Windräder sind
schon seit Jahrhunderten im Gebrauch und geschichtlich vor allem
aus ihrer Anwendung als Windmühlen,
d. h. also als Antrieb eines Getreidemahlwerks durch ein Windrad
bekannt. Schon in barocker Zeit trieben in den Niederlanden nahezu
baugleiche Windräder
nicht ein Mahlwerk sondern Pumpen zur Entwässerung. Auch zum Sägen von
Holz sind Windräder
eingesetzt worden.
Mit
der Einführung
von Metall, Kunststoffen und hochzugfesten Materialien wie Kohlefasern
wurden die Windräder
immer größer und
erreichen heute Nennleistungen von bis zu 5 Megawatt. Dafür sind Rotoren
mit einem Durchmesser von bis zu 114 m auf Türmen mit einer Höhe von bis
zu 120 m erforderlich.
Als
Bauform hat sich ein sehr schlanker Turm mit kreisförmigem Querschnitt
etabliert, der eine Gondel mit einem dreiflügeligen Windrad trägt. Die Blätter dieser
Rotoren sind gemäß aktuellem
Stand der Technik als aerodynamisches Profil geformt und grundsätzlich in
Abhängigkeit
von der Windstärke
in ihrem Anstellwinkel (Pitch) verstell bar. Diese Verstellung ist
erforderlich, um die Drehzahl des Windrades möglichst genau auf die Frequenz
des Netzes einzuregeln, in das eingespeist wird. Zur Verstellung
dienen elektrische Stellmotoren. Ebenfalls mit elektrischen Stellmotoren
wird das gesamte Windrad um eine vertikale Schwenkachse an die Windrichtung angepasst.
Eine
sehr wichtige Funktionsbaugruppe ist der (vorzugsweise elektronische)
Lastregler, der diese Stellmotoren ansteuert. Seine Regelgrößen sind die
Belastung des Generators sowie die Erfassung von Windrichtung und
Windstärke.
Als zusätzliche Funktionalität ist es
bekannter Stand der Technik, dass bei niedrigen Windstärken, bei
denen das Windrad zwar schon Energie liefern, aber noch nicht selbsttätig anlaufen
kann, der Lastregler den Generator kurzzeitig in den Motorbetrieb
umschaltet und damit das Trägheitsmoment
des Windrades solange überwindet,
bis die Betriebsdrehzahl erreicht ist. Dann schaltet der Lastregler
wieder in den Generatorbetrieb um.
Im
Vergleich zur Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen gilt die
Energieerzeugung aus Windkraft gemäß aktuellem Stand der Technik
als wettbewerbsfähig.
Ein prinzipieller Nachteil ist jedoch die unregelmäßige, mit
dem Wind schwankende Leistungsabgabe. Nach einer für Deutschland
gültigen
Statistik drehen sich Windräder
im Mittel an 200 bis 250 Tagen pro Jahr. Davon können sie jedoch nur an 40 Tagen
ihre volle Nennleistung abgeben, in der restlichen Zeit ist nur
ein Teil der Nennleistung verfügbar.
Zusätzlich schwankt
die mögliche
Energieabgabe über
den Tag hinweg und ist z. B. in der europäischen Westwindzone tagsüber kräftiger als nachts.
Eine durchschnittliche Tageskurve der Einspeiseleistung von Windenergieanlagen
folgt damit grob dem Verbrauch durch die Abnehmer über den Tag
hinweg. Jahreszeitlich betrachtet ist das Windangebot in mittleren
Breiten im Winter am höchsten
und im Sommer am niedrigsten. Im Winter ist auch der Verbrauch aufgrund
längerer
Beleuchtung, vorwiegendem Aufenthalt in Räumen und damit verbundenen
Aktivitäten,
Heizung und ähnlichem
höher als
im Sommer. Die durch Windenergieanlagen bereitgestellte elektrische
Leistung folgt also auch jahreszeitlich tendenziell der Bedarfskurve,
so dass eine realistische Chance besteht, die Differenzen zwischen
der benötigten
Energie und der durch Windanlagen erzeugten Energie durch Speicherung
auszugleichen. Sicher ist, dass eine gleichmäßige Energieversorgung ohne
solche Speicher keinesfalls möglich
ist.
Zur
Energiespeicherung werden gemäß aktuellem
Stand der Technik vor allen Dingen Pumpspeicherkraftwerke eingesetzt.
Sie bestehen aus einem hochgelegenen Stausee, Pumpen zu dessen Befüllung und
einem niedrig gelegenen Wasserreservoir: Vorwiegend während der
Nachtstunden befördern
die Pumpen Wasser in den hochgelegenen Stausee, z. B. auf Berggipfel.
Je nach Bedarf wird Wasser wieder aus dem Stausee abgelassen und über Generatoren
in elektrischen Strom umgewandelt. Ein Vorteil gegenüber konventionellen,
thermischen Kraftwerken ist, dass die volle Leistung bereits innerhalb
von Minuten und nicht erst nach einigen Stunden verfügbar ist.
