WO2007076825A1 - Windkraftanlage mit flettner-rotor - Google Patents

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WO2007076825A1
WO2007076825A1 PCT/DE2006/002280 DE2006002280W WO2007076825A1 WO 2007076825 A1 WO2007076825 A1 WO 2007076825A1 DE 2006002280 W DE2006002280 W DE 2006002280W WO 2007076825 A1 WO2007076825 A1 WO 2007076825A1
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flettner
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wind turbine
flettner rotor
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PCT/DE2006/002280
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Rolf Kind
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Magnus Rotor Solar Systems Ltd.
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    • F03D3/005—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being vertical
    • F03D3/007—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being vertical using the Magnus effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/10—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power including a supplementary source of electric power, e.g. hybrid diesel-PV energy systems
    • H02S10/12—Hybrid wind-PV energy systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
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    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the invention relates to a wind turbine with at least one Flettner rotor, which is mounted rotatably in a mounted position with its axis of rotation perpendicular to a movable base, a drive means for rotating the Flettner rotor and an energy conversion device for converting the energy that can be generated by the Flettner rotor, wherein the Flettner- rotor with the aid of a guide device for guiding and Ab- support the base and / or the Flettner rotor through the base over a circumferential path and in installation position is moved horizontally and wherein the Flettner rotor over at least a portion of its travel of A flow of wind can be flowed around in such a way that, under rotation of the Flettner rotor, a transverse force based on the so-called Magnus effect can be generated in the direction of movement.
  • Such a wind turbine is described in DE 40 33 078 Al, according to which one or more, each equipped with a Flettner rotor car, so-called Flettner cars are moved over a rail circle, the car axle for generating electrical energy with a generator coupled and the rails act as a pantograph.
  • Flettner cars are moved over a rail circle, the car axle for generating electrical energy with a generator coupled and the rails act as a pantograph.
  • the invention is therefore based on the object to provide a wind turbine of the type mentioned, which effectively counteracts the disadvantages mentioned above.
  • the stated object is achieved according to the invention in that the base is a structural unit, that the base extends over the entire circumferential travel path and that the base has a main extension plane, which is arranged horizontally in the installation position of the base.
  • the main extension plane of the base are approximately parallel and thus the Flettner rotor approximately perpendicular to incoming winds.
  • the base unit is much more stable thanks to the structural unit and can more easily absorb drag forces from the wind flow on the Flettner rotor and compensate for centrifugal forces as a result of the travel path method.
  • a preferred arrangement of two Flettner rotors evenly spaced from each other over the travel path has the advantage that, with respect to the Flettner rotors method, the wind flow resistance of one Flettner rotors can be compensated by that of the other.
  • a preferred arrangement of at least three Flettner rotors is considered to be more advantageous, which are arranged uniformly spaced from one another via the travel path on the base.
  • the direction of rotation of the Flettner rotor is reversible.
  • the Flettner rotor can be driven in a known manner in the direction of rotation for generating the transverse force, which points at least with a component of force component in the respective current direction of travel of Flettner rotor over the revolving path.
  • the reversal of the direction of rotation of the rotor should expediently take place in the sections of the circulating travel path in which the component of force component in the direction of travel lies in an amount interval around zero.
  • the base may be formed, for example, as a self-contained band.
  • the band can be formed by links that are hinged together at their ends in the direction of travel.
  • the travel path can for this purpose have a shape equal to a stadium track with two parallel, straight sides, which are each connected to each other at the end via a circular arc.
  • the travel and the base may have a circular shape, wherein the base is rotatably disposed about its center point. That is, the travel can be described by a circumferential point of the base.
  • the Flettner rotor is preferably arranged on an outer radius of the base, so that the transverse force generated exerts a large leverage torque possible on the base and has a correspondingly large relative speed to the ground on which the base is arranged.
  • the base has overall equal generation conditions for the lateral force by the Magnus effect.
  • the base may be formed in a particularly simple construction of the wind turbine as a disc, wherein the at least one Flettner rotor is disposed on an outer, the travel path forming radius.
  • the disc should be rotatably mounted about its central axis.
  • the disc may have a wheel-like construction with an outer ring on which the Flettner rotors are arranged, a rotating center and a ring and turning center connecting bar or apertured area.
  • the base can be rotatably mounted in its circle center.
  • the base may be formed in another embodiment as a rotatably mounted ring, which preferably also represents the travel path.
  • a rotatably mounted ring which preferably also represents the travel path.
  • the guide device is designed as a linear guide with a guide rail, which, arranged on a base, base or foundation runs over the entire travel path and on which the base is slidably mounted.
  • linear means the extension in the direction of a path, ie, in relation to the linear guide, in the direction of the travel path.
  • the base may also have a guide rail extending in the installed position below the base, the extends into a running over the travel recording and is mounted in this displaceable.
  • the guide rail extends in the installed position below the or the arranged Flettner rotors.
  • the load can be transmitted by the Flettner rotors or forces directly without torque on the guide, which is particularly advantageous in an annular base.
  • the guide rail can also be designed to absorb the load transmitted by the base.
  • the base may also preferably be mounted in a turning center and receive there some or all of the load passed through the base.
  • the guide rail can be provided with at least one rail head.
  • the base may have on its side facing the guide rail a receptacle for the rail head, which at least on a plurality of, preferably evenly spaced from each other, the rail head over the travel path Sections, but preferably over the entire travel path, at least partially encloses from all sides.
  • the guide may preferably have a roller system for supporting and rolling assisted displacement of the base on the guide rail.
  • a roller system for supporting and rolling assisted displacement of the base on the guide rail.
  • cylindrical rollers may be provided which are each arranged with its axis of rotation perpendicular to the direction of travel and preferably on all side surfaces of the rail head and at regular intervals over the travel path.
  • the receptacle and rail head can be provided with a wear-resistant surface coating.
  • a lubricant film arranged between the receptacle and the rail head can be provided.
  • the guide can be arranged in the installed position in a trench, from which protrudes at least the Flettner rotor with a wind-effective rotor surface.
  • the energy generated by the movement of the base can for example be supplied to a consumer, for example a feed pump, by direct mechanical means.
  • the mechanical energy can also be converted into heat energy via an energy conversion device, for example, by rotating two cylinders immersed in a fluid and arranged concentrically with one another in opposite directions, so that the fluid is heated by liquid friction.
  • an energy conversion device for example, by rotating two cylinders immersed in a fluid and arranged concentrically with one another in opposite directions, so that the fluid is heated by liquid friction.
  • a generator device with an electric generator for converting the mechanical energy that can be generated by the Flettner rotor is provided.
  • the generator is designed as a linear generator, which extends over the extending circumferential path.
  • the movable part of the generator on the base and the static part of the generator should be arranged on a base in such a way that both parts are in operative connection with one another via the circulating travel path.
  • the linear generator may advantageously be integrated in the linear guide and thus at the same time be arranged protected in it.
  • on and / or in the base magnets preferably permanent magnets, for magnetic field generation and / or in the guide rail induction windings are arranged so that an induction current can be generated by moving the base over the travel in the induction windings.
  • the induced current can be removed via the guide rail without abrasive contact.
  • the induction windings can be designed as induction loops lying essentially in the main extension plane, which are arranged with their non-curved regions perpendicular to the direction of travel.
  • the magnetic field generated by the magnets should be perpendicular to the main plane of extension.
  • the energy conversion device may additionally or solely comprise a generator with a rotor whose rotor axis of rotation is equal to the axis of rotation of the base and fixed to the Base is connected or which is drivable via a translation by the movable base.
  • the rotor may preferably be designed as a hollow cylinder with magnets, preferably with permanent magnets, for field excitation, while the rotor arranged in the stator is firmly connected to the ground and carries the induction winding or coils.
  • the drive device preferably has an electric motor, which can also be used as a generator when the function is reversed is. As a result, the rotational energy of the Flettner rotor can be converted into electrical energy when the Flettner rotor is decelerated.
  • an electric motor which can also be used as a generator when the function is reversed is.
  • the rotational energy of the Flettner rotor can be converted into electrical energy when the Flettner rotor is decelerated.
  • other types of engines can be used.
  • Electricity is thus generated via the photovoltaic, which can be used directly via an appropriate control for the operation of the drive, so that the wind turbine can be operated completely self-sufficient by additional equipment such as diesel generator or the like. Thanks to this independence, the wind turbine can also be used in remote areas.
  • Solar cells of recent type may be designed to be robust enough to cover the outer skin of the Flettner rotor, i. Forehead and / or lateral surfaces, at least partially can form.
  • bendable thin-film solar cells may be used which, for example, may be mounted over the outer jacket of conventional Flettner rotors.
  • the rotor shell can also be constructed, at least in segments or in rings, from the stable and thus less flexible or inflexible modules or from the corresponding solar cells.
  • the solar cells are protected at the same time. There is no need to expand the size in comparison to a conventional Flettner rotor.
  • the jacket of the Flettner rotor should be light-permeable at least in its region covering the solar cells.
  • the free in operation end face of the Flettner rotor may be formed transparent at least in their radially outer regions.
  • the solar radiation to the solar cells can be further increased.
  • the photovoltaic system can thus be installed in existing Flettner rotors.
  • the drive means may be formed by a DC motor for the rotary drive of the Flettner rotor.
  • the solar cells are preferably arranged on the outside of a core in the Flettner rotor.
  • the core should form a solid support for the solar cells.
  • the longitudinal axis of the core should be equal to the axis of rotation of the Flettner rotor.
  • the core should have a round or polygonal cross-section.
  • a highly symmetrical core is proposed as a carrier for the solar cells, whereby the possible circumferential arrangement and orientation of the solar cells can be symmetrical and equal, so that the same generation conditions can be created over the circumference for the generation of electric current via the solar cells.
  • the cross section of the core is circular.
  • the core may be formed as a cylinder whose shell is arranged parallel to the jacket of the Flettner rotor.
  • the core can be formed prismatically or conically tapered upwards in its operating position over its height.
  • the solar cells can be arranged in the operating position in a more favorable angle to the sun on the core, whereby the performance of the photovoltaic system can be increased.
  • the core can be formed as a truncated pyramid in prismatic taper as a truncated pyramid or conical taper.
  • the core may have an opening angle formed between the central axis and the side surface, which is variable.
  • the solar cells arranged on the core can be optimized with regard to their orientation in accordance with a current or a mean position of the sun determined by the geographical position.
  • the core may preferably be rotationally fixed relative to the base, ie, the Flettner rotor is around the static core rotates. It would be advantageous if the solar cells extend over at least a height section over the entire circumference of the core.
  • the static storage of the core the generated electrical energy can be fed without sliding contacts in the motor for driving the Flettner rotor and / or in a memory.
  • In a non-rotating storage of the jacket of the Flettner rotor should be designed to be translucent over its circumference in the amount of solar cells.
  • the core may also have a flat, flat body with solar cells that may be dimensioned for the preferred maximum utilization of the existing area in the Flettner rotor slightly smaller than the height and inner diameter of the Flettner rotor and that in alignment with that over the travel path changed direct sunlight on the travel can be changed.
  • the core may be rotatably mounted about its longitudinal axis.
  • the core can be rotatably connected thereto with the Flettner rotor.
  • the solar cells arranged on the core are arranged stationary to the covering section of the Flettner rotor covering them.
