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Bereich der Anwendungstechnik
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Die technische Lösung betrifft eine Vorrichtung für Nutzung der Windkraft, basierend auf dem Prinzip des Magnus-Effektes, wobei der Bewegungszylinder mittels seiner eigenen, auf dem Zylinder installierten Windturbine in Bewegung gesetzt wird, d.i. mittels eigener Quelle des Drehmomentes.
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Bisheriger Stand der Technik
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Im Jahre 1852 hat H.G.Magnus das Vorhandensein einer Korrelation zwischen Drehbewegung eines Rotationszylinders relativ zu seiner Längsachse und dem Flüssigkeitsstrom beschrieben, der senkrecht zur Längsachse auf den Zylinder trifft. Diese Korrelation wird an der Seitenwand des Zylinders durch eine Kraft bemerkbar, die als „Hub“ in einer Richtung senkrecht zu den Flüssigkeitsströmungslinien und zur Drehbewegung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn relativ zu dem erwähnten Strom, in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Zylinders bezeichnet wird. Der Flüssigkeitsstrom dreht sich im Uhrzeigersinn, wenn sich der Zylinder gegen den Uhrzeigersinn dreht, und umgekehrt, er dreht sich gegen den Uhrzeigersinn wenn sich der Zylinder im Uhrzeigersinn dreht. Nach H.G. Magnus nennt man dieses Phänomen Magnus-Effekt. Aufgrund dieses Effektes wird am Zylinder eine Winddruckkraft erzeugt, mit der verschiedene Geräte mechanisch angetrieben werden können oder kann diese Windzugkraft auch in andere Form von Bewegung oder Energie umgewandelt werden.
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Aus dem Patentdokument
CZ 30888 U1 ist eine Windturbine bekannt, die in einer horizontalen oder vertikalen Position installiert werden kann, wobei die Drehrichtung und die Position der Achse gemäß den Wetterbedingungen einstellbar sind. Die Turbine hat ein Gehäuse mit Anlaufkanten und dient somit zur Lenkung und Regelung des Luftstroms der die Turbine in Drehung versetzt. In ähnlicher Weise beschreibt CZ 1997-1209 einen Windturbinenmotor, bei dem die Windenergie wiederum mittels Lamellen in Form von Schaufeln in Drehbewegung einer Turbine und Generatoren umgewandelt wird, die Elektrizität erzeugen. Ebenso bekannt sind Generatoren mit Frontrotoren mit Schaufeln in klassischer Propellerausführung.
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Aus dem Dokument
US-Patent 1,674,169 ist die Nutzung des Magnus-Effektes für Antrieb der Verkehrsmittel bekannt. Das Dokument beschreibt mehrere mögliche Anwendungen der Wirkung des Magnus-Effektes, insbesondere als „Segel“ für ein Schiff und als „Schaufel“ für verschiedene alternative Ausführungsformen von rotierenden Körpern, insbesondere zylindrischer Form. Das Patent zeigt mehrere mit einem „Segelwerk“ in Form vom zylindrischen rotierenden Körper ausgestattete Schiffe. Die Ellipsoidform auf dem Bild, das sich lediglich auf das Boot bezieht, ist ohne Beschreibung ihrer Besonderheiten ebenso wie die Form, die aus zwei miteinander durch einen zylindrischen Teil verbundenen Kegelstumpfteilen besteht. Auch in diesem Fall ist das Bild ohne jegliche Beschreibung, welche die Dimensionsbeziehungen zwischen diesen Teilen bestimmen würde. Das Dokument führt zuerst den heutzutage allgemein verwendeten Begriff Flettner-Rotor ein. Das Antriebsprinzip basiert auf Variationen in der Anzahl und Verteilung der Flettner-Rotoren. Die Rotoren haben unterschiedliche Formen oder deren Anzahl ist mit unterschiedlichen Positionen und z. B. Verbindung durch rotierende Riemen kombiniert. Der Antrieb der Zylinder wird von externer Antriebseinheit mit einem Verbrennungs- oder einem Elektromotor sichergestellt.
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Viele andere Patentdokumente haben dann den Aufbau, den Antrieb und auch die Wirkungen des Flettner-Rotors verbessert, siehe
US 2016/0257388 . Viele Verbesserungen und Anwendungsmöglichkeiten wurden vom Flettner selbst in späteren Jahren beschrieben,
US 1,550,955 ,
US 1,550,955 .
