DE102007020632A1

DE102007020632A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102007020632A1
Application number: DE102007020632A
Authority: DE
Inventors: Harald Eilers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2008-11-06
Also published as: WO2008131719A3; WO2008131719A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (10) mit einer Bodenstation (12) und einem mit der Bodenstation (12) verbundenen Flugkörper (14), der mindestens einen Rotor (16; 52) und einen mit dem Rotor (16; 52) verbundenen Generator (18) aufweist. Erfindungsgemäß ist ein mit dem Rotor (16) zusammenwirkender Windkonzentrator (34; 40; 44; 48) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer Bodenstation und einem mit der Bodenstation verbundenen Flugkörper, der mindestens einen Rotor und einen mit dem Rotor verbundenen Generator aufweist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage.
Um bei einer Windkraftanlage auf einen Turm verzichten zu können, ist bekannt, eine Bodenstation beispielsweise über ein Drahtseil mit einem Flugkörper zu verbinden, an dem ein Rotor zum Erzeugen von elektrischem Strom angebracht ist. Bekannt ist beispielsweise eine Windenergieanlage der Firma Magenn, die einen heliumgefüllten Ballon aufweist, an dessen Umfang turbinenschaufelähnliche Ausstülpungen vorgesehen sind. Der Ballon ist aufgrund seiner Heliumfüllung leichter als Luft und wird an einem Seil steigen gelassen. Aufgrund des Windes beginnt der Ballon sich zu drehen, weshalb ein mit dem Seil und dem Ballon verbundener Generator Strom erzeugt. Der Strom wird über ein mit dem Seil verbundenes Kabel zum Boden geleitet.
Nachteilig an dieser Windkraftanlage ist, dass sie eine vergleichsweise geringe Drehzahl aufweist, so dass nur ein geringer Wirkungsgrad erreichbar ist. Es lässt sich daher nur in seltenen Fällen mit einer derartigen Anlage wirtschaftlich Strom erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Windkraftanlage, die einen mit dem Rotor zusammenwirkenden Windkonzentrator aufweist.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass aufgrund des Windkonzentrators ein vergleichsweise kleiner Rotordurchmesser gewählt werden kann, der eine hohe Drehzahl erreicht. Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise ein vergleichsweise kleiner Generator verwendet werden. Ein kleiner Rotor stellt zudem geringere Anforderungen an die zu verwendenden Materialien, da nur eine kleinere Gewichtskraft aufgefangen werden muss.
Vorteilhaft ist zudem, dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage leicht in großen Höhen, beispielsweise jenseits der Prandtl- bzw. der Ekman-Schicht betrieben werden kann. Jenseits dieser Schichten weist die Atmosphäre weniger Turbulenzen auf, so dass mechanische Spitzenbelastungen der Windkraftanlage vermieden werden. Das erhöht die Lebensdauer der Windkraftanlage. Vorteilhaft ist zudem, dass der Windkonzentrator mit einfachen Mitteln realisierbar ist. Bewegliche Bestandteile sind entbehrlich, so dass der Windkonzentrator wenig verschleißt und leicht zu fertigen ist. Der Windkonzentrator führt zudem dazu, dass die Windkraftanlage auch bei kleinen Windgeschwindigkeiten anläuft und daher nur geringe Stillstandszeiten auftreten.
Unter einer Bodenstation wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung insbesondere jede Komponente der Windkraftanlage verstanden, die dazu ausgebildet ist, um den Flugkörper relativ zur Erde zu fixieren. Die Bodenstation kann beispielsweise ein Fundament oder ein hinreichend schwer dimensioniertes, auf der Erde liegendes Massenstück sein. Für eine Anwendung auf hoher See kann die Bodenstation auch einen Ponton umfassen, der über eine Verankerungsvorrichtung oder ein Gewicht am Meeresboden befestigt ist. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Bodenstation unbeweglich ausgebildet ist. Die Bodenstation kann beispielsweise auch durch ein Schiff gebildet sein, an dem der Flugkörper befestigt ist. Auf diese Weise kann die Windkraftanlage dazu verwendet werden, um Strom für Schiffe zu erzeugen und gegebenenfalls zusätzlich als Segel zu wirken.
