DE102019125467A1 - Aircraft wind power plant - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flugwindkraftwerk (10), mit „leichter-als-Luft“-Auftriebskörper (13), Windrotor (11) in einem Windkanal (12), Generator (31), Halteleine (27). Erfindungsgemäß ist eine feste Struktur zur Bildung des Windkanals (12) und zur Aufnahme des Windrotors (11) vorgesehen.The invention relates to an airborne wind power plant (10) with a “lighter-than-air” lifting body (13), wind rotor (11) in a wind tunnel (12), generator (31), tether (27). According to the invention, a solid structure is provided for forming the wind tunnel (12) and for receiving the wind rotor (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Flugwindkraftwerk, mit „leichter-als-Luft“-Auftriebskörper, Windrotor in einem Windkanal, Generator und Halteleine.The invention relates to an airborne wind power plant, with a “lighter-than-air” lifting body, a wind rotor in a wind tunnel, a generator and a tether.

Flugwindkraftwerke der eingangs genannten Art sind aus der EP 2 344 756 B1 und US 2014/0377066 A1 bekannt. In beiden Fällen ist ein Windrotor in einem Windkanal angeordnet. Der Windkanal ist Teil eines mit leichtem Gas gefüllten Auftriebskörpers. Der gasgefüllte Auftriebskörper ist über eine Halteleine mit einer Bodenstation verbunden. Der Windkanal ist jeweils relativ instabil ausgebildet, ebenso die Verankerung des Windrotors.Aircraft wind power plants of the type mentioned are from the EP 2 344 756 B1 and US 2014/0377066 A1 known. In both cases, a wind rotor is arranged in a wind tunnel. The wind tunnel is part of a float filled with light gas. The gas-filled float is connected to a ground station via a tether. The wind tunnel is designed to be relatively unstable, as is the anchoring of the wind rotor.

Die DE 10 2007 020 632 A1 offenbart einen ringförmigen Ballon mit einem an Verstrebungen gehaltenen Rotor.The DE 10 2007 020 632 A1 discloses an annular balloon with a strut supported rotor.

Die WO 2010/006433 A1 offenbart einen zeppelinartigen Ballon mit Rotoren außen an Flügelspitzen.The WO 2010/006433 A1 discloses a zeppelin-like balloon with rotors on the outside of the wing tips.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Flugwindkraftwerks der genannten Art, welches insbesondere für stärkere Winde geeignet ist.The object of the present invention is to create an airborne wind power plant of the type mentioned, which is particularly suitable for stronger winds.

Zur Lösung der Aufgabe weist das erfindungsgemäße Flugwindkraftwerk die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Insbesondere ist eine feste Struktur zur Bildung des Windkanals und zur Aufnahme des Windrotors vorgesehen. Die feste Struktur kann ein Rahmen, ein Gestell, ein Gitter, ein Körper mit festen Wandungen sein. Wichtig ist, dass die feste Struktur unter allen im Hinblick auf statische und dynamische Lasten zulässigen Betriebsbedingungen eine steife, dauerhaft gleichbleibende Form des Windkanals gewährleistet, ebenso eine genaue und unveränderliche Positionierung des Windrotors im Windkanal. Im einfachsten Fall ist der Windkanal im Wesentlichen ein Rohr mit steifer Wandung. Möglich ist aber auch ein festes Gitter oder Gestell mit demgegenüber weniger fester Hülle oder Folie als Oberfläche oder Bespannung.To achieve the object, the airborne wind power plant according to the invention has the features of claim 1. In particular, a solid structure is provided for forming the wind tunnel and for receiving the wind rotor. The solid structure can be a frame, a frame, a grid, a body with solid walls. It is important that the solid structure guarantees a rigid, permanently constant shape of the wind tunnel under all operating conditions permissible with regard to static and dynamic loads, as well as an exact and unchangeable positioning of the wind rotor in the wind tunnel. In the simplest case, the wind tunnel is essentially a pipe with a rigid wall. However, it is also possible to have a fixed grid or frame with a cover or film that is less rigid than the surface or covering.

