DE102010019581B4 - Methode und Gerät zur Gewinnung von Energie aus bewegtem Fluid, vornehmlich Wind, ohne direkte Verbindung zum Boden, zur Energieversorgung, für Transport und Flugwesen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Windkraft durch ein Fluggerät (100), dadurch gekennzeichnet, dass • keine kraftschlüssige Verbindung zum Boden notwendig ist, • eine notwendige Gegenkraft S durch veränderliche Bewegung einer Masse m in einem Inertialsystem (x, y, z) erzeugt wird, • die Energie zumindest teilweise zur Reibungskompensation des Fluggerätes (100) genutzt wird und/oder dass dessen Höhe gegenüber einem festen Inertialsystem (x, y, z) verändert oder gehalten wird und die gewonnene Kinetische in Potentielle Energie gewandelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Methode und ein dazugehöriges Gerät (100), mit dem aus Windkraft Energie gewonnen werden kann. Im derzeit bekannten Stand der Technik ist hierzu eine kraftschlüssige Verbindung (201) zur Erde notwendig. Die Erfindung nutzt durch veränderliche Bewegungen eines Flugkörpers gegenüber einem Inertialsystem generierte Kräfte, um eine relative Kraft (S_R) zur Windkomponente zu erzeugen, wodurch dem Wind Energie entzogen werden kann und diese zum Halten und Gewinnen von Höhe des Flugkörpers genutzt werden kann, sowie ein Teil dieser Energie in weitere Systeme gespeist werden kann.
• Wichtige weltweite Probleme der industrialisierten Welt betreffen den hohen Energiebedarf der Menschheit. Zur Deckung des Bedarfes an Wärme, Elektrizität und Bewegungsenergie werden große Mengen an fossilen Energieträgern durch Oxidation umgewandelt, mit den daraus entstehenden Nachteilen des Ausstoßes großer Mengen Kohlendioxid und befürchteten nachteiligen Folgen auf das Gesamtklima. Eine alternative Energiequelle stellt die Kernkraft dar, deren Gefahren mit dem Betrieb der Anlagen, der Aufbereitung und der nicht geklärten Reststoffentsorgung große Akzeptanzprobleme aufweist. Alternativen zu diesen zeitlich begrenzten Energieträgern stellen die regenerativen Energieträger dar. Hierbei steht neben der Solarenergie vor allem die Windkraft für eine Hoffnung, den Bedarf an nicht regenerativen Energien zumindest teilweise zu ersetzen. Die im Folgenden ausgeführten Darlegungen sollen vor allem anhand der Windkraft dargestellt werden, wobei allgemein die selben Betrachtungen auf jedes Fluid verallgemeinert und somit in angepasster Form ebenso auf Meeresströmungen übertragen werden können.
• Zur Nutzung der Strömungsenergie werden Maschinen eingesetzt, die die kinetische oder Druckenergie eines Fluids in eine Bewegungsform der Maschine umsetzen. Bei dieser Umsetzung der Energie entsteht dabei eine Kraftkomponente auf die Maschine, die in Richtung der Geschwindigkeitsreduzierung des Fluids wirkt. Bei Windkraftanlagen ist dies beispielsweise vornehmlich in Richtung der Abflussrichtung des Fluids. Diese Kraft wird bei Anlagen, die im Stand der Technik bekannt sind, in der Regel durch Masten aufgenommen, die im Boden verankert sind. Um einen besonders hohe Energieumwandlung zu erzielen, sind die fluidischmechanischen Energiewandler in den Bereichen mit möglichst hoher Fluidgeschwindigkeit zu platzieren. Diese sind bei Windkraftanlagen in möglichst große Höhe, und damit in maximalem Abstand zum Boden zu finden. Damit werden aber die Tragmasten, die gleichzeitig der Aufnahme der Reaktionskraft des Energiewandlers dienen, besonders aufwendig und teuer. Alternativen, die eine Abstützung der Reaktionskraft am Boden ermöglichen, sind Fluggeräte, die eine flexible Verbindung zum Boden aufweisen. Dies ist beispielsweise von Spielzeugen wie Flugdrachen bekannt. Anlagen zur Energiegewinnung auf Basis dieser Methode offenbaren beispielsweise die DE 10 2007 044 655 A1 sowie die DE 10 2007 020 632 A1 . Aufgrund der Zunahme des Gewichtes der Verbindung bei Vergrößerung ihrer Länge sind bei der notwendigen Stabilität die Längen der Verbindung und damit die erreichbare Höhe des Flugkörpers begrenzt. Damit stellt die Notwendigkeit der kraftschlüssigen Verbindung zum Boden einen hohen Kostenfaktor und zusätzlich eine Begrenzung der möglichen Energieausbeute dar. Weiterhin führt die Verankerung der Anlagen im Boden zu einem erhöhten Platzbedarf am Boden. Hier muss durch die Anordnung am Boden Fläche bereitgestellt werden, die häufig nicht mehr in der vorher vorgelegenen Form, z. B. landwirtschaftlich, genutzt werden kann. Bei Erweiterung der Kapazität der Anlagen ist das Skalierungsverhalten nahezu linear: Um eine Verdopplung der Leistung zu erzielen, muss ungefähr die doppelte Fläche aufgewendet werden. Häufig ist auch eine Erschließung des Energiepotentials aufgrund der schwierigen Verbindung zum Boden sehr aufwendig, beispielsweise in tiefen Gewässern. Neben dem teuren Aufbau aufgrund der Verbindung zum Boden sind diese Ausführungsformen auch örtlich fest und können nicht an sich räumlich verändernde Strömungen angepasst werden, die zum Beispiel ihr Maximum der Windgeschwindigkeit örtlich verschieben. Da in den geringen Höhen, in denen die Maschinen mit kraftschlüssiger Bodenverbindung betrieben werden können, eher geringe Windgeschwindigkeiten vorliegen, ist durch die kraftschlüssige Verbindung zum Boden eine weit reichende Energieversorgung durch Windkraft schwierig.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, die kraftschlüssige Verbindung zum Boden bei der Wandlung der Energie aus einem Fluid in eine mechanische Bewegung zu ersetzen bzw. überflüssig zu machen und somit
• • mit den Anlagen in Höhen mit größeren Windgeschwindigkeiten vorzudringen
• • die Anlagen auch in der Höhe übereinander betreiben zu können
• • die Anlagen auch in Gebieten betreiben zu können, in denen eine Verbindung zum Boden nur sehr schwer möglich ist
