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Stand der Technik und Aufgabenstellung
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Stand der Technik ist einerseits die großmaßstäbliche Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung mit Rotordurchmessern von meist über 50 Meter, andererseits die kleinmaßstäbliche, aktive Luftbewegung mittels Ventilatoren mit Rotorgrößen im Bereich bis weniger Meter, die entweder über die unmittelbare Luftbewegung und die dadurch vermehrte Wärmeabgabe an der menschlichen Körperoberfläche kühlend wirken, oder aber unterschiedlich warme Luft in einem Raum umwälzen bzw. warme Luft aus einem Raum abführen. Auch die Thermik warmer Gebäude wird zum Luftaustausch genutzt.
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Zur gezielten Wetterbeeinflussung erfolgt u. a. die „Impfung” von Wolken mit Silberionen. Weitere Möglichkeiten der Wetterbeeinflussung beschreibt u. a. das Kapitel 4 der Studie „Weather as a Force Multiplier: Owning the Weather in 2025” der Air Force der USA (http://www.fas.org/spp/military/docops/usaf/2025/v3c15/v3c15-4.htm#v3c15--4).
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Mit den erfindungsgemäßen Verfahren soll nun Möglichkeit genutzt werden, Windturbinen bei bestimmten Wetterverhältnissen gezielt zur Beeinflussung der meteorologischen Verhältnisse bzw. des Wettergeschehens einzusetzen.
- • Dies kann sich auf das unmittelbare Umfeld einer Anlage beziehen, wo die Umwälzung der Luft durch die Windturbine zur Auflösung von Bodennebel beiträgt oder durch eine gezielte Steuerung nachteilige Einflüsse auf benachbarte Windturbinen beschränkt werden sollen,
- • kann durch Zusammenwirken mehrer Windturbinen einen Effekt in der regionalen Ebene bewirken, um insbesondere einen vermehrten Luftaustausch auf der Ebene ganzer Städte oder wenigstens Ortsteile herbeizuführen oder Wolkendecken aufzulösen, oder
- • kann auch auf einen großräumigen Einfluss auf das Wettergeschehen hinwirken.
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Die erwünschte Wirkung kann durch einen aktiven Antrieb der Luft mittels Windturbinen unter Energieeinsatz verfolgt werden, und dient dann im weiteren Sinne der Erzeugung oder Verstärkung eines Luftaustausches im Freien und unabhängig von einzelnen Nutzern. In anderen Fällen kann eine Veränderung der von den Windturbinen auf die Luft ausgeübten Kraft während des Betriebs mit Stromerzeugung verfolgt werden, wobei in diesen Fällen in der Regel ebenfalls ein „Energieverlust” bei der so gesteuerten Turbinen auftritt, da sie außerhalb des für die einzelne Windturbine ermittelten betrieblichen Optimums betrieben werden.
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Übliche Bauweise von Windturbinen
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Windturbinen werden heute grundsätzlich als Serienanlagen mit dem Ziel der Stromerzeugung produziert. Fast alle größere Windturbinen weisen Steuerungen auf (auch in der Bauweise von. Regelungen, welche mit dem hier verwendete Begriff der Steuerung generell miterfasst werden sollen), welche die Anstellwinkel der Rotorblätter verstellen können. Zusätzlich ist meist die Drehzahl variabel.
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Die Steuerungen basieren in erster Linie darauf, die Energiegewinnung einer für sich allein betrachteten Windenergieanlage bei Windstärken unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit zu maximieren. Insbesondere wird hierzu ein unterschiedlicher Blattanstellwinkel (Pitch-Winkel) je nach Verhältnis von Rotordrehzahl und Windgeschwindigkeit eingestellt. Bei starker Windgeschwindigkeit wird dann der Blattanstellwinkel so eingestellt, dass die Nennleistung der Anlage nicht überschritten wird, die u. a. von Getriebe und Generator begrenzt wird.
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In Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und Blattanstellwinkel ergibt sich dann auch die Schubkennlinie (Thrust-Kurve). In üblichen Datenblättern wird die Schubkennlinie allerdings nur in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit dargestellt, da ja der Blattanstellwinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit eingestellt wird. Auf Grundlage der Schubkennlinie werden die Kräfte auf die Anlage, aber auch die Abschattungsverluste in nachfolgenden Anlagenreihen ermittelt.
