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Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit wenigstens einem elektrischen Energieverbraucher.
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Bei vielen Bauteilen ist es erforderlich, elektrische Energieverbraucher durch eine Stromquelle mit elektrischer Energie zu versorgen. Aus unterschiedlichen Gründen ist eine herkömmliche Stromversorgung über elektrische Leitungen jedoch nicht immer möglich oder nicht gewünscht.
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Ein Beispiel für ein derartiges Bauteil ist eine Hochspannungsanlage mit Stromrichtern. Derartige Hochspannungsanlagen weisen eine große Anzahl elektrischer Baugruppen auf, die auf Hochspannungspotential liegen, wobei sich das Hochspannungspotential einzelner Baugruppen unterscheidet. Die Stromversorgung derartiger Baugruppen ist daher schwierig und aufwendig.
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Es sind bereits einige Vorschläge gemacht worden, um Bauteile dieser Art mit elektrischer Energie zu versorgen. Eine Möglichkeit ist die Entnahme von Energie für die Stromversorgung aus dem Hauptstromkreis, diese Möglichkeit scheidet jedoch aus, wenn keine elektrischen Leitungen verwendet werden können. Alternativ könnte eine Energieversorgung durch Laserlicht, Lichtwellenleiter, Batterien oder Solarzellen erfolgen. Allerdings weisen alle erwähnten Varianten Begrenzungen auf oder sind schwierig umzusetzen. Kritisch ist insbesondere das Hochfahren einer Hochspannungsanlage aus einem energielosen Zustand sowie die Versorgung von elektrischen oder elektronischen Anlagenteilen, die strom- und spannungslos sind, aber bei Bedarf sofort einsatzbereit sein müssen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit wenigstens einem elektrischen Energieverbraucher anzugeben, das ohne elektrische Leitungen mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Bauteil der eingangs genannten Art vorgesehen, umfassend eine Stromquelle zur Versorgung des wenigstens einen elektrischen Energieverbrauchers, einen die Stromquelle speisenden, durch kinetische Energie antreibbaren Generator, eine räumlich getrennt von dem Generator angeordnete Hilfsenergieeinheit zum Bereitstellen von kinetischer Energie zum Antreiben eines Generators, und eine zwischen der Hilfsenergieeinheit und dem Generator ausgebildeten Übertragungsstrecke für die kinetische Energie.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine zuverlässige Versorgung des Bauteils und dessen Energieverbraucher bereitgestellt werden kann, indem Energie räumlich getrennt von dem Energieverbraucher in Form von kinetischer Energie zur Verfügung gestellt wird. Diese kinetische Energie wird über eine Übertragungsstrecke von der Hilfsenergieeinheit zu dem Generator übertragen, der Generator wird durch die übertragene kinetische Energie mechanisch angetrieben, das heißt, in Drehung versetzt und wandelt die kinetische Energie in elektrische Energie um. Auf diese Weise entsteht eine Stromquelle, durch die wenigstens ein elektrischer Energieverbraucher gespeist wird.
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Erfindungsgemäß können mehrere oder viele Generatoren vorgesehen sein, um mehrere oder viele elektrische Energieverbraucher, die jeweils eine kleine Leistungsaufnahme aufweisen, zu versorgen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil kann auf herkömmliche elektrische Leiter oder Leitungen zwischen dem Ort, an dem die Energie bereitgestellt wird und dem elektrischen Energieverbraucher weitestgehend verzichtet werden. Stattdessen erfolgt die Energieübertragung mittels kinetischer Energie über die Übertragungsstrecke.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Übertragungsstrecke als Rohrleitung ausgebildet ist, in der sich ein kinetische Energie enthaltendes strömendes Medium befindet. Der Begriff „Rohrleitung“ umfasst selbstverständlich auch Schlauchleitungen, Kanäle, Vorratsbehälter oder dergleichen, die von dem strömenden Medium durchflossen werden können. Es ist auch möglich, dass das Medium lediglich bei Bedarf in Bewegung versetzt wird und andernfalls in der Rohrleitung oder in einem Vorratsbehälter stationär aufgenommen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das strömende Medium eine Flüssigkeit sein, vorzugsweise Wasser oder Öl. Alternativ kann das strömende