-
Die
Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung und auf ein Verfahren
zur Zwischenspeicherung von Energie als Schwungenergie wenigstens
einer in Schwung versetzbaren Rotationseinrichtung, die um eine
vertikale Achse drehbar gelagert ist, und zur Abgabe der gespeicherten
Energie.
-
Heutzutage
mehr denn je besteht Veranlassung, die begrenzten Primärenenrgieträger zu schonen.
Hierzu gibt es neben der Nutzung von regenerativen Energien (Sonnen-,
Wind- und Wasserkraft) auch das Konzept der sparsamen Verwendung
bzw. optimalen Nutzung von Energie. Bspw. wird bei Kraftfahrzeugen
versucht, die beim Bremsen anfallende, überschüssige Energie zwischenzuspeichern,
entweder in elektrischer Form durch Laden von Akkumulatoren oder
in mechanischer Form durch Beschleunigen eines Schwungrades. Ersteres
Prinzip hat jedoch den Nachteil der vielmaligen Umwandlung von Energie,
wobei ein Großteil
der Energie verloren geht; bei der Energiespeicherung in einer Schwungmasse
besteht das Problem, dass bei der Abgabe der gespeicherten Energie
die Drehzahl des Schwungrades kontinuierlich abnimmt, so dass nur
in dem hohen Drehzahlbereich ein kleiner Teil der gespeicherten
Energie zurückgewonnen
werden kann.
-
Aus
den obigen Nachteilen des bekannten Standes der Technik resultiert
das die Erfindung initiierende Problem, eine Möglichkeit zu finden, wie der Wirkungsgrad
bei der Nutzung von Primärenergie weiter
gesteigert werden kann.
-
Die
Lösung
dieses Problems gelingt dadurch, dass ein Teil der in Schwung versetzbaren Masse
flüssig
ist.
-
Indem
zur Energiespeicherung eine Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsreservoir
der Rotationseinrichtung in Schwung versetzt wird, ist die Möglichkeit eröffnet, zur
Energieabgabe die Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitsreservoir
zu entnehmen, die dabei durch eine etwa radial gerichtete Bewegung
infolge der Fliehkraft Arbeit verrichtet. Dabei führt die
entnommene Energie nicht zu einer Verringerung der Drehzahl der
Rotationseinrichtung, sondern wird durch eine Reduzierung der rotierenden
Masse aufgebracht. Dass dabei die Drehzahl näherungsweise konstant bleibt,
hat wiederum zur Folge, dass die Energieabgabe unabhängig von
dem Maß der
gespeicherten (Rest-) Energie ist. Die maximale Abgabeleistung bleibt
vielmehr konstant, so lange sich Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsreservoir
befindet. Die Art der Flüssigkeit
ist weitgehend beliebig; sie sollte nur möglichst dünnflüssig sein, damit die Strömungsverluste
so gering als möglich
sind. Das bevorzugte Medium ist Wasser, da dieses in großen Mengen
zur Verfügung
steht. Insbesondere bei Verwendung in mobilen Geräten, bspw.
in Fahrzeugen, kann die Flüssigkeit
darüber
hinaus auch weitere Funktionen übernehmen,
bspw. als Kühlflüssigkeit.
-
Die
Erfindung zeichnet sich aus durch einen Rotationskörper mit
einem Reservoir zur Aufnahme einer Flüssigkeit. Dieser Rotationskörper hat
vorzugsweise die Form eines rotationssymmetrischen Bassins, bspw.
einer Schüssel
oder eines Tellers mit einem flachen Boden und einem demgegenüber erhöhten Randbereich.
