DE3901430A1 - Anlage zur dezentralisierten, allumfassenden energieversorgung, vorzugsweise von haushalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage des obengenannten Typs zur Energieversorgung, das bedeutet in diesem Fall, daß alle im Haushalt benötigten Energien, einschließlich der indirekt erzeugten, wie die Wärme für die Heizung, warmes Brauchwasser und die Wärmeversorgung der Kochvorrichtung usw., alle von der gleichen Anlage erzeugt, und auch, in verschiedenen Zwischenstufen, speicherbar sind. Primäre Energiequellen sind hier die Energie der strömenden Luft, die Windenergie also und die Energie des Sonnenlichts (Solarenergie/Photovoltaik). Es ließen sich aber auch andere Energiequellen mitnutzen, wenn diese, wie z. B. die Wasserkraft im betr. Fall günstig zur Verfügung stehen. Die Anlage besitzt mehrere Energiespeicher, die das Energieangebot vergleichmäßigen sollen und die Deckung von Spitzenlasten ermöglichen. Die Erzeugung von elektrischer Energie zur Deckung des momentanen Bedarfs kann ebenfalls auf mehrere verschiedene Arten, abhängig vom Energieangebot erfolgen. Energiebereitstellung und Energienutzung werden somit vergleichmäßigt, und so die Versorgung des betreffenden Haushaltes gesichert, denn die erzeugten Energiemengen entsprechen bei richtiger Dimensionierung der Anlagen, zumindest über einen längeren Zeitraum gesehen, den verbrauchten. Eine zur Verfügung stehende Leistung wird also so verteilt und gespeichert, daß damit möglichst viel Arbeit verrichtet werden kann. Die Erzeugung der Energie erfolgt dezentral, praktisch am Ort des Verbrauchs und ist dennoch konzentriert und zentralisiert für alle, im betreffenden, an die Anlage angeschlossenen Haushalt benötigten Energien. Abgesehen davon, daß hier die umweltfreundlichen Energiequellen zur Anwendung kommen, ist durch das Fehlen von Stromverteilungssystemen, der finanzielle Aufwand für die Erstellung und den Betrieb gering auch der Wirkungsgrad der Anlage relativ hoch. Die Nutzung von solarer und von Windenergie ist in gewisser Weise komplementär: Bei schlechtem Wetter und bedecktem Himmel ist meistens eine starke Luftbewegung vorhanden und umgekehrt. Voraussetzung ist allerdings eine Anlage, wie sie z. B. in meiner Patentanmeldung DE 38 44 376 beschrieben ist, die also bei relativ geringen Windstärken einschaltet und, was noch wichtiger ist, auch bei sehr hohen Windstärken (Sturm) nicht abgeschaltet werden muß. Solarenergieanlagen sind bekannt und in ihrer Konstruktion nicht Gegenstand des Patentes. Sie wandeln die Energie des in die Anlagen einfallenden Lichtes in elektrischen Strom um. Die Windkraftanlage ist in meiner Patentanmeldung DE 38 44 376 beschrieben und soll hier nur kurz erläutert werden. Das Gehäuse ist dabei ortsfest, z. B. auf dem Flachdach eines Hochhauses montiert, und weist mehrere Luftkanäle auf, die abhängig von der Windrichtung, die strömende Luft sowohl zentripetal zum Läuferrad der Turbine, als auch, teilweise zentrifugal, daraus ableiten, nachdem sie die Turbine durchströmt haben. Der restliche Teil der eingeströmten Luft strömt axial aus dem Turbinenläufer. Die erzeugte mechanische Energie wird je nach Bedarf über die Magnetkupplung (5) zur Erzeugung von elektrischem Strom an den Generator (4) abgegeben, oder, bzw. bei genügend großem Energieangebot (rel. hohe Windstärken) gegenüber dem Energiebedarf, gleichzeitig damit, über den Riementrieb (7) und die Magnetkupplung (6) an das Gyroskop (3) zur Speicherung weiterleitet, bis dieses eine bestimmte Drehzahl, die vom Drehzahlsensor (42) z. B. optoelektronisch erfaßbar ist, erreichbar hat. Gyroskope (3) der verwendeten Art sind seit langer Zeit bekannt, und in ihrer Konstruktion nicht Gegenstand des Patentes. Sie besitzen z. B. eine Schwungscheibe, die sich, z. B. in einem Gehäuse gekapselt dreht, und dienen zur Speicherung mechanischer Energie mit relativ gutem Wirkungsgrad. Auf der gleichen Welle sitzt ein Motor (19), der dann, im Notfall, das Gyroskop (3) antreibt. Dieser Motor (19) kann bei Vorhandensein eines öffentlichen Stromnetzes bekanntermaßen als Elektromotor ausgelegt sein, oder als Brennkraftmaschine mit Wasserstoffantrieb, und dient der Überbrückung starker Differenzen zwischen dem momentanen Energieangebot und dem Energiebedarf. Das Gyroskop (3) wird so also immer auf einer bestimmten Minimaldrehzahl gehalten, die von der Regelelektronik (8) über den betreffenden Drehzahlsensor (32) erfaßt, und, entsprechend dem dann herrschenden Energieangebot, mechanisch von der Windkraftanlage (1) über den Riementrieb (7) und die Magnetkupplung (6) und/oder elektromotorisch von der Solaranlage (2), oder über Strom aus dem öffentlichen Stromnetz (33), über den Elektromotor (19), bzw. die alternativ dazu vorhandene Brennkraftmaschine mit Wasserstoffantrieb über die entsprechend gestellte Magnetkupplung (6) erhöht werden. Die Kupplungen (5, 6) sind dabei so zu gestalten, daß der Kraftfluß nur in einer Richtung, von der Seite des betreffenden Antriebs, also der Windkraftanlage (1) oder dem Motor (19) aus erfolgen kann (z. B. mit Freilauf), so, daß nicht etwa das Gyroskop (3) die Windkraftanlage (1) antreibt. Die Erzielung der Minimaldrehzahl des Gyroskopes (3) hat Vorrang vor der Erzeugung von Knallgas im Elektrolyseur (18). Das erzeugte Knallgas ist nur eine zusätzliche Energiereserve, kann aber auch natürlich z. B. für den Betrieb von Fahrzeugen bei Benutzung entsprechender Speicher statt der Sauerstoff-Wasserstoffflaschen (17) benutzt werden. Die Füllung der Flaschen kann z. B. druckabhängig geregelt über die Kompressoren (26, 27) und die Magnetventile (15, 16) aus dem Elektrolyseur (18) erfolgen. Anlagen dieser Art sind bekannt und in ihrer Konstruktion nicht Gegenstand des Patentes. Da der elektrische Strom gegenüber der Leitung von warmen Fluiden z. B., die geringeren Energietransportverluste aufzuweisen hat, und die Verlegung von elektrischen Leitungen einen geringeren Aufwand als die Verlegung von Rohrleitungen zur Folge hat und der Strom "direkter" als die Erwärmung eines Fluides z. B. zu erhalten ist, wird Wärmeenergieversorgung des Haushaltes (z. B.) mittels spezieller elektrischer Heiz- und Kochvorrichtungen erfolgen. Die Heizenergie kann über ein Raum-Heiz-Element (28), das z. B. ein herkömmlicher Elektroheizofen oder auch Heizplatten sein können, die als die Wände der entsprechenden Räume an, z. B. nach einem bestimmten Computerprogramm thermodynamisch besonders günstigen, errechneten Stellen, verkleidende Platten, gestaltet sind und integrierte Heizdrähte besitzen. Als weitere Variante der Raum-Heiz-Elemente (28) wäre ein Heiz-Gewebe (34) denkbar, das z. B. als ein Teppichboden ausgeführt sein kann, dessen Trägerschicht (35) mit einem Drahtgeflecht (36) zur elektrischen Widerstandsheizung versehen ist. Dieses Drahtgeflecht (36) kann über eine Schwachstromquelle (z. B. 12 V) nach dem bekannten Prinzip der elektrischen Widerstandsheizung erhitzt werden. Die Erhitzung des Drahtgeflechtes (36), das natürlich auch aus anderen, beim Stromfluß sich erhitzenden Materialien bestehen kann, wird dabei z. B. abhängig von der, von einem Thermosensor (37) erfaßten Temperatur des Drahtgeflechtes (36) und der vom Raumthermostaten erfaßten Differenz zwischen der tatsächlichen Raumtemperatur und der gewünschten Temperatur, von der Regelelektronik (8) über die die entsprechende Zuleitung von elektrischem Strom zentral geregelt. Die Kochvorrichtung (37) wird in einer Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion mit Heiztöpfen (20) ausgestattet, die ebenfalls nach dem Prinzip der elektrischen Widerstandsheizung funktionieren, also zwei Schwachstromkontakte (21, 22) für z. B. 12 V Betriebsspannung, einen positiven und einen negativen, aufweisen, über die der Strom, entweder manuell über ein Potentiometer (38), oder thermostatisch geregelt, in die die Heizelemente (39), die im Material des Topfes, z. B. Keramik oder hitzefestes Glas, durch Eingießen während des Herstellungsprozesses mit integriert sind, strömt. Diese Kontakte (21, 22) sind passend zu Gegenkontakten (23, 24) nach dem Stecker/Steckdosen-Prinzip gestaltet. Dadurch ist der Heiztopf (20) leicht trennbar von der Kochvorrichtung (37). Der Heiztopf ist z. B. in einer konischen Mulde, die Bestandteil der Kochvorrichtung ("Herd") ist, und die zur Verringerung der Wärmeabstrahlung des Heiztopfes (20) als Isolator (25) aus entsprechendem Material geformt ist, zentriert und in seiner Lage hinsichtlich der Kontakte/Gegenkontakte (21, 22, 23, 24) fixiert. Die Trennstelle dieser Kontakte/Gegenkontakte (21, 22, 23, 24) kann zur Vermeidung von Betriebsstörungen an der Oberkante des Topfes, unter den Griffen (40, 41) z. B., beidseitig angebracht werden. Die Kontakte (21, 22) des Heiztopfes (20) sind, nach unten hin, leicht konkave Kontaktplättchen aus einem rel. gut leitenden, wenig oxidierenden Material. Die Gegenkontakte (23, 24) dazu sind einfache, in ihrem unteren Teil durch Beschichtung mit Kunststoff isolierte Stifte, deren Spitze nach dem Einsetzen des Heiztopfes (20) in den Isolator (25) in Kontakt mit dem Kontaktplättchen kommt, das zur Ermöglichung einer gewissen (vertikalen) Beweglichkeit des Heiztopfes (20) auch in vertikaler Richtung federbelastet sein kann. Eine, trotz des aus Sicherheitsgründen erforderlichen Schwachstroms von 12 V Gleichspannung sicher leitende elektrische Verbindung zwischen Heiztopf (20) und Kochvorrichtung (37) ist damit gewährleistet. Die bisher übliche Kombination einer durch elektrischen Strom erhitzten Kochplatte, mit einem darauf stehenden Topf, der zum Erwärmen des Kochgutes von der Kochplatte seinerseits erwärmt werden muß, brachte relativ hohe Energieverluste beim Erhitzen der Kochplatte, die aus Festigkeitsgründen sehr massiv gestaltet sein mußte und beim Wärmeübergang zum Topf. Die Wärme des Topfes wird zudem praktisch ungestört in alle Richtungen außer der Unterseite abgestrahlt. - Der erfindungsgemäße Heiztopf (20) besitzt durch die integrierten Heizelemente (39) relativ geringe aufzuwärmende Massen. Das Kochgut kann praktisch direkt erwärmt werden. Die einzige freie Seite, nach oben, kann mit einem entsprechenden Deckel, der isolierend gestaltet ist, isoliert werden. Zusätzlich ist z. B. der Transport und das Warmhalten von Speisen vereinfacht, denn es genügen praktisch zwei elektrische Anschlüsse mit 12 V Gleichstrom dafür, die z. B. über einen Stecker oder Adapter an die Heizelemente (39) des Heiztopfes (20) angelegt werden können. Die Regelelektronik (8) sorgt dafür, daß bei einer Drehzahl des Gyroskopes (3), die vom Drehzahl-Sensor (42) gemessen wird, und die, im betreffenden Fall über der, mittels mechanischer Kopplung des Turbinenläufers der Windkraftanlage (1) mit dem Gyroskop (3) über die Magnetkupplungen (5, 6) theoretisch erzielbaren Drehzahl liegt, die auf Grund der Werte der Drehzahl-Sensoren (32, 42) und der elektrischen Last von der Regelelektronik (8) errechnet wird, der Turbinenläufer über die Magnetkupplung (5) mit dem Generator (4) über die Kupplung (5) kraftschlüssig verbunden wird, und das Gyroskop (3) durch die Kupplung (6) von der Kraftübertragung getrennt wird. Der entsprechende Impuls kann natürlich auch über einen Freilauf in der Kupplung (6) statt von einem Drehzahl-Sensor (32, 42) gegeben werden. Die erfindungsgemäße Anlage ist für den Betrieb mit Stromzählern (43, 44, 45) für verschiedene Stromtarife, z. B. je einer für den preiswerten, nachts abgegebenen elektrischen Strom, einer für den "normalen", am Tage abgegebenen Strom und einer für den Strom, der zu Spitzenlastzeiten relativ teuer von den Stromversorgungsbetrieben abgegeben wird. Die Anlage sieht hier also die Nutzung des billigeren Stromes zur evtl. notwendigen Ergänzung des Energiebedarfes der Anlage über die Erhöhung der Drehzahl des Gyroskopes (3) mit dem Motor (19) vor. Der relativ teure Strom, z. B. zu Spitzenlastzeiten, wird hierfür natürlich nicht genutzt. Der elektrische Strom wird in diesem Falle z. B. direkt über das öffentliche Stromnetz bei entsprechendem Bedarf durch Umschaltung in die Anlage eingespeist. Sollte die Windkraftanlage (1) über den Generator (4) zuwenig elektrische Energie zur Versorgung der übrigen Verbraucher erzeugen, so wird über den Elektrolyseur (18) Knallgas, z. B. zur Speicherung, erzeugt.

