WO1992005617A1

WO1992005617A1 - Energiespeicherndes stromaggregat

Info

Publication number: WO1992005617A1
Application number: PCT/DE1991/000754
Authority: WO
Inventors: Marie-Hélène GUIMET
Original assignee: Guimet Marie Helene
Priority date: 1990-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1992-04-02
Also published as: AU8633991A

Abstract

Ein Schwungradenergiezwischenspeicher speichert intervallweise von einer Wärmekraftmaschine produzierte Elektroenergie, um einen Verbraucher kontinuierlich mit Elektroenergie zu versorgen. Ein transformatorloser Frequenzwandler vermeidet Transformatoreisenverluste.

Description

Beschreibung ©

Energiespeicherndes Stromaggregat

Eigenstromerzeugung mit Klein-Blockheizkraftwerken und/oder Solarzellen wird vor¬ wiegend am Stromverteilungsnetz betrieben. Das Netz wirkt dabei als Energiezwi¬ schenspeicher.

Diese Betriebsart ist nicht kostenoptimal, denn die Transport- und Verteilungskosten der Elektroenergie machen einen erheblichen Teil der Stromkosten aus. Die Erfindung ver¬ meidet diese Nachteile.

Gemäß der Erfindung wird in kurzen Intervallen in einer Wärmekraftmaschine erzeugte Energie in einem Schwungradenergiezwischenspeicher zwischengespeichert. Der beispielsweise magnetgelagerte Schwungradenergiezwischenspeicher trägt mit dem Schwungrad rotierende Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete, die die Läufermagnete einer Synchronmaschine bilden, die im Zusammenwirken mit zugehörigen Statorspulen die Schwungmasse beschleunigt. Die von der Wärmekraftmaschine gelieferte Energie wird über eine Kupplung per Magnetfeld in den Schwungradenergiezwischenspeicher geladen, bis dieser aufgefüllt ist, d.h. seine maximale Drehzahl erreicht hat.

Wenn der Schwungradenergiezwischenspeicher gefüllt ist, wird die Wärmekraftmaschine ge¬ stoppt, und der Verbraucher wird aus dem Schwunradenergiezwischenspeicher weiter mit Energie versorgt. Kurz bevor der Schwungradenergiezwischenspeicher entleert ist. wird die Wärmekraftmaschine mit Energie aus dem Schwungradenergiezwischenspeicher wieder an¬ gelassen, und es beginnt ein neues Energiespeicherintervall.

Der Schwungradenergiezwischenspeicher läuft sehr hochtourig und mit sich ändernder Dreh¬ zahl, so daß eine 50-Hz-Verbaucherspannung mit einem Frequenzwandler in der Mehrwege- Elektroenergiewandlerkupplung erzeugt werden muß. Übliche Schaltwandler, wie sie z.B. in unterbrechungsfreien Stromversorgungen verwendet werden, zerhacken dabei die Ein¬ gangsspannung und leiten sie z.B. pulsbreitenmoduliert über einen Hochfrequenztransfor¬ mator, der gewöhnlich mehrere Prozent der Nennleistung an Eisenverlusten aufweist. Das ist im Fall von Haushalten als Verbraucher deswegen nachteilig, weil ein typischer deutscher Vier-Personenhaushalt der nur etwa 500 W Durschschittsleistung verbraucht, trotzdem einen Spitzenbedarf von mindestens dem Zehnfachen, also 5 kW, hat, für den der Transformator ausgelegt sein müßte. Die Transformatorverluste wären mehrere Prozent dieser Spitzenlei¬ stung, würden also einen beträchtlichen Teil der Haushaltsdurchschnittsleistung ausmachen.

In dem erfindungsgemäßen Stromaggregat ist der Frequenzwandler ohne Leistungstransfor¬ mator ausgeführt, und zwar entweder derart, daß die gepulste Spannung über eine Dros¬ selspule als Energiezwischenspeicher geleitet wird, oder derart, daß aus mehreren, z.B. drei Gleichspannungen eine Treppenspannung zusammengeschaltet wird, die eine Sinusspannung annähert. Mit drei Gleichspannungen im Verhältnis 1 : 2 : 4 kann man z.B. sieben Stufen mit gleichem Spannungsabstand bilden. Die drei Spannungen im Verhältnis 1 : 2 : 4 erhält man auf einfache Weise dadurch, daß man die einzelnen Statorpolwicklungen jeweils anzapft.

Über die Steuerschaltung der Kupplung kann man auch Energie aus anderen Quellen, z.B. aus Solarzellen in den Schwungradenergiezwischenspeicher einspeichern.

Die kostenoptimale Schwungradausführung für diese stationäre Energiespeicher-Anwendung dürfte ein aus dünnem Amorphmetallband gewickeltes Schwungrad sein.

Um dann, wenn dem Schwungradenergiezwischenspeicher keine oder nur wenig Energie entnommen wird, Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste in den Statorspulen des Schwungradenergiezwischenspeichers zu minimieren, ist der Stator in Achsrichtung aus dem Bereich der mit dem Rotor kreisenden Permantmagnete herausverschiebbar.

Der Schwungradenergiezwischenspeicher kann berührungslos magnetgelagert werden, bei vertikaler Drehachse z.B. mit einem Permanentmagnet-Axiallager, das das Gewicht trägt, und zwei aktiven Radialllagern.

