DE102018006567A1 - Vielflügeldrachen - Google Patents

Abstract

Vielflügeldrachen zum Antrieb von Ocean Racem, Energiebooten und Offshore-Windenergieanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielflügeldrachen eine Vielzahl in Windrichtung hintereinanderliegender Flügel aufweist, die an zwei den Drachen seitlich begrenzenden und an ihrem einen Ende gemeinsam an der Drachenleine befestigten Hauptrahmenprofilen starr oder drehbar befestigt sind, wobei die seitlichen Hauptrahmenprofile und die Flügel in einer Ebene liegen und in ihrer Gesamtkonstruktion ein Dreieck bilden.

Description

• Der im folgenden V. genannte Vielflügeldrachen ist ein auf dem Wasser absetzbarer Zugdrachen für Ocean Racer, Energieboote und Offshore Windenergieanlagen. Zugdrachen für Schiffsantrieb sind bekannt, auch ist der Einsatz zum Antrieb von Stromgeneratoren am Boden oder am Drachen in Entwicklung. Besonders effektive Drachen bewegen sich sehr schnell, ähnlich wie effektive Rotorblätter konventioneller Windräder, um pro Zeiteinheit ein großes Windfeld nutzen zu können, und die Gleitzahl der aerodynamisch wirksamen Flächen ist hoch, was bei starren Flügelprofilen gegeben ist. Nachteilig bei den für diese Zwecke bereits eingesetzten Einzeltragflächen ist, dass zur Ertragssteigerung große Flügellängen erforderlich werden, so dass die dadurch entstehenden großen Biegekräfte stärkere biegesteifere und damit schwerere Flügelkonstruktionen erforderlich machen. Des Weiteren erfordert die Bergung eine gesteuerte Niederholung und Aufnahmeeinrichtungen. Eine Lösung, um ertragreichere größere Tragflächenlängen bei relativ geringem Konstruktionsgewicht zu realisieren, ist erfindungsgemäß die Anordnung einer Vielzahl in Windrichtung hintereinanderliegender Flügel, die zum Zweck einer besseren Kontrollierbarkeit und Steuerbarkeit gegenüber bisher gebauten, durch Leinen verbundenen Drachenketten, mit relativ steifen stabförmigen Elementen miteinander verbunden sind. Insbesondere die Kontrolle und Fixierung der Anstellwinkel der einzelnen Flächen ist gegenüber durch Leinen verbundenen Drachenketten wesentlich einfacher realisierbar. Durch das Hintereinanderliegen der Flächen ist der Winkel der Aufspreizung der Zugstäbe klein, es werden weniger solcher Elemente benötigt. Besonders vorteilhaft ist die dreieckbildende Anordnung der Zugstäbe und Flügel in einer Ebene innerhalb einer dreieckförmigen rahmenförmigen Anordnung, die insgesamt mit nur wenigen Steuerelementen steuerbar ist. Zwei Hauptrahmenprofile bilden die beiden von der Zugleine ausgehenden, das Feld der Tragflächen seitlich begrenzenden Dreiecksseiten. Die wesentlichsten Steuerelemente bestehen erfindungsgemäß aus Luftschrauben, die mit ihren Achsen in Flugrichtung vorzugsweise an den Hauptprofilen befestigt sind und sowohl bremsend generatorantreibend als auch elektromotorisch antreibend eingesetzt werden können. Damit ist die Flugrichtung des V. sowie der Winkel zwischen Windrichtung und Leinenrichtung einstellbar. Für den Einsatzzweck des Antriebs von Ocean Racem bedeutet dies, dass der Drachen exakt in Crosswind-Position fliegen kann, wobei die gesamte Energie aus Wind über die luftschraubengetriebenen Generatoren über Stromkabel zum Boot übertragen und zum elektrischen Bootsantrieb genutzt werden oder zum Teil in Batterien gespeichert werden kann. Der Drachen kann aber auch in einer Vorausposition geflogen werden, bei der die Kraftresulierende an den Flügeln genau mit der Zugleinenrichtung übereinstimmt und die Luftschrauben nur zur Steuerung dienen und der Bootsantrieb nur durch Leinenzug geschieht.
• Die Steuerung durch die Luftschrauben als Steuer- und Antriebselemente beinhaltet auch die Möglichkeit der schnellen Richtungsänderung der Flugrichtung des V. beziehungsweise schnellen Kurswech sels des Bootes um 180°, wobei das vorher untenliegende Hauptrahmenprofil anschließend oben liegt.