Ein
weiterer Vorteil der Pumpspeicherkraftwerke ist ihre sogenannte „Schwarzstartfähigkeit", d. h. ohne weitere,
nennenswerte Hilfsenergie ist es möglich, den Prozess der Stromerzeugung
in Gang zu setzen.
Ein
Nachteil ist jedoch, dass beim Umwandeln der elektrischen Energie
in mechanische zum Betrieb der Pumpen und beim Übertragen der mechanischen
Energie von der Pumpenwelle auf das hoch strömende Wasser und wieder zurück vom strömenden Wasser über die
Turbine und den elektrischen Generator zurück ins Stromnetz ein Verlust von
15–25
% auftritt. Dazu ist der Verlust in der Zuleitung und Ableitung
des elektrischen Stromes zu addieren. Außerdem sind bei einer ökologisch
und betriebswirtschaftlich korrekten Betrachtung der Energieaufwand
sowie die immensen Kosten für
die Errichtung, den Betrieb und die Wartung des Pumpspeicherkraftwerkes
mit einzubeziehen.
Im
Unterschied zu anderen Formen der Energiespeicherung wie z. B. chemisch über Batterien werden
den Pumpspeicherkraftwerken in der Regel keine ökologischen Nachteile angelastet.
Der größte, anzunehmende
Unfall während
des Betriebes ist der Bruch der Staumauer eines Stausees und das
damit verbundene, schlagartige Abfließen der Wassermassen.
Ebenfalls
seit Jahrhunderten bekannt und genutzt ist das Prinzip, mechanische
Energie in Form der Gravitationskraft zu speichern. Das bekannteste Beispiel
dafür sind
Gewichte zum Betrieb von Turmuhren. Auch beim Betrieb von gegenläufigen Fahrstühlen, Bergbahnen
oder Schiffshebewerken stellen die Gegengewichte eine Form der Energiespeicherung
dar.
Eine
weitere, bekannte Form mechanischer Energiespeicherung sind die
mittelalterlichen Belagerungsgeräte,
welche festungsbrechende Steingeschosse mittels großer Wippen
abfeuerten, indem ein großes
Gegengewicht manuell nach oben gekurbelt und schlagartig gelöst wurde.
Die
Verknüpfung
von mechanischen Energiespeichern mit Windkraftwerken wird als Aufgabenstellung
in der Gebrauchsmusteran meldung
DE 29900039 beschrieben.
Neben dem Pumpen von Flüssigkeit
wird in Anspruch 4 auch die Idee erwähnt, ein Gewicht an einem steilen
Berghang als Energiespeicher einzusetzen. Es fehlt jedoch jeder
weitere Hinweis auf die Umsetzung dieser Idee.
Die
Offenlegungsschrift
DE 4039203 schlägt zwei
Gewichte vor, und beschreibt, wie diese Gewichte über Seile
von einem Windrad angehoben werden und erwähnt ebenfalls, dass diese Gewichte über eine
Seilrolle und ein Getriebe einen Generator antreiben können, macht
jedoch keine weiteren Vorschläge
zur Verknüpfung
dieser beiden Vorgänge oder
gar zu deren Regelung.
DE 10320087 weist unter
anderem darauf hin, dass für
eine Windenergieanlage auch Energie zum Steuern der Anlage selbst
benötigt
und bereitgestellt werden muss.
Die
vorliegende Erfindung basiert auf dem aktuellen Stand der Windradtechnik,
nämlich
einem Windrad, welches über
ein Getriebe und eine Welle einen elektrischen Generator dreht und
einen Lastregler aufweist, der das Windrad an die Windstärke und
die Windrichtung sowie an die Belastung des Generators anpasst.
Die
Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, dieses System um mehrere
mechanische Energiespeicher und eine intelligente Lastregeleinheit
für die Festlegung
der Richtung und des Betrages der Energieübertragungen zu ergänzen, sodass
mit einem hohen Wirkungsgrad momentan nicht benötigte, mechanische Energie
ohne Umwege auch mechanisch gespeichert wird und in Abhängigkeit
von der Belastung bei Windstille oder bei Schwachwind fehlende elektrische
Energie aus dem Speicher als mechanische Energie direkt und ohne
Umwandlung an den Generator abgegeben werden kann.
