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Technische Bezeichnung
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Vorrichtung nach Patentanspruch, bei dem das System aus den Baugruppen Lufteinlass- und Luftauslasskonstruktion (Skizze 4), Schaufelradkonstruktion auf einem Achssystem (Skizze 8), sowie dem Generator (Skizze 1, links) als eine Einheit kompatibel zusammen gesetzt wird.
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Stand der Technik
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In Hinsicht auf Strömungsenergie ist bekannt, dass Energie mittels Wind über Windräder gewonnen wird. Hier kommen als Beispiel Lang- und Schnellläufer, die in der Landschaft und auf der Nordsee (Offshore-Park) aufgebaut sind zur Anwendung (Zeitschrift „Sonne, Wind&Wärme" Jahrgang 2010, Heft 13, Seite 78 bis 130).
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Ein nächstes Patent zum Stand der Technik betrifft eine Erfindung für einen ”Mechanischen Energiewandler Strömungsenergie” zur Energietransformation der Strömungsenergie von Flüssigkeiten, vornehmlich von Wasser, in Nutzenergie. Hierfür wird eine schwimmende Vorrichtung vorgeschlagen, die aus mindestens einem Zylinder mit Einlauftrichter besteht. In dem Zylinder sind kraftaufnehmende Flächen angebracht. Die Rotationsenergie wird nach außerhalb des Zylinders geleitet, um über ein Getriebe einen Energiewandler zur Bereitstellung von Nutzenergie zugeführt zu werden (Patent:
DE 19907180 A1 ; Datum: 31.08.2000).
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Weiterhin ist bekannt, dass der Innovationsmarkt eine Vorrichtung zur Umwandlung von Strömungsenergie von Luft bereit hält. Hier ist die Gewinnung von elektrischer Energie aus strömender Luft über den Verkehrsweg an Autobahnen und Schnellstraßen gemeint. In regelmäßigen Abständen ist ein Strömungsenergie-Wandler vorgesehen, der aus einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse mit innenliegender vertikaler Achse, einen um die Achse drehbaren Rotor und einen Generator besteht (InnovationMarket-Vorrichtung zur Umwandlung von Strömungsenergie von Luft-Innovation; Athena Technologie Beratung GmbH = Betreuer dieses Summaries).
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Weiterhin wird auf einigen Schiffen durch Einsatz von Dampfturbinen zusätzlich zur Stromerzeugung Energie hergestellt. Dem Abgasturbolader parallel geschalteten Abgasturbinen werden zur weiteren Abgasausnutzung eingesetzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Dampfturbinen und vom Abgas angetriebene Abgasnutzturbinen erzeugen weit mehr Strom als benötigt. Daher kommen Wellengeneratoren zum Einsatz, um die überschüssige E-Leistung nutzen zu können.
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Anwendungen finden als Beispiel auf der Emma-Mærsk-Klasse statt (Containerschiffe der dänischen Reederei Mærsk; Internet: www.abb.com/turbocharging; Seite 7).
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Problem
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Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass die orkanartig austretenden Abgasströmungen (Austrittsimpuls) nicht ausgenutzt werden und in der Umwelt ungenutzt verschwinden. Weiterhin stellt die umstrittene Atomenergie und das schwindende Ölvorkommen Probleme der Laufzeiten dar und deshalb ist die Wichtigkeit enorm, ungenutzte Energie zu gewinnen. Herkömmliche Windräder verbauen die Umwelt und entwickeln laute Geräusche, sowie Licht und Schattenspiele, die einen ungünstigen Einfluss auf Mensch und Umgebung nehmen. Der steigende Flugverkehr sollte seinen Beitrag leisten, Energiegewinnung für örtliche Institutionen selbstständig zu gewinnen und keine zusätzliche Energieabnahme aus dem öffentlichen Energienetz zu kaufen.
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Lösung
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Diese Probleme werden durch die im Patenanspruch aufgeführten Merkmale gelöst.
