungsspitzen können zur Zerstörung der aktuell gängigen Akkumulatoren führen.

Speicherkondensatoren haben eine äußerst geringe Leistungsdichte, welche bei den in Großanwendungen auftretenden Energiemengen zu sehr überdimensionalen Bauformen führt.

Im Falle von Schwungradspeichern haben zu große Energiemengen nur schwer handhabbare Fliehkräfte zur Folge, welche zur Zerstörung der Speichervorrichtung führen können.

In Fällen, wo der elektrische Energiespeicher voll ist, geht ein großer Teil der nutzbaren Energieformen, translatorische kinetische Energie bei einem Zug und Rotationsenergie bei einer Turbine, unwiederbringlich Verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und sowohl Verfahren als auch Vorrichtung vorzuschlagen, welches ermöglicht, das eine große Menge nutzbarer Energie in einem Speicher verbleibt und bedarfsgemäß abgegeben wird.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Haupanspruchs sowie durch die Merkmale der unabhängigen Nebenansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den jeweils rückbezogenen abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Das Verfahren zum Betreiben einer hydraulisch-elektrischen transformations- und Speichervorrichtung umfasst die Schritte: a) Bereitstellen eines hohen Druckes oberhalb eines niedrigen Drucks an einem Arbeitszylinder (105) am Totpunkt des minimalen Arbeitsvolumens, b) Aufwendung eines Anteils des hohen Drucks zur Bewegung eines ersten Arbeitskolbens (112), wobei die Bewegung des Arbeitskolbens (112) von einem Totpunkt minimalem Arbeitsvolumens hin zu einem Totpunkt maximalem Arbeitsvolumens erstreckt, c) Zumindest teilweise Umwandlung der bei Schritt b) erzeugten Bewegungsenergie des ersten Arbeitskolbens (112) in einen statischen Druck, d) Speichern des statischen Drucks, e) Überführen des statischen Drucks in den niedrigen Druck, f) Erzeugung elektrischer Energie der Druckdifferenz der Drücke in Schritte) und g) Bewegung eines zweiten Arbeitskolbens (112), wobei sich die Bewegung dieses Arbeitskolbens (112) von einem Totpunkt maximalem Arbeitsvolumens hin zu einem Totpunkt minimalem Arbeitsvolumens erstreckt.

Das Bereitstellen eines hohen Drucks ist die erste verfahrensnotwendige Energieumwandlung. Dabei wird einem System Energie entnommen und in potentielle Energie eines statischen Drucks überführt. Es tritt erwartungsgemäß eine Druckdifferenz gegenüber einem zweiten Druckniveau auf und resultiert in einem statischen Druckniveau. Das so entstandene statische Druckniveau ist in der Lage an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung Arbeit zu verrichten.

Erfindungsgemäß wird Arbeit innerhalb eines ersten Arbeitszylinders (105) an einem Arbeitskolben (112) verrichtet. DerArbeitszylinder(105) erfährt Druckbeaufschlagung im Zustand minimaler Ausdehnung des zwischen Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) gebildeten Arbeitsvolumens, dieser Zustand wird auch als der Totpunkt des minimalen Arbeitsvolumens bezeichnet, bis das er den Zustand maximaler Ausdehnung des Arbeitsvolumens erreicht hat.

Des Weiteren wird dadurch die Energie zumindest teilweise in eine speicherbare Form überführt und bis zu ihrer bedarfsgemäßen Nutzung bewahrt.

Zumindest ein Teil der aufgenommenen Energie wird dabei zur Überführung eines Teils der transformations- und Speichervorrichtung in einen Zustand, geeignet zur Energieaufnahme, eingesetzt.

Unter den hydraulischen Druckbereichen werden hier bevorzugt die Größenordnungen von einigen 10 bar bis zu einigen 100 bar verstanden. Limitiert werden die Druckbereiche durch die Verwendeten hydraulischen Verbindungselemente und überschreiten dabei bevorzugt nie einen Wert von 300 bar.