Der Auftriebskörper ist zum Befüllen mit Wasserstoff vorgesehen bzw. mit Wasserstoff befüllt. Möglich ist auch eine Befüllung mit anderen Gasen, die leichter als Luft sind. Das Volumen des Auftriebskörpers im Verhältnis zur Gesamtmasse des Flugwindkraftwerks ist dann an das verwendete leichte Gas anzupassen. Vorzugsweise erstreckt sich der Auftriebskörper ringförmig um die feste Struktur herum. Der Auftriebskörper soll insbesondere eine flexible, nachgiebige Hülle als Wandung aufweisen. Möglich ist auch eine zusätzliche formgebende Tragstruktur für den Auftriebskörper, etwa ein Gerippe oder ein Gestell.The float is intended to be filled with hydrogen or filled with hydrogen. It is also possible to fill it with other gases that are lighter than air. The volume of the float in relation to the total mass of the aircraft wind power plant must then be adapted to the light gas used. The buoyancy body preferably extends annularly around the fixed structure. The buoyancy body should in particular have a flexible, resilient shell as a wall. An additional shaping support structure for the buoyancy body, for example a framework or a frame, is also possible.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windkanal rohrförmig mit rundem Querschnitt und mit anschließendem Diffusor ausgebildet sein. Der Windkanal kann überwiegend oder ausschließlich einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Der anschließende Diffusor weist einen in Windrichtung (Strömungsrichtung) zunehmenden Querschnitt auf, insbesondere mit in Strömungsrichtung progressiv zunehmendem Durchmesser, ähnlich einer Austrittsöffnung an einer Trompete oder Tuba. In einem Längsschnitt des Diffusors ergibt sich dadurch innenseitig eine konvexe Kontur. Durch den Diffusor kann die Energieausbeute des Windrotors gesteigert werden. Der Diffusor ist vorzugsweise Teil der festen Struktur.According to a further concept of the invention, the wind tunnel can be tubular with a round cross-section and with a subsequent diffuser. The wind tunnel can predominantly or exclusively have a circular cross section. The adjoining diffuser has a cross section that increases in the wind direction (flow direction), in particular with a progressively increasing diameter in the flow direction, similar to an outlet opening on a trumpet or tuba. In a longitudinal section of the diffuser, this results in a convex contour on the inside. The energy yield of the wind rotor can be increased through the diffuser. The diffuser is preferably part of the solid structure.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windkanal eine Eintrittsöffnung mit einer Blende zur Querschnittveränderung aufweisen. Mittels der Blende kann der Lufteintritt in den Windkanal reguliert werden. Möglich ist sogar die Verwendung einer Blende, die die Eintrittsöffnung komplett verschließt.According to a further concept of the invention, the wind tunnel can have an inlet opening with a screen for changing the cross section. The air inlet into the wind tunnel can be regulated by means of the cover. It is even possible to use a screen that completely closes the inlet opening.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann die Blende als Irisblende ausgebildet sein. Darunter wird hier eine Blende analog einer optischen Blende verstanden, also eine Blende mit variabler Öffnungsweite, deren Öffnung sich bei feststehendem Mittelpunkt so verändern lässt, dass sie ungefähr kreisförmig bleibt. „Ungefähr“ deshalb, weil bei in der Optik verwendeten Irisblenden entlang eines Umfangs angeordnete Lamellen vorgesehen sind, die relativ zum Mittelpunkt bewegbar sind. Die Lamellen sind relativ zueinander abgewinkelt. Je mehr Lamellen vorhanden sind, umso näher ist die Form der Öffnung an der Kreisform.According to a further concept of the invention, the diaphragm can be designed as an iris diaphragm. This is understood to mean a diaphragm analogous to an optical diaphragm, i.e. a diaphragm with a variable opening width, the opening of which can be changed with a fixed center point so that it remains approximately circular. “Approximately” because iris diaphragms used in optics are provided along a circumference arranged lamellae which can be moved relative to the center point. The slats are angled relative to each other. The more lamellas there are, the closer the shape of the opening is to the circular shape.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann ein Leitwerk als Seitenruder vorgesehen sein, wobei das Leitwerk mit der festen Struktur verbunden ist. Das Leitwerk geht aus von der festen Struktur und erstreckt sich insbesondere in senkrechter, also aufrechter Richtung, bezogen auf eine erwünschte Fluglage des Flugwindkraftwerks. Es können aber auch mehrere gegeneinander abgewinkelte Leitwerke als Seitenruder vorgesehen sein. Mit dem Leitwerk ist das Einstellen einer stabilen Fluglage möglich, sodass unerwünschte Drehungen um eine Hochachse oder Abweichungen von einer angestrebten Fluglage vermieden werden. Das Leitwerk ist vorzugsweise selbst von fester Struktur.According to a further concept of the invention, a tail unit can be provided as a rudder, the tail unit being connected to the fixed structure. The tail unit is based on the fixed structure and extends in particular in a vertical, that is, upright direction, based on a desired flight position of the airborne wind power plant. However, several tail units angled against one another can also be provided as rudders. With the tail unit it is possible to set a stable flight attitude so that undesired rotations around a vertical axis or deviations from a desired flight attitude are avoided. The tail unit itself is preferably of a solid structure.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann das Leitwerk den Auftriebskörper durchdringen. Das Leitwerk erstreckt sich dann durch den Auftriebskörper hindurch. Somit kann trotz Leitwerk der Auftriebskörper die feste Struktur umgeben.According to a further idea of the invention, the tail unit can penetrate the buoyancy body. The tail unit then extends through the float. Thus, despite the tail unit, the buoyancy body can surround the solid structure.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können beidseitig der festen Struktur verstellbare Tragflächen für dynamischen Auftrieb angeordnet sein, wobei die Tragflächen mit der festen Struktur verbunden sind. Die Tragflächen gehen insbesondere in einer gemeinsamen Ebene in waagerechter Ausrichtung von der festen Struktur aus. Durch den dynamischen Auftrieb bleibt das Flugwindkraftwerk auch bei starkem Wind in großer Höhe. Über die verstellbaren Tragflächen ist der dynamische Auftrieb einstellbar, insbesondere zur Anpassung an die Windstärke und den Winkel der Halteleine. Die Tragflächen sind vorzugsweise selbst von fester Struktur. Vorzugsweise erstrecken sich die Tragflächen durch den Auftriebskörper hindurch und durchdringen diesen so.According to a further concept of the invention, adjustable airfoils for dynamic lift can be arranged on both sides of the fixed structure, the airfoils being connected to the fixed structure. In particular, the wings proceed from the solid structure in a common plane in a horizontal orientation. Due to the dynamic lift, the airborne wind power plant remains at a great height even in strong winds. The dynamic lift can be adjusted via the adjustable wings, in particular to adapt to the wind strength and the angle of the tether. The wings themselves are preferably of solid structure. The airfoils preferably extend through the buoyancy body and so penetrate it.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Auftriebskörper aufgeteilt sein in jeweils geschlossene Segmente, welche zusammen den Auftriebskörper bilden und hierzu insbesondere miteinander verbunden sind. Die Segmente sollen einzeln austauschbar und mit dem leichten Gas befüllbar sein. Vorzugsweise zueinander benachbarte Segmente können außenseitig und/oder über Gasleitungen miteinander verbunden sein. Zusätzlich können Übergänge zwischen einzelnen Segmenten winddicht abgedeckt sein. Vorzugsweise sind die Segmente an der festen Struktur befestigt, insbesondere am Windkanal und oder am Diffusor.According to a further concept of the invention, the buoyancy body can be divided into closed segments which together form the buoyancy body and are in particular connected to one another for this purpose. The segments should be individually replaceable and fillable with the light gas. Segments that are preferably adjacent to one another can be connected to one another on the outside and / or via gas lines. In addition, transitions between individual segments can be covered windproof. The segments are preferably attached to the fixed structure, in particular to the wind tunnel and / or to the diffuser.

Vorteilhafterweise führen Gasschläuche von den Segmenten zur festen Struktur. Dort sind vorzugsweise Stellventile zur individuellen Befüllung und zum Entleeren der Segmente vorgesehen. Die Stellventile können mit einer zentralen Gasleitung verbunden sein, welche entlang der Halteleine zum Boden führt.Gas hoses advantageously lead from the segments to the solid structure. Control valves for individual filling and emptying of the segments are preferably provided there. The control valves can be connected to a central gas line which leads along the tether to the ground.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können die Segmente um die feste Struktur herum aneinander anschließen und so einen Ring um die feste Struktur bilden. Trennebenen zwischen den Segmenten erstrecken sich insbesondere parallel zur Strömungsrichtung bzw. zu einer Ringachse.According to a further concept of the invention, the segments can connect to one another around the fixed structure and thus form a ring around the fixed structure. Parting planes between the segments extend in particular parallel to the direction of flow or to an axis of the ring.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können die Segmente in einem Längsschnitt entlang der Strömungsrichtung jeweils eine zumindest teilweise bi-konvexe oder ellipsenförmige Kontur aufweisen. Dadurch können die Segmente bestmöglich an eine Außenkontur des Windkanals mit Diffusor angepasst sein und zugleich eine stabile Form bilden, vorzugsweise im Hinblick auf einen Gasdruck im Inneren der Segmente und einen von außen auf die Segmente wirkenden Winddruck.According to a further concept of the invention, the segments can each have an at least partially bi-convex or elliptical contour in a longitudinal section along the direction of flow. As a result, the segments can be adapted as best as possible to an outer contour of the wind tunnel with diffuser and at the same time form a stable shape, preferably with regard to a gas pressure inside the segments and a wind pressure acting on the segments from outside.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Generator ein Ringgenerator mit ringförmigem Rotor sein. Ringgeneratoren sind beispielsweise bekannt aus WO 2011/002979 A2 , DE 102 08 588 A1 und DE 10 2008 050 848 A1 . Der Ringgenerator ist insbesondere permanent erregt. Durch die Gestaltung als Ringgenerator liegt der Rotor des Generators, also der elektrische oder magnetische Rotor, nicht im Windkanal, sondern außerhalb desselben, ebenso ein Stator des Generators.According to a further concept of the invention, the generator can be a ring generator with an annular rotor. Ring generators are known from, for example WO 2011/002979 A2 , DE 102 08 588 A1 and DE 10 2008 050 848 A1 . In particular, the ring generator is permanently excited. Due to the design as a ring generator, the rotor of the generator, that is to say the electric or magnetic rotor, is not in the wind tunnel but outside it, as is a stator of the generator.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windrotor Rotorblätter aufweisen, deren radial äußere Enden im Rotor des Ringgenerators gelagert sind. Dadurch kann auf eine mittige Welle und ein mittiges Lager für den Windrotor verzichtet werden. Vorzugsweise weist der Windrotor drei Rotorblätter auf.According to a further concept of the invention, the wind rotor can have rotor blades, the radially outer ends of which are mounted in the rotor of the ring generator. This means that a central shaft and a central bearing for the wind rotor can be dispensed with. The wind rotor preferably has three rotor blades.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Rotor des Generators magnetgelagert sein. Dadurch tritt keine mechanische Reibung auf. Magnetgelagerte Ringgeneratoren sind u.a. bekannt aus der DE 10 2017 106 434 A1 und aus Machbarkeitsstudien des Fraunhofer Instituts, siehe (Abruf am 29.08.2019) https://doi.org/10.2314/gbv:804429278 und https://doi.org/10.2314/gbv:89712684x.According to a further concept of the invention, the rotor of the generator can be magnetically supported. This means that there is no mechanical friction. Magnetic bearing ring generators are known from the DE 10 2017 106 434 A1 and from feasibility studies by the Fraunhofer Institute, see (accessed on August 29, 2019) https://doi.org/10.2314/gbv:804429278 and https://doi.org/10.2314/gbv:89712684x.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windrotor in Strömungsrichtung kurz hinter einem kleinsten Querschnitt des Diffusors angeordnet sein, nämlich zwischen dem kleinsten Querschnitt und 5-25 % der Länge in Richtung auf einen Auslass des Diffusors. Vorzugsweise ist der Windrotor zwischen 10 % und 20 % der Länge in Richtung auf den Auslass des Diffusors angeordnet, ausgehend vom kleinsten Querschnitt. Es verbleiben dann 80-90 % der Länge des Diffusors bis zum Auslass. Die Strömung im Windkanal wird dadurch bestmöglich ausgenutzt.According to a further concept of the invention, the wind rotor can be arranged in the direction of flow just behind a smallest cross section of the diffuser, namely between the smallest cross section and 5-25% of the length in the direction of an outlet of the diffuser. The wind rotor is preferably arranged between 10% and 20% of the length in the direction of the outlet of the diffuser, starting from the smallest cross section. This leaves 80-90% of the length of the diffuser up to the outlet. The flow in the wind tunnel is thus optimally used.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann der Windrotor radial mittig im Windkanal gelagert und an Verstrebungen gehalten sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Generator radial mittig angeordnet sein.According to a further concept of the invention, the wind rotor can be mounted radially in the center of the wind tunnel and held on struts. Alternatively or additionally, the generator can be arranged radially in the center.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann an der Halteleine wenigstens ein elektrischer Verbraucher angeordnet sein, insbesondere eine Antenne, eine Leuchte oder beides. Bei dem elektrischen Verbraucher handelt es sich demnach um eine Nutzlast, die für die Funktion des Flugwindkraftwerks nicht erforderlich ist. Als Antenne ist vorzugsweise eine Mobilfunkantenne oder Richtfunkantenne vorgesehen.According to a further concept of the invention, at least one electrical consumer can be arranged on the tether, in particular an antenna, a lamp or both. The electrical consumer is therefore a payload that is not required for the function of the aircraft wind power plant. A cellular radio antenna or directional radio antenna is preferably provided as the antenna.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können an der Halteleine Leitungen befestigt sein, nämlich wenigstens eine der nachfolgenden Leitungen:

