DE3636920C2 - Windkraftrotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ballon, vorzugsweise in Zylinderform, von beträchtlicher Höhe, welcher durch Wind in Rotation versetzt wird. Zwecks Gewichtsersparnis erhält der Ballon seine Stabilität gegenüber den Windkräften nur durch einen starken Innendruck, der durch ein beliebiges Gas erzeugt wird. Die Rotation des Ballons wird auf einen Generator übertragen. Der große Ballon soll es ermöglichen, gegenüber den in der Regel sehr schwachen Winden ein großes Hindernis zu bilden, welches bei seiner Umströmung zu einer Verstärkung des Windes an den Seiten führt. Ferner soll es bei einem völligen Fehlen des Windes aber dem Vorhandensein einer gewissen Sonneneinstrahlung zu einer Aufheizung der Flächen des Ballons kommen, die dann wiederum die die Flächen umgebende Luft erwärmen. Dieses soll entsprechend der langen Form des Ballons zu einem schlauchartigen, eng­ begrenzten Aufwindfeld führen, welches nach dem Wirkungs- und Entstehungsgesetz eines Tornados den Ballon in Rotation versetzt und auf diese Weise wiederum den Generator antreibt.

Es gibt vielfältige Möglichkeiten, die horizontale Kraft des Windes durch geeignete Konstruktionen von notwendigerweise großer Festigkeit in die rotierende Welle eines Generators zu leiten. Die bisherigen Konstruktionen, die sich mit gasgefüllten Ballons in Verbindung mit der Ausnutzung der Windenergie befassen, setzen die Ballons ein, um Windturbinen in große Höhen zu tragen und die dortigen Starkwindfelder auszunutzen, wie dieses die beiden Patente US-PS 42 07 026 und US-PS 40 84 102 beschreiben. Hierbei entsteht dann das Problem, daß die mechanische Wellenrotation der Windturbinen über weite Strecken auf die Erde übertragen werden muß, wobei ungelöste Gewichtsprobleme entstehen, da die für die Übertragung der Rotation verwendeten flexiblen Wellen wegen der auftretenden Torsionskräfte zu schwer konstruiert werden müssen. Manche Konstruktionen vermeiden die Übertragung der mechanischen Wellenkraft direkt auf die Erde, indem sie die Generatoren durch Ballons gleich mit in große Höhen schleppen, wie dieses in der "Süddeutschen Zeitung" vom 13./14. Oktober 1979 beschreiben wird. Alle diese Windkraftmaschinen erreichen nach dem bisherigen Standes der Technik keinen ausreichenden Nutzeffekt, was ihre Verbreitung zur umweltschonenden Energiegewinnung verhindert. Das leichte Medium des Windes entzieht sich der Verwertung durch schwere Konstruktionen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der Windkraft eine möglichst große Fläche entgegenzusetzen. Ferner soll der Rotor unabhängig von der Windrichtung arbeiten, so daß auch noch turbulente Windströmungen in Erdnähe ausgenutzt werden können. Außerdem muß die Erfindung ein Verfahren anbieten, welches es ermöglicht, gefundene optimale Konstruktionen beliebig zu vergrößern, um auch die Energieversorgung von Städten zu ermöglichen. Auch muß es zu erreichen sein, Aufwinde über von der Sonne er­ wärmten Flächen auszunutzen. Ferner muß das Bestreben dahin gehen, Starkwindfelder in mehreren Kilometer Höhe zu erreichen. Zuletzt muß über allen diesen Aufgaben die Anforderung stehen, daß die Investitionskosten pro kw Leistung bei einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit einen konkurrenzfähigen Preis ermöglichen.

