DE102004046652A1

DE102004046652A1 - Vorrichtung zur Umsetzung der Windenergie in eine rotierende Kraft

Info

Publication number: DE102004046652A1
Application number: DE102004046652A
Authority: DE
Inventors: Guido Dessauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-25
Filing date: 2004-09-25
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung der Windkraft mittels Rotoren. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein linearer Rotor vorgesehen ist, der nach dem Magnus-Effekt die Windkraft in eine lineare Kraft umsetzt.

Description

Die Notwendigkeit Strom aus erneuerbaren Energien zu gewinnen leuchtet jedermann ein. Sie hat dazu geführt, dass weltweit zu Tausenden die bekannten Propelleranlagen gebaut und aufgestellt werden. Diese haben aber auch gewisse Nachteile: So sitzt der Stromgenerator hinter dem rotierenden Propeller oben im Kopf des Windgenerators, die Anlage selbst ist systembedingt nicht geräuschfrei und bedarf einer hohen mechanischen Festigkeit und benötigt ein hinreichend festes Fundament.

Ziel der Erfindung soll es sein, darauf hinzuweisen, dass es zur Nutzung der Windkraft noch eine weitere Möglichkeit gibt, die ohne Propeller oder ähnlichem Windrad auskommt und die in der Physik schon lange bekannt ist, die auch früher eine Zeit lang großes öffentliches Interesse fand, nämlich den Magnus-Effekt.

Der von dem Berliner Physiker (1802–1870) beschriebene und an sich bekannte Effekt sagt, dass ein rotierender und seitlich angeblasener Zylinder durch den Luftstrom eine Kraft erfährt, die senkrecht zur Richtung des Luftstromes und zur Zylinderachse gerichtet ist. Beiliegende aus einem Buch stammende 1 erklärt diesen Effekt. Die Frage ist nun, wie groß ist diese Kraft, die rechtwinklig zum Luftstrom auftritt und wie setze ich diese in eine Drehbewegung um, damit man einen Generator antreiben kann. In alten Literaturstellen ist zu lesen, dass um 1925 diese sog. Flettner-Rotoren, die den Magnus-Effekt als Grundlage nutzten, effizienter waren als Segel.

Es ist demzufolge zunächst die Frage offen, ob man mit der Nutzung des Magnus-Effektes vergleichbare Energien gewinnen kann. Windmühlen mit vielerlei Formen von der alten Getreidemühle bis zum Windrad sind altbekannt. Es ist auch bekannt, dass seit Jahren man immer wieder versucht hat, den Flettner-Rotor bzw. den Magnus-Effekt zur Energiegewinnung zu verwenden. Soweit aus der Literatur ersichtlich liegt das Problem in der Umsetzung einer linearen Schubkraft, möglichst verlustarm, in eine Rotationskraft.