  • - Stromkabel für Strom des Generators zu einer Bodenstation,
  • - Stromkabel für Strom des Generators zu einem elektrischen Verbraucher an der Halteleine,
  • - Stromkabel für Strom von einer Bodenstation zu einem elektrischen Verbraucher an der Halteleine,
  • - Datenkabel für elektrische Verbraucher an der Halteleine,
  • - Datenkabel für eine Steuerung des Flugwindkraftwerks,
  • - Schlauch für die Zufuhr von Wasserstoff zum Auftriebskörper.
According to a further concept of the invention, lines can be attached to the tether, namely at least one of the following lines:
  • - Power cable for power from the generator to a ground station,
  • - Power cable for power from the generator to an electrical consumer on the tether,
  • - Power cable for power from a ground station to an electrical consumer on the mooring line,
  • - Data cable for electrical consumers on the mooring line,
  • - data cable for a control of the aircraft wind power plant,
  • - Hose for the supply of hydrogen to the float.

Als Halteleine wird grundsätzlich jede flexible und einholbare Verbindung zwischen dem Flugwindkraftwerk und einer Bodenstation verstanden, insbesondere ein Seil, ein Kabel, ein Schlauch oder eine Kombination aus gleichartigen oder verschiedenartigen genannten Bestandteilen.A holding line is basically any flexible and retrievable connection between the aircraft wind power plant and a ground station, in particular a rope, a cable, a hose or a combination of the same or different components mentioned.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann eine Bodenstation mit einer Verankerung für die Halteleine vorgesehen sein. Die Verankerung oder Bodenstation ist vorzugsweise mit einem Fundament oder einer Gründung versehen, um die durch das Flugwindkraftwerk auftretenden Zugkräfte aufzunehmen und in den Boden zu leiten. Der Standort der Bodenstation kann auf dem Land oder auf dem Meeresboden sein. Möglich ist auch eine schwimmende Bodenstation mit Verankerung im Meeresboden.According to a further concept of the invention, a ground station with an anchorage for the tether can be provided. The anchorage or ground station is preferably provided with a foundation or foundation in order to absorb the tensile forces occurring by the airborne wind power plant and to direct them into the ground. The ground station can be located on land or on the sea floor. A floating ground station with anchoring in the seabed is also possible.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann eine Wickelvorrichtung für die Halteleine vorgesehen sein, insbesondere auch für Leitungen an der Halteleine. Die Wickelvorrichtung ist vorzugsweise mit der Bodenstation oder der Verankerung verbunden.According to a further concept of the invention, a winding device can be provided for the tether, in particular also for lines on the tether. The winding device is preferably connected to the ground station or the anchorage.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann die Bodenstation mit einem Gasspeicher, insbesondere für Wasserstoff, verbunden sein. Im Gasspeicher wird das leichte Gas gespeichert und kann von dort über eine Leitung dem Flugwindkraftwerk zugeführt werden.According to a further concept of the invention, the ground station can be connected to a gas store, in particular for hydrogen. The light gas is stored in the gas storage tank and can be fed from there to the aircraft wind power plant via a pipe.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können Gasspeicher, Elektrolyseur, Brennstoffzelle und/oder Batterie vorgesehen sein. Insbesondere sind diese Einrichtungen mit der Bodenstation verbunden oder nahe der oder in der Bodenstation angeordnet. Der mit dem Flugwindkraftwerk erzeugte Strom kann verwendet werden, um auf elektrolytischem Wege Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der Wasserstoff kann unter Druck im Gasspeicher gespeichert und/oder über eine Leitung in den Auftriebskörper geleitet werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Strom in einer Batterie gespeichert und/oder zur Versorgung eines Verbrauchers verwendet werden. Der Verbraucher ist vorzugsweise an der Halteleine oder an der festen Struktur gehalten. Der gespeicherte Wasserstoff kann zusammen mit Luftsauerstoff verwendet werden, um in der Brennstoffzelle Strom zu erzeugen, welcher ins allgemeine Stromnetz eingespeist oder in der Batterie gespeichert wird. Vorzugsweise wird der vom Generator erzeugte Strom direkt ins Stromnetz eingespeist.According to a further concept of the invention, gas storage, electrolyzer, fuel cell and / or battery can be provided. In particular, these devices are connected to the ground station or are arranged close to or in the ground station. The electricity generated by the aircraft wind power plant can be used to split water into hydrogen and oxygen by electrolytic means. The hydrogen can be stored under pressure in the gas storage tank and / or fed into the buoyancy body via a line. Additionally or alternatively, the current can be stored in a battery and / or used to supply a consumer. The consumer is preferably held on the tether or on the fixed structure. The stored hydrogen can be used together with atmospheric oxygen to generate electricity in the fuel cell, which is fed into the general electricity grid or stored in the battery. The electricity generated by the generator is preferably fed directly into the power grid.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Übrigen und aus den Ansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Flugwindkraftwerk an einer Halteleine über einer Bodenstation,
  • 2 das Flugwindkraftwerk in einer horizontalen Schnittansicht von oben, mit einer Schnittebene unmittelbar oberhalb von Tragflächen,
  • 3 das Flugwindkraftwerk in einer Seitenansicht,
  • 4 das Flugwindkraftwerk in einer Frontansicht mit Einlassöffnung,
  • 5 eine feste Struktur des Windkraftwerks in perspektivischer Darstellung und mit sichtbarer Auslassöffnung,
  • 6 die feste Struktur in einer Schnittansicht analog 2 und mit einer alternativen Ausführung eines Windrotors.
Further features of the invention can also be found in the description and in the claims. Advantageous embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
  • 1 an aircraft wind power plant on a tether above a ground station,
  • 2 the airborne wind power plant in a horizontal sectional view from above, with a sectional plane directly above the wings,
  • 3rd the aircraft wind power plant in a side view,
  • 4th the aircraft wind power plant in a front view with inlet opening,
  • 5 a solid structure of the wind power plant in perspective and with a visible outlet opening,
  • 6th the solid structure in a sectional view analogously 2 and with an alternative design of a wind rotor.

