DE19952460A1 - Windkraftanlage - Google Patents

Windkraftanlage

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Abstract

Windkraftanlage (10) mit wenigstens einem teilweise in das Wasser eintauchenden schiffsrumpfartigen Schwimmkörper (12). Der Schwimmkörper wird durch die in relativ zu ihm bewegte Luft enthaltene kinetische Energie in Antriebsenergie umwandelnde Antriebseinrichtungen, wie Segel, Flettner-Rotoren (18; 20) etc., in Bewegung gesetzt. DOLLAR A Der bzw. die schiffsrumpfartige(n) Schwimmkörper (12) ist bzw. sind mit wenigstens einer die Strömungsenergie des Wassers teilweise in mechanische und/oder elektrische Energie umwandelnden Arbeitsmaschine, z. B. einer Turbine (28) o. dgl., versehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit wenigstens einem teilweise in das Wasser eintauchenden schiffsrumpfar­ tigen Schwimmkörper, mit in relativ zu ihm bewegter Luft enthaltene kinetische Energie in Bewegung des Schiffskör­ pers umwandelnden Antriebseinrichtungen.
Die Gewinnung von Energie aus nicht erschöpflichen Quellen, wie Windenergie, Wasser und Strahlung der Sonne ist seit je ein Bestreben der Menschheit. Im Wind enthaltene Energie wird bereits seit Jahrhunderten in Windmühlen zur Vermah­ lung von Getreiden aber auch zum Antrieb von wasserfördern­ den Pumpen etc. verwendet. In neuerer Zeit sind auch orts­ feste Windkraftanlagen größerer Leistung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels von Windkraftaggregaten ange­ triebenen Generatoren entwickelt worden. Die Energiegewin­ nung durch Windkraftanlagen setzt stets voraus, dass am Einsatzort möglichst stetige Winde mit Windgeschwindigkei­ ten innerhalb vorgegebener, technisch beherrschbarer Gren­ zen herrschen, da nur dann eine einigermaßen gleichmäßige Energieerzeugung gewährleistet, welche die Investitionen, insbesondere der modernen Windkraftwerke für Elektrizi­ tätserzeugung rechtfertigt. Diese Voraussetzungen sind aber nur in bestimmten Regionen, beispielsweise flachen Küsten­ gebieten oder auch Hochflächen mit stetiger Windbewegung gegeben.
Wasserkraftwerke können nur dort errichtet werden, wo eine hinreichend hohe Wassermenge anfällt, deren potentielle Energie in kinetische, d. h. Strömungsenergie, und diese dann in elektrische Energie umgewandelt werden kann. In je­ dem Fall sind die für die Errichtung von Wasserkraftwerken noch vorhandenen Ressourcen beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept für die Gewinnung von Energie aus nicht erschöpfbaren Quellen anzugeben, welche bei verringerten Investitionskosten einen hohen Anfall der erzeugten - mechanischen oder elektri­ schen - Energie gewährleistet.
Ausgehend von der Tatsache, dass auf den Weltmeeren - zu­ mindest in großen auch küstennahen Bereichen - relativ ste­ tige Winde herrschen, wird diese Aufgabe ausgehend von einem Windkraftanlage der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass der bzw. die schiffsrumpfartige(n) Schwimm­ körper mit wenigstens einer die Strömungsenergie des Was­ sers teilweise in mechanische und/oder elektrische Energie umwandelnden Arbeitsmaschine oder Aggregat versehen ist bzw. sind. Die Umwandlung von Windenergie in mechanische und/oder elektrische Energie erfolgt also über ein am oder im Schwimmkörper vorgesehene, die im strömenden Wasser ent­ haltene Strömungsenergie umwandelnde Arbeitsmaschine.
Als Arbeitsmaschine(n) kommen hierbei beispielsweise hydro­ dynamisch arbeitende Turbine(n) in Frage.
Bevorzugt werden hier als Turbine(n) Axialturbinen in Form Kaplan-Turbinen oder Durchströmturbinen verwendet. Die An­ ordnung der Turbine(n) kann innerhalb oder auch von der Außenwandung des Schwimmkörpers ins umströmende Wasser vor­ tretend erfolgen.
Dabei ist es dann von Vorteil, wenn die Turbine(n) in einem zumindest am zuström- und abströmseitig offenen Ende in Strömungsrichtung des Wassers verlaufenden Schacht angeord­ net ist bzw. sind.
Die Arbeitsmaschine(n) kann alternativ auch als Wasserrad oder Wasserstrahlapparat ausgebildet sein.
Elektrische Energie kann dann durch Kopplung der Turbine(n) mit einem elektrische Energie erzeugenden Generator gewon­ nen werden.
Für die Umwandlung von kinetischer Energie bewegter Luft in Bewegungsenergie für den bzw. die Schwimmkörper können An­ triebseinrichtungen vorgesehen sein, die von einem oder mehreren textilen Segel(n) mit Takelage oder von wenigstens einem Starrsegel gebildet wird bzw. werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der schiffsrumpfartige Schwimmkörper aber von wenigstens einem aero-dynamischen Antrieb gebildet. Besonders effektiv ist dies dadurch verwirklichbar, dass der bzw. die Schwimm­ körper dann mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehreren in Strömungsrichtung des Wasser zueinander ver­ setzten Flettner-Rotore(n) versehen wird.
Von Vorteil ist es, wenn wenigstens einer der Flettner-Ro­ toren in Richtung seiner bzw. ihrer Drehachse höhenver­ setzte Rotorabschnitte aufweist, die unabhängig voneinander drehantreibbar bzw. stillsetzbar sind.
Im Falle der Verwendung einer oder mehrerer in einem Schacht angeordneter Turbine(n) ist es zweckmäßig, wenn die lichte Querschnittsfläche des Schachts bzw. der Schächte sich vom zuströmseitigen Einlass in Richtung zur Turbine verringert.
Wenn die Turbine(n) zusammen mit dem sie aufnehmenden Schacht außerhalb des bzw. der Schwimmkörper unterhalb von dessen Wasserlinie angeordnet ist bzw. sind, empfiehlt sich eine Weiterbildung derart, dass der Schacht zumindest par­ tiell konzentrisch von einem zu- und abströmseitig offenen Mantel umgeben ist, dessen lichter ringförmiger Durchlass­ querschnitt sich von der Zuström- zur Abströmseite verrin­ gert und dessen abströmseitiges offenes Ende hinter dem ab­ strömseitigen Auslass des Schachts mündet. Das über den ringförmigen Durchlassquerschnitt zuströmseitig eintretende Wasser wird also durch den sich verringernden Querschnitt beschleunigt, so dass es abströmseitig mit höherer Strö­ mungsgeschwindigkeit austritt und dadurch nach Art einer Wasserstrahlpumpe zusätzlich das abströmseitig aus dem Schacht austretende Wasser ebenfalls beschleunigt. Zwangs­ läufig wird dadurch die zuströmseitig vor der Turbine und abströmseitig hinter der Turbine bestehende Druckdifferenz größer, wodurch Turbinen geringeren Durchmessers mit höhe­ rer Abtriebsdrehzahl ihrer Welle verwendet werden können.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn die lichte Querschnitts­ fläche des Schachts bzw. der Schächte sich von der Turbine aus in Richtung zum abströmseitigen Auslass vergrößert.
Eine in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildete, Energie erzeugende Windkraftanlage muss die gewonnene Energie im Schwimmkörper selbst speichern oder verarbeiten. Hierzu bietet sich beispielsweise an, Süßwasser durch Entsalzung von Meerwasser durch Verdampfung des Meerwassers zu gewin­ nen und das gewonnene Süßwasser in Süßwassertanks im Schwimmkörper zu speichern. Zur Erzeugung eines die Ver­ dampfung des Meerwassers fördernden Vakuums wird dann zweckmäßig ein Wasserstrahlapparat als Arbeitsmaschine ver­ wendet.
Alternativ kann gewonnene elektrische Energie zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden, wobei insbesondere der entstehende Wasserstoff als Ersatz für fossile Brennstoffe von Interesse ist.
Dann ist auch eine Weiterverarbeitung zumindest eines Teils des gewonnen Wasserstoffs zu Methanol möglich, welches in vielen Fällen als Ersatz für bisher verwendete fossile Brennstoffe, z. B. in üblichen Verbrennungskraftmaschinen, dienen kann.
Schließlich ist auch die Gewinnung von im Wasser enthalte­ nen Rohstoffen, z. B. Lithiumoxid, oder die Verwendung für hochenergetische Aufbereitungs- oder Bearbeitungsprozess, wie das Erschmelzen von Aluminium aus den Ausgangsprodukten bzw. von Stahl aus Stahlschrott denkbar.