Unter einem Flugkörper wird insbesondere eine Komponente der Windkraftanlage verstanden, die ohne Zuführung externer Energie in der Luft schweben kann.
Unter einem Rotor wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die einen Luftstrom in eine Drehbewegung umwandelt. Rotoren sind beispielsweise ein Propeller, ein Tangentialrotor, ein Querstromrotor, ein Darrieus-Rotor, ein Savonius-Rotor oder sonstige Bauformen. Der Rotor kann, muss aber nicht notwendigerweise, einstufig ausgebildet sein, d. h., dass sich alle beweglichen Teile in die gleiche Richtung drehen. Es ist alternativ auch möglich, dass der Rotor mehrstufig aufgebaut ist. Beispielsweise kann der Rotor zweistufig aufgebaut sein und zwei Propellerstufen umfassen, die sich gegenläufig drehen. Auf diese Weise können auf einfache Weise Drehmomente aufgefangen werden.
Unter einem Windkonzentrator wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, mit der Wind auf den Rotor gebündelt wird. Ein Windkonzentrator ist ausgebildet, um die Windgeschwindigkeit am Rotor zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Flugkörper ausgebildet, um in der Luft zu schweben. Insbesondere besitzt der Flugkörper einen Tragkörper, der leichter als Luft ist und der ausgebildet ist, um als Windkonzentrator zu wirken. Vorteilhaft hieran ist, dass der Tragkörper zwei Funktionen wahrnimmt, nämlich einerseits die, den Flugkörper ohne Zuführung externer Energie auf einer Flughöhe oberhalb des Erdbodens zu halten, und andererseits die, als Windkonzentrator zu wirken, so dass ein besonders kleiner und damit leichter Rotor verwendet werden kann. Gleichzeitig ermöglicht diese doppelte Funktion eine besonders einfache und elegante Konstruktion, die einfach zu fertigen und zu transportieren ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor um eine Rotordrehachse drehbar gelagert, wobei der Tragkörper einen stromlinienförmigen, bevorzugterweise einen rotationselliptischen, eine Tragkörperlängsachse aufweisenden Zentralkörper besitzt, wobei die Tragkörperlängsachse der Rotordrehachse entspricht und wobei die Rotorblätter quer zur Rotordrehachse über den Zentralkörper hinausragen. Beispielsweise ragen die Rotorblätter senkrecht zur Rotordrehachse über den Zentralkörper hinaus. Auf diese Weise wird Luft, die in der Nähe der Tragkörperlängsachse auf den Zentralkörper zu strömt, um den Zentralkörper herum auf die Rotorblätter geleitet. Der Zentralkörper wirkt dann als Windkonzentrator
Besonders bevorzugt besitzt der Tragkörper einen Rotormantel, der radial außerhalb des Rotors angeordnet ist und mit dem Rotor einen Impeller bildet. Auf diese Weise wird ein Discoeffekt vermieden, bei dem auf der Erdoberfläche das Sonnenlicht in schneller Folge beschattet und beleuchtet wird, was für sich in dem Gebiet aufhaltende Personen sehr störend ist. Vorteilhafterweise wird zudem der Wirkungsgrad des Rotors erhöht.
Um die Windkraftanlage bei übermäßig starkem Wind abschalten zu können, sind Rotorblätter des Rotors, insbesondere alle Rotorblätter, durch Bewegen auf die Rotordrehachse zu in einen Windschatten des Zentralkörpers bringbar. In dieser Position erfahren sie keine gerichtete Anströmung mehr durch den Wind, so dass kein Drehmoment mehr am Generator anliegt und dieser so leicht stillgelegt werden kann.
Bevorzugt besitzt der Tragkörper einen toroidalen Außenkörper, der radial außerhalb des Rotors angeordnet ist, so dass eine Rotorblattbahn der Rotorblätter zwischen dem Außenkörper und dem Zentralkörper verläuft. Unter einem toroidalen Außenkörper ist ein Körper zu verstehen, dessen Querschnitt eine konvexe geschlossene Kurve hat und der ringförmig um die Tragkörperlängsachse verläuft. Beispielsweise hat der Außenkörper einen elliptischen oder tropfenförmigen Querschnitt. Für den Fall eines kreisförmigen Querschnitts ergibt sich ein Außenkörper in Form eines Torus. Der Torus ist also ein Sonderfall des toroidalen Außenkörpers im Sinne dieser Beschreibung.