Wie in 1 erkennbar, weist ein Flugwindkraftwerk 10 einen Windrotor 11 in einem Windkanal 12 sowie einen um den Windkanal 12 ringförmig umlaufenden Auftriebskörper 13 auf. Der insbesondere ballonartig flexible Auftriebskörper 13 besteht hier aus einzelnen Segmenten 14, welche gleich oder nahezu gleich ausgebildet sind und in Umfangsrichtung des Windkanals 12 aufeinanderfolgen. Trennebenen 15 zwischen den Segmenten 14 erstrecken sich vorzugweise parallel zu einer durch einen Pfeil 16 angegebenen Strömungsrichtung. Die Strömungsrichtung soll die Windrichtung bezeichnen und stimmt bei entsprechender Ausrichtung des Flugwindkraftwerks 10 mit einer Längsachse 17 des Windkanals 12 überein. Die Längsachse 17 ist vorzugsweise zugleich Drehachse des Windrotors 11, siehe 2.As in 1 recognizable, shows an airborne wind power plant 10 a wind rotor 11 in a wind tunnel 12th as well as one around the wind tunnel 12th ring-shaped circumferential float 13th on. The particularly balloon-like flexible float 13th consists of individual segments here 14th , which are designed the same or almost the same and in the circumferential direction of the wind tunnel 12th successive. Parting lines 15th between the segments 14th preferably extend parallel to one through an arrow 16 specified flow direction. The direction of flow should denote the direction of the wind and is correct if the airborne wind power plant is aligned accordingly 10 with a longitudinal axis 17th of the wind tunnel 12th match. The longitudinal axis 17th is preferably also the axis of rotation of the wind rotor 11 , please refer 2 .

Der Windkanal 12 ist rohrförmig ausgebildet mit insbesondere kreisrundem, gleichbleibendem Querschnitt, also zylindrisch, und im Bereich einer Einlassöffnung 18 mit einer Irisblende 19 versehen. Mit der Irisblende 19 kann der wirksame Querschnitt der Einlassöffnung 18 verändert werden, insbesondere auch komplett geschlossen werden und so die auf den Windrotor 11 treffende Luftströmung regulieren. Insbesondere wird der wirksame Querschnitt bei stärker werdendem Wind verringert. Dadurch kann das Flugwindkraftwerk 10 auch bei höheren Windstärken ohne Abschaltung weiterbetrieben werden.The wind tunnel 12th is tubular, in particular with a circular, constant cross-section, that is to say cylindrical, and in the area of an inlet opening 18th with an iris diaphragm 19th Mistake. With the iris diaphragm 19th can be the effective cross section of the inlet opening 18th can be changed, in particular also completely closed and so on the wind rotor 11 accurate air flow regulate. In particular, the effective cross-section is reduced when the wind increases. This allows the aircraft wind power plant 10 can continue to be operated without being switched off even at higher wind speeds.

An den Windkanal 12 schließt in Strömungsrichtung unmittelbar ein Diffusor 20 an. Dessen kleinster Querschnitt entspricht dem Querschnitt des Windkanals 12. In Richtung auf seine Auslassöffnung 21 vergrößert sich der Durchmesser des Diffusors 20 überproportional, also exponentiell, sodass die Form des Diffusors 20 im Bereich der Auslassöffnung 21 einem Luftauslass einer Trompete oder Tuba entspricht. Das heißt, der Durchmesser des Diffusors 20 nimmt in Strömungsrichtung progressiv zu. Vom Inneren des Diffusors 20 aus gesehen weist eine umlaufende Diffusorwandung 22 im Schnitt eine konvexe Form auf, siehe insbesondere 2 und 6.To the wind tunnel 12th a diffuser closes directly in the direction of flow 20th at. Its smallest cross section corresponds to the cross section of the wind tunnel 12th . Towards its outlet port 21 the diameter of the diffuser increases 20th disproportionately, so exponentially, so that the shape of the diffuser 20th in the area of the outlet opening 21 corresponds to an air outlet of a trumpet or tuba. That is, the diameter of the diffuser 20th increases progressively in the direction of flow. From inside the diffuser 20th seen from has a circumferential diffuser wall 22nd a convex shape in section, see in particular 2 and 6th .

Der Diffusor 20 und insbesondere seine beschriebene Gestalt sorgen für eine erhöhte Ausbeute an kinetischer Energie aus dem durch den Windkanal 12 strömenden Wind. Der Durchmesser der Auslassöffnung 21 ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser der Einlassöffnung 18. In Strömungsrichtung weist der Diffusor etwa die gleiche Länge auf wie der Windkanal.The diffuser 20th and in particular its described shape, provide for an increased yield of kinetic energy from the wind tunnel 12th pouring wind. The diameter of the outlet opening 21 is about twice the diameter of the inlet opening 18th . In the direction of flow, the diffuser is approximately the same length as the wind tunnel.

Die Kombination aus Windkanal 12 und Diffusor 20 bildet den Kern einer festen Struktur zur Aufnahme des Windrotors 11. Hergestellt ist die feste Struktur aus leichten aber stabilen Werkstoffen, wie Aluminium oder Carbon. Die feste Struktur ist in sich steif, im Gegensatz zu einer flexiblen Ballonhülle.The combination of a wind tunnel 12th and diffuser 20th forms the core of a solid structure to accommodate the wind rotor 11 . The solid structure is made of light but stable materials such as aluminum or carbon. The solid structure is inherently stiff, in contrast to a flexible balloon envelope.

Mit der festen Struktur verbunden sind ein aufrechtes Seitenleitwerk 23 und zu beiden Seiten angeordnete Tragflächen 24. Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 sind ebenfalls steif bzw. fest ausgebildet, aus leichten aber stabilen Werkstoffen und fest mit dem Windkanal 12 verbunden.An upright rudder unit is connected to the fixed structure 23 and wings arranged on both sides 24 . Vertical stabilizer 23 and wings 24 are also made stiff or solid, made of light but stable materials and firmly attached to the wind tunnel 12th connected.

