DE19819929A1 - Ein reibungsarmer Riesen-Rotor als Energiespeicher - Google Patents

Abstract

Ziel ist die Minimierung der Reibungsverluste in der Lagerung großer Rotoren. DOLLAR A Der Rotor besteht im wesentlichen aus zwei dünnwandigen Zylindern von unterschiedlichen Durchmessern, die konzentrisch angeordnet mit einer runden Abdeckung luftdicht verbunden sind. Auf Wasser gelegt, entsteht zwischen den beiden Zylindern, der Deckenscheibe und der Flüssigkeitsoberfläche eine geschlossene ringförmige Luftkammer (siehe Skizze). Die darin eingeschlossene Luft bildet ein permanentes Luftkissen, auf dem ein geschickt dimensionierter Rotor schwimmt! DOLLAR A Reibungsverluste entstehen nur noch an der Berührungsfläche der Außenwände der Luftkammer mit dem Wasser und in der Lagerung der am Boden des Wasserbeckens verankerten Rotationsachse. DOLLAR A Das für den Betrieb optimale Volumen des Luftkissens kann durch externe Luftzufuhr eingestellt, der Druck in dem Axiallager durch hydraulische Steuerung der Lageraufhängung minimiert werden. DOLLAR A Rotoren dieser Bauart können als Energiespeicher überall dort eingesetzt werden, wo aus verfahrenstechnischen Gründen hohe Energiemengen in kurzen Zeitspannen bereitgestellt werden müssen. Denkbar ist aber auch der Bau von Großanlagen zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen (Wasser, Wind).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß Energie in Schwungrädern als Rotationsenergie gespeichert und nach Bedarf über mechanische oder elektromagnetische Koppelung wieder abgerufen werden kann.

Alle heute bekannten Schwungradsysteme zur Speicherung von Energie leiden an der Tatsa­ che, daß die Grenze ihrer Speicherkapazität durch die Masse des Schwungrades nach oben begrenzt ist. Wegen der Lagerungsprobleme, die bei großen Massen auftreten, kann die Masse eines Schwungrades nicht beliebig gesteigert werden.

Um diese Leistungsgrenze zu überwinden, versucht man deshalb mit einem hohen technischen Aufwand kleinere Massen mit einer relativ hohen Umdrehungszahl rotieren zu lassen. Doch auch diese Methode hat ihre technologische Obergrenze.

Gemessen an den Anforderungen der Technik gibt es bis jetzt noch keine befriedigende Lösung für dieses Problem. Deshalb werden immer wieder Versuche unternommen, eine technisch praktikable Lösung zu finden, die nicht nur die Reibungsverluste in den Lagern vermindert, sondern auch sowohl die Speicherkapazität als auch die kurzzeitig aus dem Speichersystem abrufbare Energiemenge wesentlich erhöht.

In einem Lösungsversuch (Offenlegungsschrift DE 40 25 354 A1) wird z. B. vorgeschlagen, das Schwungrad in eine Hülle einzuschließen und von der Unterseite der Hülle vorgekühlte Luft unter den Rotor einzublasen. Auf diese Weise soll unter dem Rotor ein Luftkissen aufgebaut werden. Der Rotor soll nun schweben und praktisch ohne Reibung rotieren können. Die auf der Oberseite der Hülle entweichende Luft wird eingefangen, abgekühlt und in den Kreislauf zurückgeschickt.

Auch ohne die Funktionstüchtigkeit der beschriebenen Vorrichtung zu diskutieren, weist dieser Lösungsvorschlag schon auf den ersten Blick zwei große Grundsatzprobleme auf:

• - Die kontinuierliche Luftzufuhr während des Betriebs (Hoverkraft-Prinzip) zur Aufrechterhal­ tung des Luftkissens und die verlangte Vorkühlung der eingesetzten Luft setzen einen relativ hohen Energieaufwand voraus.
• - Wird der Luftstrom durch eine Störung unterbrochen, bricht das Luftkissen zusammen und das Schwungrad fällt auf seine Unterlage. Bei einer hohen Rotationsgeschwindigkeit führt dies wahrscheinlich zur Zerstörung der Maschine. Die Betriebssicherheit der Vorrichtung ist somit nicht zu jedem Zeitpunkt gewährleistet.

