DE102013002720B4

DE102013002720B4 - Solar-Tragflächenboot

Info

Publication number: DE102013002720B4
Application number: DE102013002720.9A
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: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-02-13
Also published as: DE102013002720A1

Abstract

Solar-Tragflächenboot mit Unterwassertragflächen (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 Tragflächen bei zunehmender Geschwindigkeit, ab einer Effizienzgeschwindigkeit, kleiner wird als der gesamte Widerstand des Fahrzeuges ohne Tragflügel wäre und 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 und mit offenen Nutzflächen (4) und/oder geschlossenen Nutzräumen (10) zum Transport von Personen und/oder Ladung und mit einem 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 und mit, bei vorgegebener Solargeschwindigkeit, bis zum autarken Betrieb des Fahrzeuges, erweiterbaren Akkumulatoren, welche die überschüssige, über die Solarfläche (5) eingesammelte elektrische Solarenergie, die nicht sofort durch den Betrieb des Fahrzeuges verbraucht wird, speichern und später wieder abgeben können, ausgestattet ist. dadurch gekennzeichnet, dass das Solar-Tragflächenboot mit einer, bis zum Erreichen der autarken Energieversorgung bei vorgegebener Solargeschwindigkeit, erweiterbaren photovoltaischen Solarfläche (5) ausgestattet ist, welche die Breite oder Länge des Fahrzeugrumpfes um ein vielfaches übertrifft und eine eigene sich selbst tragende Konstruktion aufweist und welche durch Schrägstellung bei Fahrt nach hinten einen aerodynamischen Anteil und/oder einen aerostatischen Anteil durch Gaszellen zum Gesamtauftrieb liefert, wobei die Gaszellen mit Gas gefüllt sind welches leichter als Luft ist.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Solar-Tragflächenboot, mit den Merkmalen nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 Energieernte pro Fläche und Tag, einer entsprechenden Gesamteffizienz der Energiebilanz des Fahrzeuges, einer vorgegebenen Geschwindigkeit und Fahrtdauer pro Tag, für einen statistisch mittleren Sonnentag, 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 Rumpfwiderstand soweit reduziert, dass die gesamte Summe der Fahrwiderstände ab diesem Zeitpunkt niedriger ist als die Summe der Fahrwiderstände des Fahrzeuges ohne Tragflügel wäre.
Bei diesen Widerstandbetrachtungen wird im Allgemeinen der sogenannte Glattwasserwiderstand betrachtet.
Es ist als Stand der Technik bekannt, dass Solar-Tragflächenboote bisher hauptsächlich die folgenden Komponenten, wie Rumpf (Monohull oder Multihull), Nutzflächen oder Nutzräumen, elektrische Antriebe, Akkumulatoren, Unterwassertragflügel und photovoltaische Solarflächen, aufweisen.
Das Patent DE 195 07 691 A1 beinhaltet ein Solar-Tragflächenboot. Dieses ist in seinem Patentanspruch 1 für den Transport von Personen und/oder Ladung gedacht und wird in seiner Bauweise aus leichten Papierwaben gebaut. Es hat Unterwassertragflügel, welche mit zunehmender Fahrtgeschwindigkeit einen immer größer werdenden Anteil an der Gesamtheit des Auftriebes und der Hydrostabilität erzeugen. Die Summe des gesamten Widerstandes des Fahrzeuges wird ab einer bestimmten Effizienzgeschwindigkeit kleiner als der gesamte Widerstand des Fahrzeuges ohne Tragflügel wäre.
Dieses Solar-Tragflächenboot verfügt über eine erweiterbare photovoltaische Solarfläche. Die Solarfläche ist auf mehrere Solarpanels aufgeteilt, die über eine Trägerstruktur zur Anbindung der Solarflächen an das Fahrzeug verfügen. Das Solar-Tragflächenboot verfügt über einen Rumpf, bestehend aus einem Schwimmer in Form einer Wandung des Schiffs leichter als Wasser.
Der Rumpf erzeugt neben den Unterwassertragflügeln teilweise den Auftrieb und die nötige Hydrostabilität und hat bei zunehmender Geschwindigkeit immer weniger Anteile am Widerstand, da dieser dann von den Tragflügeln, immer weiter über die Wasserlinie gehoben wird. Dieses Solar-Tragflächenboot weist zudem an Deck eine offene Nutzfläche zum Transport von Personen oder Ladung auf und ein elektrisch angetriebenes Antriebsaggregat, welches durch die Beschleunigung des sie umgebenden Mediums Wasser eine Impulskraft erzeugt, welche das Fahrzeug vorantreibt, wobei die Beschleunigung des Medium mittels eines Propellers erfolgt. Das Solar-Tragflächenboot kann bei einer Solargeschwindigkeit autark für ca. 1 bis 2 Stunden jedoch mit beschränkter Reichweite betrieben werden. Überschüssige, über die Solarpanels eingesammelte, elektrische Solarenergie die nicht sofort durch den Betrieb des Fahrzeuges verbraucht wird, kann in Form von Pufferbatterien gespeichert und später wieder abgegeben werden.
