WO2008034421A2

WO2008034421A2 - Drachen-kraftwerk

Info

Publication number: WO2008034421A2
Application number: PCT/DE2007/001671
Authority: WO
Inventors: Manfred Franetzki
Original assignee: Manfred Franetzki
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2008-03-27
Also published as: WO2008034421A3; DE112007002833A5; DE102007044655A1; DE102006062749A1

Abstract

Inhalt dieser Erfindung sind Drachen zur Energieerzeugung als wesentlich kostengünstigere Alternative zu Windrädern. In einer Version hängt ein Drachen (21) an einem Seil (3), das auf eine Haspel (10) aufgewickelt ist. Wirkt eine Windkraft auf den Drachen (21), wickelt sich das Seil (3) ab und dreht die Haspel (10). An deren Achse sind mechanische Nutzgeräte (5) oder ein Generator (6) angekoppelt. Der Drachen steigt bis zur Maximalhöhe, dort wird durch kurzzeitige Verstärkung der Seilkraft sein Auftrieb oder Windwiderstand reduziert, z.B. durch Knicken einer Strebe (28) oder Lösen der Waage (31), und er wird energiearm durch Aufwickeln des Seiles (3) zurückgeholt. Unten restituiert sich der Drachen (21), steigt und erzeugt wieder Energie. Weitere Seile können ihn ortsfest, eine Heliumfüllung auch bei Windstille oben halten. In weiteren Versionen hängt der Drachen an einem durch einen Lifterdrachen (50), Lifterballon (46) oder einen Masten (72) gehaltenen Seil. Er kann dabei in der Steig- und Sinkphase Energie erzeugen. Als Lifter können auch vorhandene Bauten, z.B. Schornsteine, Strommasten oder Bäume genutzt werden.

Description

Drachen-Kraftwerk Beschreibung

Stand der Technik / Aufgabenstellung

Die sich in absehbarer Zeit erschöpfenden Vorräte an Erdöl, Erdgas und Kohle, auch Uran, zwingen die Menschen zunehmend, alternative, am besten unerschöpfliche Energiequellen zu erschließen. Das ist vor allem die Sonne, direkt genutzt per Solarherdeα, Sonnenkollektoren, Photovoltaikzellen oder über Sekundärprodukte wie fließendes Wasser, Meereswellen, Gezeiten, Parabolspiegelkraftwerke, Wind, Aufwindkraftwerke usw.. Die verbreitetste Form der Nutzung des Windes zur Energieerzeugung sind Windräder, auf Türme montierte schwenkbare Propeller mit gekoppeltem Stromgenerator.

Es gibt Vorschläge in der Literatur, an mehrere Kilometer langen Seilen Flugkörper in der oberen Troposphäre zu positionieren, wo dauerhaft starke Winde wehen, die jet streams. In solchen drachenähnlichen Flugkörpern sind Turbinen oder Windräder eingebaut, die Strom erzeugen, der mit einem Hochspannungskabel zum Boden geleitet wird /1,10/. Die Realisierbarkeit solcher Konzepte ist aus mehreren Gründen fraglich: Seil-/Kabelgewicht, Gefährdung des Luftverkehrs, Blitze, Kosten...

Bei Windrädern ist die dem Wind antriebswirksam ausgesetzte Fläche auf die Rotorfläche (eigentlich nur die Rotorblattfläche) begrenzt. Da der Wind mit dem Abstand zum Boden zunimmt und er sich verstetigt, baut man die Türme möglichst hoch. Sie bleiben trotzdem im Bereich relativ geringer Windgeschwmdϊgkeit. Sie müssen mit hohem technischen Aufwand den erheblichen als Knickkraft auf den Turm wirkenden Winddruck abfangen, was die Anlagen sehr teuer macht. Auch der Rotor ist teuer, er trägt zu etwa einem Viertel der Gesamtkosten bei. Er läuft bei modernen Anlagen sehr schnell und muss neben den Windkräften die starken Fliehkräfte der Rotorblätter verkraften. In der Literatur finden sich auch Lösungen, wo durch Drachen Nutzeπergie erzeugt werden soll: Die amerikanische Anmeldung /2/ beschreibt eine Lösung mit Drachen und Fallschirm. Beansprucht wird im Hauptanspruch, dass der Drachen im Energie-Modus in großem Anstellwinkel zum Wind positioniert wird und in niedrigem Winkel im Rückholmodus. Per Seil, Kabel, Kette o.a. ist der Drachen mit einer Bodenstation verbunden, wo elektrische Energie erzeugt wird (Durch Ab-/Aufwickeln auf eine Haspel). Deren Anspruch 2 erwähnt die direkte Nutzung der mechanischen Energie aus der Haspel. Anspruch 3 schlägt ein zweites Seil zur Steuerung vor. Im Text werden fernsteuerbare Mechanismen am Drachen zur Veränderung des Anstellwinkels zum Umsteuern zwischen Steig- und Sinkphase angegeben. Die fernsteuerbare Elektromechanik mit Akkumulator bedeutet technischen Aufwand (Kosten), regelmäßiges Aufladen des Versorgungsakkus, Anfälligkeit und durch sein Gewicht Gefahr, wenn der Drachen herunter fallt. Das 2. Seil bedeutet eine 2. Bodenstation oder deutlich mehr Aufwand in der ersten. Bei ungewolltem aber schwerlich ganz auszuschließendem Überschlag des Drachens verwickeln sich beide Seile und der ganze Mechanismus blockiert. Ähnliche Vorschläge werden in den Schriften /3, 4, 6 und 8/ gemacht.