Medium auch ein Gas sein, vorzugsweise Luft oder Druckluft. Häufig steht in einer Anlage, die das erfindungsgemäße Bauteil enthält, bereits ein strömendes Medium zur Verfügung, beispielsweise kann ein Wasserkreislauf zur Kühlung vorhanden sein, ebenso kann ein strömendes Medium wie Luft oder Druckluft bereits vorhanden sein, das für andere Zwecke vorgesehen ist. Es ist auch möglich, dass ein hydraulisches System vorhanden ist, bestehend aus einer ölgefüllten Rohrleitung, wobei das Öl durch eine Hydraulikpumpe unter Druck gesetzt wird. Es handelt sich in allen Fällen um ein strömendes beziehungsweise zirkulierendes oder in Bewegung versetzbares Medium, das zur Übertragung der kinetischen Energie zu dem Generator oder einem damit gekoppelten Gerät genutzt werden kann.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Generator mit einer durch das strömende Medium antreibbaren Turbine gekoppelt ist. Die Turbine weist Rotorblätter oder Turbinenschaufeln auf, die so ausgebildet und in der von dem strömenden Medium durchflossenen Rohrleitung angeordnet sind, dass die Turbine durch das strömende Medium in Rotation versetzt wird. Die Turbine ist vorzugsweise fest mit dem Generator gekoppelt, so dass eine Generatorwelle durch die Turbine angetrieben wird. Der Generator erzeugt in bekannter Weise elektrischen Strom, wodurch die Stromquelle zur Versorgung des elektrischen Energieverbrauchers gebildet wird.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Generator mit piezoelektrischen Schwingern gekoppelt sein, die durch das strömende Medium antreibbar sind. Derartige piezoelektrische Schwinger, die auch als Piezoelement bezeichnet werden, machen Gebrauch von dem inversen Piezoeffekt. Durch die Einwirkung einer mechanischen Kraft, die von dem strömenden Fluid erzeugt wird, erzeugt das Piezoelement eine elektrische Spannung.
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Eine besonders effiziente Energieübertragung ergibt sich, wenn die Hilfsenergieeinheit als Pumpe ausgebildet ist. Vorzugsweise kann das strömende Medium mittels der Pumpe in einem Kreislauf förderbar sein. Ähnliche Maschinen wie Kompressoren oder Verdichter sind als gleichwertig anzusehen, sofern sie in der Lage sind, das Medium in Bewegung zu setzen oder diesem Arbeitsfähigkeit zu verleihen.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Übertragungsstrecke als drehbare Welle ausgebildet sein, die durch eine als Motor ausgebildete Hilfsenergieeinheit antreibbar ist. Bei dieser Variante der Erfindung wird eine Welle in Drehung versetzt, als Hilfsenergieeinheit dient ein Elektromotor. An einer anderen Stelle der in Drehung versetzten Welle wird die kinetische Energie der Welle genutzt, um einen Generator anzutreiben, um entfernt von der Hilfsenergieeinheit elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
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Vorzugsweise besteht die drehbare Welle des erfindungsgemäßen Bauteils aus einem elektrisch isolierenden Material, wodurch die gewünschte galvanische Trennung zwischen der Hilfsenergieeinheit und der Stromquelle zur Versorgung des elektrischen Energieverbrauchers erzielt wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die drehbare Welle mehrere Teilwellen aufweist, die vorzugsweise durch Kupplungen miteinander verbunden sind. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass auf oder an der drehbaren Welle mehrere verteilt angeordnete Generatoren vorgesehen sind, um an unterschiedlichen Stellen Stromquellen für elektrische Energieverbraucher bereitzustellen.
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Eine ganz besonders kostengünstige Umsetzung der Erfindung wird ermöglicht, wenn der Generator ein Fahrrad-Nabendynamo ist. Derartige Generatoren sind ausgereift und kostengünstig erhältlich.
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Um das erfindungsgemäße Bauteil weiter zu verbessern, kann der Stromquelle ein aufblasbarer elektrischer Energiespeicher zugeordnet sein, in dem durch den Generator erzeugte elektrische Energie speicherbar ist. Der Energiespeicher kann als Batterie, Akkumulator oder Kondensator ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße Bauteil eignet sich besonders gut für Anwendungen, bei denen der Energieverbraucher ein Stromrichter oder ein Bestandteil eines Stromrichters einer Hochspannungsanlage ist.
