DE102011122071A1

DE102011122071A1 - Stirlingmotor mit Schlagflügel für ein emissionsfreies Fluggerät

Info

Publication number: DE102011122071A1
Application number: DE102011122071A
Authority: DE
Inventors: Jost Seifert
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011122071B4; US9080450B2; US20130164130A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit emissionsfreien Fluggeräten. Um einen möglichst leichten Antrieb mit einem auf den Betrieb bezogenen reduzierten CO2-Ausstoß zur Verfügung zu stellen, ist ein Fluggerät (10) mit einem emissionsfreien Antrieb (12) vorgesehen, mit einer Antriebseinrichtung (14), einer Auftriebseinrichtung (20) und einer Wärmekraftmaschine (26) zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung. Letztere weist für die Schuberzeugung eine Schlagflügelvorrichtung (16) auf, mit wenigstens einem Schlagflügel (18), der quer zur Flugrichtung (40) schwenkbar ist. Der Schlagflügel wird von einer Haltevorrichtung (46) um eine quer zur Flugrichtung verlaufende Schwenkachse (48) schwenkbar gehalten. Als Wärmekraftmaschine ist wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor (28) vorgesehen, der durch solare Wärmestrahlung angetrieben wird, und der einen in einer Arbeitskammer (52) mit einem veränderlichen Arbeitsvolumen (58) beweglich angeordneten Verdränger (60), und einen mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitskolben (64) zur Veränderung des Arbeitsvolumens aufweist. Der Arbeitskolben ist über eine primäre Getriebeeinrichtung (72) mit einer Trageinrichtung der Haltevorrichtung gekoppelt, so dass eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens ein Verschwenken des ersten Schlagflügels bewirkt; und der Verdränger ist über eine sekundäre Getriebeeinrichtung (74) mit einer Verstell-Kinematik (70) der Haltevorrichtung gekoppelt, so dass ein Umschlagen des Schlagflügels den Verdränger phasenrichtig ansteuert.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit emissionsfreiem Fliegen und betrifft ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Fluggeräts.
Zur Fortbewegung von Fluggeräten, beispielsweise von Flugzeuge, verfügen diese über eine Antriebseinrichtung, beispielsweise einen oder mehrere Propeller, wobei der Antrieb durch einen Verbrennungsmotor erfolgt. Als Antriebseinrichtung sind darüber hinaus auch Turbinen bekannt, die ebenfalls auf der Verbrennung von Kraftstoff beruhen. Bedingt durch die allgemein anerkannte Thematik der Klimaerwärmung gibt es jedoch vermehrt Überlegungen zum möglichst emissionsfreien Betreiben eines Flugzeugs, oder zumindest mit reduziertem CO₂-Ausstoß. Bei der Verwendung von Elektromotoren sind nach heutigem Stand der Technik jedoch die dafür erforderlichen Batterien noch nicht verfügbar. Allerdings gibt es kleine Flugdemonstratoren, wie zum Beispiel den elektrisch fliegenden Cri-Cri von EADS, die die prinzipielle Machbarkeit des Elektrofluges bei kleinen Flugzeugen nachgewiesen haben. Weiterhin gibt es Solarflugzeuge wie den Solarimpuls, die einen Flug auch während der Nacht ermöglichen, indem am Tag Sonnenenergie durch Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt wird, und in Batterien gespeichert wird, der dann in der Nacht einen Elektromotor antreibt. Die Solarzellen sind jedoch mit hohen Kosten verbunden.
Es besteht daher ein Bedarf für Fluggeräte mit einem möglichst leichten Antrieb mit einem auf den Betrieb bezogenen reduzierten CO₂-Ausstoß.
Diese Aufgabe wird durch ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb und einem Verfahren zum Antreiben eines Fluggeräts nach einem der unabhängigen Ansprüche erreicht. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb vorgesehen, mit einer Antriebseinrichtung zur Erzeugung eines Vortriebs, einer Auftriebseinrichtung zur Erzeugung eines Auftriebs, und einer Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung. Die Antriebseinrichtung weist für eine Schuberzeugung eine Schlagflügelvorrichtung auf, mit wenigstens einem Schlagflügel, der quer zur Flugrichtung schwenkbar ist. Der Schlagflügel ist mit einer Haltevorrichtung um eine quer zur Flugrichtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar gehalten. Als Wärmekraftmaschine ist wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor vorgesehen ist, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist, und der einen in einer Arbeitskammer mit einem veränderlichen Arbeitsvolumen beweglich angeordneten Verdränger, und einen mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitskolben zur Veränderung des Arbeitsvolumens aufweist. Der Arbeitskolben ist über eine primäre Getriebeeinrichtung mit einer Trageinrichtung der Haltevorrichtung derart gekoppelt, dass eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens ein Verschwenken des ersten Schlagflügels bewirkt. Der Verdränger ist über eine sekundäre Getriebeeinrichtung mit einer Verstell-Kinematik der Haltevorrichtung derart gekoppelt ist, dass ein Umschlagen des Schlagflügels den Verdränger phasenrichtig ansteuert.
Die gekoppelte Ansteuerung weist eine Phasenverschiebung von ca. 90° auf.
Der wenigstens eine Schlagflügel verläuft quer zur Flugrichtung und erzeugt bei einer Bewegung quer zur Flugrichtung einen Vortrieb in Richtung der Flugrichtung.
Die Arbeitskammer weist ein veränderliches Arbeitsvolumen auf und ist mit einem Arbeitsgas gefüllt; in der Arbeitskammer ist ein Regenerator angeordnet zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie.
Bei einem „Flachplatten-Stirlingmotor” handelt es sich um einen Stirlingmotor, bei dem ein Verdränger mit diskontinuierlicher Steuerung vorgesehen ist. Der Verdränger arbeitet dabei bereits mit sehr niedriger Temperaturdifferenz, was auch dadurch bedingt ist, dass das System der Flachplatte im Verhältnis zum Arbeitsvolumen eine größere Wärmeübertragungsfläche aufweist. Dabei wird eine auch als Vorderwand bezeichnete Fläche beheizt, gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere durch Sonneneinstrahlung. Flachplatten-Stirlingmotoren eignen sich zur Umwandlung von thermischer Energie, die durch die solare Wärmestrahlung zur Verfügung gestellt wird, in Bewegungsenergie. Flachplatten-Stirlingmotoren können bereits bei geringen Temperaturdifferenzen, beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz von ca. 15°, angetrieben werden. Aufgrund ihres Wirkungsprinzips können Flachplatten-Stirlingmotoren mit relativ leichten Bauteilen realisiert werden. Durch die Nutzung der solaren Wärmestrahlung als Wärmequelle, die für den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors unumgänglich ist, ist ein emissionsfreier Antrieb, d. h. ein Antrieb mit reduziertem CO₂-Ausstoß, möglich.
Der Begriff „Fluggerät” umfasst auch Luftfahrzeuge und insbesondere auch bemannte und unbemannte Flugzeuge. Unter „Fluggerät” werden auch Luftschiffe sowie Ballonfahrzeuge verstanden.
Die Auftriebseinrichtung umfasst beispielsweise einen mit einem Auftrieb erzeugenden Fluid gefüllten Körper eines Luftschiffs oder eines Ballonfahrzeugs.
Die Auftriebseinrichtung kann auch eine Flügeleinrichtung mit einem Tragflügelprofil zur Erzeugung eines Auftriebs (bei entsprechend gleichzeitigem Vortrieb zur Erzeugung der notwenigen Strömung) umfassen. Der Begriff „Flügeleinrichtung” umfasst beispielsweise auch die integral mit einer Rumpfkonstruktion ausgebildeten Auftriebseinrichtungen bei Nur-Flügel-Flugzeugen.
