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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stromerzeugung mit einem über eine Welle antreibbaren elektrischen Generator.
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Durch Windenergie angetriebene Stromgeneratoren sind bekannt. Mit dem Betrieb solcher Windkraftanlagen allein läßt sich jedoch keine kontinuierliche Stromversorgung sicherstellen. Zusätzlich zu bestehenden Windkraftanlagen oder alternativ dazu werden andere Einrichtungen zur Stromerzeugung benötigt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche andere Einrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Stromerzeugung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt einen über eine Welle antreibbaren elektrischen Generator, wobei die Welle durch einen Antrieb in Drehung versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb mit der Welle über wenigstens einen Hebel verbindbar ist.
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Anders ausgedrückt dient ein durch ein Kraftfahrzeug angetriebenes Göpelwerk zum Antreiben eines Stromgenerators. Die Erfindung beruht somit auf der Anwendung des Arbeitsprinzips eines Göpels, wonach eine Welle mit Hilfe eines oder mehrerer langer Hebel in Drehung versetzt wird.
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Der wenigstens eine Hebel dient dabei nicht als ein beliebig austauschbares Verbindungs- oder Koppelmittel zwischen Antrieb und Welle. Vielmehr definiert er das Grundprinzip der Erfindung. Der erfindungsgemäße Vorteil kommt daher auch nur dann voll zum Tragen, wenn die Welle an dem einen Ende des Hebels und der Antrieb an dem anderen Ende des Hebels befestigt ist, so daß die gesamte Hebellänge ausgenutzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird unter geschickter Ausnutzung der konstruktiven und funktionalen Eigenschaften und Vorteile eines Göpels eine konstruktiv einfache Maschine zur Kraftwandlung eingesetzt, die im Vergleich mit anderen Einrichtungen, beispielsweise Windkraftanlagen, preiswert herstellbar ist. Kommt dabei aus dem Windkraftanlagenbau bekannte Technologie zum Einsatz, werden insbesondere Generatoren neuester Bauart verwendet, wie sie in modernen Windkraftanlagen verwendet werden, so kann mit einem sehr geringen Aufwand an Energie zum Antrieb der verwendeten Kraftfahrzeuge ein Höchstmaß an elektrischem Strom erzeugt werden.
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Als Antrieb zum Antreiben des wenigstens einen Hebels und damit der Welle sind verschiedene Varianten möglich. Als besonders geeignet hat sich eine Ausführungsform der Erfindung erwiesen, bei der an einem Ende des wenigstens einen Hebels ein Kraftfahrzeug oder ein durch ein Kraftfahrzeug bewegbares Übertragungselement befestigbar ist und wobei die Welle in Drehung versetzbar ist durch das Fahren des Kraftfahrzeugs in Drehrichtung. Das Übertragungselement kann auch selbst als Hebel dienen und direkt mit der Welle verbunden sein.
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Andere Varianten sehen vor, daß der wenigstens eine Hebel mit einem Übertragungselement in Gestalt eines Zahnrades verbunden sind, welches mit Hilfe eines feststehenden elektromotorischen oder Verbrennungsmotors mit oder ohne Getriebestufe in Drehung versetzt wird. Ebenfalls möglich ist die Übertragung der Drehbewegung eines solchen Motors auf ein mit dem wenigstens einen Hebel verbundenes Übertragungselement in Gestalt eines Gummirades unter Ausnutzung von Preß- bzw. Reibkräften.
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Darüber hinaus läßt sich die vorliegende Erfindung sowohl mit einer waagerecht, als auch mit einer senkrecht angeordneten Welle verwirklichen. Unabhängig von der Bauform des Göpelwerkes mit einer waagerechten oder senkrechten Welle kann der Generator mit oder ohne Anwendung eines Getriebes angetrieben werden. Erfolgt die Kraftübertragung nicht direkt von dem Göpel auf die Maschine, sondern wird statt dessen ein Übersetzungsgetriebe eingesetzt, dann dient die mit den Hebeln verbundene Welle als Antriebswelle, welche den elektrischen Generator über eine Abtriebswelle antreibt, wobei Antriebswelle und Abtriebswelle über das Getriebe miteinander verbunden sind. Die vergleichsweise niedrige Drehzahl der langsamlaufenden Antriebswelle wird in diesem Fall durch das Getriebe in eine höhere Drehzahl der schnellaufenden Abtriebswelle umgesetzt, wobei das Übersetzungsverhältnis beispielsweise 1:30 oder 1:50 betragen kann. Der in solchen Fällen verwendete Generator kann vergleichsweise klein, leicht und preiswert sein.
