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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Energie. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines Kühlturms und ein Verfahren zum Speichern von elektrischer Energie.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Vorrichtungen zur Bereitstellung von Energie sind in vielfältiger Weise allgemein bekannt. Um beispielsweise elektrische Energie zu erzeugen, werden Atomkraftwerke, Kohle- oder Gaskraftwerke eingesetzt. Daneben werden auch Windkraftanlagen oder Solar- oder Photovoltaikanlagen sowie Wasserkraftwerke verwendet, um die jeweilige Primärenergie durch Verbrennung, Kettenreaktion, Wasser- und Windkraft oder Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Die jeweiligen Bereitstellungskosten für dieselbe Menge elektrischer Energie schwanken je nach verwendeter Primärenergie jedoch erheblich. So ist beispielsweise Atomstrom relativ günstig in der Herstellung, mittels Windenergie erzeugter elektrischer Strom jedoch fast doppelt so teuer. Insgesamt soll jedoch der Anteil an regenerativ erzeugtem, also insbesondere mittels Windkraft, Solarenergie oder Wasserkraft erzeugtem Strom künftig erheblich vergrößert werden, um schädliche Kohlendioxidemissionen signifikant reduzieren zu können.
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Allgemein bekannte Windkraftanlagen umfassen beispielsweise einen Turm auf dem ein Rotor mit horizontaler Drehachse drehbar angeordnet ist. Mittels eines Getriebes wird die durch Wind verursachte Drehbewegung des Rotors auf einen Generator übertragen, sodass dieser elektrische Energie bereitstellen kann. Derartige Vorrichtungen zur Bereitstellung von Energie haben den Nachteil, dass durch hohe Belastung der Drehachse aufgrund der Gewichtskraft des Rotors eine hohe Belastung des Turmes einhergeht. Darüber hinaus wirken auf Grund der Gewichtskraft auch erhebliche Reibungskräfte zwischen Rotor, Getriebe, Turm und Generator, welche den Wirkungsgrad der Vorrichtung insgesamt verschlechtern und so insgesamt die Kosten für die Bereitstellung elektrischer Energie signifikant erhöhen.
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Dies ist ein Zustand, den es zu verbessern gilt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere energieeffiziente und flexible Möglichkeit der Erzeugung und Speicherung von Energie bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 14 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
- – Vorrichtung zum Erzeugen von Energie, mit zumindest einer drehbar gelagerten Welle, mit zumindest einem Generator zum Erzeugen elektrischer Energie, der mit der drehbar gelagerten Welle antreibbar ist, mit zumindest einem Hebelarm und zumindest einem Hebelarmantrieb, wobei der Hebelarm zwei sich gegenüberliegende Seiten aufweist und der Hebelarm mit seiner ersten Seite an der drehbar gelagerten Welle angeordnet ist, und wobei der Hebelarm mit seiner zweiten Seite mit dem Hebelarmantrieb zum Antrieb des Hebelarms zusammenwirkt.
- – Verwendung eines Kühlturms, insbesondere eines Kühlturms eines stillgelegten Atomkraftwerks, als kegelstumpfartige Umhüllung.
- – Verfahren zum Speichern von elektrischer Energie unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit den Schritten: Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie, indem die Hebelarme von dem Hebelarmantrieb in eine rotatorische Bewegung versetzt werden; Speichern der durch die rotatorische Bewegung der Hebelarme erzeugten mechanischen Energie; Bedarfsgemäßes Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie indem die mechanische Energie durch den Generator in elektrische Energie zurückgewandelt wird.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass durch den Antrieb des Hebelarms und die Ausnutzung der Hebelkraft eine sehr effiziente und kostengünstige Möglichkeit der Bereitstellung von Energie ermöglicht wird. Die Energieerzeugung erfolgt, indem unter Ausnutzung der Hebelkraft die Rotoren angetrieben werden. Der Kraftaufwand zum Antreiben der Hebelarme kann grundsätzlich auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise elektrisch durch Nutzung überschüssiger elektrischer Energie, magnetisch, beispielsweise durch ein umlaufendes Magnetfeld, oder mechanisch, beispielsweise durch Wasserkraft, Windkraft, Geothermie, etc.
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Vor allem, wenn die Hebelarme sehr groß ausgelegt sind, lässt sich bereits mit einem minimalen Aufwand, d. h. mit minimalen Kraft- und Energieeinsatz, eine Drehbewegung initiieren.
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Gleichzeitig wird auch der Wartungsaufwand reduziert, da bewegliche Teile der Vorrichtung weniger Reibung ausgesetzt sind und so der Verschleiß gesenkt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Zweckmäßigerweise ist der zumindest eine Hebelarm in Form eines Rotors ausgebildet. Dadurch wird auf einfache Weise ein Hebelarm zur Verfügung gestellt wird, welcher eine strömungsgünstige Form aufweist, sodass die Luftreibung minimiert wird. Vorteilhafterweise umfasst der Rotor mehrere Rotorblätter. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit die drehbar gelagerte Welle gleichmäßiger belastet werden kann. Vorzugsweise sind die einzelnen Rotorblätter in einem gleichen Winkel zueinander an der drehbar gelagerten Welle angeordnet, beispielsweise in einem Winkel von 180, 120, 90 oder 60 Winkelgrad, jedoch ist dies nicht zwingend erforderlich.
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Zweckmäßigerweise sind eine Mehrzahl von Rotoren und eine Mehrzahl von Generatoren zumindest teilweise abwechselnd entlang der gemeinsamen, drehbar gelagerten Welle angeordnet. Auf diese Weise wird ein noch einfacherer, modularer Aufbau ermöglicht. Verschiedene Module, die beispielsweise jeweils einen Rotor und einen Generator umfassen, können an der drehbar gelagerten Welle in nahezu freier Weise an diese angeordnet werden. Dies erhöht die Flexibilität der Vorrichtung insgesamt, da diese an verschiedene Bedürfnisse, Anwendungen oder Umgebungen angepasst werden kann. Insbesondere ist hier denkbar, dass je nach Bedarf und zur Verfügung stehender Antriebskraft lediglich ein Modul angetrieben wird und dabei Energie erzeugt oder eben auch eine größere Anzahl an Motoren betrieben wird, um elektrischer Energie zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise ist die drehbar gelagerte Welle im Wesentlichen parallel zur Schwerkraft orientiert. Dadurch werden Spannungen, Biegemomente, etc. in der drehbar gelagerten Welle vermieden, sodass Wartungsintervalle verlängert und damit Kosten für die Wartung reduziert werden können. Vor allem ergibt sich dadurch eine deutlich bessere und insbesondere verträglichere Lastverteilung, da die Hebelarme bzw. die Rotoren nun nicht mehr in Richtung der Schwerkraft auf der Welle aufliegen, wodurch der Reibungswiderstand verringert und der Gesamtwirkungsgrad erhöht wird.
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Zweckmäßigerweise umfasst der Hebelantrieb mechanische, elektrische und/oder magnetische Mittel. Dadurch können sehr einfache und kostengünstige Antriebe verwendet werden. Gleichzeitig ist eine flexible Anpassung des Antriebs an vorgegebene Bedingungen möglich.
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Vorteilhafterweise sind zumindest zwei der Mehrzahl der Generatoren miteinander gekoppelt. Auf diese Weise wird die Anzahl von Steuerleitungen, von elektrischen Leitungen zur Bereitstellung der Energie sowie der elektrischen Leitungen zur Ableitung der erzeugten Energie reduziert. Damit ist sowohl eine kostengünstigere Herstellung der Vorrichtung möglich, als auch ein flexibler Betrieb. Ferner können die verschiedenen Generatoren in einem gekoppelten Betrieb, also synchron zueinander, oder etwa auch voneinander entkoppelt betrieben werden. Denkbar wäre zum Beispiel, dass verschiedene Wellen vorgesehen sind, die jeweils voneinander entkoppelt sind und die jeweils mit zumindest einem Generator gekoppelt sind. Auf diese Weise können je nach Bedarf ein oder auch mehrere Generatoren bzw. diesen zugeordnete Hebelarme und Hebelarmantriebe eingesetzt werden. Ebenfalls denkbar wäre, wenn für jeden Hebelarm ein diesem zugeordneter Hebelarmantrieb vorgesehen ist. Es wäre aber auch vorteilhaft, wenn ein Hebelarmantrieb mehreren und insbesondere allen Hebelarmen zugeordnet ist, beispielsweise unter Verwendung von entsprechenden Kupplungen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Effizienz und Flexibilität vorteilhaft.
