DE102008020860A1

DE102008020860A1 - Mobile Windkraftanlage, eine Ausrüstung zur Energiegewinnung aus dem Fahrtwind für schnellfahrende Fahrzeuge des Straßen- und Schienenverkehrs mit dem Effekt einer Energierückgewinnung für das Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008020860A1
Application number: DE102008020860A
Authority: DE
Inventors: Hermann Zeller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2009-10-29

Abstract

Die Luftströmung, der sich ein Fahrzeug während seiner Bewegung (fahrend) gegenübersieht, (= Fahrtwind), enthält eine im Quadrat der Geschwindigkeit zunehmende Strömungsenergie. Die mobile Windkraftanlage ist der Lösungsgedanke für die Aufgabe, das im Luftvolumenstrom enthaltene Energiepotential für eine Energierückgewinnung zugunsten des Fahrzeugantriebs auszunutzen. Maßgebend ist das energieerzeugende Element der Windkraftanlage, eine Strömungsmaschine in Gestalt eines Flügelwindrads. Bei einer Auslegung mit größtmöglichem Durchmesser, z.B. bei Straßenfahrzeugen in Gestalt von PKWs von 1,50 m, wirkt sich die Energierückgewinnung auf den Fahrzeugantrieb als spürbares, mit der Geschwindigkeit zunehmendes Energie-Einsparpotential erst im Geschwindigkeitsbereich oberhalb 90 km/h aus. Mit kleinerem Durchmesser des Flügelwindrads, in ummantelter Form, als Turbine, ist die erzielbare (reduzierte) Energierückgewinnung interessant für die Stromversorgung der stark stromverbrauchenden Einrichtungen eines Fahrzeugs während der schnellen Fahrt auf Schnellstraßen.

Description

Eine Mobile Windkraftanlage,
entsteht dadurch, dass eine

1. Windkraftanlage sich zusammensetzend aus den Elementen
1.a.) Flügel-Windrad – als energieerzeugendes Element – mit aerodynamisch ausgebildeten 2 oder mehr Flügelblättern (= eine aus der Luftströmung energieaufnehmende Strömungsmaschine, Repeller) und
1.b.) Energie-Übertragungs-/Umwandlungselement (nachgeschaltet) – mit der Aufgabe der Wandlung und Übertragung der als Drehmoment erzeugten Energie auf den Fahrzeugantrieb –

zu 1.a.): Der Flügel-Windraddurchmesser ist begrenzt durch die Fahrzeugbreite und die lichte Höhe des Verkehrsraumprofils, sodaß die vom drehenden Flügel-Windrad überstrichene Fläche des Luftvolumenstroms durch diese Kriterien klein ist im Vergleich zu der eines Dreiblattrotors einer (stationären) Windkraftanlage zur Stromerzeugung, dass aber die Strömungsgeschwindigkeit bei höherem Fahrtempo demgegenüber groß ist. Das Flügel-Windrad kann unter Berücksichtigung der verkehrlichen Anforderungen und der Gestalt des Fahrzeugs luvseitig vor der Vorderfront, leeseitig hinter der Rückfront, oder über dem Fahrzeugdach (umklappbar für kleinere Durchfahrtshöhen) angeordnet sein. Zur Gewinnung des höchstmöglichen Drehmomentes sind die Flügel mit Hochauftrieb erzeugendem Profil ausgebildet; und der Flügel-Windraddurchmesser in Annäherung an die Dimensionierungsgrenzen ausgelegt. Es können auch mehrere Flügel-Windräder in einer mobilen Windkraftanlage installiert sein, wodurch die Drehmomentleistung entsprechend der Anzahl vervielfacht wird.
Die Größe der Drehmomentleistung ist proportional zur (Größe)² des Durchmessers des Flügel-Windrads.
Zu 1.b.): Die Aufgabe der Übertragung des erzeugten Drehmoments auf den Fahrzeugantrieb kann auf folgenden Energieumwandlungs-/Weiterleitungswegen gelöst werden:

1.b.1.): Mittels eines nachgeschalteten Elektro-Generators einschließlich Übersetzungsgetriebe (= Generatorversion). Die Generatorversion setzt voraus ein Zusammenfügen der mobilen Windkraftanlage mit Fahrzeugen, deren Motorantriebssystem die erzeugte elektrische Energie aufnehmen kann. Deshalb Anwendung auf Fahrzeuge mit Elektromotorantrieb und Hybridfahrzeuge (mit Verbrennungsmotor und Elektromotor) eingeschränkt.
1.b.2.): Mittels eines nachgeordneten Propellers mit gleicher Drehrichtung wie der des Flügel-Windrads. Das erzeugte Drehmoment wird abtriebseitig, auf die notwendige höhere Drehzahl des Propellers übersetzt, vom Propeller aufgenommen und dabei in eine vorwärtstreibende Propellerschubkraft umgewandelt (= Propellerversion)

Für die Elemente 1.a.) und 1.b.) ist in Bezug auf die Befestigungsvorrichtung eine aerodynamisch optimale Gestaltung in Leichtbauweise ein zwingendes Merkmal.
Mit der Ausrüstung eines Fahrzeugs mit einer mobilen Windkraftanlage wird der Zweck verfolgt, den beim Fahren, der Fahrzeugbewegung, entstehenden Fahrtwind zur Energiegewinnung (auf das Gesamtsystem betrachtet = Energierückgewinnung) auszunutzen.
Das besondere Merkmal der mobilen Windkraftanlage besteht in deren Vermögen, bei höherem Fahrtempo des Fahrzeugs eine ins Gewicht fallende Energierückgewinnung, mit zunehmender Tendenz, zugunsten des Fahrzeugantriebs zustande zu bringen.
Bei dem Vorgang der Energiegewinnung aus der zwangserzeugten Luftströmung erzeugt das Flügel-Windrad – anzustreben in größtmöglicher Dimensionierung – ein Vielfaches an Drehmomentleistung gegenüber der durch die Flügel-Windradausrüstung (Flügel-Windrad + Element 1.b.) + Halterung) hervorgerufenen zusätzlichen Luftwiderstandsleistung. Die so emmissionsfrei gewonnene Energie (gekürzt um die Wirkungsgradverluste), zeichnet sich in der Bilanz als Energierückgewinnung aus.
Das Zustandekommen einer Energierückgewinnung durch das Element 1.a.) Flügel-Windrad erklärt sich aus den Gesetzmäßigkeiten der Physik, Kapitel Mechanik der Flüssigkeiten, Strömungslehre, Aerodynamik, folgendermaßen:
Bei der Bewegung eines Körpers in einer Flüssigkeit mit der Geschwindigkeit v_o tritt stets eine Kraftkomponente entgegen der Bewegungsrichtung auf, die Widerstand F_W genannt wird. Zu ihrer Überwindung ist Arbeit zu leisten. (Sekundliche Arbeit = Leistung = F_W·v_o). Außerdem kann eine Kraftkomponente senkrecht zur Richtung von v_o auftreten, welche keinen besonderen Arbeitsaufwand erfordert. Genannt Auftrieb F_A. Bei einem als Tragflügel profilierten Körper ist die Auftriebskraft F_A groß gegenüber der Widerstandskraft F_W.
# Zeichnung (1)
Jedes um die Welle des Flügel-Windrads angeordnete Windradflügelblatt

– mit dem Merkmal,
– wie ein Tragflügel mit Hochauftrieb profilmäßig gestaltet zu sein,
– und mit optimaler Anstellwinkelstellung und nach außen zunehmender Verwindung gegenüber der Fahrzeuglängsachse ausgerichtet zu sein –