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Bei manchen Anlagen nutzt die Steuerung die aerodynamisch bzw. gemäß Nennleistung des Triebstrangs nutzbare Leistung nicht voll aus. Dies dient insbesondere dazu, auf die Anlage wirkende Windkräfte und Materialermüdung bei nahezu Nennwindgeschwindigkeit zu reduzieren oder in Nähe der Abschaltwindgeschwindigkeit wenigstens noch eine reduzierte Leistung zu gewinnen.
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Opti-Wake: Optimierung je nach Windrichtung und Wirkung auf nachfolgende Anlagen
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In einer ersten Ausprägung der Erfindung soll die Steuerung einer Windturbine durch entsprechende Anstellwinkel der Rotorblätter auf einen Teil der potentiell möglichen Leistung der Anlage verzichten, um damit die Abbremsung des Windes durch die Anlage zu vermindern, so dass bei windabseitig (d. h. im Lee) gelegenen anderen Anlagen eine höhere Windgeschwindigkeit erhalten bleibt als ohne diesen Verzicht. Dazu werden die Blätter vorzugsweise im Vergleich zur Grundeinstellung ein wenig in Richtung Fahnenstellung gedreht. Damit soll insgesamt, in der Summe aller Anlagen eines Windparks bzw. der Anlagen eines Eigentümers, ein höherer Ertrag erzielt werden als wenn die „erste” Anlage für sich alleine optimiert würde, damit aber die Verhältnisse bei den übrigen Anlagen stärker beeinträchtigte.
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Die technischen Voraussetzungen für eine solche Betriebsweise sind im wesentlichen dieselben, wie sie für die Leistungsbegrenzung auf Nennleistung bei höheren Windgeschwindigkeiten ohnehin zum Einsatz kommen.
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Wollte man die Steuerung bestehender Windparks verbessern, ohne eine windrichtungsabhängige Steuerung einzuführen, könnte man die Einstellung von Anlagen auf der Seite der Hauptwindrichtung bzw. in der Mitte des Windparks so verändern, dass sie in entsprechender Weise mit ein wenig in Richtung Fahnenstellung geändertem Rotoranstellwinkel betrieben werden und so den Wind zu Gunsten der nachfolgenden Anlagen weniger abbremsen. Anlagen am anderen Rand des Windparks, also z. B. bei vorherrschendem Westwind die Anlagen auf der Ostseite, würden dagegen keine derartige Steuerung erhalten.
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In bevorzugter Ausführung wird die Steuerung allerdings von der aktuellen Windrichtung abhängig gemacht. Im vorstehendem Beispiel würde also die Steuerung der Anlagen an der Ostseite des Windparks nur bei Ostwind im Interesse einer Reduzierung der Abbremsung des Windes (schwächerer Wake-Effekt) verändert werden. Nach einem weiter ausgefeilten Programm würde die Steuerung dies in Abhängigkeit vom Abstand der jeweils nachfolgenden Anlagen und dem Winkel zwischen der Richtung dieser Anlagen und der Windrichtung berücksichtigen.
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In weiter ausgefeilten Steuerungen von drehzahlregulierten Anlagen wird nicht nur der Blattanstellwinkel geändert, sondern auch die Rotordrehzahl. Bei schwankenden Windstärken kann mittels der Drehzahlvariabilität eine bestimmte Energie aus dem Wind aufgenommen werden und zunächst in Form von Bewegungsenergie des Rotors zwischengespeichert werden, bevor sie mit Abbremsung des Rotors in elektrische Energie umgewandelt wird. Auch dieser Effekt und die gewählte Drehzahl kann je nach Windrichtung und relativer Stellung der Anlage im Windpark optimiert werden. Eine derartige Steuerung kann auch der Reduzierung der Turbulenzen in den nachfolgenden Reihen und der auf die anderen Anlagen wirkenden Kräfte bzw. Ermüdungslasten dienen.
