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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mechanischen Speicherung von elektrischer Energie, die vorzugsweise aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche Energieerzeugungsanlagen, die mit erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, eingesetzt. Hierzu zählen insbesondere Fotovoltaikanlagen oder Windenergieanlagen.
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Insbesondere im Bereich der Heimstromerzeugung und Eigenversorgung bedarf es einer Möglichkeit der Energiespeicherung aus vorgenannten Energiequellen ohne dem Einsatz von großvolumigen und schweren Akkumulatoren.
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Erfolgt keine Stromabnahme durch den Verbraucher wird der Strom dazu benutzt, den Energiespeicher aufzuladen. Neben der Stromabnahme durch Verbraucher wird ein Teil des Stromes dazu genutzt, den Energiespeicher aufzuladen. Die darin gespeicherte mechanische Energie dient dazu, einen Zeitraum, in dem Fotovoltaik- oder Windenergieanlagen keinen Strom liefern, zu überbrücken, indem die gespeicherte mechanische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt wird und dem Verbraucher zugeführt werden kann.
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Bekannt ist dazu aus der Patentschrift
DE 3006529 ein Energiespeicher, insbesondere mechanischer Energiespeicher, nach dessen Lösungsgedanken durch Wickeln eines elastomeren Materials entlang eines langgestreckten Körpers dieses gespannt und die Energie in dem gespannten elastomeren Material gespeichert wird. Durch Entspannen des elastomeren Materials wird die gespeicherte mechanische Energie durch Lösen einer Bremse an den Verbraucher abgegeben.
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Nachteilig ist hier, dass die Abgabe der Energie an den Verbraucher nur bedingt kontrollierbar möglich ist. Die kontrollierte Abgabe nach vorgegebenen Zeitintervallen ist gar nicht möglich. Ferner ist nachteilig, dass das elastomere Material Zugbeanspruchungen und damit einhergehenden Hystereseverlusten unterliegt, so dass die Energie mit hohem Verlust abgegeben wird.
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Bekannt ist ferner aus der Patentschrift
DE 69400598 eine Seilstartvorrichtung mit Energiespeicherung. Nachteilig ist hier, dass die gespeicherte Energie nicht kontrolliert abgegeben werden kann und soll, sondern nur insgesamt und auf einmal freigesetzt werden kann.
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Bekannt ist weiter aus der Patentschrift
DE 2353714 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strom über einen endlichen Zeitraum zur Verwendung bei der Heim-Selbstversorgung oder einem Fahrzeugantrieb. Nachteilig ist hier, dass die als Energiespeicher verwendeten Triebfedern nur über einen separaten Elektromotor nachspannbar sind und es einer mechanisch-hydraulischen Energieübertragungseinrichtung bedarf, wobei zahlreiche Getriebesätze notwendig sind, welche zu erheblichen Energieverlusten führen. Eine Energieaufnahme bei zeitgleicher Energieabgabe ist nicht möglich.
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Weiterhin bekannt ist aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2012 006 323 U1 ein Federspeicher zur temporären Speicherung von elektrischem Strom, der mittels Elektromotor in Federspannung umgesetzt wird und umgekehrt aus der Entlastung der Federspannung elektrischen Strom abrufbar hält. Der Federspeicher besteht aus einem Metallzylinder, der eine Feder enthält, die über einen Elektromotor gespannt werden kann. Die Energie zum Spannen der Feder liefert eine angeschlossene Stromquelle. Erzeugt die Stromquelle Strom, treibt dieser den Elektromotor an, der wiederum die Feder spannt. Erzeugt die Stromquelle keinen oder ungenügend Strom, wird der Elektromotor umgeschaltet und die Feder treibt ihrerseits den Elektromotor an und gibt so die in der Feder gespeicherte Energie in Form von elektrischen Strom wieder ab. Nachteilig ist hier, dass aufgrund der Verwendung ausschließlich einer einzigen Feder die Speicherkapazität begrenzt ist. Eine zeitgleiche Energieaufnahme- und abgabe ist aufgrund der Umkehrung des Elektromotors nicht möglich.
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Die
DE 37 33 514 A1 beschreibt einen Federmotor, insbesondere unter Verwendung von Biegefedern, vorzugsweise Spiralfedern, z. B. mit einer in der Federmitte liegenden Spindel, wobei ein Ende, z. B. das innere Ende einer ersten Feder an der Spindel eingespannt ist und das äußere mit dem inneren einer nachfolgenden Feder und deren äußeres Ende wiederum mit dem inneren einer folgenden usf. bis zu einer letzten Feder und deren freies Ende mit einem Abtriebsglied verbunden ist. Zwischen je zwei Federn eines Federpaketes ist eine Kupplungsscheibe mit einer hülsenförmigen Nabe einerseits, an der jeweils das innere Federende eingespannt ist, und mit einem Bolzen am äußeren Scheibenumfang andererseits, an dem das äußere Federende eingespannt ist, lose auf der Spindel angeordnet.