Das Getriebe (46) mit mehreren Untersetzungsstufen ist bekannt und abhängig von den Drehzahlen und der Leistung des Generators (4) selbsttätig schaltend. Hierdurch ist die optimale Nutzung der, mit der Windkraftanlage erzeugten mechanischen Energie über die Weiterleitung mit optimalem Drehmoment und optimaler Drehzahl an das Gyroskop (3) gegeben.

Eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Konstruktion sieht die Integration von Gyroskop (3), Generator (4) und Motor (19) in einem einzigen Bauteil vor. Das Gyroskop (3) ist dabei Rotor von Generator (4) und Motor (19). Der entsprechende Kraftschluß ist durch eine entsprechende mechanische räumliche Annäherung der Bauteile an den Rotor herzustellen.

Liste der Bezugszeichen (bis auf Zahlen in Klammern alle Fig. 1)

1 Windkraftanlage
2 Solaranlage
3, (3′) Gyroskop
4, (4′) Generator
5 Magnetkupplung
6 Magnetkupplung
7 Riementrieb
8 Regelelektronik
9 Hausstromanschluß
10 Warmwasserspeicher
11 Temperatursensor
12 Füllstandsensor
13 Heizstab
14 Magnetventil
15 Magnetventil
16 Magnetventil
17 Gasflaschen
18 Elektrolyseur
19, (19′) (Elektro-)Motor
20 Heiztopf
21 Kontakt
22 Kontakt
23 Gegenkontakt
24 Gegenkontakt
25 Isolator
26 Kompressor
27 Kompressor
28 Raumheizelement
29 Anschluß für warmes Brauchwasser
30 Kaltwasseranschluß
31 Knallgasbrenner
32 Drehzahl-Sensor
33 öffentl. Stromnetz
34 Heizgewebe
35 Trägerschicht
36 Drahtgeflecht
37 Kochvorrichtung
38 Potentiometer
39 Heizelement
40 Griff
41 Griff
42 Drehzahl-Sensor
43 Stromzähler
44 Stromzähler
45 Stromzähler
46 Getriebe

Claims (10)

1. Anlage zur Energieversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenläufer einer Windkraftanlage (1) über eine Magnetkupplung (5) mit einem Generator (4) zur Stromerzeugung oder, gleichzeitig damit oder getrennt davon, über einen Riementrieb (7) und eine zweite Magnetkupplung (6) mit einem Gyroskop (3) zur Energiespeicherung mechanisch kraftschlüssig verbindbar ist, und der Generator (4) und eine die Solaranlage (2) elektrisch mit den Eingängen der Regelelektronik (8) als Stromverteiler verbunden sind, und das Gyroskop (3) über die Magnetkupplung (5) mit dem Generator (4) mechanisch kraftschlüssig zur Stromerzeugung für die gesamte Energieversorgung z. B. eines vollelektrifizierten Haushaltes verbindbar ist.

2. Anlage zur Energieversorgung gemäß dem Hauptanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) so mit dem Elektromotor (19), mit der Magnetkupplung (6) und dem Drehzahlsensor (32) und dem Anschluß an das öffentliche Stromnetz (33) bzw. mit der Solaranlage (2) verbunden ist und diese Komponenten so gestaltet und geschaltet sind, daß die Drehzahl des Gyroskops (3) über den Elektromotor (19) und die Magnetkupplung (6) bei Bedarf mit Elektrizität aus dem öffentlichen Versorgungsnetz oder der Solaranlage (2) angehoben werden kann.

3. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) einerseits mit je einem Anschluß an das öffentliche Stromnetz (33), die Solaranlage (2) und den Generator (4) und andererseits mit dem Relais (14), dem Füllstandssensor (12), dem Thermosensor (11) und dem Heizstab (13) elektrisch verbunden ist, und diese Komponenten so mit einem Kaltwasseranschluß (30) und einem Anschluß für das Brauchwasser (29) eines Warmwasserspeichers (10) wasserseitig verbunden ist, und auch ein Knallgasbrenner (31) so gestaltet und am Warmwasserspeicher (10) angeordnet ist, daß warmes Brauchwasser direkt elektrisch oder über die Verbrennung von Knallgas erzeugt werden kann.

4. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) einerseits elektrisch mit jeweils einem Anschluß mit dem öffentlichen Stromnetz (33), der Solaranlage (2) und dem Generator (4) verbunden ist, und, andererseits elektrisch über eine Schwachstromleitung mit einem Raumheizelement (28) zur Beheizung des Wohnraumes verbunden ist, und dieses Raumheizelement (28) als ein Heiz-Gewebe (34) ausgeführt ist, das mindestens aus einer Trägerschicht (35) mit einem Drahtgeflecht (36) zur elektrischen Widerstandsheizung besteht, und einen integrierten Thermosensor (37) besitzt, und das Raumheizelement (28) als Teppichboden ausgeführt ist.

5. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) elektrisch über eine Schwachstromleitung mit einer Kochvorrichtung (37) verbunden ist, die mindestens einen konischen, muldenförmigen Isolator (25) für je einen Heiztopf (20) aufweist, und dieser Heiztopf (20) mit zwei Schwachstromkontakten (21, 22), einem Potentiometer (38) und elektrischen Heizelementen (39), die in das Material des Heiztopfes (20) eingelassen sind, zum Erwärmen des Kochgutes versehen ist, und die Kontakte (21, 22) in die Griffe (40, 41) an der Oberkante des Heiz-Topfes (20) eingelassen und nach unten hin leicht konkav für den elektrischen Kontakt mit den Gegenkontakten (24, 25) der Kochvorrichtung (37) gestaltet ist.

6. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) mit einem Elektrolyseur (18), zwei Magnetventilen (15, 16), und zwei Kompressoren (26, 27) für die Erzeugung von Knallgas und dessen Speicherung in den Gasflaschen (17) bzw. dessen Weiterleitung an einen, in der Anlage integrierten Verbraucher, z. B. einen Knallgasbrenner (31) zur Erzeugung von Wärmeenergie bzw. elektrischer Energie, verbunden ist.

7. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) so geschaltet und mit den Drehzahl-Sensoren (32, 42) für die Drehzahl des Gyroskopes (3) bzw. die Turbinenläufer- Drehzahl und mit den Magnetkupplungen (5, 6) elektrisch so verbunden ist, daß eine, vom Drehzahl-Sensor (42) gemessene Gyroskop-Drehzahl, die über der, in dem betreffenden Moment mittels Windkraft erzielbaren liegt, die wiederum von der Regelelektronik (8) auf Grund der Werte des Drehzahl- Sensors (32) errechnet wird, zu einer kraftschlüssigen Kopplung des Turbinenläufers mit dem Generator (4) über die Magnetkupplung (5) und zu einer Trennung der Magnetkupplung (6) führt, sofern die Leistung den momentanen Bedarf an Elektrizität deckt, bzw. vom Elektrolyseur (18) Knallgas zur Speicherung produziert wird.

8. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1-7, mit drei verschiedenen Stromzählern (43, 44, 45), ein Stromzähler (43) für die sogn. Nachtstromtarife, einer (44) für die Spitzenlast und einer (45) für die Normaltarife, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelelektronik (8) so geschaltet und mit den den Stromzählern (43, 44, 45) verbunden ist, daß zumindest über den Stromzähler (44) für die Spitzenlast direkt die Verbraucher, z. B. den Heizstab (13), unabhängig von der Drehzahl des Gyroskopes (3) versorgt, und nicht etwa über den Motor (19) die Drehzahl des Gyroskopes (3) mit dem relativ teueren Strom nach Nachtstromtarif erhöht wird.

9. Anlage zur Energieversorgung gemäß den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Windkraftanlage (1) statt über einen Riementrieb (7), über ein Getriebe (46) mit mehreren Untersetzungsstufen und die Magnetkupplungen (5, 6) mit dem Gyroskop (3) verbindbar ist und die Regelelektronik so geschaltet und mit dem Getriebe (46) und den Drehzahl-Sensoren (32, 42) verbunden ist, daß der Wechsel der Untersetzungsstufen abhängig von den, von den Drehzahl-Sensoren (32, 42) festgestellten Drehzahlen und der Leistung des Generators (4) im betreffenden Moment erfolgt.

10. Anlage zur Energieversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß das Gyroskop (3′) zugleich als Rotor des Generators (4′) und des Motors (19′) gestaltet ist, und der Generator (4′) und der Motor (19′) durch die räumliche Annäherung ihrer Wicklungen an den Rotor jeweils in Betrieb setzbar sind, und das Gyroskop (3′) mit dem Turbinenläufer einer Windkraftanlage (1′) über eine Magnetkupplung (5′) mechanisch kraftschlüssig verbindbar ist.