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Möglich wäre auch die Verwendung unterschiedlich geformter Rotorblätter für in Hauptwindrichtung vorne oder hinten stehende Anlagen eines Windparks, die mehr oder weniger stark auf eine Reduzierung des Abschattungseffektes hin ausgelegt sind, in Ergänzung zu einer optimierten Steuerung.
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Problematik Stadtklima
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In Städten und Stadtregionen weicht das Klima infolge der stärkeren Bebauung und Versiegelung häufig von der Umgebung ab. So lange noch fossile Brennstoffe bzw. Kraftstoffe genutzt werden, kommt es dort häufig zu verstärkter Luftverschmutzung, besonders bei geringen Windstärken. Die dicht bebauten und besiedelten Gebiete zeichnen sich oft durch eine deutliche Überhitzung gegenüber der Umgebung oder auch gegenüber weniger dicht bebauten Teilen der Städte aus. Dies gilt nicht zuletzt nachts, weil die Speichermassen der Gebäude zu einer Pufferwirkung führen, welche die Wärme des Tages vermehrt in die Nacht hinein fortsetzt. Demgegenüber weisen z. B. offene Flächen wie Stadtparks niedrigere nächtliche Temperaturen auf. Durch die natürliche Thermik gelangt kühlere Luft aus diesen Bereichen auch in die überhitzten Stadtbereiche. Es kann jedoch länger dauern, bis diese natürliche Thermik in Gang kommt, und sie kann auch durch Hindernisse eingeschränkt werden. In größeren Höhen oberhalb dieser Städte liegen in der Regel niedrigere Lufttemperaturen vor, so dass ein verstärkter vertikaler Luftaustausch grundsätzlich zu einer Abkühlung führen kann.
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Erfindungsgemäße Stadtlüftung
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In der Nähe einiger Städte befinden sich größere Windparks, die bei genügendem Wind zur Stromerzeugung genutzt werden, bei Schwachwind heute jedoch stillstehen. Insbesondere soweit diese Anlagen mit einem Umrichter betrieben werden und somit einen drehzahlvariablen Betrieb ermöglichen, wäre es möglich, diese Anlagen bei Schwachwind auch motorisch zu betreiben, d. h. Strom einzusetzen, um eine Bewegung des Rotors zu bewirken und damit eine Luftbewegung anzutreiben. Nachdem die durch einen Rotorkreis strömende Windenergie mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit zunimmt, erfordert es nur einen vergleichsweise geringen Leistungs- bzw. Energieeinsatz, um eine leichte Luftbewegung anzutreiben.
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Wenn bereits eine geringfügige Windgeschwindigkeit vorhanden ist, wäre es meist sinnvoll, diesen Ventilatorbetrieb auf eine Weise vorzunehmen, die die natürliche Windrichtung verstärkt, beispielsweise wenn die Windrichtung von dem Windpark auf die Stadt hin gerichtet ist und auf diese Weise mehr frische Luft in die Stadt getrieben wird.
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Durch den zusätzlichen Luftaustausch kommt es zur Zufuhr kühlerer Luft aus der Umgebung in die Stadt hinein. Soweit in der Stadt Klimaanlagen regelmäßig betrieben werden, die gleichermaßen mit einem Energieverbrauch verbunden sind, ist es möglich, dass der Energieeinsatz für die Windrotoren deutlich niedriger ist als die bei der Klimatisierung eingesparte Energiemenge. Die Zufuhr schadstoffärmerer Luft aus der Umgebung der Stadt führt zugleich zu einem Abtransport der mit Luftschadstoffen belasteten Stadtluft und damit zu einer Reduzierung der Luftschadstoffe im Stadtgebiet. Nachdem sich größere Windparks in erster Linie in der Umgebung einer Stadtregion befinden werden, kann damit vor allem ein relativ weiträumiger Austausch der Luft bewirkt werden.
