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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wandlung von Windströmungsenergie in elektrische Energie.
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Die
WO 2007/112993 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Wandlung von Windströmungsenergie in elektrische Energie. Dabei weist eine Windkrafteinrichtung ein flugfähiges Windangriffselement auf. Es handelt sich dabei um ein drachenähnliches Gebilde. Das Windangriffselement ist über ein Seil mit einer Seilwinde verbunden, welche mit einem Elektromotor gekoppelt ist. Der Elektromotor kann auch als Generator verwendet werden. Zur Erzeugung elektrischer Energie wird das Windangriffselement zunächst in eine Stellung gebracht, in welcher es dem Wind einen hohen Widerstand entgegensetzt. Infolgedessen wird das Seil von der Seilwinde abgewickelt und durch die Rotation der Seilwinde der Generator angetrieben. Sobald das Seil über eine vorgegebene Entfernung aufgefiert worden ist, wird das Windangriffselement in eine Stellung gebracht, in der es dem Wind einen geringen Widerstand entgegensetzt. In dieser Stellung wird die Seilwinde nunmehr mit dem Elektromotor zum Einholen des Windeingriffselements über die vorgegebene Entfernung in Betrieb gesetzt. Anschließend wird das Windangriffselement wieder in eine Stellung gebracht, in der es dem Wind einen hohen Widerstand entgegensetzt. Die Seilwinde wird so geschaltet, dass sie nunmehr durch das sich abwickelnde Seil rotiert und damit den Generator antreiben kann.
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Die
US 7,275,719 B2 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung. Dabei sind an einer rotierbaren Scheibe vier Windangriffselemente angebracht. Bei einer Änderung der Windrichtung folgen Angriffspunkte der Windangriffselemente durch eine Rotation der Scheibe der geänderten Windrichtung. Damit wird eine unerwünschte Kollision der Windangriffselemente oder der sie haltenden Seile in der Luft vermieden.
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Zum Betrieb mehrerer der bekannten Vorrichtungen ist ein relativ großer Luftraum erforderlich. D. h. eine weitere Vorrichtung kann nur einer relativ großen Entfernung vorgesehen werden. Anderenfalls kann es zu einer Kollision der Windangriffselemente oder der sie haltenden Seile kommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen bei einem gegebenen Luftraum Windströmungsenergie mit verbesserter Effizienz in elektrische Energie umgewandelt werden können.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Wandlung von Windströmungsenergie in elektrische Energie vorgeschlagen,
mit zumindest zwei mit einem Abstand voneinander angeordneten Windkrafteinrichtungen,
wobei eine erste Windkrafteinrichtung ein flugfähiges erstes Windangriffselement aufweist, welches über ein erstes Seil mit einer ersten Seilwinde verbunden ist,
wobei eine zweite Windkrafteinrichtung ein flugfähiges zweites Windangriffselement aufweist, •welches über ein zweites Seil mit einer zweiten Seilwinde verbunden ist,
wobei die erste Seilwinde mit einem ersten Elektromotor und die zweite Seilwinde mit einem zweiten Elektromotor zumindest zeitweise gekoppelt sind,
wobei die erste und die zweite Seilwinde zur Erzeugung elektrischer Energie zumindest zeitweise mit zumindest einem Generator gekoppelt sind, und
wobei eine mit den Elektromotoren verbundene Steuerung zum Steuern einer Länge des ersten und des zweiten Seils in Abhängigkeit der Windrichtung vorgesehen ist, derart, dass das Seil des jeweils in Luv befindlichen Windangriffselements weiter gefiert wird als das Seil des in Lee befindlichen Windangriffselements.