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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Belastungswiderstandsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Brems-, Lade-, Vorlade- und Belastungswiderstände werden in der heutigen Industrietechnik, insbesondere in der Automobiltechnik, der Schiffstechnik und auf dem Feld der „erneuerbaren Energien” eingesetzt. Beispielsweise werden Belastungswiderstände bei Windkraftanlagen zur Spannungsreduzierung verwendet. Eine solche Spannungsreduzierung ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Generator der Windkraftanlage im Notfall eine zu hohe Spannung erzeugt. Gleichzeitig dienen die verwendeten Belastungswiderstände auch dazu, die aufgenommenen Energien über einen bestimmten Zeitraum zu speichern, damit der Generator in eine andere Position gefahren und der Geschwindigkeit der Flügel der Windkraftanlage angepasst werden kann. Oft ist eine Energiespeicherung über einen längeren Zeitraum erforderlich. Dies hat zur Folge, dass die Belastungswiderstände eine bestimmte Größe aufweisen müssen, um die aufzunehmenden Energien, beispielsweise bei einer dauerhaften Widerstandsbelastung bei Sturm, aufnehmen zu können. Auch dann, wenn beispielsweise bei einer Spannungsabschaltung keine Fremdenergie mehr zur Verfügung steht, müssen die Widerstände, die vom Generator zur Verfügung gestellte Energie aufnehmen, da der Generator weiterhin durch den Wind angetrieben wird.
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Um die erläuterte Energieaufnahme und Speicherung zu bewerkstelligen, werden üblicherweise Belastungswiderstände in den Zwischenkreis des Umrichters geschaltet. Dadurch wird eine erhebliche Sicherheit des Gesamtantriebes erreicht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine energieeffiziente Belastungswiderstandsanordnung zu schaffen, die es ermöglicht, anfallende Verlustenergie nutzbar zu machen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Belastungswiderstandsanordnung mit integrierter Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Belastungswiderstandsanordnung besteht darin, dass die bei der Belastung der Widerstände entstehenden Differenztemperaturen, die durch thermoelektrische Elemente ermittelt werden, ausgenutzt werden, um die bei der Belastung anfallende Verlustenergie nutzbar zu machen. Beispielsweise kann eine Spannung zum Antrieb einer Kühleinrichtung erzeugt werden. Dabei wird die Kühleinrichtung in Bezug auf einen Belastungswiderstand so angeordnet, dass zum einen die Differenzkühlung des Thermoelementes vorgenommen wird und zum anderen auch eine Kühlung des Belastungswiderstandes erreicht wird. Es ist aber auch denkbar, die bei der Belastung der Belastungswiderstandanordnung anfallende Verlustenergie in das Netz zurückzuspeisen, und dadurch wieder nutzbar zu machen. Auf diese Weise kann bei einer Belegung einer möglichst großen Fläche der Belastungswiderstandsanordnung ein großer Anteil der anfallenden Verlustenergie zurück gewonnen werden. Ein Vorteil besteht auch darin, dass die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Thermogeneratoren eine kleine Größe aufweisen und somit den Anforderungen der Mikroelektronik gerecht werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Im folgenden werden die Erfindungen mit deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Belastungswiderstandsanordnung,
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2 die Anordnung eines Thermogenerators an dem Belastungswiderstand der Anordnung der 1.
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3 bis 9 weitere Ausführungsformen von vorliegenden Belastungswiderstandsanordnungen,
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10 eine Schaltungsanordnung, bei der die von dem Thermogenerator erzeugte Energie in einem Akkumulator gespeichert und in den Umrichter der Schaltungsanordnung zurückgeführt wird,
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11 eine Schaltungsanordnung, bei der die von dem Thermogenerator erzeugte Energie einem Wechselrichter zugeführt und von diesem in das Netz zurückgespeist wird und
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12 eine Weiterbildung der Erfindung.
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Im folgenden wird das Wesen der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Auf dem Gebiete der Belastungswiderstände, wie sie beispielsweise bei Windkraftanlagen zur Spannungsreduzierung eingesetzt werden, kann, wenn der Generator im Notfall eine zu hohe Spannung erzeugt, ohne jegliche Spannungsversorgung eine Kühlung ermöglicht werden, wenn ein Thermoelement vorgesehen wird, das aufgrund der auf einwirkenden Differenztemperatur eine Spannung erzeugt, mit der eine Kühleinrichtung solange betrieben wird, bis eine Abkühlung des Belastungswiderstandes erreicht wird, bis die Differenztemperatur nicht mehr vorliegt, d. h. also bis der Belastungswiderstand abgekühlt ist. Da die Spannung am Thermoelement umso größer wird, je größer die Differenztemperatur ist, wird für die Kühleinrichtung, bei der es sich vorzugsweise um einen Ventilator- bzw. Lüfter handelt, mit einer größeren Energie betrieben, so dass der Ventilator proportional zur Spannung des Thermoelementes schneller laufen und daher eine größere Kühlwirkung entfalten kann.
