DE102019125467B4 - airborne wind power plant - Google Patents

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Abstract

Flugwindkraftwerk (10) mit „leichter-als-Luft“-Auftriebskörper (13), Windrotor (11) in einem Windkanal (12), Generator (31), Halteleine (27), mit einer festen Struktur zur Bildung des Windkanals (12) und zur Aufnahme des Windrotors (11), einem Leitwerk (23) als Seitenruder und beidseitig der festen Struktur angeordneten Tragflächen (24) für dynamischen Auftrieb, wobei der Auftriebskörper (13) aufgeteilt ist in jeweils geschlossene Segmente (14), welche zusammen den Auftriebskörper (13) bilden und hierzu insbesondere miteinander verbunden sind, und wobei die Segmente einen Ring um die feste Struktur bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitwerk (23) mit der festen Struktur verbunden ist und den Auftriebskörper (13) durchdringt, dass die Tragflächen (24) verstellbar sind, mit der festen Struktur verbunden sind und den Auftriebskörper (13) durchdringen, und dass die Segmente (14) um die feste Struktur herum aneinander anschließen und so den Ring um die feste Struktur bilden.Aeronautical wind power plant (10) with "lighter-than-air" lifting body (13), wind rotor (11) in a wind tunnel (12), generator (31), tether (27), with a fixed structure for forming the wind tunnel (12) and for accommodating the wind rotor (11), a tail unit (23) as a rudder and wings (24) arranged on both sides of the fixed structure for dynamic lift, the lifting body (13) being divided into closed segments (14) which together form the lifting body (13) and for this purpose are in particular connected to one another, and the segments form a ring around the fixed structure, characterized in that the tail unit (23) is connected to the fixed structure and penetrates the lifting body (13), that the wings ( 24) are adjustable, are connected to the fixed structure and penetrate the buoyancy body (13), and that the segments (14) connect to each other around the fixed structure, thus forming the ring around the fixed structure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugwindkraftwerk, mit „leichter-als-Luft“-Auftriebskörper, Windrotor in einem Windkanal, Generator und Halteleine.The invention relates to an airborne wind power station with a “lighter-than-air” buoyancy body, a wind rotor in a wind tunnel, a generator and a tether.

In der US 2008 / 0 048 453 A1 ist ein Flugwindkraftwerk offenbart, welches einen mit Helium gefüllten Auftriebskörper aufweist. Der Auftriebskörper bildet einen Torus um einen Strömungskanal, bestehend aus einem Trichter und einem in Strömungsrichtung anschließenden Diffusor, in dem eine Turbine mit Rotor angeordnet ist. Radial außerhalb der Turbine ist ein Generator vorgesehen. Der Auftriebskörper ist zweigeteilt, nämlich mit einem eintrittsseitigen Ring versehen. Außerdem ist der Auftriebskörper oben und seitlich mit Stabilisatoren und Flügeln versehen, die Steuerflächen aufweisen, und mit längs verlaufenden Spanten. Im selben Dokument ist eine weitere Ausführungsform mit unveränderlichen Stabilisatoren an einem mit der Turbine verbundenen Fortsatz dargestellt.In the U.S. 2008/0 048 453 A1 an airborne wind power plant is disclosed which has a lifting body filled with helium. The buoyant body forms a torus around a flow channel, consisting of a funnel and a downstream diffuser in the direction of flow, in which a turbine with a rotor is arranged. A generator is provided radially outside the turbine. The buoyancy body is divided in two, namely provided with a ring on the inlet side. In addition, the lifting body is provided with stabilizers and wings at the top and sides, which have control surfaces, and with longitudinal frames. In the same document another embodiment is shown with fixed stabilizers on an extension connected to the turbine.

Die US 2014 / 0 377 066 A1 offenbart ein Flugwindkraftwerk der eingangs genannten Art mit Rotor im Windkanal eines gasgefüllten Auftriebskörpers. Der Rotor ist ebenfalls gasgefüllt. Am Heck des Auftriebskörpers sind Stabilisatorflossen angeordnet. Der gasgefüllte Auftriebskörper ist über eine Halteleine mit einer Bodenstation verbunden. Der Windkanal ist relativ instabil ausgebildet, ebenso die Verankerung des Windrotors.the US 2014 / 0 377 066 A1 discloses an airborne wind power plant of the type mentioned with a rotor in the wind tunnel of a gas-filled lifting body. The rotor is also gas-filled. Stabilizer fins are arranged at the rear of the buoyancy body. The gas-filled buoyancy body is connected to a ground station via a tether. The wind tunnel is relatively unstable, as is the anchoring of the wind rotor.

Ein Flugwindkraftwerk der eingangs genannten Art ist auch aus der EP 2 344 756 B1 bekannt. In einem Windkanal ist ein Windrotor angeordnet. Der Windkanal ist Teil eines mit leichtem Gas gefüllten Auftriebskörpers. Der gasgefüllte Auftriebskörper ist über eine Halteleine mit einer Bodenstation verbunden. Der Windkanal ist relativ instabil ausgebildet, ebenso die Verankerung des Windrotors.An airborne wind power plant of the type mentioned is also from the EP 2 344 756 B1 famous. A wind rotor is arranged in a wind tunnel. The wind tunnel is part of a buoyancy body filled with light gas. The gas-filled buoyancy body is connected to a ground station via a tether. The wind tunnel is relatively unstable, as is the anchoring of the wind rotor.

Die DE 10 2007 020 632 A1 offenbart einen ringförmigen Ballon als Flugkörper mit einem an Verstrebungen gehaltenen Rotor. Über einen Gasschlauch kann Wasserstoff als Traggas zum Flugkörper geleitet werden.the DE 10 2007 020 632 A1 discloses an annular balloon missile having a strut-supported rotor. Hydrogen as lifting gas can be fed to the missile via a gas hose.

Die WO 2010/ 006 433 A1 offenbart einen zeppelinartigen Ballon mit Rotoren außen an Flügelspitzen. Die Rotoren können Generatoren antreiben, mit denen Kompressoren Luft verdichten und über eine pneumatische Leitung zum Boden leiten können. Die erzeugte Druckluft kann auch in einem Drucktank gespeichert werden.the WO 2010/006 433 A1 discloses a zeppelin-like balloon with rotors on the outside of wing tips. The rotors can drive generators, which compressors can use to compress air and send it to the ground via a pneumatic line. The generated compressed air can also be stored in a pressure tank.

Ein Flugwindkraftwerk zeigt auch die DE 10 2011 100 039 A1 . Eine Flügelprofilstruktur mit zwei Windrädern wird durch dynamischen Auftrieb in der Luft gehalten. Zusätzlich können Auftriebskörper vorhanden sein, die aus einem Gasspeicher gespeist werden.An airborne wind power plant also shows the DE 10 2011 100 039 A1 . An airfoil structure with two windmills is held in the air by dynamic lift. In addition, buoyant bodies can be present that are fed from a gas reservoir.

Aus der DE 10 2008 048 823 A1 ist eine am Boden gehaltene Windkraftanlage bekannt, welche einen Windkanal mit darin angeordneter Windturbine aufweist. Eingangsseitig ist der Windkanal mit einer Winddrosselblende ausgestattet, welche je nach Windstärke öffnen und schließen können soll.From the DE 10 2008 048 823 A1 a ground-mounted wind turbine is known which has a wind tunnel with a wind turbine arranged therein. On the input side, the wind tunnel is equipped with a wind throttle screen, which should be able to open and close depending on the wind speed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Flugwindkraftwerks der genannten Art, welches insbesondere für stärkere Winde geeignet ist.The object of the present invention is to create an airborne wind power plant of the type mentioned, which is particularly suitable for stronger winds.

