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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Generator sowie
ein Verfahren zum Betreiben des elektrischen Generators. Genauer
gesagt betrifft die Erfindung einen elektrischen Generator, der
mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium betrieben werden kann,
insbesondere mit einem unter Druck stehenden Fluid.
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Im
Stand der Technik sind zahlreiche Bauformen für elektrische Generatoren bekannt.
Beispielsweise werden im großtechnischen
Einsatz häufig Dampf-
oder Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Ebenfalls
weite Verbreitung haben Wasserturbinen gefunden, die beispielsweise
als Kaplan-Turbine oder Francis-Turbine ausgebildet sind. Häufig sind
solche Generatorkonzepte jedoch nur für großtechnische Anlagen angepasst.
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Im
Hinblick darauf schlägt
die vorliegende Erfindung einen elektrischen Generator gemäß Anspruch
1 und 2 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Generators
nach Anspruch 32 vor. Weitere Ausführungsformen, Aspekte und Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung sowie den beiliegenden Zeichnungen.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Generator bereitgestellt,
der eine Kolbenkammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung umfasst,
wobei die Kolbenkammer in zumindest einer Querschnittsansicht kreisringförmig ist.
Weiterhin umfasst der Generator einen Kolben, der in der Kolbenkammer
auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert
ist. Der Kolben ist dabei so eingerichtet, dass er mindestens einen
Magneten auf einer Kreisbahn mitnehmen kann. Bei dieser Ausführungsform
weist der Generator weiterhin mindestens eine Spule auf, an der
der Magnet vorbeigeführt
werden kann, sodass in der Spule eine elektrische Spannung induziert
wird.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform wird
ein elektrischer Generator bereitgestellt, der eine Kolbenkammer
mit einer Einlassöffnung
und einer Auslassöffnung
umfasst, wobei die Kolbenkammer in zumindest einer Querschnittsansicht
kreisringförmig
ist. Der Generator umfasst weiterhin einen Kolben, der in der Kolbenkammer
auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert
ist. Insoweit entspricht der Aufbau dieser Ausführungsform dem Aufbau der vorher
genannten Ausführungsform.
Gemäß der alternativen
Ausführungsform
ist der Kolben jedoch eingerichtet, mindestens eine Spule auf einer
Kreisbahn mitzunehmen, wobei der Generator weiterhin mindestens
einen Magneten aufweist, an dem die Spule vorbeigeführt werden
kann, sodass in der Spule eine elektrische Spannung induziert wird.
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Die
beiden oben genannten alternativen Konzepte, das heißt einmal
das Mitnehmen eines Magneten und alternativ das Mitnehmen einer
Spule, verwenden einen Rotationskolbenantrieb für den Generator. Auf diese
Weise wird ein Generatorantrieb bereitgestellt, bei dem der Kolben
nicht umgelenkt werden muss, sondern fortgesetzt auf der Kreisbahn in
einer Richtung rotieren kann. Es werden auf diese Weise die bei
Einsatz eines Hubkolbenantriebs entstehenden Verluste durch die
Umlenkung des Kolbens an den beiden Totpunkten vermieden. Weiterhin kann
bei den Generatoren gemäß den beiden
oben geschilderten Ausführungsbeispielen
auf den Einsatz eines zwischengeschalteten Getriebes, das mit weiteren
Verlusten behaftet ist, verzichtet werden. Vielmehr wird hier der
Magnet bzw. die Spule direkt vom Rotationskolben mitgenommen. Weiterhin
kann so über
die Generatordrehzahl direkt die Frequenz der elektrischen Generatorausgangsleistung
gesteuert werden. Gleichfalls kann der Generator im Netzparallelbetrieb
mit der festen Netzfrequenz gefahren werden, wobei er dann Leistung
abgibt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung umfasst der elektrische Generator eine zwischen
der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
angeordnete bewegliche Dichtung, die eingerichtet ist, die Kolbenkammer
zwischen der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
im Wesentlichen druckdicht zu verschließen, und die weiterhin so bewegbar
ist, dass der Kolben an der beweglichen Dichtung vorbeibewegt werden
kann. Auf diese Weise kann ein unter Druck stehendes Arbeitsmedium über die
Einlassöffnung
in einen in der Kolbenkammer ausgebildeten Zwischenraum zwischen
dem Rotationskolben und der beweglichen Dichtung eingebracht werden.