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter einem ”Windangriffselement” beispielsweise ein lenkbarer Drachen, ein Schirm, ein tragflügelartiges Element, ein Flugzeug oder dgl. verstanden, welches von einer dem Wind einen großen Windstand entgegensetzenden Stellung in eine den Wind einen geringen Widerstand entgegensetzenden Stellung gestellt werden kann. Das Windangriffselement ist vorteilhafterweise aerodynamisch ausgestaltet, so dass es in einer Windströmung einen Auftrieb entwickelt. Eines der beiden Windangriffselemente steht dann in ”Luv”, wenn die Windrichtung mit einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Windkrafteinrichtungen einen Winkel bildet, welcher verschieden von 90 Grad ist. In einem solchen Fall wird erfindungsgemäß das Seil des in Luv befindlichen Windangriffselements weiter gefiert als das Seil des in Lee befindlichen Windangriffselements. D. h. das in Luv befindliche Windangriffselement befindet sich in diesem Fall in einer größeren Entfernung von seiner Seilwinde als das in Lee befindliche Windangriffselement. Der Betrag, um welchen das Seil des in Luv befindlichen Windangriffselements weiter gefiert wird als das Seil, des in Lee befindlichen Angriffselements hängt von der Windrichtung, der gewählten Flughöhe, dem Abstand der beiden Windkrafteinrichtungen und dgl. ab. Eine Differenz der Seillängen der Windangriffselemente wird jeweils so eingestellt, dass eine Kollision der Windangriffselemente in der Luft vermieden wird.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei oder mehr Windkrafteinrichtungen im Gegensatz zum Stand der Technik mit einem relativ geringen Abstand voneinander angeordnet werden können. Es kann also innerhalb eines vorgegebenen Areals oder Luftraums mit verbesserter Effizienz Windströmungsenergie ausgenutzt werden. Zur Steuerung kann beispielsweise ein Computer verwendet werden, welcher heutzutage relativ preisgünstig verfügbar ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedes Windangriffselement über Lenkseile mit einer an einem der Seilwinde abgewandten Ende jedes Seils angebrachten Lenkvorrichtung verbunden. Mit der Lenkvorrichtung kann das Windangriffselement von der dem Wind einen hohen Widerstand entgegensetzenden Stellung in die dem Wind einen niedrigen Widerstand entgegensetzenden Stellung verstellt werden. Darüber hinaus ist es damit möglich, das Windangriffselement zu steuern, insbesondere in einer vorgegebenen Stellung zu halten oder auf einer vorgegebenen Flugbahn zu führen.
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Die Lenkvorrichtung und/oder das Windangriffselement können Sensoren zur Erfassung einer Flugbewegung des Windangriffselements umfassen. Dabei kann es sich um Sensoren zur Erfassung einer Flughöhe, Windgeschwindigkeit, Beschleunigung, Beschleunigungsrichtung, Position oder dgl. handeln. Die mit den Sensoren erfasste Flugbewegung kann ständig mit einer in der Steuerung programmierten Flugbewegung verglichen werden. Bei Abweichungen kann mittels der Lenkvorrichtung das Windangriffselement so gelenkt werden, dass es wieder in eine vorgegebene Flugposition gestellt oder eine vorgegebene Flugbewegung ausführt wird.
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Zu diesem Zweck kann die Lenkvorrichtung über eine, vorzugsweise drahtlose, bidirektionale Datenverbindung mit der Steuerung verbunden sein. D. h. die Lenkvorrichtung erhält ihre Steuerbefehle zweckmäßigerweise von der Steuerung. Die von der Steuerung übermittelten Steuerbefehle können damit für sämtliche Windangriffselemente so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Kollision derselben vermieden wird. Das kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Windangriffselement mittels der Steuerung und/oder der Lenkvorrichtung zweckmäßigerweise automatisch in einem vorgegebenen Flugkanal gehalten wird. Die Form des Flugkanals, insbesondere dessen Durchmesser, kann in Abhängigkeit der Windrichtung nach vorgegebenen Kriterien geändert und/oder optimiert werden. Dabei sind ein erster Flugkanal des ersten Windangriffselements und ein zweiter Flugkanal des zweiten Windangriffselements vorteilhafterweise so gewählt, dass eine Berührung der im Flug befindlichen Windangriffselemente miteinander oder mit einem Seil vermieden wird. D. h. eine Überschneidung oder Berührung der vorgegebenen Flugkanäle wird vermieden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerung ferner so ausgeführt, dass die Windangriffselemente bei Erreichen einer vorgegebenen ersten Entfernung zu der damit verbundenen Seilwinde mittels der Seilwinde in einer Einhol-Betriebsweise bis zu einer vorgegebenen zweiten Entfernung eingeholt und nachfolgend die jeweilige Seilwinde durch den am jeweiligen