Vorteilhaft an einem derartig gestalteten toroidalen Außenkörper ist dessen einfache geometrische Gestalt, so dass er sehr leicht zu fertigen ist. Aufgrund seiner Form ist der toroidale Außenkörper zudem selbststabilisierend. Es ist daher möglich, nicht aber notwendig, dass der toroidale Außenkörper ein Innengerüst aufweist. Der Außenkörper kann insbesondere halbstarr oder als im Wesentlichen nur durch einen Innendruck von in dem Außenkörper vorhandenem Traggas stabilisierter Prallkörper ausgebildet sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besitzt der Tragkörper zwei prismatische Außenkörper, die sich entlang paralleler Außenkörper-Längsachsen erstrecken und mit ihren Außenkörper-Längsachsen nebeneinander so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein Strömungskanal gebildet ist, wobei mindestens zwei um jeweilige Rotorlängsachsen drehbare Savonius-Rotoren vorgesehen sind und wobei die Rotorlängsachsen parallel zu den Außenkörper-Längsachsen und zwischen den Außenkörper-Längsachsen verlaufen.
Bevorzugt sind die Savonius-Rotoren so angeordnet, dass sie teilweise im Strömungskanal und teilweise in einem Windschatten der Außenkörper rotieren. Auf diese Weise wird ein besonders hoher Wirkungsgrad des Savonius-Rotors erreicht, da der Teil des Savonius-Rotors, der sich entgegen der Windrichtung bewegt, im Windschatten läuft.
Es ist bevorzugt, dass der Zentralkörper und/oder der Außenkörper ein Traggas, insbesondere Wasserstoff oder Helium beinhaltet bzw. beinhalten. Vorteilhaft an dem Wasserstoff ist neben seiner Verfügbarkeit seine besonders geringe Dichte, so dass ein besonders großer Auftrieb erreicht wird. Aufgrund der Flughöhe des Flugkörpers stellt der Wasserstoff zudem kein signifikantes Sicherheitsrisiko dar. Vorteilhaft am Helium ist dessen Unbrennbarkeit. Es ist möglich, dass der Tragkörper sowohl Helium als auch Wasserstoff, beispielsweise in redundanten, getrennten Kammern, enthält.
Bevorzugt umfasst der Flugkörper eine Elektrolysevorrichtung zum Elektrolysieren von Wasser. Auf diese Weise kann Traggas in Form von Wasserstoff nachgeliefert werden, der unvermeidlicherweise durch eine Außenhülle des Tragkörpers nach außen diffundiert.
Bevorzugt ist der Flugkörper mittels eines flexiblen Verbindungselements mit der Bodenstation verbunden, beispielsweise einem Kabel aus hochreißfestem Kunststoff. Geeignet sind beispielsweise hochfeste Polyethylenfasern wie Dyneema^®.
Zum Ableiten von elektrischem Strom, der vom Generator erzeugt worden ist, ist bevorzugt ein elektrisches Kabel vorgesehen, das mit dem Verbindungselement verbunden ist. Zum Nachliefern von Wasser zu der Elektrolysevorrichtung ist beispielsweise ein Wasserschlauch mit dem Verbindungselement verbunden. Um Wasser im Wasserschlauch über große Höhen pumpen zu können, ohne dass der Wasserschlauch eine große Druckfestigkeit besitzen muss, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mindestens eine Wasserpumpe zum Pumpen des Wassers vorgesehen, die an dem Verbindungselement befestigt ist. Die Wasserpumpe wird beispielsweise elektrisch angetrieben. Alternativ umfasst die Wasserpumpe eine Brennstoffzelle zum Umwandeln von in dem Flugkörper erzeugten Wasserstoff in Strom, wobei der Wasserstoff über einen Gasschlauch angeschlossen ist, der ebenfalls am Verbindungselement befestigt ist. Es ist zudem möglich, dass ein Gasschlauch vorgesehen ist, um entweder Wasserstoff als Traggas zum Flugkörper oder um im Flugkörper elektrolysierten Wasserstoff zur Bodenstation zu leiten.