Das Arbeitsmedium beaufschlagt dann die bewegliche Dichtung sowie
eine Druckseite des Rotationskolbens mit seinem Druck. Da der Rotationskolben
drehbar gelagert ist, wird er durch das Arbeitsmedium in Rotation
versetzt, wobei sich das Arbeitsmedium entspannt. Die bewegliche
Dichtung ist hingegen so eingerichtet, dass sie die Kolbenkammer
zwischen der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
im Wesentlichen druckdicht verschließt. Daher kann sich das Arbeitsmedium
im Wesentlichen nur in Rotationsrichtung des Kolbens entspannen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist die bewegliche Dichtung im Wesentlichen in radialer Richtung
bewegbar. Insbesondere kann dabei die bewegliche Dichtung in eine
Dichtungsaufnahme, die in einer inneren oder in einer äußeren Wand
der Kolbenkammer ausgebildet ist, bewegbar sein. Gemäß einer
Ausführungsform
können
dabei der Rotationskolben und/oder die bewegliche Dichtung so ausgebildet
sein, dass der Kolben die Dichtung beim Überfahren in die Dichtungsaufnahme
bewegt. Beispielsweise kann die in Bewegungsrichtung des Kolbens liegende
Seite des Kolbens in der Querschnittsansicht zumindest teilweise
schräg
verlaufen, wobei eine der Bewegungsrichtung des Kolbens zugewandte
Seite der beweglichen Dichtung in Querschnittsansicht ebenfalls
zumindest teilweise schräg verläuft, sodass
der Kolben die Dichtung beim Überfahren
in die Dichtungsaufnahme drückt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist an der Vorderseite des Kolbens ein Arm angeordnet, an dessen
in Bewegungsrichtung gesehen vorderem Ende eine Rolle federnd gelagert
ist. Dieser Arm kann so mit einer versenkbaren Dichtung zusammenwirken,
dass die Dichtung durch den Arm bei Überfahren des Kolbens in die
Dichtungsaufnahme gedrückt
wird. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
kann die Dichtung als eine mit einer Feder vorgespannte Dichtungsklappe ausgebildet
sein. Dabei ist die Dichtung so ausgebildet, dass sie gegen den
Druck des eingelassenen Arbeitsmediums sperrt, jedoch in Rotationsrichtung
des Kolbens gegen eine Federkraft in die Dichtungsaufnahme versenkbar
ist. Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
kann die bewegliche Dichtung separat antreibbar sein, um die Dichtung
in die Dichtungsaufnahme zu bewegen. Beispielsweise kann die Dichtung über einen
elektromagnetischen Antrieb ähnlich
einem Relais in die Dichtungsaufnahme hineingezogen werden. Beispielsweise
kann bei einer solchen Ausführungsform
zusätzlich
ein Sensor bereitgestellt sein, der die aktuelle Winkelposition
des Rotationskolbens an den separaten Antrieb der Dichtung weitergibt,
sodass die Dichtung in Abhängigkeit der
Stellung des Rotationskolbens in die Dichtungsaufnahme hineinbewegt
werden kann. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform
kann die bewegliche Dichtung mittels einer mechanischen Steuerung
in die Dichtungsaufnahme bzw. wieder aus der Dichtungsaufnahme heraus
bewegt werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
der elektrische Generator weiterhin mindestens einen um den Mittelpunkt
des Kreisrings drehbar gelagerten Ring, der mit dem Kolben verbunden
ist. Der drehbar gelagerte Ring kann dabei am inneren Umfang der
Kolbenkammer angeordnet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
ist der drehbar gelagerte Ring am äußeren Umfang der Kolbenkammer angeordnet.
Bei jeder der beiden vorgenannten Anordnungen können der zumindest eine Magnet
bzw. die zumindest eine Spule an dem drehbar gelagerten Ring angeordnet
sein. Mit anderen Worten ist der Rotationskolben in solchen Ausführungsbeispielen
mit einem Ring verbunden, der sich mit dem Rotationskolben mitdreht.
Der Magnet bzw. die Spule können an
dem Ring befestigt sein oder in den Ring integriert sein und werden
so von dem Kolben mitgenommen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
können auch
mehrere Magnete oder mehrere Spulen entlang des Umfangs des drehbar
gelagerten Ringes angeordnet sein. Insbesondere können die
Magnete bzw. Spulen über
den vollständigen
Umfang des Ringes verteilt sein. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende
Platz optimal ausgenutzt, da jeder der Magnete bzw. jede der Spulen
zu einem Induktionsvorgang führt.
Es sei hervorgehoben, dass selbstverständlich sowohl Permanentmagnete
als auch Elektromagnete als Magnete verwendet werden können.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die zumindest eine Spule dem zumindest
einen Magneten oder den mehreren Magneten gegenüberliegend an dem inneren oder
dem äußeren Umfang
der Kolbenkammer angeordnet. Insbesondere kann die Spule am inneren
Umfang der Kolbenkammer angeordnet sein, wenn der drehend gelagerte
Ring auch am inneren Umfang der Kolbenkammer angeordnet ist. Entsprechend
kann die Spule am äußeren Umfang
angeordnet sein, wenn auch der drehbar gelagerte Ring am äußeren Umfang
der Kolbenkammer angeordnet ist. Auf diese Weise kann der zu überbrückende Spalt zwischen
dem Magneten und der Induktionsspule gering gehalten werden. Ebenso
wie an dem drehbar gelagerten Ring mehrere Magnete bzw. mehrere Spulen
angeordnet sein können,
können
selbstverständlich
auch mehrere Induktionsspulen entlang des inneren Umfangs der Kolbenkammer
bzw. des äußeren Umfangs
der Kolbenkammer angeordnet sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die
Induktionsspulen an dem drehenden Ring angeordnet sein und die Magnete
feststehend am inneren Umfang oder am äußeren Umfang der Kolbenkammer
angeordnet sein. Insbesondere können
die am inneren Umfang oder am äußeren Umfang
der Kolbenkammer angeordneten Magnete bzw. Spulen ortsfest sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
der elektrische Generator des Weiteren eine ortsfeste Dichtung,
die zwischen dem drehbar gelagerten Ring und den ortsfesten Spulen
oder Magneten angeordnet ist. Dabei ist die ortsfeste Dichtung so ausgebildet,
dass sie die Kolbenkammer gegenüber den
ortsfesten Spulen bzw. Magneten gasdicht abschließt. Gemäß einer
Ausführungsform
ist die dabei die ortsfeste Dichtung im Wesentlichen ringförmig. In einer
Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels kann
dabei die ortsfeste Dichtung eine Wölbung in radialer Richtung
aufweisen. Typischerweise ist dabei die ortsfeste Dichtung zum Mittelpunkt
des Kreisrings hin gewölbt.
