DE102013002720A1

DE102013002720A1 - Solar-Tragflächenboot

Info

Publication number: DE102013002720A1
Application number: DE201310002720
Authority: DE
Inventors: Jörg Albrecht
Original assignee: solartourist UG (haftungsbeschrankt); SOLARTOURIST UG HAFTUNGSBESCHRANKT
Current assignee: solartourist UG (haftungsbeschrankt); SOLARTOURIST UG HAFTUNGSBESCHRANKT
Priority date: 2013-02-12
Filing date: 2013-02-12
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-02-13
Also published as: DE102013002720B4

Abstract

Kurzfassung
Problemstellung
Der im Patentanspruch 1. angegebenen Erfindung liegt das Problem Zugrunde, dass bei Sportbooten und bei Transportbooten für Personen und Fracht, welche als Solar-Tragflächenboote ausgelegt sind, bisher die sogenannte, ”Effizienzgeschwindigkeit” über der ”Solargeschwindigkeit” liegt. Dies bedeutet, dass bisherige Solar-Tragflügelboote in Ihrer Fahrtdauer, Reichweite, Zuladung beziehungsweise Bauweise stark begrenzt sind. Die Erfindung will dies ändern, es wird nunmehr eine autarke Fahrt mit Tragflüge unter Verwendung von Solarenergie, welche direkt an Bord eingespeist wird, realisiert. Wobei die ”Effizienzgeschwindigkeit”, ab welcher ein Tragflügel Energie einspart, jetzt unter der ”Solargeschwindigkeit” liegt, bei welcher ein Solarboot autark fährt.
Lösung der technischen Aufgabe
Die Lösung des Problems der technischen Aufgabe erfolgt dadurch, dass das Solar-Tragflächenboot als funktionales System aus folgenden Komponenten besteht. Unterwassertragflügel, bis zum autarken Fahrzustand unbegrenzt erweiterbaren Solarfläche, Rumpf, Nutzräume und/oder Nutzflächen, elektrische Antriebsaggregate und Akkumulatoren zur Zwischenspeicherung der Solarenergie. Wobei die Tragflügel unter Wasser voll getaucht sind und schon bei niedrigen Geschwindigkeiten Widerstandsenergie einsparen können. Das Solardach kann, bis zum Erreichen des autarken Zustandes, unbegrenzt vergrößert werden, um die benötigte Energiemenge für die Fahrtenergie komplett liefern zu können. Unter anderem durch Ihre teilweise selbst tragende Ausführung als hydrostatische und/oder Hydrodynamisch wirkende Auftriebsfläche können die Solarflächen riesige Dimensionen erreichen und so erhebliche Energiemengen liefern. Die Akkumulatoren speichern nicht verbrauchte Solarenergie, um diese später abgeben zu können, wenn die Sonne einmal nicht scheint. Durch die Schaffung von speziellen Arealen können Personen und/oder Fracht in größeren Mengen mitgenommen werden. Durch die elektrischen Antriebe wird die eingesammelte Solarenergie in Vortrieb umgewandelt. Der Rumpf liefert die nötige Hydrostabilität im Zustand ohne Fahrt oder geringer Fahrt. Eine weitere Ausführung des Patentanspruches ist die Möglichkeit die riesige Solarfläche vom Rest des Fahrzeuges zu trennen um das Fahrzeug auch in räumlich begrenzten Häfen einsetzen zu können.
Anwendungsgebiet
Das Fahrzeug kann generell als Sportboot in der Ausführung z. B. als Wohnboot oder Tagesausflugsboot gebaut werden. Es kann als Großausführung z. B. mit Fracht und/oder Personen als gewerbliches Transportschiff eingesetzt werden. Als Anwendungsgebiete eignen sich insbesondere Fahrtgebiete ohne Infrastrukturelle Erschließung z. B. große Seen oder Flüsse in Europa, Afrika, Asien und Amerika. Es ist aber auch eine touristische Erschließung auf dem Rhein oder von Küstenstreifen z. B. an der Ostsee und dem Mittelmeer möglich.