Die Erfindung ist nachstehend in Verbindung mit der Zeich­ nung näher erläutert, und zwar zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen, zur Energiegewinnung dienenden Windkraftanlage in der Sei­ tenansicht in vereinfachter und sche­ matisierter Darstellung;
Fig. 2 schematisch die Schnittdarstellung einer außerhalb des Schwimmkörpers und unterhalb von dessen Wasserlinie an­ bringbaren Axialturbine;
Fig. 3 eine schematisierte Ansicht auf die Zuströmseite der Axialturbine, gesehen in Richtung des Pfeils 3 in Fig. 2, und
Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht auf die Zuströmseite einer Turbine mit abgewandelter Form des den Turbinen- Schacht umgebenden äußeren Mantels.
Die in Fig. 1 gezeigte, in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeich­ nete Windkraftanlage weist einen nach Art des Rumpfs eines Schiffs ausgebildeten und geformten Schwimmkörper 12 auf. Auf Aufbauten 14 und 16 im vorderen bugseitigen und rück­ wärtigen heckseitigen Endbereich des Schwimmkörpers sind jeweils um eine im wesentlichen senkrechte Achse drehan­ treibbare Flettner-Rotoren 18 und 20 angeordnet. Die Flett­ ner-Rotoren 18 und 20 sind in jeweils zwei in Höhenrichtung zueinander versetzte fluchtende Rotorabschnitte 18a und 18b bzw. 20a und 20b unterteilt, welche durch - nicht gezeigte - Antriebseinrichtungen unabhängig voneinander drehantreibbar und stillsetzbar sind.
In seinem unterhalb der Wasserlinie 24 liegenden Bereich wird der schiffsrumpfartiger Schwimmkörper 12 von einem ge­ strichelt dargestellten, in Längsrichtung verlaufenden lei­ tungsartigen Schacht durchsetzt, welcher im bugseitigen vorderen und im heckseitigen rückwärtigen Endbereich je­ weils unterhalb der Wasserlinie 24 offen in der äußeren Schwimmkörperwandung mündet, so dass bei relativer Bewegung des Schwimmkörpers in seiner Längsrichtung im Wasser im Schacht 26 eine Wasserströmung entsteht.
Im Schacht 26 ist zwischen ihrem vorderen Einlass 26a und ihrem rückwärtigen Auslass 26b in der Schiffswandung im Schwimmkörperinneren eine in der Zeichnungsfigur schematisch gestrichelt angedeutete Turbine 28 eingeschaltet, die im speziellen Fall über eine Welle 30 mit einem elektrischen Generator 32 gekoppelt ist. Diese Turbine, die zweckmäßig als Axialturbine nach Art einer Kaplan- oder Rohrturbine ausgebildet ist, wandelt die in dem den Schacht 26 durch­ strömenden Wasser enthaltende Strömungsenergie in mechani­ sche Energie um, welche dann über den Generator 32 in elek­ trische Energie umgewandelt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10 wird zunächst die in großen Bereichen der Ozeane herrschenden stetigen Winden enthaltene Windenergie über die Flettner-Rotoren in eine Vortriebsenergie für den Schwimmkörper 12 umgewandelt, wobei die Verwendung von Flettner-Rotoren gegenüber dem Takelwerk normaler Segelschiffe oder von Starrsegeln den Vorteil einer höheren Energieausbeute für die Vortriebs­ kraft hat. Der Schwimmkörper und somit die Windkraftanlage insgesamt wird also mit einer entsprechenden Fahrtgeschwin­ digkeit durchs Wasser hindurch geführt, wobei über den Ein­ lass 26a Wasser in die Schacht 26 eintritt und am Auslass 26b wieder ausströmt. Ein Teil der in dieser Strömung ent­ haltenen Energie wird in der Turbine 28 in mechanische Energie umgewandelt, die zur Erzeugung einer Antriebsener­ gie für den elektrischen Generator 32 dient.