Die ortsfeste Dichtung erlaubt den gasdichten Abschluss der Kolbenkammer
gegenüber
der Umgebung, ohne dass ein bewegliches Dichtungselement vorgesehen
werden muss. Aufgrund der Wölbung
ist die ortsfeste Dichtung angepasst, die im Inneren der Kolbenkammer
auftretenden Drücke
ohne wesentliche mechanische Verformungen aufzunehmen. Da diese
Dichtung ortsfest ist, ist kein Verschleiß der Dichtung bei Rotation
des Kolbens zu erwarten. Aufgrund dieser Verschleißfreiheit
ist ebenfalls nicht zu erwarten, dass sich die Dichtigkeit über die
Lebensdauer des Generators verschlechtert.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
die ortsfeste Dichtung aus einem schwach magnetisierbaren oder nicht
magnetisierbaren Material gefertigt. Insbesondere kann die ortsfeste
Dichtung dabei aus Aluminium, einem Stahl, insbesondere einem nicht
rostenden Stahl, oder einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielsweise
einem Kohlefaserverbundwerkstoff, gefertigt sein. Aufgrund der geringen
Magnetisierbarkeit der ortsfesten Dichtung sind nur äußerst geringe
Magnetisierungsverluste im Generator zu erwarten. Die ortsfeste
Dichtung kann beispielsweise als Bauteil mit einer Dicke im Bereich
von 0,1 mm bis 5 mm ausgebildet sein. Insbesondere kann die ortsfeste
Dichtung im Wesentlichen gasdicht in einer Gehäusewand des Generators eingespannt
sein. Eine solchermaßen
eingespannte und gewölbte
ortsfeste Dichtung ist somit auf Zug beansprucht und kann gemäß einem
Ausführungsbeispiel eine
Zugfestigkeit im Bereich von 0,5 bis 2 kN/mm2 aufweisen.
Beispielsweise kann die ortsfeste Dichtung aus Lehrenband ausgebildet
sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung kann weiterhin in zumindest einem Bereich
der Oberfläche
des Kolbens eine Labyrinthdichtung ausgebildet sein. Auf diese Weise kann
verhindert werden, dass das unter Druck stehende Arbeitsmedium in
Rotationsrichtung in nennenswerter Menge zwischen Kolben und Kammerwand
hindurchströmt.
Gleichzeitig wird auf diese Weise eine Abdichtung bereitgestellt,
die praktisch verschleißfrei
ist. Zusätzlich
oder alternativ kann auch die Innenwand der Kolbenkammer zumindest teilweise
eine Labyrinthdichtung aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
können
ein oder mehrere Dichtringe am Kolben breitgestellt sein, wobei
die Dichtringe den Kolben gegenüber
der Kammerinnenwand in der Art eines Kolbenrings im Ottomotor abdichten.
Diese Dichtringe sind typischerweise sehr klein und können beispielsweise
aus einem Hartmetall gefertigt sein. Auf diese Weise wird nur wenig
Reibung erzeugt und die Dichtringe sind praktisch verschleißfrei. Gemäß einer
Weiterbildung sind die Dichtringe federnd in dem Kolben gelagert.
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Gemäß noch einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann weiterhin ein Einlassventil vorgesehen
sein, über
das das Arbeitsmedium, beispielsweise ein Fluid, insbesondere ein
Gas, in die Kolbenkammer eingelassen werden kann, um die Druckseite
des Kolbens mit Druck zu beaufschlagen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann ein Auslassventil vorgesehen sein, über das das Arbeitsmedium wieder
aus der Kolbenkammer abgelassen werden kann. Insbesondere können solche Ventile über eine
Ventilsteuerung ansteuerbar sein, wobei die Ventilsteuerung eingerichtet
ist, spezielle im Folgenden beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Betreiben eines elektrischen Generators bereitgestellt. Das Verfahren
umfasst insbesondere die folgenden Schritte: ein Arbeitsmedium wird
in die Kolbenkammer eingelassen, um eine Druckseite des Kolbens mit
Druck zu beaufschlagen, sodass der Kolben auf einer Kreisbahn rotiert;
ein vom Kolben mitgenommener Magnet bzw. eine vom Kolben mitgenommen Spule
wird an einer Spule bzw. einem Magneten vorbeigeführt, um
in der Spule eine elektrische Spannung zu induzieren; und eine elektrische
Leistung wird aus dem Generator entnommen. Auf diese Weise wird
in dem Rotationskolbengenerator unmittelbar elektrische Energie
aus dem unter Druck stehenden Arbeitsmedium ohne Zwischenschaltung
eines Getriebes gewonnen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
das Arbeitsmedium für
eine solche Zeitdauer eingelassen werden, die kleiner ist als die
Zeitdauer für
eine vollständige
Rotation des Kolbens. Mit anderen Worten ist die Öffnungszeit
eines Einlassventils kleiner als die Dauer einer vollständigen Umdrehung des
Kolbens. Insbesondere kann die Zeitdauer, in der das Arbeitsmedium
in die Kolbenkammer eingelassen wird, so bemessen sein, dass der
Kolben während
dieser Zeit höchstens
eine halbe Umdrehung oder gar höchstens
eine viertel Umdrehung ausführt. Wird
das Arbeitsmedium nur für
verhältnismäßig kurze
Zeit in die Kolbenkammer eingelassen, so kann sich die verhältnismäßig geringe
Menge an Arbeitsmedium während
einer Rotation des Kolbens stark entspannen. Auf diese Weise kann
ein deutlicher Anteil des Drucks in mechanische Rotationsarbeit
umgesetzt werden. Bei einem solchen Betrieb ist der Wirkungsgrad
des Generators verhältnismäßig hoch, da
dem Arbeitsmedium viel mechanische Arbeit entzogen wird. Gemäß einer
anderen Ausführungsform wird
bei dem Verfahren im wesentlichen ständig Arbeitsmedium in die Kolbenkammer
nachgeführt.
