DE102013009180A1 - Eine Mechanische Maschine zur Energieumwandlung und Energiespeicherung, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. - Google Patents

Abstract

Es liegen keine Patentansprüche vor.

Description

• Eine mechanische Maschine zur Energieumwandlung und Energiespeicherung, die einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
• Die Maschine ist einfach und robust im Baukastensystem konstruiert. Es ist eine achteckige Stahlkonstruktion, die in vier Etagen eingeteilt ist.
• Auf der 1. Etage befindet sich ein kompakter Synchrongenerator der mit Permanentmagneten erregt wird. Er setzt die Drehbewegung der Welle, die durch eine große Schwungscheibe erreicht wird, direkt in elektrische Energie um. Die Kühlung der Generatormagneten erfolgt über Kältemaschinen auf den feststehenden Plattformen über der Schwungscheibe.
• Auf der 2. Etage ist die Schwungscheibe, mit einem Durchmesser von 20–30 m an der Welle befestigt. Sie wird aus einzelnen Teilen zusammengebaut. Die Nabe, Teil der Schwungscheibe besteht aus zwei Hälften, die um die Welle gelegt wird und mit dem angeschweißten Flanschen verschraubt wird. Unterhalb der Nabe ist eine Manschette auf der Welle befestigt, um ein abrutschen der Schwungscheibe zu verhindern. Das untere Ende der Welle führt über das Gleitlager in den Generator, das obere Ende wird von einem Gleitlager geführt und gehalten. Eine eingefräste Nute dient dazu, dass eine zweite Welle mit Schwungscheibe auf der 3. Etage eingebaut wird. Ein angefräster Zapfen rastet in die untere Welle mit Nute ein und beide Wellenenden werden mit einer Überschiebmuffe gesichert. Am unteren Ende der Muffe ist eine Manschette gegen abrutschen auf der Welle befestigt. Die Gleitlager der Wellen sind auf den Gitterträgern der Stahlkonstruktion befestigt. So können ca. drei Schwungscheiben mit Wellen auf vier Etagen übereinander aufgesteckt werden. Zum Schluss wird die Dachkonstruktion mit dem Gleitlager montiert. Das Gitterträgerdach ist so konstruiert, damit man Photovoltaik-Module aufbringen kann.
• Die große Schwungscheibe besteht aus den beiden Hälften der Nabe, an die ca. 24 Gitterträger angeschraubt sind. Am äußeren Ende der Gitterträger sind gekantete Blechwannen ca. 1000 mm × 1000 mm × 4000 mm angeschraubt, die z. B. mit Split aufgefüllt werden können um der Schwungscheibe eine größere Masse zu verleihen. Weil Splitt nicht rund sondern aus Kanten besteht, ist er gut geeignet um nicht durch die große Fliehkraft ungleichmäßig an die äußere Seite geschleudert zu werden.
• Die benötigten ca. 24 Blechwannen werden miteinander zu einem Ring um die Schwungscheibe mit Flanschen, die sich wie ein U um die Wannen legen verschraubt. Die ca. 24 Stück ca. 1200 mm Breite × 4000 mm Länge und 12 mm Dicke Abdeckplatten der Wannen, die am äußeren Rand dem Radius der Schwungscheibe angepasst sind, werden mit den beiden am oberen Ende der Blechwannen links und rechts ca. 300 mm nach innen gekanteten Laschen verschraubt. Am äußeren Ende der Abdeckplatten sind in einem kurzen Abstand von ca. 42 mm Löcher gebohrt, um längere (ca. 600 mm) und kürzere (ca. 80 mm) Bolzen mit einem Durchmesser von ca. 20–30 mm, die an beiden Enden mit einem Gewinde von ca. M-12 × 30 mm versehen sind, aufzunehmen. Die Bolzen werden abwechselnd eine lange, zwei kurze, eine lange, zwei kurze usw. mit der Abdeckplatte verschraubt. Die längeren Bolzen werden am anderen Ende durch einen gebohrten Justierring (ca. 60 mm × 10 mm) miteinander verschraubt. Die Bolzen dienen als Stabilisator der Schwungscheibe, als Antrieb und als Triebstockverzahnung, um den Antrieb mit einer hohen Drehzahl und der nötigen Schwungkraft zu versorgen.