• • die Position des Energiewandlers an die Strömung sehr dynamisch optimal anzupassen bzw. die gesamte Anlage zu verlegen, und
• • die Auswirkungen auf dem Boden und für die Umwelt insgesamt zu minimieren.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Fluggerät nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1a: Eine Ausführungsform des Fuggerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 im Flug.
• 1b: Eine Ausführungsform des Fuggerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 kurz vor einer Landung.
• 2: Kräfteverteilung an einem Tragflügelprofil bei Anströmung mit zwei Geschwindigkeitskomponenten v_F und v_W.
• 3a: Ausführungsform eines Gerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 zum Zeitpunkt 1. Die Fluggeschwindigkeit v_F entspricht der Resultierenden aus Vorfluggeschwindigkeit in x-Richtung v_x,0 und der Windgeschwindigkeit in y-Richtung v_W.
• 3b: Ausführungsform eines Gerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 zum Zeitpunkt 2. Die Fluggeschwindigkeit v_F ist in y-Richtung, die Anströmung v_res (2) entspricht der Fluggeschwindigkeit des Fluggerätes (100) v_FG über Grund plus der Windgeschwindigkeit v_W.
• 3d: Ausführungsform eines Gerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 zum Zeitpunkt 3. Die Fluggeschwindigkeit v_FG ist in y-Richtung durch Höhengewinn verringert worden indem Kinetische in Potentielle Energie gewandelt wurde.
• 3d: Ausführungsform eines Gerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 zum Zeitpunkt 4. Die Fluggeschwindigkeit v_FG ist in y-Richtung durch Kurvenflug auf x-Richtung gedreht worden. In diesem Zustand nimmt nun die Fluggeschwindigkeit v_x in x-Richtung durch die Auftriebskraft F_A (2) und die Fluggeschwindigkeit in y-Richtung durch die Widerstandskomponente S_R (2) aufgrund der Windkraft zu.
• 3e: Ausführungsform eines Gerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 zum Zeitpunkt 5. Die Fluggeschwindigkeit beträgt wie zum Zeitpunkt 1 die gleiche Größe und die gleiche Richtung der Resultierenden aus Fluggeschwindigkeit in x-Richtung v_x und Windgeschwindigkeit in y-Richtung v_W. Es wurde gegenüber dem Zustand zum Zeitpunkt 1 Höhe, also Potentielle Energie gewonnen.
• 4: Auszug aus einer alternativen, geschlängelten, sich periodisch wiederholenden Bewegungsform eines Gerätes zur Nutzung der Methode nach Anspruch 1 zu verschiedenen Zeitpunkten. Der Flug erfolgt gegen den Wind.
• Zum Erzeugen von Auftrieb bei Flugzeugen, zum Antrieb von Windrädern durch Windkraft und in spezieller Ausführung als Propeller (105) werden Tragflügelprofile (101, 102) genutzt. Die 2 zeigt die Kräfteaufteilung an einem bewegten Tragflügelprofil (102) mit seitlicher Anströmung durch Wind für statisches Kräftegleichgewicht, d. h. bei konstanten Geschwindigkeiten.
• Das Tragflügelprofil bewegt sich mit der Geschwindigkeit v_F gegenüber der Luft in Flugrichtung. Neben der Bewegungskomponente v_F wirkt auf die Fläche auch die Windgeschwindigkeit v_w. Die resultierende Anströmung ergibt sich aus dem Winddreieck durch geometrische Addition von v_F und v_W. zu v_res. Die resultierende Anströmung v_res trifft im Anstellwinkel α auf das Tragflügelprofil. Durch Umlenkung der Windkomponenten und des damit verbundenen Impulses sowie durch Druckunterschiede am Tragflügelprofil (101, 102) entstehen Kraftkomponenten an dem Tragflügelprofil, die wie folgt beschrieben werden können. Durch die resultierende Anströmgeschwindigkeit v_res entsteht eine Luftkraft F_L, die sich aus dem Luftwiderstand F_Wres in Richtung der resultierenden Anströmgeschwindigkeit v_res und der Auftriebskraft F_A, die senkrecht zur resultierenden Anströmung v_res wirkt, zusammensetzt. Die Auftriebskraft F_A lässt sich in zwei Komponenten zerlegen; erstens in eine Komponente F_F in Flugrichtung, die zu einer weiteren Beschleunigung des Profils in Flugrichtung führen kann; und zweitens in eine Kraftkomponente S_R, die eine Schubkraft senkrecht zur Flugrichtung darstellt, in Windrichtung wirkt und bei einem freien Flugobjekt zu einer Beschleunigung in Windrichtung führt. Bei Windkraftanlagen wird die Komponente S_R vom Mast aufgenommen und die Komponente F_F dient der Energiegewinnung durch Antrieb der Rotation der Flügel in Drehrichtung. Bei einem frei fliegenden Flugobjekt führt die Kraftkomponente S_R allerdings zu einer Beschleunigung des Flugobjektes in Windrichtung, solange nicht durch Flugmanöver dieser Ablenkkraft S_R vorgehalten wird. Wird die Luftkraft F_A vollständig genutzt, so erfährt das Flugobjekt eine Beschleunigung in zwei Richtungen und damit einen Energiegewinn: Die Komponente F_F erzeugt eine Beschleunigung in Flugrichtung, die Kraft S_R eine Beschleunigung in Windrichtung. Die Zunahme der Energie kann aus der resultierenden Geschwindigkeit unter Berücksichtung der Flugzeugmasse berechnet werden.
• Die Methode soll durch Flugzustände zu fünf Zeitpunkten und den Übergang von einem Fugzustand zum Anderen beschrieben werden. Auch wenn im tatsächlichen Betrieb die tatsächlich betrachtete Endzustände nicht ganz erreicht werden und die Arbeitspunkte in den Bereichen dazwischen definiert werden, so wird doch die Funktion des Gerätes zur Anwendung der Methode nach Anspruch 1 verständlich.
• Im ersten Zustand zum Zeitpunkt 1 nach 3a fliegt das erfindungsgemäße Gerät zur Anwendung der Methode nach Anspruch 1 mit Ausrichtung des Rumpfes in Flugrichtung x des auf den Boden bezogenen, festen kartesischen Koordinatensystems x, y, z. Das Fluggerät weist zum Beginn am Zeitpunkt 1 die Fluggeschwindigkeitskomponenten v_x,1 in x-Richtung sowie in y-Richtung die Geschwindigkeit des Windes v_W auf. Der Wind bewirkt im Folgenden immer eine konstante Luftströmung in y-Richtung. Der Betrag der Gesamtgeschwindigkeit des Fluggerätes im festen Koordinatensystem und damit auch gegenüber Grund ergibt sich so zu:

  
• Die kinetische Gesamtenergie beträgt
• 
• Die seitlich auf das Flugzeug wirkende Windkomponente v_W übt in diesem Zustand keine Beschleunigungskraft auf das Fluggerät aus, da das Fluggerät mit derselben Geschwindigkeit in Richtung y der abströmenden Luft fliegt und somit keine Relativgeschwindigkeit in y-Richtung zwischen Fluggerät und Windkomponente besteht. Die Anströmung auf die vertikalen Profilflächenelemente (102a + b), die zur Nutzung der Windkraft dienen, erfolgt direkt von vorne, der Anstellwinkel α beträgt 0°, wodurch keine Auftriebskomponente F_A entsteht. Der Auftrieb an den horizontalen Tragflächen (101a + b) entsteht durch die Geschwindigkeitskomponente v_x,1 und dem Anstellwinkel der tragenden Flächenelemente (101a + b) zur anströmenden Luft.
• Im nächsten Schritt zum Zeitpunkt 2 nach 3b wird das Fluggerät durch Kurvenflug mit dem Rumpf entgegen der Windrichtung in y-Richtung gedreht. Hierdurch erfolgt die Anströmung der tragenden Flächenelemente (101a + b) direkt von vorne, wodurch sich eine erhöhte Relativgeschwindigkeit des Fluggerätes gegenüber der Anströmung ergibt. Die resultierende Geschwindigkeit der Anströmung auf die Profilflächen ergibt sich nun aus der Geschwindigkeit des Fluggerätes über Grund v_FG plus der Windgeschwindigkeit v_w und beträgt v_res,2 = v_FG + v_w
• Zur Berechnung der Geschwindigkeit FG wird vereinfacht von einer optimalen Kurve ohne Energieverlust ausgegangen. Das Fluggerät bewegte sich zum Zeitpunkt 1 mit der Windgeschwindigkeit v_w in positive y-Richtung mit dem Wind und mit v_x,1 in positive x-Richtung. Durch Drehung der Flugbahn entgegen der Windrichtung, also entgegen der y-Richtung, erfolgt die Anströmung nun mit doppelter Windgeschwindigkeit sowie zusätzlich mit der vorherigen Geschwindigkeit v_x.0, die durch den Kurvenflug nun zusätzlich entgegen der Windrichtung, also entgegen der y-Richtung, wirkt. Die Anströmgeschwindigkeit an den tragenden Profilflächen beträgt nun:

  
• Die kinetische Energie W_kin beim optimalen Kurvenflug bleibt erhalten und kann wiederum aus der Geschwindigkeit v_F über Grund berechnet werden. Sie ist trotz der nun erhöhten Anströmgeschwindigkeit v_res konstant geblieben: W_kin,2 = W_kin,1 = 1 / 2m(v_x,1 ² + v_y,1 ²)
• Es ist nun möglich, aufgrund der erhöhten Anströmungsgeschwindigkeit bei den entgegen des Windes ausgerichteten horizontalen Tragflächenprofilen (101a + b) die Relativgeschwindigkeit durch Gewinnen von Höhe abzubauen. Hierbei wird die kinetische Energie verringert, da die Geschwindigkeit v_FG über Grund abnimmt. Theoretisch kann die Geschwindigkeit bis zur Stallgeschwindigkeit v_Stall, bei der sich die Strömung von der Tragfläche ablöst, verringert werden und die damit verknüpfte kinetische Energie in potentielle Lageenergie gewandelt werden. Optimalerweise wird aber die Anströmgeschwindigkeit v_res nur um etwas weniger als die einfache Windgeschwindigkeit verringert, so dass im nachfolgenden Schritt genügend Geschwindigkeitsreserve v₊ zur Stallgeschwindigkeit v_stall erhalten bleibt. Zum Zeitpunkt 3 nach 3c ist die Geschwindigkeit v_FG und v_res durch Höhenzunahme verringert und die potentielle Energie hat zu-, die kinetische Energie des Fluggerätes abgenommen. Ist die Stallgeschwindigkeit v_stall des Fluggerätes wesentlich geringer als die Windgeschwindigkeit v_w, so ist es möglich, dass das Fluggerät zum Zeitpunkt 3 über Grund sogar rückwärts fliegt, wenn die Anströmung auf die tragenden Flächenelemente (101a + b) von vorne kommt und die Stallgeschwindigkeit wesentlich überschreitet. Im Folgenden sei angenommen, dass die Windgeschwindigkeit v_w in etwa der Stallgeschwindigkeit v_stall entspricht und das Fluggerät zum Zeitpunkt 3 mit der entsprechenden Geschwindigkeitsreserve v₊ zur Stallgeschwindigkeit v_stall noch Vorwärtsfahrt entgegen der Windrichtung aufweist. Die Geschwindigkeit über Grund zum Zeitpunkt 3 beträgt also v_res,3 = v_y = v_Stall + v₊ v_FG,3 = v_Stall + v₊ – v_w v_x = 0
• Die verringerte kinetische Energie beträgt nun: W_kin,3 = 1 / 2m·(v_Stall + v₊ – v_w)²
• Zum darauf folgenden Zeitpunkt 4 nach 3d wird das Flugzeug durch flachen Kurvenflug wieder zurück in die Position wie zum Zeitpunkt 1 nach 3a gedreht. Durch die Drehung erfolgt durch die Windkomponente aus y-Richtung eine Anströmung des Fluggerätes von der Seite. An den vertikalen Profilflächen (102a + b) lassen sich nun Winddreiecke nach 2 aufstellen. Der anströmende Wind aus y-Richtung erzeugt zusammen mit der sich gegen x-Richtung drehenden Flugrichtung eine sich ausbildende resultierende Anströmung v_res. Diese Anströmung v_res erzeugt an den vertikalen Profilflächen (102a + b) eine Auftriebskraft F_A, deren Komponenten F_F in Vortriebsrichtung x parallel zum Wind, sowie S_R in Richtung y in Windrichtung aufgeteilt werden können. Beide Komponenten führen zu einer Beschleunigung des Flugobjektes; F_F in x und S_R in y Richtung. Nach dem zum Zeitpunkt 4 durchgeführtem Kurvenflug von 90° führen beide Komponenten zu einer Erhöhung der kinetischen Energie. Mit zunehmender Geschwindigkeit in y-Richtung nimmt die Relativgeschwindigkeit zwischen Windkomponente v_w und der Fluggeschwindigkeit in y-Richtung v_y ab, wodurch die Gesamtkraft F_A und damit beide Antriebskräfte F_F und S_r abnehmen und schließlich verschwinden. Die Abnahme der Beschleunigung ist durch den Verlauf der mehrfach eingezeichneten Geschwindigkeitspfeile v_FG des Fluggerätes im Geschwindigkeitsdreieck in 3d eingetragen. Wird dieser Flugzustand länger beibehalten, strebt der Zustand wieder gegen die Ausgangslage und es wird der Zeitpunkt 5 nach 3d erreicht. Die Geschwindigkeit des Fluggerätes v_FG entspricht der Geschwindigkeit zum Zeitpunkt 1. Sie kann über die verbliebene Geschwindigkeit v_FG zum Zeitpunkt 4 und aus den am Fluggerät während des Überganges von Zeitpunkt 4 zu Zeitpunkt 5 anliegenden Kräften berechnet werden. Bei lang andauernder Ausrichtung strebt die Geschwindigkeitskomponente v_y gegen den Wert der Windgeschwindigkeit v_w. Die Beschleunigungswirkung der Auftriebskraft F_L in x-Richtung ist für eine Energiebetrachtung zu berücksichtigen, indem die Geschwindigkeit aus der Beschleunigungskraft durch Integration der Beschleunigung über der Zeit bestimmt wird.
