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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung
elektrischer Energie aus der Energie von Fahrzeugen mit Hilfe eines
wippenden Elements, das in oder auf einer Fahrbahn der Fahrzeuge
angeordnet ist.
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Die
vorhandenen Energieerzeuger verursachen teilweise erhebliche Umweltbelastungen
und steigern den CO2-Ausstoß. Der steigende
weltweite Energieverbrauch erfordert den vermehrten Einsatz von
Energieproduzenten, wobei der Anteil des „sauberen Stroms" und von regenerativen
Energieträgern im
Hinblick auf die Klimaproblematik an vorderster Stelle stehen soll
und auch weltweit gefordert wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung „Road Energieanlage
zur Erzeugung von Energie" ermöglicht eine
Umwandlung von kinetischer und/oder potentieller Energie des fließenden Verkehrs
in elektrische Energie. Beispielsweise wird die kinetische und/oder
potentielle Energie von Fahrzeugen durch ein in oder auf einem Verkehrsweg
angeordnetes Druckplattensystem aufgenommen. Durch ein geschlossenes
hydraulisch basiertes System kann die Energie einer Wippbewegung
von Druckplatten in Rotationsenergie einer Turbine umgewandelt werden.
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Zur
Erzeugung elektrischer Energie aus der potentiellen und/oder kinetischen
Energie von Fahrzeugen werden bewegliche Elemente verwendet, die in
oder auf einem Verkehrsweg der Fahrzeuge angeordnet sind. Die beweglichen
Elemente können
als Druckplatten ausgebildet sein, die wippend gelagert und in einen
Straßenkörper integriert
sein können. Die
Achslast der Fahrzeuge bewirkt eine vertikale Kraft auf eine Druckplatte,
die in der ersten Phase ihrer Wippbewegung, im Bereich vor der Druckplattenachse,
durch das Auffahren der Fahrzeugachse vertikal niedergedrückt wird.
In der zweiten Phase ihrer Wippbewegung, nachdem die Fahrzeugachse
die Druckplattenachse überquert
hat, kippt die Druckplatte auf die andere Seite. In der ersten Phase
wird Druck auf eine erste, in der zweiten Phase auf eine zweite
Vorratskammer ausgeübt,
in denen ein Betriebsmedium enthalten ist. Die beiden Vorratskammern
können über Kanäle miteinander
kommunizieren, d. h. Betriebsmedium austauschen. Bei Druck auf die
Druckplatte strömt
das Betriebsmedium nacheinander durch zwei gegenläufige Kanäle, die
eine gemeinsame Turbine antreiben, welche über ein Getriebe einen Energieumwandler
bedient. Die Turbine wird durch das strömende Betriebsmedium in Rotation
versetzt. Die Turbine kann als Zweikanalturbine ausgebildet sein,
die von beiden Strömungskanälen bedient
wird.
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Aufgrund
der Wippeigenschaft der Druckplatten wiederholen sich die beiden
Phasen der Wippbewegung und damit die Strömung des Betriebsmediums, bei
jeder Fahrzeugachse, die über die
Druckplatte fährt.
Durch das wiederholte Antreiben der Turbine durch den Fahrzeugverkehr
wird eine den Windkraftanlagen ähnliche,
stetige Turbinenrotation erreicht.
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Die
erfindungsgemäße Erschließung und Nutzung
der Verkehrslastkräfte
auf Verkehrswegen hat keine erkennbaren negativen Umweltauswirkungen
und kann vielfältig
genutzt werden. Die Erfindung ist umweltfreundlich, vielfältig und
umfassend einsetzbar und besonders wirtschaftlich. Vorteilhaft ist, dass
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nur wenige mechanische Teile notwendig sind und weniger Abnutzungserscheinungen
und Wartungsarbeiten notwendig sind als beispielsweise bei Vorrichtungen, bei
denen elastische Komponenten zur Rückstellung von mechanischen
Teile notwendig sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich besonders zum Einsatz auf Verkehrswegen mit hoher Verkehrsdichte.
Besonders vorteilhaft kann sie an Verkehrswegen eingesetzt werden,
an denen eine Reduzierung der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen
ist oder an Gefällstrecken,
an denen die potentielle bzw. kinetische Energie der Fahrzeuge üblicherweise
in Bremsenergie umgewandelt wird, d. h. verloren geht. Durch die
erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich
die potentielle bzw. kinetische Energie der Fahrzeuge in eine nutzbare
Energieform umwandeln.
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Die
Erfindung wird anhand der 1–7 verdeutlicht.