  • the Flettner rotor and core with the photocells form a common rotating body whose inertial mass is increased relative to the Flettner rotor alone, so that upon wind fluctuation a uniform operation, i. a more uniform rotation of the Flettner rotor is possible.
  • For structural simplification of the wind turbine and for maximum utilization of the interior in the Flettner rotor core and rotary cylinder may have common end faces.
  • the inflexible solar cells usually have a higher efficiency than the flexible solar cells.
  • the solar cells may, for example, be made of amorphous silicon, of cadmium-teluride (CdTe), copper-indium-diselenide (CuInSe 2, CIS) or made of copper-Indiur ⁇ -gallium or the like as effective layers.
  • the solar cells can also have flexible, semiconducting organic polymers in the active layer, which currently form an inexpensive alternative to the non-flexible solar cells, but a significant have lower efficiency.
  • the photovoltaic system can be achieved with today's solar cells about a power of 150 watts / m 2 , which can be fed into a corresponding DC motor.
  • the electric drive is arranged above the base in the Flettner rotor. This protects the drive.
  • the motor itself can, in particular in the embodiments in which the core is connected in a rotationally fixed manner to the Flettner rotor, be arranged with its axis of rotation so that it directly drives the Flettner rotor and the core.
  • an electrical storage device may be provided as a buffer.
  • the storage device can also be a storage of excess electrical energy that accumulates, for example, in calm or when not operating the Flettner rotor.
  • the storage device may expediently have accumulators as storage media.
  • the stored energy can be used to supply the drive in particular at night or in the case of insufficient supply of the drive due to greatly reduced light irradiation.
  • this excess electrical energy may also be e.g. in windless conditions for the operation of other aggregates, such as be used for the lighting of the wind turbine.
  • the drive device may further comprise a further rotary rotor or rotorcraft for generating electrical drive energy for the drive device and / or for the direct mechanical drive of the Flettner rotor. This is especially for Generating the drive energy during the night or with insufficient sunlight for the photovoltaic advantage.
  • the rotary or rotorcraft may conveniently be arranged on the Flettner rotor and form with this a common axis of rotation.
  • the rotary or rotorcraft can be designed so that it can be disengaged from a rotationally fixed, which is less than that of the Flettner rotor, from a rotationally fixed composite with the axis of rotation of the Flettner- rotor to latched at a higher rotational speed again to become.
  • the rotary motor may preferably be a vertical axis rotor, for example a so-called Heidelberg rotor, a so-called Savonius rotor, a, a so-called Darrieus rotor or a resistance rotor. But it can also be a horizontal axis machine, such as a Dahlblattkonverter, a two-bladed wind turbine, a three-bladed wind turbine or a shell turbine, are used.
  • the wind turbine should have a control device for its control and regulation.
  • the control device may preferably comprise at least one measuring station for measuring the wind flow flowing around the wind turbine.
  • measured values such as wind speed, wind constancy, wind direction, stability of wind direction and wind strength, etc., can be recorded, which can in particular enter into a regulation of the rotational speed and the direction of rotation of the Flettner rotor.
  • the location or the section can be determined via the travel path, in which the direction of rotation of the Flettner rotor is to be changed.
  • control can provide, for example, a constant rotational speed of the Flettner rotor or, via the measurement of the wind speed, regulate the rotational speed of the Flettner rotor in such a way that an approximately constant transverse force is generated by the Magnus effect.
  • a favorable value of three to five times the peripheral speed of the Flettner rotor in relation to the wind speed is considered.
  • the measuring station can be arranged in a static arrangement, for example, on the edge of the base preferably at several points on masts or the like. In addition or alone, the measuring station can also be arranged on the Flettner rotor, as a result of which a measurement which is always close to the Flettner rotor is ensured.
  • a force measuring device may be provided for measuring the transverse force or the transverse force moment which is exerted on the base by the Flettner rotor in the direction of the travel path.
  • the transverse force curve is ideally approximately sinusoidal, for example, with constant wind conditions and constant rotation of the Flettner rotor and with a circular travel path over the travel path.
  • the direction of rotation of the Flettner rotor is reversed, so that the direction of the transverse force reverses due to the Magnus effect and thus again points in the current direction of travel reaches a maximum and then drops again, and then again to point by changing the direction of rotation of the Flettner rotor in the opposite direction.
  • the sections of the travel path in which the Flettner rotor generates a transverse force with a small proportion in the drive direction is protected from the wind by a wall, wall or tunnel construction.
  • the control may also include a standard for a photovoltaic system control. Furthermore, control and / or regulation of the electrical energy that can be generated and generated by the photovoltaic system, in particular its supply and removal into and out of the electric drive and into and out of the storage device, can take place.
  • the Flettner rotor may be stabilized by a mounting and supporting means on the base.
  • a mounting and supporting means on the base For this purpose can be provided in a preferred wind turbine with three Flettner rotors that the Flettner rotors are preferably connected via a framework with rods or with a rod construction at their free ends in each case with each other and with a center of rotation of the base.
  • the rod construction may be provided with a preferably hard suspension with spring action in the bar direction.
  • the jacket of the Flettner rotor may have a multiplicity of depressions on its outer surface. These troughs may be similar to those formed on a golf ball. Through these wells effective in terms of the Magnus effect surface of the Flettnerrotors and thus the achievable lateral force is increased. Of course, it is advantageous if the depressions are arranged uniformly spaced from one another over the entire outer surface.
  • the base in the case of a base with a non-circular travel path, it is considered advantageous if the base can be aligned with the wind flow in such a way that the lateral force generated by the rotor rotation points in the direction of the greater longitudinal extent of the travel path.
  • the wind turbine can be arranged on a base or foundation on which the base is movable and the guide means, preferably the guide rail, is statically fixed.
  • the base body for aligning the wind turbine can be mounted rotatably in the desired wind direction.
  • the main body may be formed in its development as a floating body for buoyant carrying the wind turbine.
  • the wind turbine can be brought to a wind-favorable area, for example, preferably in the offshore area and fixed there via an anchor system.
  • the wind energy Anläge by helium-filled Flettnerrotoren or by mounting on or under an airship as a buoyant body as a missile be designed to be hoverable to use the favorable in the wind constant wind conditions or even the winds in the Yetstream area.
  • a rotation of the body by means of an anchorage to the earth and / or the buoyancy body or a nozzle system, which acts counter to the direction of rotation of the base will be prevented.
  • the base with the at least one Flettner rotor on a mast construction or the like fixed or height changeable to be able to position the base in a favorable wind height position can be.
  • the wind turbine for example, have a series of masts which, in a circular formation of the base, evenly spaced from each stand around this and laterally, possibly on a support structure, so attack that brought the base within a certain height path to any height can be.
  • the wind turbine can also be arranged, for example, around an existing conventional windmill with a high mast and a horizontal axis machine in the form of a two-bladed wind turbine or trefoil turbine, wherein the mast of the wind turbine is preferably arranged in the center of the base. Since as a result of the usual mast height of today's wind turbines, the horizontal axis machine works at high altitude, it can be assumed that the wind power plant according to the invention operating near the ground and the wind turbine do not appreciably influence the flow. Nevertheless, it can be provided that the mast of the wind turbine can also be designed as a support for the above-mentioned height positioning of the wind turbine.
  • a parking brake device may be provided.
  • air baffles may be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view of a wind turbine with Flettner rotors
  • FIG. 2a is a longitudinal sectional view of a Flettner rotor with core and cutout of a receptacle for the Flettner rotor in a first embodiment
  • FIG. 2b shows a longitudinal sectional view of a Flettner rotor with core and cutout of a receptacle for the Flettner rotor in a second embodiment
  • FIG. 2c is a longitudinal sectional view of a Flettner rotor with core and cutout of a receptacle for the Flettner rotor in a third embodiment
  • FIG. 3 shows a sectional view according to the section line III-III in Fig. 2a in a first embodiment
  • Fig. 5 is a sectional view taken along section line III-III in Fig. 2a in a second embodiment
  • Fig. 6 is a sectional view taken along section line III-III in Fig. 2a in a third embodiment.
  • FIG. 1 shows in a highly simplified and schematic form a perspective view of a wind power plant 1 with three Flettner rotors 3, which is mounted rotatably in a mounted position with its axis of rotation X f on a movable base 2, a drive device 4 for rotating the Flettner- Rotor 2 and with an energy conversion device 5 for converting the energy that can be generated by the Flettner rotor 3, wherein the Flettner rotor 3 by means of a guide device 6 for guiding and supporting the base 2 and / or Flettner rotor 3 through the base 2 via a circumferential path v and in installation position is moved horizontally and wherein the Flettner rotor 3 is flowed over at least a portion of its travel v of a wind flow w so that under rotation of the Flettner rotor 3 based on the so-called Magnus effect lateral force K q in Direction of the travel v is generated.
  • the base 2 forms a structural unit, extends
  • the drive device 4 with an electric motor 4.1 is arranged in the interior of the associated Flettner rotor 3 and therefore, for better representability, shown only in a Flettner rotor 3 and dashed.
  • the base 2 is formed as a disc with main extension plane parallel to a substrate U and is rotatably mounted in its center about the rotation axis r b in a central pivot bearing not shown here and in the guide device 6 explained in more detail below.
  • the Flettner rotors are arranged at a center-point angle of 120 ° on an outer circumference, shown here in broken lines, which at the same time forms the travel path v.
  • the process for accelerating the base 2 with the Flettner rotors is as follows:
  • the wind turbine 1 is surrounded by a coming from the right in Fig. 1 wind flow w, which compacts due to the rotation of the coats 9 on one side and on another side is diluted, whereby a transversely to the wind direction w directed transverse force K q arises, which, depending on the current position of the Flettner rotor 3, acts in a force component as a traversing force K v in the direction of travel V r and thereby drives the base 2.
  • the traversing force K v with constant rotation of the Flettner rotor 3, would act against the direction of travel V r , if not shown here, as shown and drawn on the Flettner rotor 3 shown on the left in FIG. tion of the Flettner rotor 3 would be reversed in a left turn.
  • the Flettner rotor 3 is decelerated, wherein the braking energy is converted via the then acting as a generator motor 4.1 of the drive device 4 into electrical energy.
  • the Flettner rotor 3 according to the method is here shortly before its rotation standstill - which is graphically taken into account by the shortened directional arrow - in order to be brought into counter-rotation, ie right turn here, when this point is exceeded. Since the three Flettner rotor 3 are arranged at a center angle of 120 ° on the base 2, at least two of them produce an effective traversing force K v over which the base 2 is driven.
  • FIGS. 2 a to 2 c show, in a longitudinal sectional view, a Flettner rotor 3 with core 11, each in a different embodiment.
  • the Flettner rotors 3 comprise in all three embodiments according to the invention a photovoltaic system 7 with solar cells 8 for generating electrical energy for the Drive device 4.
  • the solar cells 8 are arranged in the Flettner rotor 3 so that they point with their photoelectrically active layers to the outer surface of the jacket 9. It is further provided that the Flettner rotor 3 is designed to be translucent in its jacket 9 and in its end face 10 remote from the base 2.
  • the solar cells 8 are arranged here on the outside of an elongate core 11 in the Flettner rotor 3, wherein the longitudinal axis of the core 11 is equal to the rotor axis r f .