Gemäß der Erfindung können mehrere Flachplatten-Stirlingmotoren vorgesehen sein, z. B. bezogen auf die Flugrichtung nebeneinander oder hintereinander, oder auch an mehreren Stellen verteilt angeordnet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Auftriebseinrichtung eine Flügeleinrichtung mit einem Tragflügelprofil zur Erzeugung eines Auftriebs, wobei der Flachplatten-Stirlingmotor in der Flügeleinrichtung angeordnet ist.
Dadurch lässt sich ein Flachplatten-Stirlingmotor zur Verfügung stellen, der eine möglichst große, der solaren Wärmestrahlung ausgesetzte Fläche aufweist. Außerdem kann der Flachplatten-Stirlingmotor die Querschnittsgeometrie des Tragflügelprofils optimal ausnutzen, was sich auch aus dem folgenden ergibt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist bei dem Flachplatten-Stirlingmotor vorgesehen, dass die Arbeitskammer mit einem Arbeitsgas gefüllt ist und das veränderliche Arbeitsvolumen zwischen einer Oberseite und einer Unterseite ausgebildet ist. Der Verdränger ist in der Arbeitskammer zwischen der Oberseite und der Unterseite beweglich gehalten. In der Arbeitskammer ist ein Regenerator zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie angeordnet. Die Arbeitskammer ist in der Auftriebseinrichtung angeordnet ist und das Arbeitsgas ist von einer Oberseite der Auftriebseinrichtung her durch die solare Wärmestrahlung erwärmbar.
Die Ausrichtung der Oberseite zur solaren Wärmestrahlung ergibt sich während des Flugbetriebs, da die Oberseite stets nach oben und damit in Richtung der Sonneneinstrahlung weist. Die solare Einstrahlung bewirkt, vereinfacht gesagt, ein Erwärmen des Arbeitsgases in dem Bereich oberhalb des Verdrängers, wodurch sich das Arbeitsgas ausdehnt und den Arbeitskolben nach außen drückt. Anschließend erfolgt ein Abkühlen und damit Zusammenziehen des Arbeitsgases in dem oberen Bereich, und es kommt zu einer erneuten Bewegung des Arbeitskolbens, woraufhin wieder ein erneuter Schritt des Aufwärmens und Ausdehnens beginnt. Entscheidend ist hierbei, dass der Verdränger das Arbeitsgas zwischen der warmen Oberseite und der kalten Unterseite hin und her transportiert, um eine schnelle Abkühlung bzw. Erwärmung des Arbeitsgases zu erzielen.
Die Getriebevorrichtung weist eine primäre Getriebeeinrichtung auf, die mit der Haltevorrichtung, d. h. dem Tragarm oder der Trageinrichtung, derart gekoppelt ist, dass eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens ein Verschwenken des ersten Schlagflügels bewirkt. Die Getriebevorrichtung weist außerdem eine sekundäre Getriebeeinrichtung auf, die mit der Verstell-Kinematik des Schlagflügels, d. h. Verstell-Kinematik der Haltevorrichtung, derart gekoppelt ist, dass ein Umschlagen des Schlagflügels den Verdränger phasenrichtig ansteuert.
Der Arbeitskolben ist in einem Arbeitshohlraum beweglich gehalten, wobei der Arbeitskolben eine bewegliche Wandfläche der Arbeitskammer darstellt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Arbeitskammer zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite ausgebildet, wobei der Verdränger die Arbeitskammer in einen ersten und einen zweiten Kammerbereich unterteilt. Der Verdränger ist derart ausgebildet, dass er bei Bewegung Arbeitsgas von dem einen in den anderen Kammerbereich verdrängt. Die Flügeloberseite bildet eine erste Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer ersten Temperatur und die Flügelunterseite eine zweite Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer zweiten Temperatur. Die zweite Temperatur ist niedriger als die erste Temperatur.
Der erste Kammerbereich ist ein oberer Kammerbereich, und der zweite Kammerbereich ist ein unterer Kammerbereich.
Das Arbeitsgas kann von einer Unterseite der Auftriebseinrichtung her, z. B. auf der Flügelunterseite, kühlbar sein, d. h. gekühlt werden. Die Flügeleinrichtung kann z. B. im Bereich der Arbeitskammer auf der Unterseite eine wärmeleitende Kammerwandung im Bereich der Arbeitskammer aufweisen, z. B. ein Aluminiumblech.
Die erste Seite bildet eine warme Seite und die zweite Seite eine kalte Seite des Flachplatten-Stirlingmotors.
Bei Bewegung des Verdrängers strömt Arbeitsgas durch den Regenerator, wobei dieser derart ausgebildet ist, dass bei Durchströmen mit dem Arbeitsgas eine Abgabe bzw. Aufnahme von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie erfolgt.
Im vorderen Bereich des Flügelprofils, d. h. zur Nasenkante hin, kann eine zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite verlaufende Wandung vorgesehen sein, welche die Arbeitskammer gegenüber einem vorderen Bereich abschließt.
Der Flachplatten-Stirlingmotor kann zur Flügelstatik herangezogen werden, d. h. in die Tragstruktur eines Flügels unterstützend eingefügt sein.
Das Tragflügelprofil kann eine Profilnase und eine Profilhinterkante aufweisen, wobei der Verdränger im Bereich der Profilhinterkante schwenkbar gehalten ist, und wobei der Verdränger eine in Richtung des Flügelprofils gebogene Platte bildet.
Der Verdränger kann beispielsweise eine Leichtbauplatte mit Wärmedämmeigenschaft aufweisen, die auf der Oberseite eine dunkle Farbe aufweist, z. B. eine Schaumplatte.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Auftriebseinrichtung im Bereich der Arbeitskammer auf der Oberseite eine lichtdurchlässige Abdeckung auf, um eine direkte Wärmeeinstrahlung in die Arbeitskammer zu ermöglichen.
Die Abdeckung bzw. Außenhaut der Flügeleinrichtung bildet eine Kammerwandung im Bereich der Arbeitskammer, wodurch sich insgesamt weniger Bauteile ergeben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Stromerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie zum Antreiben des Fluggeräts vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Stromerzeugungseinrichtung eine Generatoreinrichtung zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie, wobei die Generatoreinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor angetrieben werden kann. Die Generatoreinrichtung ist beispielsweise ein Lineargenerator, der die Linearbewegung des Arbeitskolbens in elektrische Energie umwandelt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Stromerzeugungseinrichtung photovoltaische Elemente auf zur Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die photovoltaischen Elemente auf der Oberseite des Verdrängers angeordnet.
Die photovoltaischen Elemente können beispielsweise in Bereichen auf der Oberseite des Fluggeräts angeordnet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Stromerzeugungseinrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung auf, welche die bei einem Brennstoffzellenbetrieb freigesetzte Wärme der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors zuführt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem der beiden Kammerbereiche der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors vorgesehen.
Dadurch kann beispielsweise eine Unterstützung des Flachplatten-Stirlingmotor-Betriebs erfolgen, wenn die solare Wärmestrahlung nur reduziert vorliegt, bzw. kann auch der Eintrag von Wärmeenergie auch die solare Wärmestrahlung mit der Heizeinrichtung ersetzt werden, beispielsweise wenn keine solare Wärmestrahlung vorliegt, wie beispielsweise während eines Nachtflugs.
Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine mit einem Brennstoff betriebene Brennvorrichtung aufweisen, wobei eine Speichervorrichtung vorgesehen sein kann zum Speichern des Brennstoffs.
Beispielsweise kann der verwendete Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, um einen möglichst CO₂-reduzierten bzw. CO₂-neutralen Flugbetrieb zur Verfügung zu stellen.
Die Heizeinrichtung kann insbesondere auch eine elektrische Heizvorrichtung zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizvorrichtung zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie auf, wobei die elektrische Heizvorrichtung integral in dem Verdränger ausgebildet ist.
Beispielsweise ist die elektrische Heizvorrichtung eine Heizspirale, die in einer der beiden Kammerbereiche angeordnet ist, um das Arbeitsgas in diesem Bereich zu erwärmen.
Die elektrische Heizvorrichtung kann beispielsweise als elektrisch betriebene Heizoberfläche des Verdrängers ausgebildet sein.
Das Speichern und das Abgeben der elektrischen Energie durch die Speichereinrichtung können zu verschiedenen Phasen erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Speichereinrichtung zum Speichern und Abgeben der von der Stromerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Energie vorgesehen. Die Stromerzeugungseinrichtung führt der Speichereinrichtung elektrische Energie zu. Die Speichereinrichtung speichert die zugeführte elektrische Energie und stellt diese zum Antreiben des Fluggeräts zur Verfügung, indem Wärme dem Flachplatten-Stirlingmotor zugeführt wird.
Die Speichereinrichtung kann die elektrische Energie beispielsweise an die elektrische Heizvorrichtung abgeben.
Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit photovoltaischen Elementen und einer Batterie kombiniert vorgesehen, sowie mit einer Heizvorrichtung, die mit der elektrischen Energie, welche in der Batterie gespeichert ist, betrieben werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit einem Generator kombiniert, um eine Batterie aufladen zu können, mit der wiederum während der Nachtstunden beispielsweise eine Heizvorrichtung betrieben werden kann.
Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit einer Heizvorrichtung kombiniert ausgebildet, die mit einem Brennstoff betrieben wird, um beispielsweise den Betrteb des Flachplatten-Stirlingmotors tagsüber zu unterstützen oder auch den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors nachts überhaupt erst zu ermöglichen.
Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit Photovoltaik-Elementen kombiniert, mit denen eine Heizvorrichtung betrieben wird, welche den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors unterstützt.
Beispielsweise ist der Flachplatten-Stirlingmotor (FSM) in Kombination mit folgenden Komponenten vorgesehen:

– FSM + photovoltaische Elemente + Heizvorrichtung;
– FSM + photovoltaische Elemente + Batterie + elektr. Heizvorrichtung;
– FSM + Generator + Batterie + elektr. Heizvorrichtung; und
– FSM + Heizvorrichtung, mit Brennstoff betrieben.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit den genannten Elementen der Energiewandlung und Energiespeicherung kombiniert um zum Beispiel kurzzeitig eine besonders hohe Fluggeschwindigkeit zu erzielen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Antreiben eines Fluggeräts vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Zuführen von solarer Wärmeenergie zu einem Flachplatten-Stirlingmotor;
b) Umwandeln der thermischen Energie in Bewegungsenergie durch den Flachplatten-Stirlingmotor; und
c) Antreiben einer Antriebseinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor;

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass:

i) in einer ersten Phase Bewegungsenergie des Flachplatten-Stirlingmotors in elektrische Energie umgewandelt und als elektrische Energie gespeichert wird; und
ii) in einer zweiten Phase die gespeicherte elektrische Energie in einer elektrischen Heizvorrichtung in thermische Energie umgewandelt wird und den Stirlingmotor antreibt, um die Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen.

Die erste Phase ist beispielsweise bei vorhandener solarer Wärmestrahlung vorgesehen und die zweite Phase bei reduzierter oder nicht vorhandener solarer Wärmestrahlung, beispielsweise nachts.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist auch die Verwendung eines Flachplatten-Stirlingmotors in einem Fluggerät, insbesondere einem Flugzeug, vorgesehen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Flachplatten-Stirlingmotor in einem Fluggerät eingesetzt, um die Antriebsenergie zur Erzeugung des Vortriebs zur Verfügung zu stellen, wobei als Energiequelle für das Betreiben des Flachplatten-Stirlingmotors, der eine Wärmekraftmaschine darstellt, die solare Wärmestrahlung ausgenutzt wird. Der Flachplatten-Stirlingmotor, der zunächst mit seinem Arbeitskolben eine Linearbewegung erzeugt, wird in vorteilhafter Weise mit Schlagflügeln kombiniert, bei denen die Bewegung in Form einer Hin- und Her-Bewegung vorliegt, also einer in gewissem Sinne linearen Bewegung, wenn auch entlang einer Kreisbogenbahn aufgrund der Schwenkbewegung. Die Dynamik des Flachplatten-Stirlingmotors, der in seiner Bewegung ebenso Tot- bzw. (max./min.) Umkehrpunkte aufweist wie der Schlagflügel, werden dabei derart phasenversetzt kombiniert, dass jeweils der eine Mechanismus dem anderen Mechanismus über diesen Punkt hinweghilft. Der Flachplatten-Stirlingmotor lässt sich aufgrund seiner möglichen leichten Bauweise gut mit den übrigen Randbedingungen eines Fluggeräts, beispielsweise eines Flugzeugs verbinden. Neben dem Parameter des Gewichts spielt hier insbesondere auch der erforderliche Bauraum als ein zweiter Parameter eine entscheidende Rolle. Da der Flachplatten-Stirlingmotor beim Betrieb mit solarer Wärmestrahlung auch möglichst großflächig der solaren Wärmestrahlung ausgesetzt sein sollte, lässt sich der Flachplatten-Stirlingmotor im Bereich der nach oben weisenden Hüllflächen integrieren, wobei die flache Bauweise eine nur unwesentliche Einschränkung des nutzbaren Volumens bedeutet. Beispielsweise lässt sich der Flachplatten-Stirlingmotor im oberen Bereich eines Flugzeugrumpfs einsetzen, ohne dass damit allzu viel Bauraum im Innenbereich beispielsweise einer Passagierkabine verloren ginge. Eine besonders effiziente Anordnung lässt sich dadurch erreichen, dass der Flachplatten-Stirlingmotor in den oder die Flügel integriert eingebaut wird, da die Flügel zur Erzeugung des Auftriebs stets eine Flügelgeometrie aufweisen, die zwangsläufig ein gewisses Volumen einschließt. Dieses Flügelvolumen, das beispielsweise zur Unterbringung von Kraftstofftanks verwendet wird, lässt sich daher gut für die Unterbringung eines Flachplatten-Stirlingmotors, der ja den normalen Betrieb mit fossilen Brennstoffen wie Kerosin ersetzt, verwenden. Um einen Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors, d. h. einen Betrieb des Luftfahrzeugs, beispielsweise eines Flugzeugs, auch dann zur Verfügung zu stellen, wenn die solare Wärmeeinstrahlung reduziert oder auch gar nicht vorliegt, ist gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen, durch Energiespeicher in diesen Betriebsphasen zusätzliche Energiequellen zur Verfügung zu stellen, um den Vortrieb für den Betrieb des Fluggeräts zu erzeugen. Wenn bei der Energiespeicherung beispielsweise auf die tagsüber zur Verfügung stehende Solarenergie zurückgegriffen wird und beispielsweise mittels photovoltaischer Elemente elektrische Energie gespeichert wird, kann damit ein insgesamt emissionsfreier Flugbetrieb zur Verfügung gestellt werden. Ein emissionsfreier Flugbetrieb ist ebenfalls möglich, wenn durch den Stirlingmotor tagsüber neben der Vortriebseinrichtung auch zusätzlich ein Generator betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen, die dann in einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Batterieeinrichtung, gespeichert wird, um diese nachts zur Verfügung zu stellen, um Wärmeenergie zu erzeugen, die dann dem Flachplatten-Stirlingmotor zum Betrieb zur Verfügung steht. Eine weitere Möglichkeit einen emissionsfreien Betrieb zu gewährleisten, besteht auch darin, dass als zusätzliche Energiequelle, beispielsweise zum Zuführen von Wärmeenergie zum Flachplatten-Stirlingmotor um diesen auch nachts betreiben zu können, nachwachsende Rohstoffe vorgesehen werden oder auch mittels regenerativer Energiequellen erzeugter Wasserstoff, der beim Betrieb einer Brennstoffzelle verwendet werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Aspekte der Vorrichtungen auch für Ausführungsformen des Verfahrens sowie Verwendung der Vorrichtung gelten und umgekehrt. Außerdem können auch diejenigen Merkmale frei miteinander kombiniert werden, bei denen dies nicht explizit erwähnt ist.
Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
1 ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Flügel des Fluggeräts nach 1;
2b einen Ausschnitt des Vertikalschnitts nach 2a;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluggeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 einen schematischen Vertikalschnitt durch einen Flügel des Fluggeräts nach 3;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluggeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 einen Vertikalschnitt (Ausschnitt) durch einen Flügel eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Flügeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluggeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vertikalschnitt;
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vertikalschnitt;
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung mit einer Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vertikalschnitt;
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung im Vertikalschnitt mit einem weiteren Beispiel für eine Heizeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung im Vertikalschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Speichereinrichtung zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie;
13 Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben eines Fluggeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
14 ein weiteres Beispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein erstes Beispiel für ein Fluggerät 10 mit einem emissionsfreien Antrieb 12 gezeigt, der in den folgenden Figuren detaillierter erläutert wird. Das Fluggerät 10 weist eine Antriebseinrichtung 14 für eine Schuberzeugung zur Erzeugung eines Vortriebs auf, wobei die Antriebseinrichtung eine Schlagflügelvorrichtung 16 mit wenigstens einem ersten Schlagflügel 18 aufweist, der quer zur Flugrichtung verläuft. Außerdem weist das Fluggerät 10 eine Auftriebseinrichtung 20 zur Erzeugung eines Auftriebs auf, beispielsweise in Form von zwei seitlichen Flügeln 22, 24.
Außerdem ist eine nicht näher dargestellte Wärmekraftmaschine 26 zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung vorgesehen. Dazu ist gemäß der vorliegenden Erfindung als Kraftmaschine wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor 28 vorgesehen, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist (in 1 nicht näher dargestellt, siehe folgende Figuren).
Bei dem Fluggerät handelt es sich beispielsweise um ein Flugzeug, wobei insbesondere bemannte und unbemannte Flugzeuge vorgesehen sein können.
In 1 ist beispielhaft ein bemanntes Flugzeug gezeigt, das schematisch eine Flugzeugspitze 30 sowie einen Heckbereich 32 aufweist. Im Heckbereich sind ein Seitenleitwerk 34 und ein Höhenleitwerk 36 angedeutet. Eine gestrichelte Linie 38 bezeichnet eine Längsachse des Flugzeugs, und ein Richtungspfeil 40 zeigt die Flugrichtung an.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist neben einem Flugzeug auch die Ausbildung von Luftschiffen vorgesehen, die jedoch nicht näher gezeigt ist.
Anstelle der zwei Schlagflügel 18 können auch eine andere Zahl von Schlagflügeln und/oder eine andere Anordnung bzw. Ausbildung der Schlagflügel vorgesehen sein. Bei einem Nurflügelflugzeug kann auch ein einzelner Schlagflügel vorgesehen sein. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass ein einziger Flachplatten-Stirlingmotor zum Antrieb von mehreren Schlagflügeln vorgesehen sein kann, oder ein Schlagflügel auch von mehreren Flachplatten-Stirlingmotoren angetrieben werden kann.
Die Schlagflügel 18 sind jeweils mit einer Haltevorrichtung 46 um eine quer zur Flugrichtung verlaufende Schwenkachse 48 schwenkbar gehalten. Die Schwenkachse 48 ist in den Figuren schematisch gezeigt; sie kann auch innerhalb des Flügelvolumens liegen, oder auch an anderen Stellen. Die Schwenkachse verläuft quer zur Flugrichtung, was z. B. in einem 90°-Winkel zur Flugrichtung bedeuten kann, aber auch davon abweichend. Der Schlagflügel weist beispielsweise eine längsgerichtete Form auf, die quer zur Flugrichtung angeordnet ist.
In 1 ist mit einer Strichelung 42 angedeutet, dass der Flachplatten-Stirlingmotor 28 in der Auftriebseinrichtung integriert ist. Mit anderen Worten, die Auftriebseinrichtung umfasst eine Flügeleinrichtung, d. h. die Flügel 24, 26 mit einem Tragflügelprofil 44 zur Erzeugung des Auftriebs, wobei die Flügel 24, 26 auch der Unterbringung des wenigstens einen Flachplatten-Stirlingmotor 28 dienen.
Der Flachplatten-Stirlingmotor kann aber auch an anderer Stelle angeordnet werden, beispielsweise im Rumpfbereich, was jedoch eine entsprechende Kraftübertragungseinrichtung zu dem oder den Schlagflügeln erfordert.
Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 soll im Folgenden anhand von 2a und 2b näher erläutert werden, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass in 2a und 2b der Flachplatten-Stirlingmotor 28 in der Flügeleinrichtung untergebracht dargestellt ist, der Flachplatten-Stirlingmotor 28 jedoch auch an anderen Stellen vorgesehen sein kann, wie beispielsweise im oberen oder unteren Rumpfbereich oder auch im vorderen Bereich des Flugzeugs.
Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 weist eine mit einem Arbeitsgas 50 gefüllte Arbeitskammer 52 mit einer Oberseite 54 und einer Unterseite 56 und einem veränderlichen Arbeitsvolumen 58 auf. Außerdem ist ein in der Arbeitskammer 52 zwischen der Oberseite 54 und der Unterseite 56 beweglich gehaltener Verdränger 60 vorgesehen. Außerdem ist ein in der Arbeitskammer 52 angeordneter Regenerator 62 zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas 50 enthaltener Wärmeenergie vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Arbeitskolben 64 vorgesehen, der mit der Arbeitskammer 52 verbunden ist. Der Arbeitskolben 64 dient der Veränderung des Arbeitsvolumens 58.
Darüber hinaus ist eine Getriebevorrichtung 66 vorgesehen, mit welcher der Verdränger 60 und der Arbeitskolben 64 mit der Schlagflügelvorrichtung 16 kraftübertragend verbunden sind. Die Haltevorrichtung 46 weist dazu eine schwenkbare Trageinrichtung 68, z. B. einen Tragarm, und eine Verstell-Kinematik 70 auf. Die Getriebevorrichtung 66 weist eine primäre Getriebeeinrichtung 72 auf, die mit der Haltevorrichtung 46, d. h. der Trageinrichtung 68, derart gekoppelt ist, dass eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens ein Verschwenken des ersten Schlagflügels bewirkt. Die Getriebevorrichtung 66 weist außerdem eine sekundäre Getriebeeinrichtung 74 auf, die mit der Verstell-Kinematik 70 der Haltevorrichtung derart gekoppelt ist, dass ein Umschlagen des Schlagflügels den Verdränger phasenrichtig ansteuert.
