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Die
Erfindung betrifft eine vertikale Windkraftanlage mit verstellbaren,
auftrieberzeugenden, Windenergie wandelnden Tragflächen,
die in Einbaulage mit ihrer Drehachse senkrecht, verstellbar an umlaufenden
Seilen befestigt sind. Damit können erstmalig fossile Brennstoffe
adäquat durch Windenergie ersetzt werden, da diese Anlage
einen ganzen Windpark ersetzt und dabei auf etablierte, kostengünstige
Technik zurückgegriffen wird.
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Die
bisher industriell eingesetzten Windkraftanlagen sind nahezu alle
mit Rotoren bestückt, die konstruktionsbedingt nur bis
zu einem bestimmten Rotordurchmesser hergestellt werden können.
Rotordurchmesser von mehr als 100 m erfordern einen unverhältnismäßig
hohen und unwirtschaftlichen Aufwand. Die Wirtschaftlichkeit einer
Windkraftanlage aber hängt zu einem erheblichen Anteil
von der ausbeutbaren, durchströmten Fläche ab.
Windkraftanlagen in Größenordnungen von zweistelligen
Megawattleistungen sind mit Rotortechnologie nur als Windpark zu
realisieren, die allesamt bekannte, technische Probleme aufweisen.
Eine Windkraftanlage, die einen ganzen Windpark ersetzt und auch
noch kostengünstiger zu erstellen wäre, kann als
ein technischer Sprung betrachtet werden. Die erfinderische Tätigkeit
besteht darin, unter Beibehaltung der auftriebserzeugenden Merkmale,
den konstruktiven Nachteilen der Rotoren derart zu begegnen, dass man
den Rotor zerschneidet und in einem Rahmen vorder- und hinterseitig
anordnet, wobei aus einer Rotationsbewegung eine lineare Bewegung
wird. Technisch umgesetzt wird dieser Gedanke erfindungsgemäß durch
etablierte Seil bahntechnologie. Die konstruktiven Merkmale von
Seilkonstruktionen (z. B. Hängebrücken) erlauben
es in der Technik Bauwerke von größtmöglichen
Dimensionen zu errichten. Somit ist es ohne weiteres möglich
Spannweiten von 500 m und mehr und Pylonenhöhen von 100
m und höher zu errichten. Die dazwischen gespannten Tragflächen
in optimaler Einstellung ergeben 100 000 m2 durchströmbare
Fläche, jeweils 50 000 m2 bei Vor-
und Rücklauf, was einer Leistungsausbeute von 15 der größten
handelsüblichen Windkraftanlagen (V 90) entspricht. Das
Aufteilen des Rotors in mehrere Segmente ergibt einen weiteren,
physikalischen Vorteil im Auftrieb und in der Leistungsentnahme.
Die lineare Bewegung der Tragflächen vermeidet den Widerstand
durch die Blattspitzengeschwindigkeit, die bei Rotoren erhebliche
Leistungsverluste verursachen.
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Des
Weiteren können durch die Mannigfaltigkeit der Anstellwinkel
Strömungsverhältnisse optimal adaptiert werden
und für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten optimale
Verhältnisse geschaffen werden, was bei Rotorkonstruktionen
durch deren Starrheit ausgeschlossen ist und nur für eine
Geschwindigkeit optimiert werden kann.
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In
der
DE 102 24 32 4
A1 wird auf einen vertikalen Rotor mit lenkbaren Flügeln
Bezug genommen. In der genannten Konstruktion werden die Winkeleinstellungen über
Schubstangen realisiert, wobei die resultierende Kraft eine Drehbewegung
um eine Drehachse hervorruft. Obwohl diese Konstruktion über
frei einstellbare Flügel verfügt, ist sie in ihrer Auslegung
den Restriktionen einer Einachsenkonstruktion unterworfen, wenn
auch vertikal. Die heute mögliche, computerisierte Sensortechnik
(Mechatronik) ermöglicht eine kostengünstige und
präzise (Stall-)Strömungsabrissberechnung, die
erfindungsgemäß in jeder Tragfläche zur
Anwendung kommt, sodass ein technisches Auftriebsmaximum errechnet werden
kann. Zukünftige Entwicklungen in der Stallberechnung können
hier ohne Weiteres einfließen, da die Flexibilität
des Tragflächen Ensembles dieses zulässt. Rotorflügel
haben aufgrund ihrer Starrheit kein weiteres Innovationspotential
mehr. Wegen der mit der Rotorlänge entlang der Rotorblätter
zunehmenden Umfangsgeschwindigkeit steigt die Belastung des Rotorblattes
entlang seiner Länge kontinuierlich, bis zur Belastungsgrenze
des verwendeten Materials, an, was bei dieser Konstruktion aufgrund der
linearen Bewegungen vermieden wird. Bei zunehmenden Windgeschwindigkeiten
müssen die Rotoren daher gebremst oder winklig aus dem
Wind gestellt werden um die Zerstörung der Anlage zu vermeiden.
