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Die
Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung mit einem Schwungrad
und mit einer Elektromotor-/Generatorvorrichtung zum Antrieb des Schwungrades
mittels elektrischer Energie und zur Umwandlung von im Schwungrad
gespeicherter Rotationsenergie in elektrische Energie. Derartige Schwungradspeicher
verwendet man zum Beispiel in Forschungseinrichtungen, in denen
man für
Experimente kurzzeitig äußerst hohe
elektrische Leistungen benötigt,
die das Stromnetz nicht bereitzustellen im Stande ist.
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Auch
die Stromwirtschaft benötigt
Energiespeichervorrichtungen, nämlich
um den Netzstrombedarf in Spitzenlast-Zeiten decken zu können. Es gibt
zum Beispiel Pumpspeicherwerke, in denen in Niedriglast-Zeiten kostengünstiger
Grundlaststrom verwendet wird, um große Mengen Wasser auf ein höheres Niveau
zu pumpen, welches in Spitzenlast-Zeiten über Turbinen abgelassen wird,
welche Stromgeneratoren antreiben. Pumpspeicherwerke mit nennenswerter
Energiespeicherkapazität
kann man aber nur in bergigem Gelände wirtschaftlich realisieren.
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Außerdem gibt
es Gasdruckspeicher, in denen mittels Grundlaststrom Luft komprimiert
und unterirdisch gespeichert wird, um in Spitzenlast-Zeiten über Turbinen
und Generatoren Strom zu erzeugen. Derartige Anlagen setzen aber
eine besondere Bodenbeschaffenheit voraus und sind daher nur an
wenigen Orten realisierbar.
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Schwungradspeicher
sind zwar nicht an bestimmte örtliche
Gegebenheiten gebunden, erreichen aber keine für die Stromwirtschaft nennenswerte
Energiespeicherkapazität.
Die Größe von Schwungradspeichern
wird dadurch begrenzt, dass die gesamte Schwungradmasse von axialen
Lagern getragen werden muss, und die Energiespeicherkapazität lässt sich
auch nicht einfach durch Erhöhen der
Drehzahl steigern, welche durch die auftretenden Fliehkräfte begrenzt
ist. Außerdem übersteigt
der für bisherige
Schwungradspeicher nötige
technische Aufwand den mit Stromspeicherung für den Massenverbrauch erzielbaren
Nutzen bei weitem.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Energiespeichervorrichtung
mit großer
Energiespeicherkapazität
bereitzustellen, welche auf relativ einfache Weise und weit gehend
unabhängig
von den örtlichen
Gegebenheiten hergestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Schwungrad dadurch gelöst, dass
das Schwungrad einen Schwimmkörper
mit rotationssymmetrischer Außenfläche aufweist,
der um seine Rotationsachse drehbar und in Wasser schwimmend gelagert
ist.
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Da
das erfindungsgemäße Schwungrad
mittels des Schwimmkörpers
wie ein Schiff in Wasser schwimmend gelagert ist, muss es wesentlich
weniger Eigenstabilität
haben als die bekannten frei tragend gelagerten Schwungräder. Natürlich wird
auch bei dem erfindungsgemäßen Schwungrad
die Drehzahl durch die auftretenden Fließkräfte begrenzt. Dennoch kann
die Energiespeicherkapazität
so groß wie
gewünscht
gemacht werden, weil das Schwungrad keine tragende Achse benötigt, lediglich
vergleichsweise schwach zu dimensionierende Lager zur Fixierung
der Drehachse, und daher fast beliebig groß und schwer gemacht werden
kann.
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Als
Lager für
die riesige Masse des Schwungrades wirkt hauptsächlich das Wasser, welches
sich in einem geeigneten Becken befinden kann, wobei man aus konstruktiven
Gründen
die Rotationsachse in der Regel parallel zur Schwerkraftrichtung
anordnen wird und einen Teil des Schwungrades aus dem Wasser ragen
lassen wird. Das Schwungrad könnte
aber auch vollständig
unter Wasser liegen, z.B. in einem See oder Ozean, wobei die Rotationsachse
im Prinzip beliebig orientiert sein könnte.