Das Seitenleitwerk 23 besteht aus einem feststehenden, der Windrichtung zugewandten Teilkörper 25 und einem beweglichen, der Windrichtung abgewandten Teilkörper 26. Dabei ist der Teilkörper 26 vorzugsweise am Teilkörper 25 angelenkt und um eine Hochachse schwenkbar. Mit dem beweglichen Teilkörper 26 kann das Flugwindkraftwerk 10 um eine Hochachse manövriert werden. Auch ist eine Rückstellung auf eine Ausgangsorientierung möglich, um eine mehrfache Drehung des Flugwindkraftwerks 10 um die Hochachse und somit eine Verdrehung einer Halteleine 27, von Kabeln oder Schläuchen zu vermeiden.The vertical stabilizer 23 consists of a fixed part of the body facing the wind direction 25th and a movable part body facing away from the wind direction 26th . Here is the part of the body 26th preferably on the part of the body 25th articulated and pivotable about a vertical axis. With the movable part of the body 26th can the aviation wind power plant 10 be maneuvered around a vertical axis. It is also possible to return to an initial orientation by rotating the aircraft wind power plant several times 10 around the vertical axis and thus a twisting of a tether 27 to avoid cables or hoses.

Die Tragflächen 24 sind zur Ausbildung eines dynamischen Auftriebs profiliert. Ein Anstellwinkel der Tragflächen 24 zum Wind ist einstellbar, um bei größeren Windstärken den dynamischen Auftrieb zu erhöhen. Dies kann bei hohen Windstärken dazu führen, dass der dynamische Auftrieb weit größer ist als der statische Auftrieb des Auftriebskörpers 13, sodass das Flugwindkraftwerk 10 nicht zu Boden gedrückt wird, sondern mit maximal 30° Auslenkung senkrecht zu einer Verankerung 28 in der Luft steht.The wings 24 are profiled to create dynamic buoyancy. An angle of attack of the wings 24 to the wind is adjustable in order to increase the dynamic lift at higher wind speeds. At high wind speeds, this can mean that the dynamic lift is far greater than the static lift of the float 13th so that the aircraft wind power plant 10 is not pressed to the ground, but with a maximum deflection of 30 ° perpendicular to an anchorage 28 is in the air.

Wie oben ausgeführt, erstreckt sich der Auftriebskörper 13 ringförmig um die feste bzw. steife Struktur aus Windkanal 12 mit Diffusor 20. Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 erstrecken sich durch den Auftriebskörper 13 hindurch. Vorzugsweise sind die Segmente 14 derart angeordnet, dass das Seitenleitwerk 23 und die Tragflächen 24 im Bereich von Trennebenen 15 zwischen den Segmenten 14 liegen. Eine spezielle Gestaltung der insbesondere ballonartig flexiblen Segmente 14 zur Anpassung an Seitenleitwerk 23 und Tragflächen 24 ist deshalb nicht oder nur in geringem Maße erforderlich.As stated above, the float extends 13th ring-shaped around the solid or rigid structure made of wind tunnel 12th with diffuser 20th . Vertical stabilizer 23 and wings 24 extend through the float 13th through. Preferably the segments are 14th arranged so that the rudder unit 23 and the wings 24 in the area of parting lines 15th between the segments 14th lie. A special design of the segments that are flexible, in particular balloon-like 14th for adaptation to vertical tail unit 23 and wings 24 is therefore not necessary or only necessary to a limited extent.

Der bewegliche Teilkörper 26 des Seitenleitwerks 23 steht in Radialrichtung nach außen über den Auftriebskörper 13 hinaus und ist deshalb insgesamt deutlich kürzer als der Teilkörper 25, siehe insbesondere 5. Die Tragflächen 24 sind unterteilt in ein radial innen liegendes Festprofil 29 und ein daran radial außen anschließendes bewegliches Profil 30. Nur das bewegliche Profil 30 steht nach außen über den Auftriebskörper 13 über. Das Festprofil 29 liegt zwischen den Segmenten 14 und ist im Normalfall nicht sichtbar.The moving part of the body 26th of the vertical stabilizer 23 stands in the radial direction outwards over the float 13th and is therefore significantly shorter overall than the part of the body 25th , see in particular 5 . The wings 24 are subdivided into a fixed profile located radially on the inside 29 and a movable profile adjoining it radially on the outside 30th . Only the moving profile 30th stands outwards over the float 13th above. The fixed profile 29 lies between the segments 14th and is normally not visible.

Das Volumen des Auftriebskörpers 13 ist so gewählt, dass der statische Auftrieb des Flugwindkraftwerks hoch genug ist, um das Flugwindkraftwerk 10, die Halteleine 27, weitere Kabel und Schläuche sowie eine oder mehrere Nutzlasten zu tragen und bei schwachem Wind genügend Auftrieb zu erzeugen, damit das Flugwindkraftwerk 10 nicht in Richtung Boden gedrückt wird. Als leichtes Gas zum Befüllen des Auftriebskörpers 13 ist vorzugsweise Wasserstoff vorgesehen.The volume of the float 13th is chosen so that the static lift of the airborne wind power plant is high enough to power the airborne wind power plant 10 who have favourited the tether 27 , to carry additional cables and hoses as well as one or more payloads and to generate enough lift in weak winds for the aircraft wind power plant 10 is not pushed towards the ground. As a light gas for filling the float 13th hydrogen is preferably provided.

Der Windrotor 11 ist mit einem elektrischen Generator 31 gekoppelt, welcher hier in der Ausführung gemäß 2 ein Ringgenerator mit Magnetlagerung 32, ringförmigem Stator 33 und permanent erregtem Rotor 34 ist. Der Windrotor 11 weist hier drei Rotorblätter 35 auf, die radial außen mit dem ringförmigen Rotor 34 des Generators 31 verbunden sind. Deshalb benötigt der Windrotor 11 keine zentrale Welle und auch kein zentrales Lager. Die Lagerung des Windrotors 11 erfolgt ausschließlich mittelbar durch die Verbindung mit dem Rotor 34 des Generators. Entsprechend sind im Windkanal 12 oder Diffusor 20 keine den Windstrom störenden Elemente zur Lagerung des Windrotors 11 vorhanden.The wind rotor 11 is with an electric generator 31 coupled, which here in the execution according to 2 a ring generator with magnetic bearings 32 , annular stator 33 and permanently excited rotor 34 is. The wind rotor 11 has three rotor blades here 35 on that radially outward with the annular rotor 34 of the generator 31 are connected. That is why the wind rotor needs 11 no central shaft and no central bearing either. The storage of the wind rotor 11 takes place only indirectly through the connection with the rotor 34 of the generator. Correspondingly are in the wind tunnel 12th or diffuser 20th no elements for mounting the wind rotor that interfere with the wind power 11 available.

Der Generator 31 ist am Außenumfang des Diffusors 20 vorgesehen, dicht am Windkanal 12. Vorzugsweise ist der Windrotor 11, ausgehend vom Windkanal 12, bei etwa 10-20 % der Länge des Diffusors 20 angeordnet. Das heißt, vom Windrotor 11 bis zur Auslassöffnung 21 verbleiben etwa 80-90 % der Länge des Diffusors 20.The generator 31 is on the outer circumference of the diffuser 20th provided, close to the wind tunnel 12th . Preferably the wind rotor 11 , starting from the wind tunnel 12th , at about 10-20% of the length of the diffuser 20th arranged. That is, from the wind rotor 11 up to the outlet opening 21 This leaves about 80-90% of the length of the diffuser 20th .

