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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem
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Flügelsegel, bestehend aus einem senkrecht stehenden ersten Flügel mit symmetrischem Profil, der an seinem unteren Ende einen Maststummel aufweist, wobei der Maststummel sich innerhalb des Flügels fortsetzen kann oder der Flügel selbst strukturell als Mast ausgebildet sein kann. Der Flügel ist in einem Joch gelagert dergestalt, dass er um eine waagerechte Achse zwischen Maststummel und Flügel drehbar ist, wodurch das Flügelsegel niedergelegt bzw. aufgerichtet werden kann. Das Joch ist auf einer um 360° drehbaren Plattform angeordnet, wodurch das Flügelsegel entsprechend der Windrichtung zur Vortriebserzeugung eingestellt werden kann. Mit diesem ersten Flügel ist ein zweiter Flügel durch ein Zwischenglied verbunden, das zwei parallele, starr miteinander verbundene Achsen aufweist, wobei eine Achse sich nahe der Hinterkante des ersten Flügels und parallel zu dieser und die zweite Achse sich nahe der Vorderkante des zweiten Flügels und parallel zu dieser befindet. Dadurch kann zum einen der Winkel der Profilsehnen der beiden Flügel zueinander verstellt werden, wodurch ein asymmetrisches Gesamtprofil des Flügelsegels entsteht und eine signifikante Erhöhung des Vortriebs erreicht wird. Darüber hinaus kann der zweite Flügel um 180° gedreht an den ersten Flügel herangeklappt werden um den Platzbedarf des niedergelegten Flügelsegels nahezu zu halbieren. Um das Flügelsegel über die unmittelbare Vortriebserzeugung hinaus zur weiteren Energiegewinnung zu nutzen, ist die Oberfläche der beiden Flügel mit Solarzellen bedeckt. Erfindungsgemäß befinden sich alle zum Niederlegen und Aufrichten des Mastes notwendigen Antriebe und ihre Hilfseinrichtungen sowie die Speicherbatterien und Laderegler der Solarzellen innerhalb des Maststummels, dienen somit als Gegengewicht zum Gewicht des Flügelsegels und reduzieren damit die Höhe des Gesamtschwerpunktes und das Gesamtgewicht der Anlage. Die zum Schwenken des Zwischengliedes und des zweiten Flügels notwendigen Antriebe sind unterhalb der beiden Flügel in vertikaler Richtung nahe der horizontalen Schwenkachse, bevorzugt unterhalb dieser, angeordnet.
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Hintergrund:
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Über 90% der weltweiten Transportleistung erfolgt gegenwärtig auf dem Seeweg. Im Zuge des Klimawandels ist die Reduzierung der CO2- und Schadstoffemissionen der Schiffe das Gebot der Stunde. Neben alternativen Kraftstoffen und ganz oder teilweise solargespeisten Elektroantrieben ist vor allem der jahrtausendealte Antrieb durch Windkraft erneut in den Mittelpunkt des Interesses gerückt und erfährt eine zeitgemäße Interpretation. Außer dem bekannten Flettnerrotor, Lenkdrachen und Dyna-Rigg sind es vor allem Starrsegel, auch als Flügelsegel oder Tragflächensegel bezeichnet, die aufgrund ihrer Vorteile bezüglich der erreichbaren Vortriebsleistung und des möglichen hohen Automatisierungsgrades über ihre bisherige Verwendung auf Rennsegelbooten hinaus für den Einsatz im kommerziellen Bereich auf Tankern, Kreuzfahrtschiffen, Massengutfrachtern oder Containerschiffen in verschiedenen Veröffentlichungen vorgeschlagen werden. Wesentlich für den Einsatz auf diesen Schiffen ist die Reffbarkeit bzw. Ausserbetriebsetzung beim Überschreiten von Grenzparametern wie maximal zulässigen Windgeschwindigkeiten oder Durchfahrthöhen von Brücken sowie die Be- und Entladefähigkeit des jeweiligen Schiffes. Neben teleskopierbaren sind falt- und niederlegbare Lösungen bekannt. Einer einfachen Auslegung und einem unkomplizierten Handling kommt mit Blick auf eine kostengünstige Fertigung sowie den wirtschaftlichen und betriebssicheren Einsatz große Bedeutung zu. Die für die Einstellung sowie das Ein- und Ausfahren bzw. Aufstellen und Niederlegen des Segels notwendigen Antriebe, Lager, Führungen und Hilfseinrichtungen erhöhen das Gewicht und, je nach Anordnung, auch den Schwerpunkt des Flügelsegels erheblich. In jedem Falle wirken sich beide Faktoren auf die Stabilität des Schiffes aus, da sich aus der Natur der Sache ergibt, dass ein(e) Segel(anlage) auf den oberen Decks eines Schiffes angeordnet sein muss. Ein geringes Eigengewicht und eine möglichst niedrige Schwerpunktlage sind somit weitere entscheidende Faktoren für einen erfolgreichen Einsatz.