Zur Lösung der Aufgabe weist das erfindungsgemäße Flugwindkraftwerk die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Vorgesehen ist eine feste Struktur zur Bildung des Windkanals und zur Aufnahme des Windrotors. Die feste Struktur kann ein Rahmen, ein Gestell, ein Gitter, ein Körper mit festen Wandungen sein. Wichtig ist, dass die feste Struktur unter allen im Hinblick auf statische und dynamische Lasten zulässigen Betriebsbedingungen eine steife, dauerhaft gleichbleibende Form des Windkanals gewährleistet, ebenso eine genaue und unveränderliche Positionierung des Windrotors im Windkanal. Im einfachsten Fall ist der Windkanal im Wesentlichen ein Rohr mit steifer Wandung. Möglich ist aber auch ein festes Gitter oder Gestell mit demgegenüber weniger fester Hülle oder Folie als Oberfläche oder Bespannung.To solve the problem, the airborne wind power plant according to the invention has the features of claim 1. A fixed structure is provided to form the wind tunnel and to house the wind rotor. The solid structure can be a frame, a rack, a lattice, a body with solid walls. Importantly, the rigid structure ensures a rigid, permanently consistent shape of the wind tunnel under all allowable operating conditions in terms of static and dynamic loads, as well as accurate and unchanging positioning of the wind rotor in the wind tunnel. In the simplest case, the wind tunnel is essentially a tube with a rigid wall. However, it is also possible to have a fixed lattice or frame with a less rigid cover or film as the surface or covering.

Der Auftriebskörper ist zum Befüllen mit Wasserstoff vorgesehen bzw. mit Wasserstoff befüllt. Möglich ist auch eine Befüllung mit anderen Gasen, die leichter als Luft sind. Das Volumen des Auftriebskörpers im Verhältnis zur Gesamtmasse des Flugwindkraftwerks ist dann an das verwendete leichte Gas anzupassen. Vorzugsweise erstreckt sich der Auftriebskörper ringförmig um die feste Struktur herum. Der Auftriebskörper soll insbesondere eine flexible, nachgiebige Hülle als Wandung aufweisen. Möglich ist auch eine zusätzliche formgebende Tragstruktur für den Auftriebskörper, etwa ein Gerippe oder ein Gestell.The buoyant body is intended to be filled with hydrogen or is filled with hydrogen. It can also be filled with other gases that are lighter than air. The volume of the lifting body in relation to the total mass of the airborne wind power plant must then be adapted to the light gas used. The buoyant body preferably extends in a ring shape around the fixed structure. The buoyant body should in particular have a flexible, yielding shell as a wall. An additional shaping support structure for the buoyancy body, such as a skeleton or a frame, is also possible.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windkanal rohrförmig mit rundem Querschnitt und mit anschließendem Diffusor ausgebildet sein. Der Windkanal kann überwiegend oder ausschließlich einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Der anschließende Diffusor weist einen in Windrichtung (Strömungsrichtung) zunehmenden Querschnitt auf, insbesondere mit in Strömungsrichtung progressiv zunehmendem Durchmesser, ähnlich einer Austrittsöffnung an einer Trompete oder Tuba. In einem Längsschnitt des Diffusors ergibt sich dadurch innenseitig eine konvexe Kontur. Durch den Diffusor kann die Energieausbeute des Windrotors gesteigert werden. Der Diffusor ist vorzugsweise Teil der festen Struktur.According to a further idea of the invention, the wind tunnel can be tubular with a round cross section and an adjoining diffuser. The wind tunnel can have a predominantly or exclusively circular cross-section. The downstream diffuser has a cross-section that increases in the direction of the wind (flow direction), in particular with a diameter that progressively increases in the flow direction, similar to an outlet opening on a trumpet or tuba. In a longitudinal section of the diffuser, this results in a convex contour on the inside. The energy yield of the Windro tors can be increased. The diffuser is preferably part of the fixed structure.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windkanal eine Eintrittsöffnung mit einer Blende zur Querschnittveränderung aufweisen. Mittels der Blende kann der Lufteintritt in den Windkanal reguliert werden. Möglich ist sogar die Verwendung einer Blende, die die Eintrittsöffnung komplett verschließt.According to a further idea of the invention, the wind tunnel can have an inlet opening with a screen for changing the cross section. The air inlet into the wind tunnel can be regulated by means of the screen. It is even possible to use an aperture that completely closes the entry opening.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann die Blende als Irisblende ausgebildet sein. Darunter wird hier eine Blende analog einer optischen Blende verstanden, also eine Blende mit variabler Öffnungsweite, deren Öffnung sich bei feststehendem Mittelpunkt so verändern lässt, dass sie ungefähr kreisförmig bleibt. „Ungefähr“ deshalb, weil bei in der Optik verwendeten Irisblenden entlang eines Umfangs angeordnete Lamellen vorgesehen sind, die relativ zum Mittelpunkt bewegbar sind. Die Lamellen sind relativ zueinander abgewinkelt. Je mehr Lamellen vorhanden sind, umso näher ist die Form der Öffnung an der Kreisform.According to a further idea of the invention, the diaphragm can be designed as an iris diaphragm. This is understood to mean a diaphragm analogous to an optical diaphragm, i.e. a diaphragm with a variable opening width, the opening of which can be changed with the center fixed so that it remains approximately circular. “Approximately” because iris diaphragms used in optics have slats arranged along a circumference that can be moved relative to the center point. The slats are angled relative to each other. The more slats there are, the closer the shape of the opening is to circular.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist ein Leitwerk als Seitenruder vorgesehen, wobei das Leitwerk mit der festen Struktur verbunden ist. Das Leitwerk geht aus von der festen Struktur und erstreckt sich insbesondere in senkrechter, also aufrechter Richtung, bezogen auf eine erwünschte Fluglage des Flugwindkraftwerks. Es können aber auch mehrere gegeneinander abgewinkelte Leitwerke als Seitenruder vorgesehen sein. Mit dem Leitwerk ist das Einstellen einer stabilen Fluglage möglich, sodass unerwünschte Drehungen um eine Hochachse oder Abweichungen von einer angestrebten Fluglage vermieden werden. Das Leitwerk ist vorzugsweise selbst von fester Struktur.According to a further idea of the invention, a tail unit is provided as a rudder, with the tail unit being connected to the fixed structure. The empennage starts from the fixed structure and extends in particular in a vertical, ie upright direction, based on a desired flight attitude of the airborne wind power plant. However, it is also possible to provide several tail units which are angled in relation to one another as rudders. With the tail unit, it is possible to set a stable flight attitude, so that unwanted rotations about a vertical axis or deviations from a desired flight attitude are avoided. The empennage is preferably itself of rigid structure.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung durchdringt das Leitwerk den Auftriebskörper. Das Leitwerk erstreckt sich durch den Auftriebskörper hindurch. Somit kann trotz Leitwerk der Auftriebskörper die feste Struktur umgeben.According to a further idea of the invention, the tail unit penetrates the buoyancy body. The empennage extends through the buoyancy body. Thus, despite the tail unit, the buoyancy body can surround the fixed structure.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung sind beidseitig der festen Struktur verstellbare Tragflächen für dynamischen Auftrieb angeordnet, wobei die Tragflächen mit der festen Struktur verbunden sind. Die Tragflächen gehen insbesondere in einer gemeinsamen Ebene in waagerechter Ausrichtung von der festen Struktur aus. Durch den dynamischen Auftrieb bleibt das Flugwindkraftwerk auch bei starkem Wind in großer Höhe. Über die verstellbaren Tragflächen ist der dynamische Auftrieb einstellbar, insbesondere zur Anpassung an die Windstärke und den Winkel der Halteleine. Die Tragflächen sind vorzugsweise selbst von fester Struktur. Vorzugsweise erstrecken sich die Tragflächen durch den Auftriebskörper hindurch und durchdringen diesen so.According to a further idea of the invention, adjustable hydrofoils for dynamic lift are arranged on both sides of the fixed structure, the hydrofoils being connected to the fixed structure. In particular, the wings extend horizontally from the fixed structure in a common plane. Due to the dynamic lift, the airborne wind power plant remains at a great height even in strong winds. The dynamic lift can be adjusted via the adjustable wings, in particular to adapt to the wind strength and the angle of the tether. The airfoils are preferably themselves of rigid structure. The bearing surfaces preferably extend through the buoyant body and thus penetrate it.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist der Auftriebskörper aufgeteilt in jeweils geschlossene Segmente, welche zusammen den Auftriebskörper bilden und hierzu insbesondere miteinander verbunden sind. Die Segmente sollen einzeln austauschbar und mit dem leichten Gas befüllbar sein. Vorzugsweise zueinander benachbarte Segmente können außenseitig und/oder über Gasleitungen miteinander verbunden sein. Zusätzlich können Übergänge zwischen einzelnen Segmenten winddicht abgedeckt sein. Vorzugsweise sind die Segmente an der festen Struktur befestigt, insbesondere am Windkanal und oder am Diffusor.According to a further idea of the invention, the buoyant body is divided into closed segments, which together form the buoyant body and are connected to one another for this purpose. The segments should be individually interchangeable and fillable with the light gas. Segments that are preferably adjacent to one another can be connected to one another on the outside and/or via gas lines. In addition, transitions between individual segments can be covered so that they are windproof. The segments are preferably attached to the fixed structure, in particular to the wind tunnel and/or to the diffuser.

