DE69411697T2 - System zur Generation und Speicherung elektrischer Energie - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie, die einen als Drehkraftquelle fungierenden Propeller zur Aufnahme der Energie eines strömenden Fluids mit einer Bremsvorrichtung und einem Drehzahlsensor aufweist; weiterhin einen vom Propeller antreibbaren Wechselstromgenerator zur Erzeugung von Wechselstrom zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz; eine Speicherbatterie; eine zentrale Steuerung zum Steuern des Betriebs der Vorrichtung; einen Gleichstromgenerator/-motor mit von der zentralen Steuerung gesteuerter Generator- und Motorfunktion; sowie ein den Propeller, den Wechselstromgenerator und den Gleichstromgenerator/-motor verbindendes Planetenradsystem. Die Vorrichtung ist dabei in den folgenden Betriebsarten einsetzbar:
- a) Bei einer für die Erzeugung einer gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator zu geringen Propellerdrehzahl wird die Bremsvorrichtung des Propellers in Eingriff gebracht und bringt diesen zum Stillstand. Der Wechselstromgenerator wird über das Planetenradsystem vom Gleichstromgenerator/-motor angetrieben, der von der Speicherbatterie gespeist wird.
- b) Bei einer für die Erzeugung einer gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator zu geringen Propellerdrehzahl wird der Gleichstromgenerator/-motor über das Planetenradsystem zum Antrieb des Wechselstromgenerators zusätzlich zum Propellerantrieb zur Gewährleistung einer ausreichenden Versorgung des Wechselstromgenerators eingesetzt. Der Gleichstromgenerator/-motor wird wiederum von der Batterie gespeist.
- c) Ist die Propellerdrehzahl höher als zur Erzeugung der gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator erforderlich; kann der Gleichstromgenerator/-motor von der überschüssigen Rotationsenergie des Propellers angetrieben werden, so daß er sowohl den Wechselstromgenerator zur Erzeugung des gewünschten Wechselstroms antreibt als auch die Speicherbatterie lädt.
- Als Stand der Technik ist aus der US-A-4464579 der Einsatz einer mit einem Wechselstromgenerator gekoppelten Windturbine zur Stromeinspeisung ins Wechselstromnetz bekannt. Aus der DE- A-36 40 121 ist außerdem der Einsatz von Batterien zur Versorgung einer Windkraftanlage bei zu geringem Windaufkommen bekannt.
- Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie als Version mit Verteilung über ein Differential.
- Herkömmliche Drehkraftmaschinen wandeln die Energie einer nicht steten Quelle in elektrische Energie um. Energiequellen geringer und mittlerer Größenordnung dieser Art sind Wind, Gezeiten, Wellen, Meeresströmung, Flüsse und Ströme. Wind und fließendes Wasser sind unstete und nur intermittierend zur Verfügung stehende Energiequellen, deren plötzlich auf Spitzenwerte ansteigende oder auf einen Tiefstwert absinkende mechanische Energie sich mit vorhandenen Erzeugungsvorrichtungen nur schwer akkumulieren läßt. Ein Hauptziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie ist die Vermeidung dieser bei herkömmlichen Vorrichtungen anzutreffenden Unzulänglichkeiten. Die Vorrichtung weist einen als Drehkraftquelle fungierenden Propeller zur Aufnahme der Energie eines strömenden Fluids mit einer Bremsvorrichtung und einem Drehzahlsensor auf; weiterhin einen vom Propeller antreibbaren Wechselstromgenerator zur Erzeugung von Wechselstrom für die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz; eine Speicherbatterie; eine zentrale Steuerung zum Steuern des Betriebs der Vorrichtung; einen Gleichstromgenerator/-motor mit von der zentralen Steuerung gesteuerter Generatoren- und Motorfunktion; sowie ein den Propeller, den Wechselstromgenerator und den Gleichstrommotor/- generator verbindendes Planetenradsystem; wobei die Vorrichtung wie folgt betrieben werden kann:
- a) Bei einer für die Erzeugung einer gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator zu geringen Propellerdrehzahl wird die Bremsvorrichtung des Propellers in Eingriff gebracht und bringt den Propeller zum Stillstand. Der Wechselstromgenerator wird über das Planetenradsystem vom Gleichstromgenerator/-motor angetrieben, der wiederum von der Speicherbatterie gespeist wird.
