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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Stromerzeugung mit einem über eine Welle antreibbaren elektrischen Generator.
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Einrichtungen zur Stromerzeugung, bei denen beispielsweise mit Hilfe von Wind-, Wasserkraft- oder Biomasseenergie Stromgeneratoren angetrieben werden, sind aus dem Stand der Technik vielfach bekannt. Mit dem Betrieb solcher Einrichtungen allein läßt sich jedoch keine kontinuierliche Stromversorgung sicherstellen. Es werden daher alternative Einrichtungen zur Stromerzeugung benötigt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine solche andere Einrichtung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Stromerzeugung nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Einrichtung und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung umfaßt einen über eine Welle antreibbaren elektrischen Generator, wobei die Welle durch einen ersten Antrieb in Drehung versetzbar ist, wobei der erste Antrieb mit der Welle über wenigstens einen Hebel verbunden ist, wobei der erste Antrieb ein Übertragungselement in Form einer Antriebsscheibe aufweist, wobei der wenigstens eine Hebel durch die Antriebsscheibe gebildet ist und wobei die Antriebsscheibe in Wirkverbindung mit wenigstens einem dauerhaft betreibbaren Motor steht, durch welchen Motor die Antriebsscheibe und damit die Welle in Drehung versetzbar ist.
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Anders ausgedrückt dient ein durch wenigstens einen dauerhaft betreibbaren Motor angetriebenes Göpelwerk zum Antreiben eines Stromgenerators. Die Erfindung beruht somit auf der Anwendung des Arbeitsprinzips eines Göpels, wonach eine Welle mit Hilfe eines oder mehrerer langer Hebel in Drehung versetzt wird.
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Der wenigstens eine Hebel dient dabei nicht als ein beliebig austauschbares Verbindungs- oder Koppelmittel zwischen Antrieb und Welle. Vielmehr definiert er das Grundprinzip der Erfindung. Der erfindungsgemäße Vorteil kommt daher auch nur dann voll zum Tragen, wenn die Welle an dem einen Ende des Hebels befestigt ist und der Motor an dem anderen Ende des Hebels angreift, so daß die gesamte Hebellänge ausgenutzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird unter geschickter Ausnutzung der konstruktiven und funktionalen Eigenschaften und Vorteile eines Göpels eine konstruktiv einfache Maschine zur Kraftwandlung eingesetzt, die im Vergleich mit anderen Einrichtungen zur Stromerzeugung preiswert herstellbar ist. Kommt dabei aus dem Windkraftanlagenbau bekannte Technologie zum Einsatz, werden insbesondere Generatoren neuester Bauart verwendet, wie sie in modernen Windkraftanlagen verwendet werden, so kann mit einem sehr geringen Aufwand an Energie zum Betrieb des wenigstens einen dauerhaft betreibbaren Motors ein Höchstmaß an elektrischem Strom erzeugt werden.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von zwei gegenläufig arbeitenden, an gegenüberliegenden Seiten der Antriebsscheibe angreifenden Motoren erwiesen. Dadurch können Motoren mit geringerer Leistung verwendet werden, Zugleich können Reibungsverluste verringert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der wenigstens eine dauerhaft betreibbare Motor ein Biogasmotor ist. Darunter werden Motoren verstanden, die mit Biogas als Treibstoff betrieben werden können. Vorzugsweise werden dabei Motoren eingesetzt, die mit nicht aufbereitetes Biogas arbeiten, wie es durch eine übliche Biogasanlage zur Verfügung gestellt wird. Selbstverständlich können alternativ auch Motoren eingesetzt werden, die mit gereinigtem Biogas (Biomethan) oder anderen Brennstoffen betrieben werden.