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Stand der Technik:
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In
WO002015155518A2 und
WO002014001824A1 wird für kommerziell genutzte Schiffe jeweils eine Flügelsegelkonfiguration vorgeschlagen, bestehend aus mindestens zwei parallelen Tandemanordnungen von Flügelpaaren, wobei der jeweils hintere Flügel um einen bestimmten Winkel zum vorderen Flügel geschwenkt werden kann, um ein asymmetrisches Gesamtprofil zu erreichen. Beide Lösungen sind nicht reff-, niederhol- oder einklappbar mit entsprechenden Einschränkungen bezüglich der Durchfahrthöhe von Brücken o.ä. Unter schwierigen Wetterbedingungen können diese Flügelsegel allenfalls in den Wind gedreht werden, müssen in jedem Falle aber ausreichend dimensioniert sein, um den auftretenden Kräften und Beschleunigungen zu widerstehen, was sich unmittelbar im Eigengewicht der Anlagen widerspiegelt.
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EP000002366621A2 offenbart ein teleskopierbares Flügelsegel, bei dem einzelne profilförmige Elemente haubenartig übereinander gestülpt sind und über mehrere Pantographen, Hydraulikzylinder, Zahnstangen oder Seilzüge ausgefahren werden. Ein wesentliches Problem dieser Anordnung ist, dass das größte und schwerste Element im ausgefahrenen Zustand das oberste ist und die huberzeugenden Komponenten jeder einzelnen Stufe beim Ausfahren mit angehoben werden. Gleichzeitig ist auch im ausgefahrenen Zustand eine Mindestüberdeckung der Führungen der einzelnen Haubenelemente notwendig, um ein Verklemmen infolge der im Betrieb auftretenden Biege- und Torsionskräfte zu vermeiden. Eine ungünstige Schwerpunktlage und ein hohes Eigengewicht sind die Folge.
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In
EP000003696075A1 wird ein Flügelsegel beschrieben, das aus zwei hintereinander angeordneten Flügeln besteht, wobei der hintere gegenüber dem vorderen verschwenkt werden kann. Beide Flügel können teleskopartig ein- bzw. ausgefahren werden, wobei bei dem hinteren Flügel im ausgefahrenen Zustand die einzelnen Teleskopelemente unabhängig voneinander verschwenkt werden sollen. Das bedingt jedoch ein Heraustreten aus den Teleskopführungen, wobei nicht beschrieben ist, wie ein zuverlässiges Wiedereintreten in diese Führungen unter der Einwirkung äußerer Kräfte sicher gewährleistet werden soll. Auch wenn hier das jeweils obere in das untere Element einfährt, bleibt doch der erhöhte Aufwand an Material für die Führungen und Überdeckungen und damit ein relativ hohes Gewicht. Der für das Teleskopieren notwendige Antrieb ist nicht beschrieben.
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EP000002822851 B1 offenbart ein Flügelsegel, bestehend ebenfalls aus zwei hintereinander angeordneten Flügeln, wobei der vordere Flügel an einem Mast angeordnet ist, dessen Höhe ca.1/3 der Gesamthöhe des Flügelsegels beträgt und an seinem oberen Ende eine Achse aufweist, um die das Flügelsegel in eine waagerechte Position geschwenkt werden kann. Gleichzeitig ist in einem Abstand von der Spitze, der der Masthöhe entspricht, eine zweite Achse angeordnet, um die die Spitze des Flügelsegels so geschwenkt werden kann, dass sie im niedergelegten Zustand des Flügelsegels als Stütze funktioniert. Die Schwenkbewegungen erfolgen über Antriebe, die unmittelbar an oder in der Nähe der Schwenkachsen angeordnet sind, was wiederum die Schwerpunktlage im aufgerichteten Zustand negativ beeinflusst. Zum Momentenausgleich ist mindestens ein Wassertank als Ballasttank mit den dazugehörigen Einrichtungen zum Befüllen und Entleeren am unteren Ende des vorderen Flügelhauptfeldes vorgesehen mit den entsprechenden Auswirkungen auf das Gewicht und die Komplexität des Gesamtsystems.