-
Es
hat sich als günstig
erwiesen, dass der Massenanteil der Flüssigkeit an der gesamten, in Schwung
versetzbaren Masse größer ist
als 10 %, vorzugsweise größer als
20 %, insbesondere größer als
50 %. Die bei dem erfindungsgemäßen Prinzip leicht
wiedergewinnbare Energie ist die Schwungenergie der rotierenden
Flüssigkeit;
daher sollte die Masse der Flüssigkeit
gegenüber
dem Rotationskörper
möglichst
hoch sein. Die in der Rotation des Rotationskörpers selbst enthaltene Energie
könnte
nach dem üblichen
Prinzip natürlich
ebenfalls zu einem gewissen Anteil wiedergewonnen werden.
-
Die
Erfindung zeichnet sich weiterhin aus durch eine im Bereich des
Umfangs der Rotationseinrichtung angeordnete Energiewandlereinrichtung,
die von der Flüssigkeit
aufgrund der auf sie einwirkenden Fliehkraft durchströmbar ist,
um die in der rotierenden Flüssigkeit
gespeicherte Energie in kinetische Energie einer Abtriebsmechanik,
insbesondere einer Abtriebswelle, umzuwandeln.
-
Die
Einrichtung zur Umwandlung der gespeicherten Energie wenigstens
kann wenigstens ein radial bezüglich
der Rotationsachse verstellbares Kolbenelement aufweisen. Indem
dieses mit dem infolge der Fliehkraft etwa radial wirkenden Druck der
Flüssigkeit
beaufschlagt wird, ist ein Kolben mit einer etwa tangential verlaufenden
Kolbenfläche
ein geeignetes Mittel zur Aufnahme dieser Energie. Vorzugsweise
gibt es mehrere, über
den Umfang gleichmäßig verteilte
Kolben. Allerdings könnte
auch ein den gesamten (Rand-) Umfang des Rotationskörpers umgebender
Ring als Kolbenfläche
wirken, wenn dieser bspw. über
einen zentrisch gelagerten, radial verlaufenden Hebel exzentrisch
gehalten ist, so dass die Richtung der Exzentrizität eines
solchen Kolbens durch zyklische Öffnung
von über
den Umfang des Bassins verteilten Ventilen die Rotationsachse umläuft und
dadurch eine Drehbewegung ausführt,
die bspw. an einem mit dem Hebel verbundenen und dadurch mitrotierenden
Zahnrad abgegriffen werden kann.
-
Die
Steuerung verschiedener Kolbenbereiche) bzw. Ausströmventile
und damit der Flüssigkeitsentnahme übernimmt
vorzugsweise eine Steuereinrichtung. Diese ist derart ausgebildet,
dass dadurch eine kontinuierliche (Dreh-) Bewegung der Abtriebsmechanik
erzeugt wird. Dabei kann auch eine Regelung der Abgabeleistung oder
-drehzahl erfolgen, je nach dem gewünschten Anwendungsfall.
-
Die
Erfindung zeichnet sich außerdem
aus durch eine Einrichtung, um die nach Verrichtung von Energie
aus einem Kolbenelement austretende Flüssigkeit teilweise, überwiegend
oder ganz in das Flüssigkeitsreservoir
des Rotationskörpers
zurückzuleiten.
Dadurch gelingt es, die Flüssigkeit
im Kreis zu führen
und wiederzuverwenden, so dass das erfindungsgemäße Prinzip auch in mobilen
Geräten, bspw.
Fahrzeugen eingesetzt werden kann und dort sogar weitere Funktionen
erfüllen
kann. Um selbsttätig
wieder zu einer rotationsachsennahen Position zurückzukehren,
wird die entnommene Flüssigkeit umgelenkt.
