DE19613924A1

DE19613924A1 - Luftströmungskonverter für schadstofffreie Elektroenergieerzeugung in optimalen Windenergienutzungshöhen

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Publication number: DE19613924A1
Application number: DE19613924A
Authority: DE
Original assignee: OTTO GERD 12526 BERLIN DE
Current assignee: OTTO GERD 12526 BERLIN DE
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1997-09-11

Description

Die Erfindung realisiert eine Einrichtung zur Nutzung der Luftströmung vorzugsweise in großen Höhen über der Erdoberfläche.

Windenergiekonverter für die Umsetzung kinetischer Energie der Luftströmung in elektrischer Energie sind hinreichend bekannt. Zum derzeitigen Stand der Technik gehören Windenergiekonverter mit waagerechter Rotorachse, deren Konstruktion wirtschaftliche Grenzen bezüglich der Nabenhöhe und Leistung gesetzt sind. Die Nabenhöhe liegt nach heutigem Erkenntnisstand bei etwa 100 m und die Leistung etwa bei 5 Megawatt. Diese Begrenzung liegt darin begründet, daß die Turmkonstruktion bezüglich der umsetzbaren Leistung relativ aufwendig ist und die Wechsellasten an den Blattwurzeln Grenzwerte erreichen, die ebenfalls hohe materielle Aufwendungen erforderlich machen.

Desweiteren sind auch Konstruktionen bekannt geworden, die die Windenergie dadurch konzentrieren, daß eine besondere starre Flügelkonstruktion im Außenbereich des zentralen Rotors angeordnet sind. Diese Konstruktionen haben den Nachteil, daß sie relativ aufwendig sind und für Großkonverter ungeeignet erscheinen, weshalb dementsprechende Konstruktionen für größere Leistungen bisher nicht realisiert wurden.

Es ist Aufgabe des erfindungsgemäßen Luftströmungskonverters, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und die konstruktiven und materiellen Aufwendungen so zu minimieren, daß eine neue Generation von Großkonvertern zur Nutzung des Windes ab ein bis 100 MW realisiert werden kann und die bisherigen Erfahrungen der mittleren Konverter um ein Megawatt in relativ großer Höhe, also in etwa 200 bis 500 m, zu nutzen.

Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Ausführung des Luftströmungskonverters auch als Höhenkraftwerk in troposphärischen Höhen bei 8000 m einzusetzen. Diese Erdferne liegt bekanntlich im Starkwindströmungsgebiet, mit Hilfe der Erfindung lassen sich diese hohen Energiedichten mit relativ geringen Aufwand in elektrische Energie umsetzen.

Die Aufgabenstellung der Erfindung wird dadurch gelöst, daß eine starre auf Druck und Biegung beanspruchte Turmkonstruktion entfällt und dafür eine Verbindungskonstruktion zwischen dem Konverter und dem Erdreich geschaffen wird, die den Materialaufwand zur Realisierung dezimiert und eine sichere Erdverankerung gewährleistet. Diese Konstruktion wird in der Hauptlastrichtung hauptsächlich nur auf Zug beansprucht, hingegen ist die derzeitige Turmkonstruktion eine aufwendige auf Biegung, Druck und Resonanz beanspruchte Konstruktion von relativ hohem Eigengewicht, die durch das Gewicht des Konverters zusätzlich belastet ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion hingegen entlastet diese Konstruktion hinsichtlich dieser gewaltigen zusätzlichen Belastungen. Diese Entlastung des konstruktiven Aufwandes wird dadurch erreicht, daß ein dem Windenergieumsetzers umgebender Schwebekörper so ausgeführt wird, daß er in der Lufthülle der Erde selbsttragend zur Nutzung des Windes ausgeführt ist und die gesamte Konstruktion folglich leichter als Luft in der Atmosphäre an der Halterung schwebend gehalten ist, und allein dadurch wesentlich zur Entlastung der Halterung beiträgt.

Aber auch diesbezüglich ist bereits vorgeschlagen worden, Fesselballone oder Luftschiffe so auszuführen und für die Nutzung des Windes so zu gestalten, daß an deren Umfang eine Vielzahl von Windenergiekonverter angeordnet werden. Diese Ausführungen haben jedoch gegenüber dem Gegenstand dieser Erfindung mehrere Nachteile. Die Anbringung von mechanisch und dynamisch großen Lasten, wie sie die Windenergiekonverter darstellen, am äußeren Umfang eines Ballons oder Zeppelins erfordern eine hochaufwendige Statik dieser Konstruktionen und immer ein Vielfach an Konvertern, die am äußeren Umfang dieser schwebenden Konstruktion angeordnet sind.

Auch ist die Anbringung eines Propellers vor dem Zeppelin vorgeschlagen worden. Auch diese Konstruktion konnte keine befriedigende technische Lösung darstellen, weil die Blätter dieses Rotors eine relativ geringe Flächenbelastung erwarten lassen und folglich ein viel zu großer Rotordurchmesser realisiert werden muß gegenüber der erfindungsgemäßen Ausführung.

Die erfindungsgemäße Konstruktion beinhaltet schon deswegen einen großen Vorteil gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik und den bisher vorgeschlagenen Konstruktionen, weil der Windenergieumsetzer zentral im Inneren des Schwebekörpers im physikalisch höchsten Leistungsbereich angeordnet werden kann und somit ein Minimum an konstruktiven Aufwand für die Nutzung des Windes realisiert. Dieser konstruktive Vorteil wird dadurch realisiert, daß der zylindrische Schwebekörper aus Schwebeelementen ringförmig um eine zentrale Rotorachse zusammengefügt wird, deren Segmente aerodynamische Profile aufweisen und folgedessen die Energiekonvertierung im höchsten Sogpunkt angeordnet wird. Das hat den Vorteil, daß nur ein zentral angeordneter aerodynamischer und elektrischer Konverter aufzuwenden ist. Natürlich kann auch ein Vielfach von Windenergiekonvertern bisheriger Konstruktionen im Inneren des Schwebekörpers neben oder übereinander angeordnet werden.

Der besondere erfinderische Vorteil der Konstruktion des Windenergiekonverters wird physikalisch damit begründet, daß die Anströmgeschwindigkeit des Schwebekörpers im offenen zentralen Durchströmungsbereich des Schwebekörpers erhöht wird und quadratisch in die Berechnung eingeht und folgedessen der konstruktive Aufwand sich um etwa eine Zehnerpotenz gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik minimiert.

Wird beispielsweise die Konstruktion so ausgeführt, daß sich die Anströmgeschwindigkeit im Rotorbereich des Konverters verdoppelt, so wird die umgesetzte Leistung pro Flächeneinheit verachtfacht, d. h. bei einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit wird die Anströmfläche des Konverterrotors halbiert, daraus resultiert, wie leicht einzusehen, eine wesentliche Verringerung des konstruktiven materiellen und ökonomischen Aufwandes zur Erzeugung elektrischer Energie aus der natürlichen Luftströmungsenergie.

Allgemein wird in jedem Falle bei einer Vervielfachung der Windgeschwindigkeit eine Verkleinerung der Konstruktion des zentralen Konverters gegenüber einem freistehenden Konverter herkömmlicher Technik, so auch am herkömmlichen Luftschiff, erreicht, womit eine Reduzierung des materiellen Aufwandes von wenigstens 70% verbunden ist. Durch die Erfindung wird erreicht, daß die derzeitigen konventionellen Energieträgerkosten aus Kohle, Öl, Gas und Uran mehrfach unterschritten werden.

Demzufolge beinhalten diese konstruktiven Vorteile betriebswirtschaftliche Kosteneinsparungen gegenüber dem herkömmlichen realisierten technischen Stand der Technik und den vorgeschlagenen Konstruktionen, die die Gestehungskosten der Energie gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik wesentlich verringern. Natürlich kann der Schwebekörper selbst im Vielfach angeordnet werden und die Konverter innerhalb des einzelnen Schwebekörpers ebenfalls ein Vielfach darstellen. Ob sich daraus weitere Vorteile ergeben, wird die Zukunft zeigen.

Natürlich kann diese Konstruktion auch auf einen Turm herkömmlicher Bauart montiert werden. Auch aus dieser Ausführung ergeben sich konstruktive Vorteile, weil die Anströmgeschwindigkeit des Windes durch die erfindungsgemäße Ausführung im Bereich der Windenergieumsetzung wesentlich erhöht werden kann und sich dadurch wesentliche Vorteile für den konstruktiven Aufwand entsprechend der vorgenannten Physik ergeben. Eine optimale Lösung ist aus dieser Bereicherung des Herkömmlichen jedoch nicht zu erwarten.

Ausführungsbeispiele

Die Ausführung der Erfindung wird in Abbildungen dargestellt und im folgenden Text erläutert:

Die Abbildungen stellen dar:

Fig. 1 Hauptdarstellung des Luftströmungskonverters mit Schwebekörper

Fig. 2 Ansicht des Luftströmungskonverters in Anströmrichtung

Fig. 3 Einzelheit des Maschinenaufbaues

Fig. 4 Ansicht des Luftströmungskonverters

In Fig. 1 ist der Luftströmungskonverter beispielsweise dargestellt. Danach ist der Windenergiekonverter (11) an eine dreidimensionale Aufhängung (3) und über den Haltearm (4) mit dem Konvertergestell (8) über die zweidimensionale Achse (5) verbunden und die Rotorachse (9) konzentrisch im Schwebekörper (6) angeordnet und zentral im Konvertergestell (8) befestigt. Diese Konstruktion ist beispielsweise am Fundament (1) in der Achse (3) dreidimensional beweglich im Erdreich oder Wasser (2) gegründet.

Der Haltearm (4) ist um die Fundamentachse (18) windrichtungsabhängig automatisch beweglich.

In Fig. 2 ist die Konstruktion in Anströmungsrichtung dargestellt; es wird ersichtlich, daß die zentrale Achse (9) mit dem Konvertergestell (8) innerhalb des Schwebekörpers (6) angeordnet ist. Der Schwebekörper (6) selbst besteht aus Schwebesegmenten (12), die kreisförmig um die Achse (9) zusammengefügt sind. In Fig. 3 wird dargestellt, daß die Rotorachse (9) mit dem Konvertergestell (8) fest verbunden ist und die Rotorachse (9) über vorzugsweise zwei Lagerstellen das Rotorgehäuse (16) reibungsarm rotieren läßt. Das Rotorgehäuse (16) dient der Aufnahme der Blätter (10) des aerodynamischen Rotors und des Konverters (11), die mit dem Rotorgehäuse (16) und dem Elektrorotor (15) fest verbunden sind. Der Elektrorotor (15) steht mit der Ständerwicklung dem elektrischen Stator (14) über einen Luftspalt in elektrodynamischer Verbindung. Dieser ist vielpolig konzentrisch und um die Achse (9) mit dem Konvertergestell fest verbunden, um ein besonderes Getriebe beispielsweise zu vermeiden. Es ist natürlich auch möglich, zwischen dem Rotorgehäuse (16) und dem Konverter (11) ein hier nicht besonders dargestelltes Getriebe anzuordnen.

Am Konvertergestell befindet sich eine Bremseinrichtung (13), die das Rotorgehäuse möglicherweise still stellt.