Die so erhaltene elektrische Energie kann dann für die ver­ schiedensten, zum Teil bereits erwähnten Anwendungs- bzw. Einsatzzwecke, wie z. B. die Produktion von Trinkwasser, die Erzeugung von Wasserstoff oder Methanol die Gewinnung von im Meerwasser enthaltenen Rohstoffe wie Lithium etc. ver­ wendet werden. Auch die Durchführung hochenergetischer Auf­ bereitungs- oder Bearbeitungsprozesse wie die Produktion von Aluminium aus den Rohstoffen oder die Herstellung von Stahl durch Aufschmelzen von Schrott kann dann in der Wind­ kraftanlage selbst in dem durch das Fassungsvermögen des Schwimmkörpers für die erforderlichen Rohstoffe bzw. das aufbereitete Produkt vorgegebenen Umfang erfolgen.
Während beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem Schiffsrumpfartiger Schwimmkörper normaler Bauart ausgegangen wurde, wie beispielsweise in Frachtschiffen üb­ lich ist, kommen auch andere Rumpfbauarten wie Doppelrumpf- (Katamaran-) oder Dreifachrumpf- (Trimaran-) Bauarten in Frage, mit denen zum Teil gegenüber normalen Schwimmkörper­ formen höhere Fahrtgeschwindigkeiten im Wasser verwirklich­ bar sind. In solchen Fällen bietet es an, in jedem der Teilrümpfe jeweils wenigstens einen gesonderten wasser­ durchströmten Schacht mit eingeschaltetem Turbinen-/Generatorsatz anzuordnen. Auch bei normaler Rumpfform kön­ nen mehrere, z. B. zwei auf gegenüberliegenden Seiten der senkrechten Längsmittelebene des Schwimmkörpers 12 angeord­ nete parallele Schächte 26 vorgesehen sein, in die entweder jeweils ein gesonderter Turbinen-/Generatorsatz eingeschal­ tet ist, oder die - im Schwimmkörper zusammengeführt - auf einen gemeinsamen Turbinen-/Generatorsatz geschaltet sind.
Anstelle der beim beschriebenen Ausführungsbeispiel gewähl­ ten Anordnung des Schachts oder mehrerer Schächte mit Tur­ binen-/Generatorsätzen im Schwimmkörper können solche Schächte auch in separaten langgstreckten und strömungsgün­ stig geformten Gehäusen ausgebildet werden, die dann - un­ terhalb der Wasserlinie - außen am Schwimmkörper angeordnet werden können. Die Turbine bzw. Turbinen oder auch kom­ binierte Turbinen-/Generatorsätze können in unterhalb der Wasserlinie des oder der Schwimmkörper(s) 12 seitlich oder heckseitig vom Schwimmkörper vortretend angeordneten gon­ delartigen Gehäusen erfolgen. Bei diesen aussen liegenden Wasserturbinen kann das eigentliche Turbinenrad dann in einem Mantel angeordnet sein, der einlassseitig eventuell auch verschließbar ausgebildet werden kann. Auf diese Weise wird nicht nur die Nachrüstung der Rümpfe vorhandener aus­ gemusterter Schiffe erleichtert, sondern auch das Fassungs­ vermögen des Schwimmkörpers für die erzeugte Produkte bzw. die zur Erzeugung der Produkte erforderlichen Ausgangs­ stoffe erhöht.
Fig. 2 zeigt schematisch eine solche außen am Schwimmkörper anzuordnende Turbine, bei welcher der zuströmseitig düsen­ förmig ausgebildete, die Turbine aufnehmende Schacht zu­ sätzlich von einem konzentrischen Mantel 36 umgeben, dessen lichter Querschnitt sich ebenfalls von der Zuströmseite zur Abströmseite verringert, so dass die Geschwindigkeit des diesen Ringquerschnitt durchströmenden Wassers von der Zu­ ström- zur Abströmseite zunimmt. Dadurch wird zwangsläufig die abströmseitige Geschwindigkeit des aus dem die Turbine aufnehmenden Schacht 26 austretenden Wassers erhöht und so der dort herrschende Druck abgesenkt. Dadurch wird also die Druckdifferenz an der Turbine zwischen der Zuström- und der Abströmseite erhöht, was zu höherer Strömungsgeschwindig­ keit führt, so dass eine Turbine kleinerer äußerer Abmes­ sungen verwendet werden kann, die aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des Wassers eine gleiche oder hö­ here Leistung erbringt, deren Strömungswiderstand aber trotz des zusätzlichen Mantels verringert ist.