Die Radiallager-Positionssensorsignale können zur Steuerung einer Wuchtausgleichsvorrich¬ tung mitverwendet werden, die z.B. aus drei mit dem Schwungradenergiezwischenspeicher rotierenden Ausgleichsmassen besteht, die radial verschoben werden. Die Energie zum Verschieben der Ausgleichsmassen kann dabei aus einer ebenfalls mitrotierenden Spule gewonnen werden, die an einem nahe dem Flugkreis der Spule positionierten Dauermag¬ neten vorbeirotiert.

Es ist zweckmäßig, die Schwungmasse im unteren Teil des Stromaggregates zu plazieren, wobei man einen Warmwasserspeicher als zusätzlichen Dämmschutz nutzen kann, wenn man das Stromaggregat innerhalb des Warmwasserspeichers plaziert.

Claims

Ansprüche

1. Energiespeicherndes Stromaggregat bestehend aus einer Wärmekraftmaschine, einer Kup¬ plung, mittels der per Magnetfeld Energie zwischen der Wärmekraftmaschine und einer Energiespeicherschwungmasse transportiert wird, einer Energiespeicherschwungmasse, einer Schaltvorrichtung zur Erzeugung einer Nutzausgangsspannung und einer Kupplungs- Steuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine bei Erreichen eines unteren Energiepegelstandes des Schwungradenergiezwischenspeichers, gesteuert von der Kupplungs-Steuerschaltung angelassen wird und dann Energie vorzugsweise mit voller Wärmekraftmaschinenleistung liefert, bis ein oberer Energiepegelstand des Schwungradener¬ giezwischenspeichers erreicht ist, worauf die Wärmekraftmaschine, gesteuert von der Kup¬ plungs-Steuerschaltung gestoppt wird, wobei die von der Wärmekraftmaschine erzeugte Energie über eine vorzugsweise aus zwei Statorteilen, zwei Permanentmagnetrotorteilen und einer Kupplungs-Steuerschaltung bestehenede Kupplung in den Schwungradenergiezwi¬ schenspeicher geladen wird, mit dem zusammen der Läuferteil eines Elektroener¬ giegenerators mit vorzugsweise mehreren Erregermagneten rotiert, und dessen erzeugte Elektroenergie zur Vermeidung von Transformatorverlusten transformatorlos, beispielsweise mittels Drosselspule als Energiezwischenspeicher für die gepulste Generatorenergie oder vorzugsweise über eine Halbleiters chaltvorrichtung, mittels der in mehreren Spulen des Elektroenergiegenerators erzeugte Gleichspannungen zur einer Nutzausgangsspannung, vor¬ zugsweise einer die Netzsinusspannung annähernden Treppenspannung, zusammengeschal¬ tet werden, zum Ausgang übertragen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Einspeisung von Elektoenergie aus anderen Quellen als der Wärmekraftmaschine über die Kupplungs- Steuerschaltung auch ohne die Wärmekraftmaschine als Elektroenergiezwischenspeicher betrieben werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichent, daß die Statorspulen des Elektroenergiegenerators des Schwungradenergiezwischenspeichers dann, wenn keine oder wenig Elektroenergie aus dem Schwungradenergiezwischenspeicher entnommen werden soll, aus dem Bereich der mit dem Schwungrad rotierenden Generatormagnete teilweise oder ganz herausgefahren werden können, z.B. durch axiales Verschieben, um so Eisenver¬ luste durch Ummagnetisierung und/oder Wirbelstromverluste zu minimieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ener¬ gieflußrichtung der Kupplung steuerbar ist, so daß die gespeicherte Enrgie des Schwungrades zum Anlassen der Wärmekraftmaschine verwendet werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse des Schwungradspeichers überwiegend aus Amorphmetallband gewickelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch gekennnzeichnet, daß bei Unwucht der Schwungmasse während des Betriebes des Schwungradenergiezwischenspeichers ein ak¬ tiver Wuchtausgleich stattfinden kann, indem mit der Schwungmasse rotierende Ausgleichsmassen radial verschoben werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad radial aktivmagnetisch gelagert ist, und daß die Sensorsignale der Radiallager¬ regelung benutzt werden, um auch den aktiven Wuchtausgleich zu regeln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die An¬ triebsenergie für den die Verschiebung bewirkenden, vorzugsweise mitrotierenden VerStell¬ antrieb dadurch als Elektroenergie aus der Rotationsenergie des Schwungrades gwonnen wird, daß in mit dem Schwungrad rotierenden Spulen Spannungen erzeugt werden, wenn diese an in die Nähe der Kreisbahn dieser Spulen gebrachten Magneten vorbeirotieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vor¬ zugsweise als flacher Ring ausgebildete Schwungmasse im unteren Teil des erner- giespeichernden Stromaggregates angeordnet ist, daß sie berührungslos magnetgelagert ist, und daß die Drehachse senkrecht steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungradenergiezwischenspeicher im Innern eines Wasser- oder eines Wärmespeichers angeordnet ist, so daß der Wasser- oder Wärmespeicher als Dämmschutz vor umherfliegen den Teilen bei eventuellem Versagen des Schwungradenergiezwischenspeichers dient.