Das Patent US 4 356 786 A , beschreibt ein Solar-Tragflächenboot mit Unterwassertragflügeln, einer photovoltaischen Solarfläche, Batterien, einem geschlossenen Nutzraum in Form einer Kabine zum Transport von Personen und/oder Ladung, einen schwimmenden Rumpf und zwei elektrisch angetriebene Antriebsaggregate durch die Beschleunigung mittels einer Luftschraube erfolgt.
Im Patent FR 2 484 356 A1 wird ein Solarboot gezeigt, welches über einen elektrischen Antrieb in Form eines Propellers verfügt, der durch Solarenergie mittels eines Solarpaneles versorgt wird, das die Breite und Länge des Fahrzeugrumpfes übertrifft. Das Solarpanel ist nicht einteilig mit dem Schiffskörper ausgeführt und daher grundsätzlich demontierbar.
Der im Patentanspruch 1. angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solartragflächenboot bereitzustellen, dass ein autarkes Solarsystem mit unbegrenzter Reichweite bei Solargeschwindigkeit realisiert.
Durch die Erweiterung der Solarflächen kommt es zu einer zusätzlichem Gewichtsbelastung und zu einem höheren Luftwiderstand des Solar-Tragflächenbootes.
Durch die zusätzliche Gewichtsbelastung und die damit verbundene Vergrößerung des Gesamtgewichtes und den zusätzlichen Luftwiderstand entsteht ein höherer Gesamtwiderstand des Solar-Tragflügelbootes insgesamt, welcher durch eine höhere Antriebsleistung ausgeglichen werden muss.
Die durch die Vergrößerung der Solarfläche zusätzlich gewonnene Energie, wird somit wieder durch eine größere benötigte Antriebsleistung ganz oder teilweise kompensiert. Dies ist ein technisches Problem in Hinsicht auf die Effizienz und damit ein Problem in Bezug auf die Kosten.
Die Lösung des Problemes ist durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale des Solar-Tragflächenbootes, zu erreichen.
Insbesondere wird hier die Solarfläche mit einer zusätzlichen Funktion, nämlich der Erzeugung von Auftrieb, ausgestattet.
Mit der Solarfläche können jetzt zusätzliche Anteile, wie aerodynamische und aerostatische Auftriebskräfte, zu dem bisher erzeugten Auftrieb, welcher bisher nur durch den Rumpf und durch die unter Wasser befindlichen Tragflügeln erzeugt wurde, addiert werden.
Dies geschieht über eine Verwendung der Solarfläche als Tragflügelprofil mit Krümmung, Profildicke und Anstellwinkel, des weiteren über eine mögliche Gasfüllung der Tragflügel. Wobei das Gas leichter als Luft ist.
Die Vorteile die diese Erfindung bieten sind, dass der Auftrieb der Unterwassertragflügel durch den Auftrieb der über dem Wasser befindlichen Solarflächen ergänzt wird.
Das Mehrgewicht der Solarflächen und somit auch das damit verbundene Problem der zusätzlich benötigten Antriebsenergie, wird durch den eigenen Auftrieb der Solarflächen reduziert.
Damit wird, bei Vergrößerung der Solarflächen, das Gewicht und damit der Widerstand insgesamt nicht oder nur gering erhöht beziehungsweise die Effizienz verbessert. Die damit verbundenen sekundären zusätzlichen Kosten eines größeren Antriebes werden klein gehalten oder ausgeschlossen.
Eine statische Entlastung der tragenden Strukturen der Solarflächen und deren Unterkonstruktion findet zum einen, durch die lokale Entlastung des Eigengewichtes durch aerostatische oder bei Fahrt durch aerodynamische Gegenkräfte statt.
Zum anderen wird bei entsprechendem Überdruck in den Tragflügelgaskammern, des in die Tragflügelstruktur eingebrachtem Gases, eine statisch stabilisierende Wirkung auf die Tragflügelhülle, wie z. B. bei einem Schlauchboot, oder Blimp-Luftschiff erreicht.
Die Sonnenenergie reicht dann aus um ein Solartragflächenboot bereitzustellen, dass ein autarkes Solarsystem mit unbegrenzter Reichweite bei Solargeschwindigkeit realisiert.
Wird die vom vergrößerten Dach gelieferte größere Energiemenge nicht direkt im Betrieb, insbesondere in den Antrieben, verbraucht, so kann diese dann in den Akkumulatoren zwischengespeichert werden, bis sie dort wieder abgerufen wird.