  • the core 11 has a circular cross section and in the third embodiment shown in FIG. 2c a polygonal cross section.
  • Structurally associated with the drive device 4 is a storage device 13 with at least one accumulator 12 for storing the energy generated by the photovoltaic system 7, in particular the excess electrical energy which arises, for example, when the motor 4.1 is not operating.
  • the core 11 is connected in a rotationally fixed manner to the Flettner rotor 3 and is thus driven together with the Flettner rotor 3 by the drive device 4.
  • Flettner rotor 3 and core 11 have common end faces 10.
  • the core 11 is connected in a rotationally fixed manner to the base 2 and thus formed as a stator relative to the Flettner rotor 3.
  • the core 11 is held by a stator element 14.
  • 3 ventilation openings 15 for ventilating the Flettner rotor 3, in particular for extracting air heated by sunlight in the Flettner rotor 3, are provided in the end faces 10 of the Flettner rotor 3.
  • the core 11 in FIGS. 2 b and 2 c has a tapering design over its height.
  • the core 11 in Fig. 2b in the form of a truncated cone with a circular cross-section and in Fig. 2c of a truncated pyramid with prismatic side surfaces 16 on.
  • the solar cells 8 applied to the core 11 are inclined in their orientation with respect to the rotor axis r by an opening angle ⁇ which is formed between the longitudinal axis and the shell-shaped side surface 16 of the frusto-conical core 11 or the individual prismatic side surfaces 16 of the truncated pyramidal core 11.
  • the solar cells 8 With the arrangement of the Flettner rotor 3 vertical in the operating position, the solar cells 8 are thus aligned more strongly with the incident sunlight than on the core 11 shown in FIG. 2a, whereby their effectiveness is increased.
  • the side surfaces 16 of the core 11 are on their side facing the base 2 in a radial pivoting direction s about a pivot axis perpendicular to the rotor axis r mounted pivotably in a joint 17.
  • the opening angle ⁇ between the center axis and the side surface 16 and thus the orientation of the solar cells 8 arranged on the core 11 can be changed toward the sunlight.
  • the side surfaces 16 are divided into longitudinal segments 18.
  • the upper end of the respective longitudinal segment 18 in the installed position is pivoted radially outwardly into a pivoting position, not shown here, via a radially acting pivoting device 19 from a basic position shown in FIG. 3 with its upper end in the pivoting direction s, in which the lateral edges of the longitudinal - Segments 18 are spaced apart in height increasing dimensions.
  • the rotor axis r is expediently shown in the three
  • a controller 20 arranged in the base 2 is provided, which controls the feeding of the current generated by the solar cells 8 into the drive 5 and into the storage device 13 with the accumulator 12 and the current drain from the accumulator 12.
  • the guide device 6 is shown in more detail in Figures 2a to 2c and in particular in Fig. 3, 5 and 6, in each case a sectional view according to the section line III-III in Fig. 2a, each in a different embodiment.
  • the guide device 6 is designed as a linear guide with a guide rail 21 which extends over the travel v and on which the base 2 is slidably mounted.
  • the guide rail 21 is a rail head 22 provided with rounded corners.
  • the base 2 has, on its side facing the guide rail, a receptacle 23 for the rail head 22, which encloses the rail head via the travel path from all outer sides. Between receptacle 23 and rail head 22, a not shown here roller system for supporting and supporting roles supported displacement of the base 2 on the guide rail 21 is provided.
  • the energy conversion device 5 comprises a generator designed as a linear generator 24, which extends over the entire travel path v and in the linear guide, ie, in the guide rail 21 and the receptacle 23 is integrated.
  • a generator designed as a linear generator 24 which extends over the entire travel path v and in the linear guide, ie, in the guide rail 21 and the receptacle 23 is integrated.
  • the linear generator 24 has permanent magnets 25 for magnetic field generation, which are integrated on three side surfaces of the receptacle 23 in the receptacle 23 and generate a magnetic field, which is aligned perpendicular to the adjacent side surface of the rail head 22.
  • the permanent magnet 25, in the rail head 22 opposite, 22 induction coils 26 are provided in the rail head.
  • the drive device 4 as shown in Figure 1, further rotary motors 28 for generating electrical drive energy for the electric motor 4.1 on.
  • a rotary motor 28 and in the middle of the base 2, a rotary motor 28 is provided in each case on a Flettner rotor 3.
  • the rotary rotors 28 serve on the Flettner rotors 3 at the same time as a start-up aid for the Flettner rotors 3 and are therefore, in order to start even at low wind speeds, designed as so-called Savonius rotors.
  • the arranged in the base center rotator 28 is formed as a so-called Heidelberg rotor, where it, as not explicitly shown on its inner side of the shell transmits permanent magnets, which generates an induction current for the drive device 4 in an induction coil, not shown here, arranged on an inner stator, not shown , All rotors 28 are used here in a direction of rotation which is opposite to that of the base 2 in order to also use the orbit of the rotary rotors 28 about the axis of rotation R f of the base 2 as a relative movement of the permanent magnet and the induction winding for induction current generation.
  • a control device 29 is provided, which is linked to the controller 20 for the photovoltaic system 7.
  • the control device 29 comprises measuring stations 30 for measuring the wind flow around the wind turbine 1 w, which are each mounted above the rotary rotors 28 on the Flettner rotors 3. It is provided that the direction of rotation of the Flettner rotors 3 and the sequence with respect to the operationally provided rotational direction Change be controlled by the measurement of the main wind direction.
  • the control device 29 is provided with a control station 38 remote from the base 2, which operates wirelessly, as indicated graphically by an antenna 39, and thus can also be combined with a plurality of wind turbines.
  • an additional fastening and support device 31 is provided with a framework 32 having rods 33 for connecting the Flettner rotors 3 with each other and the Flettner rotors 3 with the center of the base 2.
  • the rods 33 open into a respective end of the rotors 3, 28 provided disc 34 which is spaced and rotationally fixed to the base 2 is arranged.
  • the discs 34 each project radially beyond the associated rotor 3, 28.
  • FIGS. 5 and 6 show two further embodiments, a second and a third embodiment, of the guide device 6, which differ from the first embodiment shown in FIG. 3, in particular by the design of the rail head 22 and the correspondingly adapted receptacle 23 by the positioning of the linear generator 24 with permanent magnet 25 and induction coil 26 differ.
  • the rail head 22 in the second embodiment has at its corners first projections 35 which laterally bound a centrally disposed longitudinal groove 36 on the longitudinal side surfaces of the rail head 22.
  • the receptacle 23 projects with correspondingly adapted second projections 37 with therein or thereon arranged permanent magnet 25 inside.
  • the induction coil is arranged in each case. It is provided that the load is discharged from the base 2 via the projections 35 in the guide rail 21, while between the longitudinal groove 36 and the second projection 37 each game is provided which prevents premature wear between the longitudinal groove 36 and the second projection 37 and thus the Linear generator protects.
  • the first projections 35 of the rail head 22 are designed to reduce wear with a circular cross-section and the profile of the receptacle 23 adapted to this, where again the above-mentioned game between the longitudinal groove 36 and the second projection 37 of the receptacle 23rd is provided.
  • the Magnus effect surface of the jacket 9 of the Flettner rotor surface is provided on its outer surface with a plurality of wells which are uniformly spaced from each other over the entire outer surface.
  • These wells 40 are similar in shape and arrangement in principle the known wells of a golf ball. Through these hollows the achievable lateral force is increased at the same wind. By way of drawing only some of these hollows 40 are indicated in the figure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit mindestens einem Flettner-Rotor (3) , der in Einbaulage senkrecht und um seine Drehachse drehbar auf einer bewegbaren Basis (2) gelagert ist, einer Antriebseinrichtung (4) zum Drehen des Flettner-Rotors (3) und mit einer Energiewandlereinrichtung (5) zur Umwandlung der durch den Flettner-Rotor (3) erzeugbaren Energie, wobei der Flettner-Rotor (3) mit Hilfe einer Führungseinrichtung (6) zur Führung und Abstützung der Basis (2) und/oder des Flettner-Rotors (3) durch die Basis (2) über einen umlaufenden Verfahrweg (v) und in Einbaulage horizontal verfahrbar ist und wobei der Flettner-Rotor (3) über zumindest einen Abschnitt (27) seines Verfahrweges (v) von einer Windströmung (w) so umströmbar ist, dass unter Rotation des Flettner-Rotors (3) eine auf dem so genannten Magnus-Effekt basierende Querkraft Kq in Bewegungsrichtung erzeugbar ist. Zur Verbesserung der Anlage wird vorgeschlagen, dass die Basis (2) eine bauliche Einheit bildet, dass sich die Basis (2) über den gesamten Verfahrweg (v) erstreckt und dass die Basis (2) eine Haupterstreckungsebene aufweist, die in Einbaulage der Basis (2) horizontal angeordnet ist.

Description

WINDKRAFTANLAGE MIT FLETTNER-ROTOR
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit mindestens einem Flettner-Rotor, der in Einbaulage mit seiner Drehachse senkrecht drehbar auf einer bewegbaren Basis gelagert ist, einer Antriebseinrichtung zum Drehen des Flettner-Rotors und mit einer Energiewandlereinrichtung zur Umwandlung der durch den Flettner-Rotor erzeugbaren Energie, wobei der Flettner- Rotor mit Hilfe einer Führungseinrichtung zur Führung und Ab- Stützung der Basis und/oder des Flettner-Rotors durch die Basis über einen umlaufenden Verfahrweg und in Einbaulage horizontal verfahrbar ist und wobei der Flettner-Rotor über zumindest einen Abschnitt seines Verfahrweges von einer Windströmung so umströmbar ist, dass unter Rotation des Flettner-Rotors eine auf dem so genannten Magnus-Effekt basierende Querkraft in Bewegungsrichtung erzeugbar ist.
Eine derartige Windkraftanlage wird in der DE 40 33 078 Al beschrieben, nach der ein oder mehrere, jeweils mit einem Flettner-Rotor bestückte Wagen, so genannten Flettner-Wagen, über einen Schienenkreis verfahrbar sind, wobei die Wagenachse zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Generator gekoppelt ist und die Schienen als Stromabnehmer fungieren. Ein derartiger Aufbau ist jedoch sehr komplex und aufwendig. Ferner kann angenommen werden, dass eine derartig aufgebaute Wind- kraftanlage recht störanfällig ist und wenig effektiv arbeitet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die den oben genannten Nachteilen wirksam begegnet. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Basis eine bauliche Einheit ist, dass sich die Basis über den gesamten umlaufenden Verfahrweg erstreckt und dass die Basis eine Haupterstreckungsebene aufweist, die in Einbaulage der Basis horizontal angeordnet ist. Damit liegen die Haupterstreckungsebene der Basis in etwa parallel und damit der Flettner-Rotor etwa senkrecht zu anströmenden Winden. Über die bauliche Einheit ist die Basis wesentlich stabiler und kann leichter Widerstandskräfte durch die Windströmung an dem Flett- ner-Rotor aufnehmen und Fliehkräfte infolge des Verfahrens über den Verfahrweg kompensieren.