Auf diese Weise entspannt das Arbeitsmedium in der Kolbenkammer
kaum, sodass der Kolben andauernd mit dem Ausgangsdruck des Arbeitsmediums
beaufschlagt wird. Das Arbeitsmedium, das dann aus der Kolbenkammer
ausgelassen wird, weist noch im Wesentlichen denselben Druck auf,
wie bei Einlassen in die Kolbenkammer. Auf diese Weise kann der
Generator mit hoher Leistung betrieben werden, da ständig der
maximale Druck auf den Kolben ausgeübt wird. Zusätzlich oder
alternativ zu der oben beschriebenen Zeitsteuerung kann auch eine
Mengensteuerung vorgesehen sein, mittels der die Menge des eingelassenen
Arbeitsmediums gesteuert wird. Über
eine Steuerung der Einlasszeiten des Arbeitsmediums bzw. der Einlassmenge
des Arbeitsmediums kann somit stufenlos zwischen einer wirkungsgradoptimierten Betriebsweise
und einer leistungsoptimierten Betriebsweise variiert werden. Insbesondere
kann der Generatorbetrieb stufenlos an jeweilige aktuelle Erfordernisse
angepasst werden. Wird der Generator beispielsweise im Inselbetrieb
gefahren, so kann über
diese Steuerung die Generatordrehzahl konstant gehalten und überschüssige Leistung
abgegeben werden.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen werden nun Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines elektrischen Generators gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 eine
andere Querschnittsansicht eines elektrischen Generators gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3A bis 3D die
Funktionsweise eines elektrischen Generators gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines elektrischen Generators.
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5 noch
eine Ausführungsform
eines elektrischen Generators.
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6 eine
Querschnittsansicht eines elektrischen Generators mit einer weiteren
Ausführungsform
einer beweglichen Dichtung.
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7 eine
andere Querschnittsansicht eines elektrischen Generators mit einer
weiteren Ausführungsform
einer ortsfesten Dichtung.
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8 eine
schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei hintereinandergeschalteten
Generatoren.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines elektrischen Generators 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der elektrische Generator 100 weist
dabei eine Kolbenkammer 110 auf, die eine Einlassöffnung 112 und
eine Auslassöffnung 114 aufweist.
Die Kolbenkammer 110 ist in der gezeigten Querschnittsansicht
kreisringförmig.
In der Kolbenkammer ist weiterhin ein Kolben 120 angeordnet,
der um den Mittelpunkt des Kreisrings drehbar gelagert ist. Der
Kolben 120 weist eine Druckseite 122 auf, die
mit einem unter Druck stehenden Arbeitsmedium, das über die
Einlassöffnung 112 in
die Kolbenkammer 110 eingelassen werden kann, beaufschlagt
werden kann. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Vorderseite 124 des Kolbens
gekrümmt
ausgebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch
andere geeignete geometrische Formen des Kolbens, etwa eine Rechteckform,
gewählt
werden können. Als
Arbeitsmedium kommen insbesondere Gase in Betracht, wobei hier Helium
oder Stickstoff als beispielhafte gasförmige Arbeitsmedien zu nennen
wären.
Jedoch können.
als Arbeitsmedium gleichermaßen
auch Dämpfe,
insbesondere Wasserdampf, oder ORC-Medien verwendet werden. Dabei
können
sowohl hochtemperaturstabile ORC-Medien als auch Niedertemperatur-ORC-Medien
verwendet werden.
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Der
Kolben 120 ist mit einem drehbar gelagerten Ring 135 verbunden.
An dem Ring 135 sind Magnete 130 angeordnet, wobei
sich die Magnetpole von im Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Magneten
abwechseln. Dies ist in 1 durch die entsprechenden Pfeile
angedeutet. Aus 1 geht hervor, dass die Magnete 130 den
vollständigen
Umfang des Rings 135 überdecken.
Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Platz optimal
ausgenutzt. Die Magnete 130 können dabei an dem Ring 135 befestigt
oder in diesen integriert sein. Weiterhin können die Magnete 130 als
Permanentmagnete oder als Elektromagnete ausgebildet sein. Im letzteren
Fall verfügt
der elektrische Generator 100 über eine Stromzuführung zu
den Elektromagneten 130. Diese kann beispielsweise über Schleifringe
und Bürsten
geschehen. Der Ring 135 ist am inneren Umfang der Kolbenkammer 110 angeordnet.
Ihm gegenüberliegend
sind Spulen 140 angeordnet. Werden nun die Magnete 130 an
den Spulen 140 vorbeibewegt, so induzieren sie in diesen
Spulen eine Spannung. Diese Spannung kann abgegriffen und dem elektrischen
Generator 100 somit elektrische Leistung entnommen werden.
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Zwischen
dem Ring 135 und den Spulen 140 ist eine ortsfeste
Dichtung 160 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung 160 dichtet
die Kolbenkammer 110 gegenüber den Spulen 140 gasdicht
ab. Weiterhin ist zwischen der Einlassöffnung 112 und der
Auslassöffnung 114 eine
bewegliche Dichtung 150 vorgesehen. Wie durch den Doppelpfeil
in 1 angedeutet kann die bewegliche Dichtung 150 in
radialer Richtung bewegt werden. Dabei kann die bewegliche Dichtung 150 aus
der Kolbenkammer in eine radial außen liegende Aufnahme hineinbewegt
werden und aus dieser wieder in die Kolbenkammer zurück. Die
bewegliche Dichtung 150 ist so eingerichtet, dass sie die Kolbenkammer 110 zwischen
der Einlassöffnung 112 und
der Auslassöffnung 114 im
Wesentlichen druckdicht verschließt. Auf diese Weise wird zwischen
der Druckseite 122 des Kolbens 120 und der beweglichen
Dichtung 150 ein Zwischenraum geschaffen, in den über die
Einlassöffnung 112 ein
Arbeitsmedium eingebracht werden kann. Weiterhin sind in 1 ein Einlassventil 170 und
ein Auslassventil 180 gezeigt. Über das Einlassventil 170 kann
das Einbringen von Arbeitsmedium in die Kolbenkammer 110 gesteuert werden.
Gleichzeitig kann über
das Auslassventil 180 das Auslassen von Arbeitsmedium aus
der Kolbenkammer 110 gesteuert werden.
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Ein
Teilbereich der Oberfläche
des Kolbens 120 kann mit einer Labyrinthdichtung 126 versehen sein.
Dieser Teilbereich umfasst insbesondere den Bereich der Kolbenoberfläche, der
zur Innenwand 116 der Kolbenkammer benachbart ist. Aufgrund
der Labyrinthdichtung 126 kann die Menge an Arbeitsmedium,
die von der Druckseite 122 des Kolbens 120 auf
die Vorderseite 124 des Kolbens strömt, deutlich verringert werden.
Weiterhin ist die Labyrinthdichtung 126 im Wesentlichen
verschleißfrei,
sodass der elektrische Generator 100 äußerst wartungsarm ist.
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2 zeigt
eine weitere Querschnittsansicht des elektrischen Generators 100 entlang
einer Ebene senkrecht zur Rotationsrichtung des Kolbens 120. In
der darin gezeigten Ausführungsform
weist die Kolbenkammer 110 einen bogenförmigen bzw. einen im Wesentlichen
halbkreisförmigen
Querschnitt auf. Wie bereits erwähnt
sind auch andere Querschnittsgeometrien der Kolbenkammer wie etwa
ein Rechteck denkbar. Die Seitenwand der Kolbenkammer weist dabei
Auskragungen 118 auf, die dazu dienen, ein Lager 137 für den drehbaren
Ring 135 zu tragen. In dieser Querschnittsansicht weist
der Ring 135 eine im Wesentlichen T-förmige Struktur auf, wobei der Ring 135 seitlich
auf den Lager 137 drehend gelagert ist. Ein Magnet 130 ist
am zum Mittelpunkt hinweisenden Ende des Rings 135 angeordnet.
Dem Magneten 130 gegenüber
ist eine Induktionsspule 140 angeordnet, die auf einem
Träger 144 ortsfest
gelagert ist. Eine von dem Magneten 130 in der Spule 140 induzierte
Spannung V kann über
die Spulenanschlüsse 142 abgegriffen
werden. Zwischen dem Magneten 130 und der Spule 140 ist
die ortsfeste Dichtung 160 angeordnet. Die ortsfeste Dichtung
ist so ausgebildet, dass sie die Kolbenkammer 110 gegenüber der
ortsfesten Spule 140 gasdicht abschließt. Die ortsfeste Dichtung 160 ist
an ihren seitlichen Rändern 162 eingespannt.
Dazu weist der Spulenträger 144 Klemmbereiche 146 auf,
die sich in radialer Richtung erstrecken. Die seitlichen Enden 162.
der Dichtung 160 sind zwischen den Klemmbereichen 146 des
Spulenträgers 144 und
den Auskragungen 118 der Kammerwand eingespannt. Insbesondere können dabei
die Seiten 162 der ortsfesten Dichtung 160 mit
den Auskragungen 118 und/oder den Klemmbereichen 146 verklebt
oder verschweißt
sein. Selbstverständlich
sind auch andere Verbindungsarten zwischen der ortsfesten Dichtung 160 und
dem Generatorgehäuse
denkbar, solange die Gasdichtigkeit gewährleistet werden kann.