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WO002021104715A1 offenbart ein Flügelsegel, bestehend aus einem Flügel mit einem asymmetrischen Flügelprofil, der bezogen auf seine Höhe in der Mitte horizontal geteilt ist, wobei sich zur Reduzierung der Gesamthöhe der jeweils obere Teil des Flügels an den unteren heranklappen lässt. Beide Flügelhälften sind auf einer gemeinsamen Plattform verriegelt. Jeweils eine Flügelhälfte kann entriegelt und aufgerichtet werden, womit das asymmetrische Profil entsprechend der Windrichtung zum Tragen kommt. Für den Faltvorgang ist an der Trennstelle der Flügelhälften ein Antrieb, bestehend aus zwei Arbeitszylindern mit einem entsprechenden Gewicht in immerhin halber Flügelhöhe, vorgesehen.
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EP000002822851B1 ,
US000000869371 S und
WO002014033386A1 beschreiben jeweils die Verwendung von Solarzellen auf den aktiven Oberflächen von Flügelsegeln zur Gewinnung von Elektroenergie.
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Aufgabe und Lösung:
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Im Stand der Technik ist eine Vielzahl an Flügelriggs zu finden. Um eine technisch verbesserte Lösung anzubieten, welche die Nachteile des Stands der Technik - wie beispielweise kompliziertes Handling, hohe Materialkosten, hohe Schwerpunktlage, sowie hohe Biege- und/oder Torsionskräfte - vermeidet und zudem eine wirtschaftliche Lösung anbietet, wird ein Flügelrigg für ein Wasserfahrzeug aufweisend ein Flügelsegel und ein Basiselement zur Anbindung des Flügelsegels an ein Wasserfahrzeug, wobei das Flügelsegel wenigstens einen ersten Flügel umfasst, wobei der erste Flügel schwenkbar mit dem Basiselement verbunden ist, vorgeschlagen.
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Mit einem erfindungsgemäßen, schwenkbaren Flügelrigg kann die Windenergie vorteilhaft eingefangen und in Vortrieb übersetzt werden. Hierdurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch von einem mit dem erfindungsgemäßen Flügelrigg ausgestatteten Wasserfahrzeug erheblich reduzieren. Ferner kann ein derartiges Flügelrigg kostengünstig gefertigt werden. Zudem kann durch die Schwenkbarkeit des Flügelriggs das Flügelrigg in eine Parkstellung überführt werden, in welcher das Rigg nicht mehr nennenswert Wind ausgesetzt ist. Die Parkstellung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zugehörige Wasserfahrzeug vor Reede oder in einem Hafen liegt oder Brücken durchfahren werden müssen. Auch bei Starkwindereignissen oder Flaute kann ein Überführen in die Parkstellung zum Schutz des Wasserfahrzeugs oder zur Vermeidung unnötigen Widerstandes vorteilhaft sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Flügel in Form eines symmetrischen Flügelprofils ausgebildet ist, wobei das Flügelprofil einen Profilquerschnitt umfasst, der sich quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des ersten Flügels erstreckt, und wobei der Profilquerschnitt vorzugsweise symmetrisch bezogen auf eine parallel zur Haupterstreckungsrichtung und mittig durch den Profilquerschnitt verlaufende Symmetrieebene ausgebildet ist. Ein symmetrisch ausgebildetes Flügelprofil hat den Vorteil, dass durch einen entsprechenden Anstellwinkel bzw. Trimm des Flügels beide Seiten des Flügels als potentielle Luv- bzw. Leeseite verwendet werden können. Je nach Wind- und Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs findet sich somit in der Regel ein Anstellwinkel, in welchem das Flügelrigg Vortrieb entwickelt.