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Alternativ dazu kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch als getriebelose Anlage vorgesehen sein. In diesem Fall handelt es sich bei dem Generator vorzugsweise um einen Ringgenerator. Als Ringgenerator dient ein getriebeloser, langsamdrehender Generator, welcher mit den vergleichsweise niedrigen Drehzahlen des Göpelwerkes arbeitet. Läufer und/oder Ständer des Generators weisen im wesentlichen die Form eines Ringes auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ringgenerator um einen hochpoligen Synchrongenerator mit beispielsweise bis zu 36 Polpaaren. Da Ausgangsspannung und -frequenz mit der Drehzahl variieren, werden diese zunächst über einen Gleichstromzwischenkreis umgeformt (gleichgerichtet) und dann mit einem Wechselrichter zur Abgabe an das Stromnetz wieder in einen Wechselstrom umgeformt. Verglichen mit den oben genannten Generatoren ist ein Ringgenerator größer, schwerer und teurer. Von Vorteil ist jedoch der deutlich geringere Verschleiß. Da kaum mechanische Abnutzungserscheinungen auftreten, ist der Generator besonders für starke Beanspruchungen und eine lange Lebenszeit geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Windkraftanlage in Seitenansicht (Stand der Technik),
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2 eine erste Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
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3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht,
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4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht.
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Die Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wie in 2 abgebildet, eine Einrichtung 1 zur Stromerzeugung dargestellt, bei der die mit dem Generator 2 verbundene Welle 3 senkrecht zum Erdboden angeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Stütz- und Lagerpunkte der Welle 3 nicht dargestellt. An der Welle 3 sind drei senkrecht zu der Welle 3 und waagerecht zum Erdboden verlaufende, gleichmäßig voneinander beabstandete Hebel 4 befestigt. Die der Welle 3 gegenüberliegenden Enden der Hebel 4 sind mit jeweils einem Kraftfahrzeug 5 verbunden. Die Kraftfahrzeuge 5 fahren im Kreis, so daß ein Rundfahrgöpel entsteht. Die von den Kraftfahrzeugen 5 befahrene Kreisbahn 6 ist vorzugsweise asphaltiert, um eine möglichst gleichmäßige Fahrt zu gewährleisten und Reibungsverluste zu minimieren. Durch das Fahren der Kraftfahrzeuge 5 auf der Kreisbahn 6 wird die über die Hebel 4 verbundene Welle 3 angetrieben.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Welle 3 waagerecht zum Erdboden angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Stütz- und Lagerpunkte der Welle 3 nicht dargestellt. Wieder sind an der Welle 3 drei senkrecht zu der Welle 3 verlaufende, gleichmäßig voneinander beabstandete Hebel 4 befestigt. Analog einer auch als Hamsterrad bekannten Tretmühle wird in diesem Fall ein Übertragungselement in Gestalt einer trommelförmigen Fahrmühle 7 eingesetzt. Die Stütz- und Lagerpunkte 8 der Fahrmühle 7 sind in 3 lediglich schematisch dargestellt. Der die Fahrfläche bildende Boden 9 der Fahrmühle 7 ist mit den Enden der Hebel 4 verbunden, wobei die Hebel 4 zugleich als Verstrebungen im Inneren der Fahrmühle 7 dienen. Der Boden 9 ist vorzugsweise mit einem rutschmindernden Belag versehen. Dabei kann es sich beispielsweise um auf dem Boden 9 angebrachte Leisten (nicht dargestellt) handeln. Durch das Fahren des Kraftfahrzeugs 5 auf der Fahrfläche der Fahrmühle 7 wird die Fahrmühle 7 und damit die über die Hebel 4 verbundene Welle 3 angetrieben. Ist die Fahrmühle 7 breit genug, können mehrere Kraftfahrzeuge 5 nebeneinander fahrend das Göpelwerk antreiben.
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Das in 3 abgebildete zweite Ausführungsbeispiel weist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel den Vorteil auf, daß das Kraftfahrzeug 5 ortsfest betrieben wird. Hierdurch vereinfacht sich u. a. die Betankung. Darüber hinaus dient die Fahrmühle 7 aufgrund ihrer Masse zugleich als Schwungrad.
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Das in 4 abgebildete dritte Ausführungsbeispiel vereint Elemente der ersten beiden Ausführungsbeispiele. So ist die mit dem Generator verbundene Welle 3, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, senkrecht zum Boden angeordnet. Zugleich werden die eingesetzten Kraftfahrzeuge 5, wie in dem zweiten Ausführungsbeispiel, ortsfest betrieben. Anstelle der Tretmühle wird als Übertragungselement eine kreisrunde, waagerecht zum Erdboden angeordnete, drehbare Antriebsscheibe 7 verwendet, auf deren Boden 9 sich die Kraftfahrzeuge abstützen. Der Boden 9 ist dabei wiederum vorzugsweise mit einem rutschmindernden Belag versehen.