Eine im Verhältnis zu 2 abweichende Ausführungsform zeigt 6. Der Auftriebskörper 13 ist nicht gezeichnet aber vorhanden. Abweichend zu 2 ist der Windrotor 11 mit einem mittigen Lager 36 versehen. Das Lager 36 ist im Diffusor 20 an Verstrebungen 37 gehalten, kann aber auch im Windkanal 12 oder in beidem (Windkanal 12 und Diffusor 20) gehalten sein. Auch hier sind die Rotorblätter 35 mit dem Rotor 34 des Generators 31 (als Ringgenerator) verbunden.One in proportion to 2 different embodiment shows 6th . The float 13th is not drawn but available. Deviating from 2 is the wind rotor 11 with a central bearing 36 Mistake. The warehouse 36 is in the diffuser 20th on struts 37 held, but can also be done in the wind tunnel 12th or in both (wind tunnel 12th and diffuser 20th ) be held. Here, too, are the rotor blades 35 with the rotor 34 of the generator 31 (as a ring generator) connected.

Die Halteleine 27 ist vorzugsweise mit dem Windkanal 12 verbunden, siehe 5. Zusätzlich können eine Lastverteilung und/oder Stabilisierung bewirkende Leinen 38 von einem Anlenkpunkt 39 zum Auftriebskörper 13 vorgesehen sein. Dabei bilden die Leinen 38 eine Seilspinne, siehe 1, 3 und 4.The tether 27 is preferably with the wind tunnel 12th connected, see 5 . In addition, a load distribution and / or stabilization effecting lines can be used 38 from a point of articulation 39 to the float 13th be provided. In doing so, the lines form 38 a rope spider, see 1 , 3rd and 4th .

Wie oben ausgeführt, ist die Halteleine 27 in einer Verankerung 28 am Boden gehalten. Die Verankerung 28 kann ein in den Erdboden 40 eingelassenes Fundament sein. Auf der Verankerung 28 ist eine Winde 41 vorgesehen, mit der die Halteleine 27 eingezogen und ausgefahren werden kann. Neben der Verankerung 28 ist eine Bodenstation 42 mit einem Netzanschluss 43 vorgesehen. Das Fundament der Verankerung 28 kann aus Stahlbeton gegossen oder aus einfach zu transportierenden Betonblöcken oder anderen Gewichten, die im Erdboden 40 verankert sind, bestehen. Bei der Verwendung von einzelnen Gewichten ist auch ein einfacher Abbau und Umzug der kompletten Anlage an andere Stellen möglich. Die Verankerung 28 muss nur die Zugkraft des Flugwindkraftwerks 10 an der Halteleine 27 aufnehmen und keine hebelnden Kräfte eines Turms auffangen.As stated above, the mooring line is 27 in an anchorage 28 held on the ground. The anchorage 28 can one in the ground 40 be embedded foundation. On the mooring 28 is a winch 41 provided with the tether 27 can be retracted and extended. In addition to the anchoring 28 is a ground station 42 with a mains connection 43 intended. The foundation of the anchorage 28 can be cast from reinforced concrete or from easily transportable concrete blocks or other weights that are buried in the ground 40 are anchored. When using individual weights, it is also possible to simply dismantle and move the entire system to other locations. The anchorage 28 only needs the pulling power of the aircraft wind power plant 10 on the mooring line 27 and do not absorb any levering forces of a tower.

In der Bodenstation 42 kann sich ein Elektrolyseur befinden, mit dem aus Wasser und elektrischem Strom Wasserstoff erzeugt werden kann. Mit diesem Wasserstoff kann der Wasserstoff im Auftriebskörper 13 über eine Pumpe nachgefüllt werden. Zusätzlich kann bei geringem Strombedarf im Netz überschüssiger Strom in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Für die Speicherung des Wasserstoffs kann ein Druckbehälter mit Pumpe zur Verfügung stehen. Außerdem kann für die Erzeugung des Wasserstoffs durch Elektrolyse ein Wasserspeicher an der Bodenstation vorgesehen sein, der entweder manuell in regelmäßigen Abständen oder durch über die Oberfläche des Flugwindkraftwerks 10 gesammeltes und über die Halteleine 27 abgeleitetes Wasser befüllt wird.In the ground station 42 there may be an electrolyser with which hydrogen can be generated from water and electricity. With this hydrogen the hydrogen in the float can 13th can be refilled using a pump. In addition, excess electricity can be stored in the form of hydrogen when the electricity demand is low. A pressure vessel with a pump can be used to store the hydrogen. In addition, a water storage tank can be provided at the ground station for the generation of the hydrogen by electrolysis, which is either manually at regular intervals or via the surface of the airborne wind power plant 10 collected and over the mooring line 27 drained water is filled.

Überschüssiger elektrischer Strom kann auch in einer Stromspeicher-Batterie gespeichert werden und zur Notstromversorgung des Flugwindkraftwerks, zur Abfederung von Lastspitzen im Netz oder zur Erzeugung von Wasserstoff über den Elektrolyseur genutzt werden. Auch der Einsatz einer Brennstoffzelle ist möglich, um den im Druckspeicher gespeicherten Wasserstoff zur Abfederung von Lastspitzen im Netz in elektrischen Strom zu wandeln. In der Bodenstation 42 kann sich auch eine Steuerung des Flugwindkraftwerks 10 befinden, ebenso Umrichter, Wechselrichter und der Netzanschluss 43.Excess electrical power can also be stored in a power storage battery and used for the emergency power supply of the aircraft wind power plant, for cushioning load peaks in the network or for generating hydrogen via the electrolyser. A fuel cell can also be used to convert the hydrogen stored in the pressure accumulator into electrical power to cushion load peaks in the network. In the ground station 42 can also be a control of the aircraft wind power plant 10 as well as converters, inverters and the grid connection 43 .

In die Halteleine 27 integriert oder mit dieser verbunden sein können Stromkabel für den Strom des Generators 31 zur Bodenstation 42, Stromkabel von der Bodenstation 42 für elektrische Verbraucher an der Halteleine 27, Datenkabel für die elektrischen Verbraucher und die Steuerung des Flugwindkraftwerks 10 und/oder ein Schlauch für den Wasserstoff transport. Außerdem können die Halteleine 27 und alle vorgenannten Kabel und Schläuche gebündelt und von einer Schutzhülle umgeben sein, um bessere aerodynamische Eigenschaften zu erreichen und ein Aufschwingen der einzelnen Komponenten im Wind zu vermeiden.In the mooring line 27 Power cables for the power of the generator can be integrated or connected to this 31 to the ground station 42 , Power cable from the ground station 42 for electrical consumers on the mooring line 27 , Data cable for the electrical consumers and the control of the aircraft wind power plant 10 and / or a hose for hydrogen transport. You can also use the tether 27 and all of the aforementioned cables and hoses are bundled and surrounded by a protective sheath in order to achieve better aerodynamic properties and to prevent the individual components from swinging up in the wind.

Auf der gesamten Länge der Halteleine 27 lassen sich verschiedene Nutzlasten anordnen und betreiben, wie Mobilfunkantennen 44, Richtfunkantennen 45 und sonstige Antennen, Lampen oder Leuchten 46. Bei Nutzlasten, die eine konstante Ausrichtung auf ein Ziel benötigen, wie Mobilfunkantennen und Richtfunkantennen, ist eine automatische Nachführung der Nutzlast durch nicht gezeigte Motoren für eine Drehung um die Halteleine 27 und zur Veränderung der Neigung zum Boden möglich. Durch die große Höhe des Flugwindkraftwerks 10 über dem Boden ist mit einer Mobilfunkantenne eine viel größere Fläche, auch bei unebenem Gelände, abdeckbar. Eine Mobilfunkantenne an einem Flugwindkraftwerk eignet sich deshalb gut als Ersatz für mehrere Funkmasten in wenig besiedeltem Gebiet oder an Eisenbahnstrecken und Autobahnen.Along the entire length of the mooring line 27 different payloads can be arranged and operated, like cell phone antennas 44 , Directional antennas 45 and other antennas, lamps or lights 46 . In the case of payloads that require constant alignment with a target, such as cellular radio antennas and directional radio antennas, the payload can be automatically tracked by motors (not shown) for rotation around the tether 27 and to change the inclination to the ground possible. Due to the great height of the airborne wind power plant 10 A cellular antenna can cover a much larger area above the ground, even on uneven terrain. A cellular antenna on an aircraft wind power plant is therefore well suited as a replacement for several radio masts in sparsely populated areas or on railway lines and motorways.

