DE4319823A1 - Alternative Windkraftnutzung durch geführte Auftriebsflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) in mechanische Arbeit. Die zur Zeit sich abzeichnende Nutzung der Windenergie in stationären Anlagen erfolgt ausschließ­ lich in solchen, bei denen der Wind Rotoren in Drehung versetzt (Prinzip der Windmühle). Die Achse des Rotors muß auf einen Mast gesetzt werden, der in der Lage ist, die gesamte Windkraft zu tragen. Durch die aufwendigen Fundamentierungen und den hochbelastbaren Mast, der in der Regel auch noch den in der Nähe der Rotorwelle angebrach­ ten Generator trägt, ergeben sich in vielen Fällen Investitionskosten, die einen rentablen Betrieb der Anlage verbieten. Da der Rotor während des Betriebs unveränder­ lich ist, bringt die Anlage unterhalb der Auslegungswind­ stärke nur einen Teil der möglichen elektrischen Leistung. Dies beeinträchtigt nicht nur die Wirtschaftlichkeit der Anlage sondern reduziert auch allgemein den Beitrag der Windenergie an der Energieerzeugung deutlich. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden.

Die Aufgabe wird durch ein Bündel von Maßnahmen, wie sie in den Ansprüchen niedergelegt sind, gelöst. Hierdurch wird erreicht, daß das Getriebe und der Generator immer ebenerdig aufgestellt und daß die der Windenergieumsetzung dienenden Flächen kurzfristig der herrschenden Windstärke angepaßt werden können.

Bei freiem Raum und Winden aus einer Hauptrichtung wird die Variante Horizontalanlage eingesetzt. Ein Lenkdrachen oder ein anderes Fluggerät bei dem der Auftrieb durch Um­ strömung einer Fläche erzeugt wird, führt Flugbewegungen in annähernd konstanter Höhe mehr oder weniger senkrecht zur Windrichtung aus. Nach Durchflug einer vorgegebenen Strecke geht das Fluggerät immer wieder auf Gegenkurs. Die Leine, mit dem z. B. der lenkbare Fallschirm gefesselt ist, übt eine Kraft auf einen beweglichen Punkt am Boden aus, dessen Bewegung wiederum mit geeigneten Mitteln, z. B. einem über Umlenkrollen laufenden endlosen Seil, einen Generator antreibt.

Sind die räumlichen Verhältnisse eher beengt, so ist die Variante Vertikalanlage geeigneter. Hier vollführt das ge­ fesselte Fluggerät einen Aufstieg wie er vom Drachen her bekannt ist auf den dann ein in der Regel rascher Abstieg folgt und so weiter. Die im Haltegeschirr wirkende Kraft, z. B. die Zugkraft während des Aufstiegs bei Fesselung mit­ tels einer Leine, kann wieder zur Leistung von Arbeit z. B. zum Antrieb eines Generators genutzt werden. In diesem Fall wird die Leine während des Abstiegs verkürzt, z. B. auf eine Trommel aufgewickelt, von der es dann während des Aufstiegs wieder gegen den Widerstand der Nutzeinheit ab­ gewickelt wird. Durch Kupplungen wird die Trommel sowohl mit der Nutzeinheit als auch mit der für das Aufwickeln notwendigen Antriebseinheit, sofern diese Arbeit nicht durch eine Spiral- oder Gummifeder oder einen anderen Energiespeicher oder durch Umschalten der Antriebseinheit von Generator- in Motorbetrieb verrichtet wird, verbunden.

Die Abdrift des Fluggeräts beim Aufstieg ist nachteilig, da sich dadurch die effektive Windgeschwindigkeit reduziert. Durch ein zweites in Windrichtung ausgebrachtes Seil, das Führungsseil, läßt sich die Abdrift unterdrüc­ ken. Der Aufstieg erfolgt jetzt auf einem Kreisbogen, dessen Mittelpunkt der Fußpunkt des Führungsseil ist, und die Windgeschwindigkeit nimmt zu statt ab. Durch Verlän­ gern des Führungsseils während des Aufstiegs des Flugge­ räts läßt sich aber auch ein senkrechter Aufstieg der Ar­ beitsfläche erreichen. Ändert der Wind allerdings seine Richtung bedeutend (<120°) muß das Führungsseil neu verlegt werden, was aber durch Arbeiten mit aktiven und passiven Führungsseilen automatisch erledigt werden kann.