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Wie
in 2 gezeigt, weist die ortsfeste Dichtung 160 eine
Wölbung
in Richtung zum Mittelpunkt des Kreisrings hin auf. Auf diese Weise
ist die ortsfeste Dichtung 160 auf Zug beansprucht und
wird sich auch dann, wenn die Kolbenkammer 110 mit unter
hohem Druck stehenden Arbeitsmedium befüllt ist, nur unwesentlich mechanisch
verformen. Dies ist vorteilhaft, da ansonsten der Ring 135 und
insbesondere der Magnet 130 an der ortsfesten Dichtung 160 schleifen
könnte.
Typischerweise ist die ortsfeste Dichtung 160 aus einem
schwach magnetisierbaren oder einem nicht magnetisierbaren Material
gefertigt. Auf diese Weise werden Magnetisierungsverluste beim Betrieb
des Generators möglichst
gering gehalten. Beispielsweise kann die ortsfeste Dichtung aus einem
Stahl, insbesondere Aluminium, einem nicht rostendem Stahl, oder
einem faserverstärkten
Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Kohlefaserverbundwerkstoff,
gefertigt sein. In einem Ausführungsbeispiel
ist die ortsfeste Dichtung 160 aus Lehrenband aus nicht
rostendem Stahl mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm ausgebildet.
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Im
Folgenden wird anhand der 3A bis 3D die
Wirkungsweise des elektrischen Generators 100 erläutert. Dabei
zeigt 3A wie über die Einlassöffnung 112 ein
unter Druck stehendes Arbeitsmedium in den zwischen der Druckseite 122 des Kolbens 120 und
der beweglichen Dichtung 150 gebildeten Zwischenraum eingelassen
wird. Das unter Druck stehende Arbeitsmedium beaufschlagt die Druckseite 122 des
Kolbens mit einem Druck, sodass der drehbar gelagerte Kolben 120 in
Rotation versetzt wird. Dies ist in 3A durch den
gekrümmten Pfeil
angedeutet. Dabei nimmt der Kolben 120 den Ring 135 und
die an ihm angeordneten Magnete 130 mit. Auf diese Weise
werden Magnete mit abwechselnder Ausrichtung der Pole an den ortsfesten
Spulen 140 vorbeibewegt, sodass jede dieser Spulen ein magnetisches
Wechselfeld erfährt.
Demgemäß wird in
jeder der Induktionseulen 140 eine elektrische Wechselspannung
induziert, die an jeweiligen Spulenanschlüssen 142 abgegriffen
werden kann.
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Wie
in 3B ersichtlich, bewegt sich nun der Kolben auf
seiner Kreisbahn weiter. Gemäß dem in 3B gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird das Einlassen des Arbeitsmediums in die Kolbenkammer 110 an
der angezeigten Winkelposition des Kolbens 120 gestoppt,
sodass kein weiteres Arbeitsmedium mehr in die Kolbenkammer 110 eintritt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die gezeigte Winkelposition des Kolbens 120 lediglich
beispielhaft zu verstehen ist und selbstverständlich auch andere Winkelpositionen
gewählt
werden können.
Die nun in dem Bereich der Kolbenkammer, der sich zwischen der beweglichen
Dichtung 150 und der Druckseite des Kolbens 120 befindet,
vorhandene Menge an Arbeitsmedium entspannt sich und drückt den
Kolben 120 weiter in Rotationsrichtung.
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Dies
ist in 3C gezeigt. Weiterhin ist in 3C angedeutet,
dass aufgrund der Entspannung des Arbeitsmediums nunmehr der Kolben 120 mit
einem geringeren Druck beaufschlagt ist. Entsprechend ist die Länge des
gekrümmten
Pfeils kürzer dargestellt
als beispielsweise in den 3A und 3B.
Weiterhin ist durch die Pfeile angedeutet, dass gegebenenfalls noch
aus einem vorherigen Takt in der Kolbenkammer befindliches Arbeitsmedium durch
den Kolben 120 verdrängt
und über
die Auslassöffnung 114 aus
der Kolbenkammer gedrückt
werden kann.
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3D zeigt
wie der Kolben 120 die beweglich Dichtung 150 beim Überfahren
in die Dichtungsaufnahme 156 hineindrückt. Dabei ist die in Bewegungsrichtung
des Kolbens liegende Seite 124 des Kolbens 120 teilweise
schräg
oder wie hier abgerundet ausgebildet. Die der Bewegungsrichtung
des Kolbens zugewandte Seite 152 der beweglichen Dichtung 150 ist
ebenfalls zumindest teilweise schräg oder abgerundet ausgebildet,
sodass der Kolben 120 die Dichtung 150 beim Überfahren
in die Dichtungsaufnahme 156 drücken kann. Weiterhin ist in 3D gezeigt,
dass die Dichtungsseite 154 der beweglichen Dichtung 160 ein
an den Außendurchmesser des
Rings 135 angepasstes Profil aufweist, um eine gute Dichtung
mit dem Ring 135 zu bewirken. Auch die Dichtungsfläche 154 kann
mit einer Labyrinthdichtung versehen sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
können
anstatt der Labyrinthdichtung auch ein oder mehrere Dichtringe breitgestellt
sein, wobei die Dichtringe die bewegliche Dichtung 150 gegenüber dem
Ring 135 in der Art eines Kolbenrings im Ottomotor abdichten.