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In
der Regel wird es zweckmäßig sein,
an Land ein Becken für
den Schwimmkörper
auszuheben und auszubetonieren, dessen Innenfläche im Wesentlichen dieselbe
rotationssymmetrische Form wie die Außenfläche des späteren Schwimmkörpers hat,
vorzugsweise zylindrisch, und die Außenfläche mit allseitigem Zwischenraum
umgibt. In dem leeren Becken könnte
man den Schwimmkörper
in konventioneller Betonbauweise als einen Betonmantel herstellen,
den man mit einem Teil des Aushubes des Beckens oder einem beliebigen
anderen Füllmaterial befüllen könnte, bis
die Gesamtmasse des Schwungrades gleich dem Auftrieb des Schwimmkörpers bei der
gewünschten
Eintauchtiefe ist. Danach wird Wasser in das Becken geleitet, bis
der Schwimmkörper darin
schwimmt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird der überwiegende
Teil der Gesamtmasse des Schwungrades in einem über der Wasseroberfläche liegenden
Schwungrad-Kranz angeordnet, dessen Durchmesser größer als
der Durchmesser des Schwimmkörpers
ist. Dadurch kann der Reibungswiderstand des Wassers im Vergleich
zur speicherbaren Energiemenge wesentlich vermindert werden.
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Die
Elektromotor-/Generatorvorrichtung umfasst vorzugsweise eine fest
mit dem Schwungrad verbundene kreisförmige Anordnung von Magneten und/oder
Spulen und eine drehfeste kreisförmige
Anordnung von Spulen und/oder Magneten, wobei die Magneten und Spulen
einander mit Zwischenraum gegenüberliegen
und ein Translationsmotor-/-generator-System bilden. In der Ausführungsform
mit einem über
der Wasseroberfläche
liegenden Schwungrad-Kranz ordnet man die fest mit dem Schwungrad verbundenen
Magneten und/oder Spulen vorzugsweise entlang des Schwungrad-Kranzes
an.
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Um
die Drehachse des Schwungrades zu stabilisieren, lagert man das
Schwungrad zweckmäßigerweise
axial verschiebbar in ortsfesten Lagern, in denen es um die Rotationsachse
drehbar bleibt. Solche Lager sind vorzugsweise mechanische Lager wie
z. B. Kugellager, können
aber auch Flüssigkeitslager
oder elektromagnetische Lager sein. Die axiale Verschiebbarkeit
dient zum Ausgleich des sich ändernden
Schwimmpegels des Schwimmkörpers.
Dieser ändert
sich mit der Drehzahl des Schimmkörpers, weil sich das Wasser
durch Reibung teilweise mit der Außenfläche des Schwimmkörpers mitbewegt
und durch Fliehkraft nach außen
gedrängt
wird.
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Mit
der Erfindung können
auf relativ einfache Weise extrem große Massen von z. B. 100.000
Tonnen oder mehr zur Energiespeicherung in Form von kinetischer
Energie verwendet werden. Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung
eignet sich besonders für
Orte, an denen es nicht möglich ist,
Pumpspeicherwerke oder Gasdruckspeicher zu errichten, und sie kann
gut in die Landschaft integriert werden. Man kann sie im Baukastenprinzip
standardisieren und ganze Batterien oder Parks von solchen Anlagen
errichten. Besonders in der Ausführungsform
mit Schwungrad-Kranz ist der Energieverlust durch Reibung relativ
gering, weil sich der Schwimmkörper,
an dem der größte Verlust
auftritt, im Vergleich zum Schwungrad-Kranz, der den Hauptenergieträger bildet,
mit einer viel kleineren Geschwindigkeit dreht. Durch die integrale
Elektromotor-/Generatorvorrichtung kann elektrische Energie ohne
Umweg über
Pumpen und Turbinen direkt in Bewegungsenergie umgewandelt werden
und umgekehrt.
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Es
folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
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1 eine
schematische vertikale Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
für eine
Energiespeichervorrichtung mit schwimmendem Schwungrad, und
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2 eine
noch schematischere vertikale Querschnittsansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels
für eine
Energiespeichervorrichtung mit schwimmendem Schwungrad.
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In 1 befindet
sich ein mit Beton ausgekleidetes Becken 2 in gestrichelt
dargestelltem Erdboden. Das Becken 2 ist um eine Mittelachse 4 rotationssymmetrisch,
die parallel zur Richtung der Schwerkraft ist, d.h. in der Regel
senkrecht zur Erdbodenfläche.
