DE102008020860A1 - Mobile wind power plant for producing energy from fair wind for e.g. passenger car, has propeller connected with engine-driven vehicle, such that energy is produced in support of power engine - Google Patents

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Abstract

The plant has a propeller connected with an engine-driven vehicle e.g. passenger car, such that an energy is produced in support of a power engine, where the propeller is provided with a step-up gear unit. A windmill-wing includes maximum dimensioned diameter within boundaries set by vehicle width and structure clearance-height, and generates a highest possible torque output. The windmill-wing is aligned opposite to a vehicle longitudinal axis with an optimal blade angle (alpha) and with an outwardly increased twisting.

Description

Eine Mobile Windkraftanlage,
entsteht dadurch, dass eine

  • 1. Windkraftanlage sich zusammensetzend aus den Elementen
  • 1.a.) Flügel-Windrad – als energieerzeugendes Element – mit aerodynamisch ausgebildeten 2 oder mehr Flügelblättern (= eine aus der Luftströmung energieaufnehmende Strömungsmaschine, Repeller) und
  • 1.b.) Energie-Übertragungs-/Umwandlungselement (nachgeschaltet) – mit der Aufgabe der Wandlung und Übertragung der als Drehmoment erzeugten Energie auf den Fahrzeugantrieb –
mit einem (motorgetriebenen) Fahrzeug zusammengefügt wird.A mobile wind turbine,
arises from the fact that one
  • 1. Wind turbine composed of the elements
  • 1.a.) wing-wind turbine - as an energy-generating element - with aerodynamically formed 2 or more blades (= one of the air flow energy-absorbing turbomachine, repeller) and
  • 1.b.) Energy transmission / conversion element (downstream) - with the task of converting and transmitting the energy generated as torque to the vehicle drive -
with a (motor-driven) vehicle is assembled.

zu 1.a.): Der Flügel-Windraddurchmesser ist begrenzt durch die Fahrzeugbreite und die lichte Höhe des Verkehrsraumprofils, sodaß die vom drehenden Flügel-Windrad überstrichene Fläche des Luftvolumenstroms durch diese Kriterien klein ist im Vergleich zu der eines Dreiblattrotors einer (stationären) Windkraftanlage zur Stromerzeugung, dass aber die Strömungsgeschwindigkeit bei höherem Fahrtempo demgegenüber groß ist. Das Flügel-Windrad kann unter Berücksichtigung der verkehrlichen Anforderungen und der Gestalt des Fahrzeugs luvseitig vor der Vorderfront, leeseitig hinter der Rückfront, oder über dem Fahrzeugdach (umklappbar für kleinere Durchfahrtshöhen) angeordnet sein. Zur Gewinnung des höchstmöglichen Drehmomentes sind die Flügel mit Hochauftrieb erzeugendem Profil ausgebildet; und der Flügel-Windraddurchmesser in Annäherung an die Dimensionierungsgrenzen ausgelegt. Es können auch mehrere Flügel-Windräder in einer mobilen Windkraftanlage installiert sein, wodurch die Drehmomentleistung entsprechend der Anzahl vervielfacht wird.to 1.a.): The wing wind turbine diameter is limited by the vehicle width and the clear height of the traffic profile, So that the swept by the rotating wing wind turbine area the air volume flow through these criteria is small in comparison to that of a three-blade rotor of a (stationary) wind power plant for power generation, that but the flow rate at higher Tempo is large in contrast. The Wing pinwheel can be under consideration the traffic requirements and the shape of the vehicle windward in front of the front, leeward behind the back, or above Vehicle roof (foldable for smaller passage heights) be arranged. To obtain the highest possible torque are the wing formed with high-lift generating profile; and the wing pinwheel diameter in approach designed to the sizing limits. There can also be several wing wind turbines in one mobile Wind turbine to be installed, reducing the torque output multiplied according to the number.

Die Größe der Drehmomentleistung ist proportional zur (Größe)2 des Durchmessers des Flügel-Windrads.The magnitude of the torque output is proportional to the (size) 2 of the diameter of the vane wind turbine.