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Gemäß 1 umfasst eine Schaltungsanordnung 1 beispielsweise einen ersten, energieaufnehmenden Wechselrichter 2 und einen dazu in Reihe geschalteten zweiten, Energie an das Netz abgebenden Wechselrichter 3. Der erste Wechselrichter 2 ist mit einem Antrieb 4 verbunden, bei dem es sich in diesem Fall um einen Generator handelt. Der erste Wechselrichter 2 wechselt die beispielsweise vom Generator eines Windrades erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung um, während der zweite Wechselrichter 3 diese an ihn angelegte Gleichspannung in eine Wechselspannung zur Speisung des Netzes umwandelt. Parallel zu den Aus- bzw. Eingängen des ersten Wechselrichters 2 bzw. des zweiten Wechselrichters 3 ist ein Zerhacker bzw. Chopper 5 geschaltet, der aus der genannten Gleichspannung eine rechteckförmige Wechselspannung erzeugt, die an den Belastungswiderstand 6 angelegt wird, der Teil des erfindungsgemäßen Thermogenerators 7 ist. Der Thermogenerator 7 umfasst neben dem Belastungswiderstand 6 eine Thermoelementanordnung 8, die physikalisch an einer Fläche des Belastungswiderstandes 6 angeordnet ist.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Energiefluss bei der in der 1 dargestellten Schaltung auch in die andere Richtung, d. h. also vom Netz zum Antrieb 4 fließen kann, wobei es sich dann bei dem Antrieb 4 um einen Motor handelt.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Thermoelementanordnung 8 an ihren Ausgängen 9, 10 eine Spannung erzeugt, die auf die Differenz zwischen den Temperaturen zurückzuführen ist, die einerseits an der dem Belastungswiderstand 6 zugewandten Seite der Thermoelementanordnung 8 und andererseits an der dem Belastungswiderstand 6 abgewandten Seite der Thermoelementanordnung 8 herrschen. Diese Temperaturdifferenz wird im folgenden als Deltatemperatur bezeichnet. Der Thermoelementanordnung 8 ist eine Kühleinrichtung 13 nachgeschaltet, die durch die von der Thermoelementanordnung 8 bereitgestellte Spannung U betrieben wird.
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Thermoelementanordnungen der angesprochenen Art werden beispielsweise von der Firma SCTB Nord unter der Bezeichnung TM vertrieben.
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Die 2 zeigt in perspektivischer Darstellung den Aufbau eines vorliegenden Thermogenerators 7. Einzelheiten der 2, die bereits im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet. Gemäß 2 ist die Thermoelementanordnung 8 an einer Seitenfläche 2b des Belastungswiderstandes 6 angeordnet, wobei die sogenannte heiße Seite der Thermoelementanordnung 8 mit 11 und die sogenannte kalte Seite der Thermoelementanordnung 8 mit 12 bezeichnet sind. Der Eingang und der Ausgang des Belastungswiderstandes 6 sind nicht dargestellt.
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Die 3 zeigt die Anordnung der 2, wobei jedoch eine Kühleinrichtung 13 in der Form eines Lüfters oberhalb des Belastungswiderstandes 6 angeordnet ist. Wenigstens ein Kaltluftanteil 14-1 der von der Kühleinrichtung 13 erzeugten Kaltluft wird von oben her auf die Oberfläche des Bremswiderstandes 6 geleitet, um diesen zu kühlen. Ein weiterer Kaltluftanteil 14-2 dieser Kaltluft kann in der in der 3 gezeigten Weise verwendet werden, um die kalte Seite der Thermoelementanordnung 8 weiter zu kühlen, so dass die Deltatemperatur erhöht und die von der Thermoelementanordnung 8 erzeugte Spannung vergrößert werden.
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Gemäß 4 ist es denkbar, den von der Kühleinrichtung 13 erzeugten Kaltluftanteil 14-2 dadurch besonders effektiv zur Thermoelementanordnung 8 zu leiten, dass zwischen der Kühleinrichtung 13 und der Thermoelementanordnung 8 ein Luftführungskanal 15 vorgesehen wird. Dieser Luftführungskanal 15 wird vorzugsweise durch zwei von der Kühleinrichtung 13 zur Thermoelementanordnung 8 verlaufende Führungsbleche 25, 27 begrenzt.
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Die 5 zeigt einen der 3 entsprechenden Thermogenerator 7, wobei jedoch die Kühleinrichtung 9 seitlich vor dem Bremswiderstand 6 angeordnet ist.
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Die 6 zeigt einen der 4 entsprechenden Thermogenerator 7, wobei hier ebenfalls ein Luftführungskanal 15 vorgesehen ist, der den Kaltluftanteil 14-2 der von der Kühleinrichtung 13 erzeugten Kaltluft zur Thermoelementanordnung 8 leitet, um deren kalte Seite zu kühlen.