Die Gruppe in Delft /3,8/, konzipiert allerdings wie in /1/ für hohe Luftschichten mit übereinander geschichteten Drachen, für Megawatt-Leistungen. /5/ wickelt kein Seil auf wie /2 bis AI, sondern koppelt einen Drachen mit 2 Seilen direkt an ein rotierendes Rad, was über die 2 Seile den Anstellwinkel des Drachens direkt verstellt und ihn so pulsierend mit geringem Hub auf und ab fährt. Es ist keine Einstellung auf sich ändernde Windgeschwindigkeit und vor allem -richtung vorgesehen. Eine Ergänzung um solche Mittel würde den technischen Aufwand beträchtlich vergrößern. In /9/ wird eine Anlage beschrieben, die ebenfalls die Nachteile der Windräder zu überwinden trachtet, indem die Flügel nicht um eine Achse rotieren, sondern parallel hintereinander an zwei Seile geknüpft nach oben und unten laufen. Die hier zu beschreibende Lösung liefert vorteilhafte Alternativen zu diesen und ähnlichen Ansätzen und zu den erdständigen Windrädern.

Vorteile gegenüber den Windrädern finden sich vor allem im deutlich geringeren technischen Aufwand, also den Kosten pro erzeugter kWh, durch a. deutlich bessere Nutzung der Windverhältnisse, d.h. Betrieb in höheren, windstärkeren, turbulenzärmeren Luftschichten, auch für größeren Windbereich nach unten und oben auslegbar (die Energieausbeute wächst mit der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit); b. eine wesentlich höhere Windeffizienz als das Windrad, da der Drachen leicht eine größere Fläche im Raum als das Windrad überstreichen kann, strömungsmechanisch optimiert überall mit gleicher Geschwindigkeit umströmt wird und sich nicht wie das Windrad innen langsam, außen schnell quer zum Winde bewegen muss,, Fliehkräfte und die Gefahr von wegfliegenden Rotorteilen entfallen und c. die Fähigkeit, sich selbständig , d.h. ohne (träge und teure) Mechanismen, auf schnell sich ändernde Windrichtung und Stärke einzustellen und so die Windenergie fast vollständig zu nutzen. Außerdem sind die Drachen d. in der Größe weitgehend frei skalierbar, d.h. auch sehr groß realisierbar, deshalb geringere Notwendigkeit von mehreren Anlagen nebeneinander, also Parks; e. auch optisch akzeptabler, ohne Gefahr für Vögel, ohne die Windblattgeräusche; f. mit einfachen technischen Mitteln zu produzieren und zu warten. Sie sind deshalb g. vor allem auch für die dezentrale Energieversorgung in den ärmeren Regionen der Erde geeignet, auch zur direkten Erzeugung mechanischer und thermischer Energie (ohne den Umweg über Strom). h. es können vorhandene Bauten und Bäume mir den Drachen nachgerüstet werden. Hinsichtlich der anderen Drachenideen /2 bis 5/ gilt ebenfalls f. bis h, für /5/ auch c.

Insbesondere soll der Aufwand für Steuerungselektronik deutlich verringert werden und es soll die Energieeffizienz durch kürzere Pausen in der Energieproduktion und geringere

Rückholleistung erhöht werden.

Zu den hoch fliegenden Gebilden /1,3 ,8, 10/ sollen sie zusätzlich zu a. bis g. Vorteile bieten dadurch, dass sie i. den Luftraum nur sehr begrenzt besetzen, j. überhaupt technisch realisierbar, ökonomisch und genehmigungsfähig sind.

Von /9/ unterscheiden sich unsere Lösungen der freifliegende bzw. Fährendrachen durch grundsätzlich andere Lösungsprinzipien, geringeren Aufwand, insbesondere wenn höhere Luftschichten erschlossen werden sollen, und weniger auffällige, störende Optik und natürlich durch h.

Erfϊndungsgedanke

Das Grundprinzip ist bekannt: Ein Drachen hängt an einem Seil. Das Seil ist auf eine

Spule/Haspel aufgewickelt. Wirkt eine Windkraft auf den Drachen, wickelt sich das Seil ab und dreht die Haspel. An deren Achse sind mechanische Nutzgeräte oder ein elektrischer Generator angekoppelt. Der Drachen steigt bis zu einer maximalen Höhe, in der Regel bis zum Ende des Seiles, dann wird er möglichst energiearm und schnell zurückgeholt, indem die Windwirksamkeit des Drachens, d.h. sein Windwiderstand und/oder Auftrieb verringert wird. An der unteren Grenze wird seine Windwirksamkeit wieder vergrößert, der Drachen steigt und erzeugt Energie. Dies geschieht periodisch.