Zu 1.b.): Die Aufgabe der Übertragung des erzeugten Drehmoments auf den Fahrzeugantrieb kann auf folgenden Energieumwandlungs-/Weiterleitungswegen gelöst werden:

  • 1.b.1.): Mittels eines nachgeschalteten Elektro-Generators einschließlich Übersetzungsgetriebe (= Generatorversion). Die Generatorversion setzt voraus ein Zusammenfügen der mobilen Windkraftanlage mit Fahrzeugen, deren Motorantriebssystem die erzeugte elektrische Energie aufnehmen kann. Deshalb Anwendung auf Fahrzeuge mit Elektromotorantrieb und Hybridfahrzeuge (mit Verbrennungsmotor und Elektromotor) eingeschränkt.
  • 1.b.2.): Mittels eines nachgeordneten Propellers mit gleicher Drehrichtung wie der des Flügel-Windrads. Das erzeugte Drehmoment wird abtriebseitig, auf die notwendige höhere Drehzahl des Propellers übersetzt, vom Propeller aufgenommen und dabei in eine vorwärtstreibende Propellerschubkraft umgewandelt (= Propellerversion)
To 1.b.): The task of transmitting the generated torque to the vehicle drive can be solved by the following energy conversion / forwarding routes:
  • 1.b.1.): By means of a downstream electric generator including transmission gear (= generator version). The generator version requires an assembly of the mobile wind turbine with vehicles whose motor drive system can absorb the generated electrical energy. Therefore, application restricted to vehicles with electric motor drive and hybrid vehicles (with internal combustion engine and electric motor).
  • 1.b.2.): By means of a downstream propeller with the same direction of rotation as the wind turbine. The torque generated is on the output side, translated to the necessary higher speed of the propeller, absorbed by the propeller and thereby converted into a propelling propeller thrust force (= propeller version)

Für die Elemente 1.a.) und 1.b.) ist in Bezug auf die Befestigungsvorrichtung eine aerodynamisch optimale Gestaltung in Leichtbauweise ein zwingendes Merkmal.For the elements 1.a.) and 1.b.) is with respect to the fastening device a Aerodynamically optimal design in lightweight design a compelling Feature.

Mit der Ausrüstung eines Fahrzeugs mit einer mobilen Windkraftanlage wird der Zweck verfolgt, den beim Fahren, der Fahrzeugbewegung, entstehenden Fahrtwind zur Energiegewinnung (auf das Gesamtsystem betrachtet = Energierückgewinnung) auszunutzen.With the equipment a vehicle with a mobile wind turbine will be the purpose pursued, the driving wind arising during driving, the vehicle movement for energy production (considered on the whole system = energy recovery) exploit.

Das besondere Merkmal der mobilen Windkraftanlage besteht in deren Vermögen, bei höherem Fahrtempo des Fahrzeugs eine ins Gewicht fallende Energierückgewinnung, mit zunehmender Tendenz, zugunsten des Fahrzeugantriebs zustande zu bringen.The special feature of the mobile wind turbine is in their fortune, at higher Driving speed of the vehicle a significant energy recovery, with increasing tendency, in favor of the vehicle drive bring to.

Bei dem Vorgang der Energiegewinnung aus der zwangserzeugten Luftströmung erzeugt das Flügel-Windrad – anzustreben in größtmöglicher Dimensionierung – ein Vielfaches an Drehmomentleistung gegenüber der durch die Flügel-Windradausrüstung (Flügel-Windrad + Element 1.b.) + Halterung) hervorgerufenen zusätzlichen Luftwiderstandsleistung. Die so emmissionsfrei gewonnene Energie (gekürzt um die Wirkungsgradverluste), zeichnet sich in der Bilanz als Energierückgewinnung aus.at the process of energy production generated by the forced-generated air flow the wing wind turbine - to go for in the largest possible Sizing - a Much of torque power over that through the wing wind turbine equipment (wing wind turbine + Element 1.b.) + bracket) caused additional drag resistance. The thus emission-free energy (reduced by the efficiency losses), is characterized in the balance sheet as energy recovery.