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Städte und Stadtregionen beinhalten aber häufig auch Bereiche mit einer stärkeren Erhitzung, insbesondere stärker versiegelte Innenstadtbereiche, und Bereiche mit geringerer Erhitzung, insbesondere Grün- und Freiflächen. Dadurch kommt auch bei an sich gegebener Windstille ein durch die Thermik angetriebener Luftaustausch zustande: In den stärker versiegelten Bereichen erhitzt sich die Luft und steigt auf, in den begrünten Bereichen kühlt die Luft ab und sinkt ab, so dass es zu bodennahen Luftströmungen von den kühlen, unversiegelten Bereichen zu den versiegelten Bereichen kommt. Dieser erwünschte Effekt kann nun verstärkt werden, indem in der Nähe des Grenzbereiches zwischen kühlen und stärker erhitzten Bereichen Windturbinen errichtet werden, die bei entsprechenden Wetterverhältnissen den genannten Luftaustausch verstärken. Wenn die genannte Thermik vor allem des Nachts in Gang kommt, kann mit den Windturbinen nicht zuletzt das Einsetzen dieses Luftaustausches beschleunigt werden, indem der genannte Luftkreislauf initiiert wird. Ist der gewünschte Luftaustausch erst einmal in Gang gesetzt, bleibt er ggf. durch die natürliche Thermik weiter aufrecht erhalten bzw. verstärkt sich von selbst, ohne dass ein dauerhafter Antrieb durch die Windturbinen erforderlich wäre. Da es sich hierbei um relativ geringe Windgeschwindigkeiten handelt und damit auch relativ geringe Drehgeschwindigkeiten der Rotoren ausreichend sind, ist hierbei auch nur mit einer geringen Geräuschentstehung an den Rotorblättern zu rechnen. Aus wirtschaftlichen Gründen würde regelmäßig eine Nutzung derselben Windgeneratoren auch zur Stromerzeugung sinnvoll sein, die dann bei stärkeren Windgeschwindigkeiten stattfindet. Die damit verbundenen Geräuschbelastungen können jedoch vertretbar sein, sofern die Standorte noch innerhalb des Freiflächenbereichs gewählt werden. Außerdem befinden sich an Freiflächen im städtischen Raum häufig auch Verkehrswege, die ihrerseits ständige Lärmquellen darstellen, so dass eine zusätzliche geringfügige Lärmbelastung durch ein aktiv angetriebenes Windrad nicht unbedingt ins Gewicht fällt.
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Beispielweise verläuft eine Stadtautobahn über eine Strecke von 2 km entlang des Südrands der Freifläche des ehemaligen Flughafens Tempelhof in Berlin. Dort könnten ein oder zwei Reihen von je 7 Windturbinen mit einem Durchmesser von 100 Meter im Abstand von jeweils etwa 300 Meter errichtet werden, ohne die Schallpegel wesentlich zu erhöhen. Würden diese im aktiven Betrieb z. B. ein Zehntel der für Anlagen dieser Größe üblichen maximalen Erzeugungsleistung von je 3 MW aufnehmen, ergäbe sich ein Stromverbrauch von insgesamt etwa 2 bzw. 4 MW. Das entspricht dem Strombedarf von ein paar tausend Klimageräten für Einzelräume. Wenn mit den „Windgeneratoren” eine auch nur geringfügige Entlastung für hunderttausende Innenstadtbewohner durch die stärkere Wirkung einer bestehenden Kaltluftschneise erreicht werden könnte, wäre das effizienter als der Betrieb von Einzelklimaanlagen.
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Solche Windräder an der Grenze zwischen Kaltluftentstehungsbereichen und stärker überhitzten Bereichen können in üblicher Weise mit horizontaler Achse betrieben werden und somit auch eine Luftbewegung in horizontaler Richtung antreiben. Je nach Standort der Anlage kann es jedoch auch sinnvoller sein, nicht eine horizontale Luftbewegung, sondern eine geneigte Luftbewegung zu bewirken oder zu verstärken. Deshalb werden diese Windräder vorzugsweise so gestaltet, dass eine Verdrehung des Rotorkopfes nicht wie üblich nur um eine vertikale Achse möglich ist, sondern auch eine Verdrehung der Neigung des Rotorkreises möglich ist.
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Möglich wäre aber auch der fortgesetzte Antrieb einer horizontalen Luftbewegung mit kreis- oder ringförmig stehenden Windturbinen. Damit würde der von einem Rotor erzeugte Impuls jeweils von dem nächsten aufgenommen und wieder verstärkt werden. Wenn die ringförmige Luftströmung die Stadtgrenze überschreitet, würde ebenfalls frische Luft in die Stadt geführt werden. Einer zunächst ringförmig angetriebene Luftbewegung könnte ggf. über die umgekehrte Wirkung der Corrioliskraft indirekt auch zu vertikalem Luftaustausch führen.