Description

Um die Beschreibung des Systems Solar-Tragflächenboot zu komprimieren, wird eine Definition der Begrifflichkeiten der ”Solargeschwindigkeit” und der ”Effizienzgeschwindigkeit” vorgenommen.
Es ist bekannt, dass für alle solaren Wasserfahrzeuge allgemein der Begriff der ”Solargeschwindigkeit” im technischen Sprachgebrauch entstanden ist, welcher die Geschwindigkeit beschreibt, bei welcher ein Boot mit entsprechender Solarfläche und Akkumulatorenkapazität, bei einem angenommenen statistischen Mittelwert der Sonneneinstrahlung pro Fläche für einen mittleren Sonnentag ergibt, autark fahren bzw. insgesamt autark betrieben werden kann.
Im Geschwindigkeitsbereich unterhalb einer bestimmten Geschwindigkeit von Wasserfahrzeugen, erzeugen der oder die Tragflügel unter Wasser einen Zusatzwiderstand zum Rumpfwiderstand und können somit nicht zur Verbesserung des Gesamtwiderstandes im Bereich niedriger Geschwindigkeiten beitragen. Tragflügel reduzieren die Summe des gesamten Widerstandes des Wasserfahrzeuges erst ab einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit zum Wasser, diese wird als sogenannte ”Effizienzgeschwindigkeit” definiert. Die ”Effiziensgeschwindigkeit” definiert den Punkt der Fahrgeschwindigkeit, bei welcher der Auftrieb der Tragflügel den gesamten Fahrwiderstand soweit reduziert, dass der Tragflügelwiderstand selbst aufgehoben wird und somit die gesamte Summe der Fahrwiderstände ab diesem Zeitpunkt niedriger ist als die Summe der Fahrwiderstände des Fahrzeuges ohne Tragflügel wäre.
Bei diesen Widerstandbetrachtung wird im Allgemeinen der sogenannte Glattwasserwiderstand betrachtet.
Es sind bisher allgemein Fahrzeuge bekannt, die das Patentgebiet angrenzend berühren aber im Sinne des Patentes keine Solar-Tragflächenboote darstellen.
Die für Solarenergie nutzbaren Flächen, bei bisherigen Solarbootkonzepten ohne Tragflügel, beschränkten sich auf Flächen wie Decksflächen, Dachflächen der Aufbauten oder Flächen mit Segelfunktion (Vortriebsfunktion) und auf kleinere starre, ausklappbare oder ausfahrbare Zusatzflächen, siehe z. B. DE 10 2008 038 011 A1 ; DE4136379A1 ; DE19605865A1 ; EP0935554B1 ; DE 10 2008 044 513 A1 oder die Flächen reichen lediglich zur Bordstromversorgung und nicht für den Hauptantrieb siehe z. B. DE4242309A1 .
Sonstige Wasserfahrzeuge ohne Solarantrieb aber mit Unterwassertragflügeln werden bisher konventionell ohne Solarantrieb gebaut, da diese auf sehr hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind und auf Grund ihres großen Leistungsbedarfes und geringer nutzbarer Flächen für Solarzellen, konzeptionell nicht als autarke Solarfahrzeuge geeignet sind, siehe US Patent 6164235 & 4606291 ; und EP 0118737A2 .
Aerodynamische Auftriebs-Funktionen von Aufbauten bei Wasserfahrzeugen ohne Solarfläche aber mit Tragflügeln sind in DE 000069300636T2 als Stand der Technik erwähnt.
Aerostatische Tragflügel, welche mit Solarzellen bestückt sind, findet man im Bereich des Flugzeugbaues und des Luftschiffbaues z. B. das ”solarship” aus Kanda (www.solarship.com) Dort werden Tragflügel eingesetzt um den gesamten aerostatischen und aerodynamischen Auftrieb eines Solarflugzeuges zu erzeugen und mit den aufgebrachten Solarzellen Energie für den Vortrieb einzusammeln. Weitere aerostatische Systeme sind auch als Luftkissenfahrzeuge bekannt wie DE 000004405152C2 beschreibt.
Es ist als Stand der Technik bekannt, dass Solar-Tragflächenboote bisher hauptsächlich die folgenden Komponenten, wie Rumpf (Monohul oder Multihull), Nutzflächen oder Nutzräumen, elektrische Antriebe, Akkumulatoren, Unterwassertragflügel und photovoltaische Solarflächen, aufweisen.
Das Patent DE195A107691A1 05.09.1996 beinhaltet ein Solar-Tragflächenboot. Dieses ist in seinem Patentanspruch 1 für den Sportbootbereich und die Beförderung von Personen beschränkt und wird in seiner Bauweise auf eine Papierwabenbauweise und auf oberflächendurchstoßende Tragflügel festgelegt. In der Beschreibung des Patentes, wird das Fahrzeug des weiteren nur für Binnengewässern (Flüsse Seen und Kanäle) geeignet beschrieben und in seiner Fahrzeit auf 1–2 Stunden begrenzt.
Weitere solare Tragflächenboote wie z. B. Delta Lloyd (http://www.reapsystems.co.uk/news/90-reap-sponsors-delta-lloyd-solar-boat-team sind Rennboote, mit einer Auslegung auf maximale Geschwindigkeit, sie sind in Ihrem Platz für meist einen Fahrern eng begrenzt und nicht für den Transport von mehreren Personen und Fracht geeignet. Auch sind die Solarflächen auf dem Deck des Rumpfes positioniert.