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• Obwohl die Geschwindigkeiten gegenüber der Luft und gegenüber dem Grund genau denen zum Zeitpunkt 1 entsprechen, so ist doch vom Übergang von Zeitpunkt 2 zu Zeitpunkt 3 Kinetische Energie in Potentielle Energie gewandelt worden, wodurch dem Fluggerät eine Zunahme der Flughöhe gegeben wird. Es wurde somit durch Windkraft über Auftriebs- und Trägheitskräfte Höhe gewonnen.
• Im realen Fall wird der zur Beschreibung genutzte asymptotische Ausgangspunkt zum Zeitpunkt 1 und Zeitpunkt 5 nicht angefahren werden, da dann die effiziente Umwandlung der Energie nicht erreicht werden kann. Auch wird das Fluggerät (100) im Übergang von Zeitpunkt 3 zu Zeitpunkt 4 nicht abrupt in den Flug quer zum Wind gedreht werden, da dann die optimale Tragleistung der tragenden Profilflächen (101a + b) nicht erreicht wird. Vielmehr ist hier eine separate Einstellung des Anstellwinkels α der vertikalen Flächenelemente (102a + b) gegenüber der sich ändernden Anströmung v_res sinnvoll, um eine möglichst hohe Antriebskraft F_F bei moderater Windkraft S_R zu erhalten, um den Geschwindigkeitsgewinn in x-Richtung möglichst optimal auszunutzen. Die Kraft S_R bewirkt durch Beschleunigung des Fluggerätes in Windrichtung auch eine Zunahme der Kinetischen Energie. Allerdings ist nimmt bei zunehmender Geschwindigkeit in y-Richtung die Kraft S und damit auch die vortreibende Kraftkomponente F_F ab, weshalb häufiger Kurvenflüge des Fluggerätes durchgeführt werden müssen, wodurch die Energiewandlung weniger effizient wird. Nichtsdestotrotz kann durch die Energiegewinnung durch die Zunahme der Geschwindigkeit in Windrichtung (y-Richtung) auch eine Energiegewinnung erfolgen. Diese Energiegewinnung ist auch mit reinen Widerstandsflächen möglich, wie sie bei Flugzeugen beispielsweise durch den Rumpf bereitgestellt werden. Hier sind Flächen, die in Längsrichtung des Rumpfes einen geringen Luftwiderstand, in Querrichtung aber einen großen Widerstand aufweisen, besser geeignet als umgekehrt. Nach Art der Methode nach Anspruch 1 ist es auch mit sehr einfachen Fluggeräten durch einen Widerstand bei seitlicher Anströmung möglich, eine Energiegewinnung aus der Windströmung zu erzielen, wobei die Wandlungseffizienz allerdings wesentlich geringer als bei speziellen Profilflächen (102a + b) ausfällt.
• Zur Energiegewinnung sollen die Fluggeräte aerodynamisch gut ausgelegt sein. Hierbei ist darauf zu achten, dass gerade beim Kurvenflug nur geringe Verluste auftreten. Auch ein geringer Luftwiderstand in Flugrichtung ist wünschenswert. Es dann prinzipiell auch möglich, den Übergang von Zeitpunkt 2 zu Zeitpunkt 3 zeitlich verlängert auszuführen und insgesamt gegen den Wind voran zu fliegen. Eine aerodynamisch effiziente Gestaltung des Fluggerätes (100) ermöglicht auch optimierte Flugbahnen, bei denen die Kurven nicht zu 90° Winkeln geflogen werden. Alternativen zu Kurven mit unterschiedlicher Drehrichtung sind Flugbahnen mit konstanter Drehrichtung, sodass die Lageänderungen des Fluggerätes geringer ausfallen und die Wandlung in speziellen Fällen effizienter und die Steuerung vereinfacht wird. Hier sind Kreisähnliche Bahnen, die sich aufgrund des Einflusses der Windkomponente eher zu Ellipsenähnlichen Trajektorien ausbilden, vorteilhaft. Bei gut ausgebildeter Aerodynamik ist durch Kurvenflug eine geschlängelte Trajektorie gegen den Wind vorstellbar, die sogar zu einem Optimum des Energiegewinns durch die Strömung führen kann, wie es beispielhaft in 4 dargestellt ist. Beim Flug gegen den Wind kann Höhe durch Verringerung er Geschwindigkeit gegenüber dem Wind aufgebaut werden, beim Drehen gegen die gerade Anströmung erfolgt wiederum ein Beschleunigung aufgrund der seitlichen Windkräfte und damit die Zunahme der Kinetischen Energie.
• Die 1 zeigt ein Beispiel eines Fluggerätes zur Energiegewinnung nach der Methode nach Anspruch 1. Hierbei weist das Fluggerät einen strömungsgünstigen Rumpf (200) auf, an dem Tragflächenelemente (100) befestigt sind. In einem anderen Winkel hierzu stehen vertikale Profilelemente (102a + b), die im Betrieb durch die entstehende Auftriebskraft (F_A und S_R) und die Widerstandskraft (F_wres) Energie aus dem Wind in kinetische Energie des Fluggerätes übertragen. Weiterhin weist das Fluggerät einen Propeller (105) auf, welcher aus der Relativgeschwindigkeit gegenüber der Anströmung kinetische Energie in mechanische Energie wandelt. Ebenso kann hier anstatt eines Propellers (105) eine geschlossene Turbine eingesetzt werden. Propeller (105) oder Turbine können auch mehrfach und an unterschiedlichen Positionen am Fluggerät angebracht sein.