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Darüber hinaus läßt sich die vorliegende Erfindung sowohl mit einer waagerecht, als auch mit einer senkrecht angeordneten Welle verwirklichen. Unabhängig von der Bauform des Göpelwerkes mit einer waagerechten oder senkrechten Welle kann der Generator mit oder ohne Anwendung eines Getriebes angetrieben werden. Erfolgt die Kraftübertragung nicht direkt von dem Göpel auf die Maschine, sondern wird statt dessen ein Übersetzungsgetriebe eingesetzt, dann dient die mit den Hebeln verbundene Welle als Antriebswelle, welche den elektrischen Generator über eine Abtriebswelle antreibt, wobei Antriebswelle und Abtriebswelle über das Getriebe miteinander verbunden sind. Die vergleichsweise niedrige Drehzahl der langsamlaufenden Antriebswelle wird in diesem Fall durch das Getriebe in eine höhere Drehzahl der schnellaufenden Abtriebswelle umgesetzt, wobei das Übersetzungsverhältnis beispielsweise 1:30 oder 1:50 betragen kann. Der in solchen Fällen verwendete Generator kann vergleichsweise klein, leicht und preiswert sein.
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Alternativ dazu kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch als getriebelose Anlage vorgesehen sein. In diesem Fall handelt es sich bei dem Generator vorzugsweise um einen Ringgenerator. Als Ringgenerator dient ein getriebeloser, langsamdrehender Generator, welcher mit den vergleichsweise niedrigen Drehzahlen des Göpelwerkes arbeitet. Läufer und/oder Ständer des Generators weisen im wesentlichen die Form eines Ringes auf. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Ringgenerator um einen hochpoligen Synchrongenerator mit beispielsweise bis zu 36 Polpaaren. Da Ausgangsspannung und -frequenz mit der Drehzahl variieren, werden diese zunächst über einen Gleichstromzwischenkreis umgeformt (gleichgerichtet) und dann mit einem Wechselrichter zur Abgabe an das Stromnetz wieder in einen Wechselstrom umgeformt. Verglichen mit den oben genannten Generatoren ist ein Ringgenerator größer, schwerer und teurer. Von Vorteil ist jedoch der deutlich geringere Verschleiß. Da kaum mechanische Abnutzungserscheinungen auftreten, ist der Generator besonders für starke Beanspruchungen und eine lange Lebenszeit geeignet.
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Ist die Antriebswelle vertikal angeordnet, was insbesondere aus optischen und/oder Platzgründen wegen der erforderlichen Antriebsscheibe oftmals die beste Möglichkeit darstellt, dann ist in einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zum zusätzlichen Antrieb der Welle ein zweiter Antrieb vorgesehen in Gestalt eines Vertikalrotors. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft, weil dann der zweite Antrieb seine Kraft auf die bereits vorhandene senkrechte Antriebswelle übertragen kann. Vorzugsweise wird ein Vertikalrotor eingesetzt, dessen Drehbewegung unabhängig von der Windrichtung ist, da dann keine Windrichtungsnachführung benötigt wird.
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Der zweite Antrieb ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, daß er nur dann in Wirkverbindung mit der Welle steht, wenn die durch Windkraft zur Verfügung gestellte Leistung bzw. Wellendrehzahl größer ist als die Leistung bzw. Drehzahl des ersten Antriebs. Der erste Antrieb wird dabei vorzugsweise nicht von der Welle getrennt, sondern bleibt dauerhaft angetrieben, so daß sich bei ausreichender Windstärke die Antriebskräfte der beiden Antriebe addieren.
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Vor allem in der Ausführung mit einem Biogasmotor und einem unterstützenden Vertikalrotor ist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Stromerzeugung besonders vorteilhaft im ländlichen Raum, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe von Biogasanlagen, einsetzbar. Bei einer entsprechenden Dimensionierung der erfindungsgemäßen Einrichtung kann eine Biogasanlage, ein gesamter Bauernhof oder dergleichen mit Hilfe der Erfindung mit eigenem Strom versorgt werden. Dieser Strom wird ausschließlich mit Hilfe regenerativer Energie erzeugt, gewonnen aus Biogas und Windkraft.
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Die Erfindung schafft damit eine vorteilhafte Kombination aus einem Göpelwerk zum Antreiben eines Stromgenerators und einer Windkraftanlage.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht,
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2 eine Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht.
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Die Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 zur Stromerzeugung umfaßt einen über eine Welle 3 antreibbaren elektrischen Generator 2, wobei die Welle 3 durch einen ersten Antrieb 5, 7 in Drehung versetzbar ist. Die mit dem Generator verbundene Welle 3 ist senkrecht zum Boden angeordnet.