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Auflösung von Nebel und weitere Aspekte des Motorbetriebs
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Probleme für das Stadtklima und erhöhte Luftschadstoffbelastungen entstehen insbesondere auch bei Inversionslagen. Dabei handelt es sich um Wetterverhältnisse, bei denen eine relativ kalte bodennahe Luft bei meist geschlossener Wolkendecke von einer wärmeren Luftschicht überlagert wird. Dadurch gibt es keinen thermisch angetriebenen vertikalen Luftaustausch mehr und die häufig neblige bodennahe Luft verbleibt an Ort und Stelle. Die Sonneneinstrahlung wird an der Oberseite der Wolken überwiegend reflektiert, was die thermische Schichtung weiter stabilisiert. Sofern gleichzeitig auch keine stärkere horizontale Luftbewegung vorliegt, kann es dabei zu Smogsituationen kommen.
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Durch den motorischen Betrieb von Windrädern soll nun erreicht werden, dass wärmere Luft aus höheren Schichten in Bodennähe geführt wird, womit sich unmittelbar der Heizwärmebedarf der Gebäude vermindert. Zugleich kann zur Auflösung von Nebel beigetragen werden und auch durch die passive, thermische Nutzung der Solarenergie der Wärmebedarf gesenkt werden. Dabei kann eine ursprünglich nur punktuelle Auflösung der Inversion und der Wolkendecke dazu führen, dass Sonnenstrahlen den Boden erreichen und erwärmen, so dass bereits dadurch ein Grund für die Inversionslage wegfällt bzw. ein sich verstärkender Austauschprozess in Gang kommt.
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Möglich wäre auch eine Betriebsweise, bei der bei jedem Rotorumlauf eine Änderung des Rotoranstellwinkels (Pitch-Verstellung) der Rotorblätter so erfolgt, dass durch den motorisch angetriebenem Rotor im unteren Teil des Rotorkreises ein Antrieb der Luft in die eine Richtung, im oberen Teil des Rotorkreises in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Damit würde eine Drehbewegung der Luft im Bereich des Rotors entstehen, deren Mittelachse etwa horizontal und dabei senkrecht zur Rotorachse wäre. In einer anderen Betriebsweise könnte eine um die Rotorachse kreisende Drehbewegung der Luft im Nahbereich des Rotorkreises durch eine Drehung des Rotors mit einem Rotoranstellwinkel erreicht werden, der bei Stillstand des Rotors als Fahnenstellung gelten würde, im aktiven Betrieb aber die Rotorblätter quer zur Bewegungsrichtung des Rotors stellt. Eine zusätzliche Drehung des gesamten Turmkopfes um die Turmachse (Yaw) könnte dieses „Aufquirlen” des bodennahen Nebels unterstützen. Gemäß einer weiteren Betriebsweise wäre es bei geringen Windstärken möglich, einen Blattanstellwinkel zu wählen, der im oberen Teil des Rotorkreises einen Anschub des Rotors in Drehrichtung bewirkt, im unteren Teil des Rotors aber die im Ausgangszustand langsamere Luft anschiebt. Eine solche Drehung könnte insbesondere bei einer stabiler Schichtung möglich sein, wie sie bei Nebelverhältnissen oft vorliegt, sofern die stabile Schichtung zu einer deutlichen vertikalen Zunahme der Windstärke innerhalb des Rotorkreises führt. Gegebenenfalls reicht in allen Varianten ein kurzzeitiger Anschub aus, um kleinräumig die Auflösung von Bodennebel zu unterstützen und damit z. B. die landwirtschaftlichen Erträge in Nähe der WEA verbessern.