Vorteilhafterweise führen Gasschläuche von den Segmenten zur festen Struktur. Dort sind vorzugsweise Stellventile zur individuellen Befüllung und zum Entleeren der Segmente vorgesehen. Die Stellventile können mit einer zentralen Gasleitung verbunden sein, welche entlang der Halteleine zum Boden führt.Advantageously, gas hoses lead from the segments to the fixed structure. Control valves are preferably provided there for the individual filling and emptying of the segments. The control valves can be connected to a central gas line which runs along the tether to the ground.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung schließen die Segmente um die feste Struktur herum aneinander an und bilden so einen Ring um die feste Struktur. Trennebenen zwischen den Segmenten erstrecken sich insbesondere parallel zur Strömungsrichtung bzw. zu einer Ringachse.According to a further aspect of the invention, the segments connect to one another around the fixed structure and thus form a ring around the fixed structure. Parting planes between the segments extend in particular parallel to the direction of flow or to an axis of the ring.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können die Segmente in einem Längsschnitt entlang der Strömungsrichtung jeweils eine zumindest teilweise bi-konvexe oder ellipsenförmige Kontur aufweisen. Dadurch können die Segmente bestmöglich an eine Außenkontur des Windkanals mit Diffusor angepasst sein und zugleich eine stabile Form bilden, vorzugsweise im Hinblick auf einen Gasdruck im Inneren der Segmente und einen von außen auf die Segmente wirkenden Winddruck.According to a further idea of the invention, the segments can each have an at least partially biconvex or elliptical contour in a longitudinal section along the direction of flow. As a result, the segments can be optimally adapted to an outer contour of the wind tunnel with diffuser and at the same time form a stable shape, preferably with regard to gas pressure inside the segments and wind pressure acting on the segments from the outside.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Generator ein Ringgenerator mit ringförmigem Rotor sein. Ringgeneratoren sind beispielsweise bekannt aus WO 2011/ 002 979 A2 , DE 102 08 588 A1 und DE 10 2008 050 848 A1 . Der Ringgenerator ist insbesondere permanent erregt. Durch die Gestaltung als Ringgenerator liegt der Rotor des Generators, also der elektrische oder magnetische Rotor, nicht im Windkanal, sondern außerhalb desselben, ebenso ein Stator des Generators.According to a further idea of the invention, the generator can be a ring generator with a ring-shaped rotor. Ring generators are known, for example, from WO 2011/002 979 A2 , DE 102 08 588 A1 and DE 10 2008 050 848 A1 . In particular, the ring generator is permanently excited. Due to the design as a ring generator, the rotor of the generator, i.e. the electric or magnetic rotor, is not in the wind tunnel but outside of it, as is a stator of the generator.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windrotor Rotorblätter aufweisen, deren radial äußere Enden im Rotor des Ringgenerators gelagert sind. Dadurch kann auf eine mittige Welle und ein mittiges Lager für den Windrotor verzichtet werden. Vorzugsweise weist der Windrotor drei Rotorblätter auf.According to a further idea of the invention, the wind rotor can have rotor blades whose radially outer ends are mounted in the rotor of the ring generator. This means that a central shaft and a central bearing for the wind rotor can be used be renounced. The wind rotor preferably has three rotor blades.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Rotor des Generators magnetgelagert sein. Dadurch tritt keine mechanische Reibung auf. Magnetgelagerte Ringgeneratoren sind u. a. bekannt aus der DE 10 2017 106 434 A1 und aus Machbarkeitsstudien des Fraunhofer Instituts, siehe (Abruf am 29.08.2019) https://doi.org/10.2314/gbv:804429278 und https://doi.org/10.2314/gbv:89712684x.According to a further idea of the invention, the rotor of the generator can be magnetically mounted. As a result, no mechanical friction occurs. Magnetic bearing ring generators are known, inter alia, from DE 10 2017 106 434 A1 and from feasibility studies by the Fraunhofer Institute, see (accessed on August 29, 2019) https://doi.org/10.2314/gbv:804429278 and https://doi.org/10.2314/gbv:89712684x.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windrotor in Strömungsrichtung kurz hinter einem kleinsten Querschnitt des Diffusors angeordnet sein, nämlich zwischen dem kleinsten Querschnitt und 5-25 % der Länge in Richtung auf einen Auslass des Diffusors. Vorzugsweise ist der Windrotor zwischen 10 % und 20 % der Länge in Richtung auf den Auslass des Diffusors angeordnet, ausgehend vom kleinsten Querschnitt. Es verbleiben dann 80-90 % der Länge des Diffusors bis zum Auslass. Die Strömung im Windkanal wird dadurch bestmöglich ausgenutzt.According to a further idea of the invention, the wind rotor can be arranged just behind a smallest cross section of the diffuser in the direction of flow, namely between the smallest cross section and 5-25% of the length in the direction of an outlet of the diffuser. Preferably, the wind rotor is located between 10% and 20% of the length towards the outlet of the diffuser, starting from the smallest cross-section. This leaves 80-90% of the length of the diffuser up to the outlet. The flow in the wind tunnel is thus used in the best possible way.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windrotor radial mittig im Windkanal gelagert und an Verstrebungen gehalten sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Generator radial mittig angeordnet sein.According to a further idea of the invention, the wind rotor can be mounted radially centrally in the wind tunnel and held on struts. Alternatively or additionally, the generator can be arranged radially in the middle.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann an der Halteleine wenigstens ein elektrischer Verbraucher angeordnet sein, insbesondere eine Antenne, eine Leuchte oder beides. Bei dem elektrischen Verbraucher handelt es sich demnach um eine Nutzlast, die für die Funktion des Flugwindkraftwerks nicht erforderlich ist. Als Antenne ist vorzugsweise eine Mobilfunkantenne oder Richtfunkantenne vorgesehen.According to a further idea of the invention, at least one electrical load can be arranged on the tether, in particular an antenna, a lamp or both. The electrical consumer is therefore a payload that is not required for the airborne wind power plant to function. A mobile radio antenna or directional radio antenna is preferably provided as the antenna.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können an der Halteleine Leitungen befestigt sein, nämlich wenigstens eine der nachfolgenden Leitungen:

  • - Stromkabel für Strom des Generators zu einer Bodenstation,
  • - Stromkabel für Strom des Generators zu einem elektrischen Verbraucher an der Halteleine,
  • - Stromkabel für Strom von einer Bodenstation zu einem elektrischen Verbraucher an der Halteleine,
  • - Datenkabel für elektrische Verbraucher an der Halteleine,
  • - Datenkabel für eine Steuerung des Flugwindkraftwerks,
  • - Schlauch für die Zufuhr von Wasserstoff zum Auftriebskörper.
According to a further idea of the invention, lines can be attached to the tether, namely at least one of the following lines:
  • - power cable for generator power to a ground station,
  • - power cable for electricity from the generator to an electrical consumer on the tether,
  • - power cable for power from a ground station to an electrical consumer on the tether,
  • - Data cable for electrical consumers on the tether,
  • - Data cable for controlling the airborne wind power plant,
  • - Hose for supplying hydrogen to the buoyancy body.