Eine bevorzugte Anordnung von zwei über den Verfahrweg gleichmäßig von einander beabstandeten Flettner-Rotoren hat den Vor- teil, dass, hin Hinsicht auf das Verfahren der Flettner- Rotoren, der Windströmungswiderstand des einen Flettner-Rotoren durch den des anderen kompensiert werden kann. Als vorteilhafter wird jedoch eine bevorzugte Anordnung von mindestens drei Flettner-Rotoren angesehen, die gleichmäßig von einander beabstandet über den Verfahrweg auf der Basis angeordnet sind. Abhängig von dem weiter unten, in möglichen Ausführungsformen beschrieben Verlauf des umlaufenden Verfahrweges kann durch diese Mindestanzahl an Flettner-Rotoren erzielt werden, dass die Querkraft mindestens einer der Flettner-Rotoren zumindest mit einer Kraftkomponenten in Verfahrrichtung weist.
Bevorzugt ist die Drehrichtung des Flettner-Rotors umkehrbar. Hierdurch kann der Flettner-Rotor in bekannter Weise jeweils in der Drehrichtung zur Erzeugung der Querkraft angetrieben wer- den, die zumindest mit einem Kraftkomponentenanteil in die jeweils aktuelle Verfahrrichtung des Flettner-Rotors über den umlaufenden Verfahrweg weist. Die Umkehrung der Rotordrehrichtung sollte zweckmäßigerweise in den Abschnitten des umlaufenden Verfahrweges erfolgen, in denen der Kraftkomponentenanteil in Verfahrrichtung in einem Betragsintervall um Null liegt. Die Basis kann zum Beispiel als ein in sich geschlossenes Band ausgebildet sein. Das Band kann durch Glieder gebildet werden, die an ihren Enden in Verfahrrichtung gelenkig miteinander verbunden sind. Dadurch ist es möglich, dass Band über einen Verfahrweg zu führen, der Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungen aufweist. Der Verfahrweg kann hierzu eine Form gleich einer Stadionlaufbahn mit zwei parallelen, geraden Seiten aufweisen, die jeweils endseitig über einen Kreisbogen miteinander verbunden sind. Dies hätte den Vorteil, dass die Basis so zur Windrichtung ausgerichtet sein und werden könnte, dass die erzeugte Querkraft vollständig in Richtung der Geraden wirkt, wobei die Geraden anteilig länger als die Kreisbögen ausgebildet sein sollten.
Wegen des möglichen vereinfachten Aufbaues bevorzugt, können der Verfahrweg und die Basis eine kreisrunde Form aufweisen, wobei die Basis um ihren Kreismittelpunkt drehbar angeordnet ist. Das heißt, dass der Verfahrweg durch einen umlaufenden Punkt der Basis beschrieben werden kann. Hierbei ist der Flett- ner-Rotor bevorzugt auf einem äußeren Radius der Basis angeordnet, damit die erzeugte Querkraft ein möglicht großes Hebelkraftmoment auf die Basis ausübt und eine entsprechend große Relativgeschwindigkeit zum Untergrund aufweist, auf dem die Basis angeordnet ist. Somit weist die Basis ungeachtet der Windrichtung über den Verfahrweg insgesamt gleiche Erzeugungsbedingungen für die Querkraft durch den Magnus-Effekt auf.
Die Basis kann in einem besonders einfachen Aufbau der Windkraftanlage als Scheibe ausgebildet sein, wobei der mindestens eine Flettner-Rotor auf einem außen liegenden, den Verfahrweg bildenden Umkreis angeordnet ist. Hierbei sollte die Scheibe um ihre Mittelachse drehbar gelagert sein. Zur Verminderung der trägen Masse kann die Scheibe einen radartigen Aufbau mit einem äußeren Ring, auf dem die Flettner-Rotoren angeordnet sind, einem Drehzentrum und einem Ring und Drehzentrum verbindenden Stabwerk oder mit Durchbrüchen versehenen Bereich aufweisen. Die Basis kann in ihrer Kreismitte drehbar gelagert sein.
Die Basis kann in einer anderen Ausführungsform als ein drehbar gelagerter Ring ausgebildet sein, der bevorzugt zugleich den Verfahrweg abbildet. Hierdurch kann die erforderliche träge Masse der Basis weiter vermindert werden. Diese Ausführungsfoπu erfordert jedoch eine entsprechend stabile Verschiebelagerung und/oder eine andere Stabilisierung des Ringes, um die Kräfte durch den Winddruck auf den Flettner-Rotor ' sicher aufzunehmen. Diese wird weiter unten beschrieben.
Bevorzugt ist die Führungseinrichtung als Linearführung mit einer Führungsschiene ausgebildet, die, auf einem Untergrund, Grundkörper oder Fundament angeordnet, über den gesamten Verfahrweg verläuft und auf der die Basis verschieblich gelagert ist. (Hierbei ist mit dem Begriff linear die Erstreckung in Richtung eines Weges, d.h., in Bezug auf die Linearführung, in Richtung des Verfahrweges gemeint.) In Umkehrung der Bauteilanordnung kann auch die Basis eine sich in Einbaulage unterhalb der Basis sich erstreckende Führungsschiene aufweisen, die sich in eine über den Verfahrweg verlaufende Aufnahme erstreckt und in dieser verschieblich gelagert ist. Bevorzugt verläuft die Führungsschiene in Einbaulage unterhalb des oder der angeordneten Flettner-Rotoren. Dadurch kann die Last durch den oder die Flettner-Rotoren kraftmomentfrei direkt auf die Führung übertragen werden, welches insbesondere bei einer ringförmigen Basis von Vorteil ist. Die Führungsschiene kann zugleich auch zur Lastaufnahme der durch die Basis übertragenen Last ausgebildet sein. Zusätzlich kann die Basis auch bevorzugt in einer Drehmitte gelagert sein und dort einen Teil oder die gesamte durch die Basis weitergegebene Last aufnehmen.
Die Führungsschiene kann mit mindestens einem Schienenkopf versehen sein. Hierzu kann die Basis an ihrer der Führungsschiene zugewandten Seite eine Aufnahme für den Schienenkopfes aufweisen, die den Schienenkopf über den Verfahrweg zumindest auf mehreren, bevorzugt gleichmäßig von einander beabstandeten Abschnitten, bevorzugt aber über den gesamten Verfahrweg, von allen Seiten her zumindest teilweise umschließt. Hierdurch können auftretende Kräfte und Biegemomente quer zur Verfahrrichtung leichter von der Basis auf die Führungsschiene über- tragen werden.
Der leichteren Verschiebbarkeit halber kann die Führung bevorzugt ein Rollensystem zur Abstützung und zur Rollen unterstützten Verschiebung der Basis auf der Führungsschiene aufweist. Hierzu können bevorzugt zylindrische Rollen vorgesehen sein, die jeweils mit ihrer Drehachse senkrecht zur Verfahrrichtung sowie bevorzugt an allen Seitenflächen des Schienenkopfes und in regelmäßigen Abständen über den Verfahrweg angeordnet sind. Es können Aufnahme und Schienenkopf mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung versehen sein. Ferner kann ein zwischen Aufnahme und Schienenkopf angeordneter Schmierfilm vorgesehen sein.
Die Führung kann in Einbaulage in einem Graben angeordnet sein, aus dem zumindest der Flettner-Rotor mit einer windwirksamen Rotorfläche herausragt.
Die durch die Bewegung der Basis erzeugte Energie kann beispielsweise auf direktem mechanischem Wege einem Verbraucher, beispielsweise einer Förderpumpe, zugeführt werden. Die mechanische Energie kann aber auch über eine Energiewandlereinrichtung in Wärmenergie umgewandelt werden, indem beispielsweise zwei in ein Fluid eingetauchte und konzentrisch zueinander angeordnete Zylinder gegenläufig zueinander gedreht werden, so dass sich das Fluid durch Flüssigkeitsreibung erwärmt. In der bevorzugten Ausführungsform der Energiewandlereinrichtung ist eine Generatoreinrichtung mit einem elektrischen Generator zur Umwandlung der durch den Flettner-Rotor erzeugbaren mechanischen Energie vorgesehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung, der Windkraftanlage ist der Generator als Lineargenerator ausgebildet, der sich über den umlaufenden Verfahrweges erstreckt. Hierbei sollen der bewegliche Teil des Generators auf der Basis und der statische Teil des Generators so auf einem Untergrund angeordnet sein, dass beide Teile über den umlaufenden Verfahrweg in einer Wirkver- bindung miteinander stehen.
Der Lineargenerator kann vorteilhaft in die Linearführung integriert sein und somit zugleich in ihr geschützt angeordnet sein. Hierzu können an und/oder in der Basis Magnete, bevorzugt Dauermagnete, zur Magnetfelderzeugung und an und/oder in der Führungsschiene Induktionswicklungen so angeordnet sind, dass mit Verfahren der Basis über den Verfahrweg in den Induktionswicklungen ein Induktionsstrom erzeugbar ist. In dieser Anordnungsform kann der induzierte Strom über die Führungsschiene schleifkontaktfrei abgenommen werden kann. Zur optimalen Stro- merzeugung können die Induktionswicklungen als im wesentlichen in der Haupterstreckungsebene liegende Induktionsschleifen ausgebildet sein, die mit ihren ungekrümmten Bereichen senkrecht zur Verfahrrichtung angeordnet sind. Das durch die Magnete erzeugte Magnetfeld sollte entsprechend senkrecht zur Haupt- erstreckungsebene liegen.
In einer anderen Ausführungsform, in der die Basis um eine Drehachse parallel zu der Rotorachse des Flettner-Motors drehbar gelagert ist, kann die Energiewandlereinrichtung zusätzlich oder allein einen Generator mit einem Rotor aufweist, dessen Rotordrehachse gleich der Drehachse der Basis ist und der fest mit der Basis verbunden ist oder der über eine Übersetzung durch die bewegbare Basis antreibbar ist. Zur schleifkontaktfreien Stromabnahme kann der Rotor bevorzugt als Hohlzylinder mit Magneten, bevorzugt mit Dauermagnete, zur Felderregung ausgebildet sein, während der in dem Rotor angeordnete Stator mit dem Untergrund fest verbunden ist und die Induktionswicklung oder -Spulen trägt.
Vorzugsweise weist die Antriebseinrichtung einen elektrischen Motor auf, der in Funktionsumkehr auch als Generator einsetzbar ist. Dadurch kann die Rotationsenergie des Flettner-Rotors beim Abbremsen des Flettner-Rotors in elektrische Energie umgewandelt werden. Selbstverständlich sind auch andere Motorarten einsetzbar .
Über die Photovoltaik wird somit elektrischer Strom erzeugt, der über eine entsprechende Regelung direkt für den Betrieb des Antriebes eingesetzt werden kann, so dass die Windkraftanlage vollkommen autark von zusätzlichen Anlagen wie Dieselgenerator oder dergleichen betrieben werden kann. Dank dieser Unabhängig- keit kann die Windkraftanlage auch in entlegenen Gebieten eingesetzt werden.
Solarzellen neueren Typus können so robust ausgelegt sein, dass sie die Außenhaut des Flettner-Rotors, d.h. Stirn- und/oder Mantelflächen, zumindest teilweise bilden können. Hierbei kön- nen bevorzugt biegbare Dünnschichtsolarzellen zum Einsatz kommen, die zum Beispiel über dem Außenmantel herkömmlicher Flett- ner-Rotoren angebracht sein können. Der Rotormantel kann auch zumindest segmentweise oder ringweise aus den stabilen und damit weniger biegsamen oder unflexibleren Modulen bzw. aus den entsprechenden Solarzellen aufgebaut ist.
Mit einer anderen bevorzugten Anordnung der Solarzellen in dem Flettner-Rotor werden die Solarzellen zugleich geschützt. Hierzu muss keine Erweiterung der Baugröße im Vergleich zu einem herkömmlichen Flettner-Rotor erfolgen. Ferner sollte der Mantel des Flettner-Rotors zumindest in seinem die Solarzellen überdeckenden Bereich Licht durchlässig ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise kann auch die im Betrieb freie Stirnfläche des Flettner-Rotors zumindest in ihren radial äußeren Bereichen transparent ausgebildet sein. Hierdurch kann die Sonneneinstrahlung zu den Solarzellen hin weiter gesteigert werden. Die Photovoltaik- anlage kann somit in bestehenden Flettner-Rotoren eingebaut werden. In Anpassung an den durch die Solarzellen erzeugten Gleichstrom kann die Antriebseinrichtung einen Gleichstrommotor zum Drehantrieb des Flettner-Rotors ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Solarzellen auf der Außenseite eines Kerns im Flettner-Rotor angeordnet. Der Kern soll hierbei einen soliden Träger für die Solarzellen bilden. Ferner soll die Längsachse des Kerns gleich der Drehachse des Flettner-Rotors sein.
Bevorzugt soll der Kern einen runden oder polygonen Querschnitt aufweisen. Hiermit wird ein hochsymmetrischer Kern als Träger für die Solarzellen vorgeschlagen, wodurch die mögliche umfängliche Anordnung und Ausrichtung der Solarzellen symmetrisch und gleich erfolgen kann, sodass über den Umfang gleiche Erzeu- gungsbedingungen zur Erzeugung von elektrischem Strom über die Solarzellen geschaffen werden können.
Bevorzugt ist hierbei der Querschnitt des Kerns kreisrund ausgebildet. In dieser Ausführungsform kann der Kern als Zylinder geformt sein, dessen Mantel parallel zum Mantel des Flettner- Rotors angeordnet ist.
In einer Weiterbildung des Kerns kann der Kern in Betriebslage über seine Höhe sich nach oben hin prismatisch oder konisch verjüngend ausgebildet sein. Dadurch können die Solarzellen in Betriebslage in einem zur Sonneneinstrahlung günstigeren Winkel an dem Kern angeordnet sei, wodurch die Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage gesteigert werden kann.
Günstigerweise kann hierzu der Kern bei prismatischer Verjüngung als Pyramidenstumpf oder bei konischer Verjüngung als Kegelstumpf ausgebildet sein.
In einer Weiterbildung des Kerns kann der Kern einen zwischen Mittelachse und Seitenfläche gebildeten Öffnungswinkel aufweisen, der veränderbar ist. Hierüber können die auf dem Kern angeordneten Solarzellen hinsichtlich ihrer Ausrichtung entsprechend einem aktuellen oder einem durch die geographische Lage bestimmten mittleren Sonnenstand optimiert werden.
Der Kern kann bevorzugt bezüglich der Basis drehfest gelagert sein, d.h., dass der Flettner-Rotor sich um den statischen Kern dreht. Hierbei wäre es von Vorteil, wenn sich die Solarzellen zumindest über einen Höhenabschnitt über den gesamten Umfang des Kernes erstrecken. Durch die statische Lagerung des Kernes kann die erzeugte elektrische Energie ohne Schleifkontakte in den Motor zum Antrieb des Flettner-Rotors und/oder in einen Speicher eingespeist werden. Bei einer drehfesteren Lagerung sollte der Mantel des Flettner-Rotors über seinen Umfang in Höhe der Solarzellen lichtdurchlässig ausgebildet sein. Der Kern kann auch einen ebenen flachen Körper mit Solarzellen aufweisen, der zur bevorzugten maximalen Ausnutzung der vorhandenen Fläche in dem Flettner-Rotor etwas kleiner als die Höhe und der Innendurchmesser des Flettner-Rotors dimensioniert sein kann und der in seiner Ausrichtung zu der über den Verfahrweg veränderten direkten Sonneneinstrahlung über den Verfahrweg änderbar sein kann.
In einer anderen Ausführungsform kann der Kern um seine Längsachse drehbar gelagert sein. Zweckmäßigerweise kann der Kern hierzu drehfest mit dem Flettner-Rotor verbunden sein. Somit sind die auf dem Kern angeordneten Solarzellen ortsfest zu dem sie überdeckenden Mantelabschnitt des Flettner-Rotors angeordnet. Damit bilden Flettner-Rotor und Kern mit den Photozellen einen gemeinsamen Drehkörper, dessen träge Masse gegenüber dem Flettner-Rotor allein erhöht ist, sodass hierüber bei Windschwankung ein gleichmäßiger Betrieb, d.h. eine gleichmäßigere Drehung des Flettner-Rotors möglich wird. Zur baulichen Vereinfachung der Windkraftanlage und zur maximalen Ausnutzung des Innenraumes in dem Flettner-Rotor können Kern und Drehzylinder gemeinsame Stirnseiten aufweisen.
Unflexible, da dickere Solarzellen erfordern eine ebene Stütz- fläche, sodass hierbei die Ausführungsformen des Kerns mit prismatischen Seitenflächen bevorzugt in Betracht kommen. Die unflexiblen Solarzellen weisen jedoch in der Regel einen höheren Wirkungsgrad auf als die biegsamen Solarzellen. Die Solarzellen können beispielsweise aus amorphem Silizium, aus Cadmi- um-Telurid (CdTe) , Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2; CIS) oder aus Kupfer-Indiurα-Gallium oder dergleichen als wirksame Schichten gefertigt sein. Da jedoch eine verhältnismäßig große Manteloberfläche des Kerns bzw. Mantelinnenseite des Flettner- Rotors zur Verfügung stehen kann, können die Solarzellen auch biegsame, halbleitende organische Polymere in der Aktivschicht aufweisen, die zur Zeit eine preiswerte Alternative zu den nicht biegsamen Solarzellen bilden, aber einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad aufweisen.
Durch die Photovoltaikanlage kann mit heutigen Solarzellen etwa eine Leistung von 150 Watt/m2 erzielt werden, die in einen entsprechenden Gleichstrommotor eingespeist werden kann.
Bevorzugt ist der elektrische Antrieb oberhalb der Basis in dem Flettner-Rotor angeordnet. Dadurch ist der Antrieb geschützt. Der Motor selbst kann, insbesondere bei den Ausführungsformen, in denen der Kern drehfest mit dem Flettner-Rotor verbunden ist, mit seiner Drehachse so angeordnet sein, dass er den Flettner-Rotor und den Kern direkt antreibt. Zur konstanten Versorgung des Motors kann eine elektrische Speichervorrichtung als Puffer vorgesehen sein.
Es kann auch eine Speicherung überschüssiger elektrischer Energie, die beispielsweise bei Windstille oder bei Nichtbetrieb des Flettner-Rotors anfällt, vorgesehen sein. Die Speichervorrichtung kann zweckmäßigerweise Akkumulatoren als Speichermedien aufweisen. Die gespeicherte Energie kann insbesondere des Nachts oder bei einer Unterversorgung des Antriebes wegen stark verminderter Lichteinstrahlung zur Versorgung des Antriebes dienen. Diese überschüssige elektrische Energie kann jedoch auch z.B. bei Windflaute für den Betrieb anderer Aggregate, wie z.B. für die Beleuchtung der Windkraftanlage eingesetzt werden.
Die Antriebvorrichtung kann ferner einen weiteren Drehrotor oder Drehflügler zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie für die Antriebvorrichtung und/oder zum direkten mechanischen Antrieb des Flettner-Rotors aufweisen. Dies ist insbesondere für Erzeugung der Antriebsenergie in der Nacht oder bei für die Fotovoltaik nicht ausreichendem Tageslicht von Vorteil. Der Drehrotor oder Drehflügler kann zweckmäßigerweise auf dem Flettner-Rotor angeordnet sein und mit diesem eine gemeinsame Drehachse bilden. Vorzugsweise kann der Drehrotor oder Drehflügler so ausgebildet sein, dass er bei einer Rotationsgeschwindigkeit, die geringer als die des Flettner-Rotors ist, aus einem verdrehfesten Verbund mit der Drehachse des Flettner- Rotors ausgeklinkt werden kann, um bei einer höheren Drehge- schwindigkeit wieder eingeklinkt zu werden. Der Drehrotor kann bevorzugt ein Vertikalachsenrotor, beispielsweise ein so genannter Heidelberg-Rotor, ein so genannter Savoniusrotor, ein, ein so genannter Darrieus-Rotor oder ein Widerstandsläufer sein. Es kann aber auch eine Horizontalachsenmaschine, wie ein Vielblattkonverter, eine Zweiblattwindturbine, eine Dreiblattwindturbine oder eine Mantelturbine, eingesetzt werden.
Vorzugsweise sollte die Windkraftanlage eine Steuerungseinrichtung zu ihrer Steuerung und Regelung aufweisen. Die Steuerungsvorrichtung kann vorzugsweise mindestens eine Messstation zur Messung der die Windkraftanlage umströmenden Windströmung umfassen. Hierbei können Messwerte wie Windgeschwindigkeit, Windkonstanz, Windrichtung, Stabilität von Windrichtung und Windstärke u.s.w. aufgenommen werden, die insbesondere in eine Regelung der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Umdrehungsrich- tung des Flettner-Rotors eingehen können. Zudem kann hierüber der Ort oder der Abschnitt über den Verfahrweg ermittelt werden, in dem die Umdrehungsrichtung des Flettner-Rotors geändert werden soll. Ferner kann die Regelung beispielsweise für eine konstante Drehgeschwindigkeit des Flettner-Rotors sorgen oder über die Messung der Windgeschwindigkeit die Drehgeschwindigkeit des Flettner-Rotors so regeln, dass durch den Magnuseffekt eine in etwa konstante Querkraft erzeugt wird. Hierzu wird als günstiger Wert eine drei- bis fünffache Umfangsgeschwindigkeit des Flettner-Rotors gegenüber der Windgeschwindigkeit angese- hen. Die Messstation kann in einer statischen Aufstellung beispielsweise am Rande der Basis bevorzugt an mehreren Punkten auf Masten oder dergleichen angeordnet sein. Zusätzlich oder allein kann die Messstation auch auf dem Flettner-Rotor angeordnet sein, wodurch eine stets dem Flettner-Rotor nahe Messung gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Steuerungsrichtung kann eine Kraftmesseinrichtung zur Messung der Querkraft oder des Querkraftmomentes vorgesehen sein, die von dem Flettner-Rotor in Richtung des Verfahrweges auf die Basis ausübt wird. Der Querkraftverlauf ist beispielsweise bei konstanten Windverhältnissen und konstanter Drehung des Flettner-Rotors und bei einem kreisrunden Verfahrweg über den Verfahrweg idealerweise etwa sinusförmig. So kann vorgesehen sein, dass, bevor die Querkraft einen bezüglich der Verfahrrichtung negativen Wert erreicht, die Drehrichtung des Flettner-Rotors umgekehrt wird, sodass sich auch die Richtung der Querkraft durch den Magnuseffekt umkehrt und somit wieder in die aktuelle Verfahrrichtung weist, ein Maximum erreicht und wieder absinkt, um dann wieder durch Änderung der Drehrichtung des Flettner-Rotors in Gegenrichtung zu weisen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Abschnitte des Verfahrweges, in denen der Flettner-Rotor eine Querkraft mit einem geringen Anteil in Antriebsrichtung erzeugt, durch eine Wand-, Wall- oder Tunnelkonstruktion windgeschützt ist.
Die Regelung kann zudem eine für eine Photovoltaikanlage übliche Regelung umfassen. Ferner kann eine Steuerung und/oder Regelung der durch die Photovoltaikanlage erzeugbaren und erzeugten elektrischen Energie, insbesondere ihre Einspeisung und Entnahme in den und aus dem elektrischen Antrieb sowie in die und aus der Speichervorrichtung, erfolgen.
Ferner kann der Flettner-Rotor durch eine Befestigungs- und Abstützeinrichtung auf der Basis stabilisiert sein. Hierzu kann bei einer bevorzugten Windkraftanlage mit drei Flettner-Rotoren vorgesehen sein, dass die Flettner-Rotoren bevorzugt über ein Stabwerk mit Stäben oder mit einer Stabkonstruktion an ihren freien Enden jeweils miteinander und mit einer Drehmitte der Basis verbunden sind. Zur Abfederung gegenüber kurzen Windstößen kann die Stabkonstruktion mit einer vorzugsweise harten Federung mit Federwirkung in Stabrichtung versehen sein.
In einer besonderen Ausbildung kann der Mantel des Flettnerro- tors an seiner Außenoberfläche eine Vielzahl von Mulden aufwei- sen. Diese Mulden können ähnlich die auf einem Golfball ausgebildet sein. Durch diese Mulden wird die in Hinsicht auf den Magnus-Effekt wirksame Oberfläche des Flettnerrotors und damit die erzielbare Querkraft erhöht. Hierbei ist es natürlich von Vorteil, wenn die Mulden über die gesamte Außenoberfläche gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind.
Insbesondere bei einer Basis mit einem nicht kreisrunden Verfahrweg wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Basis so zu der Windströmung ausrichtbar ist die durch die Rotordrehung erzeugte Querkraft in Richtung der größeren Längsausdehnung des Verfahrweges weist.
Die Windkraftanlage kann auf einem Grundkörper oder Fundament angeordnet sein, auf dem die Basis bewegbar und die Führungseinrichtung, bevorzugt die Führungsschiene aufweist, statisch fest gelagert ist. Hierbei kann der Grundkörper zur Ausrichtung der Windkraftanlage in gewünschter Windrichtung verdrehbar gelagert sein. Der Grundkörper kann in seiner Weiterbildung als Schwimmkörper zum schwimmfähigen Tragen der Windkraftanlage ausgebildet sein. Somit kann die Windkraftanlage beispielsweise zu einem windgünstigen Bereich bevorzugt im Offshore-Bereich gebracht werden und dort über eine Ankeranlage fixiert werden. Bei Anankerung des Grundkörpers an einer Seite kann sich die Windkraftanlage, mit dem Ankerpunkt am Meeresboden als Drehpunkt, exakt in die aktuelle Windrichtung drehen. Prinzipiell, wenngleich technisch schwerer realisierbar, kann die Windkraft- anläge durch beispielsweise Helium gefüllte Flettnerrotoren oder durch Montage auf oder unter ein Luftschiff als Auftriebskörper als Flugkörper schwebefähig ausgebildet sein, um die in der Höhe günstigen konstanten Windverhältnisse oder sogar die Höhenwinde im Yetstream-Bereich zu nutzen. Hierbei kann eine Rotation des Grundkörpers mit Hilfe einer Verankerung zur Erde und/oder des Auftriebskörpers oder einer Düsenanlage, die entgegen der Drehrichtung der Basis wirkt, verhindern werden.
Ferner kann zumindest die Basis mit dem mindestens einen Flett- ner-Rotor auf einer Mastkonstruktion oder dergleichen fest oder Höhen veränderbar angeordnet sein, um die Basis in einer Wind günstige Höhenposition positionieren zu können. Hierzu kann die Windkraftanlage beispielsweise eine Reihe von Masten aufweisen, die, bei einer kreisförmigen Ausbildung der Basis, diese gleichmäßig voneinander beabstandet umstehen und an dieser seitlich, eventuell über eine Tragekonstruktion, so angreifen, dass die Basis innerhalb eines bestimmten Höhenweges auf eine beliebige Höhe gebracht werden kann.
Die Windkraftanlage kann auch beispielsweise um ein bereits bestehendes übliches Windrad mit einem hohem Masten und einer Horizontalachsenmaschine in Form einer Zweiblattwindturbine oder Dreiblattturbine angeordnet werden, wobei der Mast des Windrades bevorzugt in der Mitte der Basis angeordnet ist. Da infolge der üblichen Masthöhe heutiger Windräder die Horizon- talachsenmaschine in großer Höhe arbeit, kann man davon ausgehen, dass sich die in Bodennähe arbeitende erfindungsgemäße Windkraftanlage und das Windrad strömungstechnisch nicht nennenswert beeinflussen. Dennoch kann vorgesehen sein, dass der Masten des Windrades auch als Stütze zur oben erwähnten Höhen- Positionierung der Windkraftanlage ausgelegt werden kann.
Zum Feststellen der Flettner-Rotoren und der Basis, etwa zur Reparatur oder bei Sturm, kann eine Feststellbremseinrichtung vorgesehen sein. Zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Windströmung an dem Mantel des Flettner-Rotors können Luftleitbleche vorgesehen sein.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer in einer Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläu- tert. In der Zeichnung zeigen jeweils in stark vereinfachter und schematisierter Form:
Fig. 1 eine perspektivische Aufsicht auf eine Windkraftanlage mit Flettner-Rotoren,
Fig. 2a eine Längsschnittansicht eines Flettner-Rotor mit Kern und Ausschnittes einer Aufnahme für den Flettner-Rotor in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2b eine Längsschnittansicht eines Flettner-Rotor mit Kern und Ausschnittes einer Aufnahme für den Flettner-Rotor in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 2c eine Längsschnittansicht eines Flettner-Rotor mit Kern und Ausschnittes einer Aufnahme für den Flettner-Rotor in einer dritten Ausführungsform,
Fig. 3 eine Schnittansicht gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 2a in einer ersten Ausbildungsform,
Fig. 4 eine Aufsicht mit prinzipiellem Verlauf einer Induktionswicklung,
Fig. 5 eine Schnittansicht gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 2a in einer zweiten Ausbildungsform und
Fig. 6 eine Schnittansicht gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 2a in einer dritten Ausbildungsform.
Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter und schematisierter Form eine perspektivische Aufsicht auf eine Windkraftanlage 1 mit drei Flettner-Rotoren 3, der in Einbaulage mit seiner Drehachse Xf senkrecht drehbar auf einer bewegbaren Basis 2 gelagert ist, einer Antriebseinrichtung 4 zum Drehen des Flettner-Rotors 2 und mit einer Energiewandlereinrichtung 5 zur Umwandlung der durch den Flettner-Rotor 3 erzeugbaren Energie, wobei der Flettner-Rotor 3 mit Hilfe einer Führungseinrichtung 6 zur Führung und Abstützung der Basis 2 und/oder des Flettner-Rotors 3 durch die Basis2 über einen umlaufenden Verfahrweg v und in Einbaulage horizontal verfahrbar ist und wobei der Flettner- Rotor 3 über zumindest einen Abschnitt seines Verfahrweges v von einer Windströmung w so umströmbar ist, dass unter Rotation des Flettner-Rotors 3 eine auf dem so genannten Magnus-Effekt basierende Querkraft Kq in Richtung des Verfahrweges v erzeugbar ist. Erfindungsgemäß bildet die Basis 2 eine bauliche Einheit, erstreckt sich über den gesamten Verfahrweg v und weist eine Haupterstreckungsebene auf, die in Einbaulage der Basis 2 horizontal angeordnet ist.
Die Antriebseinrichtung 4 mit einem elektrischem Motor 4.1 ist im Inneren des zugehörigen Flettner-Rotors 3 angeordnet und daher, zur besseren Darstellbarkeit, lediglich in einem Flettner-Rotor 3 und gestrichelt dargestellt. Die Basis 2 ist als Scheibe mit Haupterstreckungsebene parallel zu einem Untergrund U ausgebildet und ist in ihrem Mittelpunkt um die Drehachse rb drehbar in einem hier nicht weiter dargestellten mittigen Drehlager und in der weiter unten näher erläuterten Führungseinrichtung 6 drehbar gelagert. Die Flettner-Rotoren sind in einem Mittelpunktswinkelabstand von 120°auf einem äußeren, hier ge- strichelt eingezeichneten Umkreis angeordnet, der zugleich den Verfahrweg v bildet.
Der Vorgang zur Beschleunigung der Basis 2 mit den Flettner- Rotoren ist wie folgt: Die Windkraftanlage 1 wird von einer in Fig. 1 von rechts kommenden Windströmung w umströmt, die auf Grund der Rotation der Mäntel 9 an einer Seite verdichtet und an einer anderen Seite verdünnt wird, wodurch eine quer zur Windrichtung w gerichtete Querkraft Kq entsteht, die, abhängig von der aktuellen Lage des betreffenden Flettner-Rotors 3, in einer Kraftkomponente als Verfahrkraft Kv in Verfahrrichtung Vr wirkt und hierdurch die Basis 2 antreibt. Hierbei befindet sich der in Figur 1 rechte Flettner-Rotor 3 in Verfahrrichtung VE kurz hinter der Position, in der die Kreistangente senkrecht zur Windströmung w steht und in der die erzeugte Querkraft Kq theoretisch vollständig in Verfahrrichtung Vr wirkt. (In der Praxis hatte sich schon in der Vergangenheit gezeigt, dass hier Winkelabweichungen auftreten können. ) Mit weiterem Fortschreiten auf dem Verfahrweg v wird der Anteil der Verfahrkraft Kv gemäß einer Kreisfunktion (hier Cosinusfunktion) geringer, um an der Stelle des Verfahrweges v, in der der Verfahrweg v in Windströmung w verläuft, gleich Null zu werden. Hieran anschließend würde die Verfahrkraft Kv, bei gleich bleibender Drehung des Flettner-Rotor 3, entgegen der Verfahrrichtung Vr wirken, wenn hier nicht, wie vorgesehen und an dem in der Fig. 1 links dargestellten Flettner-Rotor 3 eingezeichnet, die Rota- tion der Flettner-Rotors 3 in eine Linksdrehung umgekehrt werden würde. Hierzu wird also der Flettner-Rotor 3 abgebremst, wobei die Bremsenergie über den dann als Generator fungierenden Motor 4.1 der Antriebseinrichtung 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. Der in Fig. 1 in der Mitte und oben darge- stellte Flettner-Rotor 3 befindet sich kurz vor der Stelle, an der die Querkraft Kq bei weiter drehendem Flettner-Rotor 3 senkrecht zum Verfahrweg v verlaufen würde. Daher steht hier der Flettner-Rotor 3 verfahrensgemäß kurz vor seinem Rotationsstillstand - dem graphisch durch den verkürzten Richtungspfeil Rechnung getragen wird -, um mit Überschreiten dieser Stelle wieder in Gegenrotation, d.h. hier in Rechtsdrehung, gebracht zu werden. Da die drei Flettner-Rotor 3 in einem Mittelpunktswinkel von 120° auf der Basis 2 angeordnet sind, erzeugen mindestens zwei von ihnen eine wirksame Verfahrkraft Kv, über die die Basis 2 angetrieben wird.
In den Figuren 2a bis 2c ist in einer Längsschnittansicht ein Flettner-Rotor 3 mit Kern 11 jeweils in einer anderen Ausführungsform gezeigt. Die Flettner-Rotoren 3 umfassen in allen drei Ausführungsformen erfindungsgemäß eine Photovoltaikanlage 7 mit Solarzellen 8 zur Erzeugung elektrischer Energie für die Antriebseinrichtung 4. Die Solarzellen 8 sind in dem Flettner- Rotor 3 so angeordnet, dass sie mit ihren photoelektrisch wirksamen Schichten zur Außenfläche des Mantels 9 hinweisen. Ferner ist vorgesehen, dass der Flettner-Rotor 3 in seinem Mantel 9 sowie in seiner von der Basis 2 abgewandten Stirnfläche 10 lichtdurchlässig ausgebildet ist. Die Solarzellen 8 sind hier auf der Außenseite eines länglichen Kerns 11 im Flettner-Rotor 3 angeordnet, wobei die Längsachse des Kerns 11 gleich der Rotorachse rf ist.
In der in den Figuren 2a und 2b gezeigten ersten und zweiten Ausführungsform des Flettner-Rotors 3 weist der Kern 11 einen kreisrunden Querschnitt und in der in Fig. 2c gezeigten dritten Ausführungsform einen polygonen Querschnitt auf. Der Antriebseinrichtung 4 baulich zugeordnet ist eine Speichervor- richtung 13 mit mindestens einem Akkumulator 12 zur Speicherung der von der Photovoltaikanlage 7 erzeugten Energie, insbesondere der überschüssigen elektrischen Energie, die beispielsweise bei Nichtbetrieb des Motors 4.1 anfällt.
In den in den Figuren 2a und 2b gezeigten beiden Ausführungs- formen des Flettner-Rotors 3 ist der Kern 11 drehfest mit dem Flettner-Rotor 3 verbunden und wird somit zusammen mit dem Flettner-Rotor 3 durch die Antriebseinrichtung 4 angetrieben. Hierbei weisen Flettner-Rotor 3 und Kern 11 gemeinsame Stirnflächen 10 auf. In der in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform des Flettner-Rotors 3 ist hingegen der Kern 11 drehfest mit der Basis 2 verbunden und somit gegenüber dem Flettner-Rotor 3 als Stator ausgebildet. Hierbei wird der Kern 11 über ein Ständerelement 14 gehalten.
In allen gezeigten Ausführungsformen des Flettner-Rotors3 sind in den Stirnflächen 10 des Flettner-Rotors 3 Lüftungsöffnungen 15 zur Belüftung des Flettner-Rotors 3, insbesondere zum Abzug von durch Sonnenlicht erwärmter Luft im Flettner-Rotor 3 vorgesehen. Der Kern 11 in den Figuren 2b und 2c ist über seine Höhe sich nach oben hin verjüngend ausgebildet. Hierbei weist der Kern 11 in Fig. 2b die Form eines Kegelstumpfes mit kreisförmigem Querschnitt und in Fig. 2c die eines Pyramidenstumpfes mit prisma- tischen Seitenflächen 16 auf. Dadurch sind die auf dem Kern 11 aufgebrachten Solarzellen 8 in ihrer Ausrichtung bezüglich der Rotorachse r um einen Öffnungswinkel μ geneigt, der zwischen der Längsachse und der mantelförmigen Seitenfläche 16 des kegelstumpfförmigen Kerns 11 bzw. den einzelnen prismatischen Seitenflächen 16 des pyramidenstumpfförmigen Kerns 11 gebildet wird. Bei der in Betriebslage senkrechten Anordnung des Flett- ner-Rotors 3, sind die Solarzellen 8 somit stärker zum einfallenden Sonnenlicht hin ausgerichtet, als die auf dem in Fig. 2a dargestellten Kern 11, wodurch ihre Wirksamkeit erhöht wird.
Abweichend von der in Fig. 2b gezeigten zweiten Ausführung des Flettner-Rotors 3 sind in der dritten Ausführungsform des Flettner-Rotors 3 die Seitenflächen 16 des Kerns 11 an ihrer der Basis 2 zugewandten Seite in einer radialen Schwenkrichtung s um eine Schwenkachse senkrecht zur Rotorachse r in einem Gelenk 17 verschwenkbar gelagert. Hierdurch kann der Öffnungswinkel μ zwischen Mittelachse und Seitenfläche 16 und damit die Ausrichtung der auf dem Kern 11 angeordnet Solarzellen 8 zum Sonnenlicht hin verändert werden. Zur baulichen Ausführung sind die Seitenflächen 16 in Längssegmente 18 geteilt. Das in Ein- baulage obere Ende des jeweiligen Längssegmentes 18 wird über eine radial angreifende Schwenkvorrichtung 19 aus einer in Fig. 3 gezeigten Grundposition mit seinem oberen Ende in Schwenkrichtung s radial nach außen in eine hier nicht dargestellte Schwenkposition verschwenkt, in der die Seitenkanten der Längs- Segmente 18 in über die Höhe zunehmenden Maße von einander beabstandet sind.
Die Rotorachse r ist zweckmäßigerweise bei den drei gezeigten
Ausführungen des Flettner-Rotors 3 als Hohlachse ausgeführt, durch die hier nicht dargestellte elektrische Leitungen oder Leitungsbahnen und dergleichen zu den Solarzellen 8, dem An- trieb 5 und der Speichervorrichtung 13 geführt sind.
Ferner ist in allen drei Ausführungsformen eine in der Basis 2 angeordnete Steuerung 20 vorgesehen, die die Einspeisung des durch die Solarzellen 8 erzeugten Stroms in den Antrieb 5 sowie in die Speichervorrichtung 13 mit dem Akkumulator 12 und die Stromentnahme aus dem Akkumulator 12 steuert.
Die Führungseinrichtung 6 wird detaillierter in den Figuren 2a bis 2c und insbesondere in Fig. 3, 5 und 6, jeweils eine Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 2a, jeweils in einer anderen Ausbildungsform gezeigt. Die Führungseinrichtung 6 ist als Linearführung mit einer Führungsschiene 21 ausgebildet ist, die über den Verfahrweg v verläuft und auf der die Basis 2 verschieblich gelagert ist. Hierzu ist die Führungsschiene 21 einen Schienenkopf 22 mit abgerundeten Ecken versehen. Ferner weist die Basis 2 an ihrer der Führungsschiene zugewandten, unteren Seite eine Aufnahme 23 für den Schienenkopfes 22 aufweist, die den Schienenkopf über den Verfahrweg von allen äußeren Seiten her umschließt. Zwischen Aufnahme 23 und Schienenkopf 22 ist ein hier nicht explizit dargestelltes Rollensystem zur Abstützung und zur Rollen unterstützten Verschiebung der Basis 2 auf der Führungsschiene 21 vorgesehen.
Zur Nutzung der Rotationsenergie der sich drehenden Basis 2 umfasst die Energiewandlereinrichtung 5 einen als Lineargenerator 24 ausgebildeten Generator, der sich über den gesamten Verfahrweg v erstreckt und in die Linearführung, d.h., in der Führungsschiene 21 und der Aufnahme 23, integriert ist. Dies ist in Fig. 3, eine Schnittdarstellung gemäß dem Schnittverlauf III-III in Fig. 2a ersichtlich. Der Lineargenerator 24 weist Dauermagnete 25 zur Magnetfelderzeugung auf, die an drei Sei- tenflächen der Aufnahme 23 in der Aufnahme 23 integriert sind und ein Magnetfeld erzeugen, das jeweils senkrecht zu der angrenzenden Seitenfläche des Schienenkopfes 22 ausgerichtet ist. Den Dauermagneten 25, in dem Schienenkopf 22 gegenüberliegend, sind in dem Schienenkopf 22 Induktionswicklungen 26 vorgesehen. Die Induktionswicklung 26 ist, wie in Fig. 4 schematisch an den Längsseitenflächen des Schienenkopfes 22 dargestellt, mit ihren längeren Abschnitten 27 jeweils senkrecht zum Verfahrweg v und senkrecht zum Magnetfeld durch die Dauermagnete 25 ausgerich- tet. Mit Verfahren der Aufnahme 23 in der Basis 2 über den Verfahrweg v wird in den Induktionswicklungen 26 ein Induktionsstrom erzeugt.
In dieser Ausführungsform weist die Antriebseinrichtung 4, wie in Figur 1 gezeigt, weitere Drehrotoren 28 zur Erzeugung elekt- rischer Antriebsenergie für den elektrischen Motor 4.1 auf. Hierbei ist jeweils auf einem Flettner-Rotor 3 ein Drehrotor 28 und in der Mitte der Basis 2 ein Drehrotor 28 vorgesehen. Hierbei dienen die Drehrotoren 28 auf den Flettner-Rotoren 3 zugleich als Anlaufhilfe für die Flettner-Rotoren 3 und sind daher, um auch bei geringen Windgeschwindigkeiten anzulaufen, als sogenannte Savonius-Rotoren ausgebildet. Der in der Basismitte angeordnete Drehrotor 28 ist als sogenannter Heidelberg- Rotor ausgebildet, wobei er, wie hier nicht explizit dargestellt an seiner Mantelinnenseite Dauermagnete trägt, die in einer hier nicht dargestellten, auf einem nicht gezeigten Innenstator angeordnete Induktionswicklung einen Induktionsstrom für die Antriebseinrichtung 4 erzeugt. Alle Rotoren 28 werden hier in einer Drehrichtung eingesetzt, die der der Basis 2 entgegengesetzt ist, um hierdurch auch die Umkreisung der Dreh- rotoren 28 um die Drehachse Rf der Basis 2 als Relativbewegung von Dauermagneten und Induktionswicklung zur Induktionsstromerzeugung mitzunutzen.
Zur Steuerung und Regelung der Windkraftanlage 1 ist eine Steuerungsvorrichtung 29 vorgesehen, die mit der Steuerung 20 für die Photovoltaikanlage 7 verknüpft ist. Die Steuerungsvorrichtung 29 umfasst Messstationen 30 zur Messung der die Windkraftanlage 1 umströmenden Windströmung w, welche jeweils oberhalb der Drehrotoren 28 auf den Flettner-Rotoren 3 angebracht sind. Vorgesehen ist, dass der Drehsinn der Flettnerrotoren 3 und der Ablauf in Hinsicht auf die betriebsmäßig vorgesehene Drehsinn- änderung über die Messung der Hauptwindrichtung gesteuert werden. Die Steuerungsvorrichtung 29 ist in dieser Ausführungsform mit einer zur Basis 2 entfernt angeordneten Leitstation 38 versehen, die, wie durch eine Antenne 39 zeichnerisch angedeu- tet, drahtlos arbeitet und somit auch mit mehreren Windkraftanlagen zusammengefasst werden kann.