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Die 7 zeigt eine Drosselanordnung 16, wobei an jeder Drosselspule 17, 18, 19, die an einem gemeinsamen Drosselkern 20 angeordnet sind, eine Thermoelementanordnung 8 vorgesehen ist. Jede Drosselspule 17, 18, 19 entspricht einem Belastungswiderstand. Bei einer entsprechenden Erwärmung erzeugt jede Thermoelementanordnung 8 eine Spannung U, die vorzugsweise zum Betrieb einer Kühleinrichtung verwendet werden kann. An der dem Belastungswiderstand 6 abgewandten Seite der Thermoelementanordnung 8 kann ein zur Erhöhung der Temperaturdifferenz ein Kühlkörper angeordnet sein.
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Die 8 zeigt eine der 7 entsprechende Drosselanordnung, wobei jedoch die Thermoelementanordnung 8 am Drosselkern 20 angeordnet ist, der einem Belastungswiderstand entspricht.
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Gemäß 9 ist es denkbar den vorliegenden Thermogenerator 7, der beispielsweise die Form der 7 aufweisen kann, in einem Schaltschrank bzw. einem Gehäuse 21 anzuordnen und die Kühleinrichtung 13 zur Kühlung des Gesamtsystems bzw. des gesamten Innenraumes des Gehäuses 21 zu verwenden. Zu diesem Zweck wird, wie gezeigt, die Kühleinrichtung 13, die die Form eines Ventilators aufweist, in einen Wandbereich einer Wand 22 des Gehäuses 21 angeordnet. Der Ventilator fördert die von der Außenseite des Gehäuses 21 angesaugte Kaltluft in den Innenraum desselben. Beispielsweise können auf diese Weise in dem Gehäuse 21 angeordnete, Wärme erzeugende elektrische Bauteile, z. B: LEDs gekühlt werden, um deren Lebensdauer wesentlich zu verlängern. Durch die von dem oder den Thermogeneratoren aufgrund der Deltatemperaturen erzeugte Spannungen wird ein Ventilator betrieben, wodurch die Temperatur reduziert wird.
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Gemäß 12 ist es auch denkbar die von einer LED 29 selbst erzeugte Wärme dadurch in eine nutzbare Energie umzuwandeln, dass an dem Kühlkörper 30, an dem die LED 29 angeordnet ist, ein Thermogenerator 7 vorgesehen wird. Dabei wird durch die beim Betrieb der LED 29 entstehende Wärme auf den Kühlkörper übertragen, wobei am Thermogenerator 7 eine Deltatemperatur entsteht und in Nutzenergie umgewandelt wird.
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Die 10 zeigt eine der 1 entsprechende Anordnung, wobei jedoch die von dem Thermogenerator 7 erzeugte Energie in einem Kondensator bzw. Akkumulator 28 gespeichert und zur Energieersparnis direkt in den Gleichstromkreis oder über einen Umrichter 23 zum Wechselrichter 3 zurückgeführt wird.
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Die 11 zeigt eine der 1 entsprechende Anordnung, wobei jedoch die Energie des Thermogenerators 7 über einen dritten Wechselrichter 24 zur Ausgangsseite des zweiten Wechselrichters 3 geführt und somit in das Netz eingespeist wird.
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Die 12 zeit eine Weiterbildung der Erfindung, bei der der Belastungswiderstand durch der Belastungswiderstand durch den Grundkörper 30 einer LED 29 gebildet ist, der beim Betrieb der LED 29 durch entstehende Verlustwärme erwärmt wird. Dabei wird die eine Seite der Thermoelementanordnung 8 so angeordnet, dass sie dem Grundkörper 30 zugewandt ist. Die andere Seite der Thermoelementanordnung 8 wird so angeordnet, dass sie dem Grundkörper 30 abgewandt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Wechselrichter
- 3
- Wechselrichter
- 4
- Antrieb
- 5
- Chopper
- 6
- Belastungswiderstand
- 7
- Thermogenerator
- 8
- Thermoelementanordnung
- 9
- Ausgang
- 10
- Ausgang
- 11
- heiße Seite
- 12
- kalte Seite
- 13
- Kühleinrichtung
- 14
- Kaltluftanteil
- 14
- Kaltluftanteil
- 15
- Luftführungskanal
- 16
- Drosselanordnung
- 17
- Drossel
- 18
- Drossel
- 19
- Drossel
- 20
- Drosselkern
- 21
- Gehäuse
- 22
- Wand
- 23
- Umrichter
- 24
- Wechselrichter
- 25
- Führungsblech
- 26
- Seitenfläche
- 27
- Führungsblech
- 28
- Akkumulator
- 29
- LED
- 30
- Grundkörper