Besonders gefährdet sind die Rotorblätter, sowie
das oben auf dem Turm schlecht zu erreichende Getriebe. Beschädigungen
dieser Komponenten führen daher zum Totalschaden der Anlage.
(Quelle: Wirtschaftlichkeitsberichte über Abschreibungen
der Windparkfonds) Das Verhältnis von hohen Drehmomenten
zu relativ geringen Eingangsdrehzahlen bei Rotoranlagen erzeugt
hohe Belastungen. Bei der hier vorgestellten Lösung hingegen
ist eine günstige Getriebekopplung möglich, es
kann auch auf aufwendige Umrichtertechnologie verzichtet werden,
weil die Seilgeschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Ebenso
ist die akustische Belastung um ein Vielfaches vermindert weil keine
Blattspitzenüberschallgeschwindigkeiten erreicht werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage, ausgeführt
als periodische, nicht um eine Zentralachse rotierende Arbeitsmaschine
zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Arbeit, welche in
Form umlaufender linearer Bewegung anfällt. Kennzeichen
dieser Anlage sind: Erstens das Fehlen einer Zentralachse und Zweitens
die ausschließlich lineare Bewegung der auftrieberzeugenden
Tragflächen (6) sowie Drittens die Fähigkeit
dieser Tragflächen (6) beim Rücklauf,
durch Änderung des Anstellwinkels mittels Servomotoren
(13), nochmals krafterzeugende Wirkung zu entfalten. Unter Ausnutzung
der Auftriebs- und Abtriebskräfte mittels mehrerer, winkelverstellbarer
Tragflächen (6) – die schmalseitig oben
und unten an endlosen Seilen (1/2) von Seilbahnen
befestigt sind, wobei ein Servomotor (13) im oberen Ende
jeder Tragfläche (6) eingebaut ist und über
die Drahtseile (1/2) mit der Betriebsspannung
versorgt wird – wird die Bewegung von „Auftrieb
erzeugenden” Volumenströmen (hier Wind) in lineare
Bewegung umgesetzt. Die Kraftübertragung, der durch Auftrieb
hervorgerufenen Bewegung, auf die Seile (1/2)
erfolgt mittels modifizierter Gondelgruppenhalter (12),
da die Tragflächen (6) dieselben Belastungen auf
die Seile (1/2) übertragen wie Gondelgruppen
bei Personenseilbahnen. Diese Belastungen sind erfindungsgemäß die
Antriebskräfte der Seile (1/2). Darüber
hinaus wird erfindungsgemäß eine zweiter Gondelgruppenhalter
verwendet, sodass die Stabilität gewährleistet
wird und die Antriebskräfte besser auf zwei Seile (1/2)
verteilt werden. Diese lineare Bewegung wird in elektrische Energie
gewandelt.
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Die
Anlage besteht aus mindestens zwei, in maximalem Abstand übereinander
montierten Einseil-Gruppen-Umlaufhahnen (Seilbahnen), welche zwischen
zwei mit Stahlseilen (11) abgespannten Pylonen (9)
angebracht sind. Der Abstand der Pylonen (9) soll, entsprechend
den Dimensionen von Seilbahnen und Hängebrücken,
um die Maximallänge liegen, wobei einer der Pylonen (9)
die Generatoreinheiten (5) – mindestens eine pro
(oberes und unteres) Umlenkrad (3) – trägt,
während am Anderen die Seilspannvorrichtungen (4)
und Umlenkräder (3) der Seilbahntechnologie befestigt
sind.
