DE10151525A1

DE10151525A1 - Energie-Rückgewinnung Solar-Wind 3000 OK

Info

Publication number: DE10151525A1
Application number: DE2001151525
Authority: DE
Inventors: Dieter Schmid; Wolfgang A Krieg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-04-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung/ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs (1), insbesondere den Bau und Betrieb von Solar- und Windkraftanlagen u. a. an den Autobahnen, Bundesstraßen, Landesstraßen, Kreisstraßen, Wasserstraßen, Meeresküsten, Flugplätzen, Bahnschienen und Bahnstationen.
Kraftfahrzeuge (KFZ) und Schienenfahrzeuge (SFZ) benötigen einen bestimmten Prozentsatz ihrer Antriebsenergie zur Luftverdrängung, sie erzeugen entsprechend ihrer Geschwindigkeit in ihrer unmittelbaren Umgebung ein charakteristisches Windprofil, hier BUGWELLE (BW) genannt. Diese Bugwelle bewegt sich anfangs mit der gleichen Geschwindigkeit wie die des sie erzeugenden KFZ/SFZ (Fig. 1). Das beschriebene Verfahren/die beschriebenen Anlagen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs (1) nutzen durch geeignete Solaranlagen und Windenergiekonverter, die an Autobahnen oder Bundesstraßen oder Landesstraßen, Kreisstraßen, Wasserstraßen, Meeresküsten, Flugplätzen, Bahnschienen oder Bahnstationen installiert werden, einen Teil dieser Windenergie sowie die Sonnenenergie aus, um daraus elektrischen Strom zu erzeugen (Fig. 2), (Fig. 3), (Fig. 4), (Fig. 5), (Fig. 6).
Die Solarenergieanlagen und Windkonverter werden u. a. am Rand der Autobahnen, Bundesstraßen, Landesstraßen, Kreisstraßen, Wasserstraßen Meeresküsten, Flugplätzen, Bahnschienen und Bahnstationen in geeigneter Weise entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs (1) installiert.
In einer Variante sind die Windkonverter in Tunnels installiert, auf deren Dach- und Seitenflächen zusätzlich Solarmodule angebracht werden. In einer weiteren Variante werden die Windenergie- und Solarenergiekonverter in bestehende oder neu zu Windenergiekonverter in Brückenbauwerke integriert.
Es gibt bislang kein Verfahren bzw. keine Anlagen, um dieses Energiepotential zu nutzen. Es sind lediglich Solarenergiekonverter auf Lärmschutzwällen an Autobahnen bekannt.
Der Stand der Technik nutzt somit nur einen kleinen Teil der verfügbaren Energie, nämlich die Solarenergie aus, um elektrischen Strom zu erzeugen. Das große zusätzliche Potential der Windenergie aufgrund der BW der KFZ oder SFZ bleibt völlig ungenutzt. Die Installationskosten zur Anbindung der Konverter an das öffentliche Energieversorgungsnetz oder das Netz von Energieversorgungsunternehmen erhöht sich durch die zusätzlichen Windenergiekonverter nicht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, möglichst effiziente Verfahren/Anlagen zur Ausnutzung der Energie der BW zu schaffen. Dabei werden örtliche Gegebenheiten genutzt, wie zum Beispiel bereits bestehende Lärmschutzwälle oder Tunnels oder Brücken, in die dann die neuen Konverter integriert werden können. Darüber hinaus werden neue Tunnelkonzepte zur optimalen Nutzung der Energie der BW und der Solarenergie geschaffen.
Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Anlagen mit den Merkmalen des Anspruchs (1) gelöst.