Die Winde 41 ist mit separaten Trommeln 47 zum Aufwickeln der Halteleine 27 und der weiteren Kabel und Schläuche versehen. Über die Halteleine 27 findet auch die Ableitung von elektrostatischer Aufladung und Blitzeinschlägen im Flugwindkraftwerk 10 über das Fundament der Verankerung 28 statt.The winds 41 is with separate drums 47 for winding up the tether 27 and the other cables and hoses. About the mooring line 27 also finds the dissipation of electrostatic charge and lightning strikes in the aircraft wind power plant 10 about the foundation of the anchorage 28 instead of.

Über der Winde 41 kann ein Haltegerüst für das Flugwindkraftwerk 10 angeordnet sein, auf dem sich das Flugwindkraftwerk 10 zur einfachen Wartung abstellen lässt.Over the winch 41 can be a support frame for the aircraft wind power plant 10 be arranged on which the aircraft wind power plant 10 can be turned off for easy maintenance.

Der mit der Halteleine 27 verbundene Schlauch für den Transport des leichten Gases von der Bodenstation 42 zum Flugwindkraftwerk 10 führt vorzugsweise bis dicht an die feste Struktur aus Windkanal 12 und Diffusor 20 heran. Von dort sind Verbindungsschläuche zu jedem Segment 14 vorgesehen. Dabei weist jedes Segment ein eigenes Ventil auf. Die Ventile können so ausgebildet sein, dass auch ein Druckausgleich bei Erwärmung und Abkühlung möglich ist, wobei Wasserstoff bei Überdruck abgelassen oder abgepumpt wird und bei zu geringem Druck Wasserstoff zugeführt wird.The one with the tether 27 connected hose for the transportation of light gas from the ground station 42 to the aircraft wind power plant 10 preferably leads up close to the solid structure of the wind tunnel 12th and diffuser 20th approach. From there there are connection hoses to each segment 14th intended. Each segment has its own valve. The valves can be designed in such a way that pressure equalization is also possible during heating and cooling, with hydrogen being let off or pumped out at excess pressure and hydrogen being supplied if the pressure is too low.

Die Segmente 14 sind insbesondere an der festen Struktur aus Windkanal 12 und Diffusor 20 befestigt und/oder an ihren jeweils benachbarten Segmenten. Die Übergänge zwischen den Segmenten 14 sind vorzugsweise abgedeckt, um den Luftwiderstand zu verringern. Die komplette Außenhaut des Auftriebskörpers 13 lässt sich als riesige Werbefläche nutzen oder möglichst unauffällig gestalten, um das Landschaftsbild möglichst wenig zu verändern. Die einzelnen Segmente 14 weisen eine Ballonhülle oder ein ähnliches Material auf und sind vorzugsweise metallbeschichtet, damit möglichst wenig Wasserstoff diffundiert. Dabei weisen die einzelnen Segmente im Längsschnitt, also in Strömungsrichtung, eine bi-konvexe Kontur auf, siehe insbesondere 2.The segments 14th are particularly attached to the solid structure made of wind tunnel 12th and diffuser 20th attached and / or on their respective adjacent segments. The transitions between the segments 14th are preferably covered to reduce drag. The complete outer skin of the float 13th can be used as a huge advertising space or designed as inconspicuously as possible in order to change the landscape as little as possible. The individual segments 14th have a balloon envelope or a similar material and are preferably metal-coated so that as little hydrogen as possible diffuses. The individual segments have a bi-convex contour in the longitudinal section, that is to say in the direction of flow, see in particular 2 .

Vorzugsweise bilden Windkanal 12, Diffusor 20, Seitenleitwerk 23, Tragflächen 24 und feststehender Teil des Generators 31 eine feste Struktur mit dauerhaft gleichbleibender Form, während der Auftriebskörper 13 bzw. dessen Segmente 14 eine ballonartige Hülle aufweisen.Preferably form wind tunnel 12th , Diffuser 20th , Vertical tail 23 , Wings 24 and fixed part of the generator 31 a solid structure with a permanently constant shape, while the float 13th or its segments 14th have a balloon-like envelope.

Verstellmechanismen für die beweglichen Teile des Flugwindkraftwerks, insbesondere für Leitwerk 23 und Tragflächen 24 sowie Stellventile für die Gaszufuhr und die Befüllung des Auftriebskörpers 13 sind bekannte Elemente und nicht dargestellt, ebenso eine elektronische Steuereinheit. Letztere kann im Flugwindkraftwerk 10 oder an der Bodenstation 42 vorgesehen sein. Möglich ist auch eine Aufteilung mit Steuereinheiten im Flugwindkraftwerk und an der Bodenstation 42.Adjustment mechanisms for the moving parts of the aircraft wind power plant, especially for the tail unit 23 and wings 24 as well as control valves for the gas supply and the filling of the float 13th are known elements and not shown, as is an electronic control unit. The latter can be used in the aircraft wind power plant 10 or at the ground station 42 be provided. A division with control units in the aircraft wind power plant and at the ground station is also possible 42 .

Das Flugwindkraftwerk ist vorzugsweise so dimensioniert, dass es mehrere hundert Kilowatt bis mehrere Megawatt Leistung dauerhaft und wetterunabhängig in Höhen von wenigen hundert bis tausend Metern über dem Erdboden erzeugt. Das Flugwindkraftwerk eignet sich durch die große Höhe über dem Erdboden auch für den Einsatz im Inland an Standorten, die in Bodennähe mit konventionellen Windkraftanlagen nicht wirtschaftlich betrieben werden können.The airborne wind power plant is preferably dimensioned in such a way that it generates several hundred kilowatts to several megawatts of power permanently and regardless of the weather at heights of a few hundred to a thousand meters above the ground. Due to its great height above the ground, the airborne wind power plant is also suitable for use inland at locations that cannot be operated economically with conventional wind power plants close to the ground.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
FlugwindkraftwerkAircraft wind power plant
1111
WindrotorWind rotor
1212th
WindkanalWind tunnel
1313th
AuftriebskörperFloats
1414th
SegmenteSegments
1515th
TrennebenenParting lines
1616
Pfeil (Strömungsrichtung)Arrow (direction of flow)
1717th
LängsachseLongitudinal axis
1818th
EinlassöffnungInlet opening
1919th
IrisblendeIris diaphragm
2020th
DiffusorDiffuser
2121st
AuslassöffnungOutlet opening
2222nd
Konturcontour
2323
SeitenleitwerkVertical stabilizer
2424
TragflächenWings
2525th
feststehender Teilkörperfixed part body
2626th
beweglicher Teilkörpermovable part of the body
2727
HalteleineTether
2828
Verankerunganchoring
2929
FestprofilFixed profile
3030th
bewegliches Profilmovable profile
3131
Generatorgenerator
3232
MagnetlagerungMagnetic bearing
3333
Statorstator
3434
Rotor des GeneratorsGenerator rotor
3535
RotorblätterRotor blades
3636
Lagercamp
3737
Verstrebungen Bracing
3838
Leinenlinen
3939
AnlenkpunktPivot point
4040
Erdbodenground
4141
WindeWinch
4242
BodenstationGround station
4343
NetzanschlussMains connection
4444
MobilfunkantenneCellular antenna
4545
RichtfunkantenneDirectional antenna
4646
Leuchtento shine
4747
Trommelndrums

