Titel
Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischem Strom
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischem Strom mit einer in einem Gestell oder Gehäuse schwingfähig angeordneten Schwungmasse und einem damit verbundenen ersten Generator zur Umwandlung der Schwing- bewegungen der Schwungmasse in elektrische Energie.
Eine derartige Vorrichtung ist bereits in der DE 198 09 309 A1 beschrieben. Die Vorrichtung dient hier zur Erzeugung von Strom auf Wasserfahrzeugen, insbesondere zum Laden von Akkumulatoren. Durch die aufgrund der Wellen verur- sachten Auf- und Abbewegungen des Wasserfahrzeugs wird die Schwungmasse im Gestell bzw. Gehäuse in Schwingungen versetzt. Diese Relativbewegung zwischen Schwungmasse und Gestell bzw. Gehäuse wird mittels des Generators in elektrische Energie umgesetzt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte technische Weiterbildung der eingangs genannten Vorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine mit der Schwungmasse gekoppelte Pumpe aufweist, die aufgrund der Schwingbewegung der Schwungmasse ein Pumpmedium pumpt.
Diese zusätzliche Kopplung der Schwungmasse mit einer Pumpe bietet eine Reihe von technischen Vorteilen gegenüber dem genannten Stand der Technik. Je nach konkretem Anwendungsfall, können dabei der eine oder andere Vorteil im Vordergrund stehen.
So wird beispielsweise durch die Pumpe in der Regel eine gewisse Dämpfung der Schwingbewegung erzielt, wobei über die Einstellungen an der Pumpe bzw. Wahl des geeigneten Pumpmediums der Dämpfungsgrad bestimmt werden kann. Durch
entsprechende Nutzung des gepumpten Pumpmediums kann dabei die in die Dämpfung gehende Energie auf einfache Weise sinnvoll genutzt werden.
So kann beispielsweise das Pumpmedium entweder zur Kühlung des genannten ersten Generators verwendet werden. Es kann ebenfalls dazu genutzt werden, einen weiteren Generator anzutreiben. Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Nutzungsarten zu kombinieren, das heißt, zunächst mit dem Pumpmedium zu kühlen und außerdem einen Generator anzutreiben. Bei bestimmten Anwendungsfällen kann hierbei die Dämpfung durch die Pumpe sogar in den Hintergrund treten.
Ein weiterer Hauptvorteil besteht darin, dass durch geeignete Wahl eines einfachen Steuerungsventils, beispielsweise in der Druckleitung oder in der Saugleitung der Pumpe, die Dämpfung während des Betriebs geregelt werden kann und durch ein Schließen des Steuerungsventils die Schwungmasse gebremst und sogar angehalten werden kann. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da die Schwungmasse aufgrund der hohen kinetischen Energie eine potentielle Gefahrenquelle darstellt, die in der Regel durch ein geeignetes Gehäuse sicher gegen unbefugte bzw. unbeabsichtigte Eingriffe oder unbeabsichtigt in den Schwungbe- reich geratende Objekte abgeschirmt werden muss. Durch die Anordnung genannten Steuerungsventils bzw. einer Betätigungseinrichtung für das Ventil außerhalb des Gehäuses ist es so auf einfache Weise möglich, die Schwungmasse in eine Ruhelage zu bringen, bevor das Gehäuse geöffnet wird.
Um eine ausreichende Sicherheit gegen Eingriff und größere Objekte zu erreichen, reicht im Prinzip ein Gittergehäuse aus. Zum Schutz der Vorrichtung gegen Verschmutzungen, gegen Spritzwasser oder dergleichen ist jedoch eher ein geschlossenes Gehäuse sinnvoll. Dann sind in der Regel zusätzliche Maßnahmen zum Abbau der bei der Stromerzeugung im Generator entstehenden Wärme und zur Vermeidung eines Wärmestaus bzw. unzulässig hoher Temperaturen im Gehäuse erforderlich. In diesem Fall bildet auch die Nutzung des Pumpmediums zur Kühlung einen wesentlichen Vorteil.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Generator ein Lineargenerator, der beispielsweise aus einem fest am Gestell montierten Permanentmagneten sowie aus an der Schwungmasse in geeigneter Weise angeordneten Wicklungen bzw. Spulen besteht. Durch die Relativbewegung der Wicklungen an der Schwungmasse zu dem fest am Gestell bzw. Gehäuse angeordneten Magneten wird in den Wicklungen ein Strom induziert, der für den gewünschten Einsatzzweck, z.B. zum Aufladen eines Akkumulators, genutzt werden kann.