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Zweckmäßigerweise ist der Hebelarmantrieb in radialer Richtung um die Welle bewegbar angeordnet. Vorteilhafterweise umfasst der Hebelarmantrieb einen Elektromotor und/oder eine Einrichtung zur Erzeugung eines sich bewegendes Magnetfeldes. Dadurch wird ein zuverlässiges und kostengünstiges Mittel zum Antrieb des Hebelarms zur Verfügung gestellt. Insbesondere lässt sich hier aufgrund der sehr großen Dimensionen der Hebelarme bereits ein sehr klein dimensionierter Elektromotor verwenden, um die Hebelarme in eine rotatorische Bewegung zu versetzen. Gleiches gilt für den magnetischen Antrieb. Ein Elektromotor ist beispielsweise äußerst kostengünstig, wohingegen ein magnetischer Antrieb berührungslos erfolgen kann. Im Fall eines magnetischen Antriebs wird so der Verschleiß an beweglichen Teilen erheblich reduziert, was die Zuverlässigkeit der Vorrichtung insgesamt erhöht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeichereinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, von dem Hebelarmantrieb erzeugte mechanische (kinetische) Energie zu speichern. Auf diese Weise erhält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zusätzliche Funktionalität, nämlich die Funktion eines Energiespeichers. Dieser Energiespeicher speichert zum Beispiel temporär vorhandene Energie, wie etwa elektrische Energie oder mechanische Energie, um diese Energie anschließend bei Bedarf wieder abzugeben. Die elektrische Energie kann zum Beispiel aus Sonnenenergie oder Windkraft erzeugte Energie sein oder etwa auch überschüssige elektrische Energie, die gerade nicht benötigt wird. Die mechanische Energie kann zum Beispiel Wasserkraft, Windkraft, Dampfdruck, die zum Beispiel aus Geothermie erzeugt wird, sein. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird die Antriebsenergie zum Antreiben der Hebelarme bzw. Rotoren gewissermaßen gepuffert, um bei Bedarf wieder abgerufen zu werden. Daneben lassen sich mit der vorliegenden Erfindung auch kurzfristige Stromschwankungen in einem Energieversorgungsnetz ausgleichen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit ein sehr intelligentes und flexibles Energiemanagement, welches für zukünftige, bedarfsangepasste Energieversorgungsnetze einen wichtigen Baustein, nämlich den der Energiespeicherung, bereit stellt.
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In einer besonders Ausgestaltung weist die Energiespeichereinrichtung zumindest eine Schwungmasse oder ein Schwungrad aufweist, welches als Hebelarm bzw. als Rotorblatt ausgebildet ist. Unter einem Schwungrad versteht man ein Maschinenelement zur Speicherung mechanischer (kinetischer) Energie, wie etwa Rotationsenergie, indem seine Drehbewegung (Rotation) ausgenutzt wird. Voraussetzung für den effizienten Einsatz eines Schwungrades als Energiespeicher ist eine möglichst verlustfreie Lagerung des Schwungrades, was bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Lagerung im Wesentlichen parallel zur Schwerkraft gewährleistet ist. Die Energiespeicherkapazität hängt dann im Wesentlichen von der Masse des Schwungrades ab. Vorzugsweise sind der Hebelarm bzw. das Rotorblatt möglichst lang ausgebildet, um ein günstiges Hebelarmverhältnis zu bieten, beispielsweise zumindest 10 Meter und vorzugsweise größer als 20 Meter. Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn ein Hebelarm bzw. ein Rotorblatt ein möglichst großes Gewicht zur Aufnahme einer großen kinetischen Energie aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn ein Schwungrad derart ausgebildet ist, um eine Energiespeicherkapazität von zumindest 10 KWh, vorzugsweise von mindestens 20 KWh aufzuweisen. Vorzugsweise weist das Schwungrad eine Energiespeicherkapazität von mehr als 100 KWh auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine kegelstumpfartige Umhüllung vorgesehen, an der der Hebelarmantrieb bewegbar angeordnet ist. Auf diese Weise kann beispielsweise der Hebelarmantrieb einfach an der Innenwand der Umhüllung oder auch in der Wand oder etwa auch an der Außenwand der Umhüllung angeordnet werden. Daneben ist auch eine einfache Montage bei bereits bestehender entsprechend ausgebildeter Infrastruktur möglich. Auf diese Weise können erhebliche Kosten gespart werden.
