DE10329348A1

DE10329348A1 - Generator-Antriebs-Vorrichtung

Info

Publication number: DE10329348A1
Application number: DE10329348A
Authority: DE
Inventors: Alexander Degen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Generator-Antriebs-Vorrichtung mit Flügeln (1, 1', 1*) zum Aufnehmen einer Energie aus einem strömenden Medium (S), das in einer Strömungsrichtung (x) strömt, einer Flügel-Beförderungs-Bahn (3), an der die Flügel (1, 1', 1'*, 1''*, 1 DEG ) zum Bewegen der Flügel längs einer vorgegebenen zyklischen Strecke (R, R*) angeordnet sind, wobei der Verlauf der Flügel-Beförderungs-Bahn eine Ebene (x, z) aufspannt, deren erste Bahnkomponente (x) in Strömungsrichtung (x) verläuft, und einer Generator-Ankopplungs-Einrichtung zum Übertragen der Bewegung der Flügel-Beförderungs-Bahn (3) und der aufgenommenen Energie auf einen Generator (G). Eine bevorzugte Anordnung ergibt sich dadurch, dass die Flügel-Beförderungs-Bahn (3; 33) mit einem ersten Teilabschnitt (R) schräg durch die aufgespannte Ebene (x, z) verläuft und die Flügel (1) bei der Bewegung längs diesem ersten Teilabschnitt (R) quer zur Strömungsrichtung (x) ausgerichtet sind und die Flügel-Beförderungs-Bahn (3; 33) einen zweiten Teilabschnitt (R'), der in der Ebene (x, z) mit einer Bewegungskomponente (-z) senkrecht zur Strömungsrichtung (x) verläuft, aufweist und die Flügel (1', 1'*, 1''*) auf diesem zweiten Teilabschnitt (R') längs der Strömungsrichtung (x) ausgerichtet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Generator-Antriebs-Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Anordnen von Flügeln und einer Flügel-Beförderungsbahn in einer Strömung zur Energieentnahme.

Allgemein bekannt sind verschiedenartige Vorrichtungen zur Entnahme von Energie aus einem strömenden Medium, beispielsweise aus Luft oder Wasser. Neben Windkraftanlagen sind dies insbesondere Wasserkraftanlagen, beispielsweise Wassermühlen.

Windkraftanlagen beruhen auf der Nutzung von Propellern, welche einen Generator antreiben. Die Propeller sitzen dabei auf einer Welle, deren Umfang eine kreisförmige Propeller- bzw. Flügelbeförderungsbahn ausbildet. An dieser Welle sind die Propeller zum Bewegen der Propeller längs einer vorgegebenen zyklischen Strecke befestigt, wobei die zyklische Strecke eine Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung aufspannt.

Nachteilhaft bei solchen Anlagen ist, dass ein Propeller nur eine begrenzte Querschnittsfläche aufweist und die Größe des Propellers durch die vom Wind auf den Propeller wirkenden Horizontalkräfte begrenzt ist, da diese im Tragmast der Windkraftanlage Biegemomente erzeugen, welche vorgegebene Grenzwerte nicht übersteigen dürfen. Außerdem kann mit einem Propeller einer Strömung grundsätzlich nur Energie entzogen werden, die proportional zur Querschnittsfläche des Propellers, d. h. begrenzt durch Geometrie und Statik, und der Windgeschwindigkeit ist. Bei niedrigen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten hat der Propeller sehr verschiedene Energiewirkungsgrade. Bei langsamer Strömung, insbesondere beim Einsatz im Wasser, sind die relativ kleinen Propeller-Blätter nicht sehr effizient.

Außerdem sind Wassermühlen bekannt, bei denen starre Flügel bzw. Schaufelelemente auf einem Rad angeordnet sind, welches eine Ebene aufspannt, wobei die Strömungsrichtung des zum Betreiben herangeführten Wassers in der gleichen Richtung wie eine der Komponenten der aufgespannten Ebene verläuft. Die zentrale Achse eines solchen Mühlenrads bildet eine Generator-Ankopplungs-Einrichtung zum Ankoppeln eines Generators und zum Übertragen der Bewegung der Flügel- bzw. Schaufel-Beförderungs-Bahn und der aufgenommenen Energie zum Generator.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine alternative Generator-Antriebs-Vorrichtung und ein alternatives Verfahren zum Anordnen von Flügeln und einer Flügel-Beförderungs-Bahn in einer Strömung zur Energie-Entnahme bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Generator-Antriebs-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Gemäß der Erfindung werden Flügel bzw. Schaufeln zum Aufnehmen einer Energie aus einem Medium bereitgestellt, welches in einer Strömungsrichtung strömt. Die Flügel sind an einem Flügel-Befestigungselement zum Bewegen der Flügel längs einer vorgegebenen zyklischen Bahn befestigt, wobei die Bahn eine Ebene aufspannt, in der die Strömungsrichtung liegt. Außerdem weist die Antriebs-Vorrichtung eine Generator-Ankopplungs-Einrichtung zum Übertragen der Bewegung der Flügel-Beförderungs-Bahn und der über die Flügel aufgenommenen und über die Flügel-Beförderungs-Bahn weitergegebenen Energie auf einen Generator auf. Die Flügel sind in einem ersten Teilabschnitt der durch die Befestigungselement vorgegebenen Bahn im Wesentlichen quer zu der Strömungsrichtung ausgerichtet und in einer Ebene angeordnet, die schräg zu der Strömungs richtung verläuft, so dass während des Betriebs die Flügel in diesem Abschnitt angetrieben durch die Strömung eine erste Bewegungskomponente, die der Strömungsrichtung entspricht, und eine zweite Bewegungskomponente senkrecht zu der Strömungsrichtung aufweisen.

Vorzugsweise weist die Bahn einen zweiten Teilabschnitt auf, in dem die Flügel eine dritte Bewegungskomponente aufweisen, die senkrecht zu der Strömungsrichtung und entgegengesetzt zu der zweiten Bewegungskomponente in dem ersten Abschnitt verläuft. Dabei können die Flügel in diesem zweiten Abschnitt eine vierte Bewegungskomponente aufweisen, die entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung verläuft, um die Flügel zu dem ersten Abschnitt der Bewegungsbahn zurückzuführen.

Oder, die Bewegungsbahn kann neben dem zweiten Teilabschnitt für die Rückbewegung der Flügel auf der zyklischen Strecke einen dritten Teilabschnitt aufweisen, in dem die Flügel in einer Ebene angeordnet sind, die im Wesentlichen in der Strömungsrichtung liegt und in dem die Flügel die vierte Bewegungskomponente aufweisen, die entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung verläuft. Längs dieses dritten Teilabschnitts werden somit die Flügel hintereinander angeordnet durch die Strömung bewegt, so dass effektiv nur die Wirkung des Strömungswiderstands eines einzelnen Flügels auf der Bewegungsstrecke entgegengesetzt der Strömungsrichtung eine abbremsende Wirkung hat. Während die gesamte Flügelfläche über die Höhe der schrägen Flügel-Förderbahn einen Strömungswiderstand bildet, welcher zum Antreiben des Generators genutzt wird, bildet lediglich die verbleibende Höhe der Wirkungsfläche der in Gegenrichtung zur Strömung bewegten Flügel abbremsend bzw. energieabbauend. Bei einer derartigen Anordnung ist es sogar möglich, die Flügel starr an der Flügel-Beförderungs-Bahn zu befestigen, wobei die Flügel in dem dritten Teilabschnitt quer zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind. Die in diesem Abschnitt effektiv bremsende Kraft ist im Verhältnis der Höhe des ersten Teilabschnitts direkt berechenbar. Dabei wirkt auf das Berechnungsergebnis eine Flügelform vorteilhaft, welche im ersten Teilabschnitt konkav in die Strömung gerichtet ist und im dritten Teilabschnitt konvex zur Strömung ausgerichtet ist.

Auf diesem zweiten und/oder dritten Teilabschnitt sind die Flügel längs der Strömungsrichtung ausgerichtet. Die auf der schräg verlaufenden Strecke quer ausgerichteten Flügel bilden vorzugsweise einen optimal großen Strömungswiderstand, während die längs zur Strömungsausrichtung ausgerichteten Flügel auf dem zweiten Teilabschnitt der Strecke vorzugsweise einen minimalen Strömungswiderstand ausbilden.

Verfahrensgemäß werden somit die Flügel längs einer ersten Teilstrecke, die schräg zur Strömungsrichtung verläuft, mit großem Strömungswiderstand in die Strömung gestellt, während die Flügel auf zumindest einem Teil der zyklischen Rückwärtsstrecke in einer Richtung senkrecht zur Strömung längsgestellt bzw. mit minimiertem Strömungswiderstand bewegt werden.

Vorteilhafterweise sind die Flügel gemäß dieser oder einer weiteren Ausführungsform verstellbar, insbesondere verschwenkbar an der Flügel-Befestigungselement gelagert. Dies ermöglicht ein Verschwenken der Flügel in eine jeweils mit Blick auf den gewünschten in dem ersten Abschnitt großen und in dem zweiten oder zweiten und dritten Abschnitt geringen Strömungswiderstand idealen Winkel längs der Teilabschnitte der Bahn, über die die Flügel angetrieben durch die Strömung und gehalten durch die Befestigungselement geführt werden. Insbesondere im Bereich des zweiten Teilabschnitts oder des zweiten und dritten Teilabschnitts werden die Flügel in eine Stellung verschwenkt, in der sie längs, das heißt im Wesentlichen parallel, zu der Strömungsrichtung liegen, um einen geringen Strömungswiderstand zu bieten.

Vorteilhafterweise weist eine einfache Ausführungsform der Flügel-Beförderungs-Bahn neben Gelenken zur Lagerung der Flügel zu den Gelenken räumlich versetzte Anschläge zum Abstützen und Halten der Flügel quer zur Strömungsrichtung längs des ersten Teilabschnitts der Bewegungsbahn auf. Die Anschläge sind dabei in der Bewegungsrichtung der Flügel-Befestigungselements versetzt zu den Gelenken angeordnet. Zum Aufrichten der Flügel quer zu der Strömungsrichtung wird vorteilhafterweise eine Flügel-Verstellungs-Einrichtung im Bereich des Beginns des ersten Teilabschnitts bereitgestellt, welche die längs zur Strömungsrichtung verlaufenden Flügel aufrichtet bzw. quer zur Strömungsrichtung stellt. Eine solche Flügel-Verstell-Einrichtung kann beispielsweise ein Mitnehmer-Rad mit Mitnehmer-Stiften aufweisen, welche in die Flügel-Ebene hineinragen, wobei diese Mitnehmer-Stifte am Umfang des Mitnehmer-Rades angeordnet sind und der Umfang schneller rotiert, als sich die Flügel-Beförderungs-Bahn bewegt.

Vorteilhafterweise weist die Antriebs-Vorrichtung auch eine Verstelleinrichtung zum Verstellen der Flügel-Förderbahn in die jeweilig optimierte Ebene zur Strömungsrichtung der Strömung auf. Dadurch wird die Antriebs-Vorrichtung stets optimal zur Strömung ausgerichtet. Bei einer solchen Anordnung ist der Generator vorteilhafterweise jedoch nicht zwingend notwendig im Bereich der verstellbaren Antriebs-Vorrichtung angeordnet. Eine solche Verstelleinrichtung weist neben einer Gelenkanordnung zum Verstellen der Antriebs-Vorrichtung relativ zu einem räumlich fixen Punkt vorteilhafterweise auch einen Spoiler bzw. einen Leitflügel, der sich in Strömungsrichtung ausrichtet, auf.

Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit, die Vorrichtung an einem Schwimmkörper zu befestigen, wobei der Schwimmkörper gegenüber der Strömung verankert ist. Ein solcher Schwimmkörper kann insbesondere eine Boje, eine Bohrinsel oder ein verankertes Schiff sein.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Generator-Antriebs-Vorrichtung;
2 eine Seitenansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Generator-Antriebs-Vorrichtung mit angelenkten Flügeln;
3 ein alternatives Ausführungsbeispiel mit feststehenden Flügeln;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer alternativen Bahnführung der Flügel; und
5 eine Anordnung zweier Antriebs-Vorrichtungen, wobei die Anordnung eine Trichterform für ein heranströmendes Medium ausbildet.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich ist, ist eine Generator-Antriebs-Vorrichtung in einem strömenden Medium S ausgerichtet. Dabei wird zur Vereinfachung davon ausgegangen, dass die Strömung in einer Strömungsrichtung längs einer ersten Koordinate x und senkrecht zu einer zweiten Koordinate z verläuft. Die Antriebs-Vorrichtung ist dabei so zur Strömungsrichtung x ausgerichtet, dass die Bewegungsbahn von Flügeln 1 der Antriebs-Vorrichtung innerhalb der durch diese beiden Komponenten x, z aufgespannten Ebene liegt, d. h. insbesondere hinsichtlich der Bewegung von Elementen der Antriebs-Vorrichtung nur Bewegungskomponenten bzw. Bewegungs-Teilkomponenten in diesen beiden Richtungskomponenten x, z senkrecht zur einer dazu aufgespannten Ebene z, y aufweist.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel weist die Generator-Antriebs-Vorrichtung eine Vielzahl von Flügel 1, 1', 1* auf, wobei die Flügel an einem Flügel-Befestigungselement 3 angeordnet sind. Die Flügel können dabei beliebige für den Zweck geeignete Formen aufweisen. Insbesondere sind die Flügel 1 nicht an die dargestellte schaufelförmige und sich längs erstreckende Form gebunden, wobei eine solche schaufelförmige Form eine bevorzugte Ausrichtung mit der konkaven Seite in Richtung des heranströmenden Mediums ermöglicht. Insbesondere sind die Flügel auch hinsichtlich der zweiten Flügelseite nicht an die dargestellte konvexe Form gebunden, sondern können auch Formen aufweisen, welche mit Blick auf den Strömungswiderstand im abströmenden Bereich des strömenden Mediums S optimiert geformt sind.
Zur Lagerung und Beförderung der Flügel ist eine Flügel-Führungs- und Befestigungsvorrichtung skizziert, wobei dieses aus beliebigen geeigneten Materialien und beliebig konstruiert sein kann. Besonders bevorzugt als Führungs- und Befestigungsvorrichtung für die Flügel sind Bänder, welche über entsprechende Rollen 4 bzw. Walzen geführt werden, oder Ketten, an welchen die Flügel 1 angeordnet sind. Bänder sind dabei über Rollen 4, Ketten über Zahnräder längs der Flügel-Beförderungs-Bahn geführt.
Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Flügel-Beförderungs-Bahn drei Teilabschnitte auf. Der erste Teilabschnitt R der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 führt schräg zur Strömungsrichtung x des strömenden Mediums S. Die Flügel 1 sind in diesem ersten Teilabschnitt so ausgerichtet, dass sie einen möglichst optimalen Strömungswiderstand bieten, wobei sie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel quer zu der Strömungsrichtung x und im Wesentlichen in Ebene y, z ausgerichtet sind, die sich senkrecht zu der Strömungsrichtung x und senkrecht zu der durch die Flügel-Beförderungs-Bahn aufgespannten Ebene x, y erstreckt. Für das heranströmende Medium S wird durch diese Ausrichtung der Flügel 1 eine effektive Hindernis-Wirkung bzw. ein effektiver Strömungswiderstand ü ber die gesamte Höhe des schräg zu der Strömungsrichtung x verlaufenden Teilabschnitts der Flügel-Beförderungs-Bahn ausgebildet, so dass eine entsprechend große Energiemenge zum Antreiben der Flügelanordnung mit den Flügeln und der Flügel-Beförderungsbahn verfügbar ist.
Im oberen Abschnitt des ersten Teilabschnitts wird die Flügel-Beförderungs-Bahn 3 in einen zweiten Teilabschnitt R' umgelenkt, welcher in der besonders bevorzugten Ausführungsform senkrecht zur Strömungsrichtung x verläuft. Durch das Umschwenken der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 um die Rolle 4 verschwenken sich die Flügel 1 automatisch in die dargestellten Flügel-Stellungen 1'. Während die Flügel 1 im ersten Teilabschnitt R quer zur Strömungsrichtung x stehen, liegen die Flügel 1' im zweiten Teilabschnitt R' im Wesentlichen längs zur Strömungsrichtung x in dem strömenden Medium S, so dass ein deutlich verringerter Strömungswiderstand verbleibt. Im Falle nicht bogenförmiger sondern flächiger Flügel würden diese längs in Strömungsrichtung x verlaufen und somit lediglich einen Strömungswiderstand entsprechend ihrer Querschnittsfläche aufweisen. Bei der dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Flügel 1, 1' an der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 mittels Gelenken 7 angebracht, so dass sie optimal zur Strömungsrichtung x ausgerichtet werden können. Zur Einstellung des Anstellwinkels der Flügel 1 gegenüber der Bahn 3 sind Anschläge 27 vorhanden, die im Abschnitt R, in dem die Flügel durch die Strömung S aufgestellt werden, bei Erreichen eines vorgegebenen Anstellwinkels ein weiteres Aufklappen verhindern. Im zweiten Teilabschnitt R' sind die Flügel 1' wegen der dortigen Strömungsverhältnisse frei um die Lager 7 schwingend und von den Anschlägen 27 beabstandet gelagert. Die gelenkige Lagerung der Flügel 1, 1', 1* ermöglicht eine optimale Ausrichtung der Flügel 1 sowohl quer zur Strömungsrichtung x im ersten Teilabschnitt R als auch längs zur Strömungsrichtung x im zweiten Teilabschnitt R', obwohl der Bahnverlauf bzw. Streckenverlauf des ersten Teilabschnitts R und des zweiten Teilabschnitts R' nicht rechtwinklig zueinander ist.
Optional sind die Flügel 1* in dem Abschnitt R* von einer gestrichelt eingezeichneten Verkleidung V umgeben, die die Strömung von den Flügeln in diesem Abschnitt fernhält.
Selbstverständlich kann die gesamte Anordnung auch um 180° gedreht werden, wodurch der Abschnitt R*, auf dem die Flügel 1* zurückgeführt werden, näher zur Wasseroberfläche als der Abschnitt R liegen würde. Vorzugsweise wird bei dieser Ausführungsform ebenfalls eine Verkleidung eingesetzt, die im Rückführabschnitt R* die Strömung von den Flügel fernhält. Unter dieser Verkleidung kann eine Gasblase ausgebildet werden, so dass die Flügel 1* im Abschnitt R* in der Gasblase zu dem Abschnitt R zurückgeführt werden, wodurch sich der Widerstand, der sich den Flügeln am "Rückweg" zu dem Abschnitt R entgegenstellt, wesentlich reduziert ist. Die Gasblase besteht vorzugsweise aus Luft und kann mittels eines oberhalb der Wasseroberfläche angeordneten, über einen Schlauch an die Verkleidung angeschlossenen Kompressors erzeugt werden.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform weist die Flügel-Beförderungs-Bahn 3 außerdem einen dritten Teilabschnitt R* auf, welcher das Ende des zweiten Teilabschnitts R' mit dem Anfang des ersten Teilabschnitts R verbindet. Entsprechend sind weitere Rollen 4 zum Umlenken in den Übergangsbereichen der entsprechenden Teilabschnitte vorgesehen.
Bei dem dargestellten ersten Ausführungsbeispiel mit den verschwenkbar gelagerten Flügeln stellt sich die Position der umd die Gelenke 7 schwenkbaren Flügel 1* im Bereich des dritten Teilabschnitts R* der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 so ein, dass die Flügel 1* im Wesentlichen in einer Position längs zur Strömungsrichtung x ausgerichtet sind. Denn, bei der beschriebenen losen Lagerung der Flügel 1, 1', 1* an den Lagern 7 richten sich die Flügel im Bereich des zweiten und dritten Teilabschnitts R', R* automatisch längs zur Strömungsrichtung x aus.
Bei der erläuterten Anordnung der einzelnen Flügel 1, 1', 1* an der Bahn 3 unter Verwendung eines Gelenks 7 und eines eine Aufklappbewegung der Flügel 1, 1', 1* stellt sich die Position der Flügel 1, 1', 1* automatisch so ein, dass die 1, 1', 1* in dem Abschnitt R einen maximalen Strömungswiderstand und in den Abschnitten R', R* einen verringerten Strömungswiderstand bieten, sofern die Gesamtanordnung optimal gegen die Strömung ausgerichtet ist. Eine solche optimale Ausrichtung liegt dann vor, wenn die Strömung S senkrecht verläuft zu einer Ebene, die die Bewegungsbahn der Flügel definiert (der Ebene x, z in 2) und wenn die Ebene, in der die Flügel 1 an dem Führungselement 3 in dem ersten Abschnitt R angeordnet sind, schräg zu der Strömungsrichtung ausgerichtet ist.
Im Übergangsbereich des dritten Teilabschnitts R* zum ersten Teilabschnitt R der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 ist eine Flügel-Verstell-Einrichtung 5 angeordnet. Diese richtet die Flügel aus der längs zur Strömungsrichtung x gerichteten Lage 1* bzw. einer rückseitig quer zur Strömungsrichtung x liegenden Lage im direkten vorderen Übergangsbereich zwischen dem dritten und zweiten Teilabschnitt R*, R in die bevorzugte Stellung der Flügel-Position 1 quer zur Strömungsrichtung x auf. Dabei werden die Flügel 1 längs einer Verschwenkungsbahn K um das Lager 7 verschwenkt. Beispielsweise kann die Flügel-Verstell-Einrichtung Räder aufweisen, welche über das Band der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 zu einer Rotation angetrieben werden, wobei die Umfangsfläche eines solchen Verstellrades vorzugsweise schneller rotiert als sich die Flügel-Beförderungs-Bahn 3 in diesem Bereich bewegt. Durch Haftreibungswirkung oder Mitnehmerstifte, welche zwischen die im dritten Teilabschnitt der Flügel-Beförderungs-Bahn zugewandten Flügelseite und die Flügel-Beförderungs-Bahn greifen, erfolgt dann das Umschwenken der Flügel. Natürlich können auch alternative Ausführungsformen einer Flügel-Verstelleinrichtung eingesetzt werden. Des weiteren besteht die Möglichkeit, mittels eines Spoilers am Anfang des Abschnitts R eine Unterströmung zu erzeugen, die ein Aufstellen der eingeklappten Flügel am Beginn des Abschnitts R bewirkt.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, eine automatische Flügel-Verstellvorrichtung vorzusehen, die den Anstellwinkel der Flügel 1, 1', 1* in den Abschnitten R, R', R* automatisch jeweils so einstellt, dass die Flügel 1 im Abschnitt R der Strömung einen maximalen Widerstand und in den Abschnitten R', R* einen verringerten Strömungswiderstand entgegensetzen.
Die Anordnung mit den Flügeln 1, 1', 1* und der Bahn 3 sowie die Umlenkrollen 4 der Bahn 3 sind an einem Rahmen 21 angeordnet, der über einen Träger 22 mit einem Gestell 23 verbunden ist, welches eine Befestigung oder Lagerung der Antriebs-Vorrichtung am Untergrund oder an einem anderen Körper, beispielsweise an einer Boje oder an einem Schiff 25 ermöglicht.
Die Befestigung an dem Untergrund oder an einem Schiff kann dabei über eine Verstelleinrichtung 21* erfolgen, welche eine optimale Ausrichtung der Antriebs-Vorrichtung relativ zur Strömungsrichtung x des strömenden Mediums S ermöglicht.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist direkt an dem Gestell 21 ein Generator G, 6 angesetzt, welcher durch die Führungs- und Befestigungsvorrichtung 3 der Flügel zur Stromerzeugung angetrieben wird. Alternativ können auch weitere Antriebsmittel eingesetzt werden, welche zu einem Generator führen, der an einem am Boden verankerten oder abgestützten Element oder in einem Schwimmkörper, beispielsweise dem dargestellten Schiff 25 angeordnet ist. Neben einem Strom erzeugenden Generator G kann auch jede beliebige andere Einrichtung zur Energieumsetzung in Verbindung mit der Antriebs-Vorrichtung als Generator im weitesten Sinne eingesetzt wer den. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Schiff als Träger der Generator-Antriebs-Vorrichtung mittels Ankern 26 ortsfest verankert. Dadurch ist eine optimale Ausnutzung einer Strömung unterhalb des Schiffs 25 zur Energieerzeugung möglich. Wie aus 1 ersichtlich, sind die Flügel 1 zwischen zwei Flügel-Beförderungs-Bahnen 3 mit symmetrischer Gestell-Anordnung eingespannt. Prinzipiell ist jedoch auch eine einseitige Lagerung von Flügeln an einem solchen Gestell oder eine zentrale Anordnung eines Gestells mit beidseitig abstehenden derartigen Flügeln als beispielhafte weitere Anordnungsform möglich.
Die Anordnung der Vorrichtung unterhalb eines Schiffs oder einer fest verankerten Plattform ermöglicht eine Ausnutzung von Meereströmungen auf hoher See zur Energiegewinnung. Die durch einen an die Vorrichtung angeschlossenen Generator gewonnene Energie kann beispielsweise zur Elektrolyse, und damit zur Wasserstofferzeugung genutzt werden. Ein Transport des Wasserstoffs an Land zur Nutzung der Energie erfolgt beispielsweise mittels Tankschiffen oder mittels einer Pipeline bei fest installierten Plattformen.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei welchem die Flügel 1 mittels Befestigungseinrichtungen 7' an der Flügel-Führungs- und Befestigungsvorrichtung 3 angeordnet sind. Soweit einzelne Anordnungselemente und Funktionen nicht eigenständig beschrieben sind, wird bei diesem sowie den weiteren Ausführungsbeispielen jeweils auf die diesbezüglich zuvor konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Durch eine starre Befestigung der Flügel 1 an der Flügel-Beförderungs-Bahn 3 sind die Flügel 1 zwar im ersten Teilabschnitt R optimal zur Strömungsrichtung x des heranströmenden Mediums S ausgerichtet, nicht aber in den übrigen Teilabschnitten R*, R° optimal zur Strömungsrichtung x ausgerichtet. Der Winkel α, unter dem die Flügel 1, 1', 1° jeweils zur Flügel-Beförderungs-Bahn 3 ausgerichtet ist, ist jeweils gleichbleibend. Dadurch ergibt sich im zweiten und dritten Teilabschnitt R*, R° der Flügel-Beförderungs-Bahn jeweils ein größerer Strömungswiderstand der Flügel 1', 1° als bei verschwenkbaren Flügeln. Während bei dem ersten Ausführungsbeispiel (2) nahezu die gesamte effektive Höhe by des ersten Teilabschnitts R mit den quer zur Strömungsrichtung x aufgestellten Flügeln 1 als effektive Antriebsfläche abzüglich lediglich der Querschnitte der längs in der Strömung treibenden Flügel 1', 1* im zweiten und dritten Teilabschnitt R*, R' anzusetzen war, wirkt der effektiven Antriebsfläche by bei dem zweiten Ausführungsbeispiel (3) eine größere Fläche mit der effektiven Höhe hr entgegen, mit welcher einer der Flügel 1° im dritten Teilabschnitt der Strömungsrichtung x entgegengerichtet ist. Außerdem wirkt ein größerer Widerstand der teilweise quer zur Strömungsrichtung (in Richtung z) wirkenden Flügelfläche der Flügel 1' im zweiten Teilabschnitt R'. Jedoch ist aus 3 ersichtlich, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die effektive Höhe by von vier Flügeln 1 zum Antreiben der Antriebs-Vorrichtung in Strömungsrichtung x wirkt, während nur ein Viertel dieser Höhe, nämlich die einfache Höhe eines einzelnen Flügels 1° der Strömungsrichtung x entgegenwirkt. Dabei ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass die effektive Höhe der Flügel in dem dritten Teilabschnitt R° geringer als die effektive Höhe im ersten Teilabschnitt R ist, da der Streckenverlauf im ersten und dritten Teilabschnitt R, R° nicht senkrecht zueinander ist und die Flügel 1 im ersten Teilabschnitt R relativ zur Strömungsrichtung x unter einem anderen, insbesondere 45° verstellten Winkel als die Flügel 1° im dritten Teilabschnitt R° angeordnet sind.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen in den 1 bis 3 gilt, dass die Flügel 1 in dem ersten Abschnitt R angetrieben durch die Strömung in einer Richtung bewegt werden, die eine erste Bewegungskomponente x entsprechend der Strömungsrichtung und eine zweite Bewegungskomponente y senkrecht zu der Strömungsrichtung x umfasst. In dem zweiten Teilab schnitt R' beschreiben die Flügel 1' eine Bewegung mit einer dritten Bewegungskomponenten senkrecht zu der zweiten Komponente des ersten Abschnitts R. Und, in dem dritten Abschnitt beschreiben die Flügel eine Bewegung mit einer vierten Bewegungskomponenten –x entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung x.
Das zweite Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine Verstelleinrichtung, welche eine Verstellung der Antriebs-Vorrichtung relativ zu dem Fixpunkt, im vorliegenden Fall relativ zu dem Schiff 25 ermöglicht, so dass bei fest verankertem Schiff 25 trotzdem eine Ausrichtung der Antriebs-Vorrichtung relativ zu einer sich insbesondere ändernden Strömungsrichtung x ermöglicht wird. Die Verstelleinrichtung umfasst einen Strömungsflügel 28, der eine automatische Ausrichtung der Antriebs-Vorrichtung in dem heranströmenden Medium S ermöglicht, so dass die Ebene x, z, in der die Bewegungsbahn der Flügel 1, 1', 1* liegt, stets parallel zu der Strömungsrichtung x verläuft, um eine optimale Ausbeute zu erzielen. Neben einer Verstellung in einer Ebene parallel zum Untergrund oder einer Meeresoberfläche ist natürlich auch eine Verstellung in einer Verschwenkungsebene dazu möglich, um die Antriebs-Vorrichtung auch optimal zu einem ansteigenden oder abfallenden strömenden Medium S ausrichten zu können.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, welches nur zwei Teilabschnitte der Flügel-Beförderungs-Bahn 33 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Flügel-Führungs- und Befestigungsvorrichtung 33 um zwei Rollen, Walzen bzw. Zahnräder 34 umgelenkt, so dass der zweite Teilabschnitt R' parallel zum ersten Teilabschnitt R verläuft. Bei dieser Ausführungsform sind die Flügel 1 wiederum verschwenkbar über Lager 7 an der Flügel-Beförderungs-Bahn 33 gelagert. Dadurch können die Flügel 1'* im zweiten Teilabschnitt R' wiederum längs zur Strömungsrichtung x ausgerichtet werden. Zweckmäßigerweise werden auch bei diesem Ausführungsbeispiel nur begrenzte Flügelbewegungen zugelassen, beispielsweise wiederum Anschläge sowie eine Flügel-Verstell-Einrichtung zum Verschwenken der Flügel im Übergangsbereich des zweiten Teilabschnitts R' zum ersten Teilabschnitt R ausgebildet. Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt somit nur eine vereinfachte Prinzipskizze dieser weiteren beispielhaften Anordnung der Generator-Antriebs-Vorrichtung.
Vorteilhafterweise können auch zwei Generator-Antriebs-Vorrichtungen trichterförmig zueinander in dem heranströmenden Medium S angeordnet werden. Dargestellt ist eine entsprechende Anordnung anhand der Ausführungsform gemäß 4 in 5. Dabei entspricht der obere Abschnitt im Wesentlichen einer um 90° versetzt aufgebauten Antriebs-Vorrichtung mit entsprechend umgekehrt angeordneten Flügeln 1', 1*.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die bei bekannten Vorrichtungen begrenzte Anströmfläche bzw. effektive Wirkungsfläche dadurch vergrößert, dass die Flügel bzw. Schaufeln an einer umlaufenden Flügel-Führungs- und Befestigungsvorrichtung montiert sind, die in einem ersten Abschnitt schräg, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zur Strömungsrichtung des heranströmenden Mediums, insbesondere Wasser oder Wind, verläuft. Damit kann die Antriebsvorrichtung beispielsweise wie ein Förderband an einem Berghang montiert werden und Wind ausnutzen, welcher den Berg heraufweht. Die Querschnittsfläche der nutzbaren Anströmung ist jedoch nicht wie bei einem Propeller auf dessen Durchmesser mit wenigen 100m² begrenzt, sondern hängt lediglich von der Länge und der Höhe des Förderbands ab. Die einzelnen Flügel werden gemäß der bevorzugtesten Ausführungsform auf dem Rückweg aus der Strömung geklappt, so dass sie keine bzw. nur minimale der Antriebsrichtung entgegengesetzte Kräfte ausüben.
Gemäß der bevorzugten Einsatzbereiche kann die Antriebs-Vorrichtung insbesondere unter Wasser eine effiziente Energieausnutzung durch Kombination von zwei ansonsten identischen Vorrichtungen erhöhen, indem die Strömung trichterartig wie in einer Düse gebündelt wird. Möglich ist auch der Einsatz eines Spoilers, welcher die Antriebsvorrichtung automatisch und optimal in die Strömung stellt. Dies ist insbesondere auch bei der Ausnutzung von Gezeitenströmungen vorteilhaft, bei denen die Antriebsvorrichtung je nach Strömungsrichtung um 180° zu verschwenken ist.
Vorteilhaft ist auch eine schneckenförmige Ausgestaltung, welche eher einer klassischen Propeller-Anlage ähnelt, wobei eine entsprechende Darstellung anhand der Zeichnung vorliegend entfällt.
Die bevorzugte Antriebs-Vorrichtung im Sinne einer Wind- oder Wassermühle weist vorteilhafterweise selbst verstellende Flügel auf, wobei die Flügel auf ihrem Weg eine Bahn beschreiben, die dort, wo die Flügel voll in den Wind bzw. das Wasser gerichtet sind, diagonal zur Strömung verläuft, während auf dem Rückweg die Bahn der Flügel weitgehend direkt entgegen der Strömung verläuft. Zusätzlich oder gemäß alternativem Ausführungsbeispiel können die Flügel gelenkig gelagert werden, so dass eine selbsttätige Verschwenkung auf dem Rückweg den Widerstand gegenüber dem heranströmenden Medium reduziert. Die Befestigung der gesamten Anordnung an einem strömungsgünstigen Schwimmkörper, in dem vorzugsweise ein Generator zur Stromerzeugung eingebaut ist, ermöglicht eine von Wellen angetriebene Anordnung, bei der wiederum die Flügel längs einer Flügel-Beförderungs-Bahn in Art eines Transportbandes angeordnet sind. Die Anordnung mehrerer derartiger Antriebs-Vorrichtungen mit entsprechender Ausrichtung ermöglicht, dass zwei oder mehr diagonale Flügelbahnen die Strömung planmäßig kanalisieren bzw. bündeln, um die Energieausbeute weiter zu erhöhen.