• Über der drehbaren Schwungscheibe, befinden sich ca. 48 feststehende Plattformen die einzeln an der achteckigen Stahlkonstruktion befestigt sind. Die äußeren Enden der Plattformen haben eine breite von ca. 2000 mm und laufen im spitzen Winkel zur Welle hin. Auf ihnen werden der Antriebsmechanismus, das Stirnrad-Schneckengetriebe mit Motor, die Fünfstufige Stirnradgetriebe, die Kältemaschinen und die Kleingeneratoren befestigt. Auf der senkrechten Antriebswelle des Stirnrad-Schneckengetriebes mit Motor wird die Welle (ca. 40 mm Durchmesser) des Antriebsmechanismus aufgesteckt und durch eine Passfeder gesichert. Das Metallgehäuse aus Flachstahl in dem die Welle mittels zwei Kugel-Flanschenlager befestigt ist, wird zu einem umgekehrten U mit Winkeln zusammengeschraubt und auf der Plattform angeschraubt. Über den beiden Kugel-Flanschenlagern ist ein ca. 1000 mm langer und ca. 200 mm breiter Blechstreifen, der an den Längsseiten ca. 30 mm nach unten gekantet und in der Mitte mit der Welle starr verbunden ist. Auf der Oberseite ist außen, ein als treibender Winkel mit nach oben gerichteten langen Schenkel angeschraubt. Über dem Blechstreifen ist eine Scheibe ca. 80 mm Durchmesser mit nach oben stehenden Rohr von 80 mm Länge, als Wanne angeschweißt und mit der Welle starr verbunden. Darüber sind wiederum ein 1000 mm langer und ein 200 mm breiter an den Längsseiten ca. 30 mm nach unten gekanteter Blechstreifen befestigt. In der Mitte ist ein nach unten gerichtetes Gleitlager oder Nadellager befestigt, das über die untere Welle und Wannenrohr gestülpt wird. Die Wanne wird mit Schmieröl gefüllt, damit sich der Blechstreifen möglichst reibungsfrei drehen kann. Am äußeren Ende des Blechstreifens wird ein, mit dem langen Schenkel nach unten ragender Winkel angeschraubt, der als getriebener Winkel bezeichnet wird. Dieser Winkel sitzt etwa 25 mm tiefer, vor dem unteren Winkel, der als treibender Winkel bezeichnet wird.
• Auf der Oberseite des oberen Blechstreifens ist am äußersten Ende in der Mitte eine Welle von ca. 30 mm Durchmesser und einer Länge von ca. 120 mm mit Bodenverstärkung angeschweißt. Über diese Welle wird ein Exzenter mit einem Gleitlager oder Nadellager gestülpt. Der Exzenter besteht aus der Grundplatte von ca. 180 mm × 280 mm × 8 mm, in der Mitte und 90 mm von der Kante ist eine Bohrung von ca. 30 mm Durchmesser. Links, in der Mitte und Rechts werden drei Verstärkungsrippen von ca. 120 mm Breite und ca. 60 mm Höhe eingebaut und mit der Grundplatte, einer gleichen Deckplatte (ca. 10 mm) versetzt von links verschweißt. Von den drei Verstärkungsrippen hat die Linke eine Bohrung von ca. 23 mm Durchmesser, die Mittlere und Rechte eine Bohrung von ca. 33 mm Durchmesser, alle drei Löcher werden ca. 26 mm von links versetzt gebohrt. Ein Dickwandiges Rohr von ca. 32 mm Durchmesser Außen, ca. 22 mm Durchmesser Innen und 180 mm Länge, wird in die rechte und mittlere Verstärkungsrippe eingesteckt und verschweißt. Auf der linken Seite wird ein Führungsarm von ca. 22 mm Durchmesser und einer Länge von 1000 mm, ca. 30 mm durch das 23 mm Durchmesser Loch der Verstärkungsrippe durchgeführt in das Dickwandige Rohr gesteckt und verschweißt. Ca. 50 mm von dem rechten Ende ist ein Schlitz von 8 mm × 35 mm eingefräst. Hinter dem Schlitz wird eine Druckfeder von 20 mm Durchmesser und ca. 40 mm Länge eingelegt und drückt an das eingeschweißte Ende des Führungsarms. Am anderen Ende der Druckfeder wird der Antriebsarm von ca. 22 mm Durchmesser und ca. 400 mm Länge von der rechten Seite in das dickwandige Rohr bis zur Druckfeder eingeführt. Am rechten Ende des Schlitzes wird ein Loch in den eingesteckten Antriebsarm gebohrt, Gewinde eingeschnitten und ein Gewindebolzen M-8 so weit eingeschraubt, dass er ca. 10 mm herausragt. Er verhindert das herausrutschen des Antriebsarmes und sorgt dafür, dass der Arm sich bei einem Berührungsdruck an der Spitze sich ca. 30 mm in das Dickwandige Rohr einschiebt, die Druckfeder wird eingedrückt und bei nachlassendem Druck an der Spitze die Feder den Antriebsarm wieder zurückdrückt. An den Grund- und Deckplatten werden außen an den langen Seiten oben und unten ca. 20 Löcher gebohrt um die M-10 Schrauben aufzunehmen, an denen die Zugfedern an dem einen Ende befestigt werden. Das andere Ende der Zugfedern wird an einer Halterung befestigt, die an der Konstruktion, die die feststehenden Plattformen über der Schwungscheibe halten befestigt. Der lange Führungsarm bewegt sich in einer Gelagerten Hülse hinter dem 1000 mm langen sich drehenden Blechstreifen auf dem der Exzenter befestigt ist, damit die Exzenterbewegung ausgeführt werden kann. Die gelagerte Hülse ist auf einer Konstruktion befestigt, die auf der Plattform angeschraubt ist.