Das Becken 2 ist in zwei Abschnitte unterteilt, einen inneren,
tief in die Erde reichenden zylindrischen Abschnitt und einen äußeren, flacheren zylindrischen
Abschnitt, dessen Durchmesser wesentlich größer als der Durchmesser des
inneren Abschnitts ist. Der innere Abschnitt des Beckens 2 ist mit
Wasser gefüllt,
das nicht ganz bis zum Boden des äußeren Abschnitts des Beckens 2 reicht,
wenn ein zylindrischer Schwimmkörper 6 eines
Schwungrades darin schwimmt, welches weiter unten detaillierter beschrieben
wird.
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Der
zylindrische Schwimmkörper 6 hat
einen etwas kleineren Durchmesser als der innere Abschnitt des Beckens 2 und
eine größere Höhe als der innere
Abschnitt des Beckens 2 tief ist. Der zylindrische Schwimmkörper 6 hat
eine im Vergleich zu seiner Größe dünne Wand
aus Stahlbeton und ist ansonsten im Wesentlichen hohl, wobei allerdings
innere Stützelemente
zur Festigkeitserhöhung
vorgesehen sein können.
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Oben
und unten am zylindrischen Schwimmkörper 6 stehen jeweils
axiale Wellen 8a und 8b hervor, die jeweils in
einem Kugellager 10a bzw. 10b gelagert sind, die
auf der Mittelachse 4 des Beckens 2 liegen, so
dass der Schwimmkörper 6 um
die Mittelachse 4 drehbar und vor Trudelbewegungen geschützt ist.
Die Kugellager 10 sind ortsfest, und zwar ist das untere
Kugellager 10a im Boden des Beckens 2 eingebaut
und ist das obere Kugellager 10b an einem Tragegerüst 12 befestigt,
welches das ganze Becken 2 überspannt und außerhalb
des Beckens 2 am Erdboden befestigt ist. Die Wellen 8a und 8b können innerhalb
der Kugellager 10a und 10b ein Stück nach
oben und nach unten gleiten.
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Rings
um den oberen Rand des zylindrischen Schwimmkörpers 6 sind in einer
zur Mittelachse 4 rotationssymmetrischen Anordnung mehrere Träger 14 am
Schwimmkörper 6 befestigt,
die sich horizontal und radial vom Schwimmkörper 6 weg bis zu
einem ringförmigen
Schwungrad-Kranz 16 erstrecken, mit dem sie fest verbunden
sind. Der Schwungrad-Kranz 16 ist ebenfalls zur Mittelachse 4 rotationssymmetrisch
und bildet zusammen mit den Trägern 14 und
dem Schwimmkörper 6 ein
Schwungrad. Der Schwungrad-Kranz 16 ist ein Hohlkörper aus
Stahlbeton oder Metall, der mit einem Teil des Beckenaushubes gefüllt ist
und ein viel größeres Gewicht
als der Rest des Schwungrades hat, jedoch weniger Gewicht hat als
die maximale Auftriebskraft des Schwimmkörpers 6 beträgt. Speziell
wird die Gesamtmasse des Schwungrades so groß gemacht, dass der Schwimmkörper 6 ein
Stück weit über dem Boden
des inneren Abschnitts des Beckens 2 schwebt, wenn das
Becken 2 nicht ganz bis zum oberen Rand des inneren Abschnitts
des Beckens 2 mit Wasser gefüllt ist. In dieser Situation
schweben die Träger 14 und
der von ihnen getragene Schwungrad-Kranz 16 frei im äußeren Abschnitt
des Beckens 2.
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Rings
um den ganzen Schwungrad-Kranz 16 sind eine Vielzahl von
Magneten 18 fortlaufend befestigt. Auf der Wandinnenseite
des äußeren, flachen Abschnitts
des Beckens 2 sind eine Vielzahl von Spulen 20 angeordnet,
die den Magneten 18 gegenüberliegen, mit einem Luftspalt
dazwischen. Die Magneten 18 und Spulen 20 bilden
ein Translationsmotoren-System, das auch als Stromgenerator arbeiten kann.