Mittels der Lösungen entsprechend des Anspruchs (1) wird bislang völlig brachliegende Energie genutzt und in verfügbare elektrische Energie umgewandelt und ins öffentliche Netz oder das Netz von Energieversorgungs-Unternehmen eingespeist bzw. lokal verbraucht (z. B. zu Beleuchtungszwecken oder zur Versorgung von Verkehrsleitsystemen).
Ein nicht unerheblicher Teil der beim KFZ/SFZ-Betrieb eingesetzten Primärenergie (u. a. Benzin, Diesel, Autogas, Wasserstoff, Methan, Strom) wird bislang ungenutzt an die umgebenden Luftschichten abgegeben, der Luftwiderstand von KFZ oder SFZ lässt sich aufgrund physikalischer Naturgesetze nicht beliebig weit reduzieren. Ein guter Teil der hier bislang verschwendeten Energie wird durch die Verfahren und Anlagen entsprechend des Anspruchs (1) zurückgewonnen und genutzt.
Es muss in den KFZ/SFZ keine zusätzliche Energie eingesetzt und verbraucht werden, es wird lediglich die beim normalen bestimmungsgemäßen Betrieb der KFZ/SFZ verbrauchte Energie effizienter ausgenutzt.
Neu entstehende Lärmschutzwälle, Brücken und Tunnels können mit den Anlagen entsprechend des Anspruchs (1) bestückt werden. Durch die Integration in bestehende oder durch gesetzliche Vorgaben zu errichtende Bauwerke (z. B. Lärmschutzwälle) entfallen nur noch moderate Kosten für die eigentlichen Maßnahmen zur Integration der Energiekonverter.
An besonders geeigneten Stellen (hohes Verkehrsaufkommen, hohe durchschnittliche Geschwindigkeit der KFZ/SFZ) können auch eigene Bauwerke ohne zusätzliche Funktionen wie Lärmschutz oder Brücke bzw. Tunnel errichtet werden.
Bislang brachliegende Flächen auf Tunnels oder auf Lärmschutzwällen werden mittels Solarenergiekonvertern zur Energiegewinnung genutzt. Von besonderem Vorteil ist, dass die Flächen nicht durch umliegende Bauwerke abgeschaltet sind und optimale Sonneneinstrahlung gewährleistet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
In (Fig. 1) ist schematisch die Bugwelle (BW) eines einzelnen KFZ/SFZ dargestellt. Diese BW wird von jedem einzelnen Fahrzeug mitgeführt, die Steilheit der Flanken der BW hängt dabei von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (Fig. 7) sowie von dessen Bauform ab.
Die Windenergiekonverter sind drehbar gelagert, so dass sie der vorherrschenden Windrichtung in einer BW nachgeführt werden können (Fig. 8), (Fig. 9). Diese Nachführung kann passiv oder aktiv sein. Die Ausrichtung der Konverter hängt dabei im wesentlichen von der mittleren Geschwindigkeit der KFZ/SFZ ab.
Die kinetische Energie in diesen BW wird nun von speziellen Windenergiekonvertern ausgenutzt, um daraus elektrische Energie zu gewinnen.
Die Windenergiekonverter können in unterschiedlichen Ausführungen realisiert werden:
Die Windenergiekonverter können die Form von Turbinen (Fig. 10) haben, deren Rotoren z. B. aus Leichtmetalllegierungen oder Kunststoffen bestehen. Die Lamellen der Rotoren sind so geneigt, dass möglichst effizient die kinetische Energie der BW in Drehimpuls des Rotors umgewandelt werden kann. Auf die Lamellen der Rotoren auftreffende Luftmoleküle mit der Geschwindigkeit ≙ Erzeugen durch die Neigung der Lamellen einen Impuls in Drehrichtung.
Die Windenergiekonverter können die Form von konventionellen 2- oder 3-Flügel Windkraftanlagen haben, deren Rotoren aus Kunststoff oder Kohlefaser- Verbundwerkstoffen bestehen können (Fig. 11).