Als Halteleine wird grundsätzlich jede flexible und einholbare Verbindung zwischen dem Flugwindkraftwerk und einer Bodenstation verstanden, insbesondere ein Seil, ein Kabel, ein Schlauch oder eine Kombination aus gleichartigen oder verschiedenartigen genannten Bestandteilen.In principle, a tether is understood to mean any flexible connection that can be retrieved between the airborne wind power plant and a ground station, in particular a rope, a cable, a hose or a combination of the same or different components mentioned.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann eine Bodenstation mit einer Verankerung für die Halteleine vorgesehen sein. Die Verankerung oder Bodenstation ist vorzugsweise mit einem Fundament oder einer Gründung versehen, um die durch das Flugwindkraftwerk auftretenden Zugkräfte aufzunehmen und in den Boden zu leiten. Der Standort der Bodenstation kann auf dem Land oder auf dem Meeresboden sein. Möglich ist auch eine schwimmende Bodenstation mit Verankerung im Meeresboden.According to a further idea of the invention, a ground station can be provided with an anchorage for the tether. The anchorage or ground station is preferably provided with a foundation or foundation in order to absorb the tensile forces generated by the airborne wind power plant and to conduct them into the ground. The location of the ground station can be on land or on the seabed. A floating ground station with anchoring in the seabed is also possible.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann eine Wickelvorrichtung für die Halteleine vorgesehen sein, insbesondere auch für Leitungen an der Halteleine. Die Wickelvorrichtung ist vorzugsweise mit der Bodenstation oder der Verankerung verbunden.According to a further idea of the invention, a winding device can be provided for the tether, in particular also for lines on the tether. The winding device is preferably connected to the ground station or the anchorage.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann die Bodenstation mit einem Gasspeicher, insbesondere für Wasserstoff, verbunden sein. Im Gasspeicher wird das leichte Gas gespeichert und kann von dort über eine Leitung dem Flugwindkraftwerk zugeführt werden.According to a further idea of the invention, the ground station can be connected to a gas store, in particular for hydrogen. The light gas is stored in the gas storage tank and can be fed from there to the airborne wind power plant via a line.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können Gasspeicher, Elektrolyseur, Brennstoffzelle und/oder Batterie vorgesehen sein. Insbesondere sind diese Einrichtungen mit der Bodenstation verbunden oder nahe der oder in der Bodenstation angeordnet. Der mit dem Flugwindkraftwerk erzeugte Strom kann verwendet werden, um auf elektrolytischem Wege Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der Wasserstoff kann unter Druck im Gasspeicher gespeichert und/oder über eine Leitung in den Auftriebskörper geleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Strom in einer Batterie gespeichert und/oder zur Versorgung eines Verbrauchers verwendet werden. Der Verbraucher ist vorzugsweise an der Halteleine oder an der festen Struktur gehalten. Der gespeicherte Wasserstoff kann zusammen mit Luftsauerstoff verwendet werden, um in der Brennstoffzelle Strom zu erzeugen, welcher ins allgemeine Stromnetz eingespeist oder in der Batterie gespeichert wird. Vorzugsweise wird der vom Generator erzeugte Strom direkt ins Stromnetz eingespeist.According to a further idea of the invention, gas storage, an electrolyzer, a fuel cell and/or a battery can be provided. In particular, these devices are connected to the ground station or arranged near or in the ground station. The electricity generated by the airborne wind power plant can be used to electrolytically split water into hydrogen and oxygen. The hydrogen can be stored under pressure in the gas reservoir and/or fed into the buoyant body via a line. Additionally or alternatively, the electricity can be stored in a battery and/or used to supply a consumer. The consumer is preferably held by the tether or fixed structure. The stored hydrogen can be used together with atmospheric oxygen to generate electricity in the fuel cell, which is fed into the general power grid or stored in the battery. The electricity generated by the generator is preferably fed directly into the grid.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Übrigen und aus den Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Flugwindkraftwerk an einer Halteleine über einer Bodenstation,
  • 2 das Flugwindkraftwerk in einer horizontalen Schnittansicht von oben, mit einer Schnittebene unmittelbar oberhalb von Tragflächen,
  • 3 das Flugwindkraftwerk in einer Seitenansicht,
  • 4 das Flugwindkraftwerk in einer Frontansicht mit Einlassöffnung,
  • 5 eine feste Struktur des Windkraftwerks in perspektivischer Darstellung und mit sichtbarer Auslassöffnung,
  • 6 die feste Struktur in einer Schnittansicht analog 2 und mit einer alternativen Ausführung eines Windrotors.
Further features of the invention result from the rest of the description and from the claims. Advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
  • 1 an airborne wind power plant on a tether above a ground station,
  • 2 the airborne wind power plant in a horizontal sectional view from above, with a sectional plane directly above the wings,
  • 3 the airborne wind power plant in a side view,
  • 4 the airborne wind power plant in a front view with inlet opening,
  • 5 a fixed structure of the wind power plant in a perspective view and with a visible outlet opening,
  • 6 the solid structure in a sectional view analogously 2 and with an alternative embodiment of a wind rotor.

Wie in 1 erkennbar, weist ein Flugwindkraftwerk 10 einen Windrotor 11 in einem Windkanal 12 sowie einen um den Windkanal 12 ringförmig umlaufenden Auftriebskörper 13 auf. Der insbesondere ballonartig flexible Auftriebskörper 13 besteht hier aus einzelnen Segmenten 14, welche gleich oder nahezu gleich ausgebildet sind und in Umfangsrichtung des Windkanals 12 aufeinanderfolgen. Trennebenen 15 zwischen den Segmenten 14 erstrecken sich vorzugweise parallel zu einer durch einen Pfeil 16 angegebenen Strömungsrichtung. Die Strömungsrichtung soll die Windrichtung bezeichnen und stimmt bei entsprechender Ausrichtung des Flugwindkraftwerks 10 mit einer Längsachse 17 des Windkanals 12 überein. Die Längsachse 17 ist vorzugsweise zugleich Drehachse des Windrotors 11, siehe 2.As in 1 As can be seen, an airborne wind power plant 10 has a wind rotor 11 in a wind tunnel 12 and a lifting body 13 running around the wind tunnel 12 in a ring shape. The buoyant body 13 , which is flexible in particular in the manner of a balloon, consists here of individual segments 14 which are of identical or almost identical design and follow one another in the circumferential direction of the wind tunnel 12 . Parting planes 15 between the segments 14 preferably extend parallel to a direction of flow indicated by an arrow 16 . The flow direction is intended to denote the wind direction and corresponds to a longitudinal axis 17 of the wind tunnel 12 when the airborne wind power plant 10 is aligned accordingly. The longitudinal axis 17 is preferably also the axis of rotation of the wind rotor 11, see FIG 2 .