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Eine bevorzugte und besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Flügel durch eine lasttragende Struktur in Form des symmetrischen Flügelprofils aufgebaut ist. Eine lasttragende Struktur kann einen konventionellen Mast, wie er üblicherweise bei Wasserfahrzeugen mit Segeln eingesetzt wird, entbehrlich machen. Die infolge von Wind verursachten Druck- und Zugbelastungen können durch die lasttragende Struktur anstelle des Masts aufgenommen werden. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Struktur können insbesondere die für Masten charakteristischen Biegebelastungen größerer Ausprägung entfallen. Das erfindungsgemäße Flügelrigg weist insbesondere keinen im Inneren des Flügelprofils in Längsrichtung verlaufenden Mast als lasttragende Struktur auf.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die lasttragende Struktur mindestens zwei das Flügelprofil bildende Außenschalen sowie eine Mehrzahl von profiliert ausgebildeten Trägerelementen umfasst, wobei die Trägerelemente entlang der Haupterstreckungsrichtung des Flügelriggs übereinander angeordnet sind und wobei eine Außengeometrie der Trägerelemente vorzugsweise jeweils die Form des Profilquerschnitts aufweist. Durch den Einsatz flexibler Außenschalen kann die Außengeometrie der profilierten Trägerelemente optimal abgebildet werden. Ferner kann durch die Auswahl der Anzahl der entlang der Haupterstreckungsrichtung angeordneten Trägerelemente die Segelfläche bestimmt werden, welche direkt mit dem Vortrieb des Wasserfahrzeugs korreliert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Trägerelemente insbesondere ausschließlich über die Außenschalen miteinander verbunden sind. Die Außenschalen können ein- oder mehrteilige Steck-, Halte-, Rast-, Klemm- oder ähnliche Vorrichtungen umfassen, über die die einzelnen Trägerelemente miteinander verbunden werden. Dadurch, dass die Außenschalen als Verbindungseinrichtung für die Trägerelemente fungieren, kann die Notwendigkeit zusätzlicher Verbindungseinrichtungen und damit einhergehend weitere Kosten und zusätzliches Gewicht entfallen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Außenschalen jeweils durch eine flächig ausgebildete Außenwand oder eine vorzugsweise mit einer Außenhaut überspannte Gitter- oder Wickelstruktur gebildet sind. Die Außenschalen können aus Faserverbundwerkstoffen oder Leichtmetall gefertigt sein, um eine hohe Formstabilität und ein geringes Gewicht zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich können die Außenschalen aus flexiblem, durch gitterförmig ausgebildete Elemente versteiftem Gewebe- oder Folienmaterial gebildet werden, wodurch die Festigkeit des Flügelriggs erhöht werden kann.
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Eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Flügel um eine erste Schwenkachse gegenüber dem Basiselement schwenkbar ist, wobei die erste Schwenkachse parallel zur Symmetrieebene und senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Flügelprofils verläuft. Durch die Schwenkbarkeit des Flügelriggs im Wesentlichen zwischen 0° und 90° kann unterschiedlichen Operationsmodi des Wasserfahrzeugs - Parken, Be- und Entladung, Fahrt - sowie verschiedenen Wetterabläufen genüge getan werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Flügel zwischen einer im Wesentlichen vertikalen Arbeitsstellung und einer im Wesentlichen horizontalen Parkstellung um die erste Schwenkachse verschwenkbar ist. So wird in Parkstellungen die anströmbare Gesamtfläche - in Abgrenzung zu Wasserfahrzeugen, deren Mast nicht einklappbar ist - minimiert und die Sicherheit des Fahrzeugs, insbesondere in Parkstellungen und bei schlechten Wetterverhältnissen, zumindest teilweise erhöht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Flügel in der Parkstellung auf die Oberfläche einer seiner beiden Außenschalen zumindest teilweise abgelegt ist. Das Ablegen des Flügels auf einer seiner beiden Außenschalen kann vorteilhaft sein, um den Flügel, insbesondere in einer Parkstellung, zu sichern bzw. befestigen. Das niedergelegte Flügelsegel kann in einer hierfür eigens vorgesehenen Auflage lagern. Komplementär oder alternativ kann an der abgelegten Außenschale eine entsprechende Vorrichtung zum Verriegeln, Klemmen, Einrasten oder dergleichen angebracht sein, um den Flügel in seiner Position zu fixieren und somit die Sicherheit zu erhöhen. Komplementär oder alternativ kann am Basiselement ein Mechanismus vorgesehen werden, um den Flügel zu befestigen, während der Flügel auf einer seiner beiden Außenschalen abgelegt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flügelrigg einen parallel zur Haupterstreckungsrichtung von dem ersten Flügel abstehenden Maststummel aufweist. Der Maststummel kann zur schwenkbaren Lagerung des Flügelriggs dienen. Des Weiteren kann er durch eine hohle Ausgestaltung zur Aufnahme von elektrischen, elektronischen, hydraulischen und/oder mechanischen Bauteilen verwendet werden. Ferner kann der Maststummel eine Gegenmasse zur Masse des insbesondere ersten Flügels darstellen und so das Verschwenken und Balancieren zumindest teilweise erleichtern. Überdies kann erfindungsgemäß durch das Anbringen notwendiger Bauteile innerhalb des Maststummels der Gesamtschwerpunkt des Flügelriggs und somit auch des Wasserfahrzeugs gesenkt werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Maststummel ein an den ersten Flügel starr angebundenes erstes Ende und ein freies zweites Ende umfasst, wobei die erste Schwenkachse zwischen dem ersten und dem zweiten Ende durch den Maststummel verläuft. Aufgrund der Erstreckung des Maststummels parallel zum ersten Flügel kann der Maststummel zwischen seinem ersten und zweiten Ende als besonders vorteilhafte Lagerungsposition für die Schwenkachse verwendet werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Flügelrigg wenigstens einen Antrieb zum Verschwenken des ersten Flügels zwischen der Arbeitsstellung und der Parkstellung um die erste Schwenkachse aufweist, wobei der Antrieb in einem am zweiten Ende des Maststummels ausgebildeten Bereich, insbesondere innerhalb des Maststummels, angeordnet ist. Das Flügelrigg kann redundant mit Antrieben ausgestattet sein, wobei die Antriebe zum Verschwenken des Flügelriggs vorzugsweise durch elektrische oder hydraulische Motoren gebildet werden können. Ferner können die Motoren auskuppelbar ausgebildet sein, um in Gefahrensituationen wie bei starkem Wind eine Belastung des Antriebs zu vermeiden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Antrieb an einer feststehenden Achse angreift, die an einer Aufnahme des Basiselements befestigt ist, wobei die Achse mit der ersten Schwenkachse zusammenfällt und wobei der Maststummel zum Verschwenken des ersten Flügels zwischen der Arbeitsstellung und der Parkstellung um die Achse schwenkbar ist. Die Befestigung des Basiselements mit dem Wasserfahrzeug macht das Basiselement zur idealen Vorrichtung für die Ausbildung einer darin und/oder daran angeordneten Achse für den zumindest ersten Flügel. Ferner kann dadurch, dass der Antrieb an der Achse angreift, die Leistungsübertragung auf das Flügelrigg unmittelbar erfolgen. Alternativ und vorteilhaft kann die Leistung mittelbar über eine Getriebestufe auf die Achse übertragen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Flügel vorzugsweise gemeinsam mit dem Basiselement um eine Drehachse drehbar gelagert ist, die sich, wenn der erste Flügel in die Arbeitsstellung geschwenkt ist, parallel zur Haupterstreckungsrichtung erstreckt. Durch die Drehbarkeit des Basiselements kann der erste Flügel in die gewünschte Richtung relativ zum herrschenden Wind rotiert und so der Vortrieb variabel eingestellt werden. Der Antrieb des Basiselements kann mittels eines oder mehrerer Motoren erfolgen, die elektrisch oder hydraulisch betrieben sein können.
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Eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Flügelrigg ein Zwischenglied und einen zweiten Flügel aufweist, wobei sich das Zwischenglied und der zweite Flügel jeweils parallel zur Haupterstreckungsrichtung erstrecken, wobei eine Vorderkante des zweiten Flügels mittels des Zwischenglieds an eine Hinterkante des ersten Flügels angebunden ist. Ein zweiter Flügel erhöht die Lauflänge der Luftströmung entlang des Flügelriggs und ermöglicht so die Erzeugung erhöhter Vortriebsleistungen.
