DE3003873A1

DE3003873A1 - Schwebende windkraftmaschine

Info

Publication number: DE3003873A1
Application number: DE19803003873
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Erich 8000 München Schmidt
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-02-02
Filing date: 1980-02-02
Publication date: 1981-08-06
Also published as: DE3003873C2

Description

Schwebende Windkraftmas chine
Die Erfindung betrifft eine schwebende Windkraftmaschine entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die insbesondere für Windkraftwerke verwendbar ist.
Es sind bereits Windkraftmaschinen bekannt, die eine mit Leichtgas gefüllte Auftriebseinrichtung in Form eines Ballons aufweisen, von dem jeder an einem Stromerzeuger drehbar angeordnet ist. Die Rotoren sind entlang einer zur Stromableitung und zur Halterung einer Trägereinrichtung für die Rotoren dienenden Leine angeordnet (US-PS 4 084 102).
Bekanntlich ist die nutzbare Leistung aus Windkraftmaschinen proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, und die Windgeschwindigkeit ist in größeren Höhen höher und stetiger als in Bodennähe. Bei bekannten Windkraftmaschinen der eingangs genannten Art, bei denen eine Kette von Windkraftmaschinen vorgesehen ist, die durch einen Ballon und eine davon getrennte aerodynamische Auftriebseinrichtung hochgehalten werden sollen, besteht aber die Schwierigkeit, daß die Kette bei stärkeren Winden bald einen ungünstigen Winkel zur Windrichtung einnimmt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Windkraftmaschine der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß eine Steuerung der Lage der Windkraftmaschine relativ zur Windrichtung möglich ist und daß insbesondere die Schwerwettertåuglichkeit und der Flächenwirkungsgrad bei Verwendung derartiger Windkraftmaschinen für ein Windkraftwerk/urch einen günstigeren Kraft an griffspunkt der Bodenverbindung verbesserte werden kann. Diese Aufgabe wird bei einer Windkraftmaschine der eingangs. genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Windkraftmaschine gemäß der Erfindung; und Fig. 2 ein aus Windkraftmaschinen in Fig. 1 zusamnutngesetztes Windkraftwerk.
Die in Fig. 1 dargestellte Windkraftmaschine enthält zwei um parallel zueinander verlaufende Achsen gegenläufig, außen nach unten drehbare Anordnungen von Rotorblättern 1 an einem senkrecht zu diesen Achsen verlaufenden Rahmenteil 3 eines Befestigungsrahmens 3,4. Durch diese Anordnung und Bewegung wird ein aerodynamischer Auftrieb erzielt. Die Anordnung der Rotorblätter ist vorzugsweise zweifach gelagert an Vorder- und Hinterstromerzeugern 2 aus Leichtmetall, die elektrodynamisch so belastet werden können, daß sich eine Blattstellung der Rotoren durchführen läßt. Der Befestigungsrahmen besteht aus leichtgasgefüllten Rahmenteilen 3 und 4. Der Rahmenteil 3 ist vorzugsweise ein gepfeilter aerodynamischer Auftriebskörper und der Rahmenteil 4 hesteht aus zwei in V-Form zueinander stehenden Zugverstrebungen.
Zusammen mit der Bodenverbindung 5, die vorzugsweise stromlinienförmig und leichtgasgefüllt ausgeführt ist, soll bei Windstille die ganze Windkraftmaschine durch den statischen Auftrieb schwebend gehalten werden. Der als aerodynamische Auftriebskörper dienende Rahmenteil 3 soll den Auftrieb in der Größenordnung des aerodynamischen Gesamtwiderstands erzeugen, so daß eine gewünschte Schräge der Bodenverbindung 5 bei Wind aufrechterhalten werden kann. Die Pfeilform des Rahmenteils 3 dient zur passiven Gierstabilisierung der schwebenden Anlage senkrecht zur Windrichtung t1. Freiheitsgrad). Die V-Verstrebung des Rahmenteils 4 dient zur passiven Rollstabilisierung der Windkraftmaschine (2. Freiheitsgrad). Die Aufhängung der Bodenverbindung 5 kann um den Kräfteschwerpunkt 6 in zwei Richtungen senkrecht zur Bodenverbindung 5 verstellt werden. Der Rahmenteil 3 kann durch Verbindungsseile 7 stärker angestellt werden. Mit beiden Maßnahmen läßt sich die Nickregelung durchführen (3. Freiheitsgrad). Mit der Anstellung des Rahmenteils 3 kann darüber hinaus der Auftrieb und somit auch die Schrägneigung der Bodenverbindung 5 variiert werden (4. Freiheitsgrad). Die Bodenverbindung 5 hat zur vektoriellen Kompensation des aerodynamischen Widerstands kleine gepfeilte, gasgefüllte Auftriebsflügel 8 in V-Stellung, die be;Wind einen zusätzlichen Auftrieb erzeugen. Die Bodenverbindung 5 kann mit einer Winde 9 ein-oder ausgerollt werden. Eine Verbindungsleitung 10 in der Mitte der Bodenverbindung dient als Strom- und elektrische Steuerleitung, erlaubt aber eine zusätzliche Verformung des Profils durch Zug an Verspannflächen 11. Dies dient zur Verminderung des aerodynamischen Widerstands. Das könnte bei größeren Windstärken erforderlich sein. In beschränktem Rahmen ist auch eine Profiländerung durch Druckvariation des Leichtgases - vorzugsweise Verwendung von bei der Wasserzerlegung gewonnenem Wasserstoff - möglich.
Zum Nachfüllen mit Leichtgas sind zusätzlich Ventile mit Labyrinthdichtungen an den Rotorenlagern vorgesehen, wobei für kurze Zeit gewisse Leckverluste zugelassen werden.
Bei einem großtechnischen Einsatz der Windkraftmaschinen als Elemente eines Windkraftwerks können bei stabilen Windverhältnissen, wie es in größeren Höhen der Fall ist, beliebig viele Windkraftmaschinen am Boden schachbrettartig befestigt und in unterschiedlicher Höhe angeordnet werden. Eine spezielle Anordnung dieser Art auf dexn Meer ist in Fig. 2 aufgezeigt. Auf oder dicht unter der Wasseroberfläche 15 schwimmende Bodenkörper 12 sind an einem Anker 13 gegen die Windrichtung gehalten. Ein Bodenrahmen 14 nimmt die horizontalen Kraftkomponenten auf. In den Bodenkörpern kann der Strom der Generatoren zur Wasserzerlegung eingesetzt werden. Die ganze Anlage kann mit wechselnder Windrichtung passiv geregelt um den Anker schwojen (5. Freiheitsgrad).
Auf dem Land wird eine leichtdrehbare vertikale Lagerung der Bodenwinde 9 in Fig. 1 (Aufrollvorrichtung senkrecht zur Bodenverbindung 5) vorgesehen, so daß sie in Windrichtung passiv nachgedreht werden kann.
Ein Windkraftwerk kann deshalb aus vielen in. Massenproduktion herstellbaren Windkraftmaschinen der beschriebenen Art zusammengesetzt werden, die unabhängig voneinander jederzeit einzeln ausgetauscht werden können, grundsätzlich aber aus verschleißarmem Material aufgebaut sind. Die optimale Stellung senkrecht zum Wind mit optimaler Anpassung an die Windstärke geschieht teils passiv (Gieren, Rollen), teils aktiv (Nicken, Schräge der Bodenverbindung) und stellt eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrads bei schwebenden Windkraftwerken dar. Im Prinzip ist die Windkraftmaschine allwettertauglich. Durch Variation von Anstellwinkel, Profilform und notfalls Unterwasserbefestigung können sie prinzipiell auch härteren Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden. Die einzelnen Windkraftmaschinen können durch Anbringen von Sensoren fernüberwacht oder über elektrische Steuerleitungen ferngesteuert werden. Die Windkraftmaschinen können auch bei Windstilleschwebend gehalten werden. Für den Antransport sind extrem kleine Packmaße möglich, was bei den bisherigen Windkraftwerken nicht der Fall ist. Der am Boden generierte Wasserstoff kann gleichzeitig als Auftriebsleichtgas benutzt werden, zugeführt durch die Bodenverbindung 5, womit Leckverluste ausgeglichen werden können.
Durch Kombination der verschiedenen Auftriebshilfen - aerostatisch, aerodynamisch durch Tragflügelprofil, aerodynamisch durch die paarweise Rotorbewegung - und verschiedener Stabilisierungshilfen -Pfeilform, V-Form, Anstellwinkel-iFlossen-)Verstellung, sowie Profilverstellung bei einer einzelnen Windkraftmaschine kann eine optimale Funktion der Windkraftmaschinen gewährleistet. und eine maximale Energieausbeute erreicht werden.

Claims

Patentansprüche 1Schwebende. Windkraftmaschine, insbesondere für Windkraftwerke, die eine mit Leichtgas gefüllte Auftriebseinrichtung und eine aerodynamische Auftriebseinrichtung sowie Rotoren aufweist, von denen jeder an einem Stromerzeuger drehbar angeordnet ist, sowie mit einer zur Stromableitung und zur Halterung einer Trägereinrichtung für die Rotoren dienenden Bodenverbindung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß zwei um parallel zueinander verlaufende Achsen gegenläufig außen nach unten drehbare Anordnungen von Rotorblättern (1) an einem senkrecht zu diesen Achsen verlaufenden Rahmenteil (3) eines Befestigungsrahmens (3,4) angeordnet sind, daß zumindest die Rotorblätter (1) und der Befestigungsrahr;en (3,4) mit Leichtgas gefüllt sind, und daß durch die Rotorbewegung der Rotorblätter (1) eine Auftriebskraft erzeugbar ist
2. Windkraftmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Bodenverbindung (5) im Kräfteschwerpunkt (6) der Windkraftmaschine an dem Befes tigungsrahmen (3,4) befestigt ist.
3. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rotorblätter (1) und der Rahmenteil (3) zwischen den Rotorblättern mit variablen Winkeln zur Windrichtung anstellbar sind.
4. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kraftangriffspunkt (6) der Bodenverbindung (5) durch mechanische Mittel in einer horizontalen Ebene verlagerbar ist.
5. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die-Bodenverbindung (5) durch einen zur Leichtgaszufuhr dienenden Verbindungsschlauch mit einem stromlinienförmigen Profil gebildet ist.
6. Windkraftmaschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß an der Außenseite der Bodenverbindung (5) aerodynamische Auftriebsflügel (8) angeordnet sind.
7. Windkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Profilform der Bodenverbindung (5) durch querverlaufende Spannflächen (11) bestimmt ist.
8. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u-r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zur Stromableitung dienende Verbindungsleitung (10) als Zugleitung zur Änderung der Profilform der Bodenverbindung (5) an den Verspannflächen (11) angreift.
9. Windkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bodenverbindung (5) Signalleitungen enthält, die mit Lagesensoren und elektromechanischen Steliirchanismen an der Windkraftmaschine verbunden sind.
10. Windkraftwerk mit Windkraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Windkraftmaschinen eine unterschiedliche Länge der Bodenverbindung (5) aufweisen, und daß eine reihenweise Anordnung der Windkraftmaschinen nebeneinander und übereinander vorgesehen ist.
11. Windkraftwerk nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Bodenverbindungen (5) der Windkraftmaschinen an einem vor Anker -liegenden schwimmenden Bodenrahmen (14) befestigt sind.