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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Flugdrachen und einem durch Windenergie angetriebenen Generator.
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Bei herkömmlichen Windkraftanlagen dieser Art wird der Flugdrachen so gelenkt, dass die von dem Drachen ausgeübte Zugkraft zeitlich fluktuiert. Bei hoher Zugkraft wird der Generator durch den auf die Drachenseile wirkenden Zug angetrieben, und bei niedriger Zugkraft wird ein Teil der gewonnenen Energie dazu verwendet, die Drachenseile wieder einzuziehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Windkraftanlage zu schaffen, mit der die Windenergie effizienter in nutzbare Energie umgesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Generator durch ein Antriebselement angetrieben ist, an dem der Flugdrachen verankert ist und das dazu konfiguriert ist eine durch die Windenergie getriebene zyklische Bewegung auf einer geschlossenen Umlaufbahn auszuführen.
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Da sich das Antriebselement auf einer geschlossenen Umlaufbahn bewegt, sind keine Umkehrungen der Bewegungsrichtung erforderlich. Dadurch werden Energieverluste verringert und mechanische Beanspruchungen reduziert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsform weist das Antriebselement eine Schwungmasse und einen Lenkmechanismus für den Flugdrachen auf, und der Lenkmechanismus ist dazu konfiguriert, den Drachen so zu lenken, dass die Schwungmasse durch den Zug des Flugdrachens zu der Bewegung auf der geschlossenen Umlaufbahn angetrieben wird.
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In einer anderen Ausführungsform wird das Antriebselement durch ein oder mehrere Segel gebildet, die an einem Endlosband gehalten sind, das sich auf einer langgestreckten geschlossenen Umlaufbahn bewegt. Die Segel sind so gestaltet, dass sie dem Wind auf einer Hälfte der Umlaufbahn eine größere Angriffsfläche bieten als auf der anderen Hälfte. Der Flugdrachen ist an einer Umlenkrolle für das Endlosband verankert und dient dazu, das Endlosband und das Antriebselement passend in den Wind zu halten.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 bis 4 Ansichten einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform in vier verschiedenen Betriebsphasen; und
- 5 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage gemäß einer anderen Ausführungsform.
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Die in 1 gezeigte Windkraftanlage weist ein Antriebselement 10 in der Form eines Schienenfahrzeugs auf, das sich auf einem Gleis bewegt, das eine geschlossene Umlaufbahn 12, beispielsweise eine Kreisbahn definiert. Auf dem Antriebselement 10 ist ein Lenkmechanismus 14 angeordnet, an dem Seile 16 eines Flugdrachens 18 verankert sind. Der Lenkmechanismus 14 weist für jedes der Seile 16 eine motorisch angetriebene Winde auf, mit der das Seil programmgesteuert ausgegeben und eingezogen werden kann, um die Anstellung des Flugdrachens 18 zum Wind zu ändern und dadurch den Flugdrachen zu lenken.
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Wenn der Flugdrachen 18 richtig gelenkt wird, so kann das Antriebselement 10 nicht nur in der Phase, in der es sich in Windrichtung bewegt, durch den Zug des Flugdrachens 18 angetrieben werden, sondern auch in den Phasen, in denen es sich quer zur Windrichtung bewegt. Das Antriebselement 10 hat eine relativ große Masse, die als Schwungmasse dient und es dem Antriebselement ermöglicht, sich vorübergehend auch entgegen der Windrichtung zu bewegen, wobei der Flugdrachen in einer Position gehalten wird, in der er die Bewegung des Antriebselements möglichst wenig bremst. So ist es möglich, dass sich das Antriebselement 10 getrieben durch die Windenergie unidirektional auf seiner Umlaufbahn 12 bewegt. In dem Antriebselement 10 ist ein Generator 20 installiert, der durch die Räder des Schienenfahrzeugs angetrieben wird und elektrische Energie erzeugt, die über Schleifkontakte 22 und eine im Gleis verlegte Leitung 24 in ein Stromnetz 26 eingespeist werden kann.
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In 1 bewegt sich das Antriebselement 10 quer zur Windrichtung nach links. In dieser Phase wird der Flugdrachen 18 so gelenkt, dass er sich in relativ geringer Höhe befindet und eine Zugkraft ausübt, die eine große Horizontalkomponente H in Bewegungsrichtung des Antriebselements und nur eine relativ kleine Vertikalkomponente V hat. Das Antriebselement 10 kann in dieser Phase auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, die deutlich über der Windgeschwindigkeit liegt.
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2 zeigt das Antriebselement 10 in einer Betriebsphase, in der es sich entgegen der Windrichtung bewegt. In dieser Phase wird der Flugdrachen 18 so gelenkt, dass er eine möglichst hohe Position einnimmt und dem Wind nur wenig Angriffsfläche bietet, so dass die auf das Antriebselement 10 ausgeübte Zugkraft vornehmlich in vertikaler Richtung wirkt und nur eine sehr kleine Horizontalkomponente H hat. Aufgrund der großen Schwungmasse des Antriebselements reicht die kleine Horizontalkomponente H nicht aus, das Antriebselement in den Stand zu bremsen.
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So gelangt das Antriebselement 10 in die in 3 gezeigte Phase, in der es sich quer zur Windrichtung nach rechts bewegt. Hier wird der Flugdrachen 18 so gelenkt, dass er das Antriebselement mit einer Zugkraft mit kleiner Vertikalkomponente V und großer Horizontalkomponente H nach rechts zieht.
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Der Generator 20 kann mit den Fahrzeugrädern über ein nicht gezeigtes Getriebe verbunden sein, das eine variable Übersetzung hat. In der in 3 gezeigten Phase wird ein großes Übersetzungsverhältnis gewählt, so dass mit dem Generator 20 viel Energie produziert werden kann, während das Fahrzeug so gebremst wird, dass seine Geschwindigkeit etwas unter der Windgeschwindigkeit bleibt.
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Wenn das Antriebselement dann die in 4 gezeigte Phase erreicht, in der es sich mit dem Wind bewegt, kann aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit der Flugdrachen 18 immer noch eine Zugkraft ausüben, die zur Energieproduktion genutzt werden kann. Der Flugdrachen 18 wird in dieser Phase so gelenkt, dass die Vertikalkomponente V der Zugkraft möglichst klein und die Horizontalkomponente H möglichst groß ist. Am Ende dieser Phase beginnt mit der in 1 gezeigten Phase einer neuer Zyklus.
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Auf diese Weise kann mit der Windkraftanlage permanent und unabhängig von der Windrichtung Strom erzeugt werden. Da die Leistung des Generators 20 in den oben beschriebenen vier Phasen variiert, kann die von der Windkraftanlage erzeugte Energie in einem Zwischenspeicher gepuffert werden, so dass das Leistungsprofil vergleichmäßigt werden kann. Alternativ kann jedoch der mit dem Generator 20 erzeugte Strom auch zur Produktion von grünem Wasserstoff genutzt werden. In diesem Fall ist kein Ausgleich der Leistungsschwankungen erforderlich.
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An Standorten, an denen verlässlich mit dauerhaftem Wind zu rechnen ist, kann die Windkraftanlage vollautomatisch und unbeaufsichtigt auch über Nacht betrieben werden.
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Das Gleis, das die Umlaufbahn 12 bildet, ist in der Zeichnung flach dargestellt, kann jedoch auch so geneigt sein, dass der Fliehkraft des Antriebselements entgegengewirkt wird. Die Umlaufbahn muss auch nicht kreisförmig sein, sondern kann beispielsweise ein Oval oder irgendeine andere geschlossene Bahn sein. Diese Bahn kann auch eine sehr große Länge haben, die z.B. einen Kilometer oder mehr beträgt. Es ist auch möglich, auf dieser Umlaufbahn gleichzeitig mehrere Schienenfahrzeuge als Antriebselemente fahren zu lassen, um die Anlage effizienter zu nutzen. Durch ein Gleisnetz mit Weichen können auch mehrere Umlaufbahren gebildet werden. Da die Energieerzeugung bei Bewegungen des Antriebselements quer zum Wind am effizientesten ist, sollten die Gleise vorwiegend in der Richtung quer zur vorherrschenden Windrichtung verlaufen.
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In anderen Ausführungsformen wird das Antriebselement nicht auf einem Gleis geführt, sondern beispielsweise exzentrisch auf einem Karussell montiert.
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5 zeigt eine Windkraftanlage gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, mit Antriebselementen 110 in der Form von Segeln, die auf einer durch ein Endlosband gebildeten Umlaufbahn 112 umlaufen. Das Endlosband ist über Umlenkrollen 113, 114 geführt. An einer Achse 115 der Umlenkrolle 114 sind Seile 116 eines Flugdrachens 118 verankert. Die andere Umlenkrolle 113 treibt über eine Welle 119 einen Generator 120 zur Stromerzeugung. Der Generator 120 und ein Lager 122 für die Welle 119 sind auf einem Drehschemel 124 montiert, der relativ zu einem Fundament 126 frei um eine vertikale Achse 128 drehbar ist.
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Im gezeigten Beispiel sind die Umlenkrollen 113, 114 nicht durch einen Rahmen miteinander verbunden, sondern die Umlenkrolle 114 wird allein durch die Zugkraft des Flugdrachens 118 in einer Position gehalten, in der das Endlosband gespannt ist. Zugleich sorgt die vom Flugdrachen 118 erzeugte Kraft dafür, dass die Umlaufbahn 112 stets in Windrichtung orientiert und relativ zur Horizontalen geneigt ist. Die Segel 110 sind so geformt, dass sie auf der Oberseite der Umlaufbahn 112 möglichst viel Wind einfangen und dadurch das Endlosband und letztlich den Generator antreiben. Die Abstände zwischen den einzelnen Segeln sind dabei so gewählt, dass die Segel sich nicht gegenseitig abschatten. Wenn die Segel sich auf der Unterseite der Umlaufbahn 112 zur Umlenkrolle 113 zurückbewegen, sind sie so orientiert, dass sie keinen Wind einfangen. Außerdem liegen die Segel dort im Windschatten des Endlosbandes.