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Die
DE 25 50 199 beschreibt eine Antriebsvorrichtung mit Spannfeder, bei der jeweils mehrere Federn vorgesehen sind und einzeln oder in Gruppen mit einer Abtriebswelle kuppelbar sind. Die einzelnen Federn sind innen mit der Welle verbunden und außen an einem Gehäuse eingespannt. Infolge dieser Parallelschaltung geben die Federn ihre Spannkräfte gleichseitig ab, so dass hohe Speicherkräfte, jedoch nur kleine Federwege zu erzielen sind. Um eine Anpassung an den jeweiligen Leistungsbedarf zu ermöglichen, sind mehrere Federgruppen mit einer gemeinsamen Abtriebswelle über ein Getriebe kuppelbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit welcher überschüssige elektrische Energie in Form von mechanischer Energie gespeichert werden kann, wobei Energieaufnahme und kontrollierte Energieabgabe zeitgleich erfolgen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie des nachfolgenden Ausführungsbeispiels. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur mechanischen Speicherung elektrischer Energie, die vorzugsweise aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird, weist ein in einem Gehäuse angeordneten Federspeicher, der mittels Elektromotor gespannt wird, auf. Der Federspeicher besteht aus mindestens zwei in Reihe angeordneten Federpaketen, wobei die Federn innerhalb der Federpakete entgegengesetzt gewickelt angeordnet, über ihre äußeren Enden miteinander verbunden und mit einer Umhausung versehen sind.
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Die Federpakete sind untereinander über geschlitzte Hohlwellen verbunden, wobei die Wicklung der ersten Feder des nachfolgenden Federpaketes entgegengesetzt zur Wicklung der zweiten Feder des vorangehenden Federpaketes ausgeführt wird.
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Die Federn sind als Spiralfedern ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch aus mehreren parallel zueinander angeordneten Federspeichern bestehen.
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Die Anordnung der Federspeicher innerhalb des Gehäuses kann sowohl vertikal, als auch horizontal erfolgen.
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Grundgedanke der Erfindung ist die Speicherung mechanischer Energie und bei Bedarf die Umwandlung der gespeicherten Energie in elektrische Energie mit der Möglichkeit einer drehzahlunabhängigen Nachladung des Energiespeichers sowie eine zeit- und drehzahlgeregelte Umwandlung.
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Das Einsatzgebiet der Vorrichtung ist nicht nur die Kombination mit Elektroerzeugungsanlagen, beispielsweise Windrädern, Photovoltaikanlagen usw., für eine netzunabhängige Hausstromversorgung, sondern auch für mobile Anlagen (sogenannte Notstromaggregate) die zeitlich begrenzt benutzt werden, beispielsweise auf Baustellen oder im Forst.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ermöglich, mechanische Energie zu speichern und zeitgleich kontrolliert Energie abzugeben.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher beschrieben werden.
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Es zeigen
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1 Vorrichtung zur Energiespeicherung
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2 Vorrichtung einer weiteren Ausführung in horizontaler Bauweise
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Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung zur Energiespeicherung. Die Vorrichtung weist einen Federspeicher 1 auf, der aus einer bestimmten Anzahl von in Reihe geschalteten Federpaketen 2 mit den Federn 3a, b besteht, wobei jedes Federpaket mit einer Umhausung versehen ist. Die Federn 3a, b sind als Spiralblattfedern ausgebildet. Auf einer Führungswelle 6, welche an den sich gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses des Federspeichers 1 der Vorrichtung jeweils mittig gelagert ist, ist zum Zwecke der Energiezufuhr eine die Führungswelle 6 drehbar gleitend umschließende und einseitig geschlitzte Eingangswelle 4 angeordnet. Mit der Eingangswelle 4 ist eine Spiralblattfeder 3 über einen in den einseitigen Schlitz der Eingangswelle 4 eingeführten abgewinkelten Teil der Spiralblattfeder 3 fest verbunden. Jeweils zwei der Spiralblattfedern 3a, b bilden ein Federpaket 2, wobei die erste der Spiralblattfedern 3a eine Linkswicklung und die zweite der Spiralblattfedern 3b eine Rechtswicklung aufweist. Die beiden Spiralblattfedern 3a, b sind auf ihrer Außenseite fest miteinander verbunden (Verbindung 7). Je nach der gewünschten Speicherkapazität ist eine bestimmte Anzahl der Federpakete 2 vorgesehen, wobei unmittelbar benachbarte Spiralblattfedern 3a, b der Federpakete 2 jeweils entgegengesetzt gewickelt sind.
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Die Federpakete 2 sind untereinander über eine geschlitzte Hohlwelle 8 verbunden und zwar jeweils die zweite Feder 3b des vorangehenden Federpakets 2 mit der ersten Feder 3a des folgenden Federpaketes 2. Die Hohlwelle 8 ist dabei keine durchgehende Welle, sondern sie ist in Abschnitte zwischen den Federpaketen 2 aufgeteilt.