Dabei ist es vorteilhaft, ihre Drehbewegung vorübergehend in eine Richtung
etwa vertikal nach oben umzulenken, so dass die kinetische (Rest-)
Energie in eine potentielle Energie der Höhe umgewandelt wird, die für ein selbsttätiges Zurückfließen verwendet
werden kann. Weil deshalb beim Einfließen in das rotierende Flüssigkeitsreservoir
erst wieder in Rotationsrichtung beschleunigt werden muß, empfiehlt
es sich, die Flüssigkeit
erst in das Flüssigkeitsreservoir
zurückzuspeisen,
wenn gleichzeitig auch Rotationsenergie zugeführt wird, bspw. mittels einem
Antriebsmotor, insbesondere einem Verbrennungs- oder Elektromotor,
der mit dem Rotationskörper
gekoppelt ist. Falls erforderlich, kann die vorübergehend entnommene Flüssigkeit
im Zustand einer erhöhten
potentiellen Energie gespeichert werden, bis wieder Energie zum
gleichzeitigen Aufladen des Rotationskörpers mit Rotationsenergie
zur Verfügung
steht. Um ein Zurückfließen am Zufluß eines solchen
Speichers zu vermeiden, kann dort eine Schwelle od. dgl. vorhanden
sein, die beim Zuströmen überwunden
wird, für
die Flüssigkeit
in dem Zwischenspeicher jedoch zu hoch ist. Dann kann die in das
rotierende Reservoir rückfließende Flüssigkeitsmenge
bspw. derart geregelt werden, dass die Drehzahl des Rotationskörpers stets
etwa konstant bleibt.
-
Die
Erfindung empfiehlt, dass die Flüssigkeits-Rückführeinrichtung
einen die Energiewandlereinrichtung radial außen umgebenden Ring aufweist, der
als Strömungsleitfläche ausgebildet
ist und relativ gegenüber
dem Rotationskörper
verdrehbar ist. Dadurch wird die bei der Entnahme der Flüssigkeit
zunächst
etwa radial gerichtete Flüssigkeitsströmung aufgefangen
und ohne Energieverlust in eine andere Richtung umgelenkt.
-
Zu
diesem Zweck hat es sich bewährt,
dass eine Strömungsleitfläche der
Flüssigkeits-Rückführeinrichtung
an ihrer radial innen liegenden Seite doppelt konkav gewölbt ist,
etwa nach Art eines Abschnitts einer Innenfläche einer Hohlkugel oder einer radial
außen
liegenden Innenfläche
eines Hohltorus od. dgl.
-
Eine
an der radial innen liegenden Seite der Strömungsleitfläche der Flüssigkeits-Rückführeinrichtung
angeordnete Struktur dient dazu, um die ausgetretene Flüssigkeit
in eine gewünschte
Richtung umzulenken, insbesondere zunächst in eine Richtung etwa
parallel zu der Rotationsachse des Rotationskörpers nach oben, so dass die
enthaltene Strömungsenergie
gezwungen ist, gegen die Schwerkraft zu arbeiten.
-
Eine
solche Umlenkung gelingt dadurch, dass eine Strömungsleitfläche der Flüssigkeits-Rückführeinrichtung an ihrer radial
innen liegenden Seite in der gewünschten
Strömungsrichtung
der zurückzuführenden
Flüssigkeit,
insbesondere etwa vertikal, verlaufende Leitflächen, insbesondere -rippen
aufweist, an denen die Flüssigkeit
entlang strömen
muß.
-
Die
abermalige Einleitung der vorübergehend
entnommenen Flüssigkeit
in das rotierende Flüssigkeitsreservoir
erfolgt selbsttätig – ggf. nach Öffnen eines
Ventils, wenn oberhalb des Flüssigkeitsreservoirs
eine sich zur Rotationsachse hin nach abwärts neigende Führungsfläche vorgesehen
ist.
-
Um
die etwa horizontale Ausrichtung des Bodens des rotierenden Flüssigkeitsreservoirs
sicherzustellen, sollte der Rotationskörper um eine zentrale, feststehende
Säule drehbar
gelagert sein. Eine solche, zentrale Säule kann außerdem einen Anschluß zum (erstmaligen)
Einleiten von Flüssigkeit aufweisen
oder zum Ersetzen eines ggf. verdunsteten oder anderweitig verbrauchten
Flüssigkeitsanteils.