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Alternativ kann es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauteil um ein Rotorblatt einer Windenergieanlage handeln. In diesem Fall kann ein elektrischer Energieverbraucher im Bereich der Blattspitze oder an einer anderen Stelle mittels einer Hilfsenergieeinheit mit elektrischem Strom versorgt werden, wobei sich die Hilfsenergieeinheit im Bereich der Nabe des Rotorblatts befindet. Vorzugsweise kann der Energieverbraucher als Leuchte ausgebildet sein. Das erfindungsgemäße Bauteil weist keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Energieverbraucher und der entfernt davon angeordneten Hilfsenergieeinheit auf, wodurch sich unter anderem Vorteile beim Blitzschutz ergeben.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils,
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2 ein zweiters Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils, und
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils.
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1 zeigt ein Bauteil 1 mit wenigstens einem elektrischen Energieverbraucher. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bauteil um einen Stromrichter einer Hochspannungsanlage. Derartige Anlagen werden zur Blindleistungskompensation eingesetzt und umfassen für jede Phase sogenannte Submodule mit elektronischen Schaltern, um einen elektrischen Energiespeicher, z. B. einen Kondensator, mit einer Phase der Netzspannung zu verbinden oder davon zu trennen. Durch das schnelle, geregelte Schalten derartiger Submodule kann die Netzspannung in der gewünschten Weise beeinflusst und stabilisiert werden.
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Ein derartiges Submodul weist einen in 1 schematisch dargestellten Energieverbraucher 2 auf, der z. B. für eine Regelung benötigt wird. Aufgrund der hohen vorhandenen Spannungen in dem Stromrichter ist es nicht ohne Weiteres möglich, den Energieverbraucher 2 über elektrische Leitungen mit Energie zu versorgen. Stattdessen ist dem Energieverbraucher 2 ein Generator 3 zugeordnet, der durch kinetische Energie angetrieben wird, so dass er eine Stromquelle für den Energieverbraucher 2 bildet. Der Generator 3 wird von einer Turbine 4 angetrieben, die wiederum durch Kühlwasser angetrieben wird, das Kühlleitungen 5 durchströmt. In 1 erkennt man, dass Kühlwasser in den Kühlleitungen 5 in einem Kreislauf gefördert wird. Eine Pumpe 6 ist räumlich getrennt von dem Generator 3 angeordnet und dient als Hilfsenergieeinheit zum Bereitstellen von kinetischer Energie zum Antreiben des Generators 3. Die Kühlleitungen 5, die zwischen der Hilfsenergieeinheit (Pumpe 6) und dem Generator 3 angeordnet sind dienen als Übertragungsstrecke für die kinetische Energie, d. h. für die in dem gepumpten Kühlwasser enthaltene Bewegungsenergie. Das in den Kühlleitungen 5 zirkulierende Fluid durchströmt einen Wärmetauscher, um von elektrischen oder elektronischen Bauteilen abgegebene Wärme abzuführen.
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Zwischen der Turbine 4 und dem Generator 3 ist eine Kupplung vorgesehen, so dass der Generator 3 nur bei Bedarf eingeschaltet werden kann.
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Neben dem Energieverbraucher 2 sind weitere Energieverbraucher 7, 8 vorhanden, denen jeweils ein Generator 9, 10 zugeordnet ist. Die Energieverbraucher 7, 8 sind identisch zu dem Energieverbraucher 2 aufgebaut. Bei anderen Ausführungen können auch wesentlich mehr Module vorgesehen sein, z. B. mehrere hundert Module, die in Reihe geschaltet sind. Es ist auch möglich, die Energieverbraucher zu kaskadieren.
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Neben dem Energieverbraucher 2 sind weitere Energieverbraucher 7, 8 vorhanden, denen jeweils ein Generator 9, 10 zugeordnet ist. Die Energieverbraucher 7, 8 sind identisch zu dem Energieverbraucher 2 aufgebaut
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit einem elektrischen Energieverbraucher, wobei übereinstimmende Komponenten mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind.
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Das Bauteil 11 umfasst mehrere Module 12 mit Energieverbrauchern 2, 7, 8, die denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen. Das Bauteil 11 weist eine Druckluftversorgung auf, wobei Luft von einem Kompressor 13 komprimiert wird. Über ein verzweigtes Netz von Druckluftleitungen 14 werden die einzelnen Energieverbraucher 2 mit Druckluft versorgt, dort können z. B. pneumatische Ventile oder andere pneumatisch angetriebene Bauteile vorhanden sein.