Die Arbeitskammer 52 ist in der Auftriebseinrichtung angeordnet, und das Arbeitsgas 50 kann von einer Oberseite 76 der Auftriebseinrichtung her durch die solare Wärmestrahlung erwärmt werden, was symbolisch mit Pfeilen 78 angedeutet ist.
Wie in 2b zu sehen ist, weist die primäre Getriebeeinrichtung 72 eine erste Schubstangenverbindung 80 auf, die den Arbeitskolben 64 mit der Trageinrichtung 68 koppelt. Die sekundäre Getriebeeinrichtung 74 weist eine zweite Schubstangenverbindung 82 auf, die den Verdränger 60 mit der Verstell-Kinematik 70 koppelt. Bevor die beiden Schubstangenverbindungen 80, 82 näher erläutert werden, soll zunächst auf den Flachplatten-Stirlingmotor 28 eingegangen werden.
Der Arbeitskolben 64 ist in einem Arbeitshohlraum 84 beweglich gehalten und bildet eine bewegliche Wandfläche der Arbeitskammer 52. Die seitlichen Wandungen des Arbeitshohlraums 84 weisen zwei stirnseitige mechanische Anschläge (nicht gezeigt) zur Begrenzung der Linearbewegung des Arbeitskolbens 64 auf. Wie in 2a und 2b schematisch angedeutet, ist die Arbeitskammer 52 zwischen einer Flügeloberseite 86 und einer Flügelunterseite 88 ausgebildet. Der Verdränger 60 unterteilt die Arbeitskammer 52 demnach in einen ersten, d. h. oberen Kammerbereich und einen zweiten, d. h. unteren Kammerbereich. Der Verdränger 60 ist dabei derart ausgebildet, dass er bei Bewegung um einen Schwenkpunkt 90 Arbeitsgas von dem einen in den anderen Kammerbereich verdrängt. Die Flügeloberseite 86 bildet dabei eine erste Seite des Flachplatten-Stirlingmotors 28 mit einer ersten Temperatur, und die Flügelunterseite 88 bildet eine zweite Seite des Flachplatten-Stirlingmotors 28 mit einer zweiten Temperatur, wobei die zweite Temperatur niedriger als die erste Temperatur ist. Beispielsweise kann auf der Unterseite 88 ein Aluminiumblech zur Kühlung vorgesehen sein. Bei Bewegung des Verdrängers 60 strömt Arbeitsgas durch den Regenerator 62, der gegenüber dem vorderen Bereich des Flügelhohlraums durch eine Abschottung 92 abgedichtet ist. Die Abschottung 92 bildet eine zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite verlaufende Wandung, welche die Arbeitskammer 52 gegenüber dem vorderen Bereich abschließt.
Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 kann beispielsweise zwischen benachbarten Rippenkonstruktionen des Flügels ausgebildet sein, und die Abschottung 92 kann im Zusammenhang mit einem in Längsrichtung verlaufenden Tragprofil ausgebildet sein. Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 kann dadurch beispielsweise auch zur Flügelstatik herangezogen werden bzw. in das Tragstrukturkonzept integriert werden. Gemäß der Erfindung können auch mehrere Flachplatten-Stirlingmotoren in der Längsrichtung des Flügels, die quer zur eigentlichen Flugrichtung, d. h. der Längsachse 38 des Flugzeugs verläuft, ausgebildet sein.
Der Verdränger 60 kann insbesondere als eine in Richtung des Flügelprofils gebogene Platte ausgebildet sein, um die Flügelgeometrie optimal ausnutzen zu können.
Der Verdränger 60 kann beispielsweise eine Leichtbauplatte mit Wärmedämmeigenschaft aufweisen, die auf der Oberseite eine dunkle Farbe aufweist, z. B. eine schwarz gestrichene Schaumplatte. Dadurch lässt sich einerseits ein ausreichend stabiler Plattenwerkstoff zur Verfügung stellen, der andererseits jedoch auch nur ein sehr geringes Gewicht aufweist. Das Vorsehen einer dunklen Farbe auf der Oberseite unterstützt das Aufwärmen des Arbeitsgases 50 in dem oberen Bereich, d. h. der oberen Kammer.
Dazu kann beispielsweise die Auftriebseinrichtung im Bereich der Arbeitskammer auf der Oberseite eine lichtdurchlässige Abdeckung 94 aufweisen. Die lichtdurchlässige Abdeckung kann dabei beispielsweise transparent oder auch transluzent ausgebildet sein, wichtig ist, dass ausreichend Wärmestrahlung in den Bereich der Arbeitskammer eintreten kann. Beispielsweise kann kurzwellige Sonnenstrahlung in den Bereich eintreten, um dort in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt zu werden.
Die Abdeckung bzw. Außenhaut der Flügeleinrichtung kann dabei gleichzeitig auch die Kammerwandung im Bereich der Arbeitskammer bilden.
Die erste Schubstangenverbindung 80 besteht aus einem ersten Segment 96, das mit einem zweiten Segment 98 an einem Verbindungspunkt 97 gelenkig verbunden ist. Das zweite Segment 98 ist mit einem dritten Segment 100 über einen Verbindungspunkt 101 fest verbunden und der Verbindungspunkt ist an einem festen Auflager 102 drehbar gelagert. Das dritte Segment 100 ist an seinem anderen Ende 103 mit einem vierten Segment 104 gelenkig verbunden. Das vierte Segment 104 ist an einem Ansetzpunkt 106 beweglich mit der Trageinrichtung 68 verbunden.
Eine Linearbewegung des Arbeitskolbens 64, angedeutet mit einem ersten Doppelpfeil 108 führt zu der entsprechenden Linearbewegung 108 (entlang einer Schwenkbahn um den Lagerpunkt des ersten Auflagers 102) am Verbindungspunkt 101. Diese Linearbewegung 108 führt zu einem Verschwenken des zweiten und dritten Segments 98, 100, und damit zu einer Auf- und Ab-Bewegung des anderen Endes 103 des dritten Segments 100. Diese Bewegung wird dann durch das vierte Segment 104 auf die Trageinrichtung 68 übertragen, die an einem Auflager 110 drehbar gelagert ist, so dass die Linearbewegung des Arbeitskolbens 64 zu einer Schwenkbewegung 112 der Trageinrichtung 68, und damit zu einer Schlagbewegung 113 des Schlagflügels führt (siehe 2a).
Die zweite Schubstangenverbindung 82 besteht aus einem fünften Segment 114, das mit einem sechsten Segment 116 über einen Verbindungspunkt 118 fest verbunden ist, der an einem festen Auflager 120 drehbar gelagert ist. Das fünfte Segment 114 ist an dem Verdränger 60 über einen verschieblichen Lagerpunkt 121 beweglich gehalten. Das sechste Segment 116 ist mit einem siebten Segment 122 an einem Verbindungspunkt 124 gelenkig verbunden. Das siebte Segment 122 ist mit einem achten Segment 126 an einem weiteren Verbindungspunkt 128 gelenkig verbunden. Das achte Segment 126 ist an einem weiteren festen Auflager 130 drehbar gehalten und über einen noch weiteren Verbindungspunkt 132 mit der Verstell-Kinematik 70 verbunden.
