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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für die Speicherung von Energiemengen im Bereich von 5 kWh bis 10 kWh über längere Zeit, vorzugsweise 24 h. Derartige Speicher werden vor allem für die Speicherung von Solarenergie in Einfamilienhäusern eingesetzt.
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Entsprechend dem Stand der Technik finden heute fast ausschließlich Akkumulatoren ohne Stoffaustausch auf Lithium-Basis für solche Speicheraufgaben Verwendung. Diese Akkumulatoren haben den Nachteil einer auf rund 20 Jahre beschränkten Lebensdauer und verursachen durch die eingesetzten Materialien beim Recycling größere Probleme.
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Akkumulatoren ohne Stoffaustausch auf Lithium-Basis können derzeit nur eine mittelmäßige Recyclingquote von maximal 65% erreichen, wobei der Recyclingprozess so energie- und kostenintensiv ist, dass die meisten Betriebe ein Recycling mit Quoten knapp unter 50% durchführen. Dadurch bleibt die Nachfrage nach dem Abbau von Lithium weiterhin ungebremst - ungeachtet der ökologischen Nachteile. Kapazitäts- und Leistungsverluste während der Einsatzzeit sind bei Akkumulatoren ohne Stoffaustausch die Regel, denn mit jeder zusätzlichen Be- und Entladung bilden sich elektrochemische Ablagerungen an den Batterieelektroden - die sogenannte Dendritenbildung. Diese führt unter anderem dazu, dass Speicherkapazität sowie Speicherleistung über die Zeit kontinuierlich abnehmen (Degradation), und die Lebensdauer solcher markttypischer Stromspeicher für Solarenergie ist somit begrenzt. Es gibt zwar mittlerweile auch Akkumulatoren mit Stoffaustausch zur Speicherung von Solarenergie in Einfamilienhäusern, sogenannte Redox-Flow-Batterien, welche die zuvor angeführten Nachteile nicht aufweisen, aber diese Batterien haben bei relativ großem Volumen gegenüber anderen Speichern geringere Nennleistungen und Wirkungsgrade. Ein Beispiel dafür sind die Redox-Flow-Batterien der Firma Voltstorage (www.voltstorage.com), beschrieben auch im Patent
DE102016004027A1 . Schwungrad-Energiespeicher weisen alle zuvor angeführten Nachteile nicht auf und hat sogar gegenüber Redox-Flow-Batterien eine höhere Recyclingquote, da der Großteil der Speichermasse aus Stahl besteht.
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Schwungrad-Energiespeicher mit Magnetlagern sind seit langem bekannt. Durch die Magnetlager werden geringste Lagerverluste und ein verschleißfreier Lagerbetrieb realisiert, wodurch prinzipiell die Speicherung der Energie über längere Zeit möglich wird.
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Schwungrad-Energiespeicher mit Magnetlagern haben gegenüber Akkumulatoren den Vorteil einer stark erhöhten Lebensdauer. Wenn die Elektronikkomponenten mit erwartungsgemäß kürzerer Lebensdauer und die Vakuumpumpen regelmäßig gewartet bzw. im Rhythmus von 10 Jahren getauscht werden, ist eine Lebensdauer von 50 Jahren realisierbar.
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Bekannt ist eine Schwungrad-Anordnung mit einem Stahlrotor und zwei aktiv geregelten Magnetlagern der Firma Vycon (www.vyconenergy.com) -siehe
US6897587B1 . Dieses Schwungradsystem wird in Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eingesetzt. Diese Anordnung hat den Nachteil hoher Kosten, welche durch die zwei elektrisch aktiv geregelten Magnetlager verursacht werden.
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Im Patent
US6825588B2 von C. W. Gabrys und D. R. Campbell sind Anordnungen mit radial passiven Magnetlagern oberhalb und unterhalb des Rotors und einem axial elektrisch aktiv geregelten Magnetlager beschrieben. Diese Anordnungen haben auch den Nachteil eines hohen Kostenaufwandes, da sowohl der Rotor als auch das Gehäuse sehr genau bearbeitet werden müssen.
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Eine etwas andere Anordnung dieses Lagerkonzeptes beschreiben J. K. Fremerey und A. Weller im Patent
DE3409047C2 . Mit dieser Lageranordnung wurde auch ein Schwungradspeicher realisiert und ein schwingungsfreier Lauf des Rotors durch die erfindungsgemäß eingebauten Dämpfungselemente erreicht (M. Kolk, Ein Schwungrad-Energiespeicher mit permanentmagnetischer Lagerung, Diss., Berichte des Forschungszentrums Jülich Jül-3470, 1997). Dieser Speicher kann jedoch nur eine geringe Energiemenge von 0,5 kWh aufnehmen und ist daher für die Anwendung zur Speicherung von Solarenergie in Einfamilienhäusern ungeeignet.
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Die Anwendung von Schwungrad-Energiespeichern für die Speicherung von Solarenergie wurde am freien Markt noch nicht erschlossen, da die Kosten zur Fertigung solcher Systeme bisher zu hoch waren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Schwungradanordnung zu schaffen, die geringste Leerlaufverluste hat und sehr kostengünstig zu fertigen ist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die Anordnung eines vorzugsweise zylinderförmigen Rotors aus sehr festem Stahl entsprechend den Vorgaben des Anspruchs 1 ergibt sich im Betrieb der überraschende Effekt eines sehr guten Laufverhaltens. Das ermöglicht, nur mit einer Lageranordnung oberhalb des Rotors auszukommen. Folglich gestaltet sich auch die Fertigung des Gehäuses wesentlich einfacher, da die aufwendige präzise Fertigung und Zusammenfügung vom Gehäuseoberteil mit dem Gehäuseunterteil entfällt. Außerdem reduzieren sich die Kosten für die Magnetlagerung erheblich, da nur noch eine Lageranordnung eingebaut werden muss.
