DE19544844C1 - Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers und Energiespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. einen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8, wie beides aus der DE 35 35 394 A1 als bekannt her­ vorgeht.

Aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 35 35 394 A1 ist ein Energiespeicher bekannt, der ein in einem Schwungradgehäuse un­ tergebrachtes und zu seiner Figurenachse rotationssymmetrisches Schwungrad aufweist. Die Rotation des Schwungrads erfolgt mit über 100 Umdrehungen pro Sekunde, insbesondere mit etwa 1000 Um­ drehungen pro Sekunde um seine Figurenachse, die orthogonal zur Radebene des Schwungrads ausgerichtet ist. Die Radebene wird von einem Kreisring des Schwungrads gebildet, der im wesentli­ chen die Masse des Schwungrads aufweist. Mit einem derartigen in vorzugsweise 5 bis 10 kg, insbesondere 8 kg schweren und einen Radius von bspw. 20 cm aufweisenden Schwungrad kann bei der obi­ gen Drehzahl eine Energie von ungefähr 1 kJ bis 160 kJ gespei­ chert werden. Da die Drehzahl des Schwungrads sehr hoch ist, kann von ihm im Falle eines Berstens eventuell eine Gefahr aus­ gehen. Um diese Gefahr zu unterbinden, ist das vorbekannte Schwungradgehäuse derart geformt, daß das Schwungrad im kriti­ schen Zustand in ein wasserlagermaterial abgelenkt wird. Die in­ nere Struktur des Schwungradgehäuses ist abrasiv ausgebildet, so daß hier ein Teil der Rotationsenergie in Reibungswärme umgewan­ delt wird. In dem Wasserlager verdampft das Schwungrad Wasser, wodurch der Innendruck des evakuierten Gehäuses erhöht und das Schwungrad zusätzlich abgebremst wird, wodurch sich wiederum die Rotationsenergie verringert. Allerdings kann das Schwungradge­ häuse nur bis auf maximal den Dampfdruck von Wasser (bei T = 20°C, PDH20 = 25 mbar) evakuiert werden, wodurch die Reibung des Schwungrads innerhalb des Schwungradgehäuses einen minimalen Wert aufweist. Mit der Reibung wiederum ist die Verlustleistung verbunden. Des weiteren wirken sich Materialveränderungen des Wasserlagers und Temperaturerhöhungen ebenfalls auf den Dampf­ druck des Wassers aus. Eine daraus resultierende Druckerhöhung bewirkt eine willkürliche und undefinierte Abbremsung des Schwungrads, die nicht auf eine Änderung des Schwungrads zurück­ geht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem bei einem guten Energiespeicherverhalten die angespro­ chenen etwaigen Gefahren, insbesondere bei einem Unfall, ausge­ schlossen sind und eine gesteuerte Abbremsung eintritt. Des wei­ teren ist es Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Energiespei­ cher zu entwickeln.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 bzw. durch einen Energiespeicher mit den Merkma­ len des Anspruchs 8 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Bestim­ mung einer Abweichung der Drehachse des Schwungrads von der Figurenachse des Schwungrads kann eine ungünstige bzw. unvor­ schriftsmäßige Bewegung des Schwungrads, wie bspw. eine Notation oder eine Präzession, erkannt werden. Zu derartigen Bewegungs­ formen kann es bspw. bei einem Unfall kommen, da hier willkür­ lich angreifende Drehmomente auftreten können. Zur Vermeidung ei­ ner sich hieraus möglicherweise ergebenden Gefahr wird das Schwungrad abgebremst, wodurch dessen in Form von Rotationsener­ gie gespeicherte Energie vermindert wird. Durch die nunmehr mög­ liche eindeutige Zuordnung wird der Bremsvorgang nicht mehr zum Teil willkürlich, sondern genau definiert ausgelöst. Die Messung einer unvorschriftsmäßigen Drehimpulskomponente parallel zur Ra­ debene des Schwungrads kann bspw. in an sich bekannter Weise ka­ pazitiv und/oder induktiv über eine Messung der Breite des Luftspalts zwischen Schwungrad und Schwungradgehäuse oder aber auch durch eine Kraft- und/oder Wegmessung in den Lagern der Drehachse bspw unter Zuhilfenahme eines Piezoelement oder eine Druckmeßdose bzw. eines kapazitiven Elements usw. erfolgen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von einem in der einzigen Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen er­ läutert.