Als
Lösung
schlägt
die Erfindung ein Speicherwindrad vor, bei dem jeder der Energiespeicher eine
andere Größe aufweist
vom kleinsten Energiespeicher über
den zweitkleinsten bis zum größten Energiespeicher
und jeweils über
je eine Kupplung und ein Wendegetriebe mit der Kupplungswelle verbunden
ist und der Lastregler zusätzliche
Eingänge zur
Erfassung des maximalen Füllstandes
und der völligen
Entleerung jedes Energiespeichers sowie zusätzliche Rechenkapazität zur Berechnung
der aktuell am Windrad theoretisch verfügbaren Leistung Pin aus
der aktuellen, mittleren Windstärke
und zur Ermittlung der Differenzleistung PΔ zwischen
der theoretisch verfügbaren
Leistung Pin und der vom Generator abgeforderten
Leistung Pout und zur Überprüfung des Füllstandes der Energiespeicher
und zur Entscheidung für
eine Einspeicherung von Energie bei positivem PΔ und
zur Entscheidung für
die Abgabe von Energie aus den Speichern bei negativem PΔ und
zur Auswahl eines oder mehrerer Energiespeicher zur genauesten,
möglichen
Anpassung an PΔ und
zur Berechnung des Rotoranstellwinkels (Pitch) zusätzlich noch
in Abhängigkeit
von der Energieaufnahme oder Energieabgabe PΔ sowie
zusätzliche Ausgänge zur
Ansteuerung je einer Kupplung und je eines Wendegetriebes sowie
einer Bewegungssperre und/oder einer Betriebsbremse für jeden
Energiespeicher aufweist.
Eine
solche Anordnung bietet gegenüber den
bisher bekannt gewordenen Prinzipien der Energiespeicherung zahlreiche
Vorteile. Kerngedanke der Erfindung ist, dass der Energiespeicher
nicht nur aus einem oder zwei großen Blöcken besteht, sondern aus mehreren
Elementen von unterschiedlicher Größe. Damit ist die Anpassung
an die tatsächlich
abgeforderte Last in sehr viel feineren Stufen möglich.
Weitere
Zwischengrößen entstehen
dadurch, dass verschiedene Speichermassen miteinander gekoppelt
werden können.
Um eine möglichst
feine Abstufung zu erreichen, ist es deshalb sinnvoll, dass alle
denkbaren Summen von Kombinationen aus zusammengeschalteten Speichermassen
einen anderen Wert aufweisen als ein einzelner, nicht weiter teilbarer
Speicher.
Das
möge folgendes
Beispiel erläutern:
Eine gegebene Speichergröße soll
in 4 einzelne Speicher aufgeteilt werden. Das bestimmt die Anzahl
der Ausgänge
des Lastreglers und die Anzahl von Wendegetrieben, Kupplungen und
Blockiervorrichtungen bzw. Bremsen. Die einzelnen Speicher in die
Größen 1, 2, 3
und 4 aufzuteilen ist nachteiliger als sie in die Größenverhältnisse
1, 2, 4 und 7 zu portionieren. Mit der ersten Aufteilung mit dem
maximal 4-fachen der Basisgröße ergeben
sich als Kombinationen aus 1, 2, 3 und 4:
1 + 4 = 2 + 3 = 5
sowie 2 + 4 = 1 + 2 + 3 = 6 sowie 3 + 4 = 1 + 2 + 4 = 7 sowie 1
+ 3 + 4 = 8 sowie 2 + 3 + 4 = 9 sowie 1 + 2 + 3 + 4 = 10. Die Anzahl
der möglichen
Kombinationen beträgt
10. Der kleinste Energiespeicher hat 10% des Gesamtspeichers als
Größe, der
größte 40%.
Wenn
hingegen (bei gleich großem
Gesamtspeicher) ebenfalls 4 einzelne Energiespeicher vorgesehen
werden, wovon der größte jedoch
7-mal so groß wie
der kleinste ist, sind aus der Aufteilung 1, 2, 4 und 7 die folgenden
Kombinationen möglich:
1 + 2 = 3 sowie 1 + 4 = 5 sowie 2 + 4 = 6 sowie 7 + 1 = 8 sowie
7 + 2 = 9 sowie 7 + 1 + 2 = 10 sowie 7 + 4 = 11 sowie 7 + 4 + 1
= 12 sowie 7 + 4 + 2 = 13 sowie 7 + 4 + 2 + 1 = 14, also insgesamt
14 Stufen; der kleinste Speicher beansprucht 7,14 % der größte 50%
des Gesamtspeichers.
Eine
weitere Variante entsteht dadurch, dass ein sehr großer Speicher
seine Energie abgibt, obwohl diese nicht im vollen Umfang benötigt wird
und deshalb einen Teil der Energie auf sehr kleine Spei chereinheiten
umleitet. Auf diese Weise kann eine geringe Zahl von Energiespeichern
in verschiedenen und geschickt gewählten Größen zu einer Vielzahl von Stufen
führen.
Bedingung
dafür ist
ein Lastregler mit Eingängen
zur Erfassung verschiedener Größen wie z.B.
der tatsächlichen
Belastung des Generators, einer Rechenkapazität zur Verarbeitung der gemessenen
Größen und
zur Bildung von daraus abgeleiteten Steuersignale, die über Ausgänge an die
zu steuernden Einheiten gegeben werden. Der Lastregler ermittelt
zum Beispiel, ob das Windrad noch mehr Energie liefern könnte, als
derzeit gebraucht wird: PΔ = Pin – Pout.