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Statt
der Gondelgruppen vollführen zwischen den Seilen (1/2)
der Seilbahnen an den Gondelgruppenhaltern (7) montierte,
hochkant gestellte, aerodynamisch geformte Tragflächen
(6) – ausgeführt in Leichtbauweise aus
Teilstücken – einen linearen Umlauf, wobei die
Tragflächen (6) dem Volumenstrom (8)
immer dieselbe, winkelverstellbare Schmalseite zuwenden. Die Gondelgruppenhalter (12)
werden so modifiziert, dass sie an die Antriebswelle des zur Einstellung
des auftrieberzeugenden Anstellwinkels in die Tragfläche
(6) eingebauten Servomotors (13) angeflanscht
werden. Die Verwendung von Servomotoren (13) ermöglicht
eine gleichmäßige 90° Drehung der Tragflächen
(6) während der 180° Drehung an den Umlenkrädern
(3), damit die optimale Tragflächenanstellung
auch im Rücklauf möglich ist. Die Stromversorgung
der Servomotoren (13) wird durch das obere (2)
und untere (1), endlose Führungsseil (1/2)
zugeführt, welche auch für die HF-Frequenzen der,
die Tragfläche (6) ebenfalls der Länge nach
durchziehenden, Datenleitungen (19) verwendet werden.
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Diese
Datenleitungen (19) verbinden 4 Reihen von Stall-Sensoren
(14) welche sich auf beiden Seiten der Tragfläche
(6) im vorderen und hinteren Bereich über die
gesamte Länge jeder Tragfläche (6) verteilen
und erfindungsgemäß Informationen über Strömungszustand
und drohenden Strömungsabriss an einen ebenfalls in jeder
Tragfläche (6) enthaltenen Mikroprozessor (17)
liefern – mit diesem Mikroprozessor (17), welcher
einerseits die Steuerleitungen des Servomotors (13) ansteuert
und andererseits über die Umlaufseile (1/2)
mit einem Zentralrechner kommuniziert, sodaß zum Einen
immer Stall berechnet werden kann, zum Anderen die Steuerung internetfähig
wird. Bevorzugt wird ein Datenbus mit TCP/IP-Protokoll (19).
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Die
an den oberen und unteren Umlenkrädern (3) unterhalb
der Anlagen angeschlossenen Elektromotoren (5) fungieren
beim Start der Anlage als Motoren und werden später im
laufenden Betrieb der Anlage durch zuschaltbare Generatoren (5)
ersetzt oder als Generatoren (5) betrieben. Die Anlage wird
nach den Regeln der Technik standsicher gemacht (z. B. Abspannungen).
Sollten sich, durch die unterschiedliche Kraftwirkung auf die Tragflächen (6),
unterschiedliche Seilstellungen ergeben, sollen die Generatoren
(5) gegebenenfalls mittels „elektrischer Welle” (Resolver)
kommunizieren. Es sind Leistungen im zweistelligen Megawatt Bereich
möglich, dimensionsbedingt durch größtmögliche
durchströmte Flächen. Die auftrieberzeugenden
Tragflächen sind erfindungsgemäß symmetrische
Ausführungen der NACA-Spezifikationen, die an ihren schmalseitigen
Enden strömungsoptimiert berechnet werden. Die Auslegung
der Drucksensoren (14) zur Srömungsabrißberechnung
wird gemäß der Spezifikation des Flugzeugbaus übernommen.
Die Kombination (7) aus Servomotoren (13) und
Gondelgruppenhaltern (12) sind erfindungsgemäß entsprechen den
[1.1] und [1.1.1]
herzustellen.
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Servomotoren
(13) mit hohem Drehmoment ermöglichen die gleichmäßige
90° Drehung der Tragflächen (6) während
der 180° Drehung an den Umlenkrädern (3),
damit die optimale Tragflächenanstellung auch in Rücklauf
möglich ist. Die Tragflächen (6) sind
in Leichtbauweise aus Teilstücken zusammengesetzt.