In der Figur ist ein axialer Schnitt durch einen Energiespeicher dargestellt, der ein in einem Schwungradgehäuse 2 angeordnetes Schwungrad 1 aufweist. Das Schwungrad 1 weist u. a. eine zylin­ drische Drehachse 7 und einen über Speichen 8 mit der Drehachse 7 verbundenen und koaxial zur Drehachse angeordneten Hohlzylin­ der 9 auf. Zwischen dem Hohlzylinder 9 und der außenseitig ge­ genüberliegenden Wandung des Schwungradgehäuses 2 ist ein klei­ ner Spalt 10 angeordnet. Damit das Trägheitsmoment des Schwung­ rads 1 möglichst groß ist, weist der Hohlzylinder 9 den Großteil der Masse des Schwungrads 1 auf.

Der Innenraum 4 des insbesondere vakuumdicht gekapselten Schwungradgehäuses 2 ist auf einem Druck unterhalb 10-3 mbar, insbesondere auf etwa 10-6 mbar evakuiert. Die Evakuierung des Schwungradgehäuses 2 auf zumindest Hochvakuumbedingungen ist da­ her notwendig, damit das Schwungrad 1 mit den angesprochenen Um­ drehungen rotiert werden kann und insbesondere im Spalt 10 keine allzugroßen bzw. nur vernachlässigbare Reibungsverluste auftre­ ten.

Zur möglichst reibungsfreien Lagerung weist das Schwungrad 1 an beiden Enden seiner Drehachse 7 als Magnetlager ausgebildete La­ ger 11 auf, die ihrerseits am Schwungradgehäuse 2 festgelegt sind. An einem Ende der Drehachse 7 des Schwungrads 1 ist zu­ sätzlich noch ein elektromotorischer Antrieb 12 angeordnet, des­ sen Rotor die Drehachse 7 des Schwungrads 1 ausbildet und mit­ tels dem Energie in das Schwungrad 1 einspeisbar oder entnehmbar ist. Die Stromleitungen (nicht eingezeichnet) des elektromotori­ schen Antriebs 12 sind vakuumdicht nach außen geführt.

Im Bereich der Lager 11 sind Sensoren 5 angeordnet, mittels de­ nen zumindest mittelbar die auf die Lager 11 wirkenden Kräfte und/oder Wege hinsichtlich Größe und Richtung ermittelbar sind. Des weiteren weist das Schwungradgehäuse 2 im Bereich des Schwungrads 1 einen weiteren Sensor 6 auf, mittels dem die Lage des Schwungrads 1 in dem Schwungradgehäuse 2 ermittelbar ist. Durch diese Sensoren 5 und 6 ist eine Abweichung des Gesamtdre­ himpulses des Schwungrads 1 von seiner Figurenachse F_f ermittel­ bar. Ein derartige Abweichung äußert sich in einer Taumelbewe­ gung des Außenumfangs des Schwungrads 1 relativ zum Schwungrad­ gehäuse 2 und/oder in einer Radialbewegung des Schwungrads 1 re­ lativ zum Schwungradgehäuse 2 und/oder durch in den Lagern 11 auftretende Radialkräfte/Wege.

Die von den Sensoren 5 und 6 ermittelten Werte werden hinsicht­ lich ihrer Größe und ihrer Richtung mit einem Schwellwert ver­ glichen. Als Schwellwert wird sinnvollerweise ein Wert gewählt, der einer orthogonal zu einer z-Achse gemessenen Drehimpulskom­ ponente von ungefähr Null entspricht, wobei die raumfeste z- Achse bei ungestörtem Schwungrad 1 achsgleich zur Figurenachse F_f des Schwungrads 1 ausgerichtet ist. Wird dieser Schwellwert überschritten, wird die Bremse aktiviert und das Schwungrad 1 abgebremst.