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Um die Energieverbraucher 2, 7, 8 mit elektrischem Strom zu versorgen, sind in der Druckluftleitung 14 Turbinen 4 vorgesehen, die durch strömende Luft angetrieben werden. Jede Turbine 4 ist mit einem Generator 3 gekoppelt, durch den die in der strömenden Druckluft enthaltende kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Generator 3 bildet somit die Stromquelle zur Versorgung der elektrischen Energieverbraucher 2, 7, 8. Der Kompressor 13 dient als räumlich getrennt von dem Generator 3 angeordnete Hilfsenergieeinheit zum Bereitstellen von kinetischer Energie zum Antreiben der Generatoren. Die Druckluftleitung 14 dient als Übertragungsstrecke zwischen der als Kompressor 13 ausgebildeten Hilfsenergieeinheit und dem Generator 3. Auf diese Weise können Energieverbraucher 2, 7, 8 der einzelnen Module 12 durch lokal erzeugten bzw. umgewandelten Strom mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei die Hilfsenergieeinheit an einer räumlich getrennten und entfernten Stelle angeordnet ist. Dementsprechend kann auf elektrische Leitungen zur Versorgung der Energieverbraucher 2, 7, 8 verzichtet werden.
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Alternativ zu der in den 1 und 2 gezeigten Erzeugung von elektrischem Strom durch eine Turbine-Generator-Anordnung, bei der die Turbine durch ein strömendes Medium angetrieben wird, könnten auch piezoelektrische Schwinger eingesetzt werden. Eine Verformung dieser piezoelektrischen Schwinger bewirkt durch den piezoelektrischen Effekt eine Ladungstrennung, d. h. die Entstehung einer elektrischen Spannung, so dass ein piezoelektrischer Schwinger als Stromquelle zur Versorgung eines Energieverbrauchers eingesetzt werden kann.
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Bei den beschriebenen Turbinen und Generatoren ist die Lagerung als Magnetlagerung oder Luftlagerung ausgebildet. Die Erregung der Generatoren kann durch Permanentmagnete erfolgen. Die Turbine-Generator-Anordnungen können als Modul ausgebildet sein, wobei ein derartiges Modul auch die Erregung des Generators und die Lagerung umfasst. Bei diesen Modulen kommt es weniger auf den Wirkungsgrad als auf einen wartungsfreien, zuverlässigen Dauerbetrieb an.
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Die in den 1 und 2 gezeigten Bauteile weisen ohnehin Hilfsenergien wie die Druckluft oder Kühlwasser auf, die vorteilhaft genutzt werden können, um den Energieverbrauchern eine Stromquelle zur Verfügung zu stellen, ohne dass separate Stromleitungen oder dergleichen erforderlich sind. Auf diese Weise können viele dezentral angeordnete Energieverbraucher mit jeweils kleiner Leistungsaufnahme galvanisch getrennt versorgt werden.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiele eines Bauteils mit elektrischen Energieverbrauchern. Das Bauteil 15 umfasst mehrere Module 12 mit Energieverbrauchern 2. In einer Hochspannungsanlage mit elektrischen Stromrichtern gibt es viele elektrische Baugruppen wie die Energieverbraucher 2, die auf Hochspannungspotential liegen. Die in 3 gezeigten mehreren Module 12 weisen jeweils einen oder mehrere Energieverbraucher 2 auf, die Energieverbraucher verschiedener Module befinden sich auf unterschiedlichem Potential. Aus diesem Grund ist die Stromversorgung der Energieverbraucher 2 der Module 12 normalerweise schwierig und aufwendig.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Welle 16 von einem Elektromotor 17 angetrieben. Dabei kann die Welle 16 aus zwei oder mehr Teilwellen bestehen, die durch eine flexible Kupplung 18 miteinander verbunden sind. In Abhängigkeit der Anzahl der zu versorgenden Energieverbraucher kann die Welle auch in mehr als zwei Teilwellen geteilt sein. Entlang der Welle 16 sind mehrere Gleitlager 19, 20 vorgesehen, in denen die Welle 16 gelagert ist. Die Welle 16 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, in diesem Fall aus einem Kunststoffmaterial. An mehreren Stellen entlang der Welle 16 sind Generatoren 21 angeordnet, die direkt von der Welle 16 angetrieben werden. Auf diese Weise bildet jeder Generator 21 eine Stromquelle zur Versorgung eines elektrischen Energieverbrauchers 2. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein herkömmlicher Fahrrad-Nabendynamo als Generator 21 verwendet, derartige Bauteile sind preiswert und zuverlässig. Die Generatoren 21 erzeugen eine Ausgangsspannung von mehreren Volt, die für die Versorgung des Energieverbrauchers 2 ausreicht.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bauteils mit wenigstens einem elektrischen Energieverbraucher. Das Bauteil 22 ist ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, das im Bereich der Blattspitze 23 elektrische Beleuchtungselemente 24 aufweist. Aus Gründen des Blitzschutzes vermeidet man eine Stromversorgung der an der Blattspitze 23 angeordneten Beleuchtungselemente 24 über elektrische Leitungen, die sich in Längsrichtung des Rotorblatts erstrecken. Stattdessen ist im Bereich der Nabe eine als Hydraulikpumpe 25 ausgebildete Hilfsenergieeinheit vorgesehen, die mit zwei Hydraulikleitungen 26, 27 gekoppelt ist, die die Hydraulikpumpe 25 mit einem Hydraulikmotor 28 verbinden. Auf diese Weise wird Hydrauliköl, das sich in den Hydraulikleitungen 26, 27 befindet, im Kreislauf von der Hydraulikpumpe 25 über eine Hydraulikleitung zum Hydraulikmotor 28 und von dort über die andere Hydraulikleitung in einem Kreislauf gefördert.