Die Erfindung kann folglich weltweit in allen Fahrtgebieten eingesetzt werden, wo täglich 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 Anerkennung von ZE-Normen, wie diese von der Kommission ”California Air Resources Board” definiert sind, da es nicht nur einen CO2 freien sondern auch einen Schadstofffreien Antrieb im Sinne der Luftreinhaltung darstellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird durch den Patentanspruch 2 erreicht.
Dass Solardach mit eigener Unterkonstruktion und mit einem Teil des Rumpfes und der Akkumulatoren, im folgenden Solardacheinheit genannt, kann von der restlichen Einheit, mit Nutzfläche und Nutzraum, einem Teil der Akkumulatoren und dem Antrieb des Fahrzeuges, im folgenden Nutzeinheit genannt, gelöst werden.
Das Solardach kann dann, irgendwo vor Anker liegend, geparkt werden, während der restliche Teil mit Nutzlast und Personen weiterfahren 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, zum Beispiel 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 Beispiel eines Solartragflächenboot, ist die Umsetzung der notwendigen baulichen Maßnahmen nach dem Patentanspruch 1, in Bezug auf die Erweiterung der solaren Flächen und Reduktion des Widerstandes insgesamt.
Die Solarfläche (5) wird hier den energetischen Erfordernissen des Systems nach hoher Solargeschwindigkeit und/oder hoher Zuladung und/oder hoher Reichweite angepasst.
Die Unterwasser befindlichen Profilquerschnitte, der zur Auftriebserzeugung angebrachten Tragflächen (2), wurden speziell entwickelt um den Erfordernissen für die ”Effiziensgeschwindigkeit” Rechnung zu tragen, welche während der Fahrt dann unter der Solargeschwindigkeit liegt.
Im Beispiel 1 sind die Tragflächen (2) zwischen den Schwimmern eines Katamaranrumpfes (3) angebracht um diese konstruktiv einfach an den Rumpf anbinden zu können. Die unter Wasser liegenden Tragflächen (2) können starr oder in der Längsachse drehbar gelagert werden, um so eine optimale Trimmung einstellen zu können.
Als Nutzfläche (4) wird hier eine Freifläche für Personen vorgesehen. Auch der Nutzraum (10) ist hier überwiegend als Fahrgastraum gedacht aber in Kombination mit einem Frachtraum für sonstige Fracht (wie zum Beispiel Postsäcke) und einem Cockpit für die Mannschaft.
Die eingesetzte Solarfläche (5), ragt weit über den Bootsrumpf hinaus, in diesem Fall Katamaranschwimmer, um die Solarfläche (5) der erforderlichen hohen Leistung anpassen zu können.
Die Solarfläche (5) wird in erster Linie als Solarsammler eingesetzt.
Die Solarfläche (5) hat aber auch eine aerodynamische Funktion zuerst um den Luftwiderstand zu reduzieren und dann 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 Solarfläche (5) 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 sich selbst stabilisierende mit Gasen gefüllte Druckkammern aus Membran- oder Folienwerkstoffen genutzt werden.
Letztere Variante ist auch mit Gasen möglich, welche leichter als Luft sind. Insbesondere bei riesigen Solarflächen (5) sind selbsttragende Solarflächen (5) mit aerostatischem Auftrieb möglich, damit sind diese soweit erweiterbar bis die nötige Fläche zur benötigten Energiemenge erreicht wird.
Auch der lange dünne Aufbau, welcher Passagiere und Fracht aufnimmt, ist in diesem Beispiel der aerodynamischen Optimierung geschuldet.
Multihullrümpfe wie z. B. ein Katamaranrumpf (3) werden im Beispiel eingesetzt um, bei Stillstand oder langsamer Fahrt des Fahrzeuges, die statische Hydrostabilität (Kippstabilität) und den nötigen Auftrieb zu gewährleisten. Eine hohe Hydrostabilität ist erforderlich, da durch die große Solarfläche erhebliche Windkräfte wirken.
Die Antriebsanlagen (1) sind mit elektrischen Motoren Angetriebene Propeller und sind in Ihrer Effizienz optimiert.
Ein zweites Beispiel ist zur Veranschaulichung des Patentanspruch 2 in 2 zu sehen, dort sieht man deutlich die Trennung von Solarfläche mit eigener Unterkonstruktion, einem Teil der Akkumulatoren und einem Teil des Rumpfes (6) von der restlichen Einheit, mit Nutzfläche und Nutzraum, einem Teil der Akkumulatoren und dem Antrieb des Fahrzeuges (7).
Diese Separation in zwei Module hat vor allem den Vorteil, dass das Energiemodul mit der Solarfläche in Schatten freien Zonen mit voller Sonneneinstrahlung abgestellt werden können, während das Nutzmodul mit den Passagier- und Frachträumen auch kleine Häfen anlaufen kann oder bei langen Strecken auf halbem Wege einfach zu einem vollgetankten Modul wechselt.
Ein Energiemodul kann aber auch von mehreren Nutzmodulen genutzt werden, wenn diese abwechselnd fahren.