-
Weitere
Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
-
1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
teilweise abgeschnitten; sowie
-
2 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, ebenfalls teilweise
abgeschnitten.
-
Eine
erfindungsgemäße Anlage 1 umfaßt eine
runde Säule 2 aus
Metall, Beton od. dgl., die fest mit einem Gebäudeboden 3, Fahrzeugchassis
od. dgl. verbunden und/oder fest in der Erde verankert ist.
-
An
dieser Säule 2 ist
eine Scheibe 4 aus Metall oder Leichtmetall mit einem waagerechten
Boden 5 gelagert, um eine zentrale Drehachse 6 drehbar.
Im Bereich des Umfangs 7 der Scheibe 4 ist ein
nach oben gebogener Rand, der zur Aufnahme von mehreren Zylindern 8 und
der dazugehörenden
Gestänge 9 und/oder
Wellen dient.
-
Die
Scheibe 4 hat in der Mitte eine Ausnehmung 10.
An deren Rand 11 schließt sich ein vorzugsweise nach
unten erstreckender Zylinderfortsatz 12 an, der mittels
Kugellagern 13, 14, 15 an der Säule 2 und/oder
am Boden 3 gelagert ist.
-
Die
Stabilisierung der Scheibe 4 an ihrem äußeren Rand 7 erfolgt
nach demselben Prinzip, d.h., kugellagert 16. Zu diesem
Zweck kann an der Scheibenunterseite eine umlaufende Metall- oder
Kunststoffschiene vorgesehen sein, die in/auf einer mit Wälzkörpern gefüllten, runden
Aufnahme geführt wird.
Diese Aufnahme befindet sich auf einer runden bzw. zylindermantelförmigen Gerüstkonstruktion 17, bspw.
aus Metall, die ebenfalls mit dem jeweiligen Untergrund 3 fest
verbunden bzw. verankert ist.
-
Um
den Umfang der Scheibe 4 herum läuft ein Ring 18 aus
Metall, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material. Dieser
Ring 18 ist konzentrisch zu der Drehachse 6 auf
einem Gerüst 19 fixiert – entweder
unverdrehbar oder um die Drehachse 6 verdrehbar, allerdings
unabhängig
von der Scheibe 4. Eine Drehlagerung wird ggf. mit Kugellagern 20, 21 an
dem Gerüst 19 realisiert.
-
Dieser
Ring 18 hat etwa einen C-förmigen, nach radial innen hin
offenen Querschnitt mit einer strukturierten Oberflächenbeschichtung
an seiner Innenseite 22, insbesondere in seinem oberen
Innenbereich. Die querschnittliche C-Form ist – wie in 1 dargestellt – in ihrem
oberen Bereich nach radial außen
geneigt.
-
In
diesen Ring 18 ragt/ragen durch die offene radial innenliegende
Seite eine oder mehrere Rücklaufeinrichtungen 23 hinein,
die bis auf wenige Zentimeter Abstand zu dessen Innenseite 22 heranreichen,
und von dem oberen Bereich des C-Querschnitts
leicht übergriffen
werden.
-
Die
Rücklaufeinrichtung 23 könnte ebenfalls als
Ringscheibe ausgebildet sein oder wie in 2 wiedergegeben – als ein
oder mehrere Rohre, ggf. mit einem schaufelförmigen Ende an seinem radial äußeren Ende.
Das andere; radial innenliegende Ende ist entweder an der Scheibe 4 oder
an der Säule 2 verankert.
Die Rücklaufeinrichtung 23 erstreckt sich
oberhalb der Scheibe 4 und neigt sich zur Mitte dieser
Scheibe 4 hin nach abwärts.
-
Die
Scheibe 4 mit dem waagerechte Boden 5 ist mit
einer Flüssigkeit,
insbesondere mit Wasser, gefüllt.