Diese Dichtringe sind typischerweise sehr klein und können beispielsweise aus
einem Hartmetall gefertigt sein. Auf diese Weise wird nur wenig
Reibung erzeugt und die Dichtringe sind praktisch verschleißfrei. Gemäß einer
Weiterbildung sind die Dichtringe federnd in dem Kolben gelagert.
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Alternativ
zu dem dargestellten Überfahren der
Dichtung mit dem Kolben 120 kann die Dichtung 150 auch
separat antreibbar sein, um in die Dichtungsaufnahme 156 bewegt
zu werden. Beispielsweise kann dies über einen Elektromagneten realisiert
werden, der die Dichtung 150 gegen eine Federkraft in die
Dichtungsaufnahme zieht.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Dabei ist der grundsätzliche Aufbau des elektrischen
Generators 400 im Wesentlichen gleich zu den bisher dargestellten
Ausführungsbeispielen.
Jedoch ist bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Magnetring 435 am äußeren Umfang
der Kolbenkammer 410 angeordnet. Weiterhin sind die Induktionsspulen 440 dem
Magnetring 435 gegenüberliegend
am äußeren Umfang der
Kolbenkammer 410 angeordnet. Eine ortsfeste Dichtung 460 schließt wiederum
die Kolbenkammer 410 mit dem darin befindlichen Magnetring 435 gasdicht
gegenüber
den nun außen
liegenden Spulen 440 ab. Der prinzipielle Aufbau des Magnetrings 435, der
Spulen 440 sowie der ortsfesten Dichtung 460 entsprechen
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen,
wobei die nötigen
Anpassungen auf die Ausführungsform
von 4 dem allgemeinen Können des Fachmanns entsprechen.
Weiterhin sind die Einlassöffnung 412 sowie
die Auslassöffnung 414 im Inneren
des Generators 400 gelegen, sodass bei dieser Ausführungsform
die Zu- und Ableitungen für
das Arbeitsmedium zentral zu führen
sind. Ebenfalls innen gelegen ist aufgrund des Aufbaus die bewegliche Dichtung 450,
die jedoch ansonsten der vorher beschriebenen beweglichen Dichtung 150 entspricht, wobei
die Dichtungsfläche
dem Innendurchmesser des Magnetrings 435 angepaßt ist.
Mit anderen Worten ist das in 4 gezeigte
Ausführungsbeispiel
lediglich hinsichtlich der Anordnung von beweglichem Ring und Spulen
invertiert, das heißt,
die vorher außen
liegenden Elemente wurden ins Innere des Generators verlegt, wohingegen
die vorher innen liegenden Spulen und der innen liegende Ring nach
außen gelegt
wurden. Vom prinzipiellen Wirkprinzip und der Funktionsweise her
unterscheidet sich der Generator 400 jedoch nicht vom Generator 100 der
vorher besprochenen Ausführungsbeispiele.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Darin weist der Generator 500 wiederum
den Aufbau mit innen liegendem drehenden Ring und innen liegenden
Spulen so wie im Ausführungsbeispiel
der 1 auf. Jedoch sind bei diesem Ausführungsbeispiel
die in 1 gezeigten Permanentmagnete durch Spulen 530 ersetzt.
Diese Spulen 530 werden in einer Betriebsart des Generators 500 als
Magnetspulen verwendet, um in den ihnen gegenüber liegenden Spulen 540 eine
Spannung zu induzieren, sodass elektrische Leistung aus dem Generator
abgegriffen werden kann. Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
werden die ortsfesten innen liegenden Spulen 540 als Magnetspulen
betrieben, die in den an ihnen vorbei bewegten Spulen 530 eine
Spannung induzieren. Diese Spannung kann ebenfalls abgegriffen werden,
und als elektrische Leistung dem Generator entnommen werden. Zur
Versorgung der rotierenden Spulen 530 mit Strom bzw. zum
Abgriff der in den Spulen induzierten Spannung können Schleifringe und Bürsten vorgesehen
sein. Ein Vorteil bei dieser Ausführungsart ist darin zu sehen,
dass durch geeignete Steuerung der Erregerströme in den Magnetspulen, die
Stärke
und/oder Phasenlage der erzeugten Wechselströme gesteuert werden können. Ebenso
kann der Generator 500 durch die Steuerung bzw. Regelung
der Erregerströme
alleine oder in Kombination mit der Steuerung bzw. Regelung des
Arbeitsmediums stufenlos zwischen wirkungsgradoptimiertem Betrieb
und leistungsoptimiertem Betrieb eingestellt werden. Ebenfalls können so
konstante Leistungen und/oder konstante Drehzahlen eingeregelt werden.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines elektrischen
Generators 600, wobei in dieser Ausführungsform die bewegliche Dichtung 650 als
Klappe ausgebildet ist. Die bewegliche Dichtung 650 ist
schwenkbar um eine Achse 652 gelagert und mittels einer
Feder 654 vorgespannt. Die Feder 654 drückt die
bewegliche Dichtung 650 gegen den Magnetring 635.