• Das Fluggerät nach 2 kann weiterhin einen Energiespeicher (108) aufweisen. Dieser Speicher kann durch die Rotationsenergie des Propellers gespeist werden. Die gespeicherte Energie kann an eine Station am Boden übermittelt werden, beispielsweise durch Übergabe nach der Landung, durch Austausch mit einem weiteren Flugobjekt in der Luft, durch Wandlung eines Stoffes, Verpackung und Abwurf, durch Übertragung mittels energetischer Wellen, oder durch andere Prinzipien.
• Es treten aufgrund der gewählten Flugbahnen sich ständig ändernde Beschleunigungskräfte auf, weshalb ein autonomer Betrieb dieser Fluggeräte zumindest während der Energiegewinnung anzustreben ist. Deshalb weist das Fluggerät nach 1 eine Steuereinheit (107) auf, die einen halb- oder vollautomatischen Flugbetrieb ermöglicht. Es ist aber auch möglich, das Gerät ohne Energiespeicher (108) oder ohne Rechnereinheit (107) auszuführen und die Umwandlung der Windenergie vornehmlich zum Halten oder zum Zugewinn von potentiellen Energie zu nutzen, was beispielsweise im Segelflugsport oder zum Transport von Waren angewendet werden kann.
• Im Beispiel nach 1a sind die tragenden und die vertikalen Profilflächen senkrecht aufeinander ausgerichtet. Zur Landung nach 1b kann das Fluggerät gedreht werden, und es dienen alle Flächen als Tragflächen. Ein Fahrwerk (106) ist hier beispielhaft an zwei 90° zueinander versetzten Traglügelenden angebracht und kann zur Landung aus den Flächen (101b und 102a) ausgefahren werden. Es ist aber genauso möglich, die vertikalen Profilflächen (102a + b), vollständig oder teilweise, erst während des Fluges aus- oder aufzuklappen und während der Landung vollständig oder teilweise einzuziehen. Auch ist es möglich, die vertikalen Flächenelemente (101a + b) während des Betriebes in der Luft ein- und auszuklappen, beispielsweise um vom Zustand zwischen Zeitpunkt 2 und Zeitpunkt 3 nach 3b + c den Luftwiderstand zu verringern. Auch können Variationen des Fluggerätes (100) schwenkbaren Profilflächenelementen ausgerüstet werden, bei denen die vertikalen Profilflächen (102a + b) in einen ähnlichen Winkel zum Rumpf geschwenkt werden wie die tragenden Profilflächen (101a + b), um beispielsweise zum Zeitpunkt 3 und Zeitpunkt 4 die Stallgeschwindigkeit zu verringern. Es ist auch möglich, die tragenden Profilflächen mit anpassbarer, im Flug veränderlicher Flügelgeometrie auszustatten. Dies ermöglicht beispielsweise eine geringere Stallsgeschwindigkeit, um damit eine höhere Effizienz der Energiewandlung zu den Zeitpunkten 3 und 4 zu erzielen. In dem Fluggerät nach 1 ist dies auf einfache Weise mit bekannten Wölbklappen realisiert, die aber nicht dargestellt sind. Im Beispiel nach 1 sind die vertikalen Flächenelemente (102a + b) nicht einklappbar, aber ihr Winkel bezüglich der Längsrichtung des Rumpfes kann kontinuierlich verändert werden, um einen optimalen Anstellwinkel α der Profilfläche (102a + b) zur anströmenden Luft v_res nach 2 zu gewährleisten.
• Die Betrachtungen und der Schutzumfang des Anspruchs 1 sowie die Ausführungen des Gerätes nach 3 beziehen sich nicht nur auf Fluggeräte, sondern umfassen in ähnlicher Art und Weise auch andere Fluide, wobei hier die dynamischen Betrachtungen an den Flächen mit angepasster Reynoldszahl erfolgen können.
• Bei der Nutzung wesentlich dichterer Fluide kann neben dem dynamischen Aufwind auch der statische Auftrieb durch Verdrängung zum Tragen des Gerätes genutzt werden. Es sind hier Geräte anwendbar, die den dynamischen Auftrieb zum Durchführen von Richtungsänderungen nutzen. Die Änderung der Lageenergie kann hierbei genutzt werden, um eine Geschwindigkeit einzustellen und damit die Steuerbarkeit des Gerätes zu gewährleisten. Ein Einsatz dieser Geräte kann dann beispielsweise in Wasserströmungen erfolgen.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
• Bezugszeichenliste