Zur Stabilisierung der Flettner-Rotoren 3 auf der Basis 2 ist eine zusätzliche Befestigungs- und Abstützeinrichtung 31 mit einem Stabwerk 32 vorgesehen, das Stäbe 33 zur Verbindung der Flettner-Rotoren 3 untereinander und der Flettner-Rotoren 3 mit der Mitte der Basis 2 aufweist. Die Stäbe 33 münden jeweils in eine endseitig der Rotoren 3, 28 vorgesehene Scheibe 34, die beabstandet und verdrehfest zur Basis 2 angeordnet ist. Die Scheiben 34 ragen jeweils radial über den zugeordneten Rotor 3, 28 hinaus. Hierdurch wird die Windströmung w im Bereich der freien Enden der Rotoren 2, 28 stabilisiert.
Die in den Figuren 5 und 6 sind zwei weitere Ausbildungsformen, eine zweite und eine dritte Ausbildungsform, der Führungseinrichtung 6 gezeigt, die sich von der in Figur 3 gezeigten ers- ten Ausbildungsform insbesondere durch die Ausbildung des Schienenkopfes 22 und der entsprechend angepassten Aufnahme 23 sowie durch die Positionierung des Lineargenerators 24 mit Dauermagnet 25 und Induktionswicklung 26 unterscheiden. Der Schienenkopf 22 in die zweite Ausbildungsform weist an seinen Ecken erste Vorsprünge 35 auf, die eine mittig angeordnete Längsnut 36 an den Längsseitenflächen des Schienenkopfes 22 seitlich begrenzen. In diese Längsnuten 36 ragt die Aufnahme 23 mit entsprechend angepassten zweiten Vorsprüngen 37 mit darin oder darauf angeordneten Dauermagneten 25 hinein. Am Nutengrund der Längsnut 36 ist jeweils die Induktionswicklung angeordnet. Hierbei ist vorgesehen, dass die Last von der Basis 2 über die Vorsprünge 35 in die Führungsschiene 21 abgegeben wird, während zwischen Längsnut 36 und zweiter Vorsprung 37 jeweils ein Spiel vorgesehen ist, das einen vorzeitigen Verschleiß zwischen Längsnut 36 und zweiten Vorsprung 37 verhindert und somit den Lineargenerator schützt.
In der dritten Ausbildungsform gemäß Figur 6 sind die ersten Vorsprünge 35 des Schienenkopfes 22 zur Verschleißminderung mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet und das Profil der Aufnahme 23 diesem entsprechend angepasst, wobei auch hier das oben erwähnte Spiel zwischen der Längsnut 36 und dem zweiten Vorsprung 37 der Aufnahme 23 vorgesehen ist.
Zur Erhöhung seiner in Hinsicht auf den Magnus-Effekt wirksamen Oberfläche ist der Mantel 9 des Flettner-Rotors an seiner Au- ßenoberflache mit einer Vielzahl von Mulden versehen, die gleichmäßig zueinander beabstandet über die gesamte Außenoberfläche angeordnet sind. Diese Mulden 40 gleichen in Ausformung und Anordnung im Prinzip den bekannten Mulden eines Golfballes. Durch diese Mulden wird die erzielbare Querkraft bei gleichem Wind erhöht. Zeichnerisch sind in der Figur lediglich einige dieser Mulden 40 angedeutet.
Windkraftanlage
Bβzugszeichenliste
1 Windkraftanlage
2 Basis
3 Flettner-Rotor
4 Antriebseinrichtung
4.1 Motor
5 Energiewandlereinrichtung
6 Führungseinrichtung
7 Photovoltaikanlage
8 Solarzelle
9 Mantel
10 Stirnfläche
11 Kern
12 Akkumulator
13 Speichervorrichtung
14 Standerelement
15 Lüftungsöffnung
16 Seitenfläche
17 Gelenk
18 Längssegment
19 VerSchwenkvorrichtung
20 Steuerung
21 Führungsschiene
22 Schienenkopf
23 Aufnahme
24 Lineargenerator
25 Dauermagnet 26 Induktionswicklung
27 Abschnitt
28 Drehrotor
29 SteuerungsVorrichtung
30 Messstationen
31 Befestigungs- und Abstützeinrichtung
32 Stabwerk
33 Stab
34 Scheibe
35 erster Vorsprung
36 Längsnut
37 zweiter Vorsprung
38 Leitstation
39 Antenne
40 Mulde
Kq Querkraft
Kv Verfahrkraft
Rf Drehachse Flettner-Rotor
Rb Drehachse Basis
Rr Drehachse Rotor
W Windströmung
V Verfahrweg
Vr Verfahrriehtung

Claims

WindkraftanlagePatentansprüche
1. Windkraftanlage mit mindestens einem Flettner-Rotor (3), der in Einbaulage mit seiner Drehachse senkrecht drehbar auf einer bewegbaren Basis (2) gelagert ist, einer Antriebseinrichtung (4) zum Drehen des Flettner-Rotors (3) und mit einer Energiewandlereinrichtung (5) zur Umwandlung der durch den Flettner-Rotor (3) erzeugbaren Energie, wobei der Flettner-Rotor (3) mit Hilfe einer Führungseinrichtung (6) zur Führung und Abstützung der Basis (2) und/oder des Flettner-Rotors (3) durch die Basis (2) über einen umlaufenden Verfahrweg (v) und in Einbaulage horizontal verfahr- bar ist und wobei der Flettner-Rotor (3) über zumindest einen Abschnitt (27) seines Verfahrweges (v) von einer Windströmung (w) so umströmbar ist, dass unter Rotation des Flettner-Rotors (3) eine auf dem so genannten Magnus-Effekt basierende Querkraft (Kq) in Richtung des Verfahrweges (v) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) eine bauliche Einheit bildet, dass sich die Basis (2) über den gesamten Verfahrweg (v) erstreckt und dass die Basis (2) eine Haupterstreckungsebene aufweist, die in Einbaulage der Basis (2) horizontal angeordnet ist.
2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Flettner-Rotoren (3) vorgesehen sind, die gleichmäßig von einander beabstandet über dem Verfahrweg (v) auf der Basis (2) angeordnet sind.
3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Rotationsrichtung des Flettner-Rotors (3) umkehrbar ist.
4. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) eine kreisrunde Form aufweist, die um eine Drehachse (R13) in ihren Kreismittelpunkt drehbar gelagert ist.
5. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) als Scheibe (34) ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Flettner-Rotor (3) auf einem außen liegenden, den Verfahrweg (v) bildenden Umkreis angeordnet ist.
β. Windkraftanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) als Ring ausgebildet ist.
7. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (6) als Linearführung mit einer Führungsschiene (21) ausgebildet ist, die über den Verfahrweg (v) verläuft und auf der die Basis (2) verschieblich gelagert ist.
8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschiene (21) mit mindestens einem Schienenkopf (22) versehen ist und die Basis (2) an ihrer der Führungsschiene (21) zugewandten Seite eine Aufnahme (23) für den Schienenkopf (22) aufweist, die den Schienenkopf (22) über den Verfahrweg (v) zumindest auf mehreren Abschnitten (27) von allen Seiten her zumindest teilweise umschließt.
9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (6) ein RoI- lensystem zur Abstützung und zur Rollen unterstützten Verschiebung der Basis (2) auf der Führungsschiene (21) aufweist .
10. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinrichtung (5) eine Generatoreinrichtung mit einem elektrischen Generator zur Umwandlung der durch den Flettner- Rotor (3) erzeugbaren mechanischen Energie aufweist.
11. Windkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator als Lineargenerator (24) ausgebildet ist, der sich über den umlaufenden Verfahrweges (v) erstreckt.
12. Windkraftanlage nach Anspruch 11 soweit auf Anspruch 7 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lineargenerator (24) in die Linearführung integriert ist.
13. Windkraftanlage nach Anspruch 12, dadurch gekenn- zeichnet, dass an und/oder in der Basis (2) Magnete zur Magnetfelderzeugung und an und/oder in der Führungsschiene (21) Induktionswicklungen (26) so angeordnet sind, dass mit Verfahren der Basis (2) über den Verfahrweg (v) in den Induktionswicklungen (26) ein Induktionsstrom erzeugbar ist.
14. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (2) um eine Drehachse (Rb) parallel zu der Drehachse (Rf) des Flettner-Motors (4.1) drehbar gelagert ist und dass die E- nergiewandlereinrichtung (5) einen Generator mit einem Drehrotor (28) aufweist, dessen Drehachse (Rr) gleich der Drehachse (Rb) der Basis (2) ist.
15. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsein- richtung (4) einen Motor (4.1) aufweist, der in Funktionsumkehr auch als Generator einsetzbar ist.
16. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da- durch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung eine Photovoltaikanlage (7) mit Solarzellen (8) zur Erzeugung elektrischer Energie für den Antrieb des Flettner-Rotors (3) aufweist.
17. Windkraftanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (8) an und/oder in dem Flettner-Rotor (3) angeordnet sind und dass die Solarzellen (8) mit ihren photoelektrisch wirksamen Schichten so ausgerichtet sind, dass sie durch ein von außen kommendes Licht beleuchtbar sind.
18. Windkraftanlage nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel ( 9) des Flettner- Rotors (3) zumindest in seinem die Solarzellen (8) überdeckenden Bereich Licht durchlässig ausgebildet ist.
19. Windkraftanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (8) auf der Außenseite eines bezüglich des Mantels (9) des Flettner-Rotors (3) statischen Kerns (11) im Flettner-Rotor (3) angeordnet sind.
20. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebeinrichtung (4) einen weiteren Drehrotor (28) oder Drehflügler zur Erzeugung elektrischer Antriebsenergie für die Antriebeinrichtung (4) und/oder zum direkten mechanischen Antrieb des Flettner-Rotors (3) aufweist.
21. Windkraftanlage nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehrotor (28) oder Drehflügler auf dem Flettner-Rotor (3) angeordnet ist und mit diesem eine gemeinsame Drehachse (Rr, Rf) aufweist.
22. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekennzeichnet durch eine vorgesehene Steuerungsvorrichtung (29) zur Steuerung und Regelung der Windkraft- anläge (1) .
23. Windkraftanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (29) eine Messstation (30) zur Messung der die Windkraftanlage (1) umströmenden Windströmung (w) .
24. Windkraftanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstation (30) auf dem Flett- ner-Rotor (3) angeordnet ist.
25. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 22 bis 24, da- durch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (29) eine Kraftmesseinrichtung zur Messung der Querkraft (Kq) oder des Querkraftmomentes, die oder das von dem Flettner-Rotor (3) in Richtung des Verfahrweges (v) auf die Basis (2) ausübt wird.
26. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Flettner-Rotor (3) durch eine Befestigungs- und Abstützeinrichtung (31) auf der Basis (2) stabilisiert ist.
27. Windkraftanlage nach Anspruch 26 mit drei gleichmäßig von- einander beabstandeten Flettner-Rotoren (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Flettner-Rotoren (3) endseitig ihrer Mittelachsen über ein Stabwerk (32) mit Stäben (33) jeweils miteinander und mit einer Drehmitte der Basis (2) verbunden sind.
28. Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (9) des Flettnerrotors (3) an seiner Außenseite eine Vielzahl von Mulden (40) aufweist.
29. Flettnerrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 28, d a - durch ge kenn zei chnet , dass die Basis (2) zur Windrichtung ausrichtbar ist.
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