Gemäß einer Ausführungsform besitzen der Zentralkörper und/oder der Außenkörper ein Gerüst, das Traggaszellen umgibt. In anderen Worten sind der Zentralkörper und/oder der Außenkörper als Starrluftschiffe ausgebildet. Alternativ können der Zentralkörper und/oder der Außenkörper als halbstarre Luftschiffe, insbesondere als Kielluftschiffe ausgebildet sein. Gemäß einer weiteren Alternative sind der Zentralkörper und/oder der Außenkörper unmittelbar mit dem Traggas gefüllt. In diesem Fall sind sie als Prallluftschiffe ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst bevorzugt den Schritt des Erfassens einer Flughöhe des Flugkörpers, eines Vergleichs der Flughöhe mit einer Soll-Flughöhe und des Elektrolysierens von Wasser, so dass Wasserstoff entsteht und als Leiten des Wasserstoffs in den Tragkörper pumpt. Günstigerweise wird das Elektrolysieren des Wassers im Flugkörper selbst durchgeführt.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1a eine erfindungsgemäße Windkraftanlage in einem Längsschnitt,
1b die Windkraftanlage gemäß 1a in einem Querschnitt,
2a eine schematische Ansicht einer Stellung von Rotorblättern bei Normalbetrieb,
2b eine weitere Stellung von Rotorblättern zum Abschalten der Windkraftanlage,
3a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einem Längsschnitt,
3b die Windkraftanlage nach 3a in einem Querschnitt,
4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage, bei der der Außenkörper einen tropfenförmigen Querschnitt hat,
5a eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage in einem Längsschnitt,
5b ein Querschnitt durch die Windkraftanlage nach 5a,
6a einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage,
6b einen Querschnitt der Windkraftanlage nach 6a,
7a eine Ausführungsform für Rotoren für die Windkraftanlage gemäß den 6a und 6b,
7b eine Stellung für die Rotoren gemäß der 7a zum Abschalten der Windkraftanlage,
7c eine weitere Stellung für die Rotoren gemäß der 7a zum Abschalten der Windkraftanlage,
8a eine schematische Darstellung für eine Energieübertragung von dem Flugkörper zu der Bodenstation,
8b eine alternative Ausführungsform für eine Energieübertragung von Flugkörper zur Bodenstation,
8c eine weitere alternative Ausführungsform für eine Energieübertragung von Flugkörper zur Bodenstation,
8d eine weitere alternative Ausführungsform für eine Energieübertragung von Flugkörper zur Bodenstation,
9a eine erste Möglichkeit zum Regeln eines Auftriebs des Flugkörpers,
9b eine weitere Möglichkeit zum Regeln des Auftriebs des Flugkörpers und
10 eine schematische Systemübersicht für die Ausführungsform nach 8b.
1 zeigt eine Windkraftanlage 10 mit einer Bodenstation 12 und einem mit der Bodenstation 12 verbundenen Flugkörper 14, der einen Rotor in Form eines Propellers 16 und einen mit dem Propeller 16 verbundenen Generator 18 besitzt. Die Bodenstation 12 ist über ein Verbindungselement in Form eines Halteseils 20 mit einem Längsträger 22 des Flugkörpers 14 verbunden. Der Längsträger 22 erstreckt sich entlang einer Längsachse L des Flugkörpers 14.
Der Propeller 16 besitzt vier Rotorblätter 24.1, 24.2, 24.3 und 24.4, von denen in 1a die Rotorblätter 24.1 und 24.3 sichtbar sind. Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das jeweilige Objekt als solches. Die Rotorblätter 24 sind an einem Arm 26 befestigt, der in einer Nabe 28 um den Längsträger 22 drehbar gelagert ist. An dem Arm 26 ist ein Zahnkranz 30 starr befestigt, der mit einem Zahnrad 32 des Generators 18 kämmt.
Im Folgenden bezeichnen Bezugszeichen ohne Zählsuffix das entsprechende Objekt als solches. Die Rotorblätter 24 ragen über einen Zentralkörper 34 des Flugkörpers 14 hinaus, so dass sie von Wind, der durch Pfeile W angedeutet ist, angeströmt werden können, der vom Zentralkörper 34 abgelenkt wird.