Wenn
PΔ positiv
ist, und der Energiespeicher noch nicht vollständig gefüllt ist, prüft der Lastrechner, welche
Speicher noch gefüllt
werden könnten und
ob die verfügbare
Differenzenergie PΔ ausreicht, um den größten Energiespeicher
zu befüllen.
Wenn ja, stellt der Lastrechner das Wendegetriebe des größten Energiespeichers
in die Richtung „Energie speichern" und stellt im nächsten Schritt
den Rotoranstellwinkel in Richtung auf maximale Energieaufnahme
und schließt
parallel dazu die Kupplung zum Energiespeicher.
Vorzugsweise
sollte die Kupplung nicht schlagartig einen Kraftschluss herstellen,
sondern zumindest nach Art einer Kraftfahrzeugkupplung durch kontinuierlichen
Anstieg der Haftreibung den Energiespeicher kontinuierlich beschleunigen.
Eine
sinnvolle Ergänzung
des Beschleunigungsvorganges ist ein Getriebe mit sehr weit verstellbarem Übersetzungsverhältnis oder
eine Feder mit nichtlinearer Federkonstante und je einer Kupplung
an beiden Enden der Feder.
Der
Lastregler wählt
in Abhängigkeit
von der verfügbaren
Energiemenge PΔ die
verschiedenen Energiespeicher aus und schaltet sie zu oder ab und wählt dabei
die erforderliche Richtung des Energieflusses durch Aktivieren der
entsprechenden Richtung des Wendegetriebes.
Eine
solche Lastregeleinheit entspricht im Prinzip dem Stand der Technik
in Windkraftanlagen und wird bereits für die Regelung des Anstellwinkels der
Rotorblätter
(Pitch) und für
die Drehung des Rotorblattes „in
den Wind", d. h.
mit der Rotorachse parallel zur Windrichtung eingesetzt.
Diese
Lastregler sind entsprechend dem aktuellen Stand der Technik fast
ausschließlich
elektronische Baugruppen, die einen Mikroprozessor enthalten und
deren Hard- und Software als so genannter Industrie-PC im Prinzip
weit verbreitet ist. Die Erweiterung um die zusätzlich gestellten Aufgaben
bedarf nicht immer eine zusätzliche
Vergrößerung der Rechen-
und Speicher-Kapazität
und/oder Erhöhung der
Rechengeschwindigkeit des zentralen Mikroprozessors, weil sehr oft
eine ausreichende Reserve vorhanden ist.
Grundsätzlich erforderlich
sind jedoch die für jeden
einzelnen Energiespeicher benötigten
elektronischen Ein- und Ausgänge
sowie die Servoverstärker
und die elektromechanischen Aktoren für die Aktivierung der Kupplungen,
der Wendegetriebe, der Verstellübersetzungen,
der Bewegungssperren und/oder der Betriebsbremsen.
Ein
entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Energieübertragung von rotierender,
mechanischer Energie direkt in einen ebenfalls mechanischen Speicher
ist der erzielbare hohe Wirkungsgrad. Wenn z. B. als Wendegetriebe
Planetenradsätze
eingesetzt werden, so sind pro Zahnradpaarung bei optimaler Auslegung
nach aktuellem Stand der Getriebetechnik Verluste deutlich unter
einem Prozent realisierbar. Wenn das Speichermedium ein vertikal
bewegtes Gewicht ist, so können
auch dabei durch entsprechend optimierte Lagerung der Mechanik die
Reibungsverluste auf weniger als rund ein Prozent beschränkt werden.
Ein
weiterer, besonderer Vorteil der mechanischen Energie ist, dass
sie nach menschlichen Zeitmaßstäben über enorm
große
Zeitspannen hinweg ohne Verluste und ohne für den Menschen schädliche Beeinflussungen
der Umwelt gelagert werden kann. Im Prinzip ist noch nach Jahrhunderten ein
Abrufen der gelagerten Energie möglich,
wenn für Korrosionsschutz
und Schmierung der Anlage sowie Betriebsbereitschaft der Lastregeleinheit
gesorgt worden ist.
Wenn
die Schmierung der Anlage einwandfrei ist, dann zählt es ebenso
zu den Vorzügen
des mechanischen Energiespeichers, dass es nur Minuten dauert, bis
er in den Energiekreis eingekoppelt werden kann.
Als
ein weiterer Vorteil des Prinzips ist zu werten, dass einem mechanischen
Energiespeicher mit geringem Aufwand eine hundertprozentige, sogenannte „Schwarzstartfähigkeit" verliehen werden kann.
Darunter wird im Kraftwerksbereich verstanden, dass keinerlei weitere
Hilfsenergie zum Anfahren der Anlage erforderlich ist.
Dafür ist in
diesem Falle erforderlich, dass die Kupplungen und Wendegetriebe
manuell in eine bestimmt Position gebracht werden können und
anschließend
die Bewegungssperre von Hand gelöst wird.
