Dienstag, 12. November 2019

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Schwungradspeicher

Die Speicherung mechanischer Energie in der drehenden Bewegung einer Masse ist bereits seit etwa 6.000 Jahren bekannt. In früheren Zeiten wurde die Energie eines Schwungrades genutzt, um zu gewährleisten, dass sich Töpferscheiben oder Weberspindeln dauerhaft, unterbrechungsfrei und gleichmäßig drehen.

Heutzutage werden Schwungräder als kurzzeitige Energiespeicher eingesetzt, etwa bei Hubkolbenmotoren moderner Autos oder Dampfmaschinen. Diese Maschinen können nur in einem Takt Energie mittels einer Kurbelwelle übertragen und sind darauf angewiesen, in den restlichen Takten gespeicherte Energie aufzunehmen um die Drehbewegung zu Ende zu führen. Doch auch bei der Speicherung von überschüssigem Strom kommen Schwungräder zum Einsatz.

Funktionsweise

Vorab ein kurzer Exkurs in die Welt der Physik, um zu verstehen, was ein Schwungrad ist, wie es funktioniert und wieso es in der Lage ist Energie zu speichern:

Wer schon einmal beim Reifenwechsel des Fahrrades das ausgebaute Laufrad an der Achse festgehalten und das Rad gedreht hat, um zu überprüfen ob es eine Acht hat, wird festgestellt haben, dass es schwieriger ist, das Rad während der Drehbewegung seitlich zu kippen. Je schneller sich das Rad dreht, desto schwerer wird die Kippbewegung. Das ist der Grund, warum es beim Radfahren einfacher ist, das Gleichgewicht bei schneller Fahrt zu halten als bei langsamer.

Diese Tatsache ist auf das Trägheitsmoment zurückzuführen. Das Trägheitsmoment J setzt sich zusammen aus der Masse m und dem Quadrat des Radius r. J=m*r². Ein Trägheitsmoment lässt sich für viele Formen berechnen, wie zum Beispiel eine Walze oder ein Rohr. Im Folgenden wird jedoch ausschließlich auf das Rad eingegangen, dessen Breite wesentlich kleinere Abmessungen hat als sein Durchmesser. Wird nun also die Masse des Rades oder der Durchmesser erhöht, erhöhen wir gleichzeitig den Betrag des Trägheitsmomentes.

Wer auf einem Kinderspielplatz schon einmal versucht hat, ein Karussell mit vielen Kinder darauf anzuhalten, weiß, dass sich das Karussell nicht abrupt stoppen lässt. Es besitzt aufgrund der Drehbewegung, seiner Masse und seines Radius eine bestimmte Energie. Diese Energie ist eine kinetische Energie und wird als Rotationsenergie bezeichnet. In der Formel für die Rotationsenergie finden wir das Trägheitsmoment wieder: E_rot=1/2*J*ω². Die Rotationsenergie setzt sich aus dem Trägheitsmoment J und der Winkelgeschwindigkeit (Drehgeschwindigkeit) ω zusammen.

Nun wird also deutlich, worauf beim Bau eines Schwungradspeichers geachtet werden muss: Masse, Radius und Geschwindigkeit des sich drehenden Mediums. Je größer ein Schwungrad ist und je schneller es sich dreht, desto mehr Energie kann gespeichert werden.

Schwungrad als Stromspeicher einer Photovoltaikanlage

Ein Schwungradspeicher besteht aus einem Schwungrad und einer Elektromotor/Generator-Kombination. Das Schwungrad befindet sich in einem Vakuum und ist meist mit Gleit- oder Magnetlagern ausgestattet um den Reibwiderstand möglichst gering zu halten. Die in der Photovoltaikanlage erzeugte Energie treibt den Elektromotor an, der das Schwungrad auf eine hohe Drehzahl beschleunigt. Wird nun Energie im Haushalt benötigt, treibt das Schwungrad den Elektromotor an, der dann als Generator fungiert und mechanische in elektrische Energie umwandelt, die dann im Haus zur Verfügung steht. Auf diese recht simple Weise kann Strom gespeichert und bei Bedarf verwendet werden.

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