Windangriffselement angreifenden Wind zur Erzeugung elektrischer Energie durch Abwickeln des Seils in eine Energieerzeugungs-Betriebsweise angetrieben wird. Bei der ”ersten Entfernung” handelt es sich etwa um eine durch die Länge des Seils gegebene maximale Entfernung. Sie kann beispielsweise 1000 bis 2000 m betragen. Bei der ”zweiten Entfernung” handelt es sich um eine zum Zwecke der Erzeugung von elektrischer Energie vorgegebene minimale Entfernung. Sie kann beispielsweise 100 bis 1200 m betragen. Zweckmäßigerweise befindet sich ein Arbeitsbereich zur Erzeugung elektrischer Energie in einer Höhe von 800 bis 1600 m. Das ermöglicht die Nutzung von in dieser Höhe herrschenden konstanten und verwirbelungsfreien Windströmungen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerung so ausgeführt, dass das Windangriffselement mittels der Lenkvorrichtung in der Einhol-Betriebsweise in eine dem Wind einen ersten Widerstand entgegensetzende Stellung und in der Energieerzeugungs-Betriebsweise in eine dem Wind einen zweiten Widerstand entgegensetzende Stellung gestellt wird, wobei der zweite Widerstand größer als der erste Widerstand ist. Aus der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand ergibt sich bei gegebener Windgeschwindigkeit die mit der Vorrichtung gewinnbare Energie. Es ist also vorteilhaft, das Windangriffselement so auszugestalten, dass eine möglichst große Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstand erreicht wird.
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Vorteilhafterweise ist jedes Seil durch eine um eine im Wesentlichen vertikale Achse rotierbare Seilzuführeinrichtung zur Seilwinde geführt. Die Seilzuführeinrichtung wird zweckmäßigerweise durch das darin geführte Seil in Windrichtung ausgerichtet. Damit wird ein komplikationsfreies Auf- und Abwickeln des Seils auf bzw. von der Seilwinde gewährleistet.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Elektromotor so ausgestaltet, dass er wahlweise als erster Generator betreibbar ist. Ferner kann der zweite Elektromotor so ausgestaltet sein, dass er wahlweise als zweiter Generator betreibbar ist. In dieser Ausgestaltung kann also auf das Vorsehen eines separaten Generators verzichtet werden. Bei Verwendung der vorteilhafterweise vorgeschlagenen Elektromotor/Generator-Kombination kann insbesondere auch auf eine wahlweise trennbare Kupplungsverbindung mit der jeweiligen Seilwinde verzichtet werden.
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Die verfahrensseitige Lösung der Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 11. Zur Erläuterung der Merkmale wird auf die voranstehenden Ausführungen zur Vorrichtung verwiesen, die in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren gelten.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine Bodenstation einer Windkrafteinrichtung,
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2 eine schematische Schnittansicht durch eine Bodenstation einer Windkrafteinrichtung,
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3 eine schematische Ansicht einer weiteren Windkrafteinrichtung,
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4a–4d unterschiedliche Stellungen des Windangriffselements gemäß 3,
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5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung,
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6 eine schematische Ansicht der Funktionsweise einer weiteren Vorrichtung und
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7 eine schematische Ansicht eines Flugkanals.
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Die 1 und 2 zeigen eine Bodenstation einer Windkrafteinrichtung. Um eine fest auf einem Untergrund U montierte Seilwinde 1 ist ein Seil 2 gewickelt, welches über eine um eine vertikale Achse rotierbare Führungsrolle 3 aus der Bodenstation herausgeführt ist. Mit der Seilwinde 1 ist eine Generator/Elektromotor-Kombination 4 gekoppelt. Es handelt sich dabei um einen Elektromotor, der auch als Generator betrieben werden kann. Das Seil 2 kann mit seinem ersten Ende E1 in eine (hier nicht gezeigte) Seilgrube geführt sein. Damit kann in vorteilhafter Weise die Größe der Seilwinde 1 klein gehalten werden.