Dieser Erfindung hier liegen im wesentlichen 4 Gedanken zugrunde: A. Für den einzelnen Drachen erfolgt die jeweilige Umstellen von der Steig- auf die Sinkkonstellation nicht wie bekannt durch Zusatzmechanismen oder Zusatzseile am Drachen, sondern durch die Windkräfte selbst, die sich ergeben aus der Kraft des Windes und des Seiles auf den Drachen. Er fallt bei Windkraft über einem Schwellbetrag automatisch in den Sinkzustand. Das geschieht im Regelfalle indem die Haspel ein Stück schnell aufgewickelt oder das Seil anderweitig schnell verkürzt, also ein Ruck erzeugt wird und damit über das Seil und den Wind große Kräfte auf den Drachen wirken, die den Sinkzustand auslösen. Das soll ebenfalls geschehen als Sicherheitsreaktion bei zu starkem Wind. Anlagen dieser Art können leicht auch transportabel gebaut werden. Oder

B. Der Arbeitsdrachen ist eine Fähre, die auf einem Führungsseil rauf und runter gleitet. Dieses wird oben durch einen weiteren Drachen oder Ballon (beides im folgenden Lifter genannt) oder einen Masten gehalten. Die Umstellung der Fährenkonstellation erfolgt durch Mechanismen ebenso wie in A oder solche, die in das Führungsseil oder die Bodenstation, in den Lifter oder in den Masten eingebaut sind. Im Sinkflug wird das Fährenseil aktiv mit Hilfe eines Motors oder einer beim Steigen gespannten (Spiral-)Feder auf die Haspel gewickelt. In einer Lösung für die untere Umkehrposition wird die Haspel einen Moment freigegeben, es wirkt somit keine Wind- und Seilkraft mehr, der Drachen wird durch eingebaute Rückstellkräfte (Federn) wieder in den Steigzustand versetzt.

C. Das Führungsseil wird als Endlos-Schlaufe (Doppelseil) zwischen zwei Rollen gespannt, einer am unteren Umkehrpunkt der Fähre und einer oben am Lifter oder Masten. Die Fähre ist an einer Seite dieses Doppelseiles befestigt, wird durch den Wind nach oben getrieben, am oberen Umkehrpunkt so verändert, dass der Auftrieb aufgehoben oder in einen Abtrieb umschlägt. Das drückt den Drachen mit seinem Eigengewicht plus gegebenenfalls Windkraft nach unten. Am unteren Anschlag wird er wieder auf Auftrieb geschaltet. Er steigt wieder etα Diese Anordnung erzeugt beim Steigen und Sinken Energie! D. Der Arbeitsdrachen oder Lifter werden durch zusätzliche Seile (Spannseile) weitgehend ortsfest gehalten. Diese fangen die Reibungskräfte auf. Zur Energiegewinnung wird rein der Auftrieb genutzt. Vorteil ist ein geringerer Raumbedarf und die Sicherheit, dass bei Riss eines Seiles Drachen und Lifter nicht davonfliegen. Falls ein Mast verwendet wird, kann auch dieser abgespannt sein. Die Vorrichtungen mit Masten kann man zwar, wird man aber nicht ganz so hoch bauen, wie man Drachenseile auslegen kann, haben aber den Vorzug der Robustheit und vollständigen Ortsfestheit. Man spart sich auch den Aufwand für Lifterdrachen oder Ballon. Masten wären unschwer höher zu bauen als Türme für Windräder - die Knickkraft am Boden wird durch die Spannseile aufgefangen, der Mast muss nur die Durchbiegung verkraften. Die Probleme von abgespannten Türmen für Windräder (Schwingneigung, regelmäßiges Nachspannen) existieren beim Drachen nicht. Es können zudem vorhandene Bauten (Schornsteine, Häuser, Telefon- und Strommasten) sowie Bäume als Masten genutzt werden.

Alle diese Lösungen sind vor allem deutlich kostengünstiger als die Windräder und Verwandte mit allen weiteren in der Aufgabenstellung genannten Vorteilen. Die Verringerung der Windwirksamkeit zum Sinken kann geschehen z.B.

I. durch Verringerung des Anstellwinkels;

II. durch Lösen eines Waageseiles (unter Waage versteht man in der Drachensprache die Seile, die den Anstellwinkel des Drachens bestimmen)

III durch seitliches Kippen (aus dem Wind drehen);

IV. durch Verkleinern der Drachenfläche, z.B. Knicken der Drachenstreben, Zusammenziehen der Drachenfläche, Lösen der Bespannung;

Zum Steigen erfolgt das Umgekehrte,

Einige der Lösungen liefern die Energie mit Unterbrechungen, was in vielen Fällen (zum

Pumpen, Mahlen, Dreschen, Wasseraufbereiten, Energiewandlung) völlig akzeptabel ist.

Wird eine gleichmäßige Energieversorgung gewünscht, so kann das u.a. auf folgende Weisen geschehen: A. durch mehrere Drachen, die zeitversetzt aufsteigen;

B. durch Wandlung in elektrische Energie und deren Speicherung, etwa in Akkumulatoren;

C. durch Speicherung der mechanischen Energie, z.B.

Cl . in einem Schwungrad;

C2. im in ein hoch liegendes Becken gepumpten Wasser, das beim späteren Herabfließen z.B. ein Mühlrad oder eine Turbine treibt (und schließlich Felder bewässert);

C3. in anderen angehobenen Körpern, die dann ihre Energie über eine Haspel wieder als Rotationsenergie abgeben; C4. über ein per Pumpe unter Druck gesetztes Gas;

C5. als Wärmeenergie, indem bei der Rotation Reibungswärme erzeugt wird, die etwa in Öl oder festen Körpern zwischengespeichert wird , dann z.B. auch in Wärmekraftmaschinen, etwa einem Stirlingmotor, umgesetzt und natürlich auch direkt zum Kochen oder Heizen verwendet werden kann;

C6. durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff, der dann in Brennstoffzellen wieder elektrische Energie erzeugt.