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Die 1–3 zeigen
jeweils schematisch einen Verkehrsweg 1 in Seitenansicht
mit einem darauf befindlichen Fahrzeug, in 1 ein dreiachsiges Fahrzeug,
z. B. ein Lkw, und in 3 ein zweiachsiges Fahrzeug,
z. B. ein Pkw. In den 1–3 sind die
beiden wesentlichen Phasen der Wippbewegung gezeigt, zu welcher
die Druckplatten 2 durch das jeweilige Fahrzeug veranlasst
werden. Vor dem Befahren mit dem Fahrzeug befinden sich die Druckplatten 2 in
ihrer Ausgangslage, in welcher der vordere Druckplattenabschnitt 2a oben
und der hintere Druckplattenabschnitt 2b unten ist. Durch
die Gewichtskraft des auffahrenden Fahrzeugs werden die vorderen
Druckplattenabschnitte 2a nach unten gedrückt (erste
Phase der Wippbewegung). 1 zeigt die Vorrichtung in der
ersten Phase der Wippbewegung, in der die Fahrzeugachsen 3 jeweils
auf dem vorderen Druckplattenabschnitt 2a der Druckplatten 2 lasten.
Beim Zurücklegen
einer kurzen Wegstrecke auf dem Verkehrsweg 1 rollen die
Fahrzeugachsen 3 über
die Druckplattenachsen 4 hinweg und kippen die Druckplatten 2 zurück in deren
Ausgangslage, wobei der hintere Druckplattenabschnitt 2b nach
unten gedrückt
wird und der vordere Druckplattenabschnitt 2a wieder nach
oben bewegt wird (zweite Phase der Wippbewegung). Die ersten und/oder zweiten
Phasen der Wippbewegungen der verschiedenen Druckplatten, die das
Fahrzeug befährt,
können
zugleich oder nacheinander beginnen, je nach Abstand der Fahrzeugachsen 3 im
Vergleich zur Länge
der Druckplatten 2 und zum Abstand der Druckplatten 2.
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2 zeigt
die Vorrichtung in der zweiten Phase der Wippbewegung, in der der
hintere Druckplattenabschnitt 2b nach unten gedrückt ist.
Die Druckplatten 2 führen
unter der Last jeder Fahrzeugachse 3 eine Wippbewegung
um die jeweilige Druckplattenachse 4 aus. Die mit Pfeilen
angedeutete Hub- und Senkbewegung der wippenden Druckplatten 2 ist
jedoch nur beispielhaft skizziert. Die Amplitude der Wippbewegung
wird so gewählt,
dass das Fahren der Fahrzeuge auf dem Verkehrsweg möglichst
wenig beeinträchtigt
wird. Insbesondere sind die Stufen, die das Fahrzeug beim Befahren
der Druckplatten 2 und beim Abfahren von den Druckplatten 2 überwinden
muss, so ausgebildet, dass dabei kein übermäßiger Verschleiß der Fahrzeugreifen verursacht
wird. Die Amplitude der Wippbewegung der Druckplatten 2 bzw.
die Höhe
der Stufen beträgt beispielsweise
einige mm.
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4 zeigt
die Wippbewegung einer der Druckplatten 2 im Verhältnis zur
Fahrtrichtung 17 des Fahrzeugs, entlang der das Fahrzeug
von einem Ort A zu einem Ort B fährt.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
befinden sich unterhalb der Druckplatten 2 jeweils zwei Vorratskammern 5a, 5b zur
Aufnahme eines flüssigen
Betriebsmediums, vgl. 6 und 7. Beim Darüberfahren
jeder Fahrzeugachse 3 entsteht durch die Achslast des Fahrzeugs
in den beiden Vorratskammern 5a, 5b abwechselnd
ein Druck. Der Druck in der jeweiligen Vorratskammer 5a bzw. 5b baut
sich durch eine Strömung
des flüssigen
Betriebsmediums in die jeweils andere Vorratskammer 5b bzw. 5a ab. Das
Betriebsmedium durchfließt
dabei nacheinander zwei kommunizierende Strömungskanäle 8 und 10, die
die beiden Vorratskammern 5a, 5b miteinander verbinden.
Durch die Strömung
des flüssigen
Betriebsmediums wird eine Turbine, z. B. eine Zweikanalturbine 11 angetrieben.
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6 verdeutlicht
die Strömung
des Betriebsmediums in der ersten Phase und 7 in der zweiten
Phase der Wippbewegung. In der ersten Phase (6) strömt Betriebsmedium
aus der Vorratskammer 5a – in der in 6 gezeigten
Fließrichtung 18 – durch
den Kanal 8 in die Vorratskammer 5b und treibt
dadurch die Turbine 11 an. Der zweite Kanal 10 ist
in dieser ersten Phase durch ein Rückschlagventil 9 versperrt.
In der zweiten Phase der Wippbewegung (7) strömt Betriebsmedium
aus der Vorratskammer 5b – in der in 7 gezeigten Fließrichtung 18 – durch
den Kanal 10 in die Vorratskammer 5a und treibt
dadurch ebenfalls eine Turbine an, im gezeigten Beispiel dieselbe
Turbine 11. Der erste Kanal 8 ist in dieser zweiten
Phase durch ein Rückschlagventil 14 versperrt.