Aufgabe der Erfindung ist die reibungsarme Lagerung sehr großer Rotoren (z. B. in der Größenordnung von über 100 Meter Durchmesser und einer Masse über 5.000 Tonnen). Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ihre Vorteile gegenüber den bekannten Systemen sind:

• - Die von der Masse des Schwungrades verursachte Druckkraft wird fast vollständig durch ein stationäres Luftkissen aufgefangen und kaum auf die Lagerung an der Drehachse über­ tragen. Dadurch werden Reibungsverluste in der Lagerung an der Drehachse minimiert.
• - Wegen der minimalen Reibungsverluste kann die in das System eingespeicherte Energie über einen langen Zeitraum verlustarm gespeichert werden.
• - Aus einem solchen System kann sowohl über einen längeren Zeitraum kontinuierlich Energie in kleinen Mengen als auch kurzfristig (im Sekundenbruchteil!) Energie in sehr hohen Mengen entnommen werden.
• - Der Aufbau des Luftkissens ist ein im Prinzip einmaliger Vorgang. Einmal aufgebaut bedarf es kaum nennenswerter Luftmengen mehr (kaum zusätzliche Energie!), um aufrechterhalten zu werden. Kleinere Druckkorrekturen sind im Betrieb allerdings nicht zu vermeiden, allein schon wegen den Temperaturschwankungen. Der dazu notwendige Energiebedarf ist jedoch sehr klein.
• - Entweicht aus irgendeinem Grund doch die Luft aus der Luftkammer, senkt sich der Rotor und schwimmt mit Hilfe der eingebauten Schwimmkörper weiter auf der unter ihm befindli­ chen Flüssigkeit (Wasser). Dadurch ist die Gefahr der Zerstörung praktisch nicht mehr gegeben.
• - Dem ganzen System liegt eine einfache und umweltschonende Technologie zugrunde.
• - Wegen des langen Hebelarms (d ≧ 100 m) und einer sehr kleinen Reibung kann ein solcher Rotor ohne weiteres mit Windkraft angetrieben werden.
• - Eingesetzt als windangetriebener Energiespeicher ist seine Aufstellung unabhängig von der Windrichtung (keine Nachführung erforderlich).
• - Bei entsprechender Bauweise wäre sein Betrieb nicht nur bei geringen Windgeschwindig­ keiten, sondern auch bei Sturmstärke möglich.
• - Der Nutzungskoeffizient des Systems steigt mit seiner Größe und Masse. Mit solchen Roto­ ren könnte z. B. die Energiegewinnung aus Windkraft in großem Maßstab angegangen werden.

Das Funktionsprinzip der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnungen sind nicht maßstabgerecht und beziehen sich auf das Anwen­ dungsbeispiel einer Windkraftanlage. Es zeigen:

Abb. 1: Aufbau der Luftkammer

Abb. 2: Ermittlung des Volumens der Luftkammer

Abb. 3: Schnittbild des Rotors in einem Wasserbecken

Abb. 4: Funktionsweise des Rotors

Abb. 5: Regulierung der Druckbelastung in der Lagerung des Rotors

Die Grundüberlegung, die zur Erfindung führte, kann an einem einfachen Beispiel aus der Alltagserfahrung grob veranschaulicht werden. Dreht man einen Topf mit seiner Öffnung nach unten und legt diesen auf eine Wasseroberfläche, wird er im ersten Moment schwimmen. (Weil der Topf sich aber im labilen Gleichgewicht befindet, wird er schnell umkippen, mit Wasser vollaufen und sinken.)

Die in dem Topf eingeschlossene Luft kann als ein permanentes Luftkissen angesehen werden, auf dem der Topf ruht. Wird der Topf horizontal stabilisiert, kann die eingeschlossene Luft nicht entweichen, und deshalb muß ein so gewonnenes Luftkissen auch nicht ständig erneuert werden.

In der Erfindung wird ein solches Luftkissen benutzt, um ein großes Schwungrad gegen seine Unterlage abzufedern. Die Unterlage ist in diesem Fall Wasser.

Die Lagerung des Rotors an seiner Rotationsachse muß so ausgeführt werden, daß die in der Luftkammer eingeschlossene Luft durch die Lager nicht entweichen kann. Die Luftkammer als umgedrehter Topf muß deshalb in ihrer Form etwas verändert werden.

Die wesentlichen Teile der modifizierten Version der Luftkammer sind zwei dünnwandige Zylinder und eine kreisrunde Scheibe. Die Zylinder haben die gleiche Höhe, aber unterschiedli­ che Durchmesser. Der Durchmesser der Scheibe ist mindestens so groß wie der des größeren Zylinders (siehe Abb. 1). Die Zylinder werden auf der Scheibe konzentrisch angeordnet und mit ihr luftdicht verbunden. In der Mitte der Scheibe wird die Rotationsachse hindurchgeführt und die Rotorlagerung befestigt. Damit ist die Grundversion des Rotors fertig.

Ist das Volumen des Rotors und der in der ringförmigen Kammer eingeschlossenen Luft (siehe Abb. 2) zusammen größer als das Volumen des vom Rotor verdrängten Wassers (Archimedisches Prinzip), kann man die offene Seite der konzentrischen Zylinder nach unten drehen und ins Wasser legen (ein Stausee, ein speziell zu diesem Zweck gebautes Wasser­ becken o. ä.). Der Rotor wird schwimmen.