Der im Patentanspruch 1. angegebenen Erfindung liegt das Problem Zugrunde, dass bei Sportbooten, bei Transportbooten für Personen und Fracht bisher, die wie vor definierte, ”Effizienzgeschwindigeit” über der ”Solargeschwindigkeit” liegt. Somit kann mit Tragflügeln bei Booten und Schiffen bisher kein autarkes Solar-System mit unbegrenzter Reichweite, im Sinne einer theoretischen ”Solargeschwindigkeit”, realisiert werden. Bei einigen Solar-Tragflächenbooten welche als Rennboote ausgelegt sind ist zudem kein ausreichender Platz und keine ausreichende Gewichtsreserve für die Beförderung von Personen und/oder Fracht vorhanden.
Dabei ist im Detail der Widerstand der Systemkomponente der Unterwassertragflügel, der solaren Tragflügelboote, bisher suboptimal, da die Auftriebskraft teilweise durch oberflächendurchstoßende Tragflügel erbracht wird, deren Wirkungsgrad nicht optimal ist, da die Unterdruckzonen der Profilquerschnitte Luft von der Oberfläche einziehen und die Auftriebskräfte dadurch verringern.
Bei allen bisherigen Solarbooten, mit und ohne Tragflügel, ist im Detail die zur Verfügung stehende Solarfläche konstruktiv begrenzt und setzte dadurch dem gesamten System, hinsichtlich der einsetzbaren Energie zum autarken Betrieb des Wasserfahrzeuges enge Grenzen.
Im Detail liefern die bisherigen Systemkomponenten Solarflächen, keinen zusätzlichen Anteil zum Gesamtauftrieb des Fahrzeuges. Als Solarflächen mit aerodynamischer Funktion gibt es lediglich segelartige vertikale Flächen bei nicht Tragflügelbooten, welche an einem Vortrieb durch Windkraft mitwirken, dadurch aber eher vertikal stehen und somit eine Einbuße in der solaren Effizienz als Nachteil mitbringen. Auch sind diese Systeme von der, in diesem Fall nicht speicherbaren, Windenergie abhängig. Aerostatische Funktionen von Solarflächen mit zusätzlichem Auftrieb gibt es bisher bei Wasserfahrzeugen überhaupt nicht, so dass keine selbsttragenden riesigen Flächen möglich sind.
Die Lösung des Problemes ist durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale des Solar-Tragflügelbootes als Gesamtsystem und nur mit der dort angegebenen Anordnung aller Komponenten und deren Ausführung im Detail, zu erreichen.
Im Detail werden voll getauchte Unterwassertragflügel verwendet, die keine Belüftung von der Wasseroberfläche her aufweisen, wie dies im Gegensatz zu den Oberflächen durchstoßenden Tragflügeln der Fall ist.
Im Detail liefert die Systemkomponente, das Solardach, auch aerostatische und/oder aerodynamische Anteile am Gesamtauftrieb.
Durch die Verwendung des, bis zur autarken Energieversorgung, unbegrenzt erweiterbaren Solardaches, mit eigener tragenden Unterkonstruktion, entfällt die konstruktive Begrenzung und die Energiezufuhr kann je nach Nutzungsanforderung bis zum Erreichen der gesamten unbegrenzt autarken Energieversorgung erweitert werden.
Die Vorteile die diese Erfindung bietet ist, dass die ”Solargeschwindigkeit” über der ”Effzienzgeschwindigkeit” liegt, so dass ein autarker Betrieb des Systems Solar-Tragflügelbootes, auch für große Nutzflächen bei Sportbooten und den Personen- und/oder Frachttransport, mit Solarenergie möglich ist.
Es wird die Reduktion des Gesamtwiderstandes, durch die Unterwassertragflügel, bei gleichzeitiger Erweiterung der erzeugten Energiemenge, durch das Solardach in Verbindung mit den Akkumulatoren, erreicht.
Wird die vom Dach gelieferte erhebliche Energiemenge nicht direkt im Betrieb, insbesondere in den Antrieben, verbraucht, so kann diese dann in Akkumulatoren zwischengespeichert werden, bis sie dort wieder abgerufen wird.
Das Verhältnis von Widerstandsenergie/Sonnenenergie wird insgesamt verbessert.
Die Erfindung kann folglich weltweit in allen Fahrtgebieten eingesetzt werden, wo die Sonne scheint, und auch in welchen eine Infrastruktur nur teilweise oder gar nicht vorhanden ist, da eine Versorgungslogistik in Hinsicht auf die Energieversorgung völlig entfallen kann.
Das System bietet weiter eine weltweite Anerkennung von ZEE-Normen und CO2-freiem Antrieb.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch den Patentanspruch 2 erreicht.
Dass Solardach mit eigener Unterkonstruktion und einem Teil des Rumpfes und Akkumulatoren, kann von der restlichen Einheit, mit Nutzfläche und Nutzraum, einem Teil der Akkumulatoren und Antrieb des Fahrzeuges gelöst werden.
Das Solardach kann dann, irgendwo vor Anker liegend, geparkt werden, während der restliche Teil mit Nutzlast und Personen weiter fahren kann.
Dadurch werden mehrere Vorteile erreicht:

a.) Es ist möglich auch Häfen oder Liegeplätze anzufahren, welche für das große flächige Solardach zu klein wären oder zu teureren Liegeplatzgebühren führen würde.
b.) Separate Solardacheinheiten können auf dem Wasser geparkt werden, wo diese dann einen Teil der mitgeführten Akkumulatoren, optimal zur Sonne ausgerichtet, ohne störenden Schattenwurf von Hafengebäuden aufladen können.
c.) Bei langen Fahrstrecken können die Einheiten dann an speziellen Austauschstationen entlang des Weges ausgetauscht werden. Die dort stationierten Module sind dann vollgeladen und die alten leeren Module können sich dort regenerieren. Der Vorteil liegt darin, dass nicht alle Solarflächen und Akkumulatoren die gesamte Länge des Weges mitgeführt werden müssen.
d.) Die Solardacheinheit kann, nach Trennung von der Nutzeinheit, von einer zweiten Nutzeinheit oder einem Fremdfahrzeug verwendet werden, während die ursprüngliche Nutzeinheit z. B. be- und entladen wird.

Als Beispiel für die Erfindung nach Patentanspruch 1 wird ein Fahrzeug wie in der Zeichnung 1 angegeben.
Das Solar betriebene Wasserfahrzeug mit Hydrofoils ist die kompromisslose Umsetzung der notwendigen baulichen Maßnahmen nach dem Patentanspruch 1, in Bezug auf die Sprengung der bisherigen solaren Flächenbegrenzungen und Reduktion des Widerstandes.
Die Solarflächen werden hier den energetischen Erfordernissen des Systems nach hoher ”Solargeschwindigkeit” angepasst.
Die Unterwasser befindlichen Profilquerschnitte, der zur Auftriebserzeugung angebrachten Tragflügel (2) wurden speziell entwickelt um den Erfordernissen nach niedriger ”Effiziensgeschwindigkeit” Rechnung zu tragen dazu wurden schon Vorversuche ausgeführt.
Im Beispiel 1 sind die Tragflügel (2) zwischen den Schwimmern eines Katamaranrumpfes angebracht um diese konstruktiv einfach anbinden zu können. Die Tragflügel (2) können starr oder in der Längsachse drehbar gelagert werden, um so eine optimale Trimmung einstellen zu können.
Als Nutzfläche (4a) wird hier eine Freifläche für Personen vorgesehen. Auch der Nutzraum (4b) ist hier überwiegend für Personen und einen Frachtraum für deren Gepäck und sonstige Fracht wie zum Beispiel Postsäcke gedacht.
Der eingesetzte Solargenerator (5), ragt weit über den Bootsrumpf, in diesem Fall Katamaranschwimmer, hinaus um die Solarfläche der erforderlichen hohen Leistung anpassen zu können.
Die Solarflügel werden in erster Linie als Solarsammler eingesetzt.
Die Solarflügel (5) sind aber auch aerodynamisch optimal angeordnet um den Luftwiderstand zu reduzieren und auch um die Nutzung des aerodynamischen Auftriebes z. B. durch eine einfache Anstellung mit Hilfe des Trimmwinkels (Trimmwinkel => aerodynamischer Anstellwinkel) erreichen zu können. Bei großen Flächen ist auch eine Nutzung des sogenannten Bodeneffektes möglich.
Das statische System insbesondere für die Solarflügel ist hier im Bereich des Leichtbaues zu finden. Im vorliegenden Beispiel wurden Trägerroste und Seilverspannungen als statisches System verwendet. Zur weiteren Verbesserung der Aeroeffekte können aber auch profilierte Sandwichflächen oder mit Gasen gefüllte Druckkammern aus Folienwerkstoffen genutzt werden.
Letztere Variante ist auch mit Gasen möglich, welche leichter als Luft sind. Insbesondere bei riesigen Solarflächen sind hier selbsttragende Solarflächen möglich damit sind diese fast unbegrenzt erweiterbar.
Auch der lange dünne Aufbau, welcher Passagiere und Fracht aufnimmt, ist in diesem Beispiel der aerodynamischen Optimierung geschuldet.
Multihullrümpfe wie die Katamaranschwimmer (3) werden im Beispiel eingesetzt, um bei Stillstand des Fahrzeuges die statische Hydrostabilität (Kippstabilität) und den nötigen Auftrieb zu gewährleisten.
Die Antriebsanlagen (1) sind mit elekrischen Motoren Angetriebene Propeller und sind in Ihrer Effiziens optimiert.
Ein zweites Beispiel ist zur Veranschaulichung des Patentanspruch 2 in 2 zu sehen, dort sieht man deutlich die Trennung von Solareinheit (6) und Nutzeinheit (7).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008038011 A1 [0006]
DE 4136379 A1 [0006]
DE 19605865 A1 [0006]
EP 0935554 B1 [0006]
DE 102008044513 A1 [0006]
DE 4242309 A1 [0006]
US 6164235 [0007]
US 4606291 [0007]
EP 0118737 A2 [0007]
DE 000069300636 T2 [0008]
DE 000004405152 C2 [0009]
DE 19507691 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.reapsystems.co.uk/news/90-reap-sponsors-delta-lloyd-solar-boat-team [0012]