Zur Bremsung wird durch eine Zuleitungsöffnung 13, die am Schwungradgehäuse 2 angeordnet ist, in den Innenraum 4 des Schwungradgehäuses 2 eine oder mehrere bremsend wirkende Sub­ stanzen eingefüllt. Hierdurch kann der Bremsvorgang erst bei Überschreitung des Schwellwertes erfolgen.

Um eine schnelle Befüllung des Innenraums 4 des Schwungradgehäu­ ses 2 mit der/den Substanz(en) und damit auch eine schnelle Ab­ bremsung zu erreichen, ist es sinnvoll, trotz des bereits im Schwungradgehäuse 2 herrschenden und die Substanz einsaugenden Unterdrucks, die Substanz mit einem oberhalb des normalen Atmo­ sphärendruck angeordneten Arbeitsdruck einzufüllen.

Die Bremswirkung der Substanz erfolgt infolge einer Erhöhung der Reibung für das Schwungrad 1 durch die Substanz, da ja nun der Spalt 10 mit der Substanz gefüllt ist, wodurch hier energiever­ zehrende Reibungsverluste auftreten.

Des weiteren werden die zweckmäßigerweise flügelartig von der Drehachse 7 abragenden plattenartigen Speichen 8 durch die ins­ besondere flüssige Substanz bewegt, wodurch ebenfalls Reibungs­ verluste auftreten. Zusätzlich zu den Reibungsverlusten wird die Energie des Schwungrads 1 noch dadurch vermindert, daß zum Hin­ durchbewegen der Speichen 8 durch die Substanz eine Verdrän­ gungsarbeit geleistet werden muß, die der Energie des Schwung­ rads 1 zusätzlich entzogen wird.

Eine weitere Erhöhung der Bremswirkung ist dadurch möglich, daß die Substanzen innerhalb des Innenraums 4 zu einer chemischen Reaktion gebracht werden, wobei die Viskosität der gebildeten Reaktionssubstanz größer ist als die Viskosität der Substanzen vor der Reaktion, wie es bspw. bei der Synthese von Polyamid 6.6 aus Adipinsäure und 1.6 Diaminohexan sowie aus ε-Carbrolactam und einem Lösungsmittel der Fall ist. Weitere günstige Kombinationen von Substanzen können u. a. auch den unterschiedlichen Synthesen von Polyurethan entnommen werden. Insgesamt wirkt es sich auch hier günstig aus, daß die Speichen 8 plattenartig ausgebildet sind, da sie hierdurch eine große Verdrängerfläche, also eine verhältnismäßig große Fläche, die die Reaktionssubstanz verdrän­ gen muß, aufweisen.

Zweckmäßigerweise handelt es sich bei der chemischen Reaktion um eine endotherme Reaktion, da hierbei dem Schwungrad 1 gleichzei­ tig Energie für die Reaktion entzogen wird. Ein Beispiel für ei­ ne derartige aus Substanzen gebildete Bremse ist die Synthese von Cyclohexan aus Benzol unter Verwendung von Wasserstoff und einem Katalysator.

Zur Steigerung der Effizienz einer derartigen Bremse ist es gün­ stig, das gebildete Cyclohexan in bekannter Weise zu polymeri­ sieren, wobei die Viskosität des Polymerisats höher als diejeni­ ge des Cyclohexans ist.

Eine weitere Reaktion von Substanzen zur Ausbildung der Bremse unter Ausnützung der endothermen Reaktion zum Energieumwandlung ist die Synthese von flüssigem Cyclopentan aus gasförmigem Pen­ tan. Zweckmäßigerweise erfolgt auch hier anschließend eine Poly­ merisation des Cyclopentans, insbesondere unter Beifügung eines an sich bekannten Dehydrierungskatalysators.