Das Zustandekommen einer Energierückgewinnung durch das Element 1.a.) Flügel-Windrad erklärt sich aus den Gesetzmäßigkeiten der Physik, Kapitel Mechanik der Flüssigkeiten, Strömungslehre, Aerodynamik, folgendermaßen:
Bei der Bewegung eines Körpers in einer Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit vo tritt stets eine Kraftkomponente entgegen der Bewegungsrichtung auf, die Widerstand FW genannt wird. Zu ihrer Überwindung ist Arbeit zu leisten. (Sekundliche Arbeit = Leistung = FW·vo). Außerdem kann eine Kraftkomponente senkrecht zur Richtung von vo auftreten, welche keinen besonderen Arbeitsaufwand erfordert. Genannt Auftrieb FA. Bei einem als Tragflügel profilierten Körper ist die Auftriebskraft FA groß gegenüber der Widerstandskraft FW.The realization of an energy recovery by the element 1.a.) Wing wind turbine is explained by the laws of physics, chapter mechanics of fluids, fluid mechanics, aerodynamics, as follows:
During the movement of a body in a liquid at the speed v o , a force component always occurs opposite to the direction of movement, which is called resistance F W. Work is needed to overcome them. (Secondary work = power = F W · v o ). In addition, a force component can occur perpendicular to the direction of v o , which requires no special effort. Called lift F A. In a body profiled as a wing, the buoyancy force F A is large compared to the resistance force F W.

# Zeichnung (1)# Drawing (1)

Jedes um die Welle des Flügel-Windrads angeordnete Windradflügelblatt

  • – mit dem Merkmal,
  • – wie ein Tragflügel mit Hochauftrieb profilmäßig gestaltet zu sein,
  • – und mit optimaler Anstellwinkelstellung und nach außen zunehmender Verwindung gegenüber der Fahrzeuglängsachse ausgerichtet zu sein –
wird durch die Auftriebskraft FA in Drehbewegung mit der Drehgeschwindigkeit ω versetzt.Each wind turbine blade arranged around the shaft of the wind turbine blade
  • - with the characteristic
  • How to be profiled like a high-lift wing
  • - and to be aligned with optimal pitch angle and outward increasing distortion relative to the vehicle longitudinal axis -
is offset by the buoyancy force F A in rotational movement with the rotational speed ω.

Je Windradflügelblatt bewirkt bei einer Strömungsgeschwindigkeit vo die Auftriebskraft FA einen viel höheren Wert an Drehmomentleistung PA = FA·ω gegenüber der vom Windradflügelblatt ausgelösten Luftwiderstandsleistung PW = FW·vo (Unter Einschluss des von Nabe und vom lösbaren Befestigungsgestell verursachten Betrages).For each wind turbine blade at a flow velocity v o, the buoyant force F A causes a much higher torque output P A = F A · ω relative to the air resistance P W = F W · v o induced by the wind turbine blade (including the hub and detachable mounting frame amount).

# Zeichnung (2)# Drawing (2)

Die Zuführung der vom Flügel-Windrad erzeugten Energie (unter Abzug der zusätzlichen Luftwiderstandsenergie und der Übertragungs-Wirkungsgradverluste) zum Fahrzeugantrieb bewirkt eine Beschleunigung des Fahrzeugs auf eine durch das erhöhte Antriebskraft angebot sich ergebende höhere Fahrtgeschwindigkeit. Zur Beibehaltung des ursprünglichen Tempo-Niveaus ist die Motorantriebsleistung entsprechend zu drosseln. Das Ergebnis: bei konstant gehaltenem Geschwindigkeitsniveau weniger Energiezufuhr (= weniger Kraftstoffverbrauch, bei Elektromotoren reduzierter Stromverbrauch). Da der Luftwiderstand im Quadrat der Geschwindigkeit anwächst, nimmt der Luftwiderstand unter den sonstigen Fahrwiderständen einen mit der Geschwindigkeit stark zunehmenden Anteil ein.The feed the from the wind turbine generated energy (subtracting the additional drag energy and the transmission efficiency losses) to the vehicle drive causes an acceleration of the vehicle one through the increased The propulsion power resulting in a higher travel speed. To retain the original Tempo levels is to throttle the engine power accordingly. The result: Less at a constant speed level Energy supply (= less fuel consumption, with electric motors reduced power consumption). As air resistance squared the speed increases, the air resistance decreases under the other driving resistances one at the rate of increasing share.