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Die Schubwirkung des gesamten Rotors bzw. ganzer Windparks in einer Richtung könnte dagegen dazu betragen, Wolken bzw. Hochnebel in einer Höhe bis zu einigen Hundert Meter über Grund wegzuschieben und dadurch schließlich aufzulösen, was sich vielleicht nur in Nähe bebauter Gebiete mit zu beheizenden Gebäuden lohnt. Auch diese „normale” Bewegung würde auf der abwärtsdrehenden Seite des Rotors einen Schub nach unten auf die Luft ausüben, der zur Verdrängung von Bodennebel führen kann, auf der aufwärtsdrehenden Seite des Rotors einen Schub nach oben, der mehr auf etwas höher gelegene Wolken wirken kann.
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Eine vertikale Komponente der Luftbewegung kann noch effektiver durch einen Rotorkreis mit geneigter Rotorfläche erreicht werden, womit die Luft nach schräg oben oder auch wahlweise nach schräg unten angetrieben wird, oder sogar horizontaler Rotorfläche.
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Bei Windturbinen mit ungefähr horizontaler Drehachse kann eine vertikale Luftbewegung indirekt dadurch bewirkt werden, dass in der Schubrichtung des Rotors zusätzliche Luft ankommt und somit auch eine Bewegung nach oben bewirkt, während auf der Saugseite der Turbine Luft abgeführt wird und somit dort tendenziell eine Abwärtsbewegung der Luft bewirkt wird. Besonders beim gemeinsamen Einsatz mehrerer Windturbinen, die von einem mittleren Bereich her die Luft absaugen bzw. abpumpen, wird dort eine Abwärtsbewegung der Luft bewirkt. Entsprechend kann eine Aufwärtsbewegung der Luft bewirkt werden, wenn mehrere Windturbinen von mehreren Richtungen die Luft in denselben Bereich befördern. Bei Rotoren in Tallagen würde ein horizontaler Antrieb der Luft durch die Mitwirkung der Hänge in eine auch vertikale Strömungskomponente umgewandelt werden und könnte so Talnebel vertreiben.
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Die Finanzierung eines solchen Schemas könnte zunächst direkt aus öffentlichen Haushaltsmitteln erfolgen, da es sich hierbei um eine Dienstleistung handelt, die allen Einwohnern in der entsprechenden Umgebung zugute kommt. Es wäre ebenfalls möglich, spezielle Beiträge zu erheben, die z. B. nur den Besitzern von Klimaanlagen abverlangt werden könnten, deren Betriebskosten sich reduzieren. Die Einnahmenerzielung könnte aber auch auf der Nutzung des Standortes zur Stromerzeugung, als Tragstruktur für Mobilfunkantennen, auf Werbemaßnahmen an den aufragenden Objekten oder auf einer zusätzlichen Nutzung als Aussichtsturm beruhen.
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Es kann erforderlich sein, für den motorischen Betrieb die Form der Rotorblätter bzw. der Blattprofile angemessen zu verändern. Insbesondere können breitere Rotorblattprofile zu einem besseren Antrieb der Luft beitragen. Da die Leistung für den aktiven Motorbetrieb der Generatoren in der Regel geringer sein wird als die Leistungsabgabe der Windgeneratoren im Stromerzeugungsbetrieb, ist es ausreichend, die für den Motorbetrieb erforderlichen Umrichter auf eine geringere Leistung als die Nennleistung im Generatorbetrieb auszulegen.
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Wenn die Anzahl der Rotorblätter im motorischen Betrieb größer als drei sein sollte, könnten zwei Gruppen von Rotorblättern gebildet werden, die beim motorischen Betrieb alle gemeinsam drehen würden. Bei Stromerzeugung würde dagegen ein Teil der Rotorblätter ausgekuppelt werden und in Fahnenstellung still stehen, und nur die übrigen Rotorblätter würden sich im Wind drehen und Energie aufnehmen. Die Rotorebenen der beiden Gruppen von Rotorblättern waren dann – wenigstens bei Stromerzeugung – gegeneinander versetzt, wobei die ruhenden Rotorblätter vorzugsweise im Lee der rotierenden angeordnet sein sollten.
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Vorstehende Angaben beziehen sich auf übliche Bauformen mit etwa paralleler Ausrichtung von Rotorachse und Luftbewegung. Bei Windkraftanlagen mit senkrechtem Winkel zwischen Luftbewegung und Rotorachse, also in der Bauweise von Vertikalachsanlagen, wären entsprechende Anpassungen erforderlich. Sie könnten vorzugsweise gleich eine vertikale Luftströmung antreiben.