Für eine weitere zweckmäßige Ausbildung der Bremse wird in den Innenraum 4 des Schwungradgehäuses 2 eine Substanz eingefüllt, die einen Phasenübergang aufweist, wobei die Substanz nach dem im Innenraum 4 stattfindenden Phasenübergang eine größere Visko­ sität als zuvor aufweist. Eine derartige Substanz kann insbeson­ dere eine elektrorheologe Flüssigkeit sein, wobei hierbei vor­ teilhafterweise zur Bremsung das Schwungradgehäuse 2 als Konden­ sator zur Anlegung des für den Phasenübergang benötigten elek­ trischen Feldes verwendet werden kann. Prinzipiell ist auch eine entsprechende Ausbildung mittels magnetischen Flüssigkeiten mög­ lich.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichers, bei dem ein in einem Schwungradgehäuse gelagertes und zu seiner Figurenachse rotationssymmetrisches Schwungrad angetrieben wird, und bei dem das Schwungrad um seine Figurenachse rotiert und ggf. abgebremst wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Taumelbewegung des Außenumfangs des Schwungrads (1) re­ lativ zum Schwungradgehäuse (2) und/oder eine Radialbewegung des Schwungrads (1) relativ zum Schwungradgehäuse (2) und/oder in den Lagern (11) auftretende Radialkräfte/Wege nach Größe und Richtung gemessen und mit einem Schwellwert verglichen werden und daß erst bei einer Überschreitung des Schwellwertes das Schwungrad gebremst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bremsung in den Innenraum (4) des Schwungradgehäuses (2) eine bremsend wirkende Substanz eingefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bremsung in den Innenraum (4) des Schwungradgehäuses (2) Substanzen eingefüllt werden, daß die Substanzen innerhalb des Innenraums (4) zu einer chemischen Reaktion gebracht werden, und daß die Viskosität der gebildeten Reaktionssubstanz größer ist als die Viskosität der Substanzen vor der Reaktion.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen endotherm reagieren und daß mit der endother­ men Reaktion dem Schwungrad (1) Energie entzogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bremsung in den Innenraum (4) des Schwungradgehäuses (2) eine zumindest einen Phasenübergang aufweisende Substanz einge­ füllt wird, daß der Phasenübergang in dem Innenraum (4) statt­ findet und daß die Substanz nach dem Phasenübergang eine größere Viskosität als zuvor aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bremsung in den Innenraum (4) des Schwungradgehäuses (2) eine elektrorheologische Flüssigkeit eingebracht wird, und daß zur Drehzahlreduktion des Schwungrads (1) die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit im Innenraum (4) erhöht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwellwert ein Wert gewählt wird, der einer orthogonal zu einer richtungsfesten z-Achse gemessenen Drehimpulskomponente von ungefähr Null entspricht.

8. Energiespeicher mit einem in einem Gehäuse gelagerten, zu seiner Figurenachse rotationssymmetrischen Schwungrad, das um seine Figurenachse rotiert, sowie einer Bremse zum Abbremsen des Schwungrads, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher einen Sensor (5, 6) aufweist, mittels dessen eine Abweichung der Figurenachse (F_f) des Schwungrads (1) von dem Gesamtdrehimpulsvektor ermittelbar ist und daß die Brem­ se erst bei Überschreitung eines Schwellwertes zur Reduktion der Drehzahl das Schwungrad (1) des Energiespeichers betätigbar ist.

9. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremse eine Flüssigkeit eingesetzt ist, deren Viskosi­ tätsintervall mehrere Dekaden aufweist.

10. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremse eine Substanz eingesetzt ist, die bei Aktivierung eine chemische, insbesondere eine endotherme Reaktion ausführt.

11. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Bremse mehrere Substanzen eingesetzt sind, die bei Akti­ vierung eine chemische Reaktion ausführen und daß die Viskosität des Reaktionsproduktes größer ist als die Viskosität der einge­ setzten Substanzen.

12. Energiespeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsprodukt Polyurethan ist.