Für diesen
Fall ist es eine sinnvolle Variante eines erfindungsgemäßen Speicherwindrades,
das parallel zu der (meist elektronischen) Lastregeleinheit eine
mechanische „Schwarzstart-Zentrale" eingerichtet wird,
welche Kurbeln und/oder Betätigungshebel
enthält,
mit denen die Rotorblätter,
die Rotorausrichtung, die Kupplungen, die Wendegetriebe, die Bewegungssperren
und/oder die Betriebsbremsen betätigt
und/oder aktiviert werden können.
Als Verbindung sind Seilzüge
und/oder Schub- und Zugstangen und/oder Winkelhebel und/oder Hydraulikleitungen
mit Zylindern und/oder Pumpen und/oder mechanische Getriebe mit
Zahnrädern
geeignet. Das Prinzip solcher Schaltzentralen ist zum Beispiel von den
Zusatzaggregaten in historischen Windmühlen oder von mechanischen
Stellwerken der Eisenbahn in der ersten Hälfte des 20.Jhdts hinlänglich bekannt.
Auch
auf diese Weise kann eine mechanisch aktive Verbindung zwischen
dem sich abwärts
bewegenden Gewicht und der Welle des elektrischen Generators hergestellt
werden, so dass der Generator beginnt, elektrische Energie zu erzeugen.
Mit dieser elektrischen Energie kann als erstes der Lastregler wieder
eine automatische Regelung des Systems beginnen und auf diese Weise
zur Keimzelle eines vollautomatischen Anlaufes von Windanlagenparks
oder größeren Kraftwerksystemen
nach einem kompletten Stromausfall und dem Ausfall jeglicher elektrischen Energiespeicher
werden.
Ein
weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen, mechanischen Energiespeichers
ist seine Unabhängigkeit
von Witterung und Temperaturschwankungen. Regen und Sturm sind in
der Regel bei den hier zu bewegenden, großen Massen nur von vernachlässigbarem
Ein fluss. Bei allzu hoher Windstärke
sorgt der Lastregler dafür,
dass der Anstellwinkel der Rotorblätter wieder ganz zurückgenommen
wird.
Eine
eventuelle Hemmung durch Eis und Schneefall auf nicht überdachte,
mechanische Komponenten, wie zum Beispiel auf am Hang auf- und abwärts verfahrbare
Wagen, kann bei entsprechender Konstruktion, z. B. gemäß dem aktuellen
Stand der Eisenbahnverkehrstechnik, durch Schneeräumer überwunden
werden, die mit der gespeicherte Energie der bewegten Masse bewegt
werden.
Eine
weitere, vorteilhafte Ausführungsform ergänzt das
Wendegetriebe durch eine zusätzliche Verstellübersetzung.
Damit wird die Möglichkeit
zur exakten Anpassung an die tatsächlich benötigte Energie weiter verbessert.
In dieser Konfiguration wird die grobe Abstufung der Energie durch
die Auswahl und Gruppierung der mechanischen Energiespeicher vorgenommen.
Eine Feinanpassung erfolgt durch die Übersetzungsänderung. Dazu ist je nach gewählter Anzahl
der Energiespeicher und je nach deren Stufung in vielen Fällen nur
die Verstellung des Getriebes für
die kleineren Energiespeicher erforderlich. Daraus folgt, dass der
zusätzliche
Aufwand eines Verstellgetriebes für die kostengünstigeren,
kleineren Getriebe sinnvoll ist, aber aufwendige, große Verstellgetriebe
zur Bewegung der größten Energiespeicher
unter Umständen
eingespart werden können.
Eine
weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden, dass die „Verstellübersetzung" stufenlos verstellbar
ist. In dieser Konfiguration ist die perfekte Anpassung der abgegebenen
Energie an die benötigte
machbar; insbesondere dann, wenn das Übersetzungsverhältnis vom
Lastregler aus verstellbar ist. Zusätzlich ist noch das Anlaufverhalten
verbessert.
Dazu
sind verschiedene, mechanische Verstellmöglichkeiten geeignet: Wenn
die Energie mittels Seilen übertragen
wird, so ist für
die Seiltrommel die Aufteilung der Lauffläche in mehrere Kreisbogensegmente
möglich,
die durch radiale Verschiebung weiter nach außen bewegt werden können, sodass sich
eine effektive Vergrößerung des
Wickelradius ergibt. Dazu sollten sinnvoller Weise die Kanten der Kreissegmente
so ausgebildet sein, dass sie bei größtem effektivem Radius keine
Biegung des aufgewickelten Seiles verursachen sondern tangential
daran anliegen.
Eine
andere, bekannte Möglichkeit
zur Verstellung des Übersetzungsverhältnisses
ist die Ausbildung eines Riemenrades aus zwei gegensinnig orientierten
Kegeln. Jeweils zwei Paar solcher Kegel bilden zwei Laufräder, um
die ein Riemen in der Ausbildung als sogenannte Schubgliederkette
läuft.