• Antriebsvariante 1:
• Bei Motorantrieb brauchen die kleinen Bolzen am Rande der Schwungscheibe nicht eingebaut zu werden. Die Schwungscheibe wird von der feststehenden Plattform aus über das Stirnrad-Schneckengetriebe mit Motor angetrieben. Der Strom für den Motor kommt aus den Photovoltaik-Modulen auf dem Dach der Maschine. Die Antriebswelle des Stirnrad-Schneckengetriebes setzt den Antriebsmechanismus in Gang. Der treibende Winkel auf dem Blechstreifen der mit der Welle starr verbunden ist, fängt den nach untenstehenden Winkel des frei schwebenden oberen Blechstreifens ein und versetzt ihn in Drehung. Dabei werden die Zugfedern gespannt. Wenn durch die Drehung der Scheitelpunkt überschritten ist, entspannen sich die Federn. Der Exzenter samt dem freistehenden Blechstreifen löst sich von dem unteren treibenden Winkel, der Antriebsarm des Exzenters fährt zwischen die langen Bolzen der Schwungscheibe, gibt ihnen einen Schub von ca. 1000 mm und zieht sich wieder zurück. Er passiert eine Vorrichtung mit einer schwachen Druckfeder hinter einer beweglichen Lasche die eingedrückt wird und nach dem passieren wieder zurückschnellt. Der Freischwebende Blechstreifen pendelt durch die noch leicht gespannten Zugfedern zurück und bleibt an der Lasche der Vorrichtung stehen. Der an der Welle befestigte Blechstreifen dreht sich weiter und fängt mit seinem Antriebswinkel den stehenden freischwebenden Blechstreifen ein und bringt ihn über den Antriebswinkel wieder in Drehung und die Federn werden wieder gespannt. Dieser Vorgang wiederholt sich ca. alle drei bis vier Sekunden, um die Schwungscheibe anzutreiben.
• Antriebsvariante 2:
• Bei einem Zahnradantrieb müssen die kleinen Bolzen am Rande der Schwungscheibe nicht eingebaut werden. Diese Variante verwendet einen Zahnradring von ca. 30000 mm Durchmesser, der in ca. 24 Segmente a 3925 mm vor den langen Bolzen auf der Innenseite der Abdeckplatten aufgeschraubt wird. Auf der Innenseite des Zahnradringes werden von einem kleinen Zahnradritzel von ca. 22 Zähne die Schwungmasse, die Fliehkräfte und die Drehzahl abgegriffen. Auf der Welle des kleinen Zahnrades sitzt auf der anderen Seite das gleiche Zahnrad und führt in ein Fünffach Stirnrad-Getriebegehäuse, das auf der feststehenden Plattform montiert ist.
• Wenn sich die Schwungscheibe mit 30 Umdrehung pro Minute dreht, so erhält man an dem kleinen Zahnrad, das in das Getriebe führt, eine Drehzahl von 13.629,5 Umdrehungen pro Minute. Der Antriebsmechanismus, auf der Plattform der die Federn spannt, benötigt nur ca. 26 Umdrehungen pro Minute. Von der vorhandenen Drehzahl von 13.629,5 Umdrehungen pro Minute, müssen über das Fünffachgetriebe 70 zu 20 Zähne, die 26 Umdrehungen pro Minute erzeugt werden. Dabei entsteht ein Übersetzungsverhältnis von 1:525. Das bedeutet, wenn man auf das kleine Antriebsritzel mit 22 Zähnen eine Kraft von 1 kg einwirken lässt, so sind am Antrieb der Welle, des letzten 70 Zähne Zahnrades, eine Kraft von 525 kg und eine langsame Drehzahl von ca. 26 Umdrehungen pro Minute vorhanden. Dazu kommen noch die Masse des Schwungrades von ca. 200–250 Tonnen und die Fliehkräfte. Man kann ca. 20 Federn mit einer Zugkraft von 10 kg je Feder spannen, dann wären es 200 kg Schubkraft die von dem Exzenter auf das Schwungrad zum Antrieb gebracht werden und das 48-mal.