Anstelle des Führungsseils mag auch eine Führungsstange verwendet werden. Die Führungsstange verhindert wie das Führungsseil die Abdrift des Fluggeräts, das dazu in einer Schiene der Führungsstange geführt wird oder an einem Schlitten gebunden ist, welcher wiederum die Führungs­ stange entlang läuft. Da die Führungsstange das Biegemoment aus dem Luftwiderstand der Auftriebsfläche aufnehmen muß, wird das Widerstandsmoment der Führungs­ stange durch Versteifungen und geeignete Abspannungen zum Fußpunkt hin erhöht. Zur Verhinderung von Überlasten kann vorgesehen werden, die Steighöhe des Fluggeräts mit zunehmender Windstärke zu reduzieren. Die Verwendung einer Führungsstange erlaubt zusätzlich Energie in der Abstiegs­ phase der Auftriebsfläche zu erzeugen, und zwar über ein Seil, das über eine Umlenkrolle in der Nähe der Spitze der Führungsstange läuft oder durch Schubstangen. Um die Knickkraft aus der Last beim Abstieg zu reduzieren, ist die Umlenkrolle mit Hilfe einer Klemmung an der Führungs­ stange befestigt. Bei stärkeren Winden und niedrigen maxi­ malen Steighöhen der Auftriebsfläche kann durch Absenkung der Klemmung eine kleinere Knicklänge erreicht werden. Eine Umlenkrolle kann auch genutzt werden, um das Gewicht der Auftriebsfläche und das eines eventuell aufmontierten Generators auszugleichen, so daß auch schwache Winde nutzbar werden. Eine Optimierung des Flächenträgheitsmo­ ments der Führungsstange wird möglich, wenn die Führungs­ stange drehbar ist. Die Ausrichtung zum Wind kann durch eine Windfahne erfolgen. Geeignete kinematische Getriebe können als Muster für alternative Bauformen herangezogen werden.

Alternativ zur vertikalen Flugbewegung ist auch eine weitgehend horizontale möglich. Hierbei wird das Fluggerät so gesteuert, daß es sich in Windrichtung gesehen seitwärts vom Haltepunkt entfernt und dabei Arbeit leistet. Sobald eine geeignete Strecke durchflogen wurde, geht das Fluggerät auf Gegenkurs und wird jetzt wieder zum Haltepunkt zurückgezogen. Ist der Haltepunkt erreicht, kann jetzt über diesen hinaus zur anderen Seite weiterge­ flogen und wieder Arbeit abgenommen werden oder gewendet und unter Arbeitsleistung auf Gegenkurs gegangen werden. Auch aus einer Mischung von horizontaler und vertikaler Flugbewegung kann Arbeit entnommen werden.

Durch Verwendung von mehreren Fluggeräten zum Antrieb einer Nutzeinheit kann eine kontinuierliche Arbeitsleistung er­ reicht werden. Eine konstante Leistungsabgabe wird durch Anpassung der Fluglage der Fluggeräte erreicht.

Die Steuerung der Fluglage der Fluggeräte erfolgt durch eine in der Regel am Boden befindliche Elektronik, die die von Lagesensoren ermittelte Fluglage des Geräts kontrol­ liert und gegebenenfalls verändert indem Steuerflächen am Fluggerät positioniert werden wobei auch noch das zu absolvierende Programm beachtet wird. Durch diese Einheit werden z. B. auch die Arbeit der Aufwickelanlage und die Arbeit der Kupplungen mit der Fluglage des/der Flugge­ räte/s synchronisiert.

Die Steuerung des Fluggeräts erfolgt durch Verkürzen und Verlängern geeigneter Leinen des Geschirrs und eventuell durch zusätzlich wirkende Steuerflächen oder nur durch Steuerflächen am Fluggerät. Um z. B. den Abstieg des Fluggeräts einzuleiten wird z. B. der wirksame Ankerpunkt des Geschirrs nach vorne zur Spitze des Fluggeräts hin verschoben.

Die Anpassung der Anlage an die Windgeschwindigkeit erfolgt durch Tauschen der Fluggeräte oder durch Vergrö­ ßern bzw. Verkleinern der aerodynamisch wirksamen Flächen.