100

Fluggerät zur Verwendung mit Methode nach Anspruch 1

101a + b

horizontale Profilfläche zum Tragen des Fluggerätes (100)

102a + b

vertikale Profilfläche zum Nutzen der Windkraft

103

Stabilisator, der auch als Höhen und Seitenruder dienen kann

104

Rumpf

105

Propeller oder Turbine

106

Fahrwerk

107

Rechen- und Steuereinheit

108

Energiespeicher

x, y, z

Koordinatenrichtungen eines festen, auf den Boden bezogenen kartesischen Koordinatensystems

v_W

Windgeschwindigkeit, konstant in y Richtung

v_F

Geschwindigkeit der anströmenden Luft in Flugrichtung am Flächenprofil

v_FG

Geschwindigkeit des Fluggerätes über Grund im ortsfesten Koordinatensystem

v_res

Resultierende Anströmung auf die jeweilige Profilfläche

v_Stall

Minimale Geschwindigkeit gegenüber der anströmenden Luft, die erflogen werden kann

v₊

Geschwindigkeitsreserve, die dem Fluggerät (100) zur Stallgeschwindigkeit verbleibt

F_L

Luftkraft, die an den Profilflächen auftritt

F_A

Auftriebskomponente der Luftkraft F_L, die senkrecht zur resultierenden Anströmung v_res auftritt

F_F

Vortriebs-Kraftkomponente, die aus der Auftriebskraft F_A entsteht und der Beschleunigung des Fluggerätes (100) in x-Richung dient

S_R

Schubkraft-Komponente der Luftkraft F_L, die Aufgrund der Auftriebskomponente F_L in y-Richtung (Windrichtung) auftritt

