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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher zum Speichern und Rückgewinnen von mechanischer Energie.
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Bei Energiespeichern zum Speichern und Rückgewinnen von mechanischer Energie ist es wichtig, die Verluste gering zu halten, die etwa durch Reibung oder Massenträgheit entstehen. Ebenso ist die Kapazität der speicherbaren Energie sehr wichtig für den praktischen Einsatz.
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Deswegen ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Energiespeicher zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad erreicht und die Speicherung einer möglichst großen Energiemenge ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsbeispiele bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Energiespeicher zum Speichern und Rückgewinnen von mechanischer Energie enthält mindestens ein Gehäuse, das ein erstes Gehäuseteil und ein relativ dazu drehbar gelagertes zweites Gehäuseteil aufweist. Jedes der Gehäuseteile weist einen Anschluss für einen Antrieb und/oder für einen Abtrieb und/oder für ein Widerlager auf.
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Durch eine von dem Antrieb verursachte Drehung des einen der Gehäuseteile in Umfangsrichtung des Gehäuses relativ zu dem anderen der Gehäuseteile ist ein auf die Gehäuseteile wirkendes federelastisches Element in radialer Richtung oder in Umfangsrichtung des Gehäuses zur Energiespeicherung spannbar.
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Eines der Gehäuseteile kann mindestens eine Kurvenbahn mit einer vorzugsweise gleichbleibenden Krümmungsrichtung aufweisen, die derart angeordnet ist, dass die Hochachse der Kurvenbahn parallel zur Drehachse des Gehäuses und davon beabstandet ist.
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Vorteilhafterweise kann jedem federelastischen Element 6 eine Kurvenbahn 8 zugeordnet sein.
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Erfindungsgemäß können die Gehäuseteile derart angeordnet sein, dass das federelastische Element dauernd mit der Kurvenbahn in Kontakt stehen kann.
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Der Radius der Kurvenbahn kann konstant sein oder in Richtung der Spannbewegung des federelastischen Elements abnehmen.
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Eines der Gehäuseteile kann einen Mitnehmer aufweisen, der an einem Anschlag anliegt, der an dem anderen der Gehäuseteile vorgesehen ist, sobald das federelastische Element maximal gespannt ist.
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Vorteilhafterweise kann eines der Gehäuseteile beim Speichervorgang gegen eine Drehung in Umfangsrichtung blockiert sein und eines der Gehäuseteile beim Rückgewinnungsvorgang gegen eine Drehung in Umfangsrichtung blockiert sein.
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Bei dem Energiespeicher der vorliegenden Erfindung können zur Erhöhung der speicherbaren Energie in dem Gehäuse mehrere federelastische Elemente vorgesehen sein und/oder mehrere Gehäuse in Reihe und/oder parallel zueinander angeordnet miteinander koppelbar sein.
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Vorteilhafterweise können bei in Reihe angeordnet gekoppelten mehreren Gehäusen die sich gegenüberliegenden Gehäuseteile der benachbarten Gehäuse jeweils drehfest miteinander verbunden sein.
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Weiter vorteilhaft können die drehfest miteinander verbundenen Gehäuseteile einstückig ausgebildet sein.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele bzw. Weiterbildungen anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen. In diesen zeigt:
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1 einen Schnitt durch einen Energiespeicher in der Vorderansicht mit minimal gespannten Druckfedern;
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2 die gleiche Schnittansicht des Energiespeichers wie in 1 mit maximal gespannten Druckfedern;
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3 eine geschnitten dargestellte Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Energiespeichers wie in 2;
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4 eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht mehrerer miteinander verbundener erfindungsgemäßer Energiespeicher;
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5 einen Schnitt durch einen Energiespeicher in der Vorderansicht mit kombinierten Blattfedern in minimal gespanntem Zustand; und
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6 einen Schnitt durch einen Energiespeicher in der Vorderansicht mit mehreren Schraubenfedern 90° versetzt zu einander angeordnet mit kombinierten Blattfedern/Blattfederpaketen in minimal gespanntem Zustand.
