DE3209368A1

DE3209368A1 - Einrichtung zur windenergiegewinnung

Info

Publication number: DE3209368A1
Application number: DE19823209368
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 7014 Kornwestheim Höfgen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-03-15
Filing date: 1982-03-15
Publication date: 1983-09-22

Description

Einrichtung zur Windenergiegewinnung
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Windenergiegewinnung wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Eine solche Einrichtung ist aus der wie >4 37 003 bekannt.
Das dort beschriebene Großwindkraftwerk arbeitet mit sich periodisch bewegenden großen Tragflügelballonen. Die Tragflügelballone sind hierbei so gestaitet, daß die Windströmung durch entsprechende Formgebung einen senkrecht zur Stromungsrichtung wirkenden Auftrieb oder Abtrieb erzeugt.
Die Hubarteit während der Auftriebsperiode wird über Zugseile auf Schöpfbehalter eines Pumpspeicherwerks übertragen. Die maximale Arbeitshöhe wird mit 500...1200 m angeyeben.
Die Nutzung der Windströnsung in Form von Auftrieb an Tragflügeln ist eine indirekte Art. Wegen des hiermit verbundenen geringen Wirkungsgrades müssen große Flächen verwendet und komplizierte Steuerungen eingesetzt werden, um Leistungen von wirtschaftlicher Bedeutung zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Einrichtung zur Windenergiegewinnung anzugeben.
Dii, Lösung der Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln.
Vortei Tttiaf'te Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung nutzt den horizontal zur Erdoberfläche strömenden Wind direkt, indem ein Wi ndSeU-el annähernd senkrecht zur Wind richtung ausgerichtet wird, so daß die Windkraft voll auf dieses Segel wirkt. Dies ermöglicht eine sehr gute Ausnutzung der Windenergie. Ober Zugseile wird die horizontal wirkende Kraft zum Erdboden übertragen und treibt dort einen Generator zur Energiegewinnung an. Auf die Arbeitsperiode, während der sich das Segel vom Aufpunkt am Boden (dem Standort des Generators) entfernt, um Arbeit zu leisten, folgt eine Ruheperiode, während der das Segel ohne nennenswerten Arbeitsaufwand in die Ausgangsposition zurückgeholt wird. D. h., das Segel wird für den Rückholvorgang inaktiv gemacht.
Es ist von besonderem Vorteil, daß das Segel auch in größere Höhen gebracht werden kann und die Windströmung dort direkt und damit mit gutem Wirkungsgrad yenutzt wird. In größeren Höhen sind die Windverhältnisse beständiger als in niedrigen Höhen. Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung trägt wesentlich zum wirtschaftlichen Nutzen bei. Das gilt in besonderem Maße für das Segel. Ein eventueller Ersatz eines verlorengegangenen Segels verursacht keine nennenswerten Kosten.
Mit einer Weiterbildung der Erfindung, bei der ein Schwungrad verwendet wird, erreicht man einen besonders gleichmäßigen Antrieb des Generators.
Es ist außerdem möglich, die zum Rückholen des Segels benötigte Energie dem Schwungrad zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Windenergiegewinnung wird nachfolgend anhand von Abbildungen beispielsweise näher erläutert. Es sind: Fig. 1, eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Windenergiegewinnung, Fig. 2, eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise, Fig. 3, eine Skizze des prinzipiellen Aufbaus der Bodenstation, Fig. 4, eine Energiebilanz für Arbeits- und Rückholtakt 1 : 1 und Fiy. 5, eine Energiebilanz für Arbeits- und Rückholtakt N:l mit N >1.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Windenergiegewinnung. Es ist ein dreieckförmiges Segel 2 vorgesehen, dessen Enden von einem mechanisch starren Rahmen 6, 7, 8 gehalten werden. Das Segel wird so der Windströmung ausgesetzt, daß eine seiner Spitzen 5 in Richtung, zum Erdboden 100 zeigt. An den beiden oberen Spitzen 3, 4 sind Seile 12, 13 befestigt, die an einem Knotenpunkt 101 miteinander verbunden sind. Der Knotenpunkt 101 und die untere Spitze 5 sind über ein erstes Zugseil 9 bzw. ein zweites Zugseil 11 mit einer Bodenstation 10 verbunden.
Bei der Inbetriebnahme der Einrichtung zur Windenergiegewinnung muß das Segel zunächst einmal in die Arbeitsstellung gebracht werden. Gemäß einer Weiterbildung erreicht man dies, indem man einen kleinen gasgefüllten Ballon 1 vorsieht, der über Seile mit den beiden oberen Spitzen 3, 4 des S + verbunden ist. Dadurch wird nicht nur erreicht, dai; claus Segel auch bei Windstille in der Luft gehalten wird, sondern auch, dat man es in höhere Luftschichten (z. B. 300 bis 1000 m), in denen konstantere Windverhältnisse herrschen, bringen kann.
Der Betrieb der Einrichtung zur Windenergiegewinnung setzt sich aus einem Arbeitstakt und einem RUckholtakt zusammen. Um aus der auf das Segel wirkenden Windkraft Energie gewinnen zu können, muß diese Kraft während des Arbeitstaktes längs eines Weges wirken kötinen. Das geschieht dadurch, daß Inan die Zugseile 9, 11 beispielsweise von je einer Trommel abrollen läßt, wodurch ein elektrischer Generator angetrieben wird. Der Arbeitsrakt, während dessen die Windenergie in elektrische Energie umgesetzt wird, ist dann zu Ende, wenn eine vorgegebene Länge der Zugseile von den Trommeln abgerollt ist. Während des folgenden Rückholtaktes werden die Zugseile wieder auf die Trommeln aufgewickelt, wodurch das Segel in die Ausgangsstellung zurückgebracht wird. Für den Arbeitstakt wird das Segel so ausgerichtet, daß es dem Wind eine möglichst große Angriffsfläche bietet, während beim Rückholtakt die Angriffsfläche möglichst klein sein soll. Dies erreicht man durch verändern der Längendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zugseil. Die nutzbare Energie ist somit die Energie-Differenz zwischen Arbeits- und Rückholtakt.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 gelangt das Segel während des Arbeitstaktes von einer Anfangslage A zu einer Endlage E. Die Zugseile 9, 11, die das Segel 2 mit der Bodenstation 10 verbinden, weisen eine gewisse Neigung (Elevationswinkel # ) gegenüber der Horizontalen auf, um die notwendige Arbeitshöhe von etwa 300...1000 m für das Segel zu erreichen. Der El evationswinkel wird möglichst klein gewählt, weil die Windkraft Pw horizontal auf das Segel wirkt. Die in das Zugseil übertragene Kaft Pz ist folglicii: k w cos Der Sch1u;)ff,tktor k (k *1) berücksichtigt die Verminderung der Zugkraft infolge des Fortbewegens des Windsegels während der Arbeitsperiode. Als günstiger Kompromiß dürfte ein Elevationswinkel von etwa 15"...20' anzusehen sein, denn hierbei werden etwa 95 '; der horizontalen Windkraft in den Zugseilen wirksam. Hieraus ergbit sich eine Arbeitslänge von etwa 1000 m (Anfangslage) bis etwa 31)00 m (Endlage).
Der prinzipielle Aufbau der Bodenstation und die Steuervorgänge werden anhand von Fig. 3 näher erläutert. In diesem Beispiel sind die beiden Zugseile 9, 11 zu getrennten Trommeln 15, 16 geführt, auf denen sie abwechselnd abgewickelt (Arbeitstakt) und aufgewickelt (RUckholtakt) werden. Die beiden Trommeln 15, 16 sind über ein Ausgleichsgetriebe 14, wie es bei Kraftfahrzeugen verwendet wird, miteinander verbunden. Ein Stellmotor 17, beispielsweise ein Schrittmotor, dessen Funktion weiter unten erlautet wird, befindet sich während des Ab- oder Aufrollens üblicherweise im Ruhezustand, so daß die beiden Trommeln infolge der Kraftübertragung über die Kegel räder gegensinnig mit derselben Geschwindigkeit umlaufen. Dementsprechend sind die Zugseile 9, 11 gegensinnig auf den Trommeln 15, 16 aufgewickelt. Die Drehbewegung der Trommeln 15, 16 wird über ein Getriebe 19, das der Drehzahlübersetzung und Drehrichtungsänderung dient, auf den Generator 21, der elektrische Energie erzeugt, übertragen. Auf derselben Achse kann zweckrr,äßigerweise zwischen Getriebe 19 und Generator 21 ein Schwungrad 20 angeordnet werden, das als Energiespeicher wirkt. Infolge seiner Trägheit gleicht es die Schwankungen der Windkraft aus. Auch kann ihm die Energie zum ZurUckholen des Windsegels entnommen werden.
Die Steuervorgänge für den Arbeits- und den Rückholtakt laufen tolgender-@@@en ab: Zu Beginn eines jeden Arbeitstaktes sind die Zugseil 9, 11 gegensinnig ajf den Trommeln 15, 16 aufgewickelt. Ein Drehmomentsensor 13 mißt, beispielsweise als @orsion der Antriebswelle, das Drehmoment, das der Summe der Zugkräfte in den Zugseilen 9, 11 proportional ist. Das Sensorsignal wird einem Regler 23 zugeführt, der den Stellmotor 17 steuert. Der Eingriff des Stellmotors 17 in das Ausgleichsgetriebe 14 bewirkt eine gleichsinnige Drehung der Trommeln und damit eine gegenseitige Längsverschiebung der Zugseile 9, 11, wodurch die Windangriffsfläche des Segels 2 verändert wird. Zu Beginn und auch während des Arbeitstaktes betätigt der Regler 23 den Stellmotor 17 solange, bis das mit dem Sensor 18 gemessene Drehmoment ein Maximum ist. Damit ist eine optimale Ausnutzung der Windkraft während des Arbeitstaktes gewährleistet.
Das Ende des Arbeitstaktes wird mit Hilfe eines Zählers 22, der die Trommelumdrehungen registriert, ennittelt. Ein entsprechendes Signal steuert den Regler 23 und das elektromechanische Stellglied 24, beispielsweise einen Hubmagnet, das die Drehrichtungsumkehr im Getriebe 19 auslöst. Durch die Drehrichtungsumkehr beginnt der Ruckholtakt mit dem Aufrollen der Zugseile 9, 11. Gleichzeitig bewirkt der Eingriff in den Regler 23, daß jetzt der Stellniotor 17 solange betätigt wird, bis durch die damit verbundene Längsverschiebung der Zugseile 9, 11 das Drehmoment zu einem Minimum geworden ist. In diesem Zustand, der gegebenenfalls durch Nachregeln aufrechterhalten wird, wird das Segel 2 in rlie Ausgangsposition zuriickgeholt.
Der Ruckh@ltakt kann ebenso lang wie der Arbeitstakt oder kUrzer sein.
Sul i der RUckholtakt kürzer als der Arbeitstakt sein, so nuL im Getriebe 19 iii le Drehrichtungsumkehr gleichz£itig dds Obersetzung: ;erna'ltnis entsprechend geändert werden Der Energiegewinn resultiert aus der 1 äiitjs des Arbei tsweqes vorhandenen Zugkraft, die durch Wirkung der Windströmung auf das Segel während des Arbeit's;taktes zustandekommt. Hiervon abzuziehen ist der entsprechende Aufwand für das Rückholen des Segels während des Rückholtaktes. Fig. 4 zeigt die entsprechende Energiebilanz für einen vollständigen Zyklus, bestehend aus Arbeitstakt und Rückholtakt. In diesem Beispiel beträgt das Zeitverhältnis 1 : : 1 für Arbeits- und Rückholtakt.
Es kann technisch günstiger sein, den Rückholtakt wesentlich schneller ablauten zu lassen als den Arbeitstakt. Fig. 5 zeigt ein solches Beispiel.
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Claims

Patentansprüche e Eiflr4chtung zur Windenergiegewinnung, bei der die Windkraft auf einen großflächig ausgebildeten Körper wirkt, wodurch dieser Körper während eines Arbeitstaktes von einem stationären Bezugspunkt wegbewegt wird, und bei der dieser Körper während eines Ruhetaktes in Richtung des Bezugspunktes zurückbewegt wird, wobei der Körper zur Zurückbewegung so verändert wird, daß die zum Zuriickholen notwendige Energie kleiner ist als die Energie, die während der Wegbewegung gewonnen wird, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t , daß der großflächig ausgebildete Körper ein Segel (2) ist, das über Zugseile (9, 11) mit einer Bodenstation (10), in der die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie erfolgt, verbunden ist und daß die Längen der Zugseile relativ zueinander so gesteuert werden, daß die Windeinwirkung wdhr g des Arbeitstaktes angenähert maximal und während des Rückholtaktes angenähert minimal ist.
2. Einrichtung zur Windenergiegewinnung 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 das Segel mit einem gasgefüllten Ballon verbunden ist.
3. Einrichtung zur Windenergiegewinnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zugseile (9, 11) in der Bodenstation auf Trommeln aufgewickelt werden und daß mindestens eine der Trommelachsen einen Generator antreibt.
4. Einrichtung zur Windenergiegewinnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h gek e n n z ei c h ne t , daß die Zugseile (9, 11) in der Bodenstation in entgegengesetzter Richtung auf Trommeln (15, 16) aufgewickelt werden, daß die Achsen der Trommeln über ein Differential (14) miteinander verbunden sind und daß die Trommelachsen einen Generator (21) antreiben.
5. Einrichtung zur Windenergiegewinnung nach Anspruch 3 oder 4, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Antrieb des Generators (21) über ein Getriebe (19) erfolgt.
6. Einrichtung zur Windenergiegewinnung 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 eine erste Steuereinrichtung (22, 24, 19) vorgesehen ist, die nach dem Abwickeln bzw. Aufwickeln der Zugseile zwischen Arbeits- und Rückholtakt umschlltet urd daß eine zweite Steuereinrichtung (18, 23, 17) vorgesehen ist, die die relative Lage der beiden Zugseile zueinander so steuert, dd die Windeirwirkung auf das Segel während des Arbeitstaktes angenähert niaximal und während des Rückholtaktes angenähert minimal ist.
7. Einrichtung zur Windenergiegewinnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Achse des Generators mit eine; Schwungrad (20) verbunden ist.