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An der Welle 3 sind drei senkrecht zu der Welle 3 und waagerecht zum Erdboden verlaufende, gleichmäßig voneinander beabstandete Hebel 4 befestigt. Die um die Welle 3 als Drehachse rotierende Antriebsscheibe 7 mit ihrem die Fahrfläche bildenden Boden 9 ist an ihrem Umfang mit den Enden der Hebel 4 verbunden. Durch das Fahren der Kraftfahrzeuge 5 auf der am äußeren Rand in unmittelbarer Nähe des Umfangs der Antriebsscheibe 7 angeordneten Fahrfläche der Antriebsscheibe 7 wird die Antriebsscheibe 7 und damit die über die Hebel 4 verbundene Welle 3 angetrieben. Die Antriebsscheibe 7 dient aufgrund ihrer Masse wiederum zugleich als Schwungrad. Alternativ dazu können die Hebel 4 auch integrale Bestandteile der Antriebsscheibe 7 sein. In diesem Fall ist die Antriebsscheibe 7 selbst an der Welle 3 befestigt. Die Länge der Hebel 4 entspricht dabei im wesentlichen dem Radius der Antriebsscheibe 7. In einer Abwandlung kann die Antriebsscheibe 7 auch vollständig aus Hebeln 4 gebildet sein; jedes Radiussegment der Antriebsscheibe dient dabei als Hebel 4. Da die Kraftfahrzeuge 5 am äußersten Scheibenrand der Antriebsscheibe 7 angreifen, sind sie mit den Hebeln 4 wiederum an deren Enden virtuell verbunden.
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Ebenso wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Stütz- und Lagerpunkte der Welle 3 nicht dargestellt. Ebenfalls nicht abgebildet sind die neben der Welle 3 eventuell vorhandenen weiteren Stütz- und Lagerpunkte der Antriebsscheibe 7 sowie die Stütz- und Lagerpunkte zur Fixierung der Kraftfahrzeuge 5 relativ zu der Antriebsscheibe 7.
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Bei allen Ausführungsbeispielen von Vorteil ist, daß die aus Windkraftanlagen bekannten Generatoren 2 ohne größere Anpassungen eingesetzt werden können, da die geometrische Anordnung von Rotor (hier Fahrmühle bzw. Antriebsscheibe 7 mit Hebel 4), Welle 3 und Generator 2 gleichbleibt. Die Anzahl der Hebel 4 und/oder die Anzahl der verwendeten Kraftfahrzeuge 5 können je nach Anwendungsfall variieren.
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Anders als beispielsweise bei einem Blockheizkraftwerk, in dem zur Erzeugung einer elektrischen Leistung von 400 kW beispielsweise 70 Liter Heizöl pro Stunde verbrannt werden, läßt sich die erfindungsgemäße Einrichtung beispielsweise mit drei Lastkraftwagen 5 betreiben, die pro Stunde 60 Liter Dieselkraftstoff verbrauchen. Mit einem Gesamtkraftstoffverbrauch von 180 Litern pro Stunde können bei Einsatz der nachfolgend näher beschriebenen Konfiguration 2000 kW elektrische Leistung erzeugt werden.
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Moderne Stromgeneratoren 2 aus Windkraftanlagen erzeugen eine Leistung von 2000 kW beispielsweise bei lediglich 9 Umdrehungen des Windrades pro Minute. Überträgt man dies auf die vorliegende Einrichtung 1, so wird wenigstens ein Hebel 4 mit einer Länge von beispielsweise 9 m benötigt, so daß die Kreisbahn 6 in 2 bzw. der Umfang der Fahrmühle bzw. der Antriebsscheibe 7 in 3 ca. 56,5 m beträgt. Bei einer Geschwindigkeit der Kraftfahrzeuge 5 von nur 30 km/h wird die Welle 3 mit etwa 8,8 U/min in Drehung versetzt. Damit wird der oben angegebene Leistungswert von 2000 kW erreicht. Bei höheren Geschwindigkeiten, wie sie insbesondere bei Fahrmühlen bzw. Antriebsscheiben 7 genutzt werden können, lassen sich deutlich höhere Leistungen erzielen. Bei gleicher Hebellänge und einer Geschwindigkeit der Kraftfahrzeuge 5 von 60 km/h dreht sich die Welle 3 mit etwa 17,7 U/min. Die für eine bestimmte Leistung benötigte Mindestdrehzahl kann durch eine entsprechende Kombination von Hebellänge bzw. Durchmesser der Antriebsscheibe einerseits und Fahrzeuggeschwindigkeit andererseits eingestellt werden. Im Ergebnis wird der Generator 2 durch die Kraftfahrzeuge 5 auf die gleiche Art und Weise über das Göpelwerk angetrieben, wie er, verbaut in einer Windkraftanlage 11, durch den auf die Rotorblätter 12 eines Rotors 13 wirkenden Wind angetrieben werden würde, siehe 1.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einrichtung
- 2
- Generator
- 3
- Welle
- 4
- Hebel
- 5
- Kraftfahrzeug
- 6
- Kreisbahn
- 7
- Übertragungselement
- 8
- Abstützung
- 9
- Boden
- 10
- (frei)
- 11
- Windkraftanlage
- 12
- Rotorblatt
- 13
- Rotor