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Aus dem Dokument
EP 2716905 ist die Anwendung von Flettner-Rotoren als Lamellen einer Lamellenwindturbine bekannt, die den Effekt wesentlicher Senkung der erforderlichen äusseren Kraft aufweist, die zum Andrehen der einzelnen Rotoren benötigt ist.
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Obwohl Versuche bekannt sind, Anforderungen an externen Antrieb zwecks Versetzung der Flettner-Rotoren in Rotationsbewegung zu verringern, ist bis jetzt kein Weg bekannt, auf dem es nicht erforderlich wäre, die Bewegungsenergie für die Rotation der Rotoren vom externen Antrieb zu nutzen. Dennoch kann der Einsatz von Flettner-Rotoren beispielsweise bei Seeschiffen, wie sie von J. Cousteau oder der Gesellschaft Enercon gebaut wurden, den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren für die Schifffahrt um etwa 40% reduzieren.
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Die Aufgabe der technischen Lösung besteht daher darin, einen Windturbinenrotor bereitzustellen, der unter Ausnutzung des Magnus-Effekts arbeitet und Windenergie in Abhängigkeit von der Verwendungsart in Zugkraft oder in elektrische Energie umwandelt und gleichzeitig die Notwendigkeit einer externen Quelle zum Erzeugen des Drehmomentes eliminiert, der den Bewegungszylinder in Drehung versetzt.
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Prinzip der technischen Lösung
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Die oben genannten Mängel der gegenwärtig verwendeten technischen Lösungen beseitigt eine vorgeschlagene Vorrichtung für die Nutzung der Windenergie nach Magnus-Effekt in Form von Bewegungsenergie, die insbesondere zum Antrieb von Windkraftanlagen und / oder Schiffen und / oder zum Erzeugen des erforderlichen Auftriebs an Flugzeugflügeln usw. bestimmt ist.
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Die Vorrichtung zur Nutzung der Windenergie als Bewegungsenergie basierend auf dem Magnus-Effekt, die insbesondere dazu bestimmt ist, Windkraftanlagen und / oder Schiffe anzutreiben und / oder den notwendigen Auftrieb an Flugzeugflügeln zu erzeugen, besteht aus mindestens einem Windzylinder. Im Gegensatz zu den bekannten herkömmlichen Lösungen ist dieser Windzylinder mit einem System von Windlamellen versehen, die symmetrisch um die Drehachse dieses Windzylinders angeordnet sind. Die Die Lamellen bilden eine Lamellenanordnung parallel zu dieser Drehachse und bilden eine zylindrische Anordnung, die den Rotor der Windturbine darstellt. Die einzelnen Windlamellen sind an beiden kürzeren Seiten im Lamellensystem drehbar auf Stiften gelagert, so dass die Winkeleinstellung deren Position möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Rotor der Windturbine aus einem unteren und einem oberen Kranz. Beide Kränze haben die Form eines Kreisrings, wobei zwischen ihnen Windlamellen angeordnet sind. Die Lamellenanordnung ist symmetrisch zur Drehachse des Windzylinders. Der Rotor der Windturbine ist drehbar am Windzylinder gelagert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Rotor der Windturbine aus einem unteren Kranz und einem oberen Kranz. Beide Kränze haben die Form eines Kreisrings und zwischen ihnen sind Windlamellen angeordnet. Die Lamellenanordnung ist symmetrisch um die Drehachse des Windzylinders. Der Rotor der Windturbine ist über eine Kupplungs- und Verriegelungsbremse drehbar an einem Ende des Windzylinders gelagert.
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In weiterer bevorzugter Ausführungsform besteht der Rotor der Windturbine aus einem unteren kreisförmigen Boden und einem oberen kreisförmigen Boden, zwischen denen die Windlamellen angeordnet sind. Die Lamellenanordnung ist symmetrisch zur Drehachse des Windzylinders. Der Windturbinenrotor ist an einem Ende des Windzylinders durch einen der Böden drehbar gelagert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Rotor der Windturbine aus einem unteren kreisförmigen Boden und einem oberen kreisförmigen Boden, zwischen denen die Windlamellen angeordnet sind. Die Lamellenanordnung ist symmetrisch zur Drehachse des Windzylinders. Der Windturbinenrotor ist an einem Ende des Windzylinders durch einen der Böden mittels Kupplungs- und Verriegelungsbremse drehbar gelagert.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die freien Enden des Windzylinders mit einer oberen Ringkappe und / oder einer unteren kreisförmigen Plattform versehen, um den Magnus-Effekt voll auszunutzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bildet der Rotor der Windturbine gleichzeitig den Mantel des Windzylinders. Die Windlamellen sind in diesem Fall zwischen der unteren kreisförmigen Plattform und der oberen Ringkappe angeordnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Vorrichtung aus zwei oder mehreren Windzylindern, die mit einem Windturbinenrotor versehen sind. Alle Windzylinder sind an einem Punkt in Form eines Propellers verbunden, der sich in der Rotationsachse des Generators der Windkraftanlage dreht, die senkrecht zu den Rotationsachsen der einzelnen Windzylinder positioniert ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform haben die Windlamellen des Windturbinenrotors ein symmetrisches aerodynamisches Tropfenprofil oder die Form eines Tragflügels mit Möglichkeit einer Drehung von 180 ° um ihre Längsachse.
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Die Vorteile der vorgeschlagenen Windenergienutzung nach Magnus-Effekt als Bewegungsenergie, die in erster Reihe zum Antrieb der Windkraftanlagen und / oder Schiffen und / oder zur Erzeugung des notwendigen Auftriebs an Flugzeugflügeln vorgesehen ist, liegen vor allem darin, dass nach dem Magnus-Effekt die Windenergie zur Erzeugung der Bewegungsenergie verwendet wird, wobei aber im Gegensatz zu bekannten Lösungen die Rotation des Windzylinders durch einen eingebauten Rotor der Windturbine sichergestellt ist, wodurch die Notwendigkeit entfällt, die Windzylinder durch einen zusätzlichen Antrieb in Drehung zu versetzen.
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Figurenliste
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Die technische Lösung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Sie zeigen:
- Bild 1 Windzylinderanordnung mit einem Lamellenrotor der Windturbine, der am Umfang des Windzylinders installiert ist;
- Bild 2 Windzylinderanordnung mit einem Lamellenrotor der Windturbine, der an einem Ende des Windzylinders installiert ist;
- Bild 3 Windzylinder, vollständig aus einem Rotor der Windturbine gebildet;
- Bild 4 Windzylinderanordnung mit einem Lamellenrotor der Windturbine, installiert an einem Ende des Windzylinders, in der Ausführung mit einem dünnen Zylinder für Rotoren der Windkraftanlagen;
- Bild 5 Beispiel der Installation der Vorrichtung auf dem Schiff;
- Bild 6 Beispiel der Installation der Vorrichtung als Propeller einer Windkraftanlage;
- Bild 7 Darstellung der möglichen Form und Zusammensetzung der Rotorlamelle einer Windturbine.
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Beispiele der Umsetzung technischer Lösungen
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Vorrichtung 1 zur Nutzung der Windenergie als Bewegungsenergie, basierend auf dem Magnus-Effekt , die insbesondere für Antrieb der Windkraftanlagen und / oder Schiffen und / oder für die Erzeugung des notwendigen Auftriebs an Flugzeugflügeln vorgesehen ist, besteht nach Bild 1- 6 aus mindestens einem Windzylinder 2. Dieser Windzylinder 2 ist mit einem System von Windlamellen 3 versehen, die symmetrisch um die Drehachse 14 dieses Windzylinders 2 angeordnet sind. Die Windlamellen 3 bilden eine Lamellenanordnung parallel zu dieser Drehachse 14 und bilden eine zylindrische Anordnung, die den Rotor 4 der Windturbine darstellt. Die einzelnen Windlamellen 3 sind an ihren beiden kürzeren Seiten in der Lamellenanordnung drehbar auf den Zapfen 5 gelagert und bieten dadurch die Möglichkeit, ihre Position winkelmäßig einzustellen.
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Nach Bild 1 besteht der Rotor 4 der Windturbine aus einem unteren Kranz 6 und einem oberen Kranz 7. Beide Kränze 6, 7 sind als Kreisring ausgebildet, wobei zwischen ihnen die Windlamellen 3 angeordnet sind. Die Anordnung der Windlamellen 3 ist symmetrisch um die Drehachse 14 des Windzylinders 2. Der Rotor 4 der Windturbine ist drehbar am Windzylinder 2 gelagert und seine Verbindung mit dem Windzylinder 2 kann über eine Kupplungs- und Verriegelungsbremse 8 erfolgen.
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Nach Bild 2 besteht der Rotor 4 der Windturbine aus einem unteren kreisförmigen Boden 9 und einem oberen kreisförmigen Boden 10, zwischen denen die Windflügel 3 angeordnet sind. Die Anordnung der Lamellen 3 ist symmetrisch um die Drehachse 14 des Windzylinders 2. Der Rotor 4 der Windturbine ist durch eine der Böden 9, 10 an einem der Enden des Windzylinders 2 drehbar gelagert, und seine Verbindung mit dem Windzylinder 2 kann über eine Kupplungs- und Verriegelungsbremse 8 erfolgen.
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Bezugnehmend auf das Bild 1 und 2 sind die freien Enden des Windzylinders 2 mit einer oberen Ringkappe 11, und / oder einer unteren kreisförmigen Plattform 12 versehen, um den Magnus-Effekt voll auszunutzen.
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Nach Bild 3 bildet der Rotor 4 der Windturbine gleichzeitig den Mantel des Windzylinders 2. In diesem Fall sind die Windlamellen 3 zwischen der unteren kreisförmigen Plattform 12 und der oberen Ringkappe 11 angeordnet.
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Nach Bild 6 besteht die Vorrichtung 1 aus zwei oder mehreren Windzylindern 2, die mit einem Windturbinenrotor 4versehen sind. Alle Windzylinder 2 sind in einem Punkt verbunden und haben somit die Form eines Propellers 13, der in der Rotationsachse 15 des Generators der Windkraftanlage rotiert, die senkrecht zu den Rotationsachsen 14 der einzelnen Windzylinder 2 steht.
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Das Funktionsprinzip der Vorrichtung 1 entspricht in vollem Umfang dem Prinzip des Magnus-Effektes, der die Zugkraft beschreibt, die durch die Strömung von Flüssigkeiten erzeugt wird, welche um den rotierenden Windzylinder 2 strömen. Diese Theorie wurde von Herrn Flettner in Form eines Flettner-Rotors in die Praxis umgesetzt, der seine Geräte durch einen externen Antrieb in entsprechende Drehbewegung versetzt hat. Diese Vorrichtung 1 nutzt die Windkraft jedoch nicht nur um die erforderliche Zugkraft zu erzeugen, sondern kombiniert diese mit der Drehkraft, die beispielsweise in den Turbinenrotoren 4 der Windantriebe verwendet wird, wo die Drehung der Windturbine sogar auch dann erreicht werden kann, wenn der Windturbinenmantel nicht vollständig ist, und einen Effekt dabei zu erzeugen, als ob er komplett wäre und nach dem Andrehen kann auch die entsprechende Zugkraft generiert werden.
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Die Windlamellen 3 des Windturbinenrotors haben ein aerodynamisches tropfenförmiges Profil oder die Form eines Tragflügels mit der Möglichkeit einer Drehung um 180 ° um ihre Längsachse.
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Industrielle Anwendungsmöglichkeit
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Vorrichtung zur Nutzung der Windenergie als Bewegungsenergie nach dem Magnus-Effekt, vorgesehen insbesondere zum Antrieb von Windkraftanlagen und / oder Schiffen und / oder zur Erzeugung des erforderlichen Auftriebs auf Flugzeugflügeln, wird vor allem im Fluss- und Seeverkehr sowie in Systemen ökologischer Stromgewinnung aus der Windenergie Anwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Nutzung der Windenergie
- 2
- Windzylinder
- 3
- Windlamelle
- 4
- Rotor der Windturbine
- 5
- Zapfen der Windlamelle
- 6
- Unterer Kranz
- 7
- Oberer Kranz
- 8
- Bremse
- 9
- Unterer Boden
- 10
- Oberer Boden
- 11
- Obere Kappe
- 12
- Kreisförmige Plattform
- 13
- Propeller
- 14
- Rotationsachse des Windzylinders
- 15
- Rotationsachse des Propellers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CZ 30888 U1 [0003]
- US 1674169 [0004]
- US 2016/0257388 [0005]
- US 1550955 [0005]
- EP 2716905 [0006]
