DE102011108309B4 - Der Windkraft-Fahrgenerator - Google Patents

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Abstract

Das Patent befasst sich mit der Gewinnung elektrischer Energie durch Windkraft, die längs eines Fahrwegs, der im Wesentlichen quer zur Windrichtung oder in Kreisform verläuft und dadurch gewonnen wird, dass von Fahrzeugen, die mit aerodynamisch wirksamen Flügelflächen bestückt sind, ein Teil der Vortriebsleistung mit Hilfe elektrischer Generatoren ausgekoppelt und in ein Verbrauchernetz eingespeist wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Nutzung der Windenergie mit Hilfe von Windturbinen auf turmartigen Maschinenträgern in windreichen Gegenden hat einen verhältnismäßig hohen technischen Stand erreicht. Die dabei finanziell geförderte Stromeinspeisung in öffentliche Netze ermöglicht den Investoren meist eine wirtschaftliche Basis und führt zu einer Verbreitung der anderenfalls nicht konkurrenzfähigen Technik. Es bestehen begrenzte Möglichkeiten zur weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit über die Erhöhung der Leistungsdichte bei den Wandlerstufen, aber kaum mehr bei der Windturbine selbst. Ihre Verwirklichung verlangt starte Eingriffe in das Anlagenkonzept und ist nicht einfach zu realisieren. Der Nachweis ihrer Zweckmäßigkeit steht noch aus. Es ist darüber hinaus festzustellen, dass es über die bislang realisierten Steigerungen der Anlagenleistung auf 5 oder 7 und in Zukunft eventuell 10 MW hinaus sehr schwer sein wird (unter Beibehaltung der spezifischen Kosten und der Umweltbeeinflussung) weitere Leistungssteigerungen durchzusetzen. Die Ausführung von turmbasierten Anlagen bringt zwar den Vorteil des mit der Turmhöhe steigenden Windertrags, beschränkt aber über die Kreisflächennutzung des Windquerschnitts und bei begrenzter Umfangsgeschwindigkeit der Flügelspitzen den Betrag der nutzbaren Leistung. Da die Flügelfläche bezogen auf die nutzbare Kreisfläche nicht erhöht werden kann, wenn die Schnellläufigkeit (höchste Umfangsgeschwindigkeit) nicht beeinträchtigt werden soll, ist eine Steigerung der Anlagenleistung über die Leistungsdichte der Turbine nicht in Sicht. Es ist nicht anzunehmen, dass die bereits hochgezüchteten Flügelprofile, die sehr günstige Relationen von ca/cw aufweisen, in einem größeren Umfang weiter verbessert werden können.
  • Die besonders im Seeeinsatz weiter erwartete Erhöhung der Anlagenleistung geht dort großenteils auf das Konto der erhöhten mittleren Windgeschwindigkeit auch in Verbindung mit großen Turmhöhen. Der Anteil der maschinentechnisch bedingten Erhöhung der auf die Masse bezogenen Leistungsdichte ist vergleichsweise gering. Es sollte erwähnt werden, dass die vergleichsweise hohen Anlagenkosten in erster Näherung drei großen Teilen zugeordnet werden können, nämlich der Windturbine (mit den mechanisch hoch beanspruchten Flügeln) der nachgeschalteten Energieumwandlung (mit dem Ergebnis elektrischer Strom) und dem Anteil der Bautechnik zur Stützung der Maschinenausrüstung. Bei allen drei Gebieten handelt es sich heute um eine recht spezialisierte hochwertige Technik, die beachtlichen