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Erreichte Vorteile
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine weitere Möglichkeit zur Entwicklung von Strom geschaffen werden kann. Flughäfen und weitere anzuschließende Stromverbraucher können den zu gewinnenden Strom nutzen. Die Umwelt wird optisch nicht belastet, denn diese Anlage befindet sich unter der Start- und Landebahn und hat keinen Einfluss auf das Umfeld. Weiterhin besteht diese Anlage aus einem kompletten System mit seinen Baugruppen, welche schnell und mit kleinem Aufwand an seinen Bestimmungsort gebracht und in Betrieb genommen werden kann. Die Erfindung soll es ermöglichen neben den vorhandenen technisch ausgereiften Windkraftanlagen die erneuerbare Energiequelle Strömungskraft auch dort zu nutzen, wo aus technischen, betriebswirtschaftlichen oder ökologischen Gründen bisher keine Nutzung erfolgte.
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Wegen der hohen Leistung einer strömenden Abgasenergie, die bereits vorhanden ist, werden zu ihrer Nutzung im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen Systeme erforderlich, die mit einem entsprechenden Investitionsaufwand bei möglichst umfassender industrieller Vorfertigung zum Einsatz kommen können.
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Weitere Ausgestaltung der Erfindung
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Eine Weiterentwicklung nach dem Patentanspruch ermöglicht es, zusätzliche Schaufelradkonstruktionen in das System zu integrieren, damit die Leistung gesteigert und somit zusätzlich Energie gewonnen werden kann.
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Fakten und Daten
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Gegenwärtig werden zwei Arten von Flugzeugtriebwerken eingesetzt. Der Propellerantrieb mit sich drehendem Propeller und das Strahl- oder Düsentriebwerk, welches den Vortrieb durch einen Abgasstrahl erzeugt.
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Beide Triebwerksarten funktionieren nach dem sogenannten Rückstoßprinzip. Luft aus der Umgebung wird angesaugt, beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit nach hinten geworfen.
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Nach dem Stand der Technologie von 1995, stößt ein Flugzeug (150-sitziges) bei einer Flugstunde ca. 852700 kg Luft orkanartig aus. Diese Luft besteht aus heißer und kalter Luft (Internetrecherche: BAZL Sektion Umwelt LEUW; Autor: Rindlisbacher, Theo).
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Der maximale Startschub ist der höchste und wird nur für den Start verwendet. Dieser liegt bei kalten Temperaturen knapp über 80% und bei warmen Temperaturen um die 95%.
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In aller Regel existiert bei diesem Schubniveau eine zeitliche Einschränkung von 5 min (take of thrust) (Fachbuch „Angewandte Flugleistung" Jahrgang 2008; Autor Scheiderer, Joachim; Seiten 79–86) Überschlägig gesehen beträgt der Gesamtschub eines Flugzeuges (alle Triebwerke zusammen) etwa 25% bis 33% des maximalen Bruttostartgewichts (MTOGW = Maximum Take off Gross Weight) eines Flugzeuges. Der Strahl hat ab dem Düsenaustritt eine zylindrische Form. (Fachliteratur Flugzeugtriebwerke Jahrgang 2009; Auflage 3; Seite 119; Autor Willy J. G. Bräunling)
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Die allgemeine Grundgleichung und das physikalische Prinzip lehnen sich an das zweite und dritte Newton'sche Axiom. Die Kraft, die ein Triebwerk entwickelt, basiert auf einer Luftmasse, die im Triebwerk eine Geschwindigkeitsänderung erfährt:
Kraft (bzw. Schub) = Luftmassendurchsatz in kg pro Zeiteinheit mal (Eintrittsgeschwindigkeit der Luft minus Austrittsgeschwindigkeit der Luft), (Fachbuch „Angewandte Flugleistung" Jahrgang 2008; Autor Scheiderer, Joachim; Seiten 79–80).