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7 einen Schnitt durch einen Energiespeicher in der Vorderansicht mit zehn Kammern um 3,6° versetzt zu einander angeordnet; die federelastischen Elemente in den Kammern sind hier nicht dargestellt.
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8 eine vergrößerte Ansicht einer Kammer des erfindungsgemäßen Energiespeichers aus 7 mit im Detail dargestelltem federelastischen Element in ungespanntem Zustand, wobei das federelastische Element hier aus einem Paket von mehreren Federstäben besteht.
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9 eine geschnittene Seitenansicht A der in 8 gezeigten geschnittenen Vorderansicht mit im Detail dargestelltem federelastischen Element in ungespanntem Zustand, wobei hier die mehreren Lagen des Federstabpakets zu sehen sind.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert werden.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Energiespeicher in der Vorderansicht. Durch die Schnittdarstellung des Gehäuses 1 sind die beiden Druckfedern zu sehen, die in diesem Ausführungsbeispiel als federelastisches Element 6 verwendet werden. Dargestellt ist eine Ausgangssituation mit minimal gespannten Druckfedern 6, die mit ihren äußeren Enden an dem maximalen Radius der Kurvenbahnen 8 des ersten Gehäuseteils 2 anliegen.
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Die Druckfedern 6 sind durch ein Führungselement 7 miteinander verbunden und in ihrer Lage zueinander festgelegt. Das Führungselement 7 ist – wie in 3 gezeigt – mit dem zweiten Gehäuseteil 3 drehfest verbunden, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das einstückige Ausbilden des Führungselements 7 und des zweiten Gehäuseteils 3 erreicht wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Druckfedern dem zweiten Gehäuseteil 3 zugeordnet und die Kurvenbahnen 8 an dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet, was je nach Anwendungsfall auch umgekehrt der Fall sein kann.
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Da erfindungsgemäß jedem federelastischen Element 6 eine Kurvenbahn 8 zugeordnet sein kann, sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Kurvenbahnen 8 für die beiden Druckfedern 6 vorgesehen. Die Kurvenbahnen 8 weisen über den Spannweg eine gleichbleibende Krümmungsrichtung auf und sind derart angeordnet, dass die Hochachse der Kurvenbahn parallel zur Drehachse Z (siehe 3) des Gehäuses und davon beabstandet ist.
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Der Radius der Kurvenbahnen 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel konstant, das Spannen der Druckfedern 6 erfolgt damit linear mit der Drehbewegung eines der Gehäuseteile 2; 3 wie weiter unten beschrieben.
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Falls eine progressive Spannung der Druckfedern 6 erzielt werden soll, kann der Radius der Kurvenbahnen 8 in Richtung der Spannbewegung abnehmen.
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Bei einem Speichervorgang wird beispielsweise das erste Gehäuseteil 2 gegenüber dem zweiten Gehäuseteil 3 in Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn um die Drehachse Z (siehe 3) verdreht, wobei das zweite Gehäuseteil 3 gegen eine Drehung in Umfangsrichtung blockiert ist. Dadurch bewegt sich die Kurvenbahn 8 unter den vom zweiten Gehäuseteil 3 an einer Drehung gehinderten Druckfedern 6) weg. Da die Druckfedern 6 und die Gehäuseteile 2; 3 vorteilhafterweise so ausgebildet sind, dass die Druckfedern 6 dauernd mit der Kurvenbahn 8 in Kontakt stehen, werden die Druckfedern 6 durch die oben beschriebene Lage der Kurvenbahnen 8 in dem ersten Gehäuseteil 2 mit zunehmender Drehung immer weiter zusammengedrückt. Auf diese Weise kann kinetische Energie in Form von potentieller Energie der gespannten Druckfedern 6 gespeichert werden. Zur Verminderung der Reibung zwischen Druckfeder 6 und dem ersten Gehäuseteil 2 können die Druckfedern 6 mit Gleitstücken 13 ausgerüstet sein, die beispielsweise als Rollenlagerungen oder Gleitlagerungen ausgebildet sein können.