Im Folgenden soll die Kopplung der Verstell-Kinematik mit dem Verdränger über die sekundäre Getriebeeinrichtung erläutert werden. Bei einer Bewegung des Schlagflügels kommt es am Anschlagpunkt bzw. Totpunkt der Bewegung aufgrund der Massenträgheit des Propellerblatts zu einem Ansteuern des Verdrängers. Während der Schwenkbewegung des Flügelarms verbleibt der Verdränger mehr oder weniger in seiner oberen bzw. unteren Stellung. Erst beim Erreichen des Totpunkts, also bei der Umkehrung der Schwenkrichtung bewirkt das Umschlagen des Propellerblatts eine plötzliche Bewegung des Verdrängers. Der Verdränger wird sozusagen mit einer Art Sägezahn-Kurve angesteuert, anstelle einer sinusförmigen kontinuierlichen Ansteuerung bei einem konventionellen Stirlingmotor mit einem sich drehenden Schwungelement; bei der konventionellen Ausbildung wird der Verdränger angesteuert.
Eine Schwenkbewegung 143 (siehe 2a) des Schlagflügels bewirkt eine Linearbewegung 142 der Verstell-Kinematik 70. Dies wiederum führt zu einer Schwenkbewegung 140 des achten Segments 126 um das feste Auflager 130, so dass als Resultat eine Linearbewegung 138 des siebten Segments 122 erfolgt.
Diese führt zu einer Schwenkbewegung 136 des Verbindungspunkts 124 und damit zu einer Schwenkbewegung 134 des Verdrängers 60.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die gezeigten Getriebeeinrichtungen und deren Komponenten lediglich schematisch gezeigt sind und eventuell auftretende Übersetzungsverhältnisse, z. B. aufgrund der Hebelarme nicht berücksichtigt sind.
Gemäß dem in 3 gezeigten Beispiel kann das Fluggerät 10 mehrere Schlagflügel 18 aufweisen, z. B. jeweils zwei Schlagflügel pro Flügel, d. h. ein Paar Schlagflügel pro Seite. In diesem Fall kann, bezogen auf eine Seite, d. h. ein Paar, der eine Schlagflügel als der erste Schlagflügel und der andere als der zweite Schlagflügel bezeichnet werden; entsprechend kann die eine Haltevorrichtung als die erste Haltevorrichtung und die andere als die zweite Haltevorrichtung bezeichnet werden.
Zum Beispiel sind die zwei Schlagflügel gegensinnig beweglich, d. h. aufeinander zu und voneinander weg. Gemäß einem nicht näher gezeigten Beispiel ist vorgesehen, dass die Auftriebseinrichtung, d. h. der eigentliche Flügel selbst als einer der beiden Schlagflügel ausgebildet ist.
In 4 ist in einem Vertikalschnitt schematisch angedeutet, dass der zweite Schlagflügel ebenfalls eine Trageinrichtung 68 und eine Verstell-Kinematik 70 aufweist und auch über den Flachplatten-Stirlingmotor 28 angetrieben wird. Der zweite Schlagflügel kann aber auch durch einen separaten Flachplatten-Stirlingmotor angetrieben werden.
Die Trageinrichtung 68 des zweiten Schlagflügels ist an einem zweiten Ansetzpunkt 144 mit einem Segment 146 verbunden, welches über einen Verbindungspunkt 148 mit einem weiteren Segment 150 gelenkig verbunden ist. Das weitere Segment 150 ist eine Verlängerung des dritten Segments 100, und ist ebenfalls fest mit dem zweiten Segment 98 verbunden und damit auch an dem festen Auflager 102 drehbar gelagert.
Dadurch kann die Linearbewegung des Arbeitskolbens 64 über eine Schwenkbewegung 152 des Verbindungspunkts 148 eine Linearbewegung des Segments 146 hervorrufen, was dann auf die Trageinrichtung 68 einwirkt, die an einem weiteren festen Auflager 156 drehbar gelagert ist, und damit wiederum zu einer Schlagbewegung 158 des Schlagflügels führt, die ein Pendant zur Schlagbewegung 113 darstellt.
Für die Übertragung der Schwenkbewegung des Verdrängers 60 an die Verstell-Kinematik 70 des zweiten Schlagflügels ist das siebte Segment 122 mit einem weiteren Segment 160 verlängert und über einen Verbindungspunkt 162 gelenkig mit einem weiteren Segment 164 verbunden. Das weitere Segment 164 ist an einem weiteren festen Auflager 166 drehbar gehalten und über einen noch weiteren Verbindungspunkt 168 mit der Verstell-Kinematik 70 des zweiten Schlagflügels verbunden.
Die Linearbewegung 138 des siebten Segments, die durch die Schwenkbewegung des Verdrängers erreicht wird, bewirkt eine Linearbewegung 170 des Verbindungspunkts 162. Diese Linearbewegung 170 ruft aufgrund der Lagerung des achten Segments 164 an dem Auflager 166 eine Schwenkbewegung 172 des noch weiteren Verbindungspunkts 168 hervor, und führt damit zu einer Linearbewegung 174 der Verstell-Kinematik 70 des zweiten Schlagflügels, und bewirkt damit eine Schwenkbewegung 176 des Schlagflügels, die ein Pendant zur Schlagbewegung 143 darstellt.
Wie in 5 dargestellt ist, kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Stromerzeugungseinrichtung 178, die in 4 schematisch dargestellt ist, zum Erzeugen von elektrischer Energie zum (indirekten) Antreiben des Fluggeräts vorgesehen sein.
Es sei darauf hingewiesen, das in 5 zwar zwei Schlagflügel gezeigt sind, die Stromerzeugungseinrichtung 178 jedoch auch mit einer anderen Ausbildung und Anzahl der Schlagflügel vorgesehen ist. Dies gilt ebenfalls für die 7.
Beispielsweise kann die Stromerzeugungseinrichtung 178 eine Generatoreinrichtung 180 zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie umfassen, wobei die Generatoreinrichtung 180 durch den Flachplatten-Stirlingmotor 28 angetrieben wird und als Lineargenerator ausgebildet sein kann, um direkt die Linearbewegung verwenden zu können (siehe 6, in der ein Teil des weiteren Mechanismus nicht dargestellt ist, was auch in 8, 9, 10, 11 und 12 der Fall ist).
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die Stromerzeugungseinrichtung 178 photovoltaische Elemente 182 aufweisen zur Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie. In 7 ist beispielsweise dargestellt, dass die photovoltaischen Elemente 182 in einem Bereich der Dachkonstruktion 184 oder in einem Bereich der vorderen Flugzeugspitze 186 und/oder auch in einem Bereich der Flügel 188 angeordnet werden können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 8 gezeigt ist, sind die photovoltaischen Elemente auf der Oberseite des Verdrängers angeordnet, was mit einer Doppellinie 190 angedeutet ist.
Die Stromerzeugungseinrichtung 178 kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch eine Brennstoffzelleneinrichtung 192 aufweisen, beispielsweise innerhalb der Rumpfkonstruktion untergebracht, wie dies in 5 schematisch angedeutet ist, wobei 5 auch grundsätzlich auf die Stromerzeugungseinrichtung 178 verweist. Die Brennstoffzelleneinrichtung 192 kann auch innerhalb einer Flügelkonstruktion angeordnet werden, wie dies z. B. in 9 gezeigt ist. Dabei kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die bei einem Brennstoffzellenbetrieb freigesetzte Wärme der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors zugeführt wird (nicht näher dargestellt in 9).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Heizeinrichtung 194 zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem der beiden Kammerbereiche der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors vorgesehen, d. h. in dem wärmeren Bereich der Arbeitskammer.
Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 194 eine elektrische Heizvorrichtung 196 zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie aufweisen, wobei die elektrische Heizvorrichtung beispielsweise integral in dem Verdränger ausgebildet ist, wie dies in 10 gezeigt ist. Die Heizvorrichtung 194 kann beispielsweise eine Heizspirale sein, wie dies in 10 angedeutet ist, oder auch als eine nicht näher dargestellte Widerstandsschicht auf dem Verdränger 60 ausgebildet sein, die mittels elektrischer Energie Wärme innerhalb der Arbeitskammer erzeugt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 11 gezeigt ist, kann die Heizeinrichtung eine mit einem Brennstoff betriebene Brennvorrichtung 198 aufweisen, wobei zusätzlich eine Speichervorrichtung 200 vorgesehen ist zum Speichern des Brennstoffs. Die Brennvorrichtung 198 kann dabei unmittelbar in der Nähe des Flachplatten-Stirlingmotors 28 vorgesehen sein, wie dies in 11 angedeutet ist, oder jedoch an einer anderen Stelle, beispielsweise innerhalb der Rumpfkonstruktion, um von dort die Wärme an den Flachplatten-Stirlingmotor 28 zu transportieren (nicht näher dargestellt).
In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Speichereinrichtung 202 zum Speichern und Abgeben der von der Stromerzeugungseinrichtung 178 erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist. Die Stromerzeugungseinrichtung 178 führt der Speichereinrichtung 202 elektrische Energie zu, und die Speichereinrichtung 202 speichert die zugeführte elektrische Energie und stellt diese zum (indirekten) Antreiben des Fluggeräts zur Verfügung.
In 12 ist dargestellt, dass die Speichereinrichtung 202 beispielsweise als ein Batteriepack zur Verfügung gestellt sein kann, der an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Flügels bzw. auch innerhalb der Rumpfkonstruktion (nicht näher gezeigt) untergebracht werden kann, wie dies für eine erste Position 204 und eine zweite Position 206 lediglich beispielhaft angedeutet ist.
Die Speichereinrichtung 202 gibt beispielsweise die elektrische Energie an die elektrische Heizvorrichtung 194 ab. Dabei können das Speichern und das Abgeben der elektrischen Energie durch die Speichereinrichtung zu verschiedenen Phasen erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die im Folgenden gezeigten Ausführungsvarianten nicht explizit dargestellt sind, jedoch für den Fachmann aus den oberhalb beschriebenen Darstellungen der Einzelkomponenten die beschriebenen Kombinationen nachvollziehbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit den Photovoltaik-Elementen 182 kombiniert, sowie mit der Batterie bzw. der Speichereinrichtung 202. Außerdem ist die elektrische Heizvorrichtung 194 vorgesehen, um damit beispielsweise nachts dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 Wärmeenergie zuzuführen, um mit dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 die Antriebseinrichtung 14, d. h. die Schlagflügel betreiben zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit dem Generator bzw. der Generatoreinrichtung 180 sowie der Speichereinrichtung 202 kombiniert. Der gespeicherte Strom kann dann nachts der elektrischen Heizvorrichtung 194 zugeführt werden, um die Antriebseinrichtung 14 zu betreiben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit der Heizvorrichtung bzw. der Brennvorrichtung 198 kombiniert, mittels der während der Nachtstunden Wärmeenergie erzeugt werden kann, die dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 zugeführt wird, um mit diesem die Antriebseinrichtung 14 zu betreiben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit den photovoltaischen Elementen 182 kombiniert, die tagsüber die elektrische Heizvorrichtung 194 betreiben, um dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 zusätzliche Wärme zur Verfügung zu stellen, neben der solaren Wärmeeinstrahlung. Durch die Kombination mit den photovoltaischen Elementen lässt sich die Oberfläche des Flugzeugs, die der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, bzw. der Wärmeeinstrahlung optimal ausnutzen und nicht nur diejenigen Bereiche, die unmittelbar oberhalb der Flachplatten-Stirlingmotor-Arbeitskammer angeordnet sind.
Selbstverständlich lassen sich die oberhalb beschriebenen Ausführungsvarianten auch wiederum untereinander kombinieren, um so aus den einzelnen Aspekten insgesamt eine möglichst gute Ausnutzung des Antriebskonzepts des Flachplatten-Stirlingmotors 28 zur Verfügung zu stellen.
In 13 ist schließlich noch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 300 zum Antreiben eines Fluggeräts dargestellt, das die folgenden Schritte umfasst: In einem ersten Schritt 310 wird solare Wärmeenergie einem Flachplatten-Stirlingmotor zugeführt, der als Wärmekraftmaschine in dem Fluggerät vorgesehen ist, um eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung eines Vortriebs anzutreiben. In einem zweiten Schritt 312 wird die thermische Energie durch den Flachplatten-Stirlingmotor in Bewegungsenergie umgewandelt. In einem dritten Schritt 314 erfolgt ein Antreiben der Antriebseinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor, wobei die Antriebseinrichtung für eine Schuberzeugung eine Schlagflügelvorrichtung aufweist, mit wenigstens einem Schlagflügel, der quer zur Flugrichtung schwenkbar ist. Der Schlagflügel ist mit einer Haltevorrichtung um eine quer zur Flugrichtung verlaufende Schwenkachse schwenkbar gehalten. Der Flachplatten-Stirlingmotor weist einen in einer Arbeitskammer mit einem veränderlichen Arbeitsvolumen beweglich angeordneten Verdränger auf und einen mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitskolben zur Veränderung des Arbeitsvolumens. Der Arbeitskolben ist über eine primäre Getriebeeinrichtung mit einer Trageinrichtung der Haltevorrichtung derart gekoppelt, dass eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens ein Verschwenken des ersten Schlagflügels bewirkt. Der Verdränger ist über eine sekundäre Getriebeeinrichtung mit einer Verstell-Kinematik des Schlagflügels derart gekoppelt, dass ein Umschlagen des Schlagflügels den Verdränger phasenrichtig ansteuert.
Der erste Schritt 310 wird auch als Schritt a) bezeichnet, der zweite Schritt 312 als Schritt b) und der dritte Schritt 314 als Schritt c). Die Schritte a), b) und c) erfolgen während des Betriebs des Fluggeräts selbstverständlich gleichzeitig und in einer kontinuierlichen Weise.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 14 gezeigt ist, ist vorgesehen, dass in einer ersten Phase Bewegungsenergie des Flachplatten-Stirlingmotors in einem Umwandlungsvorgang 316 in elektrische Energie umgewandelt und als elektrische Energie gespeichert wird. In einer zweiten Phase wird die gespeicherte elektrische Energie in einem zweiten Umwandlungsschritt 318 in thermische Energie umgewandelt und treibt dadurch den Stirlingmotor an, um die Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen.