Die erfindungsgemäße Windkraftanlage besteht aus dem altbekannten, fremd in Rotation gesetzten Flettner-Rotor, wobei das Material beliebig sein kann. Ob Aluminium oder Kunststoff, Holz etc. der mittels einer üblichen Vorrichtung angetrieben wird. Die Höhe der Drehgeschwindigkeit wird dadurch begrenzt, dass an der Position u. 1 der Zeichnung noch keine Abreißwirbel entstehen dürfen. Hier kann auf die Werte der damaligen Flettner-Rotoren zurückgegriffen werden, denn auch der Durchmesser der Rotoren spielt naturgemäß eine Rolle. Das selbe gilt auch für die Höhe der rotierenden Türme. Vorzugsweise ist deshalb eine Bauhöhe von 25 bis 35 m anzustreben. Den Blitzschutz darf man dabei nicht vergessen.
Nun kommt aber das Problem, wie bringt man die Kraft K zum Antrieb eines Generators: Um dies zu erreichen wird auch die vorgeschlagene Windkraftanlage entsprechend 3 und 4 auf einer Kreisbahn drehbar aufgestellt, damit man je nach Windrichtung den optimalen Magnus-Effekt erzielt. Des weiteren muss die Basis des rotierenden Zylinders in Richtung der Kraft K verschiebbar sein, damit man an deren Enden Zahnräder anbringen kann, die über ein Gliederband oder einen Zahnriemen den Stromerzeuger antreiben können. Ein wesentlicher Vorteil dieses Vorschlages besteht darin, dass der Generator am Boden bleibt.
Die zuvor geschilderte Umsetzung einer konstant wirkenden Kraft K in eine Drehbewegung wird nur dann funktionieren, wenn der Mast des Rotors sich etwas hin und her bewegen kann und die Zahnräder eine Rückdrehsperre besitzen.
Der eigentliche Knackpunkt dieser Anlage besteht darin, dass man nach dem Magnus-Effekt eine konstante mechanische Kraft aus dem Wind gewinnen kann, aber die Umsetzung in eine Drehbewegung problematisch ist. Beim Flettner Rotor wurde die gewonnene Kraft zum Antrieb eines Schiffes direkt genutzt, das Schiff bewegte sich. Beim Windgenerator wird ein mechanischer Antrieb vorgeschlagen. Dieser könnte z. B. wie die 2 zeigt aussehen. Die gesamte Flettner-Rotoranlage sitzt auf einem Block, der wie in 1 mit Z bezeichnet, den rotierenden Turm im Grundriss zeigt. Die aus dem Magnus-Effekt resultierende Kraft will diesen Block nach K verschieben. Da aber beide Seitenwände mit z. B. Zahnriemen bespannt sind, kann die Kraft K über Zahnriemenräder Ü auf diese übertragen werden. Der Rotor bleibt am Platz und die Zahnriemen nehmen die Kraft auf und betreiben auf ihrem Umlauf zwei Generatoren G, wobei die jeweiligen Drehgeschwindigkeiten und Drehmomente zu optimieren sind. Diese Anlage zur Umsetzung der linearen Kraft K ist selbst auf eine Kreisbahn z. B. eine hinreichend große Scheibe oder eine runde Gleisbahn zu montieren.
Aus Sicherheitsgründen sind in der 2 die Übertragungsräder Ü mit einer Rückdrehsperre vorgeschlagen. Die eigentliche Führung des Zahnriemens ist nicht weiter dargestellt und die Durchmesser sowie Breite des Zahnriemens nach konstruktiven Notwendigkeiten vorgebbar.
Zum besseren Verständnis ist die Übertragung der Schubkraft auch so erklärbar: Die ganze Flettner-Rotor-Anlage steht wie in 5 und 6 dargestellt ist, auf einem Trägerblock, der seinerseits in Richtung der Kraft K auf einem Gleis ver schiebbar ist. Die Begrenzung dieser Beweglichkeit sind zwei Federn, die den Weg begrenzen. Die Seitenwände sind beidseitig bespannt mit gegenläufigen Zahnriemen oder ähnlichem Material. Die Übertragungsräder Ü, die nur in einer Drehrichtung rotieren können, schieben das doppelseitige Begrenzungselement mit praktisch der gleichen Schubkraft an und zwar in die Gegenrichtung der Magnus-Kraft. Zur Vergleichmäßigung der aufnehmenden Kraft durch die verschiebbaren und aufnehmenden Zahnriemen kann ein in das Rotationssystem einbezogenes großes Schwungrad von erheblichem Gewicht vorgesehen werden. Über eine getrennt stehende Erfassung der Windrichtung bzw. seiner Herkunft wird mittels eines Stellmotors die gesamte Anlage stets ausgerichtet.
Vorteilhafterweise kann es mit bekannten Mitteln vorgesehen werden, einerseits den Block mit der gesamten Flettner-Rotor-Anlage in der Mitte seiner linearen Verschiebbarkeitszone zu halten, so dass er diese horizontale Kraft auf die beiden beweglichen Seitenwände weitergeben kann.