Die Windenergiekonverter können in Form von Darrieus-Anlagen (Drehachse senkrecht zur Unterlage) realisiert werden (Fig. 12).
Die Windenergiekonverter können in Form von Savonius-Anlagen (Drehachse senkrecht zur Unterlage) realisiert werden (Fig. 13).
Eine Übersicht über mögliche Ausführungen der Windenergiekonverter entsprechend dem Anspruch (1) ist in (Fig. 14) für horizontale Achsen und in (Fig. 15) für vertikale Achsen aufgezeigt. Die Wahl des geeigneten Konverters hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab, von den vorherrschenden mittleren Windgeschwindigkeiten. Die Wahl der Konverter hängt auch davon ab, ob sie in Tunnels, Brücken oder Lärmschutzwälle integriert werden.
Die Windenergiekonverter sind nun an den Rändern einer Straße (u. a. Autobahnen, Bundesstraßen etc.) entsprechend den Ausführungsbeispielen in (Fig. 2), (Fig. 3), (Fig. 4), (Fig. 5), (Fig. 6) angeordnet.
Die Windenergiekonverter können entsprechend dieser Ausführungsbeispiele mit Solarkonvertern kombiniert werden.
Um möglichst viel Energie aus den BW zurückzugewinnen, können mehrere Konverter in Serie angeordnet werden (Fig. 3). Dies kann in allen Ausführungsbeispielen (Tunnel, Lärmschutzwall, Brücke, Rand- oder Mittelstreifen) der Fall sein.
Die Windenergiekonverter können in Form von Säulen ausgebildet sein, die einen Savoniuskonverter enthalten, der über einen Laderegler und einen Generator ein Speichersystem versorgt (z. B. Batterie, Akkumulator) (Fig. 16). Die elektrische Energie wird verwendet um einen Beleuchtungskörper (z. B. Gitterleuchtkörper) zu betreiben, der Bestandteil der Säule ist, aus Kunststoff oder Glasfaser besteht und mit LEDs (Lichtemittierenden Dioden) oder konventionellen Leuchtkörpern zum Leuchten gebracht wird.
Fig. 1 Schematische Darstellung einer Bugwelle (BW) eines einzelnen KFZ/SFZ;
Fig. 2 Windenergiekonverter an Seiten und Mittelstreifen einer Straße (u. a. Autobahn, Kraftfahrstraße oder Bundesstraße);
Fig. 3 Anordnung mehrerer Windenergiekonverter innerhalb eines Tunnels bzw. entlang einer Straße in Fahrtrichtung;
Fig. 4 Windenergiekonverter und Solarenergiekonverter integriert in einen Lärmschutzwall;
Fig. 5 Windenergiekonverter und Solarenergiekonverter integriert in einen Tunnel;
Fig. 6 Windenergiekonverter integriert in eine Brücke;
Fig. 7 Schematische Darstellung der vorherrschenden Windrichtung einer Bugwelle eines einzelnen KFZ/SFZ abhängig von der mittleren Geschwindigkeit des KFZ/SFZ;
Fig. 8 Charakteristische Ausrichtung eines Windenergiekonverters entsprechend der Vorzugswindrichtung der BW;
Fig. 9 Nachführung eines Windenergiekonverters entsprechend der vorherrschenden Windrichtung, einachsige Lagerung, Nachführung aktiv oder passiv (nicht weiter ausgeführt);
Fig. 10 Ausführungsbeispiel eines Windenergiekonverters, Turbine mit Rotor, Lamellen und Mantel;
Fig. 11 Ausführungsbeispiel eines Windenergiekonverters als konventioneller 2- Flügler;
Fig. 12 Ausführungsbeispiel eines Windenergiekonverters als senkrecht stehender Darrieus-Konverter;
Fig. 13 Ausführungsbeispiel eines Windenergiekonverters in Savonius-Ausführung;
Fig. 14 Ausführungsbeispiele von Windenergiekonvertern: horizontale Achsen;
Fig. 15 Ausführungsbeispiele von Windenergiekonvertern: vertikale Achsen;
Fig. 16 Ausführungsbeispiel eines Windenergiekonverters in Savonius-Ausführung als autarke Windlichtsäule.

Claims

1. Verfahren und Anlagen zur Nutzung der Windenergie in Bugwellen von KFZ/SFZ, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstöße einer Bugwelle beim Vorbeistreichen der Bugwelle an einem geeigneten Windenergiekonverter mittels Impulsübertrag auf den Rotor des Konverters zur Energiegewinnung genutzt werden.

2. Verfahren und Anlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstöße auf den Rotor durch die Ausgestaltung des Rotors z. B. in Lamellenform und durch geeignete Neigung der Lamellen (eventuell regelbar) effizient in Drehimpuls des Rotors und nachfolgend im Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.

3. Verfahren und Anlagen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren aus geeigneten Werkstoffen wie z. B. Leichtmetall, Alu- Legierungen, neue moderne Legierungen mit AI, Mg, Ti, Ni, Cr wie z. B.:
Al-Schmiedelegierungen, Ti-Legierungen, NiCrAlTiXYZ (Ni-Basis- Superalloys), Intermetalics (NiAl, Ni³Al, TiAl) bestehen.

4. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren aus geeigneten Werkstoffen wie Kunststoff oder Kohlefaser-Verbundwerkstoffen bestehen.

5. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotaren aus geeigneten Werkstoffen wie konventionelle Blechtypen (Eisenbleche, Aluminiumbleche etc.) bestehen.

6. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkonverter in Form von Turbinen ausgelegt sind.

7. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkonverter in Form von konventionellen 2-; 3- oder Mehr-Flügel-Anlagen ausgelegt sind.

8. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkonverter in Form von senkrecht stehenden Darrieus-Anlagen ausgefegt sind.

9. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkonverter in Form von senkrecht stehenden Savonius-Anlagen ausgelegt sind.

10. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Windverhältnisse in einer Bugwelle ausgenutzt werden, um Energie zu gewinnen (Impulsbetrieb eines Windenergiekonverters, keine laminare Strömung, z. B. mittels elektronischer Regelung der Konverter).

11. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergiekonverter entsprechend der vorherrschenden Windrichtung in Bugwellen von KFZ/SFZ ausgerichtet sind.

12. Verfahren und Anlagen zur Nutzung der Windenergie in BW von KFZ/SFZ, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Windenergiekonverter entsprechend der mittleren Geschwindigkeit der KFZ/SFZ nachgeführt werden (aktiv oder passiv).

13. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergiekonverter am Seitenstreifen, am Mittelstreifen, integriert in Lärmschutzwällen oder integriert in Tunnels angebracht sind.

14. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Windenergiekonverter und Solarenergiekonverter in Lärmschutzwällen und/oder Tunnels kombiniert werden.

15. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkonverter in Brücken integriert werden.

16. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Windenergiekonverter in Serie installiert werden, um möglichst viele Kraftstöße aus der vom KFZ/SFZ mitgeführten Bugwelle zur Energieerzeugung auszunutzen.

17. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und ins öffentliche Stromnetz oder das Netz anderer Energieversorgungsunternehmen eingespeist wird.

18. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und dezentral (lokal) für Beleuchtung von Parkplätzen, für Sicherheitsbeleuchtungen von z. B. KFZ-Straßen oder Bahnhöfen oder geeigneten Schienenstrecken für die Energieversorgung von Verkehrsleitsystemen oder ähnliche Zwecke an Ort und Stelle verwendet wird.

19. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkonstruktionen aus Holz und/oder Stahl und/oder Beton und/oder Glas und/oder Kunststoff und/oder Stein und oder Fertigteilen gefertigt sind.

20. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und lokal in geeigneten Speichern (Batterien, Akkumulatoren) gespeichert wird, um einen Dauerbetrieb von elektrischen Anlagen (z. B. Beleuchtung) zu gewährleisten.

21. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird und über elektronische Laderegler geeignete Speichersysteme lädt.

22. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, und autarke wartungsarme Beleuchtungssysteme für Autobahnen versorgt.

23. Verfahren und Anlagen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergie mittels eines Savonius-Konverters, eines Ladereglers und geeigneter Speichersysteme in einer geschlossenen Einheit (genannt Windlichtsäule) den Betrieb autarker Beleuchtungseinheiten gestattet, die in Form von Gitterleuchtkörpern die Windlichtsäule überziehen. Die Gitterleuchtkörper können dabei geeignete Kunststoffe oder Glasfasern sein, die z. B. mit LED (Lichtemittierenden Dioden) beleuchtet werden. Die LED werden durch die Windlichtsäule mit elektrischer Energie versorgt. Die Gitterleuchtkörper sind dabei Bestandteil der Windlichtsäule oder unabhängige Einheiten.