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Ein Speichervorgang kann auch ausgeführt werden, indem das zweite Gehäuseteil 3 gegenüber dem ersten Gehäuseteil 2 in Umfangsrichtung im Gegenuhrzeigersinn um die Drehachse Z (siehe 3) verdreht wird, wobei das erste Gehäuseteil 2 gegen eine Drehung in Umfangsrichtung blockiert ist.
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Die 2 zeigt den erfindungsgemäßen Energiespeicher aus 1 mit maximal gespannten Druckfedern 6.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Gehäuseteil 2 einen wegen der Schnittdarstellung hier nicht gezeigten Mitnehmer 11 auf, der an einem an dem zweiten Gehäuseteil 3 vorgesehenen Anschlag 12 anliegt, sobald die Druckfedern 6 maximal gespannt sind. Die Schnittlinie verläuft an der in 3 dargestellten Linie A-A, die Schnittansicht entsteht durch Blick auf die Schnittfläche in der in 3 angegebenen Pfeilrichtung.
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Vorteilhafterweise kann der Anschlag 12 verstellbar ausgeführt sein, um so nachregulierbar zu sein und damit einem verspätetem Anliegen des Mitnehmers 11 durch Verschleiß entgegenzuwirken zu können. Weiter vorteilhaft kann zusätzlich dazu am Ende der Kurvenbahn 8 ein zweiter Anschlag angeordnet sein, der verhindert, dass das federelastische Element 6 über den Spannweg der Kurvenbahn hinaus bewegt wird. Diese Maßnahmen sind dazu geeignet, ein ungewolltes plötzliches und unter Umständen zerstörerisches Entspannen des federelastischen Elements 6 zu verhindern.
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Bei einem Rückgewinnungsvorgang kann das zweite Gehäuseteil 3 gegen eine Drehung in Umfangsrichtung blockiert bleiben und das erste Gehäuseteil 2 durch die sich entspannenden Druckfedern 6 im Gegenuhrzeigersinn angetrieben werden. Es ist auch möglich, das erste Gehäuseteil 2 gegen eine Drehung in Umfangsrichtung zu blockieren und die Blockierung des zweiten Gehäuseteils 3 aufzuheben, so dass das zweite Gehäuseteil 3 durch die sich entspannenden Druckfedern 6 im Uhrzeigersinn angetrieben wird.
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Jedes der Gehäuseteile 2; 3 weist einen Anschluss für einen Antrieb 4 und/oder für einen Abtrieb 5 und/oder für ein Widerlager auf, je nachdem, welches der Gehäuseteile 2; 3 beim Speichervorgang oder beim Rückgewinnungsvorgang gegen eine Drehung in Umfangsrichtung blockiert ist. Zum Blockieren eines der Gehäuseteile 2; 3 kann der Antrieb 4 oder der Abtrieb 5 oder das Widerlager genutzt werden, je nach Anwendungsfall.
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Die 3 zeigt eine geschnitten dargestellte Seitenansicht des erfindungsgemäßen Energiespeichers aus 1 mit maximal gespannten Druckfedern 6. Die Schnittansicht entsteht durch Blick von der linken Seite auf die Schnittfläche, die entlang des Schnittverlaufs B-B entsteht.
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Hier ist das Verbindungselement 14 dargestellt, das gleichzeitig auch als Lagerung des Energiespeichers dient und in der Drehachse Z angeordnet ist. Das Verbindungselement 14 verbindet das erste Gehäuseteil 2 mit dem zweiten Gehäuseteil 3 und bildet somit ein Gehäuse 1, in dem die innenliegenden Bauteile wie die Kurvenbahnen 8 und die Druckfedern 6 vor Witterungseinflüssen geschützt sind. Je nach Anwendungsfall können eine Gleitlagerung oder eine Rollenlagerung des Gehäuses 1 wie auch gegebenenfalls Dichtungen zwischen den Gehäuseteilen 2; 3 vorgesehen sein.
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Die 4 zeigt einen Energiespeicher der vorliegenden Erfindung, bei dem zur Erhöhung der speicherbaren Energie mehrere Gehäuse 1a–1d in Reihe angeordnet miteinander gekoppelt sind. Eine zusätzliche oder alternative parallele Koppelung von mehreren Gehäusen 1, etwa durch ein Planetengetriebe, ist auch möglich.