Da die Dichtung eine länger
ist als der Durchmesser der Kolbenkammer 610, ist die bewegliche
Dichtung 650 gegenüber dem
von dem Arbeitsmedium ausgeübten
Druck sperrend. Der rotierende Kolben 620 drückt die
Dichtungsklappe 650 jedoch gegen die Federkraft 654 in die
Aufnahme. Dabei ist die Dichtung 650 beispielsweise so
geformt, dass sie sich in das Profil der äußeren Wand der Kolbenkammer 610 einfügt.
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7 zeigt
eine andere Schnittansicht mit einer weiteren Ausführungsform
der feststehenden Dichtung 760. Dabei ist der Magnetring 735 im
Wesentlichen U-förmig
ausgebildet, wobei die Öffnung des
Us zu der Spule 740 hinzeigt. An der Innenseite eines jeweiligen
Schenkels des Us ist jeweils ein Magnet 730 angeordnet.
Der Spulenträger 744 ist
im Wesentlichen T- förmig ausgebildet,
wobei die Spule 740 nach oben durch die Öffnung des
U zwischen die beiden Magnete 730 hineinragt. Die ortsfeste
Dichtung 760 ist ebenfalls U-förmig ausgebildet und zwischen
den Schenkeln des Magnetrings 735 und der Spule 740 angeordnet.
Ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind
die seitlichen Ränder 762 der
ortsfesten Dichtung 760 mit dem Generatorgehäuse derart
verbunden, dass die ortsfeste Dichtung 760 die Kolbenkammer 710 gegenüber der Spule 740 gasdicht
abschließt.
Um die mechanische Festigkeit der U-förmigen ortsfesten Dichtung 760 zu erhöhen, kann
der die beiden Schenkel verbindende Querteil der Dichtung mit dem
oberen Teil des Spulenträgers 744 verbunden
sein. Insbesondere kann der quer laufende Bereich mit dem Spulenträger 744 verschraubt
sein.
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8 zeigt
eine schematische Darstellung einer Anordnung, bei der zwei Generatoren 800, 900 der
vorbeschriebenen Art hintereinander geschaltet sind. Dabei ist der
Auslass 814 des ersten Generators 800 mit dem
Einlass 914 des zweiten Generators 900 verbunden.
Auf diese Weise kann das aus dem ersten Generator 800 ausströmende Arbeitsmedium noch
in dem zweiten Generator 900 verwendet werden, um Strom
zu erzeugen. Beispielsweise ist es möglich, den ersten Generator 800 leistungsoptimiert zu
betreiben, sodass das aus dem ersten Generator 800 austretende
Arbeitsmedium im Wesentlichen einen ähnlichen Druck aufweist wie
bei Einströmen
in diesen ersten Generator 800. Der zweite Generator 900 kann
nun wirkungsgradoptimiert betrieben werden, sodass das unter Druck
stehende Arbeitsmedium im zweiten Generator 900 möglichst
vollständig entspannt
wird. Dazu können
beispielsweise die Querschnitte bzw. Volumina der beiden Generatoren in
geeigneter Weise aufeinander angepasst sein. So kann der mit hoher
Leistung und hohem Druck betriebene Generator 800 einen
kleinen Querschnitt der Kolbenkammer aufweisen, wohingegen der Querschnitt
der Kolbenkammer des zweiten Generators 900 entsprechend
größer ist,
um die Menge an Arbeitsmedium aus dem ersten Generator 800 aufzunehmen
und zu entspannen. Selbstverständlich
können
auch mehr als zwei Generatoren in geeigneter Weise hintereinander
geschaltet werden, wobei die jeweiligen Querschnitte/Volumina bzw.
Generatordurchmesser aufeinander abzustimmen sind. Insbesondere
können
solche mehrstufigen Generatoren in einem einzigen Gehäuse angeordnet
werden, sodass eine kompakte mehrstufige Bauform bereitgestellt
wird. Zusätzlich
zur Abstimmung der jeweiligen Querschnitte, Radien und Volumina
aufeinander können
selbstverständlich
auch die Steuerungen der Einlass- und Auslassventile sowie gegebenenfalls die
Steuerungen der Erregerströme
für Magnetspulen
aufeinander abgestimmt werden. Eine solche mehrstufige Bauform kann
in weiten Druckbereichen betrieben werden und die verschiedenen
Betriebsparameter können
fast beliebig eingestellt werden. Weitere Freiheitsgrade des Systems
können
beispielsweise durch das Vorsehen einer Zwischenerhitzung des Arbeitsmediums
zwischen zwei Generatorstufen oder ähnliche vergleichbare Maßnahmen
eingestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese
Ausführungsbeispiele
sollen keinesfalls als einschränkend für die vorliegende
Erfindung verstanden werden. Insbesondere können einzelne Merkmale der
verschiedenen Ausführungsbeispiele
in andere Ausführungsformen übernommen
werden oder verschiedene Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden, solange sich die kombinierten Merkmale nicht
technisch bedingt gegenseitig ausschließen.