- b) Bei einer für die Erzeugung einer gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator zu geringen Propellerdrehzahl wird der Gleichstromgenerator/-motor über das Planetenradsystem gemeinsam mit dem Propeller zum Antrieb des Wechselstromgenerators zur Gewährleistung einer ausreichenden Versorgung des Wechselstromgenerators eingesetzt. Der Gleichstromgenerator/-motor wird dabei von der Batterie gespeist.
- c) Ist die Propellerdrehzahl höher als zur Erzeugung der gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator erforderlich, ist der Gleichstromgenerator/-motor von der überschüssigen Rotationsenergie des Propellers antreibbar, so daß er sowohl den Wechselstromgenerator zur Erzeugung des gewünschten Wechselstroms antreibt als auch die Speicherbatterie lädt. Neben dem gleichzeitigen Antrieb von Gleichstromgenerator/-motor und Wechselstromgenerator läßt sich auch auf herkömmliche Weise der Propellerwinkel verstellen oder ein durch das Fluid, mechanisch oder mit Magnetstrom betriebener Drehzahlbegrenzer zwischenschalten, um einer Überlastung des Propellers oder einem Antrieb über das benötigte Maß hinaus entgegenzuwirken.
- Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie. Dieser weist folgendes auf:
- einen Propeller 109 zur Erzeugung mechanischer Rotationsenergie aus Windkraft oder der Kraft eines strömenden Fluids. Der Propeller treibt ein Differential oder ein Planetenradsystem (siehe unten) an. In der dargestellten Ausführungsform weist der Propeller 109 eine von einer zentralen Steuereinheit CCU102 gesteuerte Vorrichtung zum Verstellen des Anstellwinkels auf. Eine Drehzahlsensorvorrichtung und ein Drehzahlbegrenzer für zu hohe Drehzahlen können zwischengeschaltet werden. Der Betrieb eines solchen Drehzahlbegrenzers würde im typischen Fall durch Fluidkraft, mechanische Kraft oder Magnetstromwirkung erfolgen.
- Ein Gleichstromgenerator/-motor (Dynamo) 101 in Form eines herkömmlichen mit Dauermagnet oder Spule erregten Gleichstromdynamos kann über die zentrale Steuerung CCU102 als ein Gleichstromgenerator oder als ein Gleichstrommotor betrieben werden. Im Generatorbetrieb kann er mechanische Rotationsenergie vom durch den Propeller 109 angetriebenen Differential oder Planetenradsystem aufnehmen und einen Gleichstrom zum Laden der Batterie 103 erzeugen. Im Motorbetrieb kann er durch Einspeisung elektrischer Energie von der Batterie 103 angetrieben werden und gesteuert von der zentralen Steuerung CCU102 über das Differential einen Wechselstromgenerator 111 antreiben.
- Das Differential weist einen Planetenradsatz mit einem Abtriebs-/Antriebswellen-Sonnenrad 104, einem Abtriebs- /Antriebshohlrad 105 und den umlaufenden Planetenrädern 106 auf. Die Abtriebs- und die Antriebswelle und die umlaufenden Planetenräder verbinden eine an den Gleichstromgenerator/-motor 101 gekoppelte Drehwelle, eine an den Wechselstromgenerator 111 gekoppelte Drehwelle und den Propeller 109. Eine Bremsvorrichtung 110 ist zum Abbremsen des Propellers 110 zwischengeschaltet. Außerdem kann ein Drehzahlbegrenzer für zu hohe Drehzahlen zur Verringerung eines Energieüberschusses zwischengeschaltet sein.
