DE3130002C2

DE3130002C2 - Vorrichtung zum Erzeugen einer nutzbaren Antriebsenergie aus der kinetischen Energie des Windes

Info

Publication number: DE3130002C2
Application number: DE19813130002
Authority: DE
Inventors: Johann 4710 Herbesthal Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-30
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1983-09-15
Also published as: DE3130002A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer nutzbaren Antriebsenergie aus der kinetischen Energie des Windes. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß ein Segel zwischen zwei Aufspannpunkten in einer zur Windrichtung zumindest ungefähr parallelen Richtung schwingfähig gehalten ist und daß am Segel mindestens ein Übertragungselement angreift, das die Schwingbewegungen des Segels in eine hin- und hergehende translatorische Antriebsbewegung umsetzt. Es hat sich herausgestellt, daß ein derart aufgehängtes Segel auch bereits bei sehr geringem Wind in Schwingungen versetzt wird, deren Frequenz in der Größenordnung an einigen 1000 Hertz liegt. Diese Schwingbewegungen des Segels lassen sich beispielsweise über eine Antriebsstange und ein mit einem Exzenterzapfen versehenes Antriebsrad in eine Drehbewegung umformen, die zum Antrieb eines Generators ausgenutzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer nutzbaren Antriebsenergie aus der kinetischen Energie des Windes, unter Verwendung eines vom Wind beaufschlagten aufgespannten Segels.

Bei Segelschiffen wird die kinetische Energie des Windes mit Hilfe der Segel unmittelbar in Antriebskräfte umgesetzt die das Schiff fortbewegen. Eine optimale Ausnutzung des Windes ist nur möglich, wenn die Segel so gesetzt sind, daß sie gut stehen.

Es ist ferner bekannt, Windräder, Windflügel oder dergleichen durch den Wind anströmen zu lassen, so daß sie in Drehung versetzt werden. Aus dieser Drehbewegung kann nutzbare Energie gewonnen werden. Eine Energiegewinnung in brauchbarem Ausmaß ist aber nur möglich, so lange der Wind eine bestimmte Stärke nicht unterschreitet Ferner haben die Windräder verhältnismäßig große Abmessungeil, so aaC ihre Aufstellungsmöglichkeiten begrenzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausnutzung der im Wind enthaltenen kinetischen Energie in einer solchen Weise zu ermöglichen, daß sich die hierfür zu verwendenden technischen Hilfsmittel den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten entsprechend anordnen lassen und daß auch bei geringeren Windstärken in noch ausreichender Menge Energie erzeugt werden kann.

so Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine unter Verwendung eines aufgespannten Segels arbeitende Vorrichtung vorgeschlagen, deren Besonderheit darin uesteht, daß das Segel zwischen zwei Aufspannpunkten in einer zur Windrichtung zumindest ungefähr parallelen Richtung schwingfähig gehalten ist und daß am

Segel mindestens ein Übertragungselement angreift, das die Schwingbewegung des Segels in eine hin- und hergehende translatorische Antriebsbewegung umsetzt.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß auch bereits Winde von geringerer Stärke geeignet sind, einen aufgehängten oder augespannten flächigen Gegenstand in eine Bewegung zu versetzen, die man beim Segeln als Killen oder Schlagen oder sonst allgemein als Flattern bezeichnet. Diese Bewegung entspricht einer Schwingbewegung, die das Segel bzw. der flatternde Gegenstand um seinen jeweiligen Befestigungsbereich ausführt.
Unter einem schwingfähigen Aufspannen des Segels

ist zu verstehen, daß seine Aufhängung eine Elastizität bestimmter Größe haben muß, die das Schwingen ermöglicht.

Es hat sich herausgestellt, daß auch bei geringen Windstärken von zum Beispiel nur 1 Beaufort ein Segel Schwingungen in der Größenordnung von 3000 Hertz ausführt, wenn es entsprechend aufgehängt oder aufgespannt ist Eine derartige Schwingbewegung enthält durchaus eine Energiemenge, die sich zunächst in Form mechanischer Energie nutzbar vom Segel abnehmen und insbesondere zum Antrieb eines elektrischen Generators verwenden läßt. Es können vor allem eine größere Anzahl von schwingfähig aufgehängten Segeln mit zugeordneten Übertragungselementen und Generatoren verwendet werden, die auf einen gemeinsamen elektrischen Energiesammler geschaltet sind. Hierbei können jeweils ein Segel mit den zugeordneten Übertragungselementen und mindestens einem Generator zu Einheiten zusammengefaßt sein, die jeweils nur einen verhältnismäßig geringen Platzbedarf haben und sich an geeigneter Stelle einzeln oder in Gruppen anordnen iassen. Auch können die Einheiten einzeln oder in Gruppen auf einem Gestell angeordnet werden, das um eine zumindest angenähert -ertikale Achse drehbar ist. Hierdurch wird eine einfache Anpassung an die jeweilige Windrichtung möglich.

Nachfolgend soll der Aufbau einer nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung im einzelnen beschrieben werden. So ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn das Segel mit quer zur Aufspannrichtung verlaufenden Versteifungen in Form von Leisten versehen ist. Durch diese erhält das Segel eine seine Schwingfähigkeit begünstigende Form und Stellung.

Ferner läßt sich das Segel mittels zweier jeweils an beiden Aufspannseiten im mittleren Bereich derselben angreifender Spann schnüre drehelastisch in vorteilhafter Weise aufhängen, das heißt, daß das Segel um seine Aufspannachse drehelastisch gehalten ist. Auch hierdurch wird die Schwingfähigkeit begünstigt.

Die Spannschnüre können das Segel von einem AufspannpunAt zum anderen und gegebenenfalls auch die Leisten selbst durchsetzen, wodurch sich eine gute Stabilität der Segelaufhängung ergibt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Segelfläche zwischen den Aufspannpunkten einen angenähert schraubenlinienförmig gewundenen Verlauf hat. Hierdurch wird es möglich, daß auch Windströmungen mit unterschiedlichen Richtungskomponenten in geeigneter Weise am Segel angreifen können.

Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn die in Aufspannrichtung verlaufenden Seitenkanten des Segels einen wellenlinienförmigen Verlauf haben. Dies ist für die Ausnutzung geringer Windstärken günstiger, während das Segel hierdurch bei großen Windstärken gleichzeitig belastbarer wird.

Der gewundene Verlauf und die Wellenform der Seitenkanten können vorteilhaft se aufeinander abgestimmt werden, daß die Segelfläche zwischen zwei gleichen Punkten der Wellenform in einem Winkel von etwa 180° um die Aufspannachse gedreht verläuft.

Als Übertragungselement kann erfindungsgemäß mindestens eine Antriebsstange vorgesehen sein, die etwa in Höhe der Aufspannachse am Segel angreift. Hierbei ist es günstig, wenn der Angriffspunkt der Antriebsstange zwischen zwei benachbarten Leisten an den das Segel durchsetzenden Spannschnüren angreift. Da diese von der durch die beiden Aufspannpunkte verlaufenden Aufspannachse zu beiden Seiten jeweiis einen bestimmten Abstand haben sollten, ist es vorteilhaft, wenn sich die Spannschnüre an derjenigen Stelle, an der die Antriebsstange angreift, kreuzen.
Der Angriffspunkt der Antriebsstange kann vorteilhaft in der Nähe eines der Aufspannpunkte liegen, weil dort die Schwingbewegungen des Segels im allgemeinen gleichmäßiger sein werden als im mittleren Bereich. Die mechanische Bewegung der Antriebsstange kann κι in eine Drehbewegung umgesetzt werden, indem die Antriebsstange an dem Exzenterzapfen eines drehbar gelagerten Antriebsrades angreift, dessen Welle mit einem Generator gekuppelt ist. Es ist aber auch denkbar, daß die Antriebsstange einen in einem ι Ί elektromagnetischen Feld hin- und herbewegten Induktor antreibt. Dieser kann ein Magnet oder eine elektrisch erregte Spule sein, durch deren Relativbewegung zu einer anderen Spule in letzterer ein elektrisches Feld und damit eine elektrische Spannung erzeugt werden.

Nachfolgend wird eine bevorzugt' Ausführungsform der Erfindung anhand einer Zeichnung räher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 in sghematisch vereinfachter Darstellung eine 2'y Ansicht der Vorrichtung,

Fig.? eine Draufsicht auf die Darstellung nach Fig. 1.

F i g. 3 Anordnungsmöglichkeiten für eine Anzahl von Vorrichtungen.

S" An einem vertikalen Mast 10, der auf einem Fuß 11 steht, sind zwei einstellbare Tragarme 12 befestigt. Zwischen diesen ist in vertikaler Richtung ein Segel 13 aufgespannt, das aus einem geeigneten textlien Material, einer Folie oder dergleichen bestehen kann. Das Segel J5 13 wird von zwei Spannschnüren 14 durchsetzt, die zu jeder Seite einer Spannachse verlaufen, die einer gedachten geraden Verbindung zwischen den beiden Befestigungspunkten 15 an den Tragarmen 11 entspricht. In einer zu dieser Spannachse radialen Richtung ■"i verlaufen Leisten 16, an denen das Segel 13 befestigt ist und die gegebenenfalls auch in das Segel 13 eingesetzt sein .»önnen. Die Leisten 16 dienen also zur Formgebung bzw. Versteifung und können durch geeignete Stangen, Stäbe oder dergleichen gebildet sein. An den in -n Richtung der Spannachse verlaufender. Seitenkanten ist das Segel 13 wellenförmig, so daß auch die Leisten 16 jeweils eine an diese Wellenform angepaßte Länge haben. An den den Tragarmen 12 zugewandten Seitenkanten haben das Segel 13 und die Leisten 16 die ">" jeweils größte Abmessung in Breitenrichtung. Da hier die beiden Spannschnüre 14 in einem bestimmten Abstand voneinander an jeweils einer der Leisten 16 angreifen, ergibt sich eine drehbewegliche bzw. drehel· s:ische Aufhängung des Segels 13.
'*· In der Nähe der einen, die Außenkante des Segels 13 bildenden Leiste IG verlaufen die Spannschnüre 14 gekreuzt. Im Kreuzungspunkt sind die Spannschnüre 14, die auch die Leisten 16 durchsetzen, mittels einer Lasche 17 mit einer Antriebsstange 18 verbunden. Letztere feo greift mit ihrem anderen Ende an einem Exzenterzapfen 19 an, der auf einem Antriebsrad 20 exzentrisch angeordnet ist und dessen Exzentrizität je nach öedarf einstellbar sein kann, was hier nicht dargestellt ist. Das Antriebsrad 20 sitzt auf einer Welle 21, die über ein t>-5 ebenfalls nicht dargestelltes Getriebe mit einem Generator 22 gekuppelt ist.

Das Segel 13 ist in F i g. I nicht in seiner tatsächlichen Lage dargestellt, sondern in Form einer in die Bildebene

gelegten Abwicklung dargestellt, damit die Form des Segels 13 gezeigt werden kann. In der Praxis hat man sich die Lage des Segels IJ so vorzustellen, daß zumindest der wesentliche Teil der Segelfläche in die durch den Pfeil 23 bezeichnete Richtung weist, mit der -, die jeweilige Windrichtung angedeutet werden soll.

Es ist ebenfalls in Fig. 1 nicht dargestellt und in F i g. 2 nur durch die Lage der jeweils längsten Leisten 16 angedeutet, daß das Segel 13 zwischen seinen beiden Befestigungspunkten 15 einen schraubenlinienförmig i< > gewundenen Verlauf haben kann. In der sich aus F i g. 2 ergebenden Projektion bilden die jeweils längsten Leisten 15 an der Außenkante des Segels 13 einen Winkel von etwa 100°. Wenn das Segel in der hier dargestellten vertikalen Lage angeordnet wird, bietet ι ·, das Segel aufgrund seines Verlaufes auch aus unterschiedlichen Richtungen kommenden Winden jeweils einen Teil seiner Segelfläche in senkrechter Richtung. Ferner wird durch diesen Verlauf des Segels 13 eine Führung der VVindstromung erreicht, die die Schwingfä- :o higkeit des Segels 13 verbessert. Auch Windströmungen, die teilweise eine vertikale Richtungskomponente haben, können aufgrund des beschriebenen Verlaufs das Segel 13 in günstigerer Weise treffen.

Wenn Wind auf das Segel 13 auftrifft, so gerät dieses :; aufgrund seiner Anordnung in Schwingungen, die zumindest im wesentlichen in Richtung der Längsachse der Antriebsstange 18 verlaufen. Die Schwingungen setzen sich deshalb in Zug- und Schubkräfte um, die von der Antriebsstange 18 auf das Antriebsrad 20 übertra- jo gen werden. Da die Amplitude dieser Schwingungen mindestens so groß ist wie der Durchmesser, auf den der Exzenterzapfen 19 angeordnet ist. wird ein kontinuierlicher Umlauf des Antriebszapfens 20 mit einer Drehzahl erzielt, die der Frequenz der vom Segel 13 ausgeführten Schwingungen entspricht.

Aus der Darstellung nach Fig. 3 ergibt sich unter u _:

au\.ii ei

dargestellten Haus sind einige nach der Erfindung ausgebildete Vorrichtungen, die jeweils nur durch die beschriebene Form des Segels 13 angedeutet sind, einschließlich der hier nicht dargestellten Antriebsstange 18 und des Generators 22 jeweils eine Einheit, die mit der Bezugsziffer 25 bezeichnet ist. Diese Einheiten können alternativ oder zusätzlich auch im Dachbereich oder an den Außenwänden angeordnet werden, wobei letztere nach der Häufigkeit der jeweiligen Windrichtungen ausgewählt werden können. Die den Einheiten 25 jeweils zugeordneten Generatoren sind, was hier nicht dargestellt ist, auf einen elektrischen Energiesammler geschaltet, wobei die von den Generatoren 22 jeweils abgegebene Spannung gegebenenfalls noch gleichgerichtet wird.

Die Einheiten 25 können zum Beispiel auch an einem Gestell angeordnet werden, das selbst wie ein Segel um einen Mast schwenkbar ist. Hierdurch kann die Lage der Einheiten 25 an die jeweilige Windrichtung angepaßt werden.

Bezugsziffernliste:

10 Mast

11 Fuß

12 Tragarm

13 Segel

14 Spannschnur

15 Befestigungspunkt

16 Ldste

17 Lasche

18 Antriebsstange

19 Exzenterzapf'en

20 Antriebsrad

21 Welle

22 Generator

23 Pfeil

24 Rahmen

sung der Segel 13. Bei dem in F i g. 3 schematisch

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer nutzbaren Antriebsenergie aus der kinetischen Energie des Windes unter Verwendung eines vom Wind beaufschlagten aufgespannten Segels, dadurch gekennzeichnet, daß das Segel (13) zwischen zwei Aufspannpunkten (15) in einer zur Windrichtung zumindest ungefähr parallelen Richtung schwingfähig gehalten ist und daß am Segel (13) mindestens ein Übertragungselement (18) angreift, das die Schwingbewegungen des Segels (13) in eine hin- und hergehende translatorische Antriebsbewegung umsetzt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Segel (13) mit quer zur Aufspannrichtung verlaufenden Versteifungen in Form von Leisten (16) versehen ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Segel (13) mittels zweier an beiden Aufspannseiten im mittleren Bereich derselben angreifender Spannschnüre (14) drehelastisch aufgehängt ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschnüre (14) das Segel von einem Befestigungspunkt (11) zum anderen durchsetzen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die Spannschnüre (14) auch die Leisten (16) durchsetzen.

6. Vornvhtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segelfläche zwischen den Aufspannpunkten (15) einen angenähert schraubenknienf^rmig gewundenen Verlauf hat

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Aufspannrichtung verlaufenden Seitenkanten des Segels (13) einen wellenlinienförmigen Verlauf haben.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segelfläche zwischen zwei gleichen Punkten der Wellenform in einem Winkel bis zu etwa 180° um die Aufspannachse gedreht verläuft.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Übertragungselement mindestens eine Antriebsstange (18) vorgesehen ist, die etwa in Höhe der Aufspannachse am Segel (13) angreift.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsstange (18) zwischen zwei benachbarten Leisten (16) an den das Segel (13) durchsetzenden Spannschnüren (14) angreift.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spannschnüre (14) an derjenigen Stelle, an der die Antriebsstange (18) angreift, kreuzen.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsstange (18) in der Nähe eines Aufspannpunktes (15) am Segel (13) angreift.

13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsstange (18) einen elektrischen Generator (22) antreibt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß die Antriebsstange (18) an dem Exzenterzapfen (19) eines drehbar gelagerten Antriebsrades (20) angreift dessen Welle mit dem Generator (22) gekuppelt ist

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß die Antriebsstange (18) einen in einem elektromagnetischen Feld hin- und herbewegbaren Induktor antreibt

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzahl von schwingfähig aufgehängten Segeln (13) mit zugeordneten Übertragungselementen (18) und Generatoren (22)_ die auf einen gemeinsamen elektrischen Energiesammler geschaltet sind.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung auf einem Gestell, das um eine zumindest angenähert vertikale Achse drehbar ist