Beanspruchungswerten ausgesetzt ist und teilweise unter extremen Bedingungen und Einschränkungen der Wartung eine hohe Lebensdauer erbringen soll. Es darf somit nicht erwartet werden, dass durch begrenzte Verbesserungsschritte in nur einem der genannten drei Bereiche sich bereits gravierende Kostensenkungen für die Anlage erzielen lassen. Auch die Schwierigkeiten bezüglich einer deutlichen Erhöhung der Anlagen-Grenzleistung sind absehbar. Sowohl für Horizontal- als auch für Vertikalwellen-Anlagen gilt z. B. in gleicher Weise, dass mit Zunahme des Flügelreis-Durchmessers die Masse der sich drehenden (bewegten) Teile stark zunimmt und das Problem der Lagerung, angesichts der hohen Massen und der Kraftkonzentration in Gondelmitte immer schwerer lösbar wird. Ähnlich zeigt sich für die Energieverwertung des an der Welle ansetzenden Generators, dass die von außen nach innen sich vollziehende Energiebündelung angesichts der hohen Kräfte bei geringer werdender Geschwindigkeit sich als Nachteil für die erreichbare Gesamteffizienz erweist. Nicht nur wegen der geringen Leistungsdichte im Windquerschnitt, sondern auch wegen der zur Quershnittsmitte hin vorgenommenen Leistungsführung sind Windkraftanlagen auf hohen Materialeinsatz bei gleichzeitig hohem technischen Standard und damit hohe spezifische Kosten festgelegt. Der Gondel-fokussierte Energiefluss mit der dort vollzogenen Energieumwandlung erschwert die Anlagenkonstruktion und bedeutet Wartungs- und Montageprobleme. Es ist erkennbar, dass hier die Entwicklung durch eine grundsätzliche Konzeptfestlegung sich in einem engen Korridor der Verbesserungsoptionen befindet, und die erwartete Kostensenkung schwer erreichbar erscheint. In verminderter Form gelten die beschriebenen Nachteile auch für Anlagen kleiner Leistung. Die bei konstanter Windgeschwindigkeit mit dem Flügelkreis-Durchmesser im Quadrat abnehmende Leistung erfordert auch hier einen zu hohen Materialeinsatz und führt bekanntlich zu hohen spezifischen Kosten von mehr als 1000 €/kW. Auch und gerade bei kleiner Anlagenleistung wäre es erwünscht, wenn sich hier größere Konzeptverbesserungen mit Hilfe neuer Lösungen für Kraftnutzung in Richtung Kostensenkung erzielen ließen. Nach gegenwärtiger Technik verlangen alle turmbasierten Anlagen nicht nur einen hohen bautechnischen Aufwand, auch die Wellenlagerung für das Flügelrad und der nicht unbeträchtliche Aufwand zur Erzeugung elektrischer Energie sowie das (trotz Leichtbauweise) massereiche Flügelrad bedingen insgesamt zu hohe Kosten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie vorzuschlagen, welche bestehende Restriktionen auflöst und effizienter arbeitet. Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmal des Patentanspruchs 1. Weitere effektive Ausgestaltungen bilden die Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht hiernach darin, eine Auflösung bestehender Restriktionen dadurch zu erreichen, dass für die Windkraftnutzung auf die Zusammenführung mehrerer Flügelkräfte von außen hin zu einer zentralen Welle ebenso verzichtet wird wie auf die Wellenlagerung, und auch die Energieumsetzung in elektrische Energie nicht