- Der Wechselstromgenerator 111 kann vom Differential zur Erzeugung eines Wechselstroms angetrieben werden, dessen Spannungs- und Frequenzwerte zur Realisierung der Steuerfunktion simultan zur Steuerung CCU102 rückgekoppelt werden. Er wird auch als Synchronmotor zur Erzeugung eines Antriebs durch Wechselstromeinspeisung aus dem Netz eingesetzt. Die zentrale Steuerung CCU102 weist elektromechanische
- oder Halbleiterbauelemente für eine wie nachfolgend beschriebene Steuerung der Vorrichtung auf:
- (1) Der Gleichstromgenerator/-motor 101 wird als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Drehung des Propellers 109 betrieben, mit der erzeugten Energie wird die Batterie 103 geladen.
- (2) Der Gleichstromgenerator/-motor 101 wird als Motor entweder allein oder gemeinsam mit dem Propeller 109 zum Antrieb des Wechselstromgenerators 111 eingesetzt, so daß der Wechselstromgenerator 111 seine Generatorfrequenz und den Laststrom erreicht und die Drehzahl des Propellers in Verbindung mit dem Wechselstromgenerator 111 ausreichend ist. Die Steuerung CCU102 steuert dementsprechend die Drehzahl des Gleichstromgenerators/-motors.
- (3) Die Erreger-Induktivität des Wechselstromgenerators 111 wird zur Steuerung seiner Generatorspannung und des Lastanpassungsverhältnisses gesteuert.
- (4) Eine Bremsvorrichtung an der Steuerungsseite des Wechselstromgenerators und der Gleichstromgenerator/-motor können nur über den Propeller 109 zusammenwirken.
- (5) Die Steuerung steuert die Verstellung des Anstellwinkels des Propellers 109 oder den Drehzahlbegrenzer für zu hohe Drehzahlen.
- (6) Sie steuert die Bremsvorrichtung 110 des Propellers, um diesen zum Stillstand zu bringen und eine Wechselstromerzeugung durch den vom Gleichstromgenerator/-motor im Motorbetrieb angetriebenen Wechselstromgenerator 111 zu ermöglichen. Alternativ wird der Gleichstromgenerator/-motor als Generator zum Aufladen der Batterie 103 betrieben, wobei der Wechselstromgenerator 111 mit Wechselstrom gespeist wird und den Gleichstromgenerator/-motor 101 antreibt.
- Mittels der beschriebenen Erfindung läßt sich z. B. eine schwächere Antriebskraft von strömenden Fluids wie Windkraft, Wellenkraft und Gezeitenkraft zum Drehantrieb des Gleichstromgenerators/-motors 101 durch eine Kombination der Energie der Speicherbatterie 103 mit der vom Propeller 109 aufgenommenen Bewegungsenergie für den Antrieb des Wechselstromgenerators 111 nutzen. Somit kann die vom Propeller 109 aufgenommene und oft für eine alleinige Nutzung zu geringe Bewegungsenergie in Verbindung mit der bei höherem Aufkommen gespeicherten Energie wirkungsvoller zum Antrieb des Wechselstromgenerators 111 eingesetzt werden. Ist der aufgenommene Energiebetrag groß genug, lädt der Gleichstromgenerator/-motor 101 ebenfalls die Batterie 103. Eine Differentialvorrichtung 104, 105, 106 ermöglicht diese Betriebsart. In Schwachlastzeiten treibt der Wechselstromgenerator 111 den Gleichstromgenerator/-motor zum Laden der Batterie 103 an. Darin besteht eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen System, bei dem eine an einen Einzeldynamo gekoppelte Antriebswelle eingesetzt wird.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer
Energie, die folgendes aufweist:
einen als Drehkraftquelle dienenden Propeller (109) zur
Energieaufnahme aus einem strömenden Fluid, wobei der Propeller
(109) eine Bremsvorrichtung (110) und einen Drehzahlsensor
aufweist;
einen vom Propeller (109) antreibbaren
Wechselstromgenerator (111) zur Erzeugung von Wechselstrom zur
Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz;
eine Speicherbatterie (103);
eine zentrale Steuerung (CCU102) zur Steuerung des
Betriebs der Vorrichtung;
einen Gleichstromgenerator/-motor (101) mit von der
zentralen Steuerung (CCU102) gesteuerter Generator- und
Motorfunktion; sowie
ein Planetenradsystem zur Verbindung des Propellers (109),
des Wechselstromgenerators (111) und des
Gleichstromgenerators/-motors (101);
wobei die Vorrichtung in den folgenden Betriebsarten
betrieben werden kann:
a) Bei einer für die Erzeugung einer gewünschten Leistung
am Wechselstromgenerator (111) zu geringen Drehzahl des
Propellers (109) wird die Bremsvorrichtung (110) zum Anhalten
des Propellers (109) in Eingriff gebracht und der
Wechselstromgenerator (111) wird über das Planetenradsystem vom
Gleichstromgenerator/-motor (101) angetrieben, der wiederum von
der Speicherbatterie (103) gespeist wird.