Da der Schwerpunkt des Rotors oberhalb des Wasserspiegels liegt, ist die horizontale Rota­ tionsebene des Rotors im Ruhezustand instabil. Ihre Stabilität wird durch einen am Rande des Schwungrades befindlichen Schwimmkörper (siehe Abb. 3, Pos. 4) und die Lagerung des Rotors an der im Boden des Wasserbeckens verankerten Rotationsachse gewährleistet. Wird der Rotor in Rotation versetzt, wird die horizontale Stabilität der Rotationsebene erhöht und nimmt mit steigender Rotationsgeschwindigkeit zu.

Der Lufteinfüllstutzen für die Luftkammer wird von außen durch den Boden des Wasser­ beckens genau unter der Luftkammer des Rotors angebracht, so daß er keinen mechanischen Kontakt mit dem Rotor hat (siehe Abb. 3, Pos. 10). Durch Luftzufuhr (Druckerhöhung!) kann man nun das Volumen der in der Luftkammer eingeschlossenen Luftblase vergrößern. Der ganze Rotor wird dadurch bis zu der von der Verdrängung vorgegebenen Grenze aus dem Wasser gehoben, und das ganze Volumen der Luftkammer wird in diesem Moment vollständig von Luft ausgefüllt sein (siehe Abb. 4, unten).

Der Rotor schwebt nicht, da ein geringer Teil der Fläche der Außenwände der Luftkammer weiterhin Kontakt mit dem Wasser hat (siehe Abb. 4, Pos. 3, unten). An dieser Stelle treten natürlich auch Reibungsverluste auf. Sie sind jedoch auch bei größeren Rotationsgeschwindig­ keiten minimal, da die dynamische Viskosität für Wasser η ≈ 0,001 Pa.s beträgt.

Die Lagerung an der Rotorachse wird so aufgebaut, daß sie sowohl radiale als auch achsiale Kräfte aufnehmen kann (siehe Abb. 5, Pos. 7). Radiale Kräfte sind bei einer horizontalen Rotationsebene gering. Achsiale Kräfte dagegen können sehr groß werden und müssen deshalb vermieden werden.

Dieses Problem ist einfach zu lösen. Zunächst ruht der Rotor auf dem Luftkissen. Durch eine Druckerhöhung wird das Volumen des Luftkissens (siehe Abb. 4 unten, Pos. 2) vergrößert.

Der ganze Rotor wird nun dank einer Linearlagerung (siehe Abb. 5. Pos. 8) zusammen mit dem kompletten Lagerungssystem entlang der Rotationsachse gehoben.

Das Achsiallager ist im Lagerungssystem so aufgehängt, daß es auch eigenständig, getrennt vom Rotationskörper, gehoben und gesenkt werden kann, z. B. durch Hydraulik (siehe Abb. 5. Pos. 5). Durch eine geeignete Drucksensorensteuerung ist es nun möglich, die horizontale Lage des Rotors und seines Achsiallagers zueinander so einzustellen, daß der Druck in dem Achsiallager auf das absolute Mindestmaß dessen herabgesetzt wird, was für den Betrieb des Schwungrades noch notwendig ist.

Der Rotor kann durch mechanische oder elektrische Energie angetrieben werden und diese in Form von Rotationsenergie speichern. Um gespeicherte Energie aus dem System zu entneh­ men, kann z. B. am äußeren Rand des Rotors und am Rand des Wasserbeckens ein Indukti­ onssystem eingebaut werden (siehe Abb. 3, Pos. 9).

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Speicherung von Energie, dadurch gekennzeichnet, daß ein horizontal gelagerter flacher Rotationskörper so geformt ist, daß seine Unterseite zusammen mit der Oberfläche einer unter ihm sich befindenden Flüssigkeit eine geschlossene Kammer bildet, in der Luft eingeschlossen und als ein permanentes Luftkissen zur Abfederung des Rotationskörpers gegen diese Flüssigkeit als seiner Unterlage benutzt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Rotationskörper und der unter ihm befindlichen Flüssigkeit gebildete Luftkammer durch einen genau unter der Luftkammer am Boden des Flüssigkeitsbeckens befestigten Lufteinfüllstutzen, der durch ein Rohrsystem mit einem außerhalb des Beckens befindlichen Druckventilator verbunden ist und keinen mechanischen Kontakt zum Rotationskörper hat, mit Luft von außen gefüllt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein System von Achsial- und Radiallager mit Hilfe eines Linearlagers durch geeignete Steuerung entlang einer Drehachse in beide Richtungen bewegt und in einer beliebigen Position fixiert werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Rande des Rotations­ körpers und am Rande des Beckens ein Induktionssystem eingebaut wird, das über elektromagnetische Koppelung sowohl eine Energieentnahme aus dem Rotationskörper als auch eine Energieeinspeisung in den Rotationskörper ermöglicht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rotationskörper geeignete Antriebsmechanismen angebracht werden, mit deren Hilfe der Rotationskörper durch die Strömungsenergie eines Fluidums in Rotation versetzt werden kann.