• Bei Energiebooten ist nicht die schnelle Vorwärtsbewegung, sondern die maximale Stromerzeugung am Boot oder am Drachen ausschlaggebend, deshalb wird die Bootsgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit reduziert, bei der die Foils oder Kiele des Boots noch ausreichend Gegenkraft gegen die Drachenzugkraft entwickeln und bei mit Repellem am Boot betriebener Stromerzeugung noch genügend Strömungsgeschwindigkeit zu deren wirtschaftlich optimalem Betrieb vorliegt. Da die wirtschaftlich optimale Drachengeschwindigkeit wesentlich höher als diese Bootsgeschwindigkeit liegt, wird der Drachen relativ zum Boot auf einer kreisförmigen Schlaufenbahn oder in anderen Schlaufenbahnen wie zum Beispiel einer Bahn ähnlich einer liegenden Acht geflogen. Dabei ändert sich die Richtung des scheinbaren Winds fortwährend, so dass bei Energieboot-Anwendungen die Flügel zwecks Optimierung des Anstellwinkels drehbar befestigt sein sollten.
• Die genannten Steuerelemente sind auch erfindungsgemäß eine Lösung für die Niederholung und den Start des V. Auf See kann der V. auf der Wasseroberfläche abgesetzt werden. Dazu sind erfindungsgemäß in Flugrichtung hinten vorzugsweise an den Hauptrahmenprofilen leichte Rohre angebracht, die nach dem Wassern für ausreichend Auftrieb zur ausreichenden Beabstandung des Vielflügeldrachens von der Wasseroberfläche sorgen, im Folgenden Wasserstandbeine genannt. Die Art des Niederholens und Wasserns ist abhängig davon, ob die Tragflächen starr mit den Hauptrahmenprofilen verbunden oder dort drehbar angebracht sind. Die drehbare Anbringung ist die sicherere Lösung in Bezug auf die jederzeit optimale Anstellung und bietet im gewasserten Zustand weniger Windangriffsfläche durch Horizontalstellung, ist aber bezüglich Lagerung und Gesamtsteifigkeit anspruchsvoller. Bei starrer Verbindung muss der Anbringungswinkel entsprechend der Einsatzart, ob als reiner Zugdrachen ohne Stromerzeugung in der Luft und Übertragung elektrischer Energie für den Elektroantrieb, also unter leichter Vorauseilung des Zugdrachens, oder als Stromlieferant für reinen Elektroantrieb in exakter Crosswindstellung, vorab festgelegt werden.
• Wenn die Flügel starr mit den Hauptrahmenprofilen verbunden sind, stehen sie bei der Wasserung nahezu senkrecht. Zwar kann dieser V. am oberen mittigen Windfenster zum Stillstand gebracht werden, erzeugt aber auf dem Weg nach unten zuviel Auftrieb, um gut kontrollierbar nach unten gebracht zu werden. Er muss am äusseren Windfenster, unter erhöhtem Steueraufwand nach unten gebracht werden. Bei der Ausführung mit drehbaren Flügeln kann der Vielflügeldrachen mittig im Windfenster mithilfe der Steuerbarkeit der Anstellwinkel und der Propeller einfacher gewassert werden. Beim Starten von der Wasseroberfläche dienen die Steuer- und Antriebselemente in Form von elektromotorisch angetriebenen Luftschrauben als Propeller, um den V. zunächst senkrecht nach oben zu beschleunigen, dabei kann das Anheben durch auftriebserzeugendes Anstellen der Flügel in hohem Grad bis hin zur alleinigen Anhebung durch die Flügel unterstützt werden.
• Die Verkürzung der Flügelspannweiten in Relation zur Gesamtlänge aller Flügel ist bei der strukturell einfachsten Ausführung mit nur zwei dreiecksbildenden, den V. seitlich begrenzenden Hauptrahmenpro filen schon wesentlich (1). Diese Relation kann erfindungsgemäß noch weiter verbessert werden durch Einziehen von Nebendiagonalen, welche vorzugsweise parallel zu den Hauptrahmenprofilen ver laufen. 2 zeigt einen V. mit 12 hintereinanderliegenden Flügeln und zwei Nebendiagonalen mit starrer Verbindung der Flügel, Hauptrahmen und Nebendiagonalen, 3 einen V. mit drehbar befestigten Flügeln. 4 und 5 zeigt einen Schnitt durch die V.-Mittelachse senkrecht zur V.-Hauptebene, 4 in gewassertem Zustand, 5 im Flug. Vorzugsweise sind die Wasserstandbeine im Flug per Teleskopmechanismus verkürzt.
• 6 zeigt eine Übersicht mit anhängendem, mit Foils ausgestatteten Wasserfahrzeug.
• Bezugszeichenliste