b) Bei einer für die Erzeugung einer gewünschten Leistung
am Wechselstromgenerator (111) zu geringen Drehzahl des
Propellers (109) wird der Gleichstromgenerator/-motor (101)
über das Planetenradsystem gemeinsam mit dem Propeller (109)
zum Antrieb des Wechselstromgenerators (111) zur Gewährleistung
einer ausreichenden Versorgung des Wechselstromgenerators (111)
eingesetzt. Der Gleichstromgenerator/-motor (101) wird von der
Batterie (103) gespeist.
c) Ist die Drehzahl des Propellers (109) höher als zur
Erzeugung der gewünschten Leistung am Wechselstromgenerator
(111) erforderlich, kann der Gleichstromgenerator/-motor (101)
von der überschüssigen Drehungsenergie des Propellers (109)
angetrieben werden, so daß er sowohl den Wechselstromgenerator
(111) zur Erzeugung der gewünschten Leistung antreibt als auch
die Speicherbatterie (103) lädt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zentrale Steuerung
(CCU102) die Drehzahl des Gleichstromgenerators/-motors (101)
steuert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zentrale Steuerung
(CCU102) die Drehzahl des Gleichstromgenerators/-motors (101)
zur Bereitstellung einer insgesamt ausreichenden Drehkraft für
den Wechselstromgenerator (111) steuert.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
zentrale Steuerung (CCU102) die Erreger-Induktivität des
Wechselstromgenerators (111) zur Steuerung seiner
Generatorspannung steuert.
5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorgenannten Ansprüche,
wobei die zentrale Steuerung (CCU102) die Bremsvorrichtung
(110) steuert.
6. Vorrichtung nach irgendeinem der vorgenannten Ansprüche,
wobei der Anstellwinkel jedes Propellerblatts verstellbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die zentrale Steuerung
(CCU102) den Anstellwinkel der Propellerblätter steuert.
8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorgenannten Ansprüche,
wobei diese zusätzlich einen Drehzahlbegrenzer zur Verringerung
einer zu hohen Drehzahl des Propellers (109) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die zentrale Steuerung
(CCU102) den Betrieb des Drehzahlbegrenzers steuert.
10. Vorrichtung nach irgendeinem der vorgenannten Ansprüche,
die so betrieben werden kann, daß der Wechselstromgenerator
(111) mit Netzstrom aus dem Energieversorgungsnetz angetrieben
wird und als ein Motor den Gleichstromgenerator/-motor (101)
zum Laden der Batterie (103) antreibt.
11. Vorrichtung nach irgendeinem der vorgenannten Ansprüche,
wobei das Planetenradsystem ein mit dem Gleichstromgenerator/-
motor (101) drehbares Sonnenrad (104), ein mit dem
Wechselstromgenerator (111) drehbares Hohlrad (105) sowie mit
dem Propeller (109) um die Achse des Sonnenrads (104) laufende
Planetenräder (106) aufweist.
12. Vorrichtung nach irgendeinem der vorgenannten Ansprüche,
wobei der Propeller (109) für den Antrieb durch Windkraft
ausgelegt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der
Propeller (109) für den Antrieb durch fließendes Wasser
ausgelegt ist.
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