zwangsweise über eine zentrale Welle zu erfolgen hat. Ein Konzept ohne gondelzentrische Bauweise führt naturgemäß weg von der bislang obligatorischen Kreisgeometrie der Anlage und dem kreisförmigen Windstrom-Querschnitt. Das Konzept ist befreit vom Energieverdichtungszentrum in Gondelmitte und nutzt eine mehr lineare Flügelbewegung mit Hilfe von Fahreinheiten. Es ist damit freigestellt, die kreisförmige Bewegung beizubehalten oder andere Fahrwegtopologien heranzuziehen. Ein Übergang von der turmbasierten Anlage zu einer Plattformanlage oder einem Fahrweg mit zweckmäßiger Linienführung in windreicher Landschaft ist gegeben. Mit unterschiedlichen Varianten für Fahrzeugführung und Kraftumwandlung stehen mehrere Optimierungsrichtungen offen und erweisen sich für unterschiedliche Zielsetzungen und Leistungsvarianten als geeignet. Erschwerende Bedingungen für die Bemessung von Baugruppen, wie Welle und Wellenlager, Generator für direkten Antrieb bei kleiner Drehzahl sowie für weitere turmbasierte Technik entfallen. Zwischen einzelnen Fahreinheiten mit windkraftaktiven Flügeln besteht ein ausreichend großer Abstand, so dass sich aerodynamische Wechselwirkungen stark reduzieren und verhältnismäßig große Wirkflächen zur Schuberzeugung einsetzen lassen. Die Zahl der Wirkelemente steht im Zusammenhang mit der Betriebsgeschwindigkeit und Anlagenausdehnung. Eine grundsätzliche Beschränkung der Anlagenleistung besteht jedoch nicht. Auch kostensparende Kleinanlagen lassen sich nach diesem Verfahren konzipieren. Der unterschiedlich gestaltbare Fahrweg und das Energieübertragungskonzept haben Einfluss auf die erzielbare Fahrgeschwindigkeit und die Anlagenleistung. Es existiert eine größere technische Vielfalt zur Lösung einzelner Probleme, die eine kostengünstigere Anlagengestaltung erlaubt. Der Hauptweg zur Lösung ergibt sich aus den formulierten Patentansprüchen. Bei den Patentanmeldungen AT 503 755 A1 , DE 10 2008 046 117 A1 , DE 197 57 121 A1 und US 4 859 146 A handelt es sich um Anordnungen (für Fahrgeneratoren), deren Fahreinheiten mit Hilfe eines durchgehenden Seils verbunden sind, und deren Steuerungseingriffe folglich ein individuelles Fahren (mit Geschwindigkeitsbeeinflussung) nicht zulassen. Im Falle der DE 101 46 085 A1 ist ein gemeinsamer kreisförmiger mechanischer Verbund aller Rotoreneinheiten vorgesehen, so dass es sich nicht um einzelne Fahreinheiten handelt und die Frage der individuellen Steuerung entfällt. Bei der Anordnung der DE 40 33 078 A1 handelt es sich um seilfrei betriebene Fahreinheiten, die mit Flettnerrotoren und nicht mit Flügelflächen ausgestatten sind. Es wird in der Beschreibung hervorgehoben, dass dies ein wesentliches Merkmal im Vergleich zu den mit Flügeln bestückten Fahreinheiten ist, die „aneinander gekettet” betrieben werden müssen. Die Erfindung zielt zwar auf eine verbesserte Steuerbarkeit, beschränkt sich aber auf die fahrtrichtungsabhängige Umschaltbarkeit der Kraftrichtung. Sie erfolgt durch eine Drehrichtungsumkehr der Flettnerrotoren. Somit liegt hier kein gesteuertes bzw. geregeltes Fahren durch Geschwindigkeitseingriff und wählbare Fahrzeugabstände vor.
  • Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen
  • Mit der Vermeidung der zentralen Welle als Stütz- und Sammelelement für Flügelmasse und Umfangskraft entfällt für die Flügel die bei großem Durchmesser schwer zu erfüllende Forderung, dass im gesamten Durchmesserbereich hochwirksame Beiträge zum Drehmoment erzeugt werden, die auch für hohe Geschwindigkeiten effektiv sind. Durch die mm vorliegende Anlagen-Voraussetzung ist für die Gestaltung der Flügelfläche ein größerer Spielraum vorhanden. Alle Flügelteile beteiligen sich annähernd gleichförmig an der Schuberzeugung. Anstelle großer Flügellänge ist es möglich, auch breitere Flügel oder Flügelteile nebeneinander ins Spiel zu bringen. Mit der hierdurch gegebenen Begrenzung der Flügellänge entfällt die Notwendigkeit, mit der Flügeldicke zur Begrenzung der Flügeldurchbiegung zu reagieren. Hierdurch lassen sich flächigere Profile mit kleinem cw-Wert einsetzen, so dass Flügelmasse reduziert und Verlustleistung eingeschränkt werden kann. Wie in 1 dargestellt, lässt sich ein entsprechendes Anlagenkonzept so verstehen, dass einzelne Windkraft nutzende Fahrzeuge, die mit kraftwirksamen Flügeln F ausgestattet sind, fahrbar mit Fahrwerk Fw verbunden sind und entlang eines Fahrwegs Fb durch den Wind bewegt werden und ein großer Teil der vom Wind übertragenen Energie vom Fahrzeug auf den stationären Anlagenteil übertragen wird. Eine Umwandlung in elektrische Energie ist hierbei vorgesehen, so dass eine Einspeisung in ein Verbrauchernetz gegeben ist. In 1 sind zwei gleichartige Fahrzeuge FZ nebeneinander in entgegengesetzter Richtung fahrend angenommen, die als Beispiel durch ein gemeinsames Zugseil Zs verbunden sind, wobei sich, wie 3 zeigt, über Zs und einen Generator Ge mit Getriebe Gt die Umsetzung in elektrische Energie vollzieht. Vier Umlenkräder Ur sind für den Seilzug Zs vorgesehen, um die gerade verlaufenden Fahrbereiche Fb in den Energiefluss einzubeziehen. Die Anlage wird im Hin- und Her-Betrieb genutzt, die Fahrumkehr vollzieht sich nahe den Umlenkrädern Ur. Die Ausrichtung der Anlage wird so gewählt, dass die Hauptwindrichtungen senkrecht auf den Fahrbereichen s und s' stehen. Mit 2 ist weiter angenommen, dass die Flügel F schwenkbar im Fahrwerk Fw montiert sind. Ihre Ausrichtung soll über Stellantrieb und Sensoren automatisch günstig der Windrichtung zugeordnet werden. Das Fahrwerk Fw ermöglicht die rollreibungsarme Bewegung des Fahrzeugs in beiden Längsrichtungen. Die Flügel F besitzen ein Profil, das zweckmäßig zur Fahrzeugmitte symmetrisch betrieben wird, so dass bei Queranströmung in beiden Richtungen gleich große Schubkräfte F und F' erwartet werden können. Über die Flügelstellung wird, wie in 2 dargestellt, der Anstellwinkel αA bestimmt (Differenzwinkel zwischen Flügelrichtung und Anströmgeschwindigkeit c). Zur rechnerischen Bestimmung der Vortriebskraft Fx und der (ideellen) Vortriebsleistung Px sind die in 2a angegebenen Gleichungen verwendbar. Zur Optimierung der Leistung sind auch weitere Maßnahmen, wie etwa der Einsatz eines einstellbaren Vorflügels jeweils in Fahrtrichtung (bei verhältnismäßig kleiner Geschwindigkeit) oder andere Maßnahmen zur Profilanpassung zweckmäßig. Um auf die am Generator Ge verfügbare Leistung zu kommen, ist von der über die Auftriebskraft erzeugte ideelle Leistung Px am Flügel dessen Widerstandsleistung PWF und die Widerstandsleistung PR des Fahrgestells abzuziehen. PWF ist luftreibungsbedingt und wird proportional zum Widerstandsbeiwert cw bestimmt. Die Widerstandsleistung des Fahrwerks PR ist hauptsächlich dem Rollwiderstand der Räder gegenüber der Fahrbahn zuzuschreiben. Bekanntlich sind hierbei Stahlschienen und Stahlräder (Stahlfahrbahn) deutlich günstiger als Rad-Fahrbahn-Paarungen aus weicherem Material und rauer Oberfläche. Die in 1 und 2 gezeichneten Fahrgestelle mit jeweils vier Rädern R werden zur Führung des Fahrzeugs ergänzt durch eine Flügelstützung, die Rollen Rs in Kontakt mit einer Stahlschiene St vorsieht, die ihrerseits an Stützen TF mit Tragteil angeordnet ist. Diese Stützung für F ist unabhängig von der Flügelstellung, die über einen Hilfsantrieb abhängig von Windrichtung und Fahrgeschwindigkeit vorgenommen wird. Sie ist innerhalb des Fahrwerks Fw eingebaut. Dort ist der Flügelschaft drehbar im Fahrgestell Fw befestigt. Die Verwendung einer reibungsarmen Abstützung des Flügels F an der erhöhten Schiene St ergibt zusätzlich die Möglichkeit, den Widerstandsbeiwert cw zu reduzieren. Der Flügelaufbau erfolgt so mit geringer Masse trotz verhältnismäßig großer Flügelhöhe, großer Flügelfläche und beträchtlichem Winddruck. Sie dient gleichzeitig der Längsführung des Fahrzeugs (Richtungsbestimmung) und wird mit Hilfe der Stahlrollen Rs zweckmäßig am vorderen und hinteren Fahrzeugende reibungsarm vollzogen. Die in 1 gezeichneten Seilrollen Sr in der Fahrbahnmitte dienen der reibungsarmen Seilauflage des Zugseils Zs. Sie sind in etwa gleichen Abständen in Seilrichtung eingebaut. Mit Hilfe der Zugseiltechnik ist für die beiden Fahrzeuge FZ eine Addition der Längskräfte gegeben, wie 3 zu entnehmen ist. Die Umsetzung der Windenergie kann somit mit einer Generatoreinheit Ge erfolgen. Sie wird anschließend in bekannter Form mit Hilfe eines Wechselrichters WR in die gewünschte Wechselfrequenz umgesetzt und durch den Transformator TR auf eine für die Weiterleitung zweckmäßige Spannungshöhe gebracht. Es ist ersichtlich, dass zur Vergrößerung der Anlagenleistung ein Einsatz mehrerer Fahrzeuge zwar möglich ist, aber zu einer deutlich längeren Strecke für s und s' zwingt. Den Optimalfall unterbrechungsfreier Fahrt (ohne Stillstand der Fahreinheiten an den Endpunkten) kann durch eine Anlagenergänzung und die Einrichtung eines Umlenkbereichs mit Anwendung reduzierte Geschwindigkeit gestaltet werden. Da in diesem Bereich die Vortriebskrafterzeugung aus aerodynamischen Gründen gestört und abgesenkt wird, ist für die Bewegung ein Hilfsantrieb anzuwenden. Es kann z. B. ein im Fahrwerk Fw eingebauter Antrieb für kleine Leistung diese Anforderung erfüllen. Auch die bekannte Seiltechnik für kleinere Seilbahnen und Skilifte ermöglicht den Einsatz einer zweiten Antriebsvariante für Übergangsbereiche bei kleinerer Geschwindigkeit und weitgehend stoßarmen Verhalten. Mit dem Anwendungsbeispiel der 4, 4a und 5 wird der Betrieb mehrerer Fahrzeuge FZ mit Hilfe einer Systemtechnik beschrieben, die auch für höhere Betriebsgeschwindigkeiten geeignet erscheint und einen verhältnismäßig einfachen Streckenübergang von s auf s' ermöglicht. Die Stahlrad gestützte Technik der Fahrwerke Fw wird z. B. auf der Basis von Spurkranzrädern vollzogen, deren getrennte Lagerung auf beiden Seiten einen reibungsarmen Kurvenbetrieb auch bei starker Krümmung (im Gegensatz zur Technik von Vollbahnen) sicherstellt. Entsprechend 1 wird ein großer Teil der seitlichen Abstützungskräfte durch die erhöht gegenüber Fb angeordnete Führschiene Sf und Rollenkontakt mit den Rollen Rs des Fahrzeugs horizontal übertragen. Für die Erzeugung der elektrisch verursachten Bremskraft auf den geraden Strecken wird ein synchron arbeitender Lineargenerator LG mit den Teilen G1 und G2 eingesetzt, dessen mit Spulen bestücktes Reaktionsteil G2 auf der stationären Seite der Fahrbahn Fb den bremsenden Strom fuhrt, während das im Fahrzeug FZ befestigte Teil G1 den magnetischen Fluss in einer Anordnung mit Polen wechselnder Polarität übernimmt. Die Spulenanordnung von G2 ist in 4a für eine abschnittsweise einsträngige nicht überlappte Wicklung gleicher Spulenweite gezeichnet, deren Nachbarabschnitte versetzt (um eine halbe Polteilung) angeordnet werden. Der örtlichen Verschiebung entspricht dann die Phasenverschiebung (von 90°) der jeweiligen Wechselströme. Auf diese Weise wird ein mehrsträngiges System symmetrischer Art durch einfachere (nicht überlappte) Spulen nachgebildet. Der phasenverschobene Wechselstrom der einzelnen Stränge wird über die Gleichrichter GR1, GR2, dem Netz UDC zugeleitet, von wo aus die weitere Umformung in mehrsträngigen Wechselstrom konstanter Frequenz mit Hilfe des Teilumrichters WR erfolgt und anschließend mit Hilfe des Transformators TR die Spannungshöhe für die Weiterleitung angepasst werden kann. Die Überleitung der Fahrzeuge vom Leistungsabschnitt I zum Abschnitt II erfolgt mit reduzierter Geschwindigkeit im Kurvenabschnitt S. Durch Einsatz der Flügel in Bremsstellung kann die vorausgehende Bremsstrecke verkürzt werden. Im Bereich verschwindender Windschubkräfte wird die Generatoranlage LG im Motorbetrieb eingesetzt Innerhalb der Umlenkstrecke S werden die Flügel F in ihrer Winkellage für die Schubbildung im Abschnitt II ausgerichtet und umgestellt. Geht man davon aus, dass im Abschnitt S eine wesentlich niedrige Geschwindigkeit gewünscht ist, so lassen sich dort auch kleinere Fahrzeugabstände realisieren, als in den Abschnitten I und II. Es ist erkennbar, dass sich nun gegenüber der Anordnung der 1, 2 und 3 die Anlagenvergrößerung mit erhöhter Zahl der Fahreinheiten FZ in zweckmäßiger Weise vollzieht. Eine grundsätzliche Beschränkung einer Leistungserhöhung (die etwa linear mit ansteigendem Aufwand verläuft) ist nicht zu erkennen. Das Verhältnis von Kosten und Leistung erscheint für diese Anlagentechnik keinen besonderen technischen Unwägbarkeiten unterworfen zu sein. Mit 6 wird darauf verwiesen, dass mit der im Überleitungsabschnitt S vorgesehenen Geschwindigkeitsreduktion ein Einbruch der Leistung Px verbunden ist. Die Generatorleistung kann dabei auch negativ werden, wenn kurzfristig die Widerstandsleistung größer als die Schubleistung wird. In diesem Fall soll, wie erwähnt, LG im Motorbetrieb für die Aufrechterhaltung der (verkleinerten) Geschwindigkeit eingesetzt werden. Es soll erwähnt werden, dass bei Anlagenbetrieb mit einer größeren Zahl von Fahrzeugen der von der Anlage dem Netz zugeführte Strom und damit die Leistung deutlich geringere Schwankungsausschläge aufweist als für den Betrieb des Einzelfahrzeugs. Darüber hinaus erscheint es vorteilhaft, die Leistungsschwankungen durch einen örtlichen Speicher günstiger Lade/Entladefähigkeit, etwa einen Schwungmassenspeicher, auszugleichen. Um die kraftaktiven Flügelflächen in die aerodynamisch günstigste Position zu bringen, hilft, wie erwähnt, die vorgesehene Einstellbarkeit des Flügelwinkels gegenüber der Fahrtrichtung und evtl. eine Profilverstellung. Zu optimalen Ergebnissen der Windkraftnutzung würde man gelangen, wenn auch die Streckenlage (Ausrichtung der Streckenteile I und II) jeweils quer zur Windrichtung gewählt werden könnte. An zahlreichen Standorten gibt es Vorzugswindrichtungen, z. B. West- und Ostwind. Ihre Häufigkeit kann deutlich höher liegen als diejenige der darauf senkrechten Windrichtungen. In diesem Fall würde eine Nord-Süd-Ausrichtung der Strecke die Nutzung der häufigsten Winde ermöglichen. Um alle Windrichtungen annähernd gleich günstig verwerten zu können, ist entweder die Kreisform oder eine orthogonal gekreuzte Streckenanlage geometrisch günstig. Wird der Kreuzungspunkt in die Mitte der Anlage gelegt, kann dort mit Hilfe von Weichen (oder einer Drehscheibe) durch Fahrzeuge ein Fahrbahnwechsel vollzogen werden. Eine entsprechende Streckenskizze zeigt 7. Die mit der Figurenreihe 4 bis 7 beschriebene Anlagentechnik bedient sich vorwiegend bekannter Technologien. Hierbei ist der erwähnte Lineargenerator LG als Beispiel einer noch verhältnismäßig neuen, jedoch in der Bahnanwendung als Linearmotor bekannten Antriebsart anzusehen. Durch die in 4 dargestellte Kombination mit einer Stahlradführung des Fahrzeugs FZ wird der Luftspalt zwischen den Generatorteilen G1 und G2 auf Werte zwischen 0,5 und 1,0 cm beschränkt. Die damit verwirklichbare Kraftdichte, die für den Aufwand an Generatormasse wichtig ist, kann verhältnismäßig hoch gewählt werden. Für Anwendungen mit sehr hohen Maximalgeschwindigkeiten, etwa im Bereich über 50 m/s sollte auch der Einsatz der annähernd leistungslosen Fahrzeugführung mit Hilfe der Magnetschwebetechnik sich rechtfertigen. Auf diese Möglichkeit weist 8 hin. Dort wird angenommen, dass entsprechend der mechanischen Radführung auf beiden Fahrwegseiten Tragkräfte erzeugt werden müssen. Es ist weiter angenommen, dass besonders auf der rechten Seite zusätzlich seitliche Führkräfte zur Spurhaltung durch die Magnetkreis-Wechselwirkung entstehen. Der größte Teil des notwendigen magnetischen Feldes kann verlustlos über Permanentmagneten bereitgestellt werden. Nur ein geringer Teil der für die Stabilisierung notwendigen Feldaussteuerung wird über Ströme erzeugt. Es erscheint zweckmäßig, zusätzliche Führkräfte durch die höher liegende Seitenführung aufzubringen. Mit dem höheren Kraftangriffspunkt verringert sich der erforderliche seitliche Anpressdruck. In 8 ist angenommen, dass der Lineargenerator LG mit den Teilen G1 und G2 auf der linken Seite des Fahrwerks Fw eingesetzt wird, während rechts keine Längskraft entwickelt wird. Die dort angeordnete Schiene Tfs kann als passive Stahlschiene ausgeführt sein. Das aktive Magnetteil mit Felderregung Mg ist dem Fahrzeug Fw zugeordnet. Die Wirkungsweise dieser Technik ist an verschiedenen Stellen der Fachliteratur beschrieben und auch in den Patentschriften dargestellt. Recht weitgehend auf ausgereifte Technologie stützt man sich, wenn die Erzeugung der elektrischen Leistung direkt im Fahrzeugteil FW vorgenommen und sie mit Hilfe einer klassischen Übertragung durch Schleifkontakte und einer „Fahrleitung” zur Kopplungsstation mit dem Netz geleitet wird. Von den Stützrädern R der Fahreinheit FZ ausgehend erfolgt der Antrieb des Generators Ge z. B. hochtourig über ein Getriebe, so dass die Spannung mit hoher Frequenz (z. B. 400 Hz) vorliegt. Im Fahrzeug kann die Spannungsanpassung (Erhöhung) und Frequenzwandlung (Gleichrichtung) mit begrenztem Geräteaufwand erfolgen. Darüber hinaus soll erwähnt werden, dass auch für die Konzeptvarianten nach 1 bis 7 es zweckmäßig ist, für Hilfsfunktionen, wie etwa die elektrische Flügeleinstellung, ein Bordnetz in den Fahrwerken Fw vorzusehen, dessen Energieversorgung sehr einfach über einen durch die Räder R betriebenen (rotierenden) Generator erfolgt. Dieselbe elektrische Maschine kann für phasenweisen Einsatz als Antriebsmotor etwa im Überleitungsbereich S eingesetzt werden. Wie im Zielsetzungsteil bereits erwähnt, lassen sich für die nun nicht mehr notwendige Energiebündelung mit Hilfe einer zentralen Welle in Turmhöhe auf der Basis der Windnutzung bei Fahrzeuggruppen mehrere Systemgrenzen überwinden. Für den Einsatz bei kleinen Anlagenleistungen kann mit Maßnahmen der herkömmlichen Technik in den drei Bereichen (Flügel, Maschinen, Bau) ein nennenswerter Kostenvorteil beschrieben werden. Auch für den Einsatz bei Anlagen großer Leistung entstehen offensichtliche Spielräume zur Verbesserung des Kosten/Leistungsverhältnisses.

Claims (6)

  1. Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie für ein Verbrauchernetz, bestehend aus einer länglich geschlossenen Fahrbahn und einer Anzahl auf der Fahrbahn reibungsarm bewegter Fahreinheiten FZ, die mit einem Fahrwerk verbundene windaktive, schubbildende Flügelflächen besitzen und mit Hilfe elektromagnetisch wechselwirkender Komponenten die mechanische Energie in elektrische Energie umsetzen, die auf der Fahrwegseite zur weiteren Verwertung abgeführt wird, wobei die Fahrzeuge durch Verstellung ihrer Flügel F und Stromlastbeeinflussung von Lineargeneratoren LG individuell in ihrer Fahrgeschwindigkeit beeinflusst werden, ohne dass eine durchgehende mechanische Verbindung der Fahrzeuge besteht.
  2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Fahreinheiten FZ über ein in schaltbare und dem Strom stellbare Abschnitte gegliedertes Spulensystem G2 im Fahrbereich und durch die stellbaren Flügel F in ihrer individuellen Geschwindigkeit gesteuert werden, und die Fahrbahn in sich geschlossen ist.
  3. Windkraftanlage nach einem der vorherigen Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator LG mit einer Magnetfelderzeugung G1 im beweglichen Teil und einem stromführenden Spulensystem G2 im stationären Teil so ausgeführt ist, dass die zu Gruppen zusammengeschalteten Fahrwegspulen nicht deutlich länger als die Fahreinheiten FZ sind und durch den als Gleichrichter arbeitenden Umrichter in Verbindung mit Sensoren die Bremswirkung auf das Fahrzeug von stationärer Seite aus stellbar ist.
  4. Windkraftanlage nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Fahrbahn und Fahrwerk der Fahreinheiten je 3 Trag- und Führstränge aufweisen, von denen mindestens einer zusätzlich die mechanischelektrische Energieumsetzung vollzieht, und die verbliebenden Trag- und Führkräfte nicht ausschließlich mit Hilfe der Rad behafteten Stütztechnik erzeugt werden.
  5. Windkraftanlage nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Fahreinheiten mit einem elektrischen Bordnetz zur Bereitstellung elektrischer Energie ausgestattet sind, wodurch der Einsatz von Hilfsantrieben elektrischer Art ermöglicht ist.
  6. Windkraftanlage nach dem vorherigen Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der für den Betrieb des Bordnetzes erforderliche Anteil der elektrischen Energie auf dem Fahrzeug erzeugt wird.
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