Der Windkanal 12 ist rohrförmig ausgebildet mit insbesondere kreisrundem, gleichbleibendem Querschnitt, also zylindrisch, und im Bereich einer Einlassöffnung 18 mit einer Irisblende 19 versehen. Mit der Irisblende 19 kann der wirksame Querschnitt der Einlassöffnung 18 verändert werden, insbesondere auch komplett geschlossen werden und so die auf den Windrotor 11 treffende Luftströmung regulieren. Insbesondere wird der wirksame Querschnitt bei stärker werdendem Wind verringert. Dadurch kann das Flugwindkraftwerk 10 auch bei höheren Windstärken ohne Abschaltung weiterbetrieben werden.The wind tunnel 12 is tubular in design, in particular with a circular, constant cross section, that is to say cylindrical, and is provided with an iris diaphragm 19 in the area of an inlet opening 18 . The effective cross section of the inlet opening 18 can be changed with the iris diaphragm 19 , in particular it can also be closed completely and the air flow hitting the wind rotor 11 can thus be regulated. In particular, the effective cross-section is reduced when the wind gets stronger. As a result, the airborne wind power plant 10 can continue to be operated without being switched off even at higher wind speeds.

An den Windkanal 12 schließt in Strömungsrichtung unmittelbar ein Diffusor 20 an. Dessen kleinster Querschnitt entspricht dem Querschnitt des Windkanals 12. In Richtung auf seine Auslassöffnung 21 vergrößert sich der Durchmesser des Diffusors 20 überproportional, also exponentiell, sodass die Form des Diffusors 20 im Bereich der Auslassöffnung 21 einem Luftauslass einer Trompete oder Tuba entspricht. Das heißt, der Durchmesser des Diffusors 20 nimmt in Strömungsrichtung progressiv zu. Vom Inneren des Diffusors 20 aus gesehen weist eine umlaufende Diffusorwandung 22 im Schnitt eine konvexe Form auf, siehe insbesondere 2 und 6.A diffuser 20 directly adjoins the wind tunnel 12 in the direction of flow. Its smallest cross section corresponds to the cross section of the wind tunnel 12. In the direction of its outlet opening 21, the diameter of the diffuser 20 increases disproportionately, i.e. exponentially, so that the shape of the diffuser 20 in the area of the outlet opening 21 corresponds to an air outlet of a trumpet or tuba. That is, the diameter of the diffuser 20 progressively increases in the direction of flow. Seen from the inside of the diffuser 20, a peripheral diffuser wall 22 has a convex shape in section, see in particular 2 and 6 .

Der Diffusor 20 und insbesondere seine beschriebene Gestalt sorgen für eine erhöhte Ausbeute an kinetischer Energie aus dem durch den Windkanal 12 strömenden Wind. Der Durchmesser der Auslassöffnung 21 ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser der Einlassöffnung 18. In Strömungsrichtung weist der Diffusor etwa die gleiche Länge auf wie der Windkanal.The diffuser 20 and in particular its described shape ensure an increased yield of kinetic energy from the wind flowing through the wind tunnel 12 . The diameter of the outlet opening 21 is approximately twice the diameter of the inlet opening 18. In the direction of flow, the diffuser has approximately the same length as the wind tunnel.

Die Kombination aus Windkanal 12 und Diffusor 20 bildet den Kern einer festen Struktur zur Aufnahme des Windrotors 11. Hergestellt ist die feste Struktur aus leichten aber stabilen Werkstoffen, wie Aluminium oder Carbon. Die feste Struktur ist in sich steif, im Gegensatz zu einer flexiblen Ballonhülle.The combination of wind tunnel 12 and diffuser 20 forms the core of a solid structure for accommodating the wind rotor 11. The solid structure is made of light but stable materials such as aluminum or carbon. The rigid structure is inherently rigid, in contrast to a flexible balloon envelope.

Mit der festen Struktur verbunden sind ein aufrechtes Seitenleitwerk 23 und zu beiden Seiten angeordnete Tragflächen 24. Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 sind ebenfalls steif bzw. fest ausgebildet, aus leichten aber stabilen Werkstoffen und fest mit dem Windkanal 12 verbunden.An upright rudder unit 23 and wings 24 arranged on both sides are connected to the fixed structure.

Das Seitenleitwerk 23 besteht aus einem feststehenden, der Windrichtung zugewandten Teilkörper 25 und einem beweglichen, der Windrichtung abgewandten Teilkörper 26. Dabei ist der Teilkörper 26 vorzugsweise am Teilkörper 25 angelenkt und um eine Hochachse schwenkbar. Mit dem beweglichen Teilkörper 26 kann das Flugwindkraftwerk 10 um eine Hochachse manövriert werden. Auch ist eine Rückstellung auf eine Ausgangsorientierung möglich, um eine mehrfache Drehung des Flugwindkraftwerks 10 um die Hochachse und somit eine Verdrehung einer Halteleine 27, von Kabeln oder Schläuchen zu vermeiden.The vertical stabilizer 23 consists of a fixed body part 25 facing the wind direction and a movable body part 26 facing away from the wind direction. The body part 26 is preferably articulated on the body part 25 and pivotable about a vertical axis. The airborne wind power plant 10 can be maneuvered about a vertical axis with the movable partial body 26 . It is also possible to reset to an initial orientation in order to avoid multiple rotations of the airborne wind power plant 10 about the vertical axis and thus twisting of a tether 27, of cables or hoses.

Die Tragflächen 24 sind zur Ausbildung eines dynamischen Auftriebs profiliert. Ein Anstellwinkel der Tragflächen 24 zum Wind ist einstellbar, um bei größeren Windstärken den dynamischen Auftrieb zu erhöhen. Dies kann bei hohen Windstärken dazu führen, dass der dynamische Auftrieb weit größer ist als der statische Auftrieb des Auftriebskörpers 13, sodass das Flugwindkraftwerk 10 nicht zu Boden gedrückt wird, sondern mit maximal 30° Auslenkung senkrecht zu einer Verankerung 28 in der Luft steht.The wings 24 are profiled to provide dynamic lift. An angle of attack of the wings 24 to the wind can be adjusted in order to increase the dynamic lift in stronger winds. At high wind speeds, this can mean that the dynamic lift is far greater than the static lift of the lifting body 13, so that the airborne wind power plant 10 is not pressed to the ground, but is in the air with a maximum deflection of 30° perpendicular to an anchoring 28.

Wie oben ausgeführt, erstreckt sich der Auftriebskörper 13 ringförmig um die feste bzw. steife Struktur aus Windkanal 12 mit Diffusor 20. Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 erstrecken sich durch den Auftriebskörper 13 hindurch. Vorzugsweise sind die Segmente 14 derart angeordnet, dass das Seitenleitwerk 23 und die Tragflächen 24 im Bereich von Trennebenen 15 zwischen den Segmenten 14 liegen. Eine spezielle Gestaltung der insbesondere ballonartig flexiblen Segmente 14 zur Anpassung an Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 ist deshalb nicht oder nur in geringem Maße erforderlich.As stated above, the lifting body 13 extends annularly around the fixed or rigid structure of the wind tunnel 12 with the diffuser 20. The rudder unit 23 and wings 24 extend through the buoyancy body 13 through. The segments 14 are preferably arranged in such a way that the vertical stabilizer 23 and the wings 24 lie in the area of the parting planes 15 between the segments 14 . A special design of the segments 14, which are flexible in particular in the manner of a balloon, for adaptation to the rudder unit 23 and wings 24 is therefore not required, or only to a small extent.

Der bewegliche Teilkörper 26 des Seitenleitwerks 23 steht in Radialrichtung nach außen über den Auftriebskörper 13 hinaus und ist deshalb insgesamt deutlich kürzer als der Teilkörper 25, siehe insbesondere 5. Die Tragflächen 24 sind unterteilt in ein radial innen liegendes Festprofil 29 und ein daran radial außen anschließendes bewegliches Profil 30. Nur das bewegliche Profil 30 steht nach außen über den Auftriebskörper 13 über. Das Festprofil 29 liegt zwischen den Segmenten 14 und ist im Normalfall nicht sichtbar.The movable body part 26 of the rudder unit 23 protrudes outwards in the radial direction beyond the buoyancy body 13 and is therefore significantly shorter overall than the body part 25, see in particular 5 . The supporting surfaces 24 are divided into a fixed profile 29 lying radially on the inside and a movable profile 30 adjoining it radially on the outside. The fixed profile 29 lies between the segments 14 and is normally not visible.