S: strömendes Medium
x: Strömungsrichtung von S
z, x: Ebene, durch Antriebs-Vorrichtung aufgespannt
1: Flügel, quer zur Strömungsrichtung x
1': Flügel, längs zur Strömungsrichtung x
1', 1'*, 1''*: Flügel, verschwenkt gelagert
1°: Flügel, starr befestigt
3: Flügel-Beförderungs-Bahn (Band, Kette)
4: Rolle, Walze, Zahnrad zur Umlenkung von 3
5: Flügel-Verstell-Einrichtung zum Verschwenken
: von 1
7: Lager für Flügel 1
R: erster Teilabschnitt von 3
R': zweiter Teilabschnitt von 3
R*, R°: dritter Teilabschnitt von 3
V: Verkleidung
6, G: Generator
21: Gestell
22: Querträger für 21,
21': Verstelleinrichtung für 21
23: Grundgestell
25: Schwimmkörper/Schiff
26: Anker
27: Anschlag für 1
33: Flügel-Förderbahn
34: Rolle für 33

Claims

Generator-Antriebs-Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: – Flügel (1, 1' , 1*, 1'*, 1''*, 1°) zum Aufnehmen von Energie aus einem strömenden Medium (S), das in einer Strömungsrichtung (x) strömt, – eine Flügel-Befestigungselement (3; 33), an dem die Flügel (1, 1', 1'*, 1''*, 1°) zum Bewegen der Flügel längs einer vorgegebenen zyklischen Bahn (R, R', R*, R°) angeordnet sind, wobei der Verlauf dieser zyklischen Bahn (R, R', R*, R°) eine Ebene (x, z) aufspannt, die in Strömungsrichtung (x) verläuft, und – eine Generator-Ankopplungs-Einrichtung zum Übertragen der Bewegung der Flügel-Beförderungs-Bahn (3; 33) und der aufgenommenen Energie an einen Generator (G), dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Teilabschnitt (R) die Flügel (1) im Wesentlichen quer zu Strömungsrichtung (x) ausgerichtet sind und in einer Ebene angeordnet sind, die schräg zu der Strömungsrichtung (x) verläuft, so dass während des Betriebs die Flügel (1) in diesem Abschnitt (R) angetrieben durch die Strömung eine erste Bewegungskomponente, die der Strömungsrichtung entspricht, und eine zweite Bewegungskomponente (z) senkrecht zu der Strömungsrichtung (x) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bahn (R, R', R*) einen zweiten Teilabschnitt (R') aufweist, in dem die Flügel (1') eine dritte Bewegungskomponente (–z) aufweisen, die senkrecht zu der Strömungsrichtung (x) und entgegengesetzt zu der zweiten Bewegungskomponente (z) in dem ersten Abschnitt (R) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Flügel (1', 1'*, 1''*) in dem zweiten Teilabschnitt (R') längs der Strömungsrichtung (x) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Flügel (1'*) in dem zweiten Teilabschnitt (R') der Bahn eine vierte Bewegungskomponente (–x) aufweisen, die entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung (x) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Bahn einen dritten Teilabschnitt (R*, R°) aufweist, in dem die Flügel (1*) in einer Ebene (y, x) angeordnet sind, die im Wesentlichen in der Strömungsrichtung (x) liegt und in dem die Flügel eine Bewegungskomponente aufweisen, die entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung (x) verläuft.
Antriebs-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Flügel (1, 1', 1°) starr an der Flügel-Befestigungselement (3) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Flügel (1, 1*, 1'*, 1''*) in ihrer Ausrichtung gegenüber dem Flügel-Befestigungselement (3; 33) verstellbar, insbesondere verschwenkbar gelagert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Flügel (1, 1*, 1'*, 1''*) mittels Gelenken (7) an dem Flügel-Befestigungselement (3; 33) befestigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der Anschläge (27) vorgesehen sind, zur Begrenzung eines Verschwenkens der Flügel ((1, 1*, 1'*, 1''*) gegenüber der Flügel-Befestigungselement (3; 33).
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Anschläge so ausgebildet sind, dass bei einem Anliegen der Flügel (1) an den Anschlägen in dem ersten Abschnitt (R) der Bahn, die Flügel (1) im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung (x) stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 mit einer Flügel-Verstell-Einrichtung (5) zum Verstellen (K) der Flügel aus der Stellung längs der Strömungsrichtung (x) im zweiten bzw. dritten Teilabschnitt (R', R*) in die Stellung quer zu der Strömungsrichtung (x) im ersten Teilabschnitt (R).
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der die quer zur Strömungsrichtung (x) ausgerichteten Flügel (1) in Strömungsrichtung (x) einen hohen Strömungswiderstand und die längs zur Strömungsrichtung (x) ausgerichteten Flügel (1') in Strömungsrichtung (x) einen relativ dazu geringeren Strömungswiderstand aufweisen.
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch mit einer Verstell-Einrichtung (21*, 28) zum Verstellen der Antriebs-Vorrichtung in die jeweilig optimierte Ebene (x, z) zur Strömungsrichtung (x).
Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch, bei der die Vorrichtung an einem Schwimmkörper (25) befestigt ist, wobei der Schwimmkörper (25) gegenüber dem strömenden Medium (S) verankert (26) ist.
Verfahren zum Anordnen von Flügeln (1) und einer Flügel-Befestigungselements (3; 33), das sich in auf einer zyklischen Bahn (R, R', R*, R'*) bewegt, in einem strömenden Medium (S) zur Energieentnahme aus dem strömenden Medium (S), bei dem die Flügel (1) derart ausgerichtet werden, dass die Flügel (1) längs eines ersten Teilabschnitts (R) der Bahn (R, R', R*, R'*) in einer Strömungsrichtung (x) des strömenden Mediums (S) ausgerichtet und von dem strömenden Medium (S) mitgeführt werden, wobei die Flügel (1') in einem zweiten Teilabschnitt (R') der Flügel-Beförderungs-Bahn (3; 33) der art angeordnet werden, dass die Flügel (1') längs der Strömungsrichtung (x) ausgerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Anordnung der Flügel und der Flügel-Beförderungs-Bahn mittels einer Antriebs-Vorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch durchgeführt wird.