Der Zentralkörper 34 besitzt ein in 1a nicht eingezeichnetes Gerüst, mit dem der Längsträger 22 gehaltert ist und das von einer im Wesentlichen gasdichten Hülle 36 umgeben ist. Der Zentralkörper 34 besitzt daher den Aufbau eines Kielluftschiffs.
Der Zentralkörper 34 hat eine äußere Gestalt eines Rotationsellipsoiden, dessen Querschnitt eine Ellipse ist. Auf diese Weise wird der Wind W effektiv um den Zentralkörper 34 herum geleitet und trifft dort auf die Rotorblätter 24, die um eine Rotordrehachse R rotieren, die der Längsachse L entspricht. Der Zentralkörper 34 umfasst schematisch eingezeichnete Traggaszellen 38.1, 38.2, 38.3, 38.4, die mit einem Gas, das leichter ist als Luft, beispielsweise mit Wasserstoff gefüllt sind, so dass der Flugkörper 14 leichter ist als die ihn umgebende Luft und somit in der Luft schwebt.
Der Flugkörper 14 besitzt zudem einen Rotormantel 40, der radial außerhalb des Propellers 16 und konzentrisch mit diesem angeordnet ist, so dass der Rotormantel 40 und der Propeller 16 einen Impeller bilden. Alternativ besitzt der Propeller 16 an seinen radial äußeren Enden T-förmige Abkantungen, die zu dem gleichen Effekt führen.
1b zeigt die Windkraftanlage 10 gemäß 1a in einem Querschnitt. Es ist zu erkennen, dass der Rotormantel 40 über vier Stege 42.1, 42.2, 42.3, 42.4 an dem Zentralkörper 34 befestigt ist.
2a zeigt eine Detailansicht des Zentralkörpers 34 und des Rotorblatts 24.1, das wie alle anderen Rotorblätter radial verschieblich an dem Arm 26 angeordnet ist. In der in 2a gezeigten Stellung kann das Rotorblatt 24.1 vom Wind W angeströmt werden und treibt den in 2a nicht eingezeichneten Generator an. In der in 2b gezeigten Stellung ist das Rotorblatt 24.1 radial auf die Längsachse L zu bewegt worden, so dass der Wind W keine Angriffsfläche mehr findet und der Propeller 16 still steht. Auf diese Weise kann die Windkraftanlage bei zu starkem Wind leicht abgeschaltet werden. Alternativ ist ein Pitchsystem vorgesehen, bei dem die Rotorblätter 24 um ihre Längsachse aus dem Wind gedreht werden.
3a zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10, bei der der Flugkörper 14 keine Zentralkörper umfasst sondern stattdessen einen toroidalen Außenkörper 44 besitzt. Der toroidale Außenkörper 44 hat einen elliptischen und damit konvexen Querschnitt und ist rotationssymmetrisch zur Längsachse L. Er umgibt den Propeller 16 unter Bildung eines schmalen radialen Luftspalts 46 und wirkt wie der Zentralkörper 34 in den 1a und 1b als Windkonzentrator für den Propeller 16. Der toroidale Außenkörper 44 ist nach dem Prinzip eines Prallluftschiffs aufgebaut und über in 3a nicht eingezeichnete Stege mit dem Längsträger 22 verbunden. Durch eine Füllung mit einem Gas oder Gasgemisch, das leichter ist als Luft und das insbesondere Helium, Wasserstoff oder ein Gemisch aus beidem umfasst, ist der Außenkörper 44 leichter als Luft, so dass der Flugkörper 14 schwebt. 3b zeigt einen Querschnitt durch die Windkraftanlage gemäß 3a.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10, bei der der toroidale Außenkörper 44 einen tropfenförmigen Querschnitt besitzt. Ein so geformter Außenkörper 44 besitzt einen besonders geringen Luftwiderstand und bewirkt einen Mantelturbineneffekt, der die Wirkung als Windkonzentrator zusätzlich verstärkt.
Die 5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10, die als Hybrid der Ausführungsformen gemäß der 1a und 1b einerseits und der Ausführungsformen gemäß der 3a und 3b andererseits ausgebildet ist.