• Die Maschine erzeugt viel mehr Kraft als zum Antrieb gebraucht werden. Wenn das Schwungrad außen am Rand angetrieben wird braucht man weniger Kraft als auf der Welle, denn es ist ein Hebelarm von ca. 15000 mm vorhanden. Durch Abänderung von Getriebe, auf eine höhere Drehzahl können ca. 40 Kleingeneratoren auf der Plattform installiert werden. Die restlichen Flächen der Plattformen können für Kältemaschinen, um die Magneten des Generators zu kühlen, verwendet werden. Mit den 48 Antrieben mit Exzenter muss die Schwungscheibe auf ca. 30 Umdrehung pro Minute gehalten werden, die Leistung des Generators muss knapp darunter liegen.
• Antriebsvariante 3:
• Bei einer Triebstockverzahnung müssen die kleinen Bolzen am Rande der Schwungscheibe eingebaut werden. Anstatt eines großen Zahnrads, werden die Bolzen die sich außen auf der Schwungscheibe befinden, als Triebstockrad verwendet. Auf der Innenseite der Bolzen werden die Umfangsgeschwindigkeit, die Masse und die Fliehkraft von dem Triebstock-Gegenrad abgegriffen und an das auf derselben Welle oben sitzende Zahnrad mit 22 Zähne an das große Zahnrad mit 70 Zähne des Fünffachgetriebe auf der feststehenden Plattform geleitet. Das Getriebe setzt den Antriebsmechanismus, der die Federn spannt, in Bewegung und die Schwungscheibe wird angetrieben.
• Damit der Mechanismus der die Schwungscheibe antreibt seine volle Leistung bringt, muss man sie mit einem Motor mit gleitenden Drehzahlen und Vollgummiantriebsritzel an der Außenkante auf ca. 30 Umdrehung pro Minute bringen, dann übernimmt die Maschine den Antrieb und der Generator produziert Strom.
• Um die Schmierung des großen Zahnrades mit Ritzel zu gewährleisten, wird eine Kunststoffwanne (eine Art Dachrinne) auf dem Rande der Schwungscheibe vor den Bolzen unter dem Zahnkranz durch Abstandhalter mit Schrauben befestigt. Mit einzelnen Segmenten, mit dem Radius der Schwungscheibe und ca. 4000 mm Länge, werden sie unter dem Zahnkranz verlegt, am jeweiligen Stoß durch Klammern arretiert und abgedichtet. Die Form der Wanne ist vorne durch einen weiten Bogen nach innen gerollt und endet über den Zähnen. Das Schmieröl in der Wanne wird durch die Fliehkraft nach außen gedrückt und durch die Wölbung wieder nach innen auf die Zähne geschleudert um den Schmierfilm aufrecht zu halten. Um die Schmierung der Triebstockverzahnung zu gewährleisten, ist der Vorgang ähnlich wie beim Zahnrad. Der Unterschied ist, dass die Kunststoffwanne geteilt ist. Der kurze Teil mit der Wölbung wird außerhalb der Bolzen auf die Stahlabdeckung z. B. mit Silikon aufgeklebt, das lange Endstück auf der Innenseite vor die Bolzen geklebt und in abständen von ca. 500 mm mit der Stahlabdeckung verschraubt.
• Die Maschinen werden dort aufgebaut wo sie benötigt werden z. B. an Umspannwerken, bei Industriebetrieben, durch die geringe Stromkosten kann man durch Elektrolyse Wasserstoff herstellen und Speichern, auch die Aufwendigen Stromtrassen von Nord nach Süd würden wegfallen.
• Die Maschine kann einzeln aufgestellt und wie eine Halle verkleidet werden, oder man kann mehrere Maschinen zusammenstellen, verschrauben und verkleiden. Es wird eine Bodenplatte aus Beton mit Versorgungsleitungen in der Größe der Aufzustellenden Maschinen benötigt. Die achteckige Maschine wird von Etage zu Etage mit Stahl- und Gitterträgern zusammengesetzt um die großen Gewichte und Fliehkräfte unter Einhaltung der Sicherheit unter Kontrolle zu bringen.
• Auf jeder Etage in Höhe der Schwungscheibe ist ein Montagesteg, der rund um die Maschine führt, eingebaut.
• Das spannen der Federn über das Getriebe ist auch Hydraulisch oder Pneumatisch möglich. Um die Hydraulik-Zahnradpumpen oder ein Kompressor zum Verdichten der Luft anzutreiben.

Claims (1)

1. Es liegen keine Patentansprüche vor.