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Der ortsfeste erste Antrieb 5, 7 ist mit der Welle 3 über wenigstens einen Hebel 4 verbunden. Dabei weist der erste Antrieb 5, 7 eine kreisrunde, waagerecht zum Erdboden angeordnete, drehbare Antriebsscheibe 7 auf und der wenigstens eine Hebel 4 ist durch die Antriebsscheibe 7 gebildet.
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Die Antriebsscheibe 7 steht in Wirkverbindung mit zwei Biogasmotoren 5. Dabei handelt es sich um dauerhaft betreibbare, gegenläufig arbeitende, an gegenüberliegenden Seiten der Antriebsscheibe 7, nämlich der Oberseite 8 und der Unterseite 9, angreifende Motoren 5. Durch die mit Hilfe geeigneter Maßnahmen mit gleicher Drehzahl laufenden Motoren 5 wird die Antriebsscheibe 7 und damit die Welle 3 zur Stromerzeugung in Drehrichtung 6 in Drehung versetzt. Hierzu sind von Motorwellen 11 angetriebene Antriebsräder 10 vorgesehen, welche die Drehbewegung der Motoren 5 durch Reibung auf die Antriebsscheibe 7 übertragen. Die starr mit der Welle 3 verbundene Antriebsscheibe 7 dient aufgrund ihrer Masse zugleich als Schwungrad.
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Da die Antriebsräder 10 auf der am äußeren Rand der Antriebsscheibe 7 in unmittelbarer Nähe des Umfangs wirken, kann im wesentlichen die gesamte Länge des Hebels 4 ausgenutzt werden. Mit anderen Worten entspricht die Hebellänge im wesentlichen dem Radius der Antriebsscheibe 7.
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Die für eine bestimmte Leistung des Generators 2 benötigte Mindestdrehzahl der Welle 3 kann durch eine entsprechende Kombination von Hebellänge bzw. Durchmesser der Antriebsscheibe 7 einerseits und Drehzahl der Motoren 5 andererseits eingestellt werden.
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Steht Wind in ausreichender Stärke zur Verfügung, kommt ein mit der Welle verbundener zweiter Antrieb in Gestalt eines Vertikalrotors 13 zum Tragen. In der abgebildeten Ausführungsform weist der Rotor 13 lediglich beispielhaft drei Flügel 14 mit Rotorblättern auf. Geeignete Koppelmittel 15 dienen zum Trennen der Wirkverbindung zwischen Rotor 13 und Welle 3 und/oder zum Herstellen dieser Wirkverbindung in Abhängigkeit von den Leistungen der beiden Antriebe bzw. den erzielbaren Drehzahlen derart, daß der Rotor 13 nur dann in Wirkverbindung mit der Welle 3 steht, wenn die durch Windkraft zur Verfügung gestellte Leistung bzw. Wellendrehzahl größer ist als die Leistung bzw. Drehzahl des durch die Motoren 5 und die Antriebsscheibe 7 gebildeten ersten Antriebs. Geeignete Anpassungsmittel 16, insbesondere Getriebe-, Kupplungs- und/oder Drehmoment- bzw. Drehzahlsteuerungsmittel, stellen das Erreichen eine optimale Arbeitsdrehzahl der gemeinsam angetriebenen Welle 3 sicher.
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In den Figuren nicht dargestellt sind Stütz-, Lager-, Halte- und Tragkonstruktionen für einzelne Komponenten der Einrichtung. Derartige Konstruktionen sind, ebenso wie die geeigneten Koppel- und Anpassungsmittel, dem Fachmann geläufig, so daß an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen werden muß.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einrichtung
- 2
- Generator
- 3
- Welle
- 4
- Hebel
- 5
- Motor
- 6
- Drehrichtung der Welle
- 7
- Antriebsscheibe
- 8
- Oberseite
- 9
- Unterseite
- 10
- Antriebsrad
- 11
- Motorwelle
- 12
- (frei)
- 13
- Vertikalrotor
- 14
- Flügel
- 15
- Koppelmittel zum Herstellen und/oder Trennen der Wirkverbindung
- 16
- Anpassungsmittel