Die erste Phase wird auch als Schritt i) bezeichnet und die zweite Phase als Schritt ii). Die erste Phase ist beispielsweise bei vorhandener solarer Wärmestrahlung vorgesehen und die zweite Phase bei reduzierter oder nicht vorhandener solarer Wärmestrahlung, beispielsweise nachts. Das Speichern und das Abgeben der elektrischen Energie durch die Speichereinrichtung erfolgt also beispielsweise zu verschiedenen Phasen, weshalb die Verbindungspfeile des ersten Umwandlungsschritts 316 sowie des zweiten Umwandlungsschritts 318 jeweils gestrichelt dargestellt sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, jedoch nicht näher dargestellt, ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Bewegungsenergie mittels des oberhalb erwähnten Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Zusätzlich oder auch alternativ kann die elektrische Energie auch beispielsweise von photovoltaischen Elementen oder auch von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden, wie dies oberhalb anhand der verschiedenen Vorrichtungsvarianten erläutert ist, weshalb auf eine explizite Darstellung entsprechender Verfahrensdiagramme verzichtet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist durch die Kombination des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer zusätzlichen Erzeugung von elektrischer Energie tagsüber und dem Abgeben der elektrischen Energie und anschließendem Umwandeln in Wärmeenergie nachts ein sozusagen dauerhaft bzw. unbegrenzt fliegendes Flugzeug möglich, das seinen Antrieb der Sonnenwärme entnimmt, da neben der solaren Einstrahlung tagsüber für den Stirlingmotor nachts eine alternative Energiequelle vorgesehen ist, die jedoch tagsüber gespeichert wurde, um in der Nacht zur Verfügung zu stehen. Dazu wird aus der Wärmekraftmaschine in Form des Stirlingmotors die Wärme in Bewegung umgesetzt und von einem Generator die Bewegung in Strom umgesetzt. Eine Batterie kann die überschüssige Energie tagsüber speichern, um diese in der Nacht wieder in Wärme umzuwandeln und dadurch die Wärmekraftmaschine in Form des Flachplatten-Stirlingmotors anzutreiben. Dabei ist insbesondere der hohe Wirkungsgrad des Flachplatten-Stirlingmotor bei der Ausnutzung der Wärmeenergie einerseits und andererseits die hohe Ausbeute der elektrischen Energie bei der Erzeugung von Wärmeenergie zu beachten, die eine insgesamt hohe Effizienz gewährleistet.
Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden. Insbesondere können auch Aspekte des Verfahrens für Ausführungsformen der Vorrichtungen sowie Verwendung der Vorrichtungen verwendet werden und umgekehrt.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele und Aspekte beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer, oben beschriebener Ausführungsbeispiele und Aspekte verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Fluggerät (10) mit einem emissionsfreien Antrieb (12), mit: – einer Antriebseinrichtung (14) zur Erzeugung eines Vortriebs; – einer Auftriebseinrichtung (20) zur Erzeugung eines Auftriebs; und – einer Wärmekraftmaschine (26) zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung; wobei die Antriebseinrichtung für eine Schuberzeugung eine Schlagflügelvorrichtung (16) aufweist, mit wenigstens einem Schlagflügel (18), der quer zur Flugrichtung (40) schwenkbar ist; wobei der Schlagflügel von einer Haltevorrichtung (46) um eine quer zur Flugrichtung verlaufende Schwenkachse (48) schwenkbar gehalten ist; wobei als Wärmekraftmaschine wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor (28) vorgesehen ist, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist, und der einen in einer Arbeitskammer (52) mit einem veränderlichen Arbeitsvolumen (58) beweglich angeordneten Verdränger (60), und einen mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitskolben (64) zur Veränderung des Arbeitsvolumens aufweist; wobei der Arbeitskolben über eine primäre Getriebeeinrichtung (72) mit einer Trageinrichtung der Haltevorrichtung derart gekoppelt ist, dass eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens ein Verschwenken des ersten Schlagflügels bewirkt; und wobei der Verdränger über eine sekundäre Getriebeeinrichtung (74) mit einer Verstell-Kinematik (70) der Haltevorrichtung derart gekoppelt ist, dass ein Umschlagen des Schlagflügels den Verdränger phasenrichtig ansteuert.
Fluggerät nach Anspruch 1, wobei die Auftriebseinrichtung eine Flügeleinrichtung (46) mit einem Tragflügelprofil (48) zur Erzeugung eines Auftriebs umfasst; und wobei der Flachplatten-Stirlingmotor in der Flügeleinrichtung angeordnet ist.
Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Arbeitskammer mit einem Arbeitsgas (50) gefüllt ist und das veränderliche Arbeitsvolumen zwischen einer Oberseite (54) und einer Unterseite (56) ausgebildet ist; wobei der Verdränger in der Arbeitskammer zwischen der Oberseite und der Unterseite beweglich gehalten ist; wobei in der Arbeitskammer ein Regenerator (62) zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie angeordnet ist; wobei die Arbeitskammer in der Auftriebseinrichtung angeordnet ist und das Arbeitsgas von einer Oberseite (76) der Auftriebseinrichtung her durch die solare Wärmestrahlung erwärmbar ist.
Fluggerät nach Anspruch 3, wobei die Arbeitskammer zwischen einer Flügeloberseite und einer Flügelunterseite ausgebildet ist; wobei der Verdränger die Arbeitskammer in einen ersten und einen zweiten Kammerbereich unterteilt; wobei der Verdränger derart ausgebildet ist, dass er bei Bewegung Arbeitsgas von dem einen in den anderen Kammerbereich verdrängt; und wobei die Flügeloberseite eine erste Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer ersten Temperatur und die Flügelunterseite eine zweite Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer zweiten Temperatur bildet, wobei die zweite Temperatur niedriger als die erste Temperatur ist.
Fluggerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Auftriebseinrichtung im Bereich der Arbeitskammer auf der Oberseite eine lichtdurchlässige Abdeckung (94) aufweist.
Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stromerzeugungseinrichtung (178) zum Erzeugen von elektrischer Energie zum Antreiben des Fluggeräts vorgesehen ist.
Fluggerät nach Anspruch 6, wobei die Stromerzeugungseinrichtung eine Generatoreinrichtung (180) zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie umfasst; und wobei die Generatoreinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor antreibbar ist.
Fluggerät nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Stromerzeugungseinrichtung photovoltaische Elemente (182) aufweist zur Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie.
Fluggerät nach Anspruch 8, wobei die photovoltaischen Elemente auf der Oberseite des Verdrängers angeordnet sind.
Fluggerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Stromerzeugungseinrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung (192) aufweist; und wobei die bei einem Brennstoffzellenbetrieb freigesetzte Wärme der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors zugeführt wird.
Fluggerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei eine Heizeinrichtung (194) zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem der beiden Kammerbereiche der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors vorgesehen ist.
Fluggerät nach Anspruch 11, wobei die Heizeinrichtung eine elektrische Heizvorrichtung (196) zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie aufweist; und wobei die elektrische Heizvorrichtung integral in dem Verdränger ausgebildet ist.
Fluggerät nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei eine Speichereinrichtung (202) zum Speichern und Abgeben der von der Stromerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist; wobei die Stromerzeugungseinrichtung der Speichereinrichtung elektrische Energie zuführt; und wobei die Speichereinrichtung die zugeführte elektrische Energie speichert und zum Antreiben des Fluggeräts zur Verfügung stellt.
Verfahren (300) zum emissionsfreien Antreiben eines Fluggeräts, umfassend die folgenden Schritte: a) Zuführen (310) von solarer Wärmeenergie zu einem Flachplatten-Stirlingmotor; b) Umwandeln (312) der thermischen Energie in Bewegungsenergie durch den Flachplatten-Stirlingmotor; und c) Antreiben (314) einer Antriebseinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei vorgesehen ist, dass: i) in einer ersten Phase Bewegungsenergie des Flachplatten-Stirlingmotors in elektrische Energie umgewandelt und als elektrische Energie gespeichert wird (316); und ii) in einer zweiten Phase die gespeicherte elektrische Energie in einer elektrischen Heizvorrichtung in thermische Energie umgewandelt wird (318), und den Stirlingmotor antreibt, um die Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen.