DE10238714A1

DE10238714A1 - Windkraftgenerator

Info

Publication number: DE10238714A1
Application number: DE10238714A
Authority: DE
Inventors: Chih-Peng Wu
Original assignee: Primax Electronics Ltd
Current assignee: Primax Electronics Ltd
Priority date: 2001-09-24
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2003-04-17
Also published as: US20030057708A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Windkraftgenerator für Fahrzeuge, welcher aus einem eine Windströmung ausnutzenden Läufer 21, einem von diesem angetriebenen Generator 22 und einem diesem nachgeschalteten Gleichrichter 23 besteht. Die Luftströmungsquelle 20 kann der Fahrtwind oder die von der Klimaanlage oder dem Kühlerventilator des Fahrzeugs erzeugte Luftströmung sein. Der vom Generator erzeugte Strom wird spannungsstabilisiert und gleichgerichtet und steht im Fahrzeug zum Betreiben elektrischer Geräte zur Verfügung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windkraftgenerator und insbesondere einen an oder in Kraftfahrzeugen anzubringenden Windkraftgenerator, der zusätzliche elektrische Energie für im Fahrzeug betriebene elektrische Verbraucher liefert.
Kraftfahrzeuge sind heute in hochentwickelten Ländern mit florierender Wirtschaft und Industrie unentbehrliche Transportmittel und Mittel der Freizeitgestaltung im Leben der Menschen. Zunehmende Freizeit erlaubt den Menschen mehr und mehr zu reisen und Aktivitäten außerhalb des Hauses. Dies führt dazu, daß viele Menschen einen großen Teil ihrer Zeit in Kraftwagen verbringen.
Um das Fahren bequemer und angenehmer zu machen sind eine Vielzahl verschiedener elektrischer Geräte entwickelt und eingeführt worden, beispielsweise Stereoanlagen, GPS-Navigationsgeräte, Telefone, Staubsauger, Laptops, Luftkompressoren und andere, die alle zum Betrieb auch im Kraftfahrzeug eingerichtet sind. Um diese mit elektrischer Energie zu versorgen ist der Bedarf an Anschlußdosen sowie an verfügbarer elektrischer Energie gestiegen.
Eine übliche Installation ist in Fig. I gezeigt, wo die Stromquellen eine Batterie 10 und ein vom Motor angetriebener Generator 11 sind. Diese sind elektrisch miteinander verbunden und haben eine weitere Verbindung mit der Dose eines Zigarettenanzünders 12 über eine Leitung 13. Wenn der Motor nicht läuft, ist nur die Batterie 10 die Stromquelle. Wenn der Motor läuft, ist der Generator 11 die hauptsächliche Stromquelle.
Die Batterie 10 hat jedoch nur eine begrenzte Kapazität und zum Anlassen des Motors muß eine genügende Reserve verbleiben. Es ist deshalb wichtig, den Stromverbrauch aus der Batterie zu begrenzen und so weit wie möglich zu minimieren. Obwohl der Generator 11 bei laufendem Motor die Batterie nachlädt, sind in jüngerer Zeit viele früher mechanische Einrichtungen des Kraftfahrzeugs ersetzt worden durch elektrische und elektronische Systeme wie etwa elektrische Fensterheber, elektrisch verstellbare Rückspiegel u. a., sodaß der Stromverbrauch des Wagens sehr anstieg und oft nicht vom Generator gedeckt wird. Im Eroebnis wird die Batterie 10 Oit überfordert.
Ein weiterer Nachteil der Benutzung der Zigarettenanzünderdose als Steckdose für portable Stromverbraucher liegt darin, daß hier nur eine Spannung, üblicherweise 12 V Gleichstrom, zur Verfügung steht und deshalb Stromverbraucher mit anderen Anforderungen an die Stromversorgung nicht bedient werden. Auch schon der Stecker solcher Geräte ist meist nicht kompatibel mit der Zigarettenanzünderdose und ohnehin ist meist nur eine solche Anschlußdose vorhanden, sodaß eine größere Anzahl von elektrischen Geräten nicht versorgt werden könnte.
Aus dem vorstehend Gesagten ergibt sich, daß die üblichen Stromversorgungssysteme von Kraftwagen nicht geeignet sind, die wachsende Anzahl von im Wagen zu benutzenden elektrischen und elektronischen Geräten zu versorgen und jedenfalls eine große Belastung der Wagenbatterie darstellt. Damit wird es zu einer entscheidenden Aufgabe der Automobilindustrie, auch in existierenden Baumustern eine zusätzliche elektrische Energieversorgung ohne Belastung der vorhandenen Batterie und ohne Änderung der Karosseriekonstruktion bereitzustellen, um die verschiedenen stromverbrauchenden Zusatzgeräte zu versorgen.
Die vorliegende Erfindung will hier eine Lösung anbieten und besteht darin, einen Windkraftgenerator bereitzustellen, der ohnehin vorhandene Luftströmungen ausnutzt, um zusätzliche elektrische Energie zu erzeugen und verschiedene Arten von Verbrauchern zu speisen.
Gegenstand der Erfindung ist ein vom Luftstrom angeblasener Läufer, ein mit diesem verbundener Generator, ein diesem nachgeschalteter Gleichrichter, eine Moduliervorrichtung und ein die elektrische Energie speichernder Sammler. Der Läufer befindet sich am Austritt eines vom Kraftfahrzeug erzeugten Luftstroms oder im Fahrtwind und entnimmt diesem die Energie zum Antrieb des Generators, mit dem er mittels einer Welle verbunden ist. Im drehangetriebenen Generator durchquert ein Rotor die Magnetfeldlinien eines Ständers, sodaß nach dem Induktionsgesetz eine Spannung und ein Strom erzeugt wird. Der am Ausgang bereitstehende Strom wird vom Gleichrichter gleichgerichtet und stabilisiert und danach von einer Moduliervorrichtung entsprechend dem Bedürfnis moduliert und in den elektrischen Sammler eingespeist, um als stabile Stromquelle zur Verfügung zu stehen. Am Sammler sind Anschlußdosen für die Stecker verschiedener im Wagen benutzbarer Geräte vorgesehen. Wenn diese nicht betrieben werden, kann die elektrische Energie für den zukünftigen Bedarf gespeichert werden.
Der Läufer besitzt eine Mehrzahl von gleichmäßig auf dem Umfang verteilten Schaufeln mit identischer Konfiguration bezüglich Profilverlauf, Einstellwinkel, Eintritts- und Austrittswinkel. Die die profilierten Schaufeln umströmende Luft setzt den Läufer in Drehbewegung um seine Achse. Das Schaufelprofil kann gewählt werden aus den NACA-Profilen (National Advisory Committee for Aeronautics) im Sinne der Verringerung des Widerstandsbeiwertes und Erhöhung der Drehgeschwindigkeit zur Erhöhung der Energieerzeugung. Der Läufer kann vom axialdurchströmten oder querdurchströmten Typ sein, je nach den verschiedenen Einbaubedingungen und dem Platzbedarf. Ein Schutzgitter kann um den Läufer herum angeordnet sein, um zu verhindern, daß Bauteile in der Umgebung die Schaufelblätter beschädigen und um Personen zu schützen, die versehentlich in den Schraubenkreis der Läuferblätter geraten könnten. Das Schutzgehäuse hat Befestigungsvorrichtungen zur Anbringung des Läufers im Luftstrom mittels Schrauben oder anderer Befestigungsmittel.
Weiterhin kann der Gleichrichter in einem Steuerkasten untergebracht sein, welche auch eine Einstellvorrichtung, z. B. einen Steuerschieber und Anzeigelampen aufweisen kann, um die abgegebene elektrische Leistung an verschiedene Anforderungen anzupassen. Der Generator und der Steuerkasten können als getrennte Bauteile ausgeführt sein und entsprechend den Einbaubedingungen, dem Platzbedarf und der Bedienungsbequemlichkeit mittels Kabel miteinander verbunden sein. In diesem Falle kann der Steuerkasten eine Mehrzahl von Befestigungselementen zur Befestigung an einer geeigneten Stelle im Wagen aufweisen, beispielsweise mittels Schrauben oder anderer Befestigungsmittel wie doppelseitigem Klebeband oder Klettverschluß.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch die übliche elektrische Installation von Kraftfahrzeugen;
Fig. 2 schematisch den vorgeschlagenen Windkraftgenerator;
Fig. 3 die Ansicht des Läufers in einem Schutzkäfig;
Fig. 4 ein Schaufelprofil des Läufers;
Fig. 5 den Windkraftgenerator in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 6 das Flußdiagramm des Betriebs des Windkraftgenerators.
Der vorgeschlagene Windkraftgenerator für Kraftfahrzeuge entnimmt dem Motor des Fahrzeugs keine Energie und erfordert keine Umbauten, sondern nutzt nur ohnehin vorhandene Luftströmungen, um einen Läufer einen Generator antreiben zu lassen, dessen Strom gleichgerichtet und entsprechend den Bedürfnissen der Verbraucher moduliert wird.
Fig. 2 zeigt, wie der Windkraftgenerator aus einem Läufer 21 besteht, welcher am Austritt einer Luftströmungsquelle 20 angeordnet ist, wobei die Luftströmungsquelle im einfachsten Fall der Fahrtwind sein kann oder auch der Luftstrom am Austritt der Kühlluft einer Klimaanlage oder der vom Kühlerventilator erzeugte Luftstrom. Die Luftströmung und die hieraus resultierende Druckverteilung an den Läuferschaufeln versetzt den Läufer in Drehung. Dieser sitzt auf einer Welle 26, welche verbunden ist mit dem Rotor eines Generators 22. Somit wird der Rotor des Generators 22 synchron mit dem Läufer 21 rotieren.
Der Generator 22 mit dem Läufer 21 kann an einem tragenden Hauteil des Wagens mittels einer Federklammer 25 befestigt werden.
Nach dem Faraday'schen Gesetz induziert ein sich veränderndes Magnetfeld eine Spannung in einem Leiter und wenn der Rotor des Generators sich zyklisch durch die Magnetfeldlinien des Generatorständers bewegt, wird ein induktiver Strom erzeugt. Dieser fließt durch die Leitung 27 zu einem Gleichrichter 23, welcher den Strom gleichrichtet und stabilisiert. Der gleichgerichtete Strom fließt dann zu einer Moduliervorrichtung 28, welcher den Strom zu den erforderlichen Strom- und Spannungsparametern moduliert, wie sie für die im Wagen zu betreibenden elektrischen Geräte gebraucht werden. Auch wird der Strom über eine weitere Leitung 24 in einen Speicher 29 für elektrische Energie eingespeist. Dieser hat eine oder mehrere Anschlußdosen 291 für die Stecker der Verbrauchergeräte und speichert die Energie für den zukünftigen Verbrauch.
Fig. 3 zeigt, wie der Läufer 21 in einem Schutzkäfig 30 untergebracht sein kann. Der Läufer 21 hat eine Mehrzahl von identischen Schaufeln 31, die gleichmäßig auf dem Umfang seiner auf der Welle 26 sitzenden Nabe verteilt sind. Jede Schaufel 31 hat einen gleichen Eintritts- und Austrittswinkel, Einstellwinkel und Profilverlauf. Bei der Anblasung durch den Luftstrom entsteht eine Reaktionskraft und der Läufer wird unter Mitnahme der welle 26 in Drehung versetzt.
Ein den Läufer 21 umgebender Schutzkäfig 30 verhindert, daß umgebende Bauteile oder Gegenstände den rotierenden Läufer beschädigen und verhindert, daß Menschen sich durch unbeabsichtigte Berührung der laufenden Schaufeln verletzen. Der Schutzkäfig ist in Form eines frei durchströmbaren Gehäuses ausgeführt. Außerdem hat der Schutzkäfig 30 Befestigungsstellen 32, um ihn mittels Schrauben oder anderer Befestigungselemente im Luftstrom zu positionieren. Der Läufer 21 kann vom Axial- oder quer durchströmten Typus sein, entsprechend den Einbaubedingungen, dem zur Verfügung stehenden Platz oder dem Querschnitt des zu nutzenden Luftstroms.
Fig. 4 zeigt einen Schaufelquerschnitt, also das Schaufelprofil, welches ein aus dem NACA-Katalog unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung des Widerstandsbeiwerts und der Erhöhung der Drehgeschwindigkeit ausgewähltes Profil sein kann. Dies kann auch eine erhöhte Energieerzeugung und eine Reduzierung des Luftgeräusches bewirken, sodaß es im Wageninnenraum ruhig bleibt.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung des Erfindungsgegenstands im Gebrauch, wobei der Generator 22 ein Gleichstrom- oder Wechselstromgenerator sein kann. Der Gleichrichter 23 und die Moduliervorrichtung 28 sind in einem Steuerkasten 51 untergebracht. Am Steuerkasten 51 ist ein Steuerschieber 52 zur Anpassung des abgegebenen Stroms an die Erfordernisse der Verbraucher sowie sind Anzeigelampen 53 angeordnet.
Der Generator 22 und der Steuerkasten 51 sind voneinander getrennte Baugruppen. Für eine getrennte Installation hat der Steuerkasten 51 eine Mehrzahl von Befestigungselementen 54, welche die Anbringung mittels Schrauben oder mittels anderer Befestigungsmittel an einer zur Bedienung bequemen Stelle erleichtern. Eine Möglichkeit ist die Befestigung des Steuerkastens 51 mittels an seiner Rückenfläche 55 angebrachten doppelseitigen Klebebandes oder des einen Teils eines Klettverschlusses.
Der vorgeschlagene Windkraftgenerator kann auch außen am Fahrzeug angebracht werden, wobei dann der Generator 22 wasserdicht ausgeführt sein müßte, um das Eindringen von Wasser und hierdurch verursachte Beschädigungen zu vermeiden.
In Fig. 6 ist der Ablauf des Betriebs schematisch dargestellt, welcher die folgenden Schritte aufweist:
61 Bereitstellen einer Luftströmungsquelle
62 Antreiben des Läufers durch die Luftströmung
63 Umwandeln der mechanischen/kinetischen Energie des Luftstroms in elektrische Energie mittels des Generators
64 Gleichrichten des erzeugten Stroms und Modulieren der Spannung mittels des Gleichrichters und der Moduliervorrichtung
65 Ausgabe der elektrischen Energie über Leitungen und Anschlußdosen zur Speisung von elektrischen und elektronischen Geräten
Wenn der vorgeschlagene Windkraftgenerator am Luftein- oder -austritt der Klimaanlage oder des Kühlerventilators installiert wird, wird der Windwiderstand ansteigen. Jedoch haben heutzutage derartige Systeme guter Qualität aus Gründen der Sicherheit einen ausreichenden Leistungsüberschuss, sodaß die von ihnen erzeugte Luftströmung den tatsächlichen Bedarf übertrifft. Es ist deshalb überschüssige Strömungsenergie vorhanden, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Insbesondere wenn das Fahrzeug nicht voll beladen ist und die Klimaanlage und das Kühlsystem weniger beansprucht sind, ist überschüssige Windenergie zur Stromerzeugung vorhanden. Somit paßt der vorliegende Vorschlag gut zu den zeitgemäßen Konzepten von Energieeinsparung und Wiederverwertung.