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Der Hydraulikmotor 28 weist eine Abtriebswelle auf, die mit der Antriebswelle eines Generators 29 gekoppelt ist, so dass beim Fördern des Hydrauliköls elektrischer Strom erzeugt wird. Diese elektrische Energie dient zur Versorgung der Beleuchtungselemente 24, die sich an der Blattspitze 23 des Rotorblatts befinden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine wiederaufladbare Batterie 30 vorgesehen, die als Zwischenspeicher bzw. Energiespeicher dient. Anstelle einer wiederaufladbaren Batterie könnte auch ein Akkumulator oder ein Kondensator (Supercap) als Energiespeicher eingesetzt werden.
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Die Beleuchtungselemente 24 umfassen Leuchtdioden, die sich durch einen geringen Stromverbrauch auszeichnen, dementsprechend kann der Generator 29 eine ausreichende Energiemenge zur Verfügung stellen. Auf diese Weise wird elektrische Energie für Beleuchtungselemente bereitgestellt, ohne dass elektrische Leitungen zwischen den Beleuchtungselementen und der Nabe des Rotorblatts benötigt werden. Die Hydraulikleitungen 26, 27 dienen als Übertragungsstrecke für kinetische Energie, die durch im Kreislauf gefördertes Hydrauliköl übertragen wird. Die kinetische Energie wird dem Hydrauliköl am Anfang der Übertragungsstrecke durch die Hydraulikpumpe 25 verliehen, am Ende der Übertragungsstrecke, an dem Hydraulikmotor 28, erfolgt der umgekehrte Vorgang, nämlich die Umwandlung der kinetischen Energie zurück in elektrische Energie.
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Die Leistung des Generators kann über die Durchflussmenge bzw. den von der Hydraulikpumpe 25 erzeugten Hydraulikdruck eingestellt werden. Die Hydraulikleitungen 26, 27 sind als Schläuche ausgebildet, die bereits beim Laminieren der Rotorblätter an der Innenseite befestigt und mit einlaminiert werden. Durch den geschlossenen Kreislauf muss keine potentielle Arbeit verrichtet werden, lediglich die Reibungsverluste entlang der Übertragungsstrecke sowie die Leistungsverluste durch den Hydraulikmotor 28 müssen zusätzlich zur übertragenen Energie aufgebracht werden.
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Der im Bereich der Blattspitze 23 angeordnete Hydraulikmotor 28 wandelt die kinetische Energie des Hydrauliköls in mechanische Arbeit und mittels des Generators 29 in elektrische Energie um. Für die Batterie 30, die als Zwischenspeicher dient, ist eine Ladestromsteuerung vorgesehen. Beim Ausfall des hydraulischen Systems kann die Batterie 30 als Notversorgung der Blattspitzenbefeuerung dienen.
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Zur Überwachung der Funktion der Beleuchtungselemente 24 können faseroptische Kabel verwendet werden, über die sich Informationen zwischen Nabe und Blattspitze übertragen lassen, ohne dass eine elektrische Verbindung, d. h. elektrisch leitende Kabel, benötigt werden. Bei dem als Rotorblatt ausgebildeten Bauteil 22 wird eine hydraulische Kraftübertragung verwendet, um die gewünschte galvanische Trennung von einer elektrischen Stromversorgung und elektrischen Stromverbrauchern zu realisieren. Auf diese Weise können Stromquelle und Energieverbraucher auf unterschiedlichen Potentialen betrieben werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine bestehende Blitzschutzanlage nicht beeinflusst wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