6a zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 10, die einen ersten prismatischen Außenkörper 48.1 und einen zweiten prismatischen Außenkörper 48.2 besitzt, die sich beide entlang paralleler Außenkörperlängsachsen A1 bzw. A2 erstrecken und die beide nach dem Prinzip eines Kielluftschiffs aufgebaut sind. Die prismatischen Außenkörper 48.1, 48.2 sind mit einem Traggas gefüllt, so dass der Flugkörper 14 schwebt. Zwischen den prismatischen Außenkörpern 48.1, 48.2 ist ein Strömungskanal 50 gebildet, in den zwei Savonius-Rotoren 52.1, 52.2 hineinragen, die um jeweilige Rotorlängsachsen R1 bzw. R2 drehbar gelagert sind.
6b zeigt einen Querschnitt durch die Windkraftanlage 10 gemäß 6a. Es ist zu sehen, dass die Savonius-Rotoren 52.1, 52.2 über linksseitige Zahnräder 54.1a und 54.2a bzw. rechtsseitige Zahnräder 54.1b bzw. 54.2b miteinander drehstarr verbunden sind. Über weitere Zahnräder 54.3a bzw. 54.3b stehen die Savonius-Rotoren 52.1, 52.2 im Betrieb zudem in drehstarrer Verbindung mit Generatoren 56.1, 56.2.
7a zeigt schematisch die beiden Savonius-Rotoren 52.1, 52.2 im Normalbetrieb, d. h., während der Erzeugung von Strom. Es ist möglich, dass sich die jeweiligen Schaufeln 58.1, 58.2 auf Kreisbahnen bewegen, die einander überlappen. Da die Savonius-Rotoren 52.1, 52.2 drehstarr miteinander gekoppelt sind, ist eine Kollision der Schaufeln 58.1 und 58.2 nicht möglich.
7b zeigt eine Ruhestellung der beiden Savonius-Rotoren 52.1, 52.2, in die diese gefahren werden, um die Windkraftanlage still zu setzen.
7c zeigt eine weitere Möglichkeit, um die Windkraftanlage 10 still zu setzen. Dazu werden die Savonius-Rotoren 52.1, 52.2 in einen Windschatten der prismati schen Außenkörper 48.1 bzw. 48.2 hinein gefahren, so dass sie vom Wind nicht mehr angeströmt werden können.
8a zeigt eine schematische Darstellung von Leitungen, die von der Bodenstation 12 zum Flugkörper 14 führen. Zum Beschweren des Flugkörpers 14 kann dieser einen Ballasttank 60 besitzen, der über einen Wasserschlauch 62 mit der Bodenstation 12 verbunden ist. Das Beschweren dient der Steuerung der Flughöhe des Flugkörpers 14. Die Traggastzellen 38 können über einen Gasschlauch 64 mit einer Traggasversorgung in der Bodenstation 12 verbunden sein. Der Generator 56 ist zur Übertragung des erzeugten Stroms über ein Stromkabel 66 mit der Bodenstation 12 verbunden. Der Wasserschlauch 62, der Gasschlauch 64 und das Stromkabel 66 sind mit dem in 8a nicht eingezeichneten Halteseil 20 verbunden, das deren Gewichtskraft aufnimmt. In der Bodenstation 12 ist eine elektrische Steuerung vorgesehen, die eingerichtet ist, um die Flughöhe des Flugkörpers 14 zu erfassen und dem Flugkörper 14 Ballast durch den Wasserschlauch 62 zuzuführen, wenn die Flughöhe verringert werden soll.
8b zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der Wasserschlauch 62 Wasser in den Ballasttank 60 befördert, der wiederum mit einer Elektrolysevorrichtung 68 in Verbindung steht. Die Elektrolysevorrichtung 68 bezieht Strom vom Generator 56 und erzeugt so Wasserstoff 70, der den Traggastzellen 38 zugeführt wird. Auf diese Weise kann durch Elektrolysieren von Wasser die Menge an Traggas im Tragkörper verändert werden, so dass stets genug Traggas vorhanden ist, um den Flugkörper 14 in der Schwebe zu halten. Es ist wie in der in 8a beschriebenen Ausführungsform eine entsprechend eingerichtete Steuerung vorhanden.
8c stellt eine weitere alternative Ausführungsform dar, bei der die Traggaszellen 38 über den Gasschlauch 64 mit Traggas aus der Bodenstation 12 versorgt werden. Die Steuerung der Flughöhe des Flugkörpers 14 erfolgt durch Steuern des Gasvolumens im Flugkörper 14. Dazu ist in der Bodenstation eine entsprechend eingerichtete elektrische Steuerung vorgesehen, die das Gasvolumen an Traggas erhöht, wenn der Flugkörper 14 an Höhe gewinnen soll.