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Bei den in Reihe angeordneten gekoppelten mehreren Gehäusen 1a–1d sind die sich gegenüberliegenden Gehäuseteile 2; 3 der benachbarten Gehäuse 1 jeweils drehfest miteinander verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die drehfest miteinander verbundenen Gehäuseteile 2; 3 einstückig ausgebildet: Von Antrieb 4 in Richtung Abtrieb 5 gesehen wird das erste Gehäuse 1a gebildet von einem ersten Gehäuseteil 2a mit einem Anschluss für einen Antrieb 4 und einem zweiten Gehäuseteil 3a, das mit einem darauffolgenden weiteren ersten Gehäuseteil 2b einstückig ausgebildet ist. Daran schließt zur Bildung des zweiten Gehäuses 1b wieder ein zweites Gehäuseteil 3b an, das wiederum mit einem darauffolgenden weiteren ersten Gehäuseteil 2c einstückig ausgebildet ist. Dies setzt sich fort bis zu dem äußersten rechten ersten Gehäuseteil 2d, das mit einem letzten zweiten Gehäuseteil 3d, an dem ein Anschluss für einen Abtrieb 5 vorgesehen ist, das letzte Gehäuse 1d bildet.
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Durch die Koppelung mehrerer Gehäuse 1 wird ein modular aufgebautes Energiespeichersystem gemäß der vorliegenden Erfindung geschaffen, das flexibel in bestehende Energiegewinnungssysteme zur Speicherung der dort erzeugten Energie einbaubar ist.
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Die 5 und 6 zeigen erfindungsgemäße Energiespeicher, bei denen zur Erhöhung der speicherbaren Energie mehrere federelastische Elemente 6 im Gehäuse 1 vorgesehen sind.
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Wie hier gezeigt, können auch verschiedene federelastische Elemente 6 kombiniert werden, wie Druckfedern 6 und Blattfedern 6a bzw. Blattfederpakete. Denkbar ist auch die Verwendung anderer federelastischer Elemente 6 wie beispielsweise Dauer- oder Elektromagnete, die sich ob ihrer gleichnamigen Anordnung der Pole ähnlich wie Druckfedern 6 verhalten, oder die Verwendung von pneumatischen und/oder hydraulischen Elementen mit einem inkompressiblen Fluid.
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Auch die Anordnung und die Anzahl der federelastischen Elemente 6 kann variieren; vorstellbar ist, nur ein federelastisches Element 6 mit nur einer zugeordneten Kurvenbahn 8 zu verwenden. Ebenso vorstellbar ist es, eine vorzugsweise punktsymmetrische Anordnung von einer Vielzahl von federelastischen Elementen 6 mit ebenso vielen zugeordneten Kurvenbahnen 8 zu verwenden, beispielsweise drei (um 120° versetzt angeordnet) oder – wie gezeigt – vier um 90° versetzt angeordnet.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sehen ein Spannen des federelastischen Elements 6 in radialer Richtung des Gehäuses 1 vor. Im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das federelastischen Element 6 in Umfangsrichtung gespannt. Die zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen genannten übrigen Merkmale, die zum Speichervorgang und zum Rückgewinnungsvorgang gehören wie beispielsweise das Blockieren der jeweiligen Gehäuseteile 2, 3, treffen auch auf das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel zu bzw. sind in diesem daran angepasst verwirklicht.
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Die 7 bis 9 zeigen einen weiteren Energiespeicher gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem zur Erhöhung der speicherbaren Energie mehrere federelastische Elemente 6 im Gehäuse 1 vorgesehen sind.
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Ein federelastisches Element 6 besteht hier aus einem Paket von mehreren Federstäben 6b, die einen runden oder rechteckigen Querschnitt haben können. Konkret sind hier in einer Kammer 9 zehn Federstäbe 6b nebeneinander in zehn Lagen angeordnet. In dem zweiten Gehäuseteil 3 sind zehn Kammern 9 ausgebildet, so dass hier insgesamt 1.000 einzelne Federstäbe 6b zur Energiespeicherung vorgesehen sind.