In Fig. 3 ist schematisch eine konzentrische Anordnung des Mantels 36 zum kreisquerschnittsförmigen Schacht 26 veran­ schaulicht, während Fig. 4 eine abweichende Ausgestaltung des Mantels 36 zeigt, welche für geringere Wassertiefen ge­ eignet ist. Der Mantel 36 ist nämlich in der Höhe so weit verringert, dass er in senkrechter Richtung nicht über den weiterhin kreisförmigen Schacht 26 vortritt. In der hori­ zontalen Breite ist der Mantel 36 dagegen so verbreitert, dass zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Schachts lie­ gende Einlässe für das den Schacht 26 innerhalb des Mantels durchströmende Wasser entsteht.

Claims (18)

1. Windkraftanlage (10) mit wenigstens einem teilweise in das Wasser eintauchenden schiffsrumpfartigen Schwimmkör­ per (12) mit in relativ zu ihm bewegter Luft enthaltene kinetische Energie in Bewegung des Schwimmkörpers (12) umwandelnden Antriebseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die schiffsrumpfartige(n) Schwimmkörper (12) mit wenigstens einer die Strömungsenergie des Was­ sers teilweise in mechanische und/oder elektrische Ener­ gie umwandelnden Arbeitsmaschine oder -aggregat versehen ist bzw. sind.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine(n) als hydrodynamisch arbei­ tende Turbine(n) (28) ausgebildet ist bzw. sind.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine(n) (28) als Axialturbine oder Durch­ strömturbine ausgebildet ist bzw. sind.
4. Windkraftanlage nach Anspruche 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Turbine(n) in einem zumindest am zu­ ström- und abströmseitig offenen Ende in Strömungsrich­ tung des Wassers verlaufenden Schacht (26) angeordnet ist bzw. sind.
5. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine(n) als Wasserrad oder Wasser­ strahlapparat ausgebildet ist bzw. sind.
6. Windkraftanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Turbine(n) (28) mit einem elektrische Energie erzeugenden Generator (32) gekoppelt ist bzw. sind.
7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Umwandlung von kinetischer Energie bewegter Luft in Bewegungsenergie für den bzw. die Schwimmkörper (12) vorgesehenen An­ triebseinrichtungen von einem oder mehreren textilen Segel(n) mit Takelage oder von wenigstens einem Starr­ segel gebildet wird bzw. werden.
8. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtungen von wenigstens einem aero-dynamischen Antrieb gebildet werden.
9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Schwimmkörper (12) mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehreren in Strömungs­ richtung des Wassers zueinander versetzten Flettner- Rotor(en) (18; 20) versehen ist bzw. sind.
10. Windkraftanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Flettner-Rotoren (18; 20) in Richtung seiner bzw. ihrer Drehachse höhenversetzte Rotorabschnitte (18a, 18b; 20a, 20b) aufweist, die unab­ hängig voneinander drehantreibbar bzw. stillsetzbar sind.
11. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Querschnitts­ fläche des Schachts (26) bzw. der Schächte sich vom zu­ strömseitigen Einlass (26a) in Richtung zur Turbine (28) verringert.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Turbine(n) (28) und der sie aufneh­ mende Schacht (26) bzw. die Schächte zumindest partiell unterhalb der Wasserlinie außerhalb des bzw. der Schwimmkörper(s) (12) angeordnet ist bzw. sind, und dass der Schacht (26) bzw. die Schächte konzentrisch von einem zuström- und abströmseitig offenen Mantel (36) um­ geben ist, dessen lichter ringförmiger Durchlassquer­ schnitt sich von der Zuström- zur Abströmseite verrin­ gert und dessen abströmseitiges offenes Ende hinter dem abströmseitigen Auslass des Schachts (26) mündet.
13. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Querschnitts­ fläche des Schachts (26) bzw. der Schächte sich von der Turbine (28) in Richtung zum abströmseitigen Auslass (26b) vergrößert.
14. Anwendung der Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Gewinnung von Süßwasser durch Entsalzung von Meerwasser durch Verdampfung des Meerwassers.
15. Anwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Süßwasser durch Verdampfung von Meerwasser und an­ schließende Kondensation der Brüden gewonnen wird.
16. Anwendung der Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Produktion von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser.
17. Anwendung der Windkraftanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der gewonnene Wasserstoff zumindest teilweise zu Methanol weiterverarbeitet wird.
18. Anwendung der Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Gewinnung von im Meerwasser enthaltenen Roh­ stoffen, z. B. Lithiumoxid.
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