Das Volumen des Auftriebskörpers 13 ist so gewählt, dass der statische Auftrieb des Flugwindkraftwerks hoch genug ist, um das Flugwindkraftwerk 10, die Halteleine 27, weitere Kabel und Schläuche sowie eine oder mehrere Nutzlasten zu tragen und bei schwachem Wind genügend Auftrieb zu erzeugen, damit das Flugwindkraftwerk 10 nicht in Richtung Boden gedrückt wird. Als leichtes Gas zum Befüllen des Auftriebskörpers 13 ist vorzugsweise Wasserstoff vorgesehen.The volume of the buoyancy body 13 is selected so that the static buoyancy of the airborne wind power plant is high enough to carry the airborne wind power plant 10, the tether 27, other cables and hoses and one or more payloads and to generate enough lift in weak winds so that the Airborne wind power plant 10 is not pressed towards the ground. Hydrogen is preferably provided as the light gas for filling the float 13 .

Der Windrotor 11 ist mit einem elektrischen Generator 31 gekoppelt, welcher hier in der Ausführung gemäß 2 ein Ringgenerator mit Magnetlagerung 32, ringförmigem Stator 33 und permanent erregtem Rotor 34 ist. Der Windrotor 11 weist hier drei Rotorblätter 35 auf, die radial außen mit dem ringförmigen Rotor 34 des Generators 31 verbunden sind. Deshalb benötigt der Windrotor 11 keine zentrale Welle und auch kein zentrales Lager. Die Lagerung des Windrotors 11 erfolgt ausschließlich mittelbar durch die Verbindung mit dem Rotor 34 des Generators. Entsprechend sind im Windkanal 12 oder Diffusor 20 keine den Windstrom störenden Elemente zur Lagerung des Windrotors 11 vorhanden.The wind rotor 11 is coupled to an electrical generator 31, which here in the embodiment according to 2 a ring generator with magnetic bearing 32, ring-shaped stator 33 and permanently excited rotor 34 is. The wind rotor 11 has three rotor blades 35 here, which are connected radially on the outside to the ring-shaped rotor 34 of the generator 31 . Therefore, the wind rotor 11 does not require a central shaft or a central bearing. The wind rotor 11 is mounted exclusively indirectly through the connection to the rotor 34 of the generator. Correspondingly, there are no elements for mounting the wind rotor 11 in the wind tunnel 12 or diffuser 20 that would disturb the wind flow.

Der Generator 31 ist am Außenumfang des Diffusors 20 vorgesehen, dicht am Windkanal 12. Vorzugsweise ist der Windrotor 11, ausgehend vom Windkanal 12, bei etwa 10-20 % der Länge des Diffusors 20 angeordnet. Das heißt, vom Windrotor 11 bis zur Auslassöffnung 21 verbleiben etwa 80-90 % der Länge des Diffusors 20.The generator 31 is provided on the outer circumference of the diffuser 20 close to the wind tunnel 12. Preferably, the wind rotor 11 is arranged at about 10-20% of the length of the diffuser 20, starting from the wind tunnel 12. This means that from the wind rotor 11 to the outlet opening 21, about 80-90% of the length of the diffuser 20 remains.

Eine im Verhältnis zu 2 abweichende Ausführungsform zeigt 6. Der Auftriebskörper 13 ist nicht gezeichnet aber vorhanden. Abweichend zu 2 ist der Windrotor 11 mit einem mittigen Lager 36 versehen. Das Lager 36 ist im Diffusor 20 an Verstrebungen 37 gehalten, kann aber auch im Windkanal 12 oder in beidem (Windkanal 12 und Diffusor 20) gehalten sein. Auch hier sind die Rotorblätter 35 mit dem Rotor 34 des Generators 31 (als Ringgenerator) verbunden.One in relation to 2 different embodiment shows 6 . The buoyant body 13 is not drawn but is present. Different to 2 the wind rotor 11 is provided with a central bearing 36 . The bearing 36 is held in the diffuser 20 on struts 37, but can also be held in the wind tunnel 12 or in both (wind tunnel 12 and diffuser 20). Here, too, the rotor blades 35 are connected to the rotor 34 of the generator 31 (as a ring generator).

Die Halteleine 27 ist vorzugsweise mit dem Windkanal 12 verbunden, siehe 5. Zusätzlich können eine Lastverteilung und/oder Stabilisierung bewirkende Leinen 38 von einem Anlenkpunkt 39 zum Auftriebskörper 13 vorgesehen sein. Dabei bilden die Leinen 38 eine Seilspinne, siehe 1, 3 und 4.The tether 27 is preferably connected to the wind tunnel 12, see 5 . In addition, lines 38 causing a load distribution and/or stabilization can be provided from a pivot point 39 to the buoyancy body 13 . The lines 38 form a cable spider, see 1 , 3 and 4 .

Wie oben ausgeführt, ist die Halteleine 27 in einer Verankerung 28 am Boden gehalten. Die Verankerung 28 kann ein in den Erdboden 40 eingelassenes Fundament sein. Auf der Verankerung 28 ist eine Winde 41 vorgesehen, mit der die Halteleine 27 eingezogen und ausgefahren werden kann. Neben der Verankerung 28 ist eine Bodenstation 42 mit einem Netzanschluss 43 vorgesehen. Das Fundament der Verankerung 28 kann aus Stahlbeton gegossen oder aus einfach zu transportierenden Betonblöcken oder anderen Gewichten, die im Erdboden 40 verankert sind, bestehen. Bei der Verwendung von einzelnen Gewichten ist auch ein einfacher Abbau und Umzug der kompletten Anlage an andere Stellen möglich. Die Verankerung 28 muss nur die Zugkraft des Flugwindkraftwerks 10 an der Halteleine 27 aufnehmen und keine hebelnden Kräfte eines Turms auffangen.As stated above, the tether 27 is held in an anchorage 28 on the ground. The anchor 28 can be a foundation embedded in the ground 40 . A winch 41 is provided on the anchorage 28, with which the tether 27 can be retracted and extended. A ground station 42 with a mains connection 43 is provided next to the anchorage 28 . The foundation of the anchorage 28 can be cast from reinforced concrete or easily transportable concrete blocks or other weights anchored in the ground 40. When using individual weights, it is also possible to simply dismantle and move the entire system to other locations. The anchorage 28 only has to absorb the tensile force of the airborne wind power plant 10 on the tether 27 and must not absorb any levering forces from a tower.

In der Bodenstation 42 kann sich ein Elektrolyseur befinden, mit dem aus Wasser und elektrischem Strom Wasserstoff erzeugt werden kann. Mit diesem Wasserstoff kann der Wasserstoff im Auftriebskörper 13 über eine Pumpe nachgefüllt werden. Zusätzlich kann bei geringem Strombedarf im Netz überschüssiger Strom in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Für die Speicherung des Wasserstoffs kann ein Druckbehälter mit Pumpe zur Verfügung stehen. Außerdem kann für die Erzeugung des Wasserstoffs durch Elektrolyse ein Wasserspeicher an der Bodenstation vorgesehen sein, der entweder manuell in regelmäßigen Abständen oder durch über die Oberfläche des Flugwindkraftwerks 10 gesammeltes und über die Halteleine 27 abgeleitetes Wasser befüllt wird.An electrolyzer can be located in the ground station 42, with which hydrogen can be generated from water and electricity. The hydrogen in the buoyant body 13 can be refilled with this hydrogen via a pump. In addition, excess electricity can be stored in the form of hydrogen when the electricity demand in the grid is low. A pressure vessel with a pump can be used to store the hydrogen. In addition, a water reservoir can be provided at the ground station for generating the hydrogen by electrolysis, which is filled either manually at regular intervals or by water collected over the surface of the airborne wind power plant 10 and drained off via the tether 27 .