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3 zeigt eine Windkrafteinrichtung, bei der das erste Ende E1 des Seils 2 in einer Seilgrube 5 aufgenommen ist. Die Seilzuführeinrichtung umfasst hier zusätzlich einen Führungstrichter 6, welcher ein komplikationsfreies Auf- und Abwickeln des Seils 2 auf die bzw. von der Seilwinde 1 unterstützt. An einem zweiten Ende E2 des Seils 2 ist eine Lenkvorrichtung 7 angebracht. Ein Lenkdrachen 8 ist über Lenkseile 9 mit der Lenkeinrichtung 7 verbunden. Eine Länge der Lenkseile 9 kann mit der Lenkeinrichtung 7 verändert werden. Infolge einer Veränderung der Länge der Lenkseile 9 kann der Lenkdrachen 8 gesteuert werden.
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Die 4a bis 4d zeigen unterschiedliche Stellungen des Lenkdrachens 8. Die Lenkseile 9 umfassen untere Lenkseile 9a und obere Lenkseile 9b. 4a zeigt eine erste Stellung des Lenkdrachens 8, in welcher dieser einem mit dem Pfeil W kenntlich gemachten Wind einen maximalen Widerstand entgegensetzt. In der ersten Stellung befindet sich der Lenkdrachen 8 in einer Energieerzeugungs-Betriebsweise, in der auf das Seil 2 eine maximale Zugkraft ausgeübt wird.
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Zum Umstellen von der Energieerzeugungs-Betriebsweise in eine Einhol-Betriebsweise werden die unteren Lenkseile 9a bei festgehaltenen oberen Lenkseilen 9b gefiert. Der Lenkdrachen 8 begibt sich durch die Wirkung des Winds W selbsttätig in eine zweite Stellung, in der er dem Wind W einen minimalen Widerstand entgegensetzt. Anschließend kann in der Einhol-Betriebsweise das Seil 2 eingeholt und damit der Lenkdrachen 8 in Richtung der Bodenstation zurückgezogen werden. Dazu wird die Seilwinde 1 durch den Elektromotor der Generator/Elektromotor-Kombination 4 angetrieben. Dabei können gleichzeitig die unteren 9a und die oberen Lenkseile 9b eingeholt werden und zwar derart, dass die zweite Stellung erhalten bleibt. Sobald der Lenkdrachen 8 bis zu einer vorgegebenen Entfernung von der Bodenstation zurückgezogen worden ist, kann nun wieder die Energieerzeugungs-Betriebsweise aktiviert werden. Zu diesem Zweck können nun bei festgehaltenen ersten Lenkseilen 9a die zweiten Lenkseile 9b gefiert werden, bis der Lenkdrachen 8 dem Wind W wieder einen maximalen Widerstand entgegensetzt. Eine Betriebsweise der Seilwinde 1 sowie der Generator/Elektromotor-Kombination 4 werden dann so geändert, dass die Seilwinde 1 durch das sich abwickelnde Seil 2 angetrieben wird. Der Elektromotor wird dabei als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Seilwinde 1 angetrieben.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst vier Windkrafteinrichtungen, welche hier allgemein mit dem Bezugszeichen A, B, C und D bezeichnet sind. Jede der Windkrafteinrichtungen weist jeweils eine Generator/Elektromotor-Kombination 4a, 4b, 4b, 4d auf, welcher jeweils mit einer Seilwinde 1a, 1b, 1c, 1d gekoppelt ist. Die jeweiligen Lenkdrachen sind mit den Bezugszeichen 8a, 8b, 8c und 8d bezeichnet. Die Generator/Elektromotor-Kombinationen 4a, 4b, 4c, 4d sind über einer Steuerschaltung 10 miteinander verbunden. In der Energieerzeugungs-Betriebsweise wird von der jeweiligen Generator/Elektromotor-Kombination 4a, 4b, 4c, 4d gelieferte elektrische Energie mittels einer Leistungshalbleiterstufe gewandelt und in ein öffentliches Stromnetz 11 eingespeist. In einer Einhol-Betriebsweise wird die jeweilige Generator/Elektromotor-Kombination 4a, 4b, 4c, 4d mit elektrischer Energie zum Antreiben der jeweiligen Seilwinde 1a, 1b, 1c, 1d versorgt. Mit dem Bezugszeichen 12 ist eine zentrale Steuerung bezeichnet. Die zentrale Steuerung 12 steuert über die Steuerschaltung 10 die Änderung der jeweiligen Betriebsweise der Windkrafteinrichtungen A, B, C, D. Zu diesem Zweck steuert die zentrale Steuerung 12, vorzugsweise über eine drahtlose bidirektionale Datenverbindung, auch die Lenkvorrichtungen 7a, 7b, 7c und 7d.