Bevorzugt wird das Verfahren periodisch ausgeführt, wodurch die Umwandlung und Speicherung der Energien von periodisch auftretenden Leistungsspitzen erfolgt, wie sie beispielsweise bei Rotationsbewegungen auftreten, welche in eine Vorrichtung eingekoppelt werden. Hierbei wird „periodisch“ mit wiederholend und nicht mit „endlos“ gleichgesetzt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Wandlung und Speicherung von Energie.

Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens einen Druckspeicher (108), mindestens eine hydraulische Pumpe (101), mindestens einen hydraulischen Motor (111), mindestens zwei Arbeitszylinder (105) mit Arbeitskolben (112) geeignet für Hydrauliköl, wobei der Arbeitszylinder (105) mindestens eine hydraulische Verbindung mit dem hydraulischen Motor (111) und mindestens eine Verbindung zur hydraulischen Pumpe. In Arbeitszylinder (105) werden mindestens zwei separierte Arbeitsvolumina ausgebildet Das erste Arbeitsvolumen wird dabei zwischen je einem Arbeitskolben (112) und dem zugehörigen Arbeitszylinder (105) ausgebildet. Hierzu weist ein Teil der Mantelfläche des Arbeitskolbens (112) teilweise Löcher, geeignet für Öldurchtritt, auf.

Das erste Arbeitsvolumen zwischen den Mantelflächen von Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) ist dabei derart ausgebildet, dass mindestens zwei separierte Bereiche gleitend und dichtend mit der Innenfläche des Arbeitszylinders (105) abschließen wobei mindestens einer der Bereiche vom Arbeitskolben (112) ausgehend ist und ein weiterer Bereich vom Arbeitszylinder (105) ausgehend ist. Der Arbeitskolben (112) ist weiterhin zur Durchleitung eines hydraulischen Betriebsmittels ausgebildet, wobei die Durchleitung des Betriebsmittels durch Löcher in der Mantelfläche des Arbeitskolbens (112) erfolgt. Der somit für die Betriebsmittel leitfähige Bereich der Mantelflache ist dabei zwischen den beiden Dichtflächen angeordnet und wird am minimalen Totpunkt nicht vollständig von den Dichtelementen verdeckt ist.

Die Betriebsmittel werden durch geeignete hydraulische Verbindungen zwischen Arbeitskolben (112) und einer Pumpeinrichtung, ausgebildet für hydraulische Betriebsmittel, geleitet.

Das mindestens zweite Arbeitsvolumen beherbergt ebenfalls hydraulische Betriebsmittel und ist durch geeignete hydraulische Verbindungen mit mindestens einem Druckspeicher (108) verbunden.

Die Weiterleitung des hydraulischen und mit Druck beaufschlagten Betriebsmittels aus dem Druckspeicher (108) erfolgt durch hydraulische Verbindungen in einen hydraulischen Motor (111).

Unter hydraulischen Betriebsmitteln werden im Sinne dieser Schrift Flüssigkeiten verstanden, welche im allgemeinen Stand der Technik zum Betreiben hydraulischer Anlagen verwendet werden. Dazu zählen insbesondere Öle, welche einen Siedepunkt oberhalb der zu erwartenden Arbeitstemperaturen aufweisen.

In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung Ventile auf, welche sich durch eine zeitliche Steuerung auszeichnen. Die wird vorteilhaft genutzt, um den wirtschaftlichen Aufwand zum Betreiben der Vorrichtung zu minimieren. In Fällen bekannter Leistungsspitzen kann durch den Einsatz einer zeitlichen Prozesssteuerung aus die Verwendung weiterer sensorischer Regulatoren verzichtet werden.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weisen die hydraulischen Verbindungen der Vorrichtung Ventile auf, welche zur Steuerung durch eine Datenverarbeitungsanlage eingerichtet sind. Dadurch wird vorteilhaft die Optimierung des Gesamtprozesses ermöglicht, da die Datenverarbeitungsanlage zur sensorischen Rückkopplung ausgelegt werden kann, was zur Verbesserung der Handhabung von spontan auftretenden Energie- und Leistungsspitzten beiträgt.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst einen hydraulischen Motor (111) und/oder eine hydraulische Pumpe (101), welche zur Steuerung durch eine Datenverarbeitungsanlage eingerichtet sind. Somit ist die Vorrichtung vorteilhaft eingerichtet, die aufgenommene und/oder abgegebene Energiemenge zu regulieren. Dies wird zur vorteilhaften apparativen Vereinfachung eingesetzt, da somit der Einbau einer Leistungselektronik vermieden wird.

In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung eingerichtet zur mechanischen Ein- oder Auskopplung von Energie. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung eingerichtet zur elektrischer Ein- oder Auskopplung von Energie. Für beide, auch gemischt auftretenden Ausführungen ist es Vorteilhaft, wenn der hydraulische Motor (111) und/oder die hydraulische Pumpe (101) jeweils eine zweckmäßige, und für die jeweilig gewählte Energieform geeignete, Kraft- oder Energiekopplung aufweist.

In Ausführungsformen der Erfindung wird die Vorrichtung zur Aufnahme großer Mengen translatorischer Energien ausgelegt. Hierfür ist es zweckmäßig, ein großes Arbeitsvolumen zur Verfügung zu haben, um die ggf. rein mechanische eingekoppelte Energie über einen langen Weg des Arbeitskolbens (112) einzukoppeln. Durch geeignete Lage der beiden Arbeitszylinder (105) kann so gegen einen Teil des translatorischen Impulses gearbeitet werden. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird die Vorrichtung zur Aufnahme großer Mengen rotatorischer Energien ausgelegt. Hierbei hat sich die Verwendung kleinerer Volumina als zweckmäßig erwiesen, da somit eine rasche Massenverschiebung, welche die Rotationsbewegung stören und die rotierende Einrichtung zerstören könnte, vermieden wird. Somit ergeben sich, je nach einsatzgebiet, vorteilhafte Maße der ersten Arbeitsvolumina, welche in einem bevorzugten Bereich von 0,01 dm ³ und weniger als 20 dm ³ liegen. Als erstes Arbeitsvolumen wird hier das zwischen den Mantelflächen des Arbeitskolbens (112) und Arbeitszylinders (105) sowie den gleitenden Dichtflächen gebildete Volumen verstanden.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Arbeitsvolumina mittels einer hydraulischen Verbindung teilweise als Bypass ausgebildet sind. Diese Bypass-Leitungen weisen jeweils Regelventile auf und sorgen zur Regulierung des Druckunterschiedes zwischen den beiden Arbeitsvolumina von je einem Arbeitskolben (112) und einem Arbeitszylinder (105). Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wandlung und Speicherung von Energie.

Zur Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.

In Fig. 1 wird schematisch ein halbseitiger Arbeitszyklus eines Ausführungsbeispiels mit zwei Arbeitszylindern (105) dargestellt. Hierbei sind schematisch die jeweils gegenläufigen Flussrichtungen eingezeichnet, wenn bei Erreichen des maximalen Totpunktes eines Arbeitszylinders (105) der jeweils andere Zylinder bis zum minimalen Totpunkt bewegt wurde. In einem solchen Zustand kann das System die Flussrichtungen in die jeweils andere Richtung tauschen.

In Fig. 2 wird schematisch der zu Fig. 1 komplementäre halbseitige Arbeitszyklus schematisch dargestellt. Analog zu Fig. 1 sind schematisch die jeweils gegenläufigen Flussrichtungen eingezeichnet, wenn bei Erreichen des maximalen Totpunktes eines Arbeitszylinders (105) der jeweils andere Zylinder bis zum minimalen Totpunkt bewegt wurde. In einem solchen Zustand kann das System die Flussrichtungen in die jeweils andere Richtung tauschen.

In Fig. 3 ist schematisch ein Minimalbeispiel dargestellt, um die verfahrenswesentlichen Merkmale zu erläutern.

In Fig. 4 ist schematisch der Ausgestaltung sowohl eines Arbeitszylinders (105) als auch eines innenliegenden Arbeitskolbens (112) dargestellt. Hierbei sind die Löcher in der Mantelfläche des Kolbens nach Anspruch 1 eingezeichnet.

In einem Ausführungsbeispiel ist die hydraulische Pumpe (101) in der Lage, die Energie eines Motors (111) einer Leistung von 1 kW aufzunehmen. Die Leistung des Motors (111) wird vollständig abgebaut und in einen Druck von 100 bar umgewandelt. Durch eine geeignete Einstellung der Bypassventile zwischen Arbeitskolben (112) und Arbeitszylinder (105) wird die Zeitdauer der Leistungsaufnahme auf 500 ms eingestellt. Der Arbeitszylinder (105) besteht aus Edelstahl der Klasse St52 und weist einen Innendurchmesser von 92 mm auf. Die das Arbeitsvolumen bildende Verjüngung des Arbeitskolbens (112) weist einen Durchmesser von 70 mm auf. Diese Verjüngung erstreckt sich entlang der Zylinderachse über 250 mm. Somit ist das Arbeitsvolumen am Punkt maximaler Ausdehnung von 0,095 dm ³ pro Arbeitseinheit, wobei eine Arbeitseinheit aus je einem Arbeitskolben (112) und dem zugehörigen Arbeitszylinder (105) besteht. Der Arbeitskolben (112) besteht aus Edelstahl der Klasse St52. In diesen sind in einem Bereich, gemessen vom Fußpunkt des Kolbens, von 180 mm bis 240 mm in seine Mantelfläche 56 Löchern (402) mit einem Durchmesser von 5 mm eingebracht. Die Verbindungen zwischen der hydraulischen Pumpe und der Arbeitseinheit bzw. der zwischen der Arbeitseinheit und dem Druckspeicher (108) wird durch Hydraulikschläuche realisiert, welche einem maximalem Nenndruck von 160 bar standhalten. Die entlang der Verbindungsstrecken verwendeten Absperr- und Regelventile sind für einen maximalen Nenndruck von 200 bar ausgelegt. Zusätzlich wird in diesem Ausführungsbeispiel eine zeitliche Steuereinheit der Firma Hansa Flex verwendet, um den Druckspeicher (108) mit je zwei wechselseitig betriebenen Arbeitseinheiten zu beladen. Der Druckspeicher (108) verfügt über ein maximales Fassungsvermögen von 3,324 dm ³ bei einem maximalen Nenndruck von 250 bar. In diesem Beispiel werden die gespeicherten 100 bar mit einer Flussrate von bis zu 1 dn Vmin abgegeben um einerseits das Erneute Anlaufen des 1 kW Motors (111) zu unterstützen und um die komplett gegenläufig agierende Arbeitseinheit in den Zustand der Druckaufnahmen zu überführen. Im Gesamtkreislauf befinden sich dazu 5dm ³ Hydrauliköl vom Typ HLP46.

Bezugszeichen

101 Hydraulische Pumpe

102 Ventil

105 Arbeitszylinder

108 Druckspeicher

111 Hydraulischer Motor

112 Arbeitskolben

116 Reservoir

401 Hydraulische Zuleitung des ersten Arbeitsvolumens

402 Mantelfläche mit Löchern für Öldurchtritt

403 Hydraulische Zuleitung des zweiten Arbeitsvolumens

404 Hydraulische Ableitung des zweiten Arbeitsvolumens

405 Kolbenseitige Dichtung

406 Zylinderseitige Dichtung

407 Erstes Arbeitsvolumen

408 Zweites Arbeitsvolumen