Die beschriebenen Aufgaben lassen sich durch Konstruktions­ prinzipien herkömmlicher Art nicht lösen. Nur durch Gasdruck gestützte Folienkonstruktionen lassen sich bei geringstem Gewicht beliebig vergrößern. Erfindungsgemäß geschieht dies durch einen Ballon, vorzugsweise in Zylinderform, dessen Wandungen durch Luftdruck unter erheblicher Zugspannung stehen, um ein Einknicken der Konstruktion zu verhindern. Der Ballon wird senkrecht an Halteseilen aufgestellt. Es ist hierbei wünschenswert, den Zylinder im Verhältnis zum Durchmesser möglichst lang zu gestalten, um bei der eingesetzten Materialmenge in große Höhen vor­ stoßen zu können, da hier die höchsten Windgeschwindig­ keiten anzutreffen sind. Es gibt bei dem beschriebenen Prinzip der durch Gasdruck gestützten Folienkonstruktion keine Begrenzung der Größe. Aus diesem Grunde kann man hier zu Höhen von mehreren Kilometern kommen, falls es der Energiebedarf erfordert. Zunächst führt das Umströmen eines runden Körpers zu keiner Rotation. Wirksam ist der runde Körper aber dennoch, da die Strömung an den Seiten verstärkt wird. Sie trifft an den Seiten auf tan­ gential angebrachte Flächen. Die Flächen sind in Drehrich­ tung des Zylinders an ihrer vorderen Kante an diesem be­ festigt. Hierdurch kommt es an einem runden Körper bei den sich jeweils gegenüberliegenden Flächen zu einem unterschiedlichen Luftwiderstand, je nachdem ob sich die jeweilige Fläche dem Wind mit ihrer am Zylinder befestig­ ten Kante entgegengedreht, was einen geringeren Luftwider­ stand bedeutet, oder ob die Fläche mit ihrer freien Kante vom Wind getroffen wird, was einen größeren Luft­ widerstand verursacht. Hierdurch kommt es dann zu einer Drehung des Zylinders. Um die Drehung des aufrecht stehen­ den Zylinders um seine Längsachse zu ermöglichen, ist dieser an den beiden Enden der Achse drehbar gelagert. Das obere Lager hält den Zylinder an Seilen aufrecht, während das untere Lager auf einem Tisch angebracht ist, der auf dem Erdboden steht. Auf dem Tisch, durch eine Achse drehbar gelagert, steht der Zylinder. Da ein unter Gasdruck stehender Körper die Tendenz hat, evtl. geringe Undichtigkeiten zu erleiden, wird die untere Achse hohl ausgestaltet, um von Zeit zu Zeit Gas nachfüllen zu können. Die hohle Achse dient gleichzeitig auch als An­ trieb für den Generator. Bei der erfindungsgemäß beschrie­ benen Konstruktion wird es das Bestreben sein, zur Erzie­ lung eines tornadoähnlichen Aufwindwirbels die Höhe des Zylinders möglichst groß, wenigstens 1 km hoch auszulegen. In diesem Fall kann bei völliger Windstille allein durch die Erwärmung der Flächen des Zylinders durch die Sonne ein Aufwind entstehen, der naturgemäß bei ausreichender Stärke und schlauchartiger Begrenzung eine Wirbelstruk­ tur annimmt. Dieser Wirbel müßte den Zylinder zur Rotation bringen allein durch die Sonneneinstrahlung und bei sonst völliger Windstille. Man braucht hierzu nur ein möglichst starkes Aufwindfeld zu erzeugen, welches auf einen gerin­ gen Durchmesser konzentriert wird.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung läßt sich der Ballon mit einem Gas leichter als Luft füllen. In diesem Fall wird der Ballon nicht mehr durch Seile über ein oberes Lager gehalten, sondern das Gas hält den Ballon annähernd in der Senkrechten. Hierbei kann der Ballon eine beliebige Länge erreichen, die erst durch die Trag­ fähigkeit des Gases in großen Höhen begrenzt wird. Dieses hat den Vorteil, daß man auch Starkwindfelder in großen Höhen erreichen kann. Der Ballon treibt dann über ein Kardangelenk den Generator an. Eventuelle Leckagen in der Ballonwandung werden durch eine Gaszufuhr am Boden ausgeglichen, die oberhalb des Kardangelenks durch die hohle Antriebsachse erfolgt. Entsprechend der Windstärke neigt sich der Ballon zur Seite, so daß keine Überlastung entstehen kann.

Für den Fall, daß man unter Verzicht auf erdnahe Wind­ strömungen den Wind in großen Höhen verwerten will, wird man in einer weiteren Ausbildung der Erfindung den Ballon in große Höhen aufsteigen lassen. An Stelle der Fesselung durch ein Seil wird der Ballon durch einen dünnwandigen Schlauch aus Folie gehalten. Dieser Schlauch wird auf einen Druck von mehreren Atü aufgepumpt, wodurch eine Einschnürung durch Torsion verhindert wird. Auf diese Weise entsteht eine Welle, die es bei geringem Gewicht ermöglicht, die Rotation des hoch schwebenden Ballons auf einen am Boden installierten Generator zu übertragen. Die durch ein Gas leichter als Luft unter Druck stehende Welle muß nicht schwerer sein als ein Halteseil. Gasver­ luste des Ballons können über die Welle ausgeglichen werden. Die Welle ist gewissermaßen nichts anderes als ein hohl ausgestaltetes Halteseil. Zwar steht die Welle unter einem wesentlich höheren Druck als der Ballon, aber zwischen Welle und Ballon kann ein Reduzierventil angebracht werden, welches über einen flexiblen Schlauch den Ballon mit Gas versorgt. Zwischen Welle und Ballon befindet sich ein zweites Kardangelenk.

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht eines aufrecht stehenden zylinderförmigen Ballons 12, dessen Durchmesser aus Gründen der Anschaulichkeit größer gezeichnet ist als er später in der Praxis sein muß. Nr. 1 zeigt die Flächen, welche tangential angebracht, dem Antrieb durch den Wind dienen. Nr. 2 und 3 in Fig. 1 zeigen die beiden Lager des Ballons 12. Der Ballon steht auf dem Tisch Nr. 4 und treibt den Gene­ rator 5 über die hohle Achse 6 an. Die hohle Achse dient gleichzeitig der Gaszufuhr, um den Ballon 12 aufzupumpen und später eventuelle Gasverluste durch Undichtigkeiten auszugleichen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Ballon mit der Anordnung der Platten für den Antrieb.

Fig. 3 zeigt den Ballon nur noch einseitig am Boden ge­ lagert, während das freie Ende durch ein Gas leichter als Luft in große Höhen getragen wird. Nr. 7 zeigt die Zulei­ tung des Gases vom Boden aus und Nr. 8 das Kardangelenk.

Fig. 4 zeigt den Ballon 12 an der Hohlwelle 9 hängend. Die beiden Kardangelenke 8 unten und 10 oben am Ballon geben der gesamten Konstruktion die nötige Flexibilität. Über die flexible Leitung 11 wird der Ballon 12 mit Gas versorgt.

Claims (5)

1. Rotor für eine Windkraftmaschine, der als gasgefüllter Folienballon ausgebildet ist und einen am Boden befindlichen Generator antreibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ballon (12) schlauchartig ausgebildet ist und an seiner Hülle segelartige Flächen (1) aufweist, die mit jeweils einer ihrer Längsseiten tangential an der Ballonhülle befestigt sind.

2. Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein langer schlauchartiger Ballon (12) leichter als Luft mit einem Ende über ein Kardangelenk (8) einen Generator (5) antreibt, wobei das andere Ende frei schwebend in große Höhen reicht und dort von Starkwindfeldern angetrieben wird.

3. Windrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Antriebsachse (7) des Ballons (12) zum Nachfüllen von Gas bei Leckagen benutzt wird.

4. Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ballon (12), vorzugsweise in Zylinderform, drehbar in 2 Lagern (2) und (3) aufrecht am Boden gefesselt ist, wobei das untere Lager (2) sich auf einem Tisch (4) befindet und das obere (3) den Ballon an Seilen aufrecht hält.

5. Windrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Luft schwebender rotierender Ballon (12) seine Rotation über einen unter Druck stehenden dünnwandigen Schlauch (9) auf einen am Boden installierten Generator (5) überträgt.