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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Energieerzeugung für mehrere Anwendungen, einschließlich der Überführung von mechanischer Energie in elektrische Energie.
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Hintergrund
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Typischerweise erfordern Energieerzeugungssysteme erhebliche Investitionsausgaben und/oder eine beträchtliche Komplexität, einschließlich der Komplexität der Steuerungen sowie der Energieübertragungssysteme. Systeme mit hohen Investitionsausgaben erfordern lange Betriebsdauern, um einen Kostendeckungspunkt für die Kosten der Erstinstallation zu erreichen. Falls diese Energieerzeugungssysteme auch eine fortlaufende Instandhaltung erfordern, verlängert sich daraufhin die Kostendeckungsdauer noch weiter. Sogar noch weiter, falls die Abschreibungsdauer des Energieerzeugungssystems aufgrund einer verringerten kommerziellen Nutzungsdauer infolge einer sich mindernden Effizienz, der Kostendeckungspunkt und der abgeschriebene Vermögenswert einen Nettogewinn von Null erzielen, wenn das System eine Außerbetriebssetzung nahe am Kostendeckungspunkt erfordert. Im schlimmeren Fall, wenn die kommerzielle Nutzungsdauer des Systems kürzer als geplant ist, könnte das System Lebensdauerkosten haben, die negativ sind.
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Für diejenigen Systeme, welche einen hohen Grad an Komplexität erfordern, wird der von der hocheffizienten Energieerzeugung erzielte Nutzen durch die Kosten für Instandhaltung, für teure Bauteile oder hochqualifizierte Arbeitskräfte, welche für die Instandhaltung erforderlich sind, gemindert.
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Daher ist es wünschenswert, ein Energieerzeugungssystem zu haben, das robust ist, mit einer relativ geringen Komplexität, welche zu niedrigen Instandhaltungskosten mit einer kurzen Kostendeckungsdauer aufgrund eines relativ niedrigeren Investitionsaufwands führt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Energieerzeugungssystem bereit, umfassend ein Schwungrad; einen Motor, welcher so angeordnet ist, dass er besagtem Schwungrad Energie zuführt, wobei besagter Motor ein Getriebesystem beinhaltet, um zwischen einer Niedergeschwindigkeitszufuhr und einer Hochgeschwindigkeitszufuhr umzuschalten; einen Generator in Verbindung mit dem Schwungrad, um Energie von besagtem Schwungrad zu erhalten; wobei der Motor und das Getriebesystem so angeordnet sind, dass sie die Rotation des Schwungrads bei einer niedrigen Geschwindigkeit initiieren und dann zu einer hohen Geschwindigkeit umschalten, um besagtes Schwungrad bei einer optimalen Rotationsgeschwindigkeit zu betreiben.
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In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Energieerzeugung bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Schwungrads; Zuführen von Energie zu besagtem Schwungrad bei einer niedrigen Geschwindigkeit, um die Rotation besagten Schwungrads zu initiieren; dann Umschalten zwischen einer Niedergeschwindigkeitszufuhr und einer Hochgeschwindigkeitszufuhr; dann Zuführen von Energie zu besagtem Schwungrad bei einer hohen Geschwindigkeit; und somit Übertragen von Energie von besagtem Schwungrad auf einen Generator.
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Daher kann ein Getriebesystem, welches eine Niedergeschwindigkeitsinitiierung der Rotation gefolgt von einer Hochgeschwindigkeitszufuhr erlaubt, die Gesamtenergiezufuhr verringern, was die Effizienz des Systems verbessert.
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Ferner ist die Komplexität als ein mechanisches System relativ gering und kann robust konstruiert sein, was zu einer erhöhten Lebensdauer führt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Es wird zweckdienlich sein, die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, die mögliche Anordnungen der Erfindung veranschaulichen, weiter zu beschreiben. Andere Anordnungen der Erfindung sind möglich, und folglich ist die Besonderheit der beigefügten Figuren nicht als die Allgemeingültigkeit der vorhergehenden Beschreibung der Erfindung ersetzend zu verstehen.
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1 ist eine Seitenansicht eines Energieerzeugungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Seitenschnittansicht des Energieerzeugungssystems von 1;
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3 ist eine Endansicht des Energieerzeugungssystems von 1;
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4 ist ein Energieerzeugungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Eine Ausführungsform des Energieerzeugungssystems wird mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. Eine zweite Ausführungsform wird in 4 gezeigt.
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Wie in 1 gezeigt, beinhaltet das Energieerzeugungssystem (5) ein Doppelschwungrad, welches mit einer Übertragungsriemenscheibe (15) durch eine Übertragungswelle (30) verbunden ist. 1 zeigt die Übertragungswelle in zwei Positionen (30A, 30B) entsprechend der Rotation des Schwungrads (10).
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Jedes Unter-Schwungrad (10A, 10B) beinhaltet eine gewichtete Umlaufschiene (12), welche den Großteil der Masse des Schwungrads enthält. Das Schwungrad beinhaltet Speichen (8), welche so geformt sind, dass sie den Luftwiderstand verringern, und daher in 1 so geformt sind, dass das Schwungrad im Uhrzeigersinn rotiert. Andere Formen der Speichen können möglich sein, einschließlich eines aerodynamischen Querschnitts, um Verluste durch den Luftströmungswiderstand weiter zu verringern. Die Speichen (8) ragen aus einer Nabe (7) heraus, um welche das Schwungrad rotiert.
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In 1 wird auch eine Übertragungswelle (30) in zwei Positionen gezeigt, welche sich von Position 30A zu Position 30B bewegt, wenn das Schwungrad (10) im Uhrzeigersinn rotiert. Wie in 3 zu sehen und unten ausführlicher beschrieben ist, überträgt die Übertragungswelle (30) über entsprechende Achsen und Kurbeln Energie von der Übertragungsriemenscheibe (15) zum Schwungrad (10).
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Die Übertragungsriemenscheibe (15) ist durch einen Riemenantrieb (26) mit einem Motor (20) verbunden. Insbesondere beinhaltet der Motor eine Welle, welche zwei Riemenscheiben (27, 29) mit unterschiedlichen Durchmessern hat. Der Riemen, welcher mit der Riemenscheibe (29) mit dem größeren Durchmesser verbunden ist, wurde in 1 aus Gründen der Klarheit weggelassen, kann aber in 2 gesehen werden.
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Der Motor (20) beinhaltet ein Getriebesystem (nicht gezeigt), um zwischen den Riemenscheiben mit dem kleinen und dem großen Durchmesser umzuschalten, wie später erklärt werden wird. Das Getriebesystem kann ein herkömmliches Getriebe innerhalb des Motorgehäuses sein. Alternativ kann das Getriebesystem ein selektiv zuschaltbares an der Welle befestigtes Untersetzungsgetriebe sein. Weiter noch kann das Getriebesystem ein selektiv zuschaltbares Planetenuntersetzungsgetriebe sein.
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Das Schwungrad (10) ist mit einem Generator (40) durch einen Riemenantrieb verbunden, welcher in 1 weggelassen wurde, aber in 2 gesehen werden kann.
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2 zeigt eine Schnittansicht des Energieerzeugungssystems (5). Diese Schnittansicht zeigt die Anordnung des Motors (20) und die Zuschaltung der Riemenscheibe (29) mit dem großen Durchmesser über den Riemen (28). Der Riemenantrieb, welcher das Schwungrad (10) mit dem Generator (40) verbindet, kann auch durch die Riemenscheibe (50) über den Riemen (55) gesehen werden.
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3 zeigt eine Seitenansicht, welche anzeigt, dass das Schwungrad (10) tatsächlich aus zwei Unter-Schwungrädern (10A, 10B) besteht. Die Übertragungsriemenscheibe (15) beinhaltet eine Kurbelwelle (60), welche eine mit der Übertragungswelle (30) verbundene Kurbel (65) hat. Diese wiederum ist mit einer zentralen Kurbelwelle (75) durch eine Kurbel (70) verbunden, um die Unter-Schwungräder (10A, 10B) anzutreiben. Diese Bewegung wird dann auf die große Riemenscheibe (50) übertragen.
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Das Energieerzeugungssystem arbeitet daher über den Motor (20), welcher die Riemenscheibe (27) mit dem kleinen Durchmesser zuschaltet, um das kleine Schwungrad (15) anzutreiben. Die Riemenscheibe (27) mit dem kleineren Durchmesser ist als eine Möglichkeit zur Lastauslösung ausgewählt, um die Bewegung des Schwungrads (10) zu initiieren. Sobald das Schwungrad (10) eine Schwellengeschwindigkeit erreicht, schaltet das Getriebesystem die Riemenscheibe (27) mit dem kleinen Durchmesser ab und schaltet die Riemenscheibe (29) mit dem großen Durchmesser zu, um die Geschwindigkeit des Schwungrads zu erhöhen. Beispielsweise kann die optimale Geschwindigkeit der Riemenscheibe (29) mit dem großen Durchmesser 1440 U/min betragen, was zur Übertragung einer Geschwindigkeit von 393 U/min auf die Übertragungsriemenscheibe (15) führt.
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Durch langsames Starten der Rotation des Schwungrads (10) wird die Trägheit bei relativ niedriger Energiezufuhr überwunden. Durch Umschalten auf die größere Riemenscheibe (29) wird eine höhere Geschwindigkeit bei relativ niedriger Energiezufuhr aufrechterhalten, da das Schwungrad (10) bereits in Bewegung ist. Nachdem das Schwungrad (10) mit der größeren Masse in Bewegung gesetzt worden ist, startet dies die Energieerzeugung durch den Generator (40) und kann durch den Schwung des Schwungrads (10) aufrechterhalten werden, wobei die große Umlaufmasse bei einer optimalen Geschwindigkeit durch eine optimale Hochgeschwindigkeitszufuhr vom Motor (20) gehalten wird. In der vorliegenden Anordnung von 1 bis 3 kann die Zufuhrmotorgröße variiert werden, um die Ausgangsenergieerzeugung zu variieren. Im Falle, dass das Schwungrad eine größere Masse hat, und daher mehr als zwei inkrementelle Schritte erfordert, um die optimale Geschwindigkeit zu erreichen, können mehrere am Motor befestigte Riemenscheiben anstatt der Zwei-Riemenscheiben-Anordnung von 1 bis 3 verwendet werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das Energieerzeugungssystem (100) in einen Rahmen (120) eingebaut ist, wobei ein Schwungrad (105) durch einen Motor (115) über ein Getriebe (110) und ein Riemenscheibensystem (nicht gezeigt) angetrieben wird. Das Getriebesystem arbeitet so, dass es die initiale Bewegung des Schwungrads (105) bei einer niedrigen Geschwindigkeit mit inkrementellen Geschwindigkeitsschritten über die Auswahl durch das Getriebesystem (110) startet. Somit wird in dieser Anordnung das Energieerzeugungssystem auslieferbereit unterteilt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Generator in Reihe mit dem Schwungrad (105) durch eine koaxiale Welle (125) enthalten sein. Somit werden Energieverluste durch den Riemenantrieb der Anordnung von 1 bis 3 über den Direktantrieb zwischen dem Schwungrad (105) und dem Generator (nicht gezeigt) beseitigt.