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Wie in 8 gezeigt, weisen die Federstäbe 6b an dem zum Führungselement 7 hin zeigenden Ende einen abgewinkelten Abschnitt 6c auf. In 7 und 9 ist zu sehen, dass das Führungselement 7 zentral am zweiten Gehäuseteil 3 angeordnet ist und hier einstückig mit dem zweiten Gehäuseteil 3 ausgebildet ist. Die Ansicht A von 9 entsteht durch Blick auf 8 in der dort angegebenen Pfeilrichtung.
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Eine Lage der Federstäbe 6b ist gebildet aus sich aneinanderschmiegenden Federstäben 6b, die jeweils an dem abgewinkelten Abschnitt 6c in der Kammer 9 fest eingespannt sind. Dies kann durch Formschluss der Federstäbe 6b mit der Kammer 9 an dem entsprechenden Abschnitt und/oder mittels kraftschlüssigen Verbindungselementen wie beispielsweise Schrauben oder Nieten bewirkt sein. Alternativ oder unterstützend dazu kann auch eine stoffschlüssige Verbindung wie beispielsweise Kleben oder Löten angewendet werden.
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Zur Verminderung der Reibung zwischen den einzelnen Federstäben 6b kann vorteilhafterweise zwischen zwei benachbarten Federstäben 6b ein Zwischenraum 6d vorgesehen sein. Dieser Zwischenraum 6d wird hier durch die Form der Federstäbe 6b erreicht, er kann aber auch durch andere geeignete Maßnahmen wie beispielsweise das Vorsehen von Abstandshaltern zwischen den einzelnen Federstäben 6b erreicht werden.
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Die federelastischen Elemente 6 stehen mit ihrem anderen Ende dauernd mit der jeweils zugeordneten Kurvenbahn 8 in Kontakt. Vorteilhafterweise sind die Federstäbe 6b dazu mit (nicht dargestellten) Gleitstücken 13 als reibungsvermindernden Elementen ausgestattet, die beispielsweise als Rollenlagerungen oder Gleitlagerungen ausgebildet sein können.
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Durch eine vom (nicht dargestellten) Antrieb verursachte Drehung des ersten Gehäuseteils 2 relativ zu dem zweiten Gehäuseteil 3 im Uhrzeigersinn in 7 sind die federelastischen Elemente 6 in Umfangsrichtung des Gehäuses zur Energiespeicherung spannbar. Bei dieser Drehung des ersten Gehäuseteils 2 drücken die daran angeordneten Kurvenbahnen 8 die federelastischen Elemente 6 in Umfangsrichtung des Gehäuses 1 weg und spannen diese.
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Praktische Anwendung finden könnte ein erfindungsgemäßer Energiespeicher zum Speichern und Rückgewinnen von mechanischer Energie beispielsweise in den sonst leeren Türmen von Windkraftanlagen.
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In Zeiten der Energieproduktion, in denen aber im Stromnetz kein Bedarf besteht, könnte die dann durch Wind erzeugte Drehung der Flügel in Energiespeichern gemäß der vorliegenden Erfindung gespeichert werden für Zeiten, in denen wieder Bedarf im Stromnetz besteht und/oder kein Wind weht.
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Berechnungen haben gezeigt, dass bei Verwendung von handelsüblichen Druckfedern und der Zugrundelegung üblicher Abmessungen eines Turmes für ein Windrad einer Windkraftanlage die speicherbare Energie in der Größenordnung von 13 MW liegt. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die speicherbare Energie bis zu 500 MW betragen.
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Im Vergleich zu elektrochemischen Energiespeichern mit einer derzeit überwiegend vorhandenen maximalen Lebensdauer von ca. 1.000 Ladezyklen ist bei mechanischen Energiespeichern wie dem hier vorgeschlagenen die Anzahl der Speicher- und Rückgewinnungsvorgänge und damit die Lebensdauer sehr viel höher – besonders, wenn die Verformung des federelastischen Elements ausschließlich im elastischen Bereich stattfindet, was bei bestimmungsgemäßem Gebrauch vorausgesetzt werden kann.