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Als Motor wird zweckmäßiger Weise eine Variante benutzt, welche im Leerlaufbetrieb keiner Verluste erzeugt - wie z. B. ein Reluktanzmotor oder ein Homopolarmotor. Dadurch sind geringste Verluste realisierbar, und der Energiebedarf im Leerlauf ist sehr gering. Es wird eine geringe Dauerleistung zur Aufrechterhaltung der System-Steuerung des Schwungrad-Energiespeichers und zeitweise eine geringe Leistung zur Aufrechterhaltung des im Gehäuse erzeugten Vakuums benötigt.
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Der neue Schwungrad-Energiespeicher soll nur an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu ist in 1 ein schematischer Schnitt durch den Speicher dargestellt. In 2 ist der obere Teil des Schwungrad-Energiespeichers im Schnitt vergrößert dargestellt.
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Der Schwungrad-Energiespeicher besteht aus einem Stahlrotor (1), vorzugsweise ein gerader Kreiszylinder, aus sehr festem Stahl mit dem Durchmesser (D) und der Höhe (H), wobei das Verhältnis D/H gleich 0,23 ist. Der Stahlrotor (1) hat oben einen Wellenansatz (14), auf dem der Rotor des Reluktanzmotors (5) angeordnet ist. Unterhalb des Motors befindet sich auf dem Wellenansatz die rotorseitige Komponente des radial passiven Magnetlagers (3). Die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten sind in 2 durch Pfeile eingezeichnet. Das radial passive Magnetlager besteht aus zwei axial magnetisierten Magnetringen (11), die auf der Welle befestigt sind und aus zwei Paaren ebenfalls axial magnetisierter Magnetringe (12), die im inneren Gehäuseteil (7) fest eingebaut sind. Das axial aktive Magnetlager (4) besteht aus einem axial magnetisierten und auf dem Wellenansatz (14) befestigten Magnetring (10) und einem im inneren Gehäuseteil (7) fest eingebauten Elektromagneten (9), der zur Stabilisierung der axialen Position nötig ist.
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Es sind zwei Notlauflager (15) zur Begrenzung der Auslenkung des Rotors in axialer und radialer Richtung angeordnet, damit beim Ausschalten des Schwungradspeichers durch komplette Entladung und anschließende Beendigung der Regelung des axial aktiven Magnetlagers (4) keine Schäden an den Magneten und Motorkomponenten entstehen können.
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Der Sensor zur Messung der axialen Wellenposition (16) ist für die elektronische Regelung des axial aktiven Magnetlagers (4) erforderlich.
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Das Gehäuse (8) des Schwungradspeichers besteht aus einem langen Stahlrohr mit dem Deckel (19), welches in eine Erdbohrung eingelassen und dann verankert wird. Die Installation des Schwungrad-Energiespeichers unter der Erde verhindert im Berstfall Schäden über der Erde. Im Gehäuse (8) ist ein inneres Gehäuseteil (7) angeordnet, in dem der Stator des Antriebsmotors (6) und die jeweiligen starren Komponenten der beiden Magnetlager (9,12) eingebaut sind. Das innere Gehäuseteil (7) ist mit dem Gehäuse (8) durch die Schrauben (13) luftdicht verbunden.
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Der Luftraum innerhalb von Gehäuse (8) und innerem Gehäuseteil (7) wird durch ein Vakuumsystem (17) evakuiert, da ansonsten durch die Luftreibung im Betrieb hohe Leerlaufverluste und unzulässige Rotorerwärmung auftreten würden.
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Das System wird durch eine Elektronik (18) komplettiert, welche die Steuerung des Energiespeichers bewerkstelligt
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Für den Transport des Schwungrad-Energiespeichers ist eine Arretierung des Stahlrotors vorgesehen, welche in 1 und 2 nicht dargestellt wurde. Der Schwungrad-Energiespeicher muss vor Inbetriebnahme genau senkrecht aufgestellt und im Erdreich gut verankert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stahlrotor
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Radial passives Magnetlager
- 4
- Axial aktives Magnetlager
- 5
- Rotor des Antriebsmotors
- 6
- Stator des Antriebsmotors
- 7
- Inneres Gehäuseteil
- 8
- Gehäuse
- 9
- Elektromagnet des axial aktiven Magnetlagers
- 10
- Magnetring des axial aktiven Magnetlagers
- 11
- Magnetringe des radial passiven Magnetlagers (auf der Welle befestigt)
- 12
- Magnetringe des radial passiven Magnetlagers (im Gehäuse befestigt)
- 13
- Verschraubung von innerem Gehäuseteil und Gehäuse
- 14
- Wellenansatz
- 15
- Notlauflager
- 16
- Sensor zur Messung der axialen Wellenposition
- 17
- Vakuumsystem
- 18
- Elektronik
- 19
- Deckel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004027 A1 [0003]
- US 6897587 B1 [0006]
- US 6825588 B2 [0007]
- DE 3409047 C2 [0008]