Um den Arbeits- oder Lifterdrachen bei völliger Windstille am Boden in windreicherer Höhe zu halten oder ihn dorthin zu befördern gibt es folgende Möglichkeiten: Der Drachen wird als Höhlkörper konstruiert, teilweise mit Helium oder warmer Luft gefüllt, oder an den Drachen werden entsprechend gefüllte Hohlkörper (Ballons) angedockt. Eine zweite ist, den Ballon in üblicher Drachentechnik hoch zu „pumpen", d.h. ihn bei geeignetem Anstellwinkel periodisch mit der Haspel hochziehen, mit dem Wind driften lassen, wieder hochziehen usw. Die Anpassung des Drachens an die herrschende Windgeschwindigkeit erfolgt durch eingebaute elastische Elemente, etwa in die Waageseile, oder durch Messung der Windgeschwindigkeit und Voreinstellung z.B. des Anstellwinkels. Die Anlagen funktionieren am besten auf freiem Gelände, auf Bergkuppen, gut auch über Wasserflächen, z.B. auf Schiffen montiert.

Hinsichtlich der Seillängen gibt es keine grundsätzlichen Limits. Natürlich wächst mit der Seillänge auch sein Gewicht, was, wenn es in die Größenordnung des Drachengewichtes käme, den freifliegenden Drachen erst bei größeren Windstärken oder mit mehr Heliumfüllung starten ließe, Falls ein Lifter verwendet wird, müsste dieser größer ausgelegt sein; beim Mast spielt die Seillänge kaum eine Rolle. Als Seilmaterial empfiehlt sich solches für andere Drachen, für Angeln und Segelboote übliches: Polyester, gerecktes Polyäthylen, Kohlefasern, für Großanlagen auch Metall (Aluminium, Stahl). Beim Mast kommen auch Ketten, Bänder oder (Zahn-)Riemen infrage,

Ausfϊihπmgsbeispiele

Fig 1 und 2 zeigen eine Lösungsvariante im unteren Kostenbereich mit sechseckigem Drachen (Typ Rokkaku) und einem Mechanismus zur Verstellung des Drachens für Auf- bzw. Abstieg, d.h. den Energie- bzw. Rückholmodus.

3 Arbeitsseil, das auf eine Haspel gewickelt wird

4 Haspel 5 Rückhol-Motor

6 Generator, Lichtmaschine

7 Kette

8 Seilführung

9 Bodenplatte 10 Kettenritzel

21 Drachen, Rokkaku

23 /24 Halteseile (die Waage). Sie dienen der Voreinstellung des Anstellwinkels

27, 28 Streben hinter dem Drachen, an denen die Waageseile befestigt sind. 30 Vorrichtung zur Umschaltung des Drachens zwischen Steig- und Sinkflug, in diesem Falle realisiert durch eine Magnetkupplung. Sie löst bei einem bestimmten Zug auf das Waageseil 23, hier im Zustand des gerade Lösens. Die beiden Teile der Kupplung trennen sich, der untere Teil des Drachens wird frei, er hängt nur noch oben an der Mittelstrebe 27 und der Drachen verliert die Windkraft, er sinkt. In dieser Phase wird das Seil aufgewickelt. Zwischen dem Waagepunkt 33 und dem rechten Magneten 30b sitzt ein Kunststoffrohr, in das ein Gummiseil 32 geringer Kraft bis zum linken Magneten 30a gefuhrt ist. Durch den Seilzug beim aktiven Aufwickeln wird der Gummi gedehnt. Ist das Seil bis zum gewünschten Punkt aufgewickelt, schaltet der Rückholmotor ab, das Seil erschlafft, das Gummiband zieht die Magnetkupplung wieder zusammen, der Drachen ist wieder steigfabig, der Generator 6 wird eingeschaltet, der Drachen steigt wieder und erzeugt Energie. Die starken Kräfte auf den Drachen, die die Magnetkupplung auslösen, entstehen bei großer Differenz zwischen Wind- und Drachengeschwindigkeit. Sie können hervorgerufen werden entweder durch 1 , starken Wind oder 2. den Stopp bei Seilende oder 3. dessen forcierte Aufwicklung mit dem Motor 5. Für den ersten Fall ist die Auslösung und Rückholung eine Sicherheitsmassnahme. Die anderen sind der Normalfall zum Aufwickeln des Seiles. Diese Lösung erfordert keine ferngesteuerten Regelmechanismen im Drachen, allerdings einfache Elektromechanik in der Bodenstation.

Fig 3 stellt einen stablosen Drachen als Auftriebskörper im Querschnitt dar, Typ Schlitten, dessen Reibungswiderstand und sein seitliches Versetzen mit Halteseilen 3b aufgefangen werden. Auf das Arbeitsseil wirkt der Auftrieb.

3 Arbeitsseil

14 Erdboden

40 Waageseile

41 Bodenstation mit Haspel 42 Drachen als Hohlkörper, der durch den Wind aufgeblasen wird und der teilweise mit

Helium gefüllt sein kann 39 Stellmasten, in freiem Gelände vorzugsweise 3 Stück in drei Richtungen. An deren

Spitzen sind die Halteseile 3b des Drachens befestigt. Sie können auch entfallen. 3c Abspannseile für die Stelhnasten, am Boden verankert Der Drachen in Schlittenform (sied) besteht aus drei oder mehr (in dieser Fig hintereinander in die Tiefe zu denken) angeordneten Waagen. Das Umstellen der Flugeigenschaften für den Abstieg kann wieder durch Lösen unterer Waageseile wie oben beschrieben oder kompletter Waagen erfolgen ( z.B. Lösen der äußeren Waagen; die innerste bleibt unverändert am Zugseil fixiert, der Drachen hebt dann seine Seitenflügel).

Die Masten können grazil sein, die Biegekräfte werden durch Abspannseile aufgefangen. Das Arbeitsseil bleibt im wesentlichen senkrecht, der Drachen ortsfest. Zulassungen dürften einfacher sein, auch deshalb, da in einem denkbaren Störfalle, dem Reißen des Arbeitsseiles, noch weitere Seile den Drachen halten. Bei einem Drachenpark können einzelne Masten gleichzeitig für mehrere Drachen verwendet werden. So können auch in einer Station über Umlenkrollen mehrere Arbeitsseile zusammengeführt werden. Dort können sie auf eine Haspel mit mehreren Spuren gewickelt werden und einen gemeinsamen Generator (oder auch eine Pumpe oder andere Geräte) antreiben. In diesem Falle steigen und sinken die Drachen synchron. Bei unabhängig laufenden Haspeln können die Drachen in eigenen Rhythmen laufen, entweder mit je einem Generator (oder anderem Nutzgerät) oder mit entsprechenden Getrieben auf einen gemeinsamen wirkend. Eine solche Koppelung von mehreren Drachen erspart Kosten und kann die Energie gleichmäßiger liefern. Es lassen sich Drachenparks relativ eng besetzen. Allerdings ist die Notwendigkeit von Parks deutlich geringer als bei Windrädern. In Gegensatz zu diesen lässt sich ein Drachen mit Seilen und Bodenstationen einfach skalieren, d.h. sehr klein und sehr groß bauen, mit der Größe sinkenden Kosten pro erzeugter Leistung.

Fig 4 stellt eine weitere Lösung dar, eine Drachenfähre.

Der Drachen 42 ist durch ein Loch auf einem Führungsseil „aufgefädelt". Das Führungsseil wird durch einen mit Helium gefüllten Ballon, den Lifter, in der Luft gehalten. Er ist so geformt, dass er einen geringen eigenen Luftwiderstand bietet und möglichst hoch steht. Der Drachen hängt wieder über Waageseile am Arbeitsseil, das wie gehabt auf eine Haspel gewickelt ist. Der Wind treibt den Drachen nach oben bis zu einem Anschlag 45a. Dort wird mit der Anschlagskraft und dem Bremsimpuls der Drachen für die Sinkphase verändert. In diesem Falle wird eine Rasterung ausgelöst, die Querstrebe geknickt, der Drachen faltet sich wie ein Schmetterling zusammen und rutscht, durch den Seilmotor unterstützt, nach unten. Am unteren Anschlag wird der Drachen wieder aufgefaltet, die Querstrebe rastet ein, er steigt wieder und produziert Energie. Fig 4

3d Führungsseil 23,24 Waageseile

44 Bodenanker für das Führungsseil; zum Einholen für die Wartung, Aufblasen des Ballons oder bei Sturm kann dort eine Winde stehen.

45a oberer Anschlag für den Drachen; 45b unterer Anschlag;

46 Helium-gefüllter Ballon mit möglichst geringem Windwiderstand, aber möglichst als Auftriebskörper geformt (natürlich ist auch wieder ein Lifterdrachen möglich oder eine Kombination)

47 Seildurchführung, mit Rollen sonstige Bezeichnungen wie vorher.

Arbeits- und Führungsseil sind im Verhältnis zu den anderen Komponenten einschließlich Lifter in Wirklichkeit viel länger als hier dargestellt. Bei den anderen Figuren ebenso.

In Fig 5 wird eine Lösung dargestellt, Energie sowohl beim Auf- wie auch beim Abstieg des Drachens zu erzeugen, dazu praktisch ohne elektromechanischen Regelaufwand mit einer sehr einfachen, auch transportablen, Bodenstation. Die Bodenstation ist grundsätzlich wie in Bild 1 aufgebaut, allerdings fallt der Rückholmotor weg und die Haspel ist eine einfache Rolle.

Fig 5

42 Flachdrachen als Arbeitsdrachen = Fähre; er besteht aus

42d äußerer Rahmen, in den Gewebe gespannt ist. Figur links unten.

42e Lücke im Drachen als Raum für die Mechanik 60; 42a Seitenruder zur Einstellung in die Windrichtung;

80 die Kippachse des Arbeitsdrachens, in der Nähe des Kraftschwerpunktes;

50 Lifterdrachen, Typ Flowform, teilweise mit Helium gefüllt;

51 obere Rolle;

52 untere Rolle; 53 oberer Anschlag; 54 unterer Anschlag ; 55a Rohr zur Halterung der unteren Rolle und des Generators; dreht sich in die Windrichtung und neigt sich gemäß der Windstärke über das 57 Gelenk; 55b Stange, die die Drehung der Rolle 52 über

55c ein Winkelgetriebe auf

10 ein Kettenritzel überträgt;

7 Kette, die die Rotation auf ein zweites Ritzel 10 übersetzt; 58 Bodenanker;

60 Drachenhalterung und Stellmechanik;

60a Mechanik zur Einstellung des Anstellwinkels des Drachens;

60b Stützrolle auf dem Gegenseil

61 Endlosseilschlaufe; 41 Bodenstation;

55d Drehgelenk, stellt die Anlage auf die Windrichtung ein;