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In einer vorteilhaften Weitergestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zwischenglied um eine zweite Schwenkachse schwenkbar gegenüber dem ersten Flügel gelagert ist und wobei der zweite Flügel um eine dritte Schwenkachse schwenkbar gegenüber dem Zwischenglied gelagert ist, wobei die zweite und dritte Schwenkachse parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufen. Das erfindungsgemäße Zwischenglied sowie die zweite und dritte Schwenkachse ermöglichen gemeinsam das Ein- und Ausklappen des zweiten Flügels relativ zum ersten Flügel. Durch die Verstellung des Winkels der Profilsehnen der beiden Flügel zueinander kann ein asymmetrisches Gesamtprofil des Flügelsegels entstehen und eine Erhöhung des Vortriebs erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Flügel in Form eines symmetrischen Flügelprofils ausgebildet ist, wobei das Zwischenglied und der zweite Flügel zwischen weiteren Arbeitsstellungen und einer weiteren Parkstellung verschwenkbar sind, wobei in der weiteren Parkstellung eine Symmetrieebene des zweiten Flügels im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieebene des ersten Flügels angeordnet ist und sich der erste Flügel und der zweite Flügel in einer Richtung senkrecht zu beiden Symmetrieebenen zumindest teilweise überlappen. In den weiteren Arbeitsstellungen des Flügelriggs kann die kinetische Windenergie infolge der erreichten Wölbung des Gesamtprofils in eine maximal mögliche Vortriebsleistung des Wasserfahrzeugs übersetzt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Flügelrigg einen ersten Stellantrieb zur Rotation des zweiten Flügels um eine zur Haupterstreckungsrichtung parallele erste Stellachse aufweist und/oder wobei das Flügelrigg einen zweiten Stellantrieb zur Rotation des Zwischenglieds um eine zur Haupterstreckungsrichtung parallele zweite Stellachse aufweist. Durch elektrische oder hydraulische Stellantriebe können das Zwischenglied und der zweite Flügel automatisch, präzise und insbesondere kraftsparend relativ zueinander sowie zum ersten Flügel verstellt werden. Ferner können durch eine Bedieneinheit die Stellantriebe zentralisiert angesteuert werden, sodass eine manuelle Betätigung unmittelbar an den Flügeln oder am Zwischenglied entfallen kann.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Flügelrigg ein Getriebe zum Verschwenken des Zwischenglieds und/oder zweiten Flügels aufweist. Das Getriebe kann insbesondere als Zahnrad-, Schnecken-, Zahnriemen- oder Zahnkettengetriebe oder eine Kombination aus diesen ausgebildet sein. Ferner sind der erste und/oder zweite Stellantrieb bevorzugt unterhalb der beiden Flügel nahe der horizontalen Schwenkachse angeordnet.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Wasserfahrzeug aufweisend wenigstens ein Flügelrigg nach einer der vorangegangenen Ausgestaltungen. Ein Wasserfahrzeug mit einem derartigen Flügelrigg kann - beispielsweise aufgrund seiner Leichtbauweise - vorteilhaft im Seeverkehr sowie im Segelsport verwendet werden. Zudem kann es zur Reduktion von Emissionen beitragen und somit einen Beitrag zur Verringerung des anthropogenen Klimawandels leisten.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine perspektivisch-schematische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Flügelriggs;
- 2 eine perspektivisch-schematische Zeichnung des Flügelriggs aus 1 ohne Außenschalen;
- 3 das Basiselement und die Antriebe zum Ausrichten des Flügelriggs zum Wind;
- 4 die Überführung des Flügelriggs aus einer Arbeitsstellung in eine Parkstellung in einer schematischen Darstellung;
- 5 eine schematische Anordnung technischer Komponenten im Maststummel inkl. eines hydraulischen Antriebs; und
- 6 eine schematische Anordnung technischer Komponenten im Maststummel inkl. eines alternativen elektrischen Riemen- oder Kettenantriebs.