Überschüssiger elektrischer Strom kann auch in einer Stromspeicher-Batterie gespeichert werden und zur Notstromversorgung des Flugwindkraftwerks, zur Abfederung von Lastspitzen im Netz oder zur Erzeugung von Wasserstoff über den Elektrolyseur genutzt werden. Auch der Einsatz einer Brennstoffzelle ist möglich, um den im Druckspeicher gespeicherten Wasserstoff zur Abfederung von Lastspitzen im Netz in elektrischen Strom zu wandeln. In der Bodenstation 42 kann sich auch eine Steuerung des Flugwindkraftwerks 10 befinden, ebenso Umrichter, Wechselrichter und der Netzanschluss 43.Excess electrical power can also be stored in a power storage battery and used to provide emergency power for the airborne wind power plant, to cushion peak loads in the network or to generate hydrogen via the electrolyser. A fuel cell can also be used to convert the hydrogen stored in the pressure accumulator into electricity to cushion peak loads in the network. In the ground station 42 can also be a controller of the airborne wind power plant 10 are located, as are converters, inverters and the grid connection 43.

In die Halteleine 27 integriert oder mit dieser verbunden sein können Stromkabel für den Strom des Generators 31 zur Bodenstation 42, Stromkabel von der Bodenstation 42 für elektrische Verbraucher an der Halteleine 27, Datenkabel für die elektrischen Verbraucher und die Steuerung des Flugwindkraftwerks 10 und/oder ein Schlauch für den Wasserstofftransport. Außerdem können die Halteleine 27 und alle vorgenannten Kabel und Schläuche gebündelt und von einer Schutzhülle umgeben sein, um bessere aerodynamische Eigenschaften zu erreichen und ein Aufschwingen der einzelnen Komponenten im Wind zu vermeiden.Integrated into or connected to the tether 27 are power cables for the generator 31 to the ground station 42, power cables from the ground station 42 for electrical consumers on the tether 27, data cables for the electrical consumers and the control of the airborne wind power plant 10 and/or a Hydrogen transport hose. In addition, the retaining line 27 and all of the aforementioned cables and hoses can be bundled and surrounded by a protective cover in order to achieve better aerodynamic properties and to prevent the individual components from swinging up in the wind.

Auf der gesamten Länge der Halteleine 27 lassen sich verschiedene Nutzlasten anordnen und betreiben, wie Mobilfunkantennen 44, Richtfunkantennen 45 und sonstige Antennen, Lampen oder Leuchten 46. Bei Nutzlasten, die eine konstante Ausrichtung auf ein Ziel benötigen, wie Mobilfunkantennen und Richtfunkantennen, ist eine automatische Nachführung der Nutzlast durch nicht gezeigte Motoren für eine Drehung um die Halteleine 27 und zur Veränderung der Neigung zum Boden möglich. Durch die große Höhe des Flugwindkraftwerks 10 über dem Boden ist mit einer Mobilfunkantenne eine viel größere Fläche, auch bei unebenem Gelände, abdeckbar. Eine Mobilfunkantenne an einem Flugwindkraftwerk eignet sich deshalb gut als Ersatz für mehrere Funkmasten in wenig besiedeltem Gebiet oder an Eisenbahnstrecken und Autobahnen.Various payloads can be arranged and operated along the entire length of the tether 27, such as mobile radio antennas 44, radio relay antennas 45 and other antennas, lamps or lights 46. For payloads that require constant alignment with a target, such as mobile radio antennas and radio relay antennas, an automatic Tracking of the payload possible by motors, not shown, for rotation about the tether 27 and for changing the inclination to the ground. Due to the great height of the airborne wind power plant 10 above the ground, a much larger area can be covered with a mobile radio antenna, even on uneven terrain. A cell phone antenna on an airborne wind power plant is therefore well suited as a replacement for several radio masts in sparsely populated areas or on railway lines and motorways.

Die Winde 41 ist mit separaten Trommeln 47 zum Aufwickeln der Halteleine 27 und der weiteren Kabel und Schläuche versehen. Über die Halteleine 27 findet auch die Ableitung von elektrostatischer Aufladung und Blitzeinschlägen im Flugwindkraftwerk 10 über das Fundament der Verankerung 28 statt.The winch 41 is provided with separate drums 47 for winding up the tether 27 and the other cables and hoses. The tether 27 is also used to discharge electrostatic charges and lightning strikes in the airborne wind power station 10 via the foundation of the anchoring 28 .

Über der Winde 41 kann ein Haltegerüst für das Flugwindkraftwerk 10 angeordnet sein, auf dem sich das Flugwindkraftwerk 10 zur einfachen Wartung abstellen lässt.A support frame for the airborne wind power plant 10 can be arranged above the winch 41, on which the airborne wind power plant 10 can be parked for easy maintenance.

Der mit der Halteleine 27 verbundene Schlauch für den Transport des leichten Gases von der Bodenstation 42 zum Flugwindkraftwerk 10 führt vorzugsweise bis dicht an die feste Struktur aus Windkanal 12 und Diffusor 20 heran. Von dort sind Verbindungsschläuche zu jedem Segment 14 vorgesehen. Dabei weist jedes Segment ein eigenes Ventil auf. Die Ventile können so ausgebildet sein, dass auch ein Druckausgleich bei Erwärmung und Abkühlung möglich ist, wobei Wasserstoff bei Überdruck abgelassen oder abgepumpt wird und bei zu geringem Druck Wasserstoff zugeführt wird.The hose connected to the tether 27 for transporting the light gas from the ground station 42 to the airborne wind power station 10 preferably leads up to close to the fixed structure of the wind tunnel 12 and diffuser 20 . From there, connecting hoses to each segment 14 are provided. Each segment has its own valve. The valves can be designed in such a way that pressure equalization is also possible during heating and cooling, with hydrogen being discharged or pumped out if the pressure is too high and hydrogen being supplied if the pressure is too low.

Die Segmente 14 sind insbesondere an der festen Struktur aus Windkanal 12 und Diffusor 20 befestigt und/oder an ihren jeweils benachbarten Segmenten. Die Übergänge zwischen den Segmenten 14 sind vorzugsweise abgedeckt, um den Luftwiderstand zu verringern. Die komplette Außenhaut des Auftriebskörpers 13 lässt sich als riesige Werbefläche nutzen oder möglichst unauffällig gestalten, um das Landschaftsbild möglichst wenig zu verändern. Die einzelnen Segmente 14 weisen eine Ballonhülle oder ein ähnliches Material auf und sind vorzugsweise metallbeschichtet, damit möglichst wenig Wasserstoff diffundiert. Dabei weisen die einzelnen Segmente im Längsschnitt, also in Strömungsrichtung, eine bi-konvexe Kontur auf, siehe insbesondere 2.The segments 14 are in particular attached to the fixed structure of the wind tunnel 12 and the diffuser 20 and/or to their respective adjacent segments. The transitions between the segments 14 are preferably covered to reduce drag. The entire outer skin of the buoyancy body 13 can be used as a huge advertising space or designed to be as inconspicuous as possible in order to change the landscape as little as possible. The individual segments 14 have a balloon envelope or a similar material and are preferably metal-coated so that as little hydrogen as possible diffuses. The individual segments have a biconvex contour in the longitudinal section, ie in the direction of flow, see in particular 2 .

Vorzugsweise bilden Windkanal 12, Diffusor 20, Seitenleitwerk 23, Tragflächen 24 und feststehender Teil des Generators 31 eine feste Struktur mit dauerhaft gleichbleibender Form, während der Auftriebskörper 13 bzw. dessen Segmente 14 eine ballonartige Hülle aufweisen.Wind tunnel 12, diffuser 20, rudder 23, wings 24 and fixed part of generator 31 preferably form a solid structure with a permanently constant shape, while buoyant body 13 or its segments 14 have a balloon-like envelope.