Durch den Druck in der jeweiligen Vorratskammer 5a bzw. 5b verschließt sich
das jeweilige Rückschlagventil 9 bzw. 14 automatisch.
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Die
Turbinen 11 liefern mechanische Energie an einen Energieumwandler 13,
z. B. an einen Generator, der daraus elektrische Energie erzeugt,
vgl. 1–3.
Die 1–3 zeigen
schematisch die mechanische Kopplung der einzelnen Turbinen 11.
Diese Kopplung kann über
eine mechanische Kopplung der Turbinenachsen 12 erfolgen,
die über einen
Wellenstrang 15 miteinander verbunden sind. Zwischen dem
Wellenstrang 15 und dem Energieumwandler 13 kann
außerdem
ein Getriebe 16 vorgesehen sein, über das der Wellenstrang 15 mit
dem Energieumwandler 13 in Verbindung steht. Der Wellenstrang 15 bündelt die
Rotationsenergie mehrerer Turbinen 11 und liefert diese
an den Energieumwandler 13.
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5 zeigt
schematisch eine der Druckplatten 2 in einer Draufsicht
auf den Verkehrsweg 1. Die Fließrichtung 18 des Betriebsmediums
aus der Vorratskammer 5a unterhalb des vorderen Druckplattenabschnitts 2a in
die Vorratskammer 5b unter dem hinteren Druckplattenabschnitt 2b ist
schematisch als geschlossener Kreislauf eingezeichnet (die beiden Kanäle 8 und 10 sind
in diesem Beispiel jedoch untereinander angeordnet). Die mechanische
Energie der Turbine 11 wird über die Turbinenachse 12 an den
Wellstrang 15 übertragen,
vgl. 1–3.
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Die
Trägheit
der Vorrichtung, z. B. aufgrund der Strömung des Betriebsmediums, führt im Allgemeinen
dazu, dass die Bewegung der Druckplatten einer gewissen Verzögerung unterliegt.
Die Druckplattenabschnitte werden also mit dem Befahren durch das
Fahrzeug nicht sofort vollständig
nach unten geduckt, sondern erst bei entsprechender Dauer der ersten
bzw. zweiten Phase. Die Druckplattenabschnitte sind dann vollständig nach
unten gedrückt, wenn
sie an einen, z. B. mechanischen, Anschlag anstoßen.
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Die
Dauer der ersten und der zweiten Phase der Wippbewegung hängt von
der Fahrzeuggeschwindigkeit und von der Länge der Druckplatte entlang
der Fahrtrichtung ab. Mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit reduziert
sich daher die Amplitude der Wippbewegung. Mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit
kann sich die Amplitude der Wippbewegung erhöhen, jedoch nur solange bis
die Druckplattenabschnitte in der jeweiligen Phase vollständig nach
unten gedrückt
sind. Außerdem
werden die Druckplatten mit zunehmender Achslast eines Fahrzeugs
schneller nach unten gedrückt.
Bei gleicher Fahrzeuggeschwindigkeit, d. h. bei gleicher Dauer der
ersten und zweiten Phase, bewirkt ein schwereres Fahrzeug daher
eine größere Amplitude der
Wippbewegung als ein leichteres Fahrzeug, zumindest unter der Bedingung,
dass die Druckplatte noch nicht an ihrem Anschlag ist.
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Mit
steigender Amplitude der Wippbewegung erhöht sich die Menge des von dem
jeweiligen Druckplattenabschnitt verdrängten Betriebsmediums und damit
die umgewandelte Energiemenge. Durch Reduzierung der Fahrzeuggeschwindigkeit
lässt sich daher
die Amplitude der Wippbewegung der Druckplatten und damit die umgewandelte
Energiemenge – zumindest
in gewissen Grenzen – erhöhen.
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Abschließend bleibt
zu bemerken, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, aus den eben
genannten Gründen,
in Abhängigkeit
der jeweiligen Fahrzeuggeschwindigkeiten und Achslasten zu dimensionieren
ist, die in dem Verkehrswegabschnitt, in dem sie installiert wird,
zu erwarten sind.
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- 1
- Straßenkörper
- 2
- Wippende
Druckplatte
- 2a
- vorderer
Druckplattenabschnitt
- 2b
- hinterer
Druckplattenabschnitt
- 3
- Fahrzeugachse
- 4
- Druckplattenachse
- 5a
- 1.
Vorratskammer
- 5b
- 2.
Vorratskammer
- 8
- 1.
Kanal
- 9
- Rückschlagventil 1
- 10
- 2.
Kanal
- 11
- Turbine
- 12
- Turbinenachse
- 13
- Energieumwandler
- 14
- Rückschlagventil 2
- 15
- Wellenstrang
- 16
- Getriebe
- 17
- Fahrtrichtung
- 18
- Fließrichtung
des Betriebsmediums