S

Komplette Schubkraft, die das Fluggerät (100) in y-Richtung (Windrichtung) beschleunigt

F_wres

Widerstandskraft, die das Profil der resultierenden anströmenden Luft entgegensetzt

F_wF

Widerstandskraft am Profil, die in Flugrichtung auftritt

α

Anstellwinkel, mit dem die Anströmung v_res auf die Profilsehne des vertikalen Profils (102) trifft

m

Masse des gesamten Fluggerätes (100)

Claims (16)

1. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Windkraft durch ein Fluggerät (100), dadurch gekennzeichnet, dass • keine kraftschlüssige Verbindung zum Boden notwendig ist, • eine notwendige Gegenkraft S durch veränderliche Bewegung einer Masse m in einem Inertialsystem (x, y, z) erzeugt wird, • die Energie zumindest teilweise zur Reibungskompensation des Fluggerätes (100) genutzt wird und/oder dass dessen Höhe gegenüber einem festen Inertialsystem (x, y, z) verändert oder gehalten wird und die gewonnene Kinetische in Potentielle Energie gewandelt wird.
2. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkraft durch die Masse m des Fluggerätes (100) selbst, sowie durch die durch die Anstellwinkel der Profilflächen (101a + b, 102a + b) vorgegebenen Flugtrajektorien erzeugten Geschwindigkeitsänderungen erzeugt wird.
3. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Änderung der Geschwindigkeit der Masse des Fluggerätes (100) auch Kreiselkräfte in die Erzeugung der Gegenkraft mit einbezogen werden.
4. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass durch eine entsprechende Flugtrajektorie die Wegkomponente in Windrichtung (y) kompensiert werden kann und sich das Fluggerät (100) auch gegen den Wind fortbewegen kann.
5. Fluggerät (100) zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät mehrere Flächen (101a + b, 102a + b, 103) aufweist, deren Ausrichtung in der Art erfolgt, dass der Luftwiderstand in Hauptflugrichtung klein bleibt.
6. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Profilflächen (101a + b) des Rumpfes einen erhöhten Widerstand gegenüber Anströmung aus der seitlichen Richtung, aber einen geringem Widerstand gegenüber Anströmung aus Flugrichtung v_res aufweisen.
7. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das seitliche Profil des Rumpfes (104) eine Fläche darstellt, dessen Sehne im Normalflug mit der Ausrichtung des Rumpfes zusammenfällt, diese Ausrichtung aber beliebig im Winkel verstellt werden kann, um die seitliche Windkomponente (v_w) auszunutzen, um aus einer Kraft in Windrichtung (S_R) möglichst auch eine zusätzliche Kraft in eine nahezu senkrecht zur Windrichtung liegende horizontale (F_L), oder auch vertikale Kraftkomponente zu erzeugen.
8. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät mehrere Flächen (101a + b, 102a + b, 103) aufweist, deren Ausrichtung in der Art erfolgt, dass der Luftwiderstand in Hauptflugrichtung klein bleibt und das Gerät über Ruder oder den Anstellwinkel der Haupttragflächen (101a + b) selbst gesteuert werden kann.
9. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät vier Haupt-Profilflächenelemente (101a + b, 102a + b), aufweist deren Ausrichtung in annähernd senkrechter Weise zueinander in der Art erfolgt, dass der Luftwiderstand in Hauptflugrichtung klein bleibt und das Gerät über Ruder oder den Anstellwinkel der Haupttragflächen selbst gesteuert werden kann.
10. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbahn des Fluggerätes selbständig über eine Rechnereinheit (107) mit entsprechenden Sensoren gesteuert wird und so die Energiegewinnung optimiert werden kann und/oder eine selbständiges oder semi-selbständiges Fliegen und/oder Starten und/oder Landen erfolgen kann.
11. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewinn an potentieller und/oder kinetischer Energie dazu genutzt wird, über entsprechende Wandler wie Propeller (105), Turbinen, bewegliche Flügelflächen oder Ähnlichem Energie zu Wandeln, zu Nutzen, zu Speichern oder zu Übertragen.
12. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens zur Gewinnung von Energie aus Windkraft nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewinn an potentieller und/oder kinetischer Energie dazu genutzt wird, Antriebsenergie eines Flugobjektes (100) einzusparen bzw. die Flugzeit verlängern oder die absolvierbare Strecke zu maximieren.
13. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz in einem meteorologischem Ereignis wie einem Zyklone, also einem Hurrikane oder einem Taifun, erfolgt.
14. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz in einem Gebiet mit besonders starken oder besonders verlässlichen Strömungen erfolgt.
15. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Einsatz in einem beliebigen Fluid erfolgt.
16. Fluggerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz im Wasser erfolgt.

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