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Großräumige Wetterbeeinflussung
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Nach Erkenntnissen der Chaostheorie kann der Schlag eines Schmetterlingsflügels einen Hurrikan auf der anderen Seite des Globus auslösen – oder jedenfalls dessen Verlauf wesentlich beeinflussen. Das Wettergeschehen wird immer auch von topographischen Verhältnissen wie Bergen, Wasserflächen und Waldgebieten beeinflusst. Die Möglichkeiten zur Vorhersage des Wettergeschehens und zur Berücksichtigung verschiedenster Einflussfaktoren nehmen parallel zur Entwicklung der Computertechnik stetig zu. Bis zur Ebene des Schmetterlings wird dies sicherlich nie gelingen, die Wirkung von großen Windturbinen könnte aber durchaus vorhersagbar werden.
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Beispielsweise könnten Wirbel in der Größenordnung von Kilometer beeinflusst werden:
Wenn eine Drehbewegung mit dem sonst geradlinigen Durchzug einer Luftmasse überlagert ist, so äußert sich dies auf der Seite, an der sich die Drehbewegung mit der vorherrschenden Windrichtung in gleicher Richtung addiert, in einer stärkeren Windgeschwindigkeit. Auf der entgegengesetzten Seite der Drehbewegung kommt es zu einer Verlangsamung der resultierenden Windgeschwindigkeit, sofern die Drehbewegung langsamer ist als die vorherrschende Windstärke. Die Querkomponente der Drehbewegung führt zu einer Änderung der resultierenden Windrichtung.
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Nun können die Windturbinen einer Region so gesteuert werden, dass bei Durchzug einer Luftmasse bestimmte Bereiche der Luftmasse immer möglichst stark abgebremst werden, andere dagegen möglichst durchgelassen werden, so dass insgesamt eine derartige Drehbewegung der Luft bewirkt wird. Natürlich würde z. B. die möglichst stark abbremsende Wirkung der Windturbinen mit Durchzug der Luftmasse an fortlaufend anderer Stelle aktiviert werden. Vielleicht wäre es auch das Ziel oder wirksamer, eine bereits vorhandene Drehbewegung der Luft zu verstärken, abzulenken oder abzubremsen, die sich aufgrund der topographischen Verhältnisse ohnehin bildet. Besonders wirksam wäre das in Situationen, in denen mit einer natürlichen Verstärkung solcher erst einmal induzierten Bewegungen zu rechnen ist. Wenngleich man wohl kaum beeinflussen werden kann, ob sich bestimmte Wettererscheinungen wie Thermiken, Tiefdruckgebiete oder Wirbelstürme bilden, so können gezielte und ggf. großräumige Veränderungen der von den Windturbinen dem Wind entgegengesetzten Schubkräfte es durchaus ermöglichen, die Art der Fortentwicklung solcher Erscheinungen zu beeinflussen.
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Beispielsweise könnte die Zugbahn von tropischen Wirbelstürmen oder von Regenfronten beeinflusst werden, wenn die entsprechenden Wirbel schon in einem frühen Stadium auf diese Weise manipuliert würden. Ebenso könnte die Erzeugung bzw. Verstärkung mehrerer solcher Wirbel dazu beitragen, dass die atmosphärischen Energien einer Region nicht in einem einzigen Wirbelsturmsystem zusammenfließen, sondern dass sich mehrere kleinere Wirbelsysteme bilden, die jeweils weniger Zerstörungskraft haben.
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Mittelskalige Drehbewegungen der oben genannten Art äußern sich lokal als Böe bzw. als Abfall der Windgeschwindigkeit. Auch wenn es (noch) nicht möglich ist, die genaue Position von durchziehenden Drehbewegungen zu bestimmen, also auch nicht zentral vorgegeben werden kann, welche Windturbinen zu welchem Zeitpunkt eine bestimmte Drehbewegung unterstützen soll, so könnte doch ein Verstärkung von solchen Drehbewegungen erreicht werden, wenn die Anlagen einer Region in einer Periode generell so eingestellt werden, dass sie Böen möglichst ungestört durchlassen, bei reduzierter Windgeschwindigkeit aber möglichst abbremsend wirken.