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An der Eingangswelle 4 der Vorrichtung ist ein Elektromotor 9 vorgesehen. Dieser ist über eine nicht näher dargestellte Rutschkupplung mit der Eingangswelle 4 verbunden, wodurch ein Überladen verhindert werden kann. An der Ausgangswelle 5 ist ein Schwungrad, dessen äußerer Umfang mit einer Verzahnung versehen ist, angeordnet. In diese Verzahnung greift ein auf der Antriebswelle eines Generators 12 angeordnetes Ritzel 11 an.
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Dadurch ist es möglich, die Generatordrehzahl auf ein wirtschaftliches Maß zu heben, wobei das Drehzahlverhältnis vorzugsweise in einen Bereich von 1:15 bis 1:20 liegt.
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Entsprechend dem Bedarf der Speicherkapazität werden mehrere Federpakete 2 in Reihe angeordnet, wobei zwischen der zweiten Feder 3b des vorangehenden Federpaketes 2 und der ersten Feder 3a des folgenden Federpaketes 2 auf der Führungswelle 6 eine drehbar gleitend umschließende beidseitig um 180° versetzt geschlitzte Hohlwelle 8 angebracht ist. Mit dieser Hohlwelle 8 sind jeweils zwei – stets gegenläufig gewickelte – Spiralblattfedern 3a, b über den jeweiligen in den Schlitz der beidseitig um 180° versetzt geschlitzten Hohlwelle 8 eingeführten abgewinkelten Enden der Federn 3a fest verbunden.
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Auf der Führungswelle 6, wird zum Zwecke der Energieabgabe der gespeicherten mechanischen Energie eine die Führungswelle 6 ebenfalls drehbar gleitend umschließende Ausgangswelle 5 verwendet. Mit der Ausgangswelle 5 ist die zweite Spiralblattfeder 3b des letzten Federpaketes 2 über das in den einseitigen Schlitz der eingeführte abgewinkelte Ende der Spiralblattfeder 3b fest verbunden.
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Das Aufladen der Vorrichtung erfolgt durch den Elektromotor 9 und zwar dadurch, dass dieser seine Drehbewegung über die Eingangswelle 4 auf die erste Feder 3a des ersten Federpaketes 2 überträgt. Dadurch wird die erste Feder 3a gespannt. Ab einem bestimmten Spannungszustand wird die Drehbewegung auf die zweite Feder 3b des ersten Federpaketes 2 übertragen. Dies erfolgt über die Verbindung 7, mit dem die beiden Federn 3a, b auf Ihrer Außenseite verbunden sind. Die Verbindung zwischen zwei benachbarten Federpaketen 2 erfolgt über die Hohlwellen 8, so dass nacheinander alle Federn 3a, b der Federpakete 2 gespannt werden. Die Entladung des Federspeichers 1 und damit die Umwandlung der gespeicherten mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt durch Freigabe des Schwungrades 10. Dazu ist dieses mit einer Regeleinrichtung, beispielsweise einen Kurbeltrieb mit Pendel, versehen. Die Regeleinrichtung dient zum einen dem Starten bzw. Anhalten des Federspeichers und zum anderen dazu, die Drehzahl des Schwungrades 10 zu vergleichmäßigen. Das Entladen des Federspeichers 1 erfolgt wie beim Ausladen, nur in umgekehrter Reihenfolge.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung ist es möglich, den Federspeicher 1 auch während des Entladevorganges, also wenn Strom durch die Vorrichtung erzeugt wird, über den Elektromotor 9 nachzuladen.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energiespeicherung in horizontaler Bauart. In einem Gehäuse 13 sind zwei Federspeicher 1 parallel zueinander angeordnet. Die Antriebswelle 16 des ersten Federspeichers 1 ist mit einen nicht näher dargestellten Elektromotor 9 verbunden. Die Ausgangswelle 5 des ersten Federspeichers 1 ist über ein Getriebe 14 mit der Eingangswelle 4 des zweiten Federspeichers 1 verbunden, dessen Ausgang mit der Abtriebswelle 16. Die Abtriebswelle 16 über ein mit einer Außenverzahnung versehenen Schwungrad 10 verbunden. In die Außenverzahnung greift das auf der Generatorwelle angeordnete Ritzel 11 ein.
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Neben der horizontalen Bauart der erfindungsgemäßen ist auch eine senkrechte Bauart möglich. Hier macht es sich aber notwendig, die Federspeicher 1 in kleine Einheiten mit einer geringen Anzahl von Federpaketen 2 zu unterteilen und diese jeweils für sich zu lagern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federspeicher
- 2
- Federpaket
- 3a
- erste Feder
- 3b
- zweite Feder
- 4
- Eingangswelle
- 5
- Ausgangswelle
- 6
- Führungswelle
- 7
- Verbindung
- 8
- Hohlwelle
- 9
- Elektromotor
- 10
- Schwungrad
- 11
- Ritzel
- 12
- Generator
- 13
- Gehäuse
- 14
- Getriebe
- 15
- Antriebswelle
- 16
- Abtriebswelle