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Eine
Anlage ersetzt einen ganzen Windpark bei einmaligen Aufstell- und
Transportkosten. Rücklaufende Flächen sind ebenfalls
auftriebserzeugend, dies verdoppelt die durchströmte Fläche.
Die Offshore Tauglichkeit der Anlage ist ein weiterer konzipierter
Einsatzbereich, der durch Pontonmontage und Seilabspannung ohne
teure Fundamente auf dem Meeresgrund wirtschaftlich machbar wird.
Flutbare Pontons und Seilverankerung, oder die Verwendung unrentabel
gewordener Schiffe ermöglichen einfache Positionswechsel
und reduzieren Kosten. Geringe Korrosions- und Verschmutzungsanfälligkeit durch
angewandte Seilbahntechnik, an den Umlenkrädern (3)
können die Tragflächen (6) gewartet und gereinigt
werden. Leicht austauschbare Komponenten bedingen preiswerte Reparaturen,
auch durch den Einsatz ausgereifter Umlauf Seilbahntechnik. Das
Prinzip des Baukastensystems, auch der Tragflächen (6),
vermeidet Schwertransporte. Autarke Tragflächen (6)
von denen jede ihren optimalen Anstellwinkel selbstständig
regelt werden von Mikroprozessor (17) gesteuerter Sensorik
(14) und Einstellelektronik in jeder Tragfläche
(6) ermöglicht, ebenso wie die Messdatenspeicherung/Verarbeitung
für einen Windantizipator „Computer Thinking Forward”, ein
Zentralcomputer übernimmt die Vorhersage zur Grobeinstellung
jeder Einzeltragfläche (6). Bidirektional gleichberechtigte
Laufrichtung in Abhängigkeit der Windrichtung ist möglich,
die Anlage ist nicht um eine Achse drehbar. Es erfolgt ein proportionaler Leistungszuwachs
durch Erhöhung der Tragflächenanzahl.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Umlaufseile (1/2)
als Kohlefaserseile auszuführen um die möglichen
Spannweiten zu vergrößern und um die Durchhängung
der Umlaufseile (1/2) zu reduzieren. Eine weitere
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Anlage auf schwimmenden Pontons,
die teilweise flutbar sind, zu montieren. Eine weitere Ausgestaltung
der Tragflächen (6) sieht vor, diese aufblasbar
zu gestalten und mit einer flexiblen Oberfläche zu versehen,
z. B. Kunstseide. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, die Anlage um die Mitte ihrer Pylonen (9) schwenkbar
zu gestalten, um sie unter Brücken zu montieren ohne den Durchgang
zu versperren. Eine weitere Ausgestaltung der Tragflächen
(6) sieht vor, diese nach Erkenntnissen der Bionik an den
schmalseitigen Tragflächenenden aufzufächern.
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1 Skizze der Windkraftanlage
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1.1 Tragfläche mit
Servomotor, Stabilisator, Strom- & Datenleitung,
Mikroprozessor
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1.1.1 Tragflächensensorik
Motorteilstück
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2 Draufsicht Variante mehr Tragfläche(n)
- 1
- Führungsseil
unten
- 2
- Kraftseil
oben
- 3
- Umlenkräder
- 4
- Seilspannvorrichtung
- 5
- Antriebs-
und Generatoreinheiten
- 6
- Tragfläche
- 7
- Anstellwinkel
Einstelleinheit (Stabilisator und Servomotor mit Elektronik)
- 8
- Hauptwindrichtung
- 9
- Pylone
- 10
- Seilstütze
- 11
- Abspannung
- v
- zur
Verdeutlichung angenommene Bewegungsrichtung
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1.1 Tragfläche mit
Servomotor, Stabilisator, Strom- & Datenleitung,
Mikroprozessor
- 12
- Stabilisator
(modifizierter Gondelgruppenhalter)
- 13
- Servomotor
- 14
- Sensoren
(4 Reihen)
- 15
- Datenleitungen
- 16
- Steuerleitungen
- 17
- Mikroprozessor
- 18
- Stromleitungen
- 19
- Datenleitung
HF Signal (ISA-Bus TCP/IP)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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