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Turbinendaten
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- A 380, Rolls-Royce Trent 900 Triebwerk, im Flugverkehr mit einem Schub von 311 kN = 31,71 t Luft
- A 330, Rolls-Royce Trent 700 Triebwerk, im Flugverkehr mit einem Schub von 300 kN = 30,59 t Luft
- B 777, Rolls-Royce Trent 892 Triebwerk, im Flugverkehr mit einem Schub von 400 kN = 40,79 t Luft
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Diese Angaben sind jeweils nur auf ein Triebwerk (Schub max.) bezogen, dementsprechend wird je nach Anzahl der Triebwerke auf multipliziert.
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Kinetische Energie
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Jedes bewegte Objekt mit einer Masse m enthält eine kinetische Energie E (Bewegungsenergie), um die sich der Gesamtenergiebetrag des Objekts zu einem ruhenden und ansonsten gleichen Objekt unterscheidet. Die Energie eines bewegten Objekts entspricht der Hälfte seiner Masse mal dem Quadrat seiner Geschwindigkeit v.
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Für Windkraftanlagen ist die bewegte Masse die Luft die durch die Rotorfläche strömt.
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Um die kinetische Energie des Abgasstromes in elektrische Energie umzuwandeln muss zuerst die kinetische Energie in mechanische Energie gewandelt werden, die danach in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser erste Schritt wird durch den Rotor des Schaufelrads realisiert.
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Für diese Umwandlung wird das Widerstandsprinzip genutzt was jede Fläche mit in seine Richtung schiebt und dadurch entsteht eine Kraft, die die Fläche bewegt- die Widerstandskraft.
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Beschreibung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Skizzen 1–9 dargestellt und wird im Folgenden beschrieben.
- 1. Systembeschreibung (Baugruppen)
- 2. Ablauf
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zu 1. Baugruppen
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Schaufelradkonstruktion auf einem Achssystem (Hauptsystem Skizze 8)
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Das Hauptsystem arbeitet in einem geeigneten bzw. zweckdienlichen Gehäuse und befindet sich im Boden an den Enden der Start- und Landebahn. Dieses Gehäuse zieht sich fast über die gesamte Breite der Bahn hin. In dieser Form befindet sich die Schaufelradkonstruktion auf einem Achssystem (Skizze 8), welche horizontal in Längsrichtung sich befindet. Die Halterung der Achse (Skizze 8) wird mittels Kugellagersystem in der Mitte an beiden Enden gehaltert. Das System soll sich um seine Achse frei drehen, um so einen reibungsarmen Umlauf gewährleisten zu können. An der Achse befinden sich in verschiedener Anzahl und Abstand Schaufeln, die nach Testläufen in genauer Anzahl und Form erst festgestellt werden müssen (Skizze 3). Die Schaufeln sind zu einer Seite so gekrümmt (konkav oder konvex), dass sich ein Widerstand gegen die orkanartige Luftströmung bildet, um sich dann mit der Kraft der extremen Winde stärker zu rotieren. Ziel ist es, eine hohe Rotationsgeschwindigkeit des Schaufelradsystems zu erreichen. Durch eine Kontaktschwelle auf der Einfahrt zur Start- und Landebahn wird das Schaufelrad über einen Elektromotor (Skizze 8, rechts) mittels eigener Energie in Gang gesetzt. Die starke Strömungsluft trifft auf ein sich bewegendes Schaufelrad, welches die Rotation des Systems stark erhöht. Der Boden ist geschlossen, jedoch so, dass Regenwasser über eine Leitung abfließen kann und sich keine Wassermengen in dem Gehäuse bilden. Nach oben ist das Gehäuse, abgesehen von der Lufteinlass- und Luftauslasskonstruktion (Skizze 1, rote Markierung) geschlossen, damit der Luftstrom nicht entweichen kann.