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2344756 B1 [0002]EP 2344756 B1 [0002]
  • US 2014/0377066 A1 [0002]US 2014/0377066 A1 [0002]
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  • DE 102008050848 A1 [0018]DE 102008050848 A1 [0018]
  • DE 102017106434 A1 [0020]DE 102017106434 A1 [0020]

Claims (20)

Flugwindkraftwerk (10) mit „leichter-als-Luft“-Auftriebskörper (13), Windrotor (11) in einem Windkanal (12), Generator (31), Halteleine (27), gekennzeichnet durch eine feste Struktur zur Bildung des Windkanals (12) und zur Aufnahme des Windrotors (11).Airborne wind power plant (10) with “lighter-than-air” buoyancy (13), wind rotor (11) in a wind tunnel (12), generator (31), tether (27), characterized by a solid structure to form the wind tunnel (12) ) and to accommodate the wind rotor (11). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkanal (12) rohrförmig mit rundem Querschnitt und mit anschließendem Diffusor (20) ausgebildete ist.Aircraft wind power plant after Claim 1 , characterized in that the wind tunnel (12) is tubular with a round cross-section and with a subsequent diffuser (20). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Windkanal (12) eine Eintrittsöffnung (18) mit einer Blende (19) zur Querschnittveränderung aufweist.Aircraft wind power plant after Claim 1 or 2 , characterized in that the wind tunnel (12) has an inlet opening (18) with a diaphragm (19) for changing the cross section. Flugwindkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (19) eine Irisblende ist.Aircraft wind power plant after Claim 3 , characterized in that the diaphragm (19) is an iris diaphragm. Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Leitwerk (23) als Seitenruder, wobei das Leitwerk (23) mit der festen Struktur verbunden ist und vorzugsweise den Auftriebskörper (13) durchdringt.Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 4th , characterized by a tail unit (23) as a rudder, the tail unit (23) being connected to the fixed structure and preferably penetrating the buoyancy body (13). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch beidseitig der festen Struktur angeordnete, verstellbare Tragflächen (24) für dynamischen Auftrieb, wobei die Tragflächen (24) mit der festen Struktur verbunden sind und vorzugsweise den Auftriebskörper (13) durchdringen.Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 5 , characterized by adjustable support surfaces (24) arranged on both sides of the fixed structure for dynamic lift, the support surfaces (24) being connected to the fixed structure and preferably penetrating the buoyancy body (13). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftriebskörper (13) aufgeteilt ist in jeweils geschlossene Segmente (14), welche zusammen den Auftriebskörper (13) bilden und hierzu insbesondere miteinander verbunden sind.Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the buoyancy body (13) is divided into closed segments (14) which together form the buoyancy body (13) and for this purpose are in particular connected to one another. Flugwindkraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (14) um die feste Struktur herum aneinander anschließen und so einen Ring um die feste Struktur bilden.Aircraft wind power plant after Claim 7 , characterized in that the segments (14) adjoin one another around the fixed structure and thus form a ring around the fixed structure. Flugwindkraftwerk nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (14) in einem Längsschnitt entlang einer Strömungsrichtung (Pfeil 16) jeweils eine zumindest teilweise bi-konvexe oder ellipsenförmige Kontur aufweisen.Aircraft wind power plant after Claim 7 or 8th , characterized in that the segments (14) each have an at least partially bi-convex or elliptical contour in a longitudinal section along a flow direction (arrow 16). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (31) ein Ringgenerator mit ringförmigem Rotor (34) ist.Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the generator (31) is a ring generator with an annular rotor (34). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (11) Rotorblätter (35) aufweist, deren radial äußere Enden im Rotor (34) des Ringgenerators (31) gelagert sind.Aircraft wind power plant after Claim 10 , characterized in that the wind rotor (11) has rotor blades (35), the radially outer ends of which are mounted in the rotor (34) of the ring generator (31). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (34) des Generators (31) magnetgelagert ist.Aircraft wind power plant after Claim 10 or 11 , characterized in that the rotor (34) of the generator (31) is magnetically supported. Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (11) in Strömungsrichtung (Pfeil 16) kurz hinter einem kleinsten Querschnitt eines Diffusors (20) angeordnet ist, nämlich zwischen dem kleinsten Querschnitt und 5-25 % der Länge in Richtung auf einen Auslass (21) des Diffusors (20).Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that the wind rotor (11) is arranged in the flow direction (arrow 16) just behind a smallest cross section of a diffuser (20), namely between the smallest cross section and 5-25% of the length in the direction of an outlet (21) of the Diffuser (20). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Windrotor (11) radial mittig im Windkanal (12) gelagert und an Verstrebungen (37) gehalten ist.Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 13th , characterized in that the wind rotor (11) is mounted radially in the center of the wind tunnel (12) and is held on struts (37). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch wenigstens einen an der Halteleine (27) angeordneten elektrischen Verbraucher, insbesondere - eine Antenne (44, 45), - eine Leuchte (46).Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 14th , characterized by at least one electrical consumer arranged on the tether (27), in particular - an antenna (44, 45), - a lamp (46). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch an der Halteleine (27) befestigte Leitungen, nämlich: - Stromkabel für Strom des Generators (31) zu einer Bodenstation (42), - Stromkabel für Strom des Generators (31) zu einem elektrischen Verbraucher (44, 45, 46) an der Halteleine (27), - Stromkabel für Strom von einer Bodenstation (42) zu einem elektrischen Verbraucher (44, 45, 46) an der Halteleine (27), - Datenkabel für elektrische Verbraucher (44, 45, 46) an der Halteleine (27), - Datenkabel für eine Steuerung des Flugwindkraftwerks (10), - Schlauch für die Zufuhr von Wasserstoff zum Auftriebskörper (13).Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 15th , characterized by lines attached to the tether (27), namely: - power cable for power from the generator (31) to a ground station (42), - power cable for power from the generator (31) to an electrical consumer (44, 45, 46) on the tether (27), - power cable for electricity from a ground station (42) to an electrical consumer (44, 45, 46) on the tether (27), - data cable for electrical consumers (44, 45, 46) on the tether (27), - data cable for a control of the aircraft wind power plant (10), - hose for the supply of hydrogen to the float (13). Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Bodenstation (42) mit Verankerung (28) für die Halteleine (27).Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 16 , characterized by a ground station (42) with anchoring (28) for the tether (27). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Wickelvorrichtung (41) für die Halteleine (27) und für Leitungen an der Halteleine (27).Aircraft wind power plant after Claim 17 , characterized by a winding device (41) for the tether (27) and for lines on the tether (27). Flugwindkraftwerk nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenstation (42) mit einem Gasspeicher, vorzugsweise für Wasserstoff, verbunden ist.Aircraft wind power plant after Claim 17 or 18th , characterized in that the ground station (42) is connected to a gas storage device, preferably for hydrogen. Flugwindkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch Gasspeicher, Elektrolyseur, Brennstoffzelle und/oder Batterie.Aircraft wind power plant according to one of the Claims 1 to 19th , characterized by gas storage, electrolyser, fuel cell and / or battery.
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