1

Zugleine

2

Flügel

3

Hauptrahmenprofil

4

Nebendiagonale

5

Luftschraube als Steuer- und Antriebselement

6

Wasserstandbein

Claims (6)

1. Vielflügeldrachen zum Antrieb von Ocean Racem, Energiebooten und Offshore-Windenergieanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielflügeldrachen eine Vielzahl in Windrichtung hintereinanderliegender Flügel aufweist, die an zwei den Drachen seitlich begrenzenden und an ihrem einen Ende gemeinsam an der Drachenleine befestigten Hauptrahmenprofilen starr oder drehbar befestigt sind, wobei die seitlichen Hauptrahmenprofile und die Flügel in einer Ebene liegen und in ihrer Gesamtkonstruktion ein Dreieck bilden.
2. Vielflügeldrachen zum Antrieb von Ocean Racem, Energiebooten und Offshore-Windenergieanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vielflügeldrachen eine Vielzahl in Windrichtung hintereinanderliegender Flügel aufweist, die an zwei den Drachen seitlich begrenzenden und an ihrem einen Ende gemeinsam an der Drachenleine befestigten Hauptrahmenprofilen starr oder drehbar befestigt sind, wobei die seitlichen Rahmenprofile und die Flügel in einer Ebene liegen und in ihrer Gesamtkonstruktion ein Dreieck bilden und dass an den seitlichen Hauptrahmenprofilen Steuer- und Antriebselemente in Form von Luftschrauben mit ihren Achsen in Flugrichtung befestigt sind, die über einen coaxial verbundenen Elektromotor als Propeller angetrieben werden können, als auch über einen coaxial verbundenen Generator als Repeller zum Antrieb eines Generators genutzt werden können, so dass Flugrichtung und Position durch Bremsung durch die als Repeller wirkende Luftschraube oder Antreiben durch die als Propeller wirkende Luftschraube bestimmt werden können, und dass Motor und Generator als Motorgenerator ausgebildet sein kann.
3. Vielflügeldrachen nach den Ansprüchen 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit seiner Hauptebene parallel zur Wasseroberfläche und in ausreichendem Abstand zu dieser schwimmend aufgelagert werden kann, wobei als Standbeine dienende leichte Rohrprofile, die an den Hauptrahmenprofilen in vorzugsweise rechtem Winkel zu diesen und bezogen auf die Flugrichtung nach hinten abstehend angebracht sind, in das Wasser eintauchend für ausreichend Auftrieb sorgen.
4. Vielflügeldrachen nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Antriebselemente in Form von Luftschrauben allein oder unterstützend beim Starten und Wassern zur Erzeugung von für auf das Sinken bremsend wirkenden oder das Aufsteigen beschleunigenden Auftrieb genutzt werden.
5. Vielflügeldrachen nach den Ansprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einziehen von Nebendiagonalen, welche vorzugsweise parallel zu den Hauptrahmenprofilen verlaufen, die Aussteifung der Gesamtkonstruktion verbessert ist und die Flügelspannweiten verkürzt werden.
6. Vielflügeldrachen nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstandbeine im Flug per Teleskopmechanismus verkürzt sind.

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