Vorzugsweise wird der elektrische Strom zumindest teilweise zum Aufladen eines Akkumulators genutzt, wobei bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die Schwungmasse selber einen Akkumulator aufweist. Auf diese Weise wird das relativ hohe Gewicht des Akkumulators sinnvoll genutzt, da kein zusätzliches Gewicht als Schwungmasse benötigt wird, die das Gesamtgewicht der Vorrichtung unnötig erhöhen würde.
Bei dem Pumpmedium kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Fluid handeln. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um ein Gas, beispielsweise im einfachsten Fall Luft. Hierbei kann im Prinzip immer frische Luft angesaugt werden und die Luft von der Pumpe über eine einfache Kühlleitung zum Lineargenerator geführt werden. Die Luft wird dann an geeigneter Stelle ausgeblasen, um den Lineargenerator zu kühlen. Stattdessen oder zusätzlich kann die Luft auch durch eine Turbine geleitet werden, welche einen weiteren Generator antreibt.
Die Pumpe kann alternativ mit einem geeigneten Leitungssystem vorzugsweise auch so ausgelegt werden, dass zumindest ein Teil des Pumpmediums in einem Kreislauf gepumpt wird oder zwischen zwei Pumpräumen hin- und hergepumpt wird.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung auch eine Einrichtung zum Einbringen eines Schmiermittels in die Pumpe auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Einspritzpumpe handeln, welche in regelmäßigen zeitlichen Abständen genau dosiert in den Pumpkreislauf oder in die Zuleitung zur Pumpe ein Hydraulik-Öl oder ähnliches einspritzt. Auf diese Weise werden die beweglichen Verschleißteile der
Pumpe und der benötigten Ventile automatisch geschmiert, wodurch die Standzeiten der Vorrichtung erhöht werden und der Wartungsaufwand reduziert wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schwungmasse mit mehreren Pumpen so gekoppelt, dass in jeder Schwingrichtung der Schwungmasse gleichzeitig das Pumpmedium angesaugt und ausgestoßen wird. Das heißt, jede Schwingung der Schwungmasse im Gestell bzw. Gehäuse bildet bezüglich der Pumpe einen Arbeitstakt.
Alternativ lässt sich dies auch durch eine Pumpe mit zwei Pumpräumen erreichen, welche so ausgelegt sind, dass in jeder Schwingrichtung der Schwungmasse gleichzeitig das Pumpmedium angesaugt und ausgestoßen wird.
Eine besonders einfache Ausführungsform dieser zweiten Alternative sieht vor, dass die Pumpe einen Zylinder und einen darin angeordneten Kolben aufweist und dass der Kolben beispielsweise über eine aus dem Zylinder ragende Kolbenstange mit dem Gestell gekoppelt ist und der Zylinder mit der Schwungmasse gekoppelt ist. Hierbei kann der Kolben den Zylinder unter Bildung zweier Pumpräume unterteilen, und bei einer Bewegung des Kolbens entlang des Zylinders wird automatisch einer der Pumpräume vergrößert und der jeweils andere zwangsläufig verkleinert. Diese Ausführungsform hat u. a. den Vorteil, dass durch die Pumpe selber eine Führung für die Schwungmasse entlang einer Achse gebildet wird. Selbstverständlich ist es natürlich auch möglich, dass umgekehrt der Kolben mit der Schwungmasse und der Zylinder mit dem Gestell gekoppelt ist.
Bei Bedarf können im Übrigen auch mehrere parallel arbeitende Pumpen miteinander gekoppelt werden.
Die Vorrichtung ist besonders zur Verwendung in Wasserfahrzeugen, in Tonnen, beispielsweise für elektrisch betriebene Seezeichen, oder dergleichen geeignet. Sie kann aber auch mit einem speziellen eigenen Schwimmkörper versehen sein und beispielsweise in Küstennähe als Wellenenergiekonverter verwendet werden, dessen erzeugte elektrische Energie in ein Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Über den Einsatz auf dem Wasser hinaus, kann die Vorrichtung aber auch
überall dort verwendet werden, wo die Vorrichtung bzw. die Schwungmasse in sonstiger Weise in geeignete Schwingungen versetzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dort dargestellten Merkmale sowie die oben und nachfolgend beschriebenen Merkmale können nicht nur in den genannten Kombinationen, sondern auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Bei allen in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 1 ein geschlossenes Gehäuse 2 auf. Dieses geschlossene Gehäuse 2 besitzt zum Druckausgleich eine kleine Öffnung 44. Darüber hinaus ist das Gehäuse 2 für Wartungszwecke mit einer Klappe (nicht dargestellt) versehen. Dieses geschlossene Gehäuse 2 hat den Vorteil, dass die gesamte Vorrichtung 1 sicher gegen Eingriffe, unbeabsichtigt bewegte Objekte, Spritzwasser und Verschmutzungen untergebracht ist.