-
Durch
Zufuhr von Energie, bspw. über
einen Motor, der als (bspw. mit Biodiesel gespeister) Verbrennungsmotor
oder (bspw. solarbetriebenen) Elektromotor ausgebildet sein kann,
wird die flüssigkeitsgefüllte Scheibe 4 in
Rotation versetzt. Die Drehbewegung überträgt sich über eine Struktur an der Innenseite
des Bodens 5, bspw. radial verlaufende Kammerwände, auf
die eingefüllte
Flüssigkeit,
so dass diese ebenfalls in Rotation versetzt wird. Die Flüssigkeit
erfährt
daher eine radial nach außen
wirkende Fliehkraft und wird gegen den Rand 7 der Scheibe 4 gedrückt.
-
Durch – gesteuertes – Öffnen nicht
dargestellter Ventile wird dieser Flüssigkeitsdruck auf die Innenseite
einzelner Zylinder 8 weitergegeben, wodurch deren Kolben 24 nach
radial außen
gedrückt werden.
-
Diese
Kolben 24 sind immer paarweise miteinander gekoppelt, und
zwar über
doppelarmige Hebel, die bspw: an einem Punkt der Scheibe 4 gelagert sind:
Dadurch wird durch selektives Öffnen
der Zulaufventile eines Zylinders 8 stets dessen Kolben 24 nach
radial außen,
der damit gekoppelte Kolben 24, dessen Zulaufventile geschlossen
sind, dagegen nach radial innen bewegt. Diese zyklische Bewegung kann
mittels nicht dargestellter Gestänge
od. dgl. an ein Zahnrad übertragen
werden, das bspw. zentral an der Säule 2 gelagert ist,
bspw. im oberen Bereich derselben oberhalb der Scheibe 4.
-
Nachdem
ein Kolben 24 ganz nach außen bewegt wurde, öffnet sich
ein Auslaßventil,
während gleichzeitig
das Einlaßventil
schließt,
und die Flüssigkeit
strömt
nach Verrichtung von Arbeit an dem Kolben 24 weiter nach
außen,
da sie durch die Zentrifugalkraft abermals beschleunigt wird. Aufgrund
ihrer kinetisschen Energie prallt sie auf den Ring 18 und fließt entlang
dessen Neigung weiter nach außen, wobei
sie nach oben umgelenkt wird. Die Struktur an der Innenseite 22 des
Rings 18, bspw. etwa vertikal verlaufende Rippen, sorgen
dafür,
dass ein noch vorhandener Horizontalimpuls vollständig aufgebraucht wird.
Die kinetische Energie wird daher vollständig in Potentialenergie der
Höhe umgewandelt.
Je nach Konstruktion kann dabei der äußere, C-förmige Ring 18 durch
den Wasserdruck in Rotation versetzt werden oder nicht.
-
Die
Flüssigkeit
verläßt den C-förmigen Ring an
dessen Oberseite und strömt
wieder nach unten, auf die Rückführeinrichtung 23,
und strömt
bspw. durch zwei feststehende Rohre 25 nach innen bis zu deren
innenliegendem Ende 26, wo es wieder nach unten auf die
schüsselförmige Scheibe 4 gelangt
und somit dem Kreislauf wieder zugeführt wird.
-
Um
das zurückfließende Wasser
wieder zu beschleunigen bzw. eine konstante Rotationsgeschwindigkeit
der Scheibe 4 aufrechtzuhalten, ist es notwendig, entweder
permanent oder in Abständen der
Anlage Energie zuzuführen,
die dann gespeichert wird, bis sie durch Öffnen der Zylinderventile wieder freigesetzt
wird. Ggf. kann im Bereich der Rückführeinrichtung 23 auch
eine Verzögerung,
bspw. ein Zwischenbehälter
mit steuerbaren Auslaßventilen,
vorgesehen sein, um Wasser nur dann in die Scheibe 4 zurückzuführen, wenn
auch Energie zur Verfügung steht,
um diese gleichzeitig zu beschleunigen. Die benötigte Energie kann ggf. auf
umweltfreundlichem Weg erzeugt werden, bspw. mittels Solar- oder
Windkraft oder aus Biodiesel oder Biogas.