Die Verstellung des Übersetzungsverhältnisses
erfolgt dadurch, dass bei einem Kegelpaar beide Kegel zusammen geschoben
werden und im selbem Verhältnis
bei dem anderen Kegelpaar auseinander gefahren werden. Dadurch ändern sich
der effektive Radius und damit das Übersetzungsverhältnis. Komplette Verstellgetriebe
gemäß diesem
Prinzip sind in der industriellen Antriebstechnik ebenso wie in
Kraftfahrzeugen aktueller Stand der Technik.
Bei
der vorhergehenden Beschreibung der Vorteile eines erfindungsgemäßen Speicherwindrades
ist vor allem auf das Anheben und Absenken von Massen Bezug genommen
worden. Diese Massen werden sich im Normalfall linear bewegen. Der
Vorteil ist, dass dann die gespeicherte Energie linear vom Weg abhängt. Natürlich ist
auch das Anheben von Massen um eine rotierende Achse anwendbar.
Dann ist bei der Dimensionierung zu beachten, dass die Verhältnisse
nicht linear sind.
Für beide
mechanischen Varianten des Verschiebens oder des Verschwenkens bietet
sich gemäß dem aktuellen
Stand der Technik eine große Vielzahl
an möglichen
Lagerungen an. Ein Anwendungsbeispiel für große, linear verschobene Massen ist
in Fußballstadien
die Verfahrbarkeit der Spielfläche
bestehend aus dem Rasen, der zugehörigen Erde und einem Trog zu
deren Aufnahme. Beispiele für
die rotatorische Verschwenkung von großen Massen sind Schleusentore
und Klappbrücken.
Nach ähnlichem
Prinzip ist auch die Ausbildung als pneumatischer Speicher sinnvoll.
Auch hier wird eine lineare Bewegung durch eine Kolbenstange, einen
Kolben und eine Dichtung, die sich an die Wandung eines Zylinders
anpresst, erzeugt. Das Speichermedium kann Luft mit Überdruck
und/oder Unterdruck sein.
Nach
aktuellem Stand der Technik ist die Herstellung von Zylindern in
mehreren Metern Länge und
Breite mitsamt der zugehörigen
Dichtung möglich.
Auch die Langzeitstabilität
der Dichtung sowie die Oberflächengüte des dazu
gehörigen
Gegenstückes
ist gemäß aktuellem
technologischen Stand ein gelöstes
Problem. Deshalb kann auch in dieser Speicherform die Energie über eine
sehr lange Zeitdauer aufbewahrt werden.
Eine
andere Speichermöglichkeit
sind Federn. Dieses Prinzip ist von mechanischen Uhren seit Jahrhunderten
bekannt. Auf dem aktuellem Stand der Werkstofftechnik sind Stähle, Biegetechniken und
Härtungsverfahren
bekannt, die die Herstellung von sehr groß dimensionierten Federn ermöglichen. Auch
hier ist die Langzeitstabilität
sehr hoch.
Ein
weiterer mechanischer Energiespeicher ist das Schwungrad. Dieses
Prinzip ist mit dem Anwendungsbeispiel der Töpferscheibe schon seit Jahrhunderten
in Gebrauch. Aktuelle Werkstoffe wie hochfeste Stähle und
kohlefaserverstärkte
Verbundmaterialien erlauben sehr hohe Fliehkräfte am Umfang von rotierenden
Scheiben. Da das Massenträgheitsmoment
einer rotierenden Scheibe in der vierten Potenz mit dem Radius zunimmt,
wird statische Masse dadurch eingespart, dass das Schwungrad als
ein rotierender Ring mit speichenförmig ausgebildeten Verbindungen
zur Drehachse gestaltet wird. Aktuelle Anwendungsbeispiele für sehr große, rotierende Schwungmassen
sind Pressen in der Metallverarbeitung.
Für Speicherwindräder ist
es durchaus denkbar, rotierende Schwungmassen im Turm unterzubringen.
Durch dessen große
Höhe kann
trotz des beschränkten
Durchmessers eine nennenswerte Energiemenge gespeichert werden.
Es ist jedoch nicht sinnvoll, den Durchmesser des Turmes allzu sehr
zu vergrößern, da
der Windschatten des Turmes jedem Blatt des Windrades die Luft wegnimmt,
sobald es vor dem Turm vorbeiläuft.
Problematisch ist weniger der dadurch entstehende Verlust an gewinnbarer
Energie als vielmehr der schlagartige Abfall des Drehmomentes und
die daraus resultierenden Schwingungen im Windrad.
Deshalb
ist es eine andere, mögliche
Variante, ein Schwungrad als Energiespeicher in Form eines großen Ringes
im Erdreich um das Fundament des Speicherwindrades herum auszubilden.
Von diesem Ring aus sollten große
und stabile Speichen unterhalb des Flugkreises der Rotorblätter an
den Turm herangeführt
und zwischen Rotorblättern
und Turmaußenseite
weiter nach oben zum Kopf des Turmes verlaufen, wo sie in das Turminnere
eintreten und über
ein Win kelgetriebe an die Kupplungswelle mit dem Windrad angekuppelt
werden.