Claims

1. Windkraftgenerator für Fahrzeuge mit einer Luftströmungsquelle, bestehend aus
einem Läufer (21) mit Schaufeln (31), der von der Luftströmung drehangetrieben wird,
einem mit diesem verbundenen Generator (22) zur induktiven Stromerzeugung und
einem an den Generator angeschlossenen Gleichrichter (23) zur Stabilisierung und Gleichrichtung des induktiv erzeugten Stroms für den Ausgang.

2. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmungsquelle der Luftaustritt der Klimaanlage des Fahrzeugs ist.

3. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmungsquelle der Luftaustritt des Kühlers ist.

4. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströmungsquelle der Fahrtwind ist.

5. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (22) einen Ständer und einen Läufer aufweist, wobei der Läufer beim Durchqueren des Magnetfeldes des Ständers Strom durch magnetische Induktion erzeugt.

6. Windkraftgenerator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Welle (26), welche den Läufer (21) mit dem Läufer des Generators (22) zur Drehung desselben verbindet.

7. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator ein Gleich- oder Wechselstromgenerator ist.

8. Windkraftgenerator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (22) eine Federklammer (25) zur Befestigung am Fahrzeug aufweist.

9. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (31) des Läufers (21) gleichmäßig mit gewähltem Einstellwinkel auf dessen Umfang verteilt und profiliert sind.

10. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (31) ein unter den Gesichtspunkten der Erhöhung der Drehzahl und Verringerung der Lärmerzeugung gewähltes NACA-Profil aufweisen.

11. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer vom axialdurchströmten oder querdurchströmten Typ ist.

12. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (21) von einem Schutzkäfig (30) umgeben ist.

13. Windkraftgenerator nach Anspruch (12), gekennzeichnet durch Befestigungsstellen (32) des Schutzgehäuses (30) zur Positionierung des Läufers (22).

14. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (22) und der Gleichrichter (23) getrennte Hauteile sind und mittels einer elektrischen Leitung verbunden sind.

15. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gleichrichter (23) ein Steuerkasten (51) mit einer Moduliervorrichtung (28) gehört, welche den Ausgang an den Bedarf des elektrischen Verbrauchers anpaßt.

15. Windkraftgenerator nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Befestigungselemente (54) des Steuerkastens (51) zu dessen Positionierung zur bequemen Bedienung durch den Benutzer.

17. Windkraftgenerator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Befestigungselement des Kontrollkastens ein an dessen Rückwand angebrachtes zweiseitiges Klebeband oder ein Klettverschluß dient.

18. Windkraftgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Gleichrichter ein elektrischer Sammler (29) zur Speicherung des gleichgerichteten Stroms gehört.

19. Windkraftgenerator nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Anschlußdosen (291) des Sammlers (29).