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6 zeigt eine weitere Funktionsweise der zentralen Steuereinrichtung 12, mit der insbesondere bei einer Anordnung der Windkrafteinrichtungen A, B, C und D mit einem geringen Abstand bei einer Änderung der Windrichtung eine Kollision der Lenkdrachen 8a, 8b, 8c, 8d vermieden werden kann. In 6 sind der Übersichtlichkeit halber lediglich drei Windkrafteinrichtungen A, B, C gezeigt. Bei der in der Mitte der 6 gezeigten Vorrichtung steht eine die Bodenstation verbindende gedachte Linie etwa senkrecht zur Richtung des Winds W. In diesem Fall befindet sich keiner der Lenkdrachen 8a, 8b, 8c gegenüber den benachbarten Lenkdrachen 8a, 8b, 8c in Luv oder Lee. Eine z. B. durch die Länge der Seile 2a, 2b, 2c gegebene maximale Entfernung der Lenkvorrichtungen 7a, 7b und 7c gegenüber den jeweiligen Bodenstationen und eine minimale Entfernung der Lenkvorrichtungen 7a, 7b, 7c gegenüber den Bodenstationen definieren einen Arbeitsbereich. Im gezeigten Fall kann die maximale und die minimale Entfernung jeder Windkrafteinrichtung A, B, C gleich sein. Sofern der Wind W seine Richtung bezüglich den Windkrafteinrichtungen A, B, C, ändert, befindet sich, wie in der linken und rechten Abbildung der 6 gezeigt ist, jeweils der mit dem Bezugszeichen 8a gezeigte Lenkdrachen bezüglich den anderen Lenkdrachen 8b, 8c in Luv. In diesem Fall wird das Seil 2a, 2b des jeweils in Luv befindlichen Lenkdrachens 8a, 8b weiter gefiert als das Seil 2a, 2b des jeweils in Lee befindlichen Lenkdrachens 8b, 8c. Insbesondere wird ein Arbeitsbereich des jeweils in Luv befindlichen Lenkdrachens 8a, 8b jeweils so gewählt, dass eine Kollision mit den jeweils in Lee befindlichen Lenkdrachen 8b, 8c vermieden wird.
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7 zeigt schematisch eine mögliche Bewegungsbahn 13 bezüglich einer Richtung R eines Seils 2. Die Bewegungsbahn 13 ist hier in Form einer liegenden ”Acht” ausgebildet. Ein durch die Bewegungsbahn 13 definierter Durchmesser definiert gleichzeitig einen Durchmesser eines Flugkanals 14, in dem ein (hier nicht gezeigter) Lenkdrachen 8 unter gleichzeitiger Bewegung entlang der Bewegungsbahn 13 während der Energieerzeugungs-Betriebsweise geführt wird. Die Einhaltung des Flugkanals 14 kann durch eine geeignete Steuerung des Lenkdrachens 8 mittels der Lenkvorrichtung 7 erreicht werden. Der Flugkanal 14 ist insbesondere so gewählt, dass eine Kollision mit einem benachbarten Lenkdrachen 8 oder einem Seil 2 vermieden wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a, 1b, 1c, 1d
- Seilwinde
- 2, 2a, 2b, 2c, 2d
- Seil
- 3
- Führungsrolle
- 4, 4a, 4b, 4c, 4d
- Generator/Elektromotor-Kombination
- 5
- Seilgrube
- 6
- Führungstrichter
- 7, 7a, 7b, 7c, 7d
- Lenkvorrichtung
- 8, 8a, 8b, 8c, 8d
- Lenkdrachen
- 9
- Lenkseil
- 9a
- unteres Lenkseil
- 9b
- oberes Lenkseil
- 10
- Steuerschaltung
- 11
- Stromnetz
- 12
- zentrale Steuerung
- 13
- Flugbahn
- 14
- Flugkanal
- A, B, C, D
- Windkrafteinrichtung
- E1
- erstes Ende
- E2
- zweites Ende
- R
- Richtung des Seils
- U
- Untergrund
- W
- Wind
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/112993 A1 [0002]
- US 7275719 B2 [0003]