Selbstverständlich ist es alternativ auch möglich, anstelle des Gehäuses 2 ein einfaches Gestell zu verwenden oder beispielsweise ein Gittergehäuse, um lediglich aus Sicherheitsgründen einen Eingriff zwischen die bewegte Schwungmasse 3 und das Gestell zu verhindern.
In dem Gehäuse 2 befinden sich jeweils vertikale Stangen 12, 20, an denen eine Schwungmasse 3 in vertikaler Richtung beweglich gelagert ist.
Die Führung auf der Führungsstange 12 erfolgt über ein Lagerstück 14, welches obenseitig an der Schwungmasse 3 angeordnet ist. Zwischen dem Lagerstück 14 und der Grundfläche des Gehäuses 2 erstreckt sich eine Spiralfeder 13, von der die gesamte Schwungmasse 3 schwingfähig getragen wird. Selbstverständlich ist es möglich, und insbesondere bei Verwendung einer größeren Schwungmasse 3 auch sinnvoll, mehrere parallele Führungsstangen 12 mit Spiralfedern 13 zu verwenden, auf denen die Schwungmasse 3 schwingfähig gelagert wird.
Die parallel dazu laufende Stange 20 läuft als Kolbenstange 20 durch einen fest an der Schwungmasse 3 angeordneten Zylinder 16. Dieser Zylinder 16 ist oben und unten jeweils stirnseitig durch Kopfstücke 22 abgeschlossen, welche zentrale Durchführungen für die Kolbenstange 20 aufweisen, wobei die Kolbenstange 20 gegenüber den Kopfstücken 22 durch geeignete Dichtungen 21 abgedichtet ist. In der Mitte der Kolbenstange 20 ist sich ein ringförmig um die Kolbenstange 20 her- um erstreckender, dicht an der Innenwandung des Zylinders 16 anliegender Kolben 19 befestigt. Dieser Kolben 19 bildet folglich gemeinsam mit dem Zylinder 16 eine doppelseitige Pumpe 15 mit zwei Pumpräumen 17, 18. Bei einer Schwingung der Schwungmasse 3 entlang der vertikalen Führungsstangen 12, 20 wird der Zylinder 16 über dem Kolben 19 verschoben, so dass zwangsläufig jeweils einer der beiden Pumpräume 17, 18 kleiner wird, während der andere Pumpraum 17, 18 gleichzeitig vergrößert wird. Somit wird automatisch bei jeder Schwingbewegung der Schwungmasse in einem der Pumpräume 17, 18 das Pumpmedium angesaugt, während gleichzeitig aus dem anderen Pumpraum 17, 18 das Pumpmedium ausgestoßen wird.
Bei entsprechender Auslegung bildet die Pumpe 15 mit dem in dem Zylinder 16 geführten Kolben 19 und den in den Durchführungen der Kopfstücke 22 laufenden Kolbenstange 20 außerdem eine zusätzliche parallele Führung zu der Führungsstange 12.
An einer Seite der Schwungmasse 3 befindet sich ein Lineargenerator 4 mit einem am Gehäuse 2 befestigten Permanentmagneten 5 und mit einem Wicklungsaufbau 6, welcher an der Schwungmasse 3 befestigt ist. Dieser Lineargenerator 4 ist nur in den Figuren 1 und 3 schematisch dargestellt. Auf eine Darstellung in Figur 2
ist aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet worden. Der Permanentmagnet 5 und der Wicklungsaufbau 6 sind dabei in den Figuren nur schematisch in Form von Funktionsblöcken dargestellt. Der genaue Aufbau, die Form und die Anordnung des Permanentmagneten 5 und der Wicklung 6 sind so gewählt, dass bei einer Relativbewegung der Wicklung 6 entlang des Permanentmagneten 5 ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird. Hierfür stehen dem Fachmann aus dem Stand der Technik, beispielsweise der eingangs genannten DE 198 09 309 A1 , bekannte, verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung.
Beispielsweise können die Wicklungen auch eine schraubenförmige Spule bilden und der Permanentmagnet ist als in die Spule eintauchender Magnet ausgebildet.
Ebenso kann anstelle eines Lineargenerators selbstverständlich auch ein rotato- risch angetriebener Generator verwendet werden, wenn durch eine entsprechen- de Kopplung über ein Getriebe oder dergleichen die lineare Schwingbewegung der Schwungmasse in eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird.