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Die Darstellung in der 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Flügelrigg, das einen ersten Flügel 1 und einen zweiten Flügel 7 umfasst. Beide Flügel 1, 7 sind im Wesentlichen vertikal bzw. senkrecht zum Deck eines Wasserfahrzeugs angeordnet. Beide Flügel 1, 7 weisen ein symmetrisches Flügelprofil auf. Die Flügel 1, 7 sind hierbei jeweils mit zwei Außenschalen aus synthetischem Gewebe ummantelt und nehmen so die Form des symmetrischen Flügelprofils an. Ferner ist eine Vorderkante des zweiten Flügels 7 mittels eines Zwischengliedes 8 an eine Hinterkante des ersten Flügels 1 angebunden. Auf beiden Seiten der Flügeln 1, 7 ist optional auf den Außenschalen eine Vielzahl an Solarzellen 11 angeordnet, um die Oberfläche des Flügelriggs über die unmittelbare Vortriebserzeugung hinaus zur weiteren Energiegewinnung zu nutzen. Die Solarzellen 11 sind hierbei bezüglich einer Haupterstreckungsrichtung 101 des Flügelriggs übereinander angeordnet.
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Des Weiteren weist das Flügelrigg einen Maststummel 2 auf. Der Maststummel 2 ist ebenfalls parallel zur Haupterstreckungsrichtung 101 ausgebildet und ist über ein erstes Ende starr an den ersten Flügel 1 angebunden. Das Flügelrigg samt dem Maststummel 2 ist um eine erste Schwenkachse schwenkbar gelagert, wobei die erste Schwenkachse identisch ist mit der Symmetrieachse einer Hohlachse 4. Ferner umfasst ein Basiselement 5 zwei Wangen 3, die jeweils eine Ausnehmung aufweisen, durch welche die erste Schwenkachse verläuft. Das Basiselement 5 ist zudem um eine virtuelle Hochachse, die in der Arbeitsstellung des Flügelriggs parallel zur Haupterstreckungsrichtung 101 angeordnet ist, drehbar gegenüber dem Wasserfahrzeug gelagert. Um die Hochachse kann das Flügelrigg samt dem Basiselement 5 rotiert werden, wodurch die Ausrichtung des Flügelriggs entsprechend der Windrichtung zur Vortriebserzeugung eingestellt werden kann.
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In der 2 ist die lasttragende Struktur des Flügelriggs dargestellt. Die lasttragende Struktur weist symmetrisch profilierte Trägerelemente auf, die in regelmäßigen Abständen entlang der Haupterstreckungsrichtung 101 des Flügelriggs angeordnet sind. Die Trägerelemente geben den flexiblen Außenschalen und somit der anströmbaren Segelfläche durch ihre Konturen ihre Form. Die Trägerelemente sind insbesondere in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 101 durch Stege versteift.
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Das Zwischenglied 8 ist um eine zweite Schwenkachse schwenkbar gegenüber dem ersten Flügel 1 gelagert. Ferner ist der zweite Flügel 7 um eine dritte Schwenkachse schwenkbar gegenüber dem Zwischenglied 8 gelagert. Beide Schwenkachsen sind parallel zur Haupterstreckungsrichtung 101 angeordnet. Durch die Schwenkbarkeit des Zwischenglieds 8 sowie des zweiten Flügels 7 um jeweils die zweite und dritte Schwenkachse kann der zweite Flügel 7 gegen den ersten Flügel 1 eingeklappt werden. Hierdurch wird die anströmbare Segelfläche verringert, beispielsweise um einen geringeren Krafteintrag in der Parkstellung zu erzeugen. Ferner ist der zweite Flügel 7 weitgehend parallel zum und zumindest teilweise überlappend mit dem ersten Flügel 1 angeordnet. Für das Schwenken des Zwischenglieds 8 und des zweiten Flügels 7 wird jeweils ein Stellantrieb 19 eingesetzt, wobei das Schwenken des Zwischenglieds 8 durch einen der Stellantriebe 19 materiell mit der zweiten Stellachse 9 erfolgt, wohingegen das Schwenken des zweiten Flügels 7 mittels des anderen Stellantriebs 19 und mit Hilfe der dritten Stellachse 10 vollzogen wird. Die Stellantriebe 19 sind elektrisch ausgeführt und unmittelbar unterhalb der beiden Flügel 1, 7 - nahe der parallel zum Oberdeck des Wasserfahrzeugs angeordneten ersten Schwenkachse - angeordnet. An einer der Wangen 3 des Basiselements 5 ist eine Bedieneinheit 20 angeordnet, über die das Flügelrigg gesteuert werden kann. Datenleitungen werden hierfür durch die hohle erste Schwenkachse in das Innere des ebenfalls hohl ausgebildeten Maststummels 2 geführt, worin eine Vielzahl technischer Bauteile angeordnet ist.