Alternativ können
die Magneten 18 als Rotor und die Spulen 20 als
Stator eines Elektromotors angesehen werden, der auch als Stromgenerator
arbeiten kann. Die Spulen 20 sind in der Höhe verstellbar, zum
einen, um die Spulen 20 nach Bedarf in die Spur der Magneten 18,
d.h. auf deren Höhe
zu bringen oder herunterzufahren, und zum anderen zur Anpassung
an den Schwimmpegel des Schwimmkörpers 6. Wenn
sich das Schwungrad mit größerer Geschwindigkeit
dreht, wird das den Schwimmkörper 6 umgebende
Wasser nämlich
durch Reibung teilweise von der Außenfläche des Schwimmkörpers 6 mitgeschleppt,
wodurch die Wasseroberfläche
in dem Zwischenraum zwischen Becken 2 und Schwimmkörper 6 parabolisch
wird, wie in 1 mit dem Bezugszeichen 22 angezeigt.
Gleichzeitig taucht der Schwimmkörper 6 etwas
tiefer in das Becken 2 ein, weshalb dafür gesorgt werden muss, das
sich die Wellen 8a und 8b in den Kugellagern 10a und 10b axial
verschieben können.
Das Becken 2, seine Wasserfüllung und der Schwimmkörper 6 werden
so dimensioniert, dass das Wasser auch bei Maximaldrehzahl des Schwungrades
nicht aus dem inneren Abschnitt des Beckens 2 austritt.
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Das
Schwungrad aus Schwimmkörper 6, Träger 14 und
Schwungrad-Kranz 16 wird so gut wie möglich ausgewuchtet. Somit brauchen
die Wellen 8a und 8b, die Kugellager 10a und 10b und
das Tragegerüst 12 nur
so stark dimensioniert zu sein, dass sie möglichen Restunwuchten und den
im Betrieb wirkenden Kräften
des Translationsmotoren-Systems
standhalten.
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Diese
Energiespeichervorrichtung kann zum Beispiel wie folgt hergestellt
werden. Zuerst wird das Becken 2 ausgehoben und innen mit
Beton ausgekleidet. Außerdem
werden die Wellen 8, die Kugellager 10 und das
Tragegerüst 12 in
Stellung gebracht. Der Boden des Beckens 2 wird mit einem
Betontrennmittel bedeckt, und es werden Außen- und Innenverschalungen
für die
Seitenwände
des Schwimmkörpers 6 und
des Schwungrad-Kranzes 16 aufgebaut, mit Bewehrungsstahlskeletten
dazwischen. Auch die Träger 14 werden
in Position gebracht. Danach werden die Stahlbetonmäntel des Schwimmkörpers 6 und
des Schwungrad-Kranzes 16 gegossen, wobei die Wellen 6 und
die Träger 14,
die geeignete Fortsätze
tragen, um sie mit dem Schwimmkörper 6 und
dem Schwungrad-Kranz 16 zu verbinden, darin eingegossen
werden. Aus dem Stahlbetonmantel des Schwungrad-Kranzes 16 wird die
Innenverschalung entfernt, um ihn mit Aushubmaterial zu füllen, das
ggf. durch Einspritzen von Beton verfestigt wird, und auch der Schwungrad-Kranz 16 wird
auf seiner Oberseite mit Stahlbeton verschlossen. Nach dem Entfernen
der Außenverschalungen
und Füllen
des Beckens 2 mit Wasser erhält man ein einstückiges,
bereits im frei drehbaren Zustand befindliches Schwungrad, das auf
diese Weise praktisch beliebig groß und schwer gemacht werden kann,
anders als konventionelle Schwungräder, die z.B. mit Kränen montiert
werden müssen.
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Das
Translationsmotoren-System wird installiert und als Motor arbeiten
gelassen, um das Schwungrad in langsame Drehung zu versetzen. Geeignete
Sensoren ermöglichen
die Messung von Unwuchten, welche schrittweise ausgeglichen werden. Falls
nötig,
kann auch im späteren
laufenden Betrieb eine laufende Unwuchtüberwachung und ggf. ein automatische
laufende Unwuchtkorrektur mittels beweglicher Gewichte am Schwungrad
stattfinden.
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In
einem Stromspeicherbetrieb wird das Translationsmotoren-System als
Motor arbeiten gelassen, bis das Schwungrad die maximal mögliche Drehzahl
erreicht. Abschätzungen
zeigen, dass bei typischen Schwungraddurchmessern in der Größenordnung
von 100 m Umfangsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 100 m/sec möglich sein
sollten, ohne dass das Schwungrad zerbirst. Und in einem Stromabgabebetrieb
wird das Translationsmotoren-System als Stromgenerator arbeiten
gelassen, wobei gespeicherte Rotationsenergie wieder in elektrischen
Strom zurückverwandelt
wird.