9 Bodenkonstrukt, den Kippkräften angemessene Stangen, die mit

58 Bodenankern im Boden fixiert werden

Wenn der Arbeitsdrachen 42 durch den Wind getrieben am oberen Anschlag 53 ankommt, wird in 60a der Mechanismus ausgelöst, der die Achse 80 dreht. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Z.B durch die Aufprallenergie des Drachens am oberen Anschlag, oder die Energie einer am unteren Anschlag gespannten Feder, die oben nur ausgerastet wird, oder an 53 angebaute elektromechanische Drehgeber. Das Heruntergleiten kann auf zweierlei Weise geschehen: 1.Der Drachen wird aufwindneutral gestellt, vom Seil gelöst, das Eigengewicht drückt ihn nach unten. Oder 2. Der Drachen stellt sich auf Abtrieb, d.h. sein Luvseite ragt nach unten, der Wind und sein Eigengewicht drücken ihn nach unten, dort trifft er an der Bodenstation wieder auf einen Anschlag, er wird in die Steigposition gedreht, eventuell die interne Feder gespannt, er steigt wieder usw. Auch dies kann elektromagnetisch erfolgen oder unterstützt werden. Ebenso können die „Anschläge" (opto-)elektronisch oder durch Messung der Rollendrehung realisiert sein.

Um bei zu hoher Drachengeschwindigkeit kernen Schaden anzurichten, federn die realen Anschläge. Im ersten Falle dreht die Lichtmaschine mal rechts-, mal linksherum und erzeugt in beiden Richtungen spannungsgeregelte Energie, die über ein flexibles Kabel direkt in einen Akku gespeist wird. Die gesamte Bodenstation stellt sich durch den Seilführungsarm gezogen jeweils automatisch in die herrschende Windrichtung, braucht also nicht nachgeführt zu werden. Der Arbeitsdrachen 42 kann prinzipiell ein beliebiger Typ sein, er muss nur, oben entsprechend verändert, entweder durch sein Eigengewicht oder die Windkraft nach unten streben. An die Rolle 51 kann ein Dynamo angekoppelt sein, erstens um eventuell das Umschalten des Drachens oben elektromechanisch zu unterstützen oder auch um Energie für das Befeuern des Lifters zu liefern.

Generell ist durch Wahl eines starken Lifters, oder durch Halteseile wie in Fig 3 beschrieben, ein möglichst geringer seitlicher Versatz des Drachens anzustreben.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit zeigen die Figuren 6a und b: Drachen am Masten.

71 obere und untere Abspannspannseile für den Masten; 72 Mast;

60 Laufkatze, mit der der Arbeitsdrachen rauf und runter läuft; 58 Rollen, die im/am Masten 72 laufen,

61 Seil (oder Kette, Gurt oder Riemen); 51, 52 Umlenkrollen für das Seil; 57 Mitnehmer, die auf 61 aufsetzenZ-greifen, z.B. in Form einer Rutschkupplung und die die Verbindung zwischen 60 und 61 herstellen. Die Drehrichtung der Rollen 51 und 52 bleibt stets dieselbe; 80 Kippachse des Drachens, so eingestellt, dass auf der Luvseite die Kräfte etwas größer sind als auf der Leeseite, womit der Anstellwinkel stabil positiv oder negativ bleibt in der jeweiligen Bewegungsphase, d.h. rauf luvseitig nach oben, runter nach unten zeigend.

Die Lage kann durch Rasten oder z.B. Magnetkupplungen in den beiden Endstellungen noch weiter gesichert werden. Der Drachen und seine Achse erstrecken sich in beide Richtungen senkrecht zur Zeichenebene, siehe auch Fig 5, er hat wie dort ein Aussparung am Ort der Katze 60. Die Achsen- und Drachenspitzen sind zur (gewichtssparenden) Stabilisierung mit Seilen verspannt (nicht dargestellt). Er hat Seitenruder auf der Leeseite.

Er kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein, z.B. als 42A Flachdrachen wie in Fig 5 42B auf einen Rahmen 42Ba lose wie ein Segel eingespanntes Segel 42Bb, was sich beim

Ansteigen nach oben aufbläst, beim Absteigen nach unten und somit bessere Auftriebswerte als der Flachdrachen erzeugt. Oder

42C ein strömungsoptimiertes Profil, was beim Steigen maximalen Auftrieb erzeugt. Oder 42D (ohne Bild) ein symmetrisches Profil, was beim Auf- und Absteigen höhere Kräfte als das flache erzeugt. Die Varianten gelten gleichermaßen für Fig 6a und b. Der Anstellwinkel kann jeweils fest vorgegeben sein (stall) oder über einen Mechanismus in der Katze je nach Windgeschwindigkeit motorgetrieben oder einfacher durch elastische Elemente eingestellt werden (pitch).

42a Seitenleitwerk für den Drachen, bei allen Drachentypen, sie stellen sich so selbständig in den Wind;

44 Bodenanker an allen Abspannseilen 71 ; 52 untere Rolle, deren Rotation über ein Getriebe und die 61a senkrechte Drehachse zum 6 Generator oder anderes Nutzgerät übertragen wird. 53, 54 oberer und unterer Umwerfer für den Drachen; 59 Stoßdämpfer; 61a Antriebsstange für den Generator

Speziell Fig 6a 72 Mast wird durch den Drachen mitgedreht, U-Profil, in dem die Katze 60 läuft;

60a Anschläge für den Drachen, mit Magnethalter;

73,73a Halter für den Mast mit Drehgelenk;

71 obere Abspannung; es kann eine weitere unterhalb des unteren Umkehrpunktes 54 angebracht werden; 61 der Gurt läuft rechts rauf, links runter, unabhängig von der Bewegung des Drachens;

55c konischer Zahnkranz;

61b konisches Ritzel zur Bewegungsübertragung auf 61a

Speziell Fig 6b 72 runder, feststehender Mast, der Drachen dreht sich in den Wind über

58a Linear-Kugellager in der Katze;

61 zwei Gurtstränge hintereinander, der vordere läuft stets rauf, der hintere runter;

51b,c und 52b,c Umlenkrollen, je zwei hintereinander, sie fuhren das Seil/den Gurt vom senkrechten Lauf in die Waagrechte um die Rollen 51 und 52 herum. 5Ia₅ 52a Kugellager, die auf dem Mast aufsitzen und die Rollen 51 und 52 tragen;

5 Ie, 52e Kugellager, die auf dem Mast aufsitzen und die Rollen 51b,c und 52b,c tragen;

51d,52d Windfahnen, die die drehbaren Rollen 51 b und c oben, ebenso 52 b,c unten mit den Seilen 61 in die Windrichtung wie den Drachen stellen. Alternativ können die obere und untere Umlenkung 51 / 52 auch durch Fernübertragung motorisch der Drachenstellung entsprechend nachgefühlt werden, oder magnetisch durch eine im Inneren des Mastes von oben bis unten angebrachte Stange. 52f Zahnkranz, an 52 gekoppelt; greift ein in 61b Ritzel aufgesetzt auf 61a

Die Drachen bewegen sich zwischen den beiden Anschlägen 53 und 54 rauf und runter, stellen sich selbständig in die Windrichtung, kippen oben und unten und erzeugen so beim Rauf- und Runterlauf Energie. Das Seil läuft stets in der gleichen Richtung, dreht also auch die Maschine in der gleichen Richtung. Denkbar ist auch, dass das Seil mit seinen Rollen innerhalb des Mastes läuft und die Koppelung zum Drachen magnetisch durch die Mastwand erfolgt.

Solche Mast-Anlagen wären stationär wie die Windräder, könnte aber sehr viel billiger gebaut werden: Ein abgespannter Mast ist viel billiger als kippfeste Türme, ein Stoffdrachen, aber auch ein mit Seilen verspannter, mit stabiler Achse ausgerüsteter Profildrachen ist viel billiger, strömungsmechanisch viel effizienter als die aufwändigen schweren, schnellen Propeller, er kann eine größere Windfläche nutzen, ist in einem weiteren Windbereich (nach oben und unten) einsetzbar und könnte mit geringerem Aufwand viel höher ragen, um die stärkeren Winde zu nutzen. Er wäre betriebssicherer und würde keine Vögel schreddern.

Ähnliches gilt für eine Anlage gemäß Fig 7. Es sind 51b,c und 52b,c zwei Stützrollenpaare für das Seil 61 in unmittelbarer Nähe zu den Umlenkrollen 51 und 52;

6Oe Halterung der

40 Waage, diese als Seile oder Stangen ausgebildet;

60c Halterung des Drachens auf dem Seil; 6Of doppelt gekröpfte Verbindungstange zwischen Seil und Waagestange 6Oe

72 unterer Mast, in ihm wird die Drehung der Rolle 52 nach unten in die Bodenstation 41 übertragen, z.B. über ein Winkelgetriebe und eine Stange wie in Fig 6;

72b drehbarer Mast, hier ein H-Profil die anderen Bezeichnungen wie in Fig 5 und 6

Das Detail rechts zeigt die obere Rollenkombination von oben gesehen im Moment der Passage der Drachenhalterung 6Of.

Der Drachen 42, hier als Flachdrachen dargestellt, wird oben und unten nicht verändert, sondern läuft auf der einen Seite der Seilschlaufe 61 rauf, wird über die Rollenkombination ähnlich wie bei Seilbahnen geführt, steht danach auf dem Kopf, läuft auf der Rückseite der Schlaufe herunter. An der unteren Rollenkombination geschieht das Umgekehrte, der Drachen läuft wieder rauf usw. Der Drachen erzeugt kontinuierlich Energie. Es lassen sich auch mehrere Drachen am Seil befestigen, indem man die Rollen 51 und 52 größer als die Breite der Drachen macht oder 2 nebeneinander anbringt. Das Prinzip des oben auf den Kopf zu stellenden und unten wieder aufzurichtenden Drachens lässt sich statt mit Masten analog ebenfalls mit einem Lifter realisieren (nicht dargestellt).

Für die Wartung oder bei aufkommendem Sturm werden die freifliegenden oder am Lifter hängenden Drachen durch Aufwickeln der Seile oder Unterbrechung der Bewegung am unteren Umkehrpunkt fixiert. Der Mast kann zusätzlich durch Lösen der Halteseile umgelegt werden. Die Masten können an einer oder mehreren Stellen oder auch gar nicht abgespannt sein (frei stehender Fahnenmast, entasteter Baum). Als Masten/Lifter können ebenfalls vorhandene Bauten, insbesondere Fabrik- Schornsteine, aber auch höhere Häuser, Schiffsmasten, Strommasten usw. dienen. Dafür böte sich besonders das Konzept nach Fig 6b an.