_A

Je Windradflügelblatt bewirkt bei einer Strömungsgeschwindigkeit v_o die Auftriebskraft F_A einen viel höheren Wert an Drehmomentleistung P_A = F_A·ω gegenüber der vom Windradflügelblatt ausgelösten Luftwiderstandsleistung P_W = F_W·v_o (Unter Einschluss des von Nabe und vom lösbaren Befestigungsgestell verursachten Betrages).
# Zeichnung (2)
Die Zuführung der vom Flügel-Windrad erzeugten Energie (unter Abzug der zusätzlichen Luftwiderstandsenergie und der Übertragungs-Wirkungsgradverluste) zum Fahrzeugantrieb bewirkt eine Beschleunigung des Fahrzeugs auf eine durch das erhöhte Antriebskraft angebot sich ergebende höhere Fahrtgeschwindigkeit. Zur Beibehaltung des ursprünglichen Tempo-Niveaus ist die Motorantriebsleistung entsprechend zu drosseln. Das Ergebnis: bei konstant gehaltenem Geschwindigkeitsniveau weniger Energiezufuhr (= weniger Kraftstoffverbrauch, bei Elektromotoren reduzierter Stromverbrauch). Da der Luftwiderstand im Quadrat der Geschwindigkeit anwächst, nimmt der Luftwiderstand unter den sonstigen Fahrwiderständen einen mit der Geschwindigkeit stark zunehmenden Anteil ein.
# Zeichnung (3)
# Zeichnung (4).
In anbetracht des Anwachsens des Luftwiderstands als Fahrwiderstand und des Auftriebs in der 2. Potenz der Geschwindigkeit, erreicht der Wert der erzielbaren Energierückgewinnung ausgedrückt als Betrag einer Kraftstoffeinsparung, bei einem an den Grenzen der Beschränkung ausgelegten, d. h. größtmöglichen Windraddurchmesser z. B. bei Pkw’s erst oberhalb eines Fahrtwindtempos von 90 km/h eine beträchtliche Größenordnung. Eine Ausrüstung mit einer mobilen Windanlage ist deshalb nur für schnellfahrende Fahrzeuge interessant.
Die Drehmomentleistung des Flügelwindrads ist proportional zur Größe des Durchmessers. Die Energierückgewinnung nimmt entsprechend zu oder ab.
Für Pkw’ und Kombi’s ist eine kleinere Dimension des Flügelwindrads als Ausrüstung, die aesthetischer wirkt und praktischer ist, und so den Nachteil einer geringeren Energierückgewinnung aufwiegt, eine interessante Variante, welche deshalb in die Patentanmeldung für die mobile Windkraftanlage eingeschlossen wird:
Mobile Mini-Windkraftanlage,
eine Ausrüstung für Pkw’s und Kombi’s
Mobile Windkraftanlage mit kleinem Durchmesser des Flügel-Windrads in der Generatorversion 1.a.) mit 1.b.1.) mit folgenden Merkmalen:

a.) Flügelwindrad mit Ummantelung (= Strömungsmaschine des Typs Turbine, Mantelrepeller), mit kleinerem Durchmesser von 50 bis 60 cm, mit mehreren Flügelwindrädern hintereinander,
b.) ein in die Welle integrierter Elektrogenerator mit Übersetzungsgetriebe,
c.) installiert auf leicht abnehmbarem Dachträgergestell in Leichtbauweise mit kleinstmöglichem c_W-Wert

Bei einem Durchmesser im Bereich von 0,60 m bis 0,50 m ist im Zustand von hoher Geschwindigkeit auf Schnellstraßen die reduzierte Energierückgewinnung für den Nutzungszweck Stromversorgung der viel Stromenergie verbrauchenden Einrichtungen des Fahrzeugs, (wie Klimaanlage, Beleuchtung u. a., auch Batteriespeisung) eine nicht uninteressante Konstellation. Blatt 1 (Seitenzahl – 11 –)

Mit Zeichnung (1)	Verhältnis von Auftriebskraft F. zu Luftwiderstandskraft F.
und Zeichnung (2)	Strömungskräfte am Flügel-Windrad mit 2 Flügeln senkrecht zur Fahrtrichtung Flügelresultierende F., entgegen der Bewegungsrichtung Flügelresultierende F.