Der wesentliche erfinderische Teil der Vorrichtung besteht in der Übertragung der linearen Schubkraft in eine Rotation. Es ist aus 2 ersichtlich, dass es zu vermeiden ist, dass der Flettner-Rotor und sein Sockel in Richtung der Kraft K an die skizzierte Feder anstoßen. Beim Stillstand am oberen Ende würde der bewegte Trägerschlitten seine Kraft auf die Erde drücken und das Ganze käme zum Stillstand. Mit den derzeit verfügbaren optischen oder mechanischen oder magnetischen Erfassungsmethoden lässt sich der Ort des die Zahnriemen antreibenden Schlitten aber genau erfassen und man kann erreichen, dass der Rotor mit hin und her beweglichem Träger oder Schlitten immer so positioniert ist, dass die Kraft K über die Übertragungsräder auf das umlaufende Zahnriemenband wirkt. Um dies zu erreichen wird vorgeschlagen ein stufenlos variables Getriebe in das umlaufende Zahnriemenband vorzusehen, das über eine e lektrische Steuerung jeweils dafür sorgt, dass der vorwärts schiebende Schlitten niemals an die Grenze kommt und dort anstößt. Solche stufenlose Getriebe sind in der Kraftfahrzeugtechnik bekannt und erfolgreich eingeführt worden. Die Länge der Bahn, innerhalb derer die Schlitten mit dem kraftspendenden Flettner-Rotor sich hin und her bewegen kann, hängt von der Reaktionsgeschwindigkeit ab, mit der das die Kraft aufnehmende Zahnriemenband oder Kette nachreguliert werden kann.
Bezüglich der Übertragungsräder Ü wird vorgeschlagen, dass diese wie eine bekannte Fahrrad-Hinterradnabe arbeiten. Diese haben dann einen Freilauf, der z.B. nötig ist, wenn der Winddruck nachlässt sowie eine Rücktrittbremse, die bewirkt, dass das umlaufende Band sich nur in einer Richtung bewegen kann. Dabei kann auch ein eventuell mitlaufendes Schwungrad zur Vergleichmäßigung des umlaufenden Zahnriemenbandes oder einer Kette vorgesehen werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Zylinder innerhalb einer Strömung als Magnus-Effekt;
2: eine schematische Darstellung einer Flettner-Rotor-Anlage in Draufsicht;
3: eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage als rotierender Zylinder mit drehbarem Generatorhaus;
4: eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage als rotierender Zylinder;
5: eine schematische Darstellung einer Flettner-Rotor-Anlage auf einem Trägerblock in Draufsicht, und
6: eine schematische Darstellung einer Flettner-Rotor-Anlage auf einem Trägerblock in Vorderansicht.

Claims

Vorrichtung zur Nutzung der Windkraft mittels Rotoren, dadurch gekennzeichnet, dass ein linearer Rotor vorgesehen ist, der nach dem Magnus-Effekt die Windkraft in eine lineare Kraft umsetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umsetzung der linearen Kraft „K" in eine rotierende Bewegung eine mechanische Vorrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Anlage auf einer drehbaren Unterlage angeordnet ist, um sie auf die jeweilige Windrichtung zu optimieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Stromerzeugung am Boden vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage ohne Geräuschentwicklung durch Propeller infolge des Magnus-Effektes betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung der linear wirkenden Schubkraft durch ein Zahnriemen-, ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem in eine Drehbewegung umwandelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergleichmäßigung im rotierenden Teil ein großes und möglichst auch schweres Schwungrad vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsräder (Ü) einen Freilauf aufweisen und nur eine Drehrichtung zulassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein stufenloses Getriebe vorgesehen ist, das bei größeren Unterschieden der Windkraft die Geschwindigkeit der kraftübernehmenden rotierenden Kette oder des Zahnriemens in etwa der Schubkraft so anpasst, dass der den Flettner-Rotor tragende Schlitten innerhalb des vorgegebenen Freiraumes verbleibt.