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Es
wird nun ein Rechenbeispiel für
eine Anlage wie in 1 gezeigt gegeben. In diesem
Beispiel hat der Schwimmkörper 6 einen
Außendurchmesser
r = 50 m und eine gewünschte
Eintauchtiefe h = 50 m, d.h. einen Umfang U = 2πr = 157,5 m und ein Auftriebsvolumen
V = πr2h = 98.125 m3. Das Schwungrad
hat eine Nenndrehzahl von 12 Umdrehungen pro Minute, d.h. eine Umlaufdauer
T = 5 sec und eine Umfangsgeschwindigkeit v = U/T = 31,5 m/s bei
Nenndrehzahl. Der Schwungrad-Kranz 16 hat einen Außendurchmesser
von 160 m, d.h. einen Umfang von 502,4 m und eine Umfangsgeschwindigkeit von
100,48 m/s bei Nenndrehzahl. Das Nettogewicht des Schwungrades wird
mit 8.125 t angesetzt, so dass zur Verdrängung einer 50 m Eintauchtiefe
des Schwimmkörpers 6 entsprechenden
Wassermenge noch 90.000 t Material im Schwungrad-Kranz 16 aufgefüllt werden.
In diesem Fall kann das Schwungrad zur Vereinfachung der Rechnung
als ausgeprägter Hohlraumzylinder
behandelt werden, mit einem Trägheitsmoment θ = m·r2 = 576·109 kg m2. Die Winkelgeschwindigkeit
bei Nenndrehzahl ist ω =
2π/T = 1,256 s–1.
Somit ist die speicherbare Energie E = ½θω2 = 454,33·109 J = 126,20 MWh, was ein auch für die Stromwirtschaft
beachtlicher Wert ist. Eine grobe Abschätzung ergab außerdem,
dass sich die Reibungsverluste in einem Rahmen halten, der eine
wirtschaftliche Stromspeicherung für mindestens einen Tag erwarten
lässt,
was ein für
Strompufferung zur Spitzenlastversorgung ausreichender Wert ist.
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Das
Obige ist nur ein Beispiel für
eine Vielzahl von Ausführungsformen
und Dimensionen, in denen die Schwungrad-Energiespeichervorrichtung realisiert
werden könnte.
Als ein weiteres Beispiel zeigt 2 eine Prinzipskizze
einer Energiespeichervorrichtung mit einem zylindrischen Schwungrad 24,
das vollständig
in Wasser 26 in einem Becken 28 schwebend gelagert
ist. Das Becken 28 ist zumindest teilweise mit einem Deckel 30 verschlossen,
damit das Wasser 26 nicht heraus schwappt, wenn sich das Schwungrad 24 dreht.
So eine Anordnung ist weniger effizient als das Ausführungsbeispiel
von 1, da bei gleicher Drehzahl die Reibungsverluste
höher sind,
kann aber voraussichtlich noch einfacher hergestellt werden. Die
Lager, Spulen und Magneten sind in 2 nicht
eingezeichnet. Übrigens
kann man möglicherweise
ganz auf separate Lager verzichten, nämlich indem man die Spulen
und Magneten so auslegt, dass sie bei geeigneter Ansteuerung gleichzeitig
als geregelte Magnetlager wirken können.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 2 würde
sich zwischen den Spulen und Magneten, wenn sie am Rand des Schwimmkörpers bzw.
Beckens angebracht sind, Wasser befinden. Dies würde deren Funktion nicht beeinträchtigen,
jedoch könnte
es für leichtere
Isolierung erwünscht
sein, diese an anderer Stelle anzuordnen. Zum Beispiel könnte man
den in 2 gezeigten Schwimmkörper höher machen und nur teilweise
in Wasser eintauchen lassen, wobei man die Magneten am oberen Rand
anbringen kann. Dies entspräche
einer Anordnung ähnlich
wie in 1, jedoch ohne den Schwungrad-Kranz 16, und die Gesamtmasse
des Schwungrades würde
innerhalb des Schwimmkörpers
liegen.
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Wie
weiter oben beschrieben, kann der Schwimmkörper aus Stahlbeton hergestellt
werden. Er kann aber auch auf andere Weise hergestellt werden, z.B.
wie ein Schiffsrumpf in reiner Stahlbauweise.