Die beiliegenden Skizzen erläutern die gemachten Ausführungen. Fig. 1 zeigt das Grundkonzept des Erfindungsgedankens; dargestellt ist die Variante Vertikalanlage. Fig. 2 deutet die in der Segelei übliche Seilführung über eine Winsch an. Die dargestellte Welle überträgt die Seilkraft als Drehmoment auf die Arbeitseinheit. Das Aufwickeln des Seils erfolgt auf einer getrennten Einheit. Fig. 3 stellt die Erfindung unter Verwendung einer Führungsstange dar. Auf Einzelheiten der Darstellungen wird in den Ansprüchen eingegangen.

Claims (27)

1. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkraft eines gefesselten Fluggeräts (1), das geeignete Flugbewegungen ausführt, zum Antrieb eines Ar­ beitsgeräts genutzt wird.

2. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Flugbewegungen abwechselnd zu ei­ ner Verlängerung und Verkürzung der Fesselung (2) führen.

3. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fesselung ein geeignetes Gerät (3) bewegt, dessen Bewegung zum Antrieb eines Arbeitsgerätes (4) genutzt wird.

4. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Fluggerät (1), nachdem es eine be­ stimmte Strecke durchflogen hat, auf Gegenkurs geht.

5. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Fluggerät (1) ein Flugzeug mit und ohne Antrieb ist, einer Flugzeugtragfläche gleicht oder ein Nurflügler ist, ein Drachen oder ein Gleitfallschirm oder ein Rogalloflügel oder ein Segel oder ein Segelfallschirm ist.

6. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitseinheit (4) elektrischen Strom erzeugt.

7. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fesselung (2) teilweise durch ein flaches Webband erfolgt.

8. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß für die Fesselung (2) auch der Werkstoff Kevlar eingesetzt wird.

9. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fluglagen der Fluggeräte durch Rechner gesteuert werden.

10. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß die Fluglagen durch Verstellen der Fesselung und/oder durch Steuerflächen am Fluggerät eingeleitet und gehalten werden.

11. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß der Sinkflug durch Verschieben des Haltepunkts der Fesselung zum Bug des Fluggeräts hin, z. B. entlang einer Gleitschiene (5), erfolgt.

12. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Energieausbeute die Fesselung aus einem oder mehreren Ar­ beitsseilen und einem oder mehreren Führungsseilen (6), welche die Abdrift des Fluggeräts verhindern, besteht.

13. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß, um den Sinkflug einzuleiten, bei Verwendung eines Gleitschirms die Vorderkante des Gleitschirms belastet oder zusammengezogen wird.

14. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß die Arbeitsleistung durch Abwickeln eines Seils von einer Trommel oder Welle (3), welche die Arbeitseinheit antreibt, erfolgt.

15. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 14 da­ durch gekennzeichnet, daß das Seil wie bei einer Winsch (Fig. 2) mehrfach um die Trommel oder Welle (7) geschlungen ist und zur Arbeitsleistung unter Spannung abgezogen wird.

16. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß das Führungsseil (6) zusätzlich als Arbeitsseil genutzt wird.

17. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß Flughöhen vorzugsweise über 10 Meter gewählt werden.

18. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Fluggeräte auf eine Ar­ beitseinheit wirken.

19. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß anstelle des Führungsseils nach Anspruch 12 eine Führungsstange (8) verwendet wird.

20. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmoment der Führungsstange (8) zur Spitze hin abnimmt.

21. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß um Überlastungen der Führungsstange zu vermeiden, die Aufstiegshöhe der Auftriebsfläche (9) an der Führungsstange mit zunehmendem Wind begrenzt wird.

22. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß die Auftriebsfläche (9) eine Flügeltiefe von weniger als 20% des maximalen Abstands der Umkehrpunkte bei Auf- und Abstieg hat.

23. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbenpumpe angetrieben wird.

24. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß auch im Abwärtshub Arbeit gewonnen wird, und zwar durch Umkehr des Anstellwinkels der Arbeitsfläche und Umlenkrollen.

25. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Arbeitsfläche durch ein Gegengewicht ausgeglichen wird.

26. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 und 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Energie durch einen an der Führungsstange (8) angebrachten elektrischen Linearmotor gewonnen wird.

27. Verfahren und Geräte zur Umwandlung der Energie der sich bewegenden Erdatmosphäre (Wind) nach Anspruch 1 da­ durch gekennzeichnet, daß die Energie durch Schleppen ei­ nes Radfahrzeugs gegen den Widerstand des Generators ge­ wonnen wird.