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Vorteilhafterweise ist die kegelstumpfartige Umhüllung als Kühlturm ausgebildet. Damit kann auf sehr sinnvolle und elegante Weise eine bereits vorhandene Infrastruktur von stillgelegten Kraftwerken mit Kühltürmen genutzt werden, was insgesamt die Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Vorrichtung senkt. Darüber hinaus kann beispielsweise ein Kühlturm auf einfache Weise mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nachgerüstet werden, was die Vorrichtung flexibel einsetzbar macht.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in der einzigen Figur der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Umhüllung 7, die im Wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine drehbar gelagerte Welle 2, deren Achse sich in 1 in senkrechter Richtung, also in Richtung der Schwerkraft, erstreckt. Die Achse ist in an sich bekannter Weise um ihre Achse in Richtung R drehbar. An den Außenseiten der Welle 2 sind mehr oder weniger senkrecht zur Achse der Welle 2 auf zwei verschiedenen Höhen entlang der Welle 2 jeweils Rotorblätter 4a, 4b angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist jeweils links und rechts der Welle 2 ein Rotorblatt angeordnet, jedoch versteht es sich von selbst, dass auch eine größere Anzahl an Rotorblätter 4a, 4b vorgesehen sein kann. Die von der Achse der Welle 2 gegenüberliegenden Seite des jeweiligen Rotorblattes 4a, 4b ist über Verbindungselemente V mit jeweils einem Elektromotor 5a, 5b verbunden. Der Elektromotor 5a, 5b ist im gezeigten Beispiel auf der inneren Seite der Umhüllung 7 in radialer Richtung innerhalb der Umhüllung um die Achse der Welle 2 beweglich angeordnet, sodass dieser geeignet ist, die Welle 2 samt Rotorblättern 4a, 4b anzutreiben. Der Elektromotor 5a, 5b kann hierzu beispielsweise mit einem Zahngestänge, welches an der Umhüllung 7 angeordnet ist, in Eingriff stehen und mittels an der Innenseite der Umhüllung vorgesehener Schienen oder sonstigen Führungsmitteln in radialer Richtung geführt werden.
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An der Welle 2 sind ferner Generatoren 3a, 3b angeordnet, die mit der Welle 2 zur Erzeugung elektrischer Energie in Eingriff stehen, beispielsweise über eine kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung. Bei Drehung der Welle 2 in Richtung R wird ein jeweiliger Generator 3a, 3b angetrieben und stellt dadurch beispielsweise elektrische Energie bereit.
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Um die Welle 2 drehbar zu lagern, sind entlang der Achse der Welle 2 Lager 6 angeordnet.
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Obwohl die vorstehend beschriebene Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vollständig beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Es ist dabei möglich, dass der Rotor mehr als zwei Rotorblätter aufweist, beispielsweise drei oder vier Rotorblätter. Darüber hinaus ist es auch möglich, Rotorblätter und/oder Wellenabschnitte modulförmig herzustellen, sodass diese einfacher und schneller zusammengesetzt werden können, was die Zeit für die Herstellung der Vorrichtung reduziert. Es ist dadurch ebenso möglich, die Zeit für die Wartung der Vorrichtung zu reduzieren, da einzelne Wellenabschnitte oder Rotorblätter einfach ausgetauscht werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie
- 2
- Welle
- 3a, 3b
- Generator
- 4a, 4b
- Rotorblatt
- 5a, 5b
- Elektromotor
- 6
- Lager
- 7
- Umhüllung
- V
- Verbindungselement
- R
- Richtung