Claims

Solar-Tragflächenboot mit Unterwassertragflächen (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 Tragflächen bei zunehmender Geschwindigkeit, ab einer Effizienzgeschwindigkeit, kleiner wird als der gesamte Widerstand des Fahrzeuges ohne Tragflügel wäre und 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 und mit offenen Nutzflächen (4) und/oder geschlossenen Nutzräumen (10) zum Transport von Personen und/oder Ladung und mit einem 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 und mit, bei vorgegebener Solargeschwindigkeit, bis zum autarken Betrieb des Fahrzeuges, erweiterbaren Akkumulatoren, welche die überschüssige, über die Solarfläche (5) eingesammelte elektrische Solarenergie, die nicht sofort durch den Betrieb des Fahrzeuges verbraucht wird, speichern und später wieder abgeben können, ausgestattet ist. dadurch gekennzeichnet, dass das Solar-Tragflächenboot mit einer, bis zum Erreichen der autarken Energieversorgung bei vorgegebener Solargeschwindigkeit, erweiterbaren photovoltaischen Solarfläche (5) ausgestattet ist, welche die Breite oder Länge des Fahrzeugrumpfes um ein vielfaches übertrifft und eine eigene sich selbst tragende Konstruktion aufweist und welche durch Schrägstellung bei Fahrt nach hinten einen aerodynamischen Anteil und/oder einen aerostatischen Anteil durch Gaszellen zum Gesamtauftrieb liefert, wobei die Gaszellen mit Gas gefüllt sind welches leichter als Luft ist.
Solar-Tragflächenboot nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarfläche mit eigener Unterkonstruktion und einem Teil des Rumpfes und mit Teilen der Akkumulatoren (6) von der restlichen Einheit, mit Nutzfläche und Nutzraum und einem Teil der Akkumulatoren und Antrieb des Fahrzeuges (7), getrennt werden kann.