DE10004342A1

DE10004342A1 - Vorrichtung zum gekoppelten Erzeugen von Strom und/oder Wärmeenergie durch Windräder oder Wasserturbinen

Info

Publication number: DE10004342A1
Application number: DE10004342A
Authority: DE
Inventors: Meinfried Kruegel; Bernd Peiffer
Original assignee: CTA ANLAGENBAU GmbH
Current assignee: PFEIFFER, BERND, DIPL.-ING. (FH), 15366 MOENCHEHOFE
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2001-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gekoppelten Erzeugen von Strom und Wärmeenergie durch Windräder oder Wasserturbinen. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass die Übertragungsverluste bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie spürbar gesenkt, die Einflüsse durch die Wärmeübertragung in das Wärmeübertragungssystem weitgehendst beseitigt werden, die Verfügbarkeit der Wärmegewinnung aus Windenergie kostengünstig zu erweitert und die Robustheit sowie Kompaktheit der Energiegewinnungseinrichtung erhöht wird. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Rotor des Generators und die Metallscheibe (9) auf einer gemeinsamen Welle (7) angeordnet sind und dass die Metallscheibe (9) an ihrem äußeren Bereich in einem mit elektrisch isolierendem Wärmeaustauschmedium gefüllten, einen gesonderten Wärmeaustauschraum (22) bildenden Gehäuse (10) umlaufend umschlossen ist, das vom Magnetfeld durchsetzt ist, und dass die Welle (7) durch das Gehäuse (10) in einer Wellendurchführung (31) flüssigkeitsdicht geführt ist und dass Gehäuse (10), Scheibe (9) und Welle (7) ein Steckmodul (19) bilden, das kraftschlüssig an den jeweiligen Wellenenden (7.1, 7.2, 7.3) aneinanderkuppelbar ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gekoppelten Erzeugen von Strom und/oder Wärmeenergie durch Windräder oder Wasserturbinen, mit einem aus Rotor und Stator bestehenden Generator zur Erzeugung von Strom und einer in einem Magnetfeld umlaufenden Metallscheibe, in denen durch das Magnetfeld induzierte Wirbelströme Wärme erzeugen, einem Wärmeaustauscher, in dem ein Wärmeaustauschmedium über eine durch Vor- und Rücklauf verbundene Heizeinrichtung die Wärme an Verbraucher abgibt.

Die Erzeugung von Wärmeenergie mit elektrischem Wirbelstrom durch horizontal angeordnete Windräder ist aus der US-A-44 21 967 hinlänglich bekannt. Die Drehbewegung der Windräder wird durch ein Getriebe auf eine vertikal angeordnete Welle umgesetzt. Diese Welle trägt an ihrem unteren Ende Flügel, mit denen die durch Wirbelstrom erzeugte Wärme auf die zu erwärmende Luft übertragen wird. Radial zur Welle sind nebeneinander gelegte Elektromagnete für die Erzeugung des magnetischen Feldes angeordnet. Die Magnete können entweder in Nord-Südrichtung am Umfang der Welle verteilt oder wie in der US-A-44 86 638 beschrieben, axial übereinander angeordnet sein. Um eine Leistungsstaffelung zu ermöglichen, wird bei dieser bekannten Lösung der Rotor verschieden tief in den Stator eingetaucht.

Allen diese bekannten Lösungen zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Wirbelstrom ist der Nachteil gemeinsam, dass die erzeugte Wärmeenergie immer unter Zwischenschaltung eines metallischen Körpers mit hoher Wärmeleitfähigkeit an das Wärmeaustauschmedium abgegeben wird. Dies verursacht einerseits nicht zu vernachlässigende Übertragungsverluste und führt andererseits zu komplizierten, großen und schwerfälligen Einrichtungen, was insbesondere Windenergieanlagen zur Energieversorgung verteuert und unattraktiv werden lässt.

Aus der DE-A-44 29 386 ist außerdem eine Wirbelstromheizung bekannt, bei der Metallscheiben in einem Wärmeträgeröl umlaufen, das sich in einem voluminösen Erzeugerbehälter befindet. Der gesamte Wärmeaustauscher befindet sich ebenfalls in diesem Wärmeträgeröl.

Mit dieser Lösung gelingt es zwar, den Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgeröl und Metallscheibe direkt durchzuführen, trotzdem muss der Wärmeübergang auf das eigentliche Wärmeaustauschmedium unter Zwischenschaltung eines Metallkörpers vorgenommen werden. Der Wärmeübergang vom Wärmeträgeröl auf den Wärmeübertrager wird ferner bei mehreren übereinander angeordneten Scheiben durch die gemeinsame Rotation aller Scheiben gestört. Diese bekannte Einrichtung hat des weiteren den Nachteil eines großen voluminösen Aufbaus und beansprucht sehr viel Platz, der oftmals nicht zur Verfügung steht.

Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Übertragungsverluste bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie spürbar zu senken, die Einflüsse durch die Wärmeübertragung in das Wärmeübertragungssystem weitgehendst zu beseitigen, die Verfügbarkeit der Wärmegewinnung aus Windenergie kostengünstig zu erweitern und die Robustheit sowie Kompaktheit der Energiegewinnungseinrichtung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass der Wirkungsgrad von Wind- und Wasserenergieeinrichtung verbessert wird. Dies wird vor allem dadurch erreicht, dass die die Wärme erzeugende Metallscheibe im Wärmeaustauschmedium umläuft und direkt ihre Wärme an das Medium abgeben kann.

Das erfindungsgemäße Zusammenstecken mehrerer Module zu einem von einer einzigen Welle angetriebenen Aggregat ermöglicht es, die Energieanlage kostengünstig an die benötigte Heizleistung anzupassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist kompakt, zugleich robust und einfach im Aufbau. Bedingt durch ihre kleinere Bauart gestattet sie höhere Drehzahlen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungs gemässen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Wärmemoduls der erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 3 eine Addition mehrerer Wärmemodule in Schnittdarstellung,

Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau des Wärmemoduls gemäß Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht nach Fig. 4 und

Fig. 6 eine Einzelheit X der Wellendurchführung in Fig. 4.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht im wesentlichen, wie in Fig. 1 gezeigt, aus einem Windrad 1 mit vertikal angeordneten Flügeln 2, einem Windmesser 3, einem ersten Wärmeaustauscher 4 für die Abführung der gewonnenen Wärmeenergie an einem zweiten Wärmeaustauscher 5 einer Heizeinrichtung 6 eines Verbrauchers. Die vertikale Antriebswelle 7 treibt einerseits einen handelsüblichen stromerzeugenden Generator 8 an, dessen Aufbau deshalb nicht näher beschrieben wird. Anderenends trägt die Welle 7 eine drehfest mit dieser verbundene Metallscheibe 9 aus Leichtmetall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung. Die Metallscheibe 9 befindet sich in einem Gehäuse 10, das von einem Wärmeträgeröl des ersten Wärmeaustauschers 4 durchflossen wird.

Das Gehäuse 10 besteht wie in Fig. 2 dargestellt aus zwei teller- bzw. diskusartigen Mantelschalen 11 und 12, die aus Leichtmetall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, gefertigt sind. Die Mantelschalen 11 und 12 besitzen einen umlaufenden Bund 13, in dem in gleichmäßigen Abständen Bohrungen 14 zur Aufnahme von aus Bolzen 15 und Muttern 16 bestehenden Schraubverbindungen eingebracht sind. Beide Mantelschalen 11 und 12 werden durch diese Schraubverbindungen flüssigkeitsdicht zusammengehalten. Zur Befüllung des Gehäuses 10 mit einem Wärmeträgeröl 17 befinden in den Mantelschalen 11 bzw. 12 Anschlussmuffen 18 zum Anschluss der jeweiligen Vorlaufleitung VL und Rücklaufleitung RL. Die Antriebswelle 7 ist flüssigkeitsdicht mittig durch das Gehäuse 10 geführt, so dass die Metallscheibe 9 mit Drehung der Welle 7 frei im Gehäuse 10 umlaufen kann.

Die Antriebswelle 7 kann, wie in Fig. 3 prinzipiell dargestellt ist, aus mehreren kraftschlüssig miteinander verbundenen Antriebswellenstücken 7.1, 7.2, 7.3 usw. gebildet sein. Gehäuse 10, Metallscheibe 9 und Wellenstücken 7 bilden jeweils ein Steckmodul 19, das an den jeweiligen Wellenenden zusammensteckbar ist. Durch die Aneinanderreihung einzelner derartiger Steckmodule 19 kann eine entsprechende Leistungsstaffelung für den gewünschten Leistungsbedarf erzielt werden.

In Fig. 4 ist der Detailaufbau eines Steckmoduls 19 gezeigt. Die beiden Mantelschalen 11 und 12 unterteilen den Innenraum 20 des Gehäuses 10 in einen Schlitzraum 21 und einen Wärmeaustauschraum 22. Der Schlitzraum 21 nimmt zwei Drittel des gesamten Innenraumes ein. Am äußeren Umfang des Gehäuses 10 verläuft reifenartig der Wärmeaustauschraum 22, der mit einem elektrisch nicht leitenden Wärmeträgeröl gefüllt ist. Die Metallscheibe 9 ist drehfest am Antriebswellenstück 7.1 befestigt und bewegt sich bei seiner Drehung durch den Schlitzraum 21 und den Wärmeaustauschraum 22. Die erzeugte Wärme wird von der Metallscheibe 9 an das Wärmeträgeröl abgeführt und dem ersten Wärmeaustauscher 4 zugeführt. In dem zur Mitte hin gelegenen Bereich der Mantelschalen 11 und 12 sind äußere Aufnahmebereiche 23 für flach ausgebildete Permanentmagnete 24 eingearbeitet. Die Permanentmagnete 24 sind mittels Magnethalterungen 25 in den Aufnahmebereichen 23 fixiert. Gehalten werden die Magnethalterungen 25 durch Gewindebolzen 26, welche an den Mantelschalen 11 und 12 befestigt sind. Alle Permanentmagnete 24 sind jeweils durch ein Jochblech 27 abgedeckt. Die Jochbleche 27 werden durch die Gewindebolzen 26, einem Zwischenlagestück 28, einem Steckprofil 29 und Schrauben 30 in ihrer Lage gehalten. Dadurch ist das gesamte Gehäuse 10 nach außen gekapselt. Es versteht sich, dass auch Elektromagnete zur Anwendung kommen können.

Fig. 5 zeigt die Draufsicht des erfindungsgemäßen Steckmoduls 19. Zu erkennen ist, dass die Permanentmagnete 24 mit ihrer Nordrichtung zur Antriebswelle 7 hin ausgerichtet sind und untereinander einen Winkel von 60° einschließen.

Die flüssigkeitsdichte Wellendurchführung 31 zeigt die Fig. 6. In das Wellenendstück 7.1 ist einerends eine Ausnehmung 32 eingearbeitet, anderenends besitzt das Wellenendstück 7.1 einen Mitnehmer 33, der bei Addition beispielsweise zweier Steckmodule 19 in die Ausnehmung 32 des zweiten Wellenendstückes 7.2 kraftschlüssig eingreift, so dass die entsprechenden Drehbewegungen problemlos übertragen werden können.

Der flüssigkeitsdichte Durchtritt der Antriebswelle 7 durch das Gehäuse 10 wird durch zwei Wellendichtringe 34 gewährleistet, die sich in einer Ausnehmung 35 der Mantelschalen 11 und 12 abstützen. Die Welle 7 lagert ihrerseits auf zwei Rillenkugellager 36 auf, welche ebenfalls von den Mantelschalen 11 bzw. 12 gehalten sind.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Windrad

2

Flügel

3

Windmesser

4

erster Wärmeaustauscher

5

zweiter Wärmeaustauscher

6

Heizeinrichtung beim Verbrauchers

7

Antriebswelle

7.1

,

7.2

,

7.3

Antriebswellenstück

8

Generator

9

Metallscheibe

10

Gehäuse

11

,

12

Mantelschalen von

10

13

Bund von

11

,

12

14

Bohrungen in

13

15

Bolzen

16

Mutter

17

Wärmeträgeröl

18

Anschlußmuffen

19

Steckmodul

20

Innenraum von

10

21

Schlitzraum

22

Wärmeaustauschraum

23

äußerer Aufnahmebereich

24

Permanentmagnete

25

Magnethalterung

26

Gewindebolzen

27

Jochblech

28

Zwischenlagestück

29

Steckprofil

30

Schrauben

31

Wellendurchführung

32

Ausnehmung in

7

33

Mitnehmer in

7

34

Wellendichtring

35

Ausnehmung in

11

bzw.

12

36

Rillenkugellager
VL Vorlauf
RL Rücklauf
α Winkel

Claims

1. Vorrichtung zum gekoppelten Erzeugen von Strom und/oder Wärmeenergie durch Windräder oder Wasserturbinen, mit einem aus Rotor und Stator bestehenden Generator zur Erzeugung von Strom und einer in einem Magnetfeld umlaufenden Metallscheibe, in denen durch das Magnetfeld induzierte Wirbelströme Wärme erzeugen, einem Wärmeaustauscher, in dem ein Wärmeaustauschmedium über eine durch Vor- und Rücklauf verbundene Heizeinrichtung die Wärme abgibt, gekennzeichnet dadurch, dass der Rotor des Generators und die Metallscheibe (9) auf einer gemeinsamen Welle (7) angeordnet sind, und dass die Metallscheibe (9) an ihrem äußeren Bereich in einem mit elektrisch isolierendem Wärmeaustauschmedium gefüllten, einen gesonderten Wärmeaustauschraum (22) bildenden Gehäuse (10) umlaufend umschlossen ist, das vom Magnetfeld durchsetzt ist, und dass die Welle (7) durch das Gehäuse (10) in einer Wellendurchführung (31) flüssigkeitsdicht geführt ist, und dass Gehäuse (10), Scheibe (9) und Welle (7) ein Steckdodul (19) bilden, das kraftschlüssig an den jeweiligen Wellenenden (7.1, 7.2, 7.3) aneinanderkuppelbar ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) aus diskusartig geformten Mantelschalen (11; 12) zusammengesetzt ist, die einen Schlitzraum (31) für die Metallscheibe (9) und am äußeren Umfang den umlaufenden Wärmeaustauschraum (32) bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschalen (11; 12) jeweils einen äußeren umlaufenden Bund (13) aufweisen, die aneinander durch im Bund gleichmäßig verteilt angeordnete Schraubverbindungen flüssigkeitsdicht gehalten sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Mantelschalen (11; 12) des Wärmeaustauschraumes (22) Anschlussmuffen (18) für den Zu- und Ablauf des Wärmeaustauschmediums vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschalen (11; 12) aus Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, Aluminiumlegierungen Magnesium, Magnesiumlegierungen oder Kunststoff, bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschalen (11; 12) außenseitig Magnete (24) zum Erzeugen des Magnetfeldes tragen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Schlitzraum (21) zugeordneter Bereich der Mantelschalen (11; 12) Aufnahmebereiche (23) für die Magnete (24) bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (24) im Aufnahmebereich (23) von an der Mantelschale (11; 12) senkrecht aufragenden Gewindebolzen (26), Jochblechen (27), Zwischenstücken (28) und Schrauben (30) gehalten sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (24) sternförmig zum jeweiligen Antriebswellenstück (7) angeordnet sind, wobei die Magnete (24) zueinander einen Winkel von 60° einschließen und die Nordrichtung (N) der Magnete (24) zur Welle (7) hin ausgerichtet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (24) für das Permanentmagnete sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (24) Elektromagnete, vorzugsweise regelbare Spulen des Generatorstromkreises, sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendurchführung (31) aus in Ausnehmungen (35) der Mantelschalen (11; 12) angeordneten Wellendichtringen (34) und einem sich an den Mantelschalen abstützenden Lager (36) gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebswellenstück (7.1; 7.2; 7.2) eines Moduls (19) einerends eine Ausnehmung (32) und anderenends einen Mitnehmer (33) aufweist, so dass die Wellenstücke (7.1; 7.2; 7.3) zusammensteckbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steckmodul (19) durch eine u-förmiges Steckprofil (29) gekapselt ist, das an den Gewindebolzen (26) befestigt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallscheibe (9) aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheibe (9) nahe ihres äußeren Umfanges eine Verdickung, vorzugsweise einen Niet, aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauschraum (22) mit Wärmeträgeröl, vorzugsweise Mineralöle, gefüllt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (4) und der Generatorkreis mit einer Einrichtung zur Energiespeicherung verbunden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein Drehstromgenerator, vorzugsweise eine polumschaltbare Maschine, ist.