In allen in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird als Pumpmedium Luft verwendet. Selbstverständlich kann aber auch ein beliebiges anderes Gas oder sonstiges Fluid, beispielsweise Wasser oder ein Hydraulik-Öl, verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird zunächst über einen Luftfilter 39 von außerhalb des Gehäuses 2 Luft über eine Zuluftleitung 26 und Rückschlag- ventile 35 jeweils zu den Ansaugleitungen 23 der beiden Pumpräume 17, 18 der doppelseitigen Pumpe 15 angesaugt. Die Rückschlagventile 35 sorgen dafür, dass immer nur der ansaugende Pumpraum 17, 18 mit der Zuluftleitung 26 verbunden ist und die jeweils andere Verbindung zwischen Zuluftleitung 26 und ausdrückendem Pumpraum 17, 18 geschlossen ist. Die Rückschlagventile 35 in den Saugleitungen 23 können federbelastet sein, um ein sicheres Schließen der Rückschlagventile 35 zu gewährleisten oder um die Öffnung der Ventile 35 von einem Mindestdruck abhängig zu machen.
Über die Druckleitungen 24 und ein Druckschalterventil 34 wird die ausgeblasene Luft über eine Abluftleitung 25 weggeführt. Das Druckschalterventil 34 ist hierbei wiederum so ausgelegt, dass nur die Druckleitung 24 des gerade ausblasenden Pumpraums 17, 18 mit der Abluftleitung verbunden ist und die Verbindung zwischen Abluftleitung und dem jeweils anderen Pumpraum 17, 18 geschlossen ist, wobei das Druckschalterventil 34 automatisch durch den jeweils auf der Druckleitung 24 anstehenden Druck, bzw. des auf Seiten des jeweils ansaugenden Pumpraums 17, 18 anstehenden Unterdrucks, in die entsprechende Stellung gebracht und dort gehalten wird.
Die Abluftleitung 25 führt zu einem Steuerungsventil 37, welches über eine aus dem Gehäuse 2 geführte Bedieneinrichtung 38, hier ein Stellhebel 38, in eine Durchgangs- und eine Schließstellung gebracht werden kann. In der Durchgangsstellung wird die ausgestoßene Luft über eine Kühlleitung 29 an geeigneter Stelle über den Lineargenerator 4 geblasen, um die dort im Betrieb entstehende Wärme abzuführen und einen Wärmestau zu verhindern. Ein Druckausgleich erfolgt über die Öffnung 44 im Gehäuse 2.
Wird das Steuerungsventil 37 mittels des Stellhebels 38 in die Schließstellung verbracht, kann durch die Schwingbewegung der Schwungmasse 2 zwar noch Luft angesaugt, nicht aber mehr ausgeblasen werden. Es wird daher beidseits des Kolbens 19 im Zylinder 16 eine komprimierte Luftsäule aufgebaut. Letztendlich führt dies zum Stillstand der Schwingbewegung der Schwungmasse 3. Mittels des außen am Gehäuse 2 befindlichen Stellhebels 38 kann folglich die Schwung- masse 3 angehalten werden, bevor das Gehäuse 2 geöffnet wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle des einfachen Steuerungsventils 37 mit nur zwei Schaltstellungen ein in mehreren Stufen oder sogar stufenlos regelbares Steuerungsventil vorzusehen, so dass über dieses Ventil und die Pumpe 15 eine jederzeit genau einstellbare Dämpfung der Schwingbewegung der Schwungmasse 3 erreicht wird.
Figur 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie Figur 1 , jedoch wird hier die ausgeblasene Luft nicht zur Kühlung verwendet, sondern hinter dem Ventil 37 über eine Lei-
tung 27 einer Generatoreinrichtung 30 zugeführt, welche aus einer Turbine bzw. einem Luftmotor 31 besteht, der über eine Welle 32 einen Generator 33 antreibt. Die aus dem Luftmotor bzw. der Turbine 31 austretende Luft kann dann selbstverständlich anschließend noch zur Kühlung des Generators 33 bzw. auch des (hier nicht dargestellten) Lineargenerators verwendet werden.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Luft in einem nahezu geschlossenen Kreislauf zwischen den beiden Pumpräumen 17, 18 hin- und hergepumpt wird. Hierzu ist die Abluftleitung 25 über das Schließventil 37 direkt mit einer Zuluftleitung 28 verbunden, welche wiederum über die Rückschlagventile 35 zu den Saugleitungen 23 der Pumpräume 17, 18 führt. Bei diesem geschlossenen Kreislauf wird über einen Luftfilter 39, die Zuluftleitung 26 und ein weiteres zusätzliches Rückschlagventil 36 nur insoweit Luft in den Kreislauf eingeführt, um eventuelle Verluste durch Undichtigkeiten an der Pumpe oder im Leitungssystem auszugleichen.