Nach Fig. 3 ist das Konvertergestell (8) des erfindungsgemäßen Luftströmungskonverters so ausgeführt, daß es mittig im Schwebekörper (6) angeordnet und mit der Rotorachse (9) fest verbunden ist. Auf dieser Achse befinden sich beispielsweise zwei Lager, die das Rotorgehäuse (16) verschleißfrei rotieren lassen und seinerseits die Blätter (10) beispielsweise in senkrechter Achse drehbar aufnimmt. Mit dem Rotorgehäuse (16) ist auch der vorzugsweise permanentmagnetische Erregerrotor (15), der mit dem Rotorgehäuse (16) eine konstruktive Einheit bildet, fest verbunden, so daß ein Getriebe entfallen kann, weil dieser Erregerrotor (15) vielpolig ausgeführt ist. Das Konvertergestell (8) ist mit der Rotorachse (9) fest verbunden und trägt auch den vielpoligen elektrischen Stator (14), der über einen Luftspalt mit dem Erregerrotor (15) die elektrodynamische Windenergiekonvertierung realisiert.

Eine Bremseinrichtung (13) ist ebenfalls am Konvertergestell (8) angebracht und wird zum Zwecke der Abbremsung oder Arretierung der elektrischen Leistungsabgabe auf das Rotorgehäuse (16) zur Einwirkung gebracht.

Beispielsweise bilden nach Fig. 2 die Schwebesegmente (12) des Schwebekörpers (6) eine in sich starre vorzugsweise Schaumstoffkonstruktion, die leichter als Luft ausgeführt ist und zum Schwebekörper (6) vorzugsweise ringförmig um die Rotorachse (9) zusammengefügt und über beispielsweise zweimal drei Arme des Konvertergestells (8) verbunden ist.

Natürlich kann der Schwebekörper (6), neben der fast luftleeren Ausführung der Schwebesegmente (12) beispielsweise auch so leicht ohne Segmente (12) und mit Wasserstoff oder Helium gefüllt sein, um so die leichteste oder sicherste Lösung für die Erfindung zu realisieren. Eine druckabhängige Steuerung des Belastungsausgleichs kann als zusätzliche Einrichtung die Handhabung vereinfachen.

Der Schwebekörper (6) ist so leicht ausgeführt, daß er alle Bauteile des Konvertergestells (8), des Haltearmes (4) und sich selbst im Gleichgewicht waagerecht schwebend in der atmosphärischen Lufthülle hält. Bei Windflaute wird die senkrechte Lage des Haltearmes (4) erreicht, weil der Windwiderstand gering oder null ist. Je größer die Windstärke wird, wird eine entsprechende Neigung des Haltearms (4) eingenommen und dabei der Schwebekörper (6) in vorzugsweise waagerechter Lage gehalten. Dies wird dadurch erreicht, daß der Schwebekörper entsprechend ausgewogen wird bzw. durch entsprechende Halterungen um die Achse (5) zwangsgesteuert ist. Die Achse (5) kann arretiert und wechselweise gelöst werden.

Um eine Größenvorstellung des erfindungsgemäßen Luftströmungskonverters nach Fig. 1 zu geben, ist an der unteren Waagerechten des Schwebekörpers (6) ein Höhenmaß von 250 m über der Erd- oder Wasseroberfläche angegeben, das beispielsweise eingenommen werden kann. Des weiteren soll diese Ausführung des Luftströmungskonverters vorzugsweise zwischen 10 und 100 Megawatt Leistung in elektrische Energie umsetzen. Es sind aber auch größere und kleinere Dimensionen nach der Beschreibung realisierbar. In Fig. 1 wird vorzugsweise dargestellt, daß der Konverter im Meer aufgestellt wird und deswegen auch mit einer Plattform (17) zu versehen ist, auf der ein Hubschrauber auch bei großem Seegang zum Zwecke der Wartung der Anlage landen kann.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Schwebekörper (6) über der Achse (5) vor dem Druckpunkt des Schwebekörperprofils (7) auf der Achsebene (9) gelagert ist und über den Haltearm (4), der von der Aufhängung (3) zweiarmig ausgehend um die Achse (5) frei beweglich angeordnet ist und um die Achse (5) in waagerechter Lage durch Auswiegen anströmungsunabhängig verharrt. Die Höhenruder (19) können zusätzlich der Stabilisierung des Schwebekörpers (6) dienen. Auch kann der Schwebekörper (6) zur Stabilisierung der Arbeitsposition mit Seiten- und Querrudern versehen sein.