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Lufteinlass- und Luftauslasskonstruktion (Skizze 5)
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Diese Konstruktion hat die Form einer Wanne, welche sich vom Lufteinlass bis zum Luftauslass hinzieht (Skizze 6). Diese Konstruktion hat die gleiche Länge über die Fahrbahnbreite wie das Hauptsystem. Der Wannenboden reicht nur bis zur Achsenmitte (Skizze 7), damit der orkanartige Luftstrom nur auf den oberen Teil der Schaufeln gelangt. Im Bereich der Schaufeln wird die Wannenform unterbrochen (Skizze 5), damit das Schaufelrad genügend Freiraum hat sich zu bewegen. Diese Konstruktion umringt das Schaufelrad komplett, so dass die Strömungsluft nur das Schaufelrad trifft. Der Lufteinlass befindet sich im Boden der Start- und Landebahn, so dass die Abgasluft über eine Klappe (Skizze 6) zu den Schaufeln geführt werden kann. Diese Klappe, die aus verstärktem Material besteht, hat die Aufgabe, die Abgasluft nach unten zum Schaufelrad zu leiten. Die Sicherheit der Flugzeuge wird gewährleistet, da die Klappe mittels manueller Betätigung aber auch automatisch bei Landeanflügen geschlossen werden kann. Die Luftauslassöffnung ist schmal und besteht aus einem Stahlgitter, damit abströmende Luft entweichen und ein überfahren damit möglich ist (Skizze 4).
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Generator
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Der Generator, welcher mit dem Achssystem verbunden ist, ist eine elektrische Maschine, die Bewegungsenergie oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt (Skizze 1).
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Antrieb
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Der eigenständige Antrieb, um das System in eine gewisse Geschwindigkeit zu bringen, befindet sich unmittelbar am Achssystem. Dies kann auf beiden Seiten möglich sein (Skizze 2).
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zu 2. Ablauf
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Das System wird beim Überfahren der Kontaktschwellen automatisch eingeschaltet, welche auf der Zufahrt zur Startbahn sich befinden. Das heißt, dass sich die Klappe öffnet und das Schaufelradsystem zu seiner konstanten Geschwindigkeit sich bewegt. Dies muss geschehen, da das System eine hohe Masse besitzt. Hierbei nutzt das System seine eigene zuvor gespeicherte Energie. Falls die geforderte Energie nicht vorhanden ist, wird diese aus dem normalen Netz entnommen. Sobald das Flugzeug auf der Start- und Landebahn steht, nimmt die Anlage schon die Strömungswinde (Austrittsimpuls) auf und steigert so die Geschwindigkeit des Schaufelrades. Sobald der Start frei gegeben wird, drehen die Turbinen des Flugzeuges auf und es kommt zu orkanartigen Luftströmungen, die eine sehr hohe Rotation erzeugt. Nachdem das Flugzeug sich entfernt hat, sinkt die Rotationsgeschwindigkeit des Schaufelrades (Skizze 3) langsam ab, weil seine Massenträgheit hier für das Auslaufen abhängig ist. Das langsame Auslaufen des Systems überbrückt die Wartezeit bis zum nächsten Start eines Flugzeuges und produziert gleichzeitig weiterhin Strom. Wenn im Anschluss kein Flugzeug mehr starten sollte, fährt das System automatisch runter und geht in den Standby über. Die Klappe schließt sich und das System kommt zum Stillstand. Bei verkehrsintensiven Flughäfen (Bsp.: Frankfurt am Main und London Heathrow) kommt es kaum zum Stillstand und damit zu einer vollen Auslastung der Konstruktion!
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Sonne, Wind&Wärme” Jahrgang 2010, Heft 13, Seite 78 bis 130 [0002]
- www.abb.com/turbocharging; Seite 7 [0006]
- Internetrecherche: BAZL Sektion Umwelt LEUW; Autor: Rindlisbacher, Theo [0014]
- „Angewandte Flugleistung” Jahrgang 2008; Autor Scheiderer, Joachim; Seiten 79–86 [0016]
- Flugzeugtriebwerke Jahrgang 2009; Auflage 3; Seite 119; Autor Willy J. G. Bräunling [0016]
- „Angewandte Flugleistung” Jahrgang 2008; Autor Scheiderer, Joachim; Seiten 79–80 [0017]