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In der 3 ist der Maststummel 2 des Flügelriggs aus einer weiteren Perspektive dargestellt. Unterhalb des Basiselements 5 sind schematisch und redundant drei Elektromotoren 6 angeordnet, die das Basiselement 5 rotieren. Die Motoren 6 sind auskuppelbar, um ein selbständiges In-den-Wind-gehen des Flügelriggs in Gefahrensituationen zu ermöglichen.
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In der 4, rechts, ist das Flügelrigg in einer Momentaufnahme abgebildet, wobei der zweite Flügel 7 im abgebildeten Augenblick gegen den ersten Flügel 1 eingeklappt wird. Hierzu werden das Zwischenglied 8 sowie der zweite Flügel 7 jeweils um etwa 90° und jeweils um die zweite und dritte Schwenkachse eingedreht bis eine Symmetrieebene des zweiten Flügels 7 im Wesentlichen parallel zu einer Symmetrieebene des ersten Flügels 1 angeordnet ist und sich der erste Flügel 1 und der zweite Flügel 7 weitgehend überlappen. Anschließend wird das Flügelrigg um die erste Schwenkachse in eine im Wesentlichen horizontale Parkstellung, die in der 4 links abgebildet ist, geschwenkt. In der horizontalen Anordnung wird das Flügelrigg von einem Stützelement 17 abgestützt. Ferner gewährleistet ein in der 4 nicht abgebildeter Verriegelungsmechanismus an der Stütze 17, dass das Flügelrigg sich von der Stütze 17 nicht unerwünscht löst.
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In der 5 sind im Maststummel 2 angeordnete technische Bauteile dargestellt. Ein hydraulischer translatorischer Antrieb, der zwei Linearmotoren 12 umfasst, gewährleistet das Verschwenken des Flügelriggs zwischen der vertikalen Arbeitsstellung und der horizontalen Parkstellung, indem die Linearmotoren direkt, d.h. ohne Getriebeübersetzung, den Maststummel 2 jeweils in eine Drehrichtung rotieren. Die Linearmotoren 12 sind in der 5 an jeweils ihrem unteren Ende mit dem Maststummel 2 gelenkig verbunden. Ihre Kolbenstangen sind mit der Hohlachse 4 jeweils exzentrisch verschraubt, wobei die Exzentrizitäten die Rotation des Maststummels 2 ermöglichen. Ferner sind im Maststummel 2 Hilfseinrichtungen 14 zum Betrieb der hydraulischen Linearmotoren, wie beispielsweise Umrichter, Pumpen, Hydraulikölbehälter, Schalter, und Ventile angeordnet. Batteriemodule 15 speichern zudem die in den Solarzellen 11 in elektrische Energie umgewandelte Sonnenenergie für den Betrieb elektrischer Geräte des Wasserfahrzeugs. Des Weiteren ist im Maststummel 2 eine Regelungseinrichtung 16 der Solarzellen 11 angeordnet. Sämtliche im Maststummel 2 angeordneten Bauteile dienen als Gegengewicht zum Gewicht des Flügelriggs und reduzieren damit die Höhe des Gesamtschwerpunktes des Wasserfahrzeugs.
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Alternativ zum in der 5 dargestellten translatorischen Antrieb wird in der 6 ein rotatorischer Antrieb zum Verschwenken des Flügelriggs zwischen der vertikalen Arbeitsstellung und der horizontalen Parkstellung dargestellt. Ein Elektromotor 13 ist über einen Riemen mit der Hohlachse 4 drehbar verbunden. Analog zum Maststummel 2 aus der 5 sind im Maststummel 2 in der 6 Batteriemodule 15 sowie eine Regelungseinrichtung 16 der Solarzellen 11 angeordnet. Ferner ist im Maststummel 2 ein Bolzenschloss 18 angeordnet, um das Flügelrigg in einer vertikalen Arbeitsstellung zu verriegeln, wobei durch die Verriegelung das Flügelrigg mit dem Basiselement 5 lösbar gekoppelt wird
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 002015155518 A2 [0003]
- WO 002014001824 A1 [0003]
- EP 000002366621 A2 [0004]
- EP 000003696075 A1 [0005]
- EP 000002822851 B1 [0006, 0008]
- WO 002021104715 A1 [0007]
- US 000000869371 S [0008]
- WO 002014033386 A1 [0008]
