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DE102011122072B3 - Stirlingmotor für ein emissionsfreies Fluggerät - Google Patents

Stirlingmotor für ein emissionsfreies Fluggerät Download PDF

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DE102011122072B3
DE102011122072B3 DE102011122072A DE102011122072A DE102011122072B3 DE 102011122072 B3 DE102011122072 B3 DE 102011122072B3 DE 102011122072 A DE102011122072 A DE 102011122072A DE 102011122072 A DE102011122072 A DE 102011122072A DE 102011122072 B3 DE102011122072 B3 DE 102011122072B3
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flat plate
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plate stirling
energy
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English (en)
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Jost Seifert
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft den emissionsfreien Antrieb eines Fluggeräts. Um ein Fluggerät mit einem möglichst leichten Antrieb und mit einem auf den Betrieb bezogenen reduzierten CO2-Ausstoß zur Verfügung zu stellen, wird ein Fluggerät (10) mit einem emissionsfreien Antrieb (12) vorgeschlagen, bei dem eine Antriebseinrichtung (14) zur Erzeugung eines Vortriebs, eine Auftriebseinrichtung (20) zur Erzeugung eines Auftriebs und eine Wärmekraftmaschine (26) zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung vorgesehen sind. Als Wärmekraftmaschine ist dabei wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor (28) vorgesehen ist, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb sowie ein Verfahren zum Antreiben eines Fluggeräts.
  • Fluggeräte, beispielsweise Flugzeuge, verfügen in der Regel über eine Antriebseinrichtung, beispielsweise eine Turbine oder einen Propeller, der z. B. von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Im Zusammenhang mit den Erkenntnissen zur globalen Klimaerwärmung ist man derzeit bestrebt, den durch das Betreiben eines Flugzeugs bedingten CO2-Ausstoß zu reduzieren. Beispielsweise werden Elektromotoren auf ihre Einsatzfähigkeit in Luftfahrzeugen, insbesondere in Flugzeugen, untersucht. Die dafür erforderlichen Batterien sind nach heutigem Stand der Technik noch nicht verfügbar. Allerdings gibt es kleine Flugdemonstratoren, wie zum Beispiel den elektrisch fliegenden Cri-Cri von EADS, die die prinzipielle Machbarkeit des Elektrofluges bei kleinen Flugzeugen nachgewiesen haben. Weiterhin gibt es Solarflugzeuge wie den Solarimpuls, die einen Flug auch während der Nacht ermöglichen, indem am Tag Sonnenenergie durch Solarzellen in elektrischen Strom umgewandelt wird, und in