Ein
rotierendes Schwungrad ist vor allem für eine Energiespeicherung über Stunden
hinweg geeignet. Die Auslegung für
Speicherdauern von ein bis zwei Tagen ist möglich und praxiserprobt. Für längere Speicherzeiten
wird die Ausbildung der Lager zu aufwendig.
Als
weitere Ausbildungsform eines mechanischen Energiespeichers wird
auch das Pumpspeicherwerk eingestuft. Diese Technologie entspricht dem
aktuellen Stand der Technik und ist insbesondere in der Ausbildung
von Stauseen auf dem Globus verbreitet.
In
Verbindung mit Flüssigkeiten,
insbesondere für
sogenannte offshore-Windanlagen, ist ein mechanischer Energiespeicher
in Form eines versenkbaren Schwimmkörpers denkbar. Dessen Anwendung
setzt eine Umlenkrolle auf dem Meeresboden voraus. Die Technologie
zur Herstellung und zur Wartung solcher Schwimmkörper, z. B. aus stahlarmiertem
Beton, ist aus dem Schiffbau hinlänglich bekannt.
Eine
besonders vorteilhafte Ausbildungsform von mechanischen Energiespeichern
ist die Nutzung der Flanken von Hügeln, auf denen Windräder errichtet
sind. Hier bietet sich das Verlegen von Schienen an, auf welchen über Räder bewegbare
Massen mit Seilen oder Ketten an das Windrad gekoppelt werden. Die
Erfindung schlägt
vor, für
Schienen- und Wagen Konstruktionsprinzipien und Baugruppen zu nutzen,
die von Eisenbahnverkehrssystemen her bekannt sind. Eine denkbare
Variante ist es, aus dem Güterverkehr
ausrangierte Wagen zu nutzen, in dem am Berghang Schienen verlegt
werden, auf denen diese Waagen aufwärts und abwärts fahren und dabei wiederum über Seile
und/oder Ketten mit dem Windrad verbunden sind. Durch parallel verlaufende Schienen
und durch Variationen der Größe und/oder der
Anzahl der Wagen ist die erfindungsgemäße Vielfalt der Größe der mechanischen
Energiespeicher erreichbar.
Ein
anderer Ort zur Unterbringung der mechanischen Energiespeicher ist
natürlich
der Turm des Windrades. Wie bereits bei rotierenden Schwungmassen
erwähnt,
sollte jedoch der Durchmesser des Turmes nicht allzu sehr vergrößert werden,
da jedes Rotorblatt in seiner Stellung parallel zum Turm wegen dessen
Windschatten schlagartig kein Drehmoment an die Rotorachse weiterleitet
und dadurch zu Schwingungen neigt. Im Rahmen der durch die Statik
vorgegebenen Abmessung ist es jedoch durchaus denkbar und sinnvoll,
vertikal bewegte Massen und/oder Pneumatikzylinder und/oder Federn
im Turm oder außen
am Turm anzuordnen.
Eine
weitere, sinnvolle Ausführungsform
ist es, das Windrad selbst mitsamt dem Getriebe, der Kupplungswelle
und dem Generator als energiespeichernde Masse einzusetzen, indem
es vertikal bewegbar angeordnet ist und über eine Hebeeinrichtung an
die Kupplungswelle anschaltbar ist. Denkbar sind in Analogie zu
der von Aufzügen
bekannten Struktur entweder Tragseile, welche an einen festen Teil
des Turmes anzulenken sind oder hydraulische Zylinder im Inneren
des Turmes. Der gesamte Kopf des Speicherwindrades wird sich also
auf und ab bewegen. In seiner größten Höhe ist der
mechanische Energiespeicher zu 100 % gefüllt. Der Speicher ist dann
vollständig
entleert, wenn das Rotorblatt mit seinem Flugkreis in die Nähe des Bodens
oder in Luftschichten mit zu ungleichmäßiger Luftströmung abgesenkt
worden ist.
Eine
andere, denkbare Möglichkeit
zur Ausbildung von mechanisch bewegbaren Massen, die als Energiespeicher
dienen, ist es, Räume zum
Wohnen, Arbeiten oder Lagern als verschiebliche Einheit auszubilden.
Je nach geografischer Gegebenheit können Gebäude an einem Hang auf Schienen
weitergerollt werden oder ähnlich
wie bei einem Fahrstuhl innerhalb eines Traggerüstes in vertikale Richtung
angehoben werden. Der Zugang sowie Versorgungs- und Entsorgungsleitungen
müssen ähnlich wie
bei Schiffen oder schwimmenden Häusern
beweglich ausgeführt
werden. Entsprechend dem tagesabhängigen Energiefluss eines Speicherwindrades werden
die Bewohner dann meist während
der Nacht mitsamt ihrer Behausung angehoben und erwachen morgens
in einer geometrisch erhöhten
Position ihres Hauses.
Der
Kerngedanke der Erfindung ist die Möglichkeit zur Abstufung der
aus dem mechanischen Energiespeicher abrufbaren Energiemenge in
Anpassung an den aktuellen Bedarf.
Dazu
beansprucht die Erfindung das folgende Verfahren. Bei sehr starkem
Wind und sehr wenig abgeforderter Energie schaltet der Lastregler
sämtliche
Wendegetriebe aller mechanischer Energiespeicher auf „Heben" und aktiviert die
Kupplungen zwischen den Wendegetrieben und der Kupplungswelle. Dadurch
hebt das Windrad alle Gewichte an. Sobald sie ihre maximale Höhe erreicht
haben, ist die Kapazität
des mechanischen Energiespeichers zu 100 % gefüllt: Z. B. über Endschalter werden die
Kupplungen gelöst
und gleichzeitig die Bewegungssperren aktiviert. Für eine erhöhte Betriebssicherheit
der Anlage ist es sinnvoll, für
diesen Übergangszustand
Betriebsbremsen vorzusehen. Sie verzögern die bewegte Masse bis
zum Stand und halten sie fest.
Außerdem sind
diese Bremsen auch zur Feinanpassung an die Last anwendbar, obwohl
das für
die Energiebildung etwas nachteilig ist.
Bei
starkem Wind und hohem Energiebedarf verbleiben die mechanischen
Energiespeicher in ihrer ausgekuppelten Stellung und werden von
Sperren in ihrer erhöhten
Position gehalten. Das Speicherwindrad arbeitet dann wie ein konventionelles Windrad
mit einem direkten Transfer der Energie vom Windrad in den elektrischen
Generator.
Wenn
der Wind abflaut, der Energiebedarf jedoch unverändert hoch ist, schaltet der
Lastregler je nach fehlender Energiemenge einen einzelnen Energiespeicher
oder eine Kombination aus mehren Energiespeichern mit ihrem Wendegetriebe
auf „Absenken" und damit auf „Energie
abgeben" und schließt die Kupplung
zwischen Wendegetriebe und Kupplungswelle. Dadurch unterstützen die
sich abwärts
bewegenden Massen die Drehung der Kupplungswelle und damit auch
der Generatorwelle. Es steht weiterhin die benötigte Energiemenge bereit.
Wenn
die Windstärke
unter den für
moderne Windräder
sinnvollen Mindestwert von etwa 2 Beaufort absinkt, werden je nach
Energiebedarf weitere Massen an die Kupplungswelle angekuppelt.
Der Lastregler sorgt dann dafür,
dass die Rotorblätter
des Windrades in die Leerlaufstellung verdreht werden und dadurch
das Windrad praktisch verlustfrei dreht. Die Energie zur Drehung
des elektrischen Generators kommt in diesem Betriebszustand ausschließlich aus
den mechanischen Energiespeichern.
Ein
weiterer Betriebszustand, der mit einem erfindungsgemäßen Speicherwindrad
möglich
ist, ist das autarke Anfahren des Windrades bei geringen Windstärken, die
sogenannte „Starthilfe".
Nach
bisherigem Stand der Technik ist es wirtschaftlich sinnvoll, bei
dauerndem, aber geringfügigem Überschreiten
der Mindestwindstärke
das Windrad mit von außen
zugeführter
Energie in Drehung zu versetzen. Mit diesem Energieschub wird die zur
Beschleunigung der Massenträgheit
des Rades erforderliche Energie eingebracht. Sobald das Windrad
in die Nähe
der Betriebsdrehzahl gekommen ist, wird die Energiezufuhr von außen unterbrochen,
der Anstellwinkel der Rotorblätter
in die Betriebsstellung gebracht und dadurch die Umwandlung der
(geringen) Windenergie in mechanische Energie durch das Windrad
ermöglicht.
Gemäß üblichem
Stand der Technik wird dazu aus dem Energienetz elektrische Energie
in den Generator eingespeist, der dann in der Betriebsart „Motor" für die Beschleunigung
des Windrades sorgt. Es ist nachvollziehbar, dass der Preis für diese
sozusagen rückwärts fließende Energie
erheblich höher ist,
als der bei der Abgabe erzielte Preis.
Ein
weiterer Nachteil ist, dass die für den Start benötigte Energiemenge überhaupt
verfügbar sein
muss, was selbst in einem Windpark nicht ohne weiteres der Fall
ist, da in der Regel über
den gesamten Windpark hinweg die gleiche Windstärke herrscht. Nach aktuellem
Stand der Technik kann dieses Problem nur durch Pumpspeicherwerke und/oder
Kraftwerke gelöst
werden, die fossile Energien verbrennen. Für die Schaffung und Bereithaltung
dieser Einrichtungen sind zusätzliche
Kosten aufzubringen, die den Investitionskosten einer Windkraftanlage
hinzuzurechnen sind.
Unter
diesem Aspekt ist ein mechanischer Energiespeicher bereits bei der
Investition von Vorteil, da er in seiner Eigenschaft als Niedrigwind-Starthilfe
die ansonsten erforderlichen Kosten für die Bereitstellung der Starthilfe
einspart.