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Selbst wenn der Einfluss der Windturbinen auf das Wettergeschehen insgesamt schwach ist oder im allgemeinen zu große Ertragseinbußen bewirken würde, könnten sie z. B. zur Vorbeugung gegen örtliche Überschwemmungen eingesetzt werden. Zu Überschwemmungen kann es auch ohne extrem starke Regenfälle kommen, wenn sich eine Regenfront mit lediglich starkem Regen über längere Zeit an derselben Stelle entlädt. Das kann dann z. B. einen 10 bis 20 km großen Bereich betreffen. Eine Überschwemmung könnte vermieden werden, wenn sich die Wetterfronten nur geringfügig anders bewegen, so dass sich der Regen über eine größere Fläche verteilt. Es erscheint durchaus plausibel, eine solche, an sich relativ schwache Veränderung des Wettergeschehens dadurch zu erreichen, dass die Windturbinen in einem großen Bereich von z. B. einigen hundert Kilometer in Windrichtung vor dem überschwemmungsgefährdeten Bereich mit diesem Ziel gesteuert werden, wenn die entsprechenden Prognosen möglich geworden sind.
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Abbildungen
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Die Abbildungen illustrieren jeweils mittelskalige Einwirkungen auf das Wettergeschehen.
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1 zeigt einen Windpark 1 in der Nähe einer Stadt 2. Durch den motorischen Betrieb des Windparks wird eine Luftströmung 3 in Richtung der Siedlung erzeugt. Dadurch kommt es zu einem verstärkten Abtransport der in der Stadt entstehenden Schadstoffe 4 und somit zu einer Verbesserung der Luftqualität in der Stadt 2.
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2 zeigt zwei bebaute Bereiche 5 und 6, zwischen denen sich ein unbebauter Bereich 7 befindet. Im Übergangsbereich zwischen bebauten und unbebauten Bereichen befinden sich Windturbinen 8, 9, die eine Luftströmung 10, 11 von dem unbebauten Bereich in Richtung des bebauten Bereiches antreiben. Dadurch kommt es zunächst zur Zuströmung weniger verschmutzter Luft aus den unbebauten Bereichen in die bebauten Bereiche, wie bereits ähnlich in 1 dargestellt. Soweit der unbebaute Bereich jedoch niedrigere Temperaturen aufweist als die Umgebung, wird dadurch ein thermischer Luftaustausch verstärkt, der sich in einer absinkenden Luftbewegung 12 in dem kühleren unbebauten Bereich und in einem Aufstieg 13, 14 der Luft in den bebauten Bereichen ausdrückt.
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3 zeigt eine bevorzugte Vorgehensweise in einem Bereich, in dem keine ausgeprägten thermischen Unterschiede zwischen einzelnen Stadtbereichen vorliegen. Hier werden die Rotoren 15 schräg gestellt, um eine vertikale Komponente der Luftströmung 16 zu bewirken.
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4 zeigt eine Situation mit in der Ausganglage geschlossener Wolkendecke 17 bei relativ tiefstehender Sonne 18 auf der Südseite. Ein Rotor 19 bzw. eine Rotorreihe befördert die bodennahe Luft mitsamt der Wolkendecke nach Süden und erzeugt nördlich des Rotors ein Wolkenloch, in dem die Sonneneinstrahlung 20 den Boden 21 erreicht und zu dessen Erwärmung beiträgt. Diese Erwärmung trägt sodann vor allem am Nordrand des Wolkenlochs zu einer thermisch bedingten Aufwärtsbewegung 22 der Luft und damit zusätzlichen Auflösung der Wolkendecke bei. Dieser Luftaufstieg und damit eine Auflösungswirkung auf die Wolken wird ggf. durch den Sonneneinfall auf die aufsteigenden Teile der Wolken 23 zusätzlich verstärkt. Ein zweiter Rotor 24 bzw. eine weitere Rotorenreihe an der Nordseite des Wolkenlochs mit entgegengesetzter Schubrichtung kann die Freihaltung des Wolkenlochs unterstützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.fas.org/spp/military/docops/usaf/2025/v3c15/v3c15-4.htm#v3c15--4 [0002]