8d ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der Diffusionsverluste von Traggas durch Traggas aus dem Gasschlauch 64 ausgeglichen werden. Die Höhensteuerung des Flugkörpers 14 geschieht wie bei den Ausführungsformen nach den 8a und 8b durch Zu- und Abführen von Ballast aus dem Ballasttank 60.
9a zeigt eine weitere Möglichkeit zur Regelung des Auftriebs des Flugkörpers 14. In einem Druckgasspeicher 72 ist Traggas vorhanden, das bei Bedarf in die Traggaszelle 38 eingeleitet werden kann. Ist der Auftrieb zu stark, kann aus der Traggaszelle 38 Traggas durch einen Auslass 74 abgelassen werden. Es ist zudem möglich, über den Wasserschlauch 62 Wasser in den Ballasttank 60 zu pumpen und von dort wieder abzulassen.
9b zeigt die Möglichkeit, die Traggaszelle 38 direkt über den Gasschlauch 64 mit der Bodenstation 12 zu verbinden. 10 zeigt eine Zusammenschau des oben Beschriebenen, wobei zusätzlich Pumpen 76, 78, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 82.1, 82.2, ein Wasserstoffspeicher 84, ein Wasserspeicher 86 und Zusammenstoßwarnlichter 88 eingezeichnet sind.

10: Windkraftanlage
12: Bodenstation
14: Flugkörper
16: Propeller
18: Generator
20: Halteseil
22: Längsträger
24: Rotorblatt
26: Arm
28: Nabe
30: Zahnkranz
32: Zahnrad
34: Zentralkörper
36: Hülle
38.1,.2,
38.3,.4: Traggaszelle
40: Rotormantel
42: Steg
44: toroidaler Außenkörper
46: Luftspalt
48.1, 48.2: prismatischer Außenkörper
50: Strömungskanal
52.1, 52.2: Savonius-Rotor
54: Zahnrad
56.1, 56.2: Generator
58.1, 58.2: Schaufel
60: Ballasttank
62: Wasserschlauch
64: Gasschlauch
66: Stromkabel
68: Elektrolysevorrichtung
70: Wasserstoffleitung
72: Druckgasspeicher
74: Auslass
76: Pumpe
78: Pumpe
80: Pumpe
82: unterbrechungsfreie Stromversorgung
84: Wasserstoffspeicher
86: Wasserspeicher
88: Zusammenstoßwarnlichter
L: Längsachse
W: Wind
R: Rotordrehachse
A1, A2: Außenkörper-Längsachse
R1, R2: Rotorlängsachse

Claims

Windkraftanlage (10) mit (a) einer Bodenstation (12) und (b) einem mit der Bodenstation (12) verbundenen Flugkörper (14), der mindestens einen Rotor (16; 52) und einen mit dem Rotor (16; 52) verbundenen Generator (18) aufweist, gekennzeichnet durch (c) einen mit dem Rotor (16) zusammenwirkenden Windkonzentrator (34; 40; 44; 48).
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugkörper (14) ausgebildet ist, um in der Luft zu schweben.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugkörper (14) einen Tragkörper (34; 44; 48) besitzt, der leichter als Luft und als Windkonzentrator ausgebildet ist.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rotor (16) um eine Rotordrehachse (R) drehbar gelagert ist, – der Tragkörper einen, insbesondere im Wesentlichen rotationsellipsoiden, eine Tragkörperlängsachse (L) aufweisenden Zentralkörper (34) besitzt, wobei die Tragkörperlängsachse (L) der Rotordrehachse (R) entspricht, und – die Rotorblätter (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) quer zur Rotordrehachse (R) über den Zentralkörper (34) hinausragen.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper einen Rotormantel (40) besitzt, der radial außerhalb des Rotors (16) angeordnet ist und mit dem Rotor (16) einen Impeller bildet.