Natürlich können auch die Plattformen bisheriger Ölbohrinseln zur Verankerung des erfindungsgemäßen Luftströmungskonverters dienen und ab sofort die zukünftige Energieträgerförderung schadstofffrei produzieren, die die Bohrstelle möglicherweise für einen relativ kleinen Zeitraum realisieren wird. Dadurch kann die Bohrinsel schadstofffrei nach dem Rohstoff Öl bohren, der zukünftig nur noch der hochwertigen Rohstoffveredlung zur Verfügung stehen wird, weil die Nutzung der schadstofffreien Energie gemäß dieser Erfindung preiswerter ist.

Bezugszeichenliste

1 Fundament
2 Erdreich/Wasser
3 Aufhängung, dreidimensional
4 Haltearm
5 Achse, zweidimensional
6 Schwebekörper
7 Profil
8 Konvertergestell
9 Rotorachse
10 Rotorblatt, Blatt
11 Windenergiekonverter
12 Schwebesegment
13 Bremseinrichtung
14 Stator
15 Rotor
16 Rotorgehäuse
17 Plattform
18 Fundamentachse
19 Höhenruder

Claims

1. Luftströmungskonverter für schadstofffreie Elektroenergieerzeugung in optimalen Windenergienutzungshöhen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines windschnittig zylindrisch geformten Schwebekörpers (6) ein an sich bekannter Energiekonverter 11 auf der zentralen Rotorachse (9) angeordnet ist und diese Konstruktion in der Lufthülle der Erde schwebend ausgeführt ist und über ein Verbindungsglied dem Haltearm (4) mit dem Erdreich freibeweglich verankert ist und dieser Schwebekörper (6) vorzugsweise aus Schwebesegmenten (12) besteht, die in aerodynamischer Profilgestaltung (7) ausgeführt und kreisförmig um die Rotorachse (9) angeordnet sind und einen zylindrischen Ring bilden und die Rotorachse (9) mit dem zentralen Konvertergestell (8) eine stabile Konstruktion mit dem Schwebekörper (6) bildet und dieser mit dem Erdreich über einen Haltearm (4) oder einem Fesselseil verbunden ist.

2. Luftströmungskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Schwebekörper (6) über oder nebeneinander angeordnet sind und über eine oder mehrere Halterungen (4) mit dem Erdreich und einem Fundament (1) verbunden sind.

3. Luftströmungskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rotorachse (9) über wenigstens zwei Lagerstellen das Rotorgehäuse (16) angeordnet ist und an diesem die Rotorblätter (10) beispielsweise drehbar um ihre lotrechte Achse befestigt sind und der Windenergieumsetzer (11) mit dem Rotorgehäuse (16) eine Einheit bildet und sein Rotor (15) über einen Luftspalt mit dem Stator (14) in elektrodynamischer Verbindung steht und die gesamte Einrichtung um die Rotorachse (9) angeordnet ist.

4. Luftströmungskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bremseinrichtung (13) am Konvertergestell (8) befestigt ist und über einen Luftspalt mit dem Rotorgehäuse (16) über eine Bremstrommel oder Bremsscheibe in Verbindung steht.

5. Luftströmungskonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch mehrere oder eine Vielzahl von Konvertern (11) neben oder hintereinander innerhalb des offenen Bereiches des Schwebekörpers (6) angeordnet sind.

6. Luftströmungskonverter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Konverter (11) und dem Rotorgehäuse (16) ein Getriebe angeordnet ist und diese Anordnung innerhalb des offenen Bereiches des Schwebekörpers (6) montiert ist.