-
Ein
besonderer Vorteil ist, dass infolge der hohen speicherbaren Energiemenge
mit geringem Aufwand eine hohe Leistung gepuffert werden kann, wie
im folgenden erläutert
werden soll.
-
Beispiel 1:
-
Die
Formel für
die Winkelbeschleunigung (Berechnung des Wasserdrucks) lautet:
Massensäule mal
Geschwindigkeit geteilt durch 100 = Druck
-
Hierbei
bedeuten:
- – Geschwindigkeit
= Umfangsgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde
- – Massensäule = Entfernung
des Flüssigkeitsspiegels
vom Umfang in Meter
- – Druck
= Druck am Kolben in Bar pro Quadratzentimeter
-
Bei
einer Anlagengröße von 10
Meter Scheibendurchmesser, einer Massensäule von 2 Metern, einer Drehgeschwindigkeit
am Umfang von 270 Meter pro Sekunde ergibt sich daher folgende Beispielrechnung:
2
Meter mal 270 Meter/Sekunde geteilt durch 100 = 5,4 Bar
-
Die
Formel zur Leistungsermittlung lautet: Hubvolumen mal Druck mal
Hubzahl geteilt durch 1200 = Leistung,
wobei
- – Hubvolumen
= Hubraum eines Kolbens/Zylinders in Litern
- – Hubzahl
= Kolbenhübe
pro Minute
- – Von
einer Kolben-Zylinder-Einheit abgegebene Leistung in Kilowatt.
-
Hieraus
folgt bei einem Hubvolumen von jeweils 14,8 Litern pro Zylinder
bei 120 Hüben
eines Kolbens pro Minute:
(14,8 Liter mal 5,4 Bar mal 120 Hübe pro Minute)/1200
= 8,0 Kilowatt pro Zylinder.
-
Die
Beispielrechnung für
die Gesamtleistung einer Anlage mit einer Zylinderzahl von 64 liefert:
8,0
Kilowatt pro Zylinder mal 64 Zylinder = 511 Kilowatt.
-
Beispiel 2:
-
Bei
einem Scheibendurchmesser von 50 Meter, einer Massensäule von
10 Meter, und einer Umfangsgeschwindigkeit von 135 Meter pro Sekunde
ergibt sich: 10 Meter mal 135 Meter/Sekunde geteilt durch 100 =
13,5 Bar
-
Bei
einem Hubvolumen von jeweils 32 Litern pro Zylinder bei 60 Hüben eines
Kolbens pro Minute ergibt sich:
(32 Liter mal 13,5 Bar mal
60 Hübe
pro Minute)/1200 = 21,6 Kilowatt pro Zylinder.
-
128
Zylinder liefern dann:
21,6 Kilowatt pro Zylinder mal 128 Zylinder
= 2.765 Kilowatt.
-
Beispiel 3:
-
Bei
einer Anlagengröße von 100
Meter Gesamtdurchmesser, einer Füllung
zu 40 %, d.h. 20 Meter Massensäule,
und einer Drehgeschwindigkeit am Umfang von 135 Meter pro Sekunde
ergibt sich daher folgende Beispielrechnung:
20 Meter mal 135
Meter/Sekunde geteilt durch 100 = 27 Bar
-
Hieraus
folgt bei einem Hubvolumen von jeweils 64 Litern pro Zylinder bei
30 Hüben
eines Kolbens pro Minute:
(64 Liter mal 27 Bar mal 30 Hübe pro Minute)/1200
= 43,2 Kilowatt pro Zylinder.
-
Die
Beispielrechnung für
die Gesamtleistung einer solchen Anlage mit einer Zylinderzahl von
128 liefert:
43,2 Kilowatt pro Zylinder mal 128 Zylinder =
5.529,6 Kilowatt.