Verstellmechanismen für die beweglichen Teile des Flugwindkraftwerks, insbesondere für Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 sowie Stellventile für die Gaszufuhr und die Befüllung des Auftriebskörpers 13 sind bekannte Elemente und nicht dargestellt, ebenso eine elektronische Steuereinheit. Letztere kann im Flugwindkraftwerk 10 oder an der Bodenstation 42 vorgesehen sein. Möglich ist auch eine Aufteilung mit Steuereinheiten im Flugwindkraftwerk und an der Bodenstation 42.Adjusting mechanisms for the moving parts of the airborne wind power plant, in particular for vertical stabilizer 23 and wings 24 and control valves for the gas supply and the filling of the lifting body 13 are known elements and are not shown, as is an electronic control unit. The latter can be provided in the airborne wind power station 10 or at the ground station 42 . A division with control units in the airborne wind power plant and at ground station 42 is also possible.

Das Flugwindkraftwerk ist vorzugsweise so dimensioniert, dass es mehrere hundert Kilowatt bis mehrere Megawatt Leistung dauerhaft und wetterunabhängig in Höhen von wenigen hundert bis tausend Metern über dem Erdboden erzeugt. Das Flugwindkraftwerk eignet sich durch die große Höhe über dem Erdboden auch für den Einsatz im Inland an Standorten, die in Bodennähe mit konventionellen Windkraftanlagen nicht wirtschaftlich betrieben werden können.The airborne wind power plant is preferably dimensioned in such a way that it generates several hundred kilowatts to several megawatts of power permanently and regardless of the weather at altitudes of a few hundred to a thousand meters above the ground. Due to its great height above the ground, the airborne wind power plant is also suitable for domestic use at locations that cannot be operated economically with conventional wind power plants close to the ground.

Claims (15)

Flugwindkraftwerk (10) mit „leichter-als-Luft“-Auftriebskörper (13), Windrotor (11) in einem Windkanal (12), Generator (31), Halteleine (27), mit einer festen Struktur zur Bildung des Windkanals (12) und zur Aufnahme des Windrotors (11), einem Leitwerk (23) als Seitenruder und beidseitig der festen Struktur angeordneten Tragflächen (24) für dynamischen Auftrieb, wobei der Auftriebskörper (13) aufgeteilt ist in jeweils geschlossene Segmente (14), welche zusammen den Auftriebskörper (13) bilden und hierzu insbesondere miteinander verbunden sind, und wobei die Segmente einen Ring um die feste Struktur bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitwerk (23) mit der festen Struktur verbunden ist und den Auftriebskörper (13) durchdringt, dass die Tragflächen (24) verstellbar sind, mit der festen Struktur verbunden sind und den Auftriebskörper (13) durchdringen, und dass die Segmente (14) um die feste Struktur herum aneinander anschließen und so den Ring um die feste Struktur bilden.Aeronautical wind power plant (10) with "lighter-than-air" lifting body (13), wind rotor (11) in a wind tunnel (12), generator (31), tether (27), with a fixed structure for forming the wind tunnel (12) and for accommodating the wind rotor (11), a tail (23) as a rudder and airfoils (24) arranged on both sides of the fixed structure for dynamic lift, the lift body (13) being divided into closed segments (14) which together form the buoyancy body (13) and for this purpose are in particular connected to one another, and the segments form a ring around the fixed structure, characterized in that the tail unit (23) is connected to the fixed structure and penetrates the buoyancy body (13), that the wings (24) are adjustable, are connected to the fixed structure and penetrate the buoyancy body (13), and that the segments (14) connect to each other around the fixed structure, thus forming the ring around the fixed structure. Flugwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkanal (12) rohrförmig mit rundem Querschnitt und mit anschließendem Diffusor (20) ausgebildet ist.airborne wind power plant claim 1 , characterized in that the wind tunnel (12) is tubular with a round cross-section and is formed with an adjoining diffuser (20). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkanal (12) eine Eintrittsöffnung (18) mit einer Blende (19) zur Querschnittveränderung aufweist.airborne wind power plant claim 1 or 2 , characterized in that the wind tunnel (12) has an inlet opening (18) with a screen (19) for changing the cross section. Flugwindkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (19) eine Irisblende ist.airborne wind power plant claim 3 , characterized in that the diaphragm (19) is an iris diaphragm. Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (14) in einem Längsschnitt entlang einer Strömungsrichtung (Pfeil 16) jeweils eine zumindest teilweise bi-konvexe oder ellipsenförmige Kontur aufweisen.Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the segments (14) in a longitudinal section along a flow direction (arrow 16) each have an at least partially biconvex or elliptical contour. Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (31) ein Ringgenerator mit ringförmigem Rotor (34) ist.Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the generator (31) is a ring generator with a ring-shaped rotor (34). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (11) Rotorblätter (35) aufweist, deren radial äußere Enden im Rotor (34) des Ringgenerators (31) gelagert sind.airborne wind power plant claim 6 , characterized in that the wind rotor (11) has rotor blades (35) whose radially outer ends are mounted in the rotor (34) of the ring generator (31). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) des Generators (31) magnetgelagert ist.airborne wind power plant claim 6 or 7 , characterized in that the rotor (34) of the generator (31) is magnetically mounted. Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (11) in Strömungsrichtung (Pfeil 16) kurz hinter einem kleinsten Querschnitt eines Diffusors (20) angeordnet ist, nämlich zwischen dem kleinsten Querschnitt und 5-25 % der Länge in Richtung auf einen Auslass (21) des Diffusors (20).Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the wind rotor (11) is arranged in the direction of flow (arrow 16) just behind a smallest cross-section of a diffuser (20), namely between the smallest cross-section and 5-25% of the length in the direction of an outlet (21) of the diffuser (20). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (11) radial mittig im Windkanal (12) gelagert und an Verstrebungen (37) gehalten ist.Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the wind rotor (11) is mounted radially centrally in the wind tunnel (12) and is held on struts (37). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch wenigstens einen an der Halteleine (27) angeordneten elektrischen Verbraucher, insbesondere - eine Antenne (44, 45), - eine Leuchte (46).Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 10 , characterized by at least one electrical consumer arranged on the tether (27), in particular - an antenna (44, 45), - a lamp (46). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch an der Halteleine (27) befestigte Leitungen, nämlich: - Stromkabel für Strom des Generators (31) zu einer Bodenstation (42), - Stromkabel für Strom des Generators (31) zu einem elektrischen Verbraucher (44, 45, 46) an der Halteleine (27), - Stromkabel für Strom von einer Bodenstation (42) zu einem elektrischen Verbraucher (44, 45, 46) an der Halteleine (27), - Datenkabel für elektrische Verbraucher (44, 45, 46) an der Halteleine (27), - Datenkabel für eine Steuerung des Flugwindkraftwerks (10), - Schlauch für die Zufuhr von Wasserstoff zum Auftriebskörper (13).Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 11 , characterized by lines attached to the tether (27), namely: - power cable for power from the generator (31) to a ground station (42), - power cable for power from the generator (31) to an electrical consumer (44, 45, 46) on the tether (27), - power cable for electricity from a ground station (42) to an electrical consumer (44, 45, 46) on the tether (27), - data cable for electrical consumers (44, 45, 46) on the tether (27), - data cable for controlling the airborne wind power plant (10), - hose for supplying hydrogen to the lifting body (13). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Bodenstation (42) mit Verankerung (28) für die Halteleine (27).Airborne wind power plant according to one of Claims 1 until 12 , characterized by a ground station (42) with anchorage (28) for the tether (27). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Wickelvorrichtung (41) für die Halteleine (27) und für Leitungen an der Halteleine (27).airborne wind power plant Claim 13 , characterized by a winding device (41) for the retaining line (27) and for lines on the retaining line (27). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstation (42) mit einem Gasspeicher, vorzugsweise für Wasserstoff, verbunden ist.airborne wind power plant Claim 13 or 14 , characterized in that the ground station (42) is connected to a gas storage facility, preferably for hydrogen.
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