Windkraftanlage (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Rotorblätter (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) des Rotors (16) durch Bewegen auf die Rotordrehachse (R) zu in einen Windschatten des Zentralkörpers (34) bringbar sind.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper einen toroidalen Außenkörper (44) besitzt, der radial außerhalb des Rotors (16) angeordnet ist, so dass eine Rotorblattbahn der Rotorblätter (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) zwischen dem Außenkörper (44) und dem Zentralkörper (34) verläuft.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkörper (44) einen c_W-Wert von unter 0,25 hat und insbesondere einen elliptischen oder tropfenförmigen Querschnitt aufweist.
Windkraftanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Tragkörper zwei prismatische Außenkörper (48.1, 48.2) umfasst, die sich entlang paralleler Außenkörper-Längsachsen (A1, A2) erstrecken und mit ihren Außenkörper-Längsachsen (A1, A2) nebeneinander so angeordnet sind, dass ein Strömungskanal (50) zwischen den beiden Außenkörpern (48.1, 48.2) entsteht, und – dass mindestens zwei um jeweilige Rotorlängsachsen (R1, R2) drehbare Savonius-Rotoren (52.1, 52.2) vorgesehen sind, – wobei die Rotorlängsachsen (R1, R2) parallel zu den Außenkörper-Längsachsen (A1, A2) und zwischen den Außenkörper-Längsachsen (A1, A2) verlaufen.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Savonius-Rotoren (52.1, 52.2) so angeordnet sind, dass sie teilweise im Strömungskanal (50) und teilweise in einem Windschatten der Außenkörper (48.1, 48.2) rotieren.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralkörper (34) und/oder der Außenkörper (44; 48.1, 48.2) ein Traggas, insbesondere ein Wasserstoff, beinhalten bzw. beinhaltet.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugkörper (14) eine Elektrolysevorrichtung (68) zum Elektrolysieren von Wasser umfasst.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flugkörper (14) mittels eines flexiblen Verbindungselements (20) mit der Bodenstation (12) verbunden ist.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (20) ein elektrisches Kabel (66) umfasst.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement einen Wasserschlauch (62) zum Transportieren von Wasser zum Flugkörper (14) umfasst.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (62) mindestens eine Wasserpumpe zum Pumpen des Wassers umfasst, wobei die Wasserpumpe insbesondere eine Brennstoffzelle umfasst.
Windkraftanlage (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (62) einen Gasschlauch (64) zum Leiten von Wasserstoff zur Wasserpumpe und/oder zur Bodenstation (12) oder zu einer Wasserstoffpumpe umfasst.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralkörper (34) und/oder der Außenkörper (44; 48.1, 48.2) ein Gerüst besitzen bzw. besitzt, das Traggaszellen (38.1, 38.2, 38.3, 38.4) umgibt.
Windkraftanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralkörper (34) und/oder der Außenkörper (44; 48.1, 48.2) als halbstarres Luftschiff, insbesondere als Kielluftschiff, aufgebaut sind.
Windkraftanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralkörper (34) und/oder der Außenkörper (44; 48.1, 48.2) mit dem Traggas gefüllt sind.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 23 oder 24.
Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: (a) Bereitstellen einer Windkraftanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, (b) Befüllen des Flugkörpers (14) mit einem Traggas, so dass dieser schwebt und (c) Rotierenlassen des Rotors (16) und Erzeugen eines elektrischen Stroms mit dem Generator (18).
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Erfassen einer Flughöhe des Flugkörpers (14), (b) Vergleichen der Flughöhe mit einer Soll-Flughöhe, (c) wenn die Soll-Flughöhe unterschritten wird, Bereitstellen von Traggas aus einem Vorratsbehälter und/oder Elektrolysieren von Wasser, so dass Wasserstoff entsteht, und Leiten des Wasserstoffs in einen Tragkörper des Flugkörpers (14) und/oder Ablassen eines flüssigen Ballasts, insbesondere Wasser, aus einem im Flugkörper (14) angeordneten Ballasttank (60).
Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Erfassen einer Flughöhe des Flugkörpers (14), (b) Vergleichen der Flughöhe mit einer Soll-Flughöhe (c) wenn die Soll-Flughöhe überschritten wird, Ablassen von Traggas aus dem Tragkörper und/oder Befüllen eines im Flugkörper (14) angeordneten Ballasttanks (60) mit flüssigem Ballast, insbesondere mit Wasser.