Blatt 2 (Seitenzahl – 12 – )

Mit Zeichnung (3)	Fahrdiagramm bei Vollast, in das die Auswirkungen der mobilen Windkraftanlage bei Steigung 0% – in rot – angenähert eingezeichnet sind
und Zeichnung (4)	eine Grafik zur Illustration des Anteils des Luftwiderstands am Kraftstoffverbrauch/100 km

Claims

Patentanspruch 1. Mobile Windkraftanlage, eine Ausrüstung zur Energiegewinnung aus dem Fahrtwind für schnellfahrende Fahrzeuge des Straßen- und Schienenverkehrs mit dem Effekt einer Energierückgewinnung für das Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass 1. eine Windkraftanlage mit den Elementen 1.a.) Flügel-Windrad (energieerzeugendes Element) und 1.b.) Energie-Übertragungs-/Umwandlungselement (nachgeschaltet) in Gestalt von 1.b.1.) Generatorversion (mit den Merkmalen Elektro-Generator mit Übersetzungsgetriebe, Zuleitung der in Strom umgewandelten Drehmomentleistung an Fahrzeugantriebsmotor) oder 1.b.2.) Propellerversion (mit den Merkmalen Propeller mit Übersetzungsgetriebe, Drehmomentleistung aufnehmend und in eine in Fahrtrichtung vorwärtstreibende Propellerschubkraft umwandelnd) zusammengefügt ist mit einem (motorgetriebenen) Fahrzeug. und dadurch eine Energierückgewinnung zugunsten des Fahrzeugantriebs bewirkt wird.
Patentanspruch 2. für Element 1.a.) Flügel-Windrad nach Patentanspruch 1. 1. Flügel-Windrad, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.1 für die Erzeugung der höchstmöglichen Drehmomentleistung durch 1.1.1 größtmöglich dimensionierten Flügel-Windraddurchmesser innerhalb der durch Fahrzeugbreite und Lichtraumprofil-Höhe gesetzten Grenzen, 1.1.2. Gestaltung der Windradflügelblätter profilmäßig wie die eines Tragflügels mit Hochauftrieb, ihre Ausrichtung gegenüber der Fahrzeuglängsachse mit optimalem Anstellwinkel und mit nach außen zunehmender Verwindung, 1.2 Freiheit bezüglich Anordnungsplatz, unter Berücksichtigung der Gestalt des Fahrzeugs luvseitig vor der Vorderfront, leeseitig hinter der Hinterfront, oder über dem Fahrzeugdach (dabei umklappbar für geringe Durchfahrtshöhen) 1.3 Option für Aufstellung von mehreren Flügelwindrädern, Flügelblattzahl drei bis fünf, 1.4 Befestigungsvorrichtung aerodynamisch optimal gestaltet für geringstmöglichen Luftwiderstand, 1.5 Energieerzeugung als Drehmomentleistung bei einer bestimmten Geschwindigkeit der Luftströmung (= Fahrtwind) ist groß gegenüber der dabei auftretenden Luftwiderstandsleistung, gekennzeichnet dadurch, dass kraft des mit dem Flügel-Windrad 1.a.) verbundenen Energie-Übertragungs-/Umwandlungselementes 1.b.) die gewonnene Energie – abzüglich Wirkungsgradverluste und Luftwiderstandsleistung der mobilen Windkraftanlage – als Energieüberschuß – dem Energiebedarf des Fahrzeugantriebs bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit zugeführt wird. 2.) Patentanspruch für Energie-Übertragungs-/Umwandlungselemente 1.b.) nach Patentanspruch 1.: Kein Patentanspruch
Patentanspruch 3. Für mobile Windkraftanlage in der Generatorversion 1.a.) mit 1.b.1.) nach Patentanspruch 1., Element 1.a.) – Flügel-Windrad – nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet mit folgenden Merkmalen: a.) Flügelwindrad mit Ummantelung mit kleinerem Durchmesser (50 bis 60 cm) mit mehreren Flügel-Windrädern hintereinander auf einer Welle (= Turbine, Mantel-Repeller) b.) in Welle integrierter Elektro-Generator mit Übersetzungsgetriebe, c.) installiert auf leicht abnehmbarem Dachträgergestell mit kleinstmöglichem c_W-Wert.