Claims

Solar-Tragflächenboot dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserfahrzeug als System aus folgende Komponenten besteht: – mit Unterwassertragflügeln (2), welche sich bei Fahrt gänzlich unterhalb der Wasserlinie (9) befinden, und mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit einen größer werdenden Anteil an der Gesamtheit des Auftriebes und der Hydrostabilität erzeugen und die Summe des gesamten Widerstandes des Fahrzeuges mit Tragflügel bei zunehmender Geschwindigkeit, ab einer Effizienzgeschwindigkeit, kleiner wird als der gesamte Widerstand des Fahrzeuges ohne Tragflügel wäre, – mit einer, bis zum Erreichen der autarken Energieversorgung, bei vorgegebener Solargeschwindigkeit, unbegrenzt erweiterbaren photovoltaischen Solarfläche (5), welche die Breite oder Länge des Fahrzeugrumpfes um ein vielfaches übertreffen kann und eine eigene sich selbst tragende Konstruktion aufweist, und durch Schrägstellung bei Fahrt nach hinten einen aerodynamischen und/oder einen aerostatischen Anteil durch Gaszellen, welche mit Gas gefüllt sind, welches leichter als Luft ist, zum Gesamtauftrieb liefert, – mit einem Rumpf (3), bestehend aus einem oder mehreren Schwimmern, welcher ganz oder anteilig den Auftrieb und die nötige Hydrostabilität erzeugt und bei zunehmender Geschwindigkeit immer weniger Anteile am Widerstand hat, da dieser dann von den Tragflügeln (2), immer weiter über die Wasserlinie (8) gehoben wird, – mit offenen Nutzflächen (4a) und/oder geschlossenem Nutzräumen (4b) zum Transport von Personen und/oder Ladung, – mit einer oder mehreren elektrisch angetriebenen Antriebsaggregaten (1), welche durch die Beschleunigung eines sie umgebenden Mediums eine Impulskraft erzeugen, welche das Fahrzeug vorantreibt, wobei die Beschleunigung des Mediums mittels eines Propellers oder einer Wasserstrahlpumpe oder Luftschraube erfolgt, – mit, bei vorgegebener Solargeschwindigkeit, bis zum autarken Betrieb des Fahrzeuges, unbegrenzt erweiterbaren Akkumulatoren, welche die überschüssige, über das Solardach (5) eingesammelte elektrische Solarenergie, die nicht sofort durch den Betrieb des Fahrzeuges verbraucht wird, speichern und später wieder abgeben können.
Solar-Tragflächenboot nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solardach mit eigener Unterkonstruktion und einem Teil des Rumpfes (6) mit Teilen der Akkumulatoren von der restlichen Einheit, mit Nutzfläche und Nutzraum, einem Teil der Akkumulatoren und Antrieb des Fahrzeuges (7) getrennt werden kann.