Literatur

11/ Fliegende Windmühlen

Artikel in „Der Spiegel", Heft Nr 15/2005 121 Gordon Bruce Kingsley

Wind energy production using kites and ground mounted power generators US 2005/0046197 Al; Veröffentlicht: 3.März 2005 /3/ Bas Lansdorp, WJ. Ockels

Design of a 100 MW laddermill for wind energy generation from 5 km altitude; 7* World congress on recoveiy, recycling and reintegration, 2005, proceedings und andere Publikationen dieser Autoren und von A.R. Podgaets 2x1 laddermills (Leiterdrachen, Himmelsleiter) /4/ Howard G. Carpenter

Tethered aircraft Systems for gathering energy from wind US Patent no US 6,254,034 Bl

/5/ John R. Webster Power generation US 6,914,345 B2

161 Windenergieanlage mit steuerbaren Drachen DE 202006005389 Ul

III RObert

Verbessertes Drachenkraftwerk DE 27 20339 Al /8/ WJ.Ockels Windkraftanlage unter Verwendung von Drachen

EP 0 841 480 B l 191 N.Wendel

Windenergie-Gewinnungs- Anlage DE 19841 517 A l /10/ „Stern" Heft 37, Sept. 2007 Vom Winde verdreht

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Energie durch Nutzung des Windes mit einem am Arbeitsseil hängenden Drachen, indem das Seil periodisch beim Aufstieg des Drachens von einer in einer Bodenstation befindlichen Haspel abgewickelt wird, wodurch nutzbare Rotationsenergie entsteht, zum energiearmen Zurückholen des Drachens und Aufwickeln des Seiles dessen Windwirksamkeit (Widerstand und Auftrieb) verkleinert und zum Wiederanstieg wieder vergrößert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Dracheneigenschaften für Auf- und Abstieg durch die auf den Drachen wirkenden Wind- und Arbeitsseilkräfte ausgelöst werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, dass die Umsteuerung von Steigauf Sinkphase durch Erhöhung der Relativgeschwindigkeit des Arbeitsdrachens zum Wind erfolgt, indem das Arbeitsseil bei Erreichen der Gipfelhöhe stoppt und/oder es schnell rückgeholt wird oder wenn der Wind eine bestimmte Stärke überschreitet, und dass zur Beendigung der Sinkphase die Seilkräfte vermindert werden und der Arbeitsdrachen sich durch eingebaute Rückstellmechanismen wieder in den Steigzustand versetzt.

3. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die geringere

Windwirksamkeit für den Sinkflug dadurch erreicht wird, dass der Drachen vorzugsweise durch Knicken einer Spannstrebe gefaltet wird, oder durch Verringerung des Anstellwinkels, oder durch seitliches Kippen zum Wind, oder durch Veränderung seines Profils, oder durch Lösen seiner Bespannung.

4. Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Energie durch Nutzung des Windes, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzenergie durch einen als Drachenfähre ausgebildeten Arbeitsdrachen erzeugt wird, der an einem am auf einer Haspel aufgewickelten Arbeitsseil hängt und an einem Führungsseil entlang gleitet, dessen eines Ende durch einen Lifterdrachen oder Lifterballon oder einen Masten in der Höhe gehalten wird, und bei dem die Windwirksamkeit der Fähre oben und unten jeweils für die Steig- und Sinkphase umgestellt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Umsteuern zwischen Steig- und Sinkphase so wie in Anspruch 1 und 2 dargestellt oder durch mechanische Anschläge oder elektronische Markierungen am oberen und unteren Wendepunkt erfolgt.

6. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zum

Aufwickeln des Arbeitsseiles die Haspel aktiv per Motor, Rückhotfeder oder von Hand gedreht wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Drachenfahre haltende Seil eine Endlosschlaufe bildet, die zwischen einer Rolle oben am Lifter bzw.

Masten und einer am unteren Umkehrpunkt aufgespannt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsdrachen am oberen Umkehrpunkt so verändert wird, dass er Abtrieb erzeugt und diese Kraft ebenfalls zur Energiegewinnung genutzt wird

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Drachens mit leichtem Gas gefüllt sind, um das Eigengewicht des Drachens und Seiles zu kompensieren, sodass er auch bei Windstille in windbegünstigter Höhe verharrt.

10. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das seitliche Versetzen des Arbeitsdrachen oder Lifters durch den Wind durch Halteseile verhindert wird, die wiederum an Stelhnasten in der Höhe gehalten werden können.

11. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass an die Haspel oder untere Rolle direkt mechanischen Maschinen, wie z.B. Pumpen, Mühlen, Sägen, Dreschmaschinen und/oder ein Generator angekoppelt sind.

12. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur

Vermeidung von Schäden bei zu hohen Windgeschwindigkeiten, aber auch an den Wendepunkten der Fähre Stoßdämpfer (elastische Elemente oder Rutschkupplungen) eingebaut sind.

13. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Drachenanlagen zu einem Park zusammengefasst werden, wobei einzelne Komponenten, etwa die Stellmasten oder der Generator, jeweils für mehrere Drachen verwendet werden.

14. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie gespeichert wird, z.B. als elektrische Energie in Akkumulatoren oder anderen elektrischen Speichern, als mechanische Energie in einem Schwungrad, in angehobenen Lasten oder hoch gepumptem Wasser, oder als Druck in Gasbehältern, oder als Wärmeenergie.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fährendrachen jeweils am Seil oben und unten über die Rollen läuft, dabei oben auf den Kopf gestellt wird, sodass er Abtrieb erzeugt, unten wieder aufgerichtet wird und somit ohne Unterbrechung Energie erzeugt.

16. Vorrichtung nach vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass für die Funktion des Mastes vorhandene Gebäude, z.B. Schornsteine, andere Masten oder Bäumen genutzt werden.