Anders als in den in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Pumpräume 17, 18 für die Saugleitung 23 und die Druckleitung 24 hier jeweils separate Anschlüsse auf. Selbstverständlich ist es aber im Prinzip auch hier möglich, wie in den Figuren 1 und 2, die Saugleitungen 23 und Druckleitungen 24 außerhalb des Pumpraums zusammenzufassen und über einen gemeinsamen Anschluss an den Pumpraum 17, 18 anzuschließen. Umgekehrt ist selbstverständlich auch die Verwendung separater Anschlüsse der Saugleitungen 23 und Druckleitungen 24 bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Figuren 1 und 2 möglich.
Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich außerdem im Gehäuse 2 eine Hy- draulik-Ölpumpe 40, welche über ein Steigrohr 41 aus einem Vorratsbehälter 42 im Bodenbereich des Gehäuses 2 in regelmäßigen Abständen ein Hydraulik-Öl oder ähnliches geeignetes Schmiermittel in den Pumpkreislauf einsprüht. Dieses in den Druckkreislauf automatisch in regelmäßigen Abständen eingebrachte, vernebelte Öl sorgt für eine ausreichende Schmierung des gesamten Pumpensystems. Aus den Führungen entlang der Dichtungen 21 in den Kopfstücken 22 der Pumpe 15 austretendes überschüssiges Öl kann durch die Rücklauföffnungen 43
im Boden des Gehäuses 2 in den Ölbehälter 42 zurücklaufen. Dieses System ist außerordentlich wartungsarm. Die Ölpumpe 40 wird elektromagnetisch angetrieben und wird hierzu über eine Leitung 11 von einer Steuereinheit 9 mit elektrischen Impulsen versorgt.
Diese Steuereinheit 9 enthält auch den Laderegler für einen Akkumulator 8, der über ein Ladekabel 10 mittels des vom Lineargenerators erzeugten Stroms geladen wird. Sowohl die Steuereinheit 9 als auch der Akkumulator 8 sind in einem Träger 7 angeordnet und bilden gemeinsam mit diesem die Schwungmasse 3.
Auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 und 2 ist der Akkumulator (nicht dargestellt) jeweils Bestandteil der Schwungmasse 3, da ein solcher Aufbau vorteilhaft das relativ hohe Gewicht des Akkumulators nutzt und in der Regel keine zusätzliche größere Schwungmasse mehr erfordert.
Selbstverständlich ist es aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung im Prinzip auch möglich, sofern es auf das Gesamtgewicht der Vorrichtung nicht ankommt, die Schwungmasse und den Akkumulator voneinander zu trennen. Dies ist ggf. dann sinnvoll, wenn beispielsweise bei einem Lineargenerator die Wicklungsein- heit fest am Gehäuse montiert ist und der Permanentmagnet an der Schwungmasse, so dass die Spannung bzw. der Strom an den fest am Gehäuse stehenden Wicklungen abgegriffen werden kann. In diesem Fall besteht dann keine Notwendigkeit, eine elektrische Verbindung von einem festen zu einem schwingenden Teil herzustellen.
Je nach speziellem Ausführungsbeispiel bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung folglich eine Anzahl verschiedener Vorteile. So wird durch die Erfindung zum einen eine definierte Dämpfung und ein Anhalten der Schwungmasse ermöglicht. Der verwendete Generator kann gekühlt werden oder es können zusätzliche Ge- neratoren angetrieben werden. Es wird zusätzlich eine relativ verschleißarme Führung der Schwungmasse geboten.
Weiterhin ist es auch möglich, die Pumpe zu völlig anderen Zwecken einzusetzen. So kann beispielsweise auch mit der Pumpe Wasser gepumpt werden, welches
zur Kühlung des Generators oder zum Antrieb weiterer Generatoren verwendet wird. Die Pumpe kann aber im übrigen als Pumpe im Brauchwasserkreislauf eines Wasserfahrzeugs eingesetzt werden. Des Weiteren kann sie mit einem Leitungssystem verbunden sein, so dass die Pumpe normalerweise über geeignete Venti- le, beispielsweise zur Kühlung des Generators, Seewasser in einem Kühlkreislauf pumpt und bei Bedarf durch Umstellung der Ventile als Lenzpumpe im Schiffsrumpf eingesetzt wird.
Je nach konkretem Anwendungsfall könnten die verschiedensten Anwendungs- möglichkeiten auch kombiniert werden, um so einen für den jeweiligen Fall optimalen Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erzielen.