# Zeichnung (3)# Drawing (3)

# Zeichnung (4).# Drawing (4).

In anbetracht des Anwachsens des Luftwiderstands als Fahrwiderstand und des Auftriebs in der 2. Potenz der Geschwindigkeit, erreicht der Wert der erzielbaren Energierückgewinnung ausgedrückt als Betrag einer Kraftstoffeinsparung, bei einem an den Grenzen der Beschränkung ausgelegten, d. h. größtmöglichen Windraddurchmesser z. B. bei Pkw’s erst oberhalb eines Fahrtwindtempos von 90 km/h eine beträchtliche Größenordnung. Eine Ausrüstung mit einer mobilen Windanlage ist deshalb nur für schnellfahrende Fahrzeuge interessant.In considering the increase in air resistance as driving resistance and the buoyancy in the 2nd power of the speed achieved the value of recoverable energy recovered as Amount of fuel savings, at one on the borders of restriction designed, d. H. largest possible wind turbine diameter z. B. in cars only above a speed of 90 km / h a considerable Magnitude. An equipment with a mobile wind turbine is therefore only for fast-moving vehicles Interesting.

Die Drehmomentleistung des Flügelwindrads ist proportional zur Größe des Durchmessers. Die Energierückgewinnung nimmt entsprechend zu oder ab.The Torque power of the wing wind turbine is proportional to the size of the diameter. The energy recovery increases or decreases accordingly.

Für Pkw’ und Kombi’s ist eine kleinere Dimension des Flügelwindrads als Ausrüstung, die aesthetischer wirkt und praktischer ist, und so den Nachteil einer geringeren Energierückgewinnung aufwiegt, eine interessante Variante, welche deshalb in die Patentanmeldung für die mobile Windkraftanlage eingeschlossen wird:
Mobile Mini-Windkraftanlage,
eine Ausrüstung für Pkw’s und Kombi’s
Mobile Windkraftanlage mit kleinem Durchmesser des Flügel-Windrads in der Generatorversion 1.a.) mit 1.b.1.) mit folgenden Merkmalen:

  • a.) Flügelwindrad mit Ummantelung (= Strömungsmaschine des Typs Turbine, Mantelrepeller), mit kleinerem Durchmesser von 50 bis 60 cm, mit mehreren Flügelwindrädern hintereinander,
  • b.) ein in die Welle integrierter Elektrogenerator mit Übersetzungsgetriebe,
  • c.) installiert auf leicht abnehmbarem Dachträgergestell in Leichtbauweise mit kleinstmöglichem cW-Wert
For passenger cars and station wagons, a smaller dimension of the wing windmill is more aesthetically pleasing and practical, thus outweighing the disadvantage of lower energy recovery, an interesting variant which is therefore included in the mobile wind turbine patent application:
Mobile mini wind turbine,
Equipment for cars and station wagons
Small wind turbine wind turbine with small diameter in the generator version 1.a.) with 1.b.1.) With the following features:
  • a.) Wing windmill with sheathing (= turbomachine type Turbine, Mantelrepeller), with a smaller diameter of 50 to 60 cm, with several Flügelwindrädern in a row,
  • b.) an electric generator with transmission gearbox integrated in the shaft,
  • c.) installed on easily removable roof rack in lightweight construction with the lowest possible c W value

Bei einem Durchmesser im Bereich von 0,60 m bis 0,50 m ist im Zustand von hoher Geschwindigkeit auf Schnellstraßen die reduzierte Energierückgewinnung für den Nutzungszweck Stromversorgung der viel Stromenergie verbrauchenden Einrichtungen des Fahrzeugs, (wie Klimaanlage, Beleuchtung u. a., auch Batteriespeisung) eine nicht uninteressante Konstellation. Blatt 1 (Seitenzahl – 11 –) Mit Zeichnung (1) Verhältnis von Auftriebskraft F. zu Luftwiderstandskraft F. und Zeichnung (2) Strömungskräfte am Flügel-Windrad mit 2 Flügeln senkrecht zur Fahrtrichtung Flügelresultierende F., entgegen der Bewegungsrichtung Flügelresultierende F. Blatt 2 (Seitenzahl – 12 – ) Mit Zeichnung (3) Fahrdiagramm bei Vollast, in das die Auswirkungen der mobilen Windkraftanlage bei Steigung 0% – in rot – angenähert eingezeichnet sind und Zeichnung (4) eine Grafik zur Illustration des Anteils des Luftwiderstands am Kraftstoffverbrauch/100 km With a diameter in the range of 0.60 m to 0.50 m in the state of high speed on highways, the reduced energy recovery for the purpose of power supply of the vehicle's high-energy consuming devices (such as air conditioning, lighting, etc., including battery power) is not one uninteresting constellation. Sheet 1 (page number - 11 -) With drawing (1) Ratio of buoyancy force F. to air resistance force F. and drawing (2) Flow forces on the wing wind turbine with 2 wings perpendicular to the direction of flight Wing-resultant F., opposite to the direction of flight Wing-resultant F. Sheet 2 (page number - 12 -) With drawing (3) Travel diagram at full load, in which the effects of the mobile wind turbine on slope 0% - in red - are approximated and drawing (4) a graph illustrating the percentage of air resistance in fuel consumption / 100 km

Claims (3)

Patentanspruch 1. Mobile Windkraftanlage, eine Ausrüstung zur Energiegewinnung aus dem Fahrtwind für schnellfahrende Fahrzeuge des Straßen- und Schienenverkehrs mit dem Effekt einer Energierückgewinnung für das Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass 1. eine Windkraftanlage mit den Elementen 1.a.) Flügel-Windrad (energieerzeugendes Element) und 1.b.) Energie-Übertragungs-/Umwandlungselement (nachgeschaltet) in Gestalt von 1.b.1.) Generatorversion (mit den Merkmalen Elektro-Generator mit Übersetzungsgetriebe, Zuleitung der in Strom umgewandelten Drehmomentleistung an Fahrzeugantriebsmotor) oder 1.b.2.) Propellerversion (mit den Merkmalen Propeller mit Übersetzungsgetriebe, Drehmomentleistung aufnehmend und in eine in Fahrtrichtung vorwärtstreibende Propellerschubkraft umwandelnd) zusammengefügt ist mit einem (motorgetriebenen) Fahrzeug. und dadurch eine Energierückgewinnung zugunsten des Fahrzeugantriebs bewirkt wird.Claim 1. Mobile wind power plant, a device for generating energy from the wind for fast-moving vehicles of the road and rail transport with the effect of energy recovery for the vehicle, characterized in that 1. a wind turbine with the elements 1.a.) Wing wind turbine ( energy generating element) and 1.b.) Energy transfer / conversion element (downstream) in the form of 1.b.1.) Alternator version (with the features electric generator with gearbox, supply of the converted torque power to the vehicle drive motor) or 1 .b.2.) Propeller version (with the characteristics propeller with gearbox, absorbing torque capacity and converting it to a forward propeller thrust in forward direction) is assembled with a (motor driven) vehicle. and thereby energy recovery in favor of the vehicle drive is effected. Patentanspruch 2. für Element 1.a.) Flügel-Windrad nach Patentanspruch 1. 1. Flügel-Windrad, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.1 für die Erzeugung der höchstmöglichen Drehmomentleistung durch 1.1.1 größtmöglich dimensionierten Flügel-Windraddurchmesser innerhalb der durch Fahrzeugbreite und Lichtraumprofil-Höhe gesetzten Grenzen, 1.1.2. Gestaltung der Windradflügelblätter profilmäßig wie die eines Tragflügels mit Hochauftrieb, ihre Ausrichtung gegenüber der Fahrzeuglängsachse mit optimalem Anstellwinkel und mit nach außen zunehmender Verwindung, 1.2 Freiheit bezüglich Anordnungsplatz, unter Berücksichtigung der Gestalt des Fahrzeugs luvseitig vor der Vorderfront, leeseitig hinter der Hinterfront, oder über dem Fahrzeugdach (dabei umklappbar für geringe Durchfahrtshöhen) 1.3 Option für Aufstellung von mehreren Flügelwindrädern, Flügelblattzahl drei bis fünf, 1.4 Befestigungsvorrichtung aerodynamisch optimal gestaltet für geringstmöglichen Luftwiderstand, 1.5 Energieerzeugung als Drehmomentleistung bei einer bestimmten Geschwindigkeit der Luftströmung (= Fahrtwind) ist groß gegenüber der dabei auftretenden Luftwiderstandsleistung, gekennzeichnet dadurch, dass kraft des mit dem Flügel-Windrad 1.a.) verbundenen Energie-Übertragungs-/Umwandlungselementes 1.b.) die gewonnene Energie – abzüglich Wirkungsgradverluste und Luftwiderstandsleistung der mobilen Windkraftanlage – als Energieüberschuß – dem Energiebedarf des Fahrzeugantriebs bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit zugeführt wird. 2.) Patentanspruch für Energie-Übertragungs-/Umwandlungselemente 1.b.) nach Patentanspruch 1.: Kein Patentanspruch1. Wind turbine rotor, characterized by the following features: 1.1 for the generation of the highest possible torque output by 1.1.1 largest possible wing wind turbine diameter within the vehicle width and clearance profile -High set limits, 1.1.2. Design of the wind turbine blades as the profile of a wing with high lift, their alignment with the vehicle longitudinal axis with optimal angle and with increasing outward twisting, 1.2 Freedom regarding arrangement place, taking into account the shape of the vehicle luvseitig front of the front, leeward behind the rear, or above Vehicle roof (folds down for low clearance heights) 1.3 Option for installation of several Flügelwindrädern, Flügelblattzahl three to five, 1.4 mounting device aerodynamically optimized for the lowest possible air resistance, 1.5 power generation as torque output at a certain speed of the air flow (= wind) is large compared to the occurring Air resistance, characterized by that by virtue of the energy transmission / conversion element 1.b.) connected to the vane wind turbine 1.a.), the energy obtained minus the efficiency losses and air resistance of the mobile wind turbine is supplied as energy surplus to the energy requirement of the vehicle drive at a certain driving speed , 2.) claim for power transmission / conversion elements 1.b.) according to claim 1 .: No claim Patentanspruch 3. Für mobile Windkraftanlage in der Generatorversion 1.a.) mit 1.b.1.) nach Patentanspruch 1., Element 1.a.) – Flügel-Windrad – nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet mit folgenden Merkmalen: a.) Flügelwindrad mit Ummantelung mit kleinerem Durchmesser (50 bis 60 cm) mit mehreren Flügel-Windrädern hintereinander auf einer Welle (= Turbine, Mantel-Repeller) b.) in Welle integrierter Elektro-Generator mit Übersetzungsgetriebe, c.) installiert auf leicht abnehmbarem Dachträgergestell mit kleinstmöglichem cW-Wert.Claim 1. For mobile wind turbine in the generator version 1.a.) with 1.b.1.) According to claim 1. Element 1.a.) - wing wind turbine - according to claim 2, characterized with the following features: a.) Wing windmill with sheathing with smaller diameter (50 to 60 cm) with several wing wind wheels in a row on a shaft (= turbine, jacket repeller) b.) In shaft integrated electric generator with gearbox, c.) Installed on easily removable roof rack with lowest possible c W value.
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