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Die Erfindung betrifft ein System zur Umwandlung und Speicherung von mechanischer und elektrischer Energie. Hierbei wird Energie in Schwungmassen und elektrischen Akkumulatoren gespeichert, wobei die Energie in verschiedenen Formen in das Umwandlungssystem eingeführt werden kann und in Form von elektrischem Strom diesem entnommen wird.
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Als Energieformen zur Einbringung in das System können Solarenergie, Maschinen, die thermodynamische rechtsdrehende Prozesse ausführen, wie Dampfturbinen, Gasturbinen, Verbrennungsmotoren, dann von Wasserkraftgeneratoren, die von Fließgewässern oder von Strömungen aufgrund von Gezeiten angetrieben werden, oder auch die, die sonstwie Rotationsenergie der Erde oder des Mond-Erde-Systems umsetzen, zum Einsatz kommen.
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Das Energieumwandlungssystem besteht aus den folgenden Baugruppen:
- • mindestens einem Motor und einem Generator mit einem Anschluss an das Stromnetz und ggf. einem Umrichter,
- • einem Übersetzungsgetriebe,
- • einem Untersetzungsgetriebe,
- • mindestens einer rotierenden Schwungmasse,
- • einem Kurbeltrieb,
- • Pendeln mit Gewichten,
- • optional Zahnstangen,
- • mindestens einem elektrischen Akkumulator/Batterie.
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Die Baugruppen wirken dabei auf die folgende Weise zusammen.
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Der Motor wird entweder mit Strom aus einem externen Netz oder aus einem Akkumulator, beispielsweise einer handelsüblichen Autobatterie gestartet. Je nachdem, um welche Stromquelle es sich handelt und was für ein Motor eingesetzt wird, kommt ein Umrichter zum Einsatz, der auf den Bedarf des Motors abgestimmt ist und den Strom entsprechend umformt.
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Der Motor ist mit einem Untersetzungsgetriebe und einem Übersetzungsgetriebe verbunden. Das Übersetzungsgetriebe treibt eine rotierende Schwungmasse an, die auf diese Weise auf eine hohe Drehzahl gebracht wird. Die Schwungmasse rotiert hierbei um eine waagerechte Achse. Statt einer einzigen Schwungmasse können auch mehrere miteinander verbundene Schwungmassen zum Einsatz kommen. Das Übersetzungsgetriebe besteht im einfachsten Fall aus einem Riemenantriebs mit einem großen Rad, welches an der Achse des Motors befestigt ist, und einem mit dem Riemen verbundenen kleinen Rad, welches mit der Achse der Schwungmasse verbunden ist.
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Das Untersetzungsgetriebe besteht im einfachsten Fall aus mehreren Kettenrädern unterschiedlichen Durchmessers, die mit Ketten verbunden sind. Das letzte dieser Kettenräder treibt einen Kurbeltrieb an, der aus der Kreisbewegung eine Kolbenbewegung erzeugt. Diese Kolbenbewegung bewegt waagerecht gelagerte Kolbenstangen.
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Die Kolbenstangen treiben jeweils ein Pendel an, bei dem ein abwärts an einer Hebelstange hängendes Gewicht eine Pendelbewegung ausführt. Gegenüber einer senkrechten Ruhelage lenkt die Pendelbewegung die Pendelstangen und einen Winkel zwischen plus/minus 30 bis 60 Grad, vorzugsweise plus/minus 45 Grad aus. Es handelt sich dabei um eine geführte, nicht-harmonische Pendelbewegung.
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Am Ende des Pendelweges, den die am Ende der Pendelstange angebrachten Gewichte in einer Hin- und Her-Bewegung ausführen, befinden sich Sprungfedern, die die Richtungsumkehr, die dem Pendeln entspricht, zusätzlich fördern. Optional werden Zahnstangen an den Enden der Pendelstangen vorgesehen, die über ein Zahnrad und ein Kurbelgetriebe mit einem Generator verbunden sind. Alternativ ist der Kurbeltrieb ist mit einem weiteren Übersetzungsgetriebe verbunden, welches mit dem Generator verbunden ist. Auch dieses Übersetzungsgetriebe kann mit Schwungmassen ausgestattet sein. Am Ende dieses Übersetzungsgetriebes befindet sich der Generator.
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Motor und Generator können über einen Schalter und ggf. einen Transformator elektrisch miteinander verbunden werden.
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Sobald die Enddrehzahl der Schwungmasse und die Pendelfrequenz erreicht sind, kann die Stromzufuhr des Motors gestoppt werden. Für den Fall, dass elektrische Energie benötigt wird, kann der Generator einen elektrischen Verbraucher bedienen oder die Batterie aufladen.
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Sofern die elektrische Energie zum Starten des Systems nicht einem Stromnetz entnommen werden soll, kann sie als Gleichstrom aus der Batterie entnommen und über einen weiteren Anlassermotor, der mit dem Generator oder dem Motor verbunden ist, in das System eingespeist werden. Natürlich kann der Strom aus der Batterie auch über einen Umrichter / Transformator umgewandelt und direkt in den Motor eingespeist werden.
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Je nach Art der Schwungmassen können dem System auf diese Weise in kurzer Zeit große Energiemengen entzogen werden, während sie mit wechselnden Gleichstromquellen über einen längeren Zeitraum eingespeichert wurden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Beispielen in 1 und 2 näher erläutert:
- 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel
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Den Rahmen 1 bilden aufrechte Träger, die fixiert sind, wobei die Fixierungen hier nicht gezeigt werden. An diesem Rahmen 1 sind die waagerechten Achsen 3, 6, 9 und 28 aufgehängt, wobei die Achse 9 zusätzlich durch die Träger 14 abgestützt wird.
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Der unten aufgestellte Motor 13 treibt über das Getriebe 11 die Achse 9 an, an der die Schwungmasse 10 befestigt ist. Über ein weiteres Getriebe 12 wird die Achse 28 angetrieben, an der die Schwungmasse 8 befestigt ist. Diese treibt über ein weiteres Getriebe 2 die Achse 6 an, an der die Schwungmasse 5 befestigt ist. Die Achse 6 ist einerseits über ein Getriebe 4 mit dem Generator 7 verbunden und andererseits über ein Getriebe 26 mit der Achse 3.
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Die Achse 3 treibt über ein Kurbelgetriebe 25 die Kolben 22 an, die waagerecht an den Rollen 23 und 24 in einer Schiene 21 zwangsgeführt werden. Die Kolben 22, die als Schubstangen ausgeführt sind, sind dabei an ihren beiden Enden mit Kurbelgelenken 29 versehen. An ihrem dem Kurbelgetriebe 25 abgewandten Seite sind die Kurbeln 27 an den Enden 29 von Pendelstangen 17 angelenkt.
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Die Pendelstangen 17, gezeigt sind dabei vier solche Pendelstangen, wobei es erfindungsgemäß aber auch mehr oder weniger sein können, schwingen um die Pendelachse 18, an der sie drehbar in den Gelenken 30 gelagert sind. Vorzugsweise ist die Anzahl der Pendelstangen gerade und die Schwingungen werden gegenläufig ausgeführt, so dass sich die jeweiligen Momente gegenseitig aufheben. Die Pendelachse 18 wird vom Rahmen der aufrechten Träger 16 gehalten.
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An den unteren Enden der Pendelstangen 17 sind Gewichte 20 angebracht, was die Schwungmassen der Pendelstangen 17 erhöht. Am einen Ende des Pendelweges stoßen die Gewichte 20 an Sprungfedern 19 an, die an einer Querstange befestigt sind, wobei die Querstange an aufrechten Trägern 15 fixiert ist. Am anderen Ende des Pendelweges sind keine Sprungfedern angebracht.
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Generator 7 und Motor 13 können elektrisch verbunden werden, wobei natürlich Einrichtungen zur Synchronisation vorzusehen sind. Sowohl der Generator 7 als auch der Motor 13 können über einen zuschaltbaren Netzanschluss 31 verfügen, wobei es sich nicht um das allgemeine Stromnetzt, sondern auch um ein lokales, im Inselbetrieb betriebenes Stromnetz handeln kann.
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Weiterhin enthält das System einen elektrischen Energiespeicher 32, in den Gleichstrom 33 eingeleitet und Gleichstrom 34 entnommen werden kann. Über einen verbundenen Umrichter/Transformator 35 kann Energie auch vom Generator 7 oder zum Motor 13 geleitet werden, im Normalfall wird ca. fünf Minuten nach der Zufuhr aus dem Stromnetz oder dem Energiespeicher der Generator mit dem Motor verbunden. Der Anlassermotor ist in diesem Beispiel in den Motor 13 integriert.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, welches sich vom ersten Ausführungsbeispiel durch geführte Zahnstangen und eine andere Positionierung und Einbindung des Generators unterscheidet.
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Der unten aufgestellte Motor 13 treibt über das Getriebe 11 die Achse 9 an, an der die Schwungmasse 10 befestigt ist. Über ein weiteres Getriebe 12 wird die Achse 28 angetrieben, an der die Schwungmasse 8 befestigt ist. Diese treibt über ein weiteres Getriebe 2 die Achse 6 an, an der die Schwungmasse 5 befestigt ist. Die Achse 6 ist über ein Getriebe 26 mit der Achse 3 verbunden.
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Die Achse 3 treibt über ein Kurbelgetriebe 25 die Kolben 22 an, die waagerecht an den Rollen 23 und 24 in einer Schiene 21 zwangsgeführt werden. Die Kolben 22, die als Schubstangen ausgeführt sind, sind dabei an ihren beiden Enden mit Kurbelgelenken 29 versehen. An ihrem dem Kurbelgetriebe 25 abgewandten Seite sind die Kurbeln 27 an den Enden 29 von Pendelstangen 17 angelenkt.
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Die Pendelstangen 17, gezeigt sind dabei vier solche Pendelstangen, wobei es erfindungsgemäß aber auch mehr oder weniger sein können, schwingen um die Pendelachse 18, an der sie drehbar in den Gelenken 30 gelagert sind. Vorzugsweise ist die Anzahl der Pendelstangen gerade und die Schwingungen werden gegenläufig ausgeführt, so dass sich die jeweiligen Momente gegenseitig aufheben. Die Pendelachse 18 wird vom Rahmen der aufrechten Träger 16 gehalten.
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An den unteren Enden der Pendelstangen 17 sind Gewichte 20 angebracht, was die Schwungmassen der Pendelstangen 17 erhöht. Ebenfalls sind dort Zahnstangen 37 angebracht, die von Sprungfedern 19 umhüllt sind, wobei die Federn an einer Querstange 43 anstoßen, wobei die Querstange 43 an aufrechten Trägern 42 fixiert ist. Am anderen Ende des Pendelweges sind keine Sprungfedern angebracht.
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Die Zahnstangen 37, von denen nur eine gezeigt ist, greifen in Zahnräder 38 ein, die um eine Achse 36 rotieren. Die Zahnstangen 37 treiben dabei die Zahnräder 38 nur auf dem Hinweg in der Richtung 44 an, also nur in einer Drehrichtung. Entweder werden die Zahnstangen 37 auf dem Rückweg mittels der Führung angehoben oder die Zahnräder 38 besitzen einen Freilauf und bleiben auf dem Rückweg im Eingriff.
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Die Achse 36 wird an aufrechten Trägern 15 fixiert und weist ferner eine Schwungmasse 37 auf. Sie ist über die Getriebe 39 und 4 mit dem Generator 7 verbunden und treibt diesen an. Die Getriebe 39 und 4 sind hierbei an der Aufhängevorrichtung 41 miteinander verbunden, wobei die Schwungmasse 40 zusätzlich Energie zwischenspeichert.
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Generator 7 und Motor 13 können elektrisch verbunden werden, wobei natürlich Einrichtungen zur Synchronisation vorzusehen sind. Sowohl der Generator 7 als auch der Motor 13 können über einen zuschaltbaren Netzanschluss 31 verfügen, wobei es sich nicht um das allgemeine Stromnetzt, sondern auch um ein lokales, im Inselbetrieb betriebenes Stromnetz handeln kann.
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Weiterhin enthält das System einen elektrischen Energiespeicher 32, in den Gleichstrom 33 eingeleitet und Gleichstrom 34 entnommen werden kann. Über einen verbundenen Umrichter/Transformator 35 kann Energie auch vom Generator 7 oder zum Motor 13 geleitet werden, im Normalfall wird ca. fünf Minuten nach der Zufuhr aus dem Stromnetz oder dem Energiespeicher der Generator mit dem Motor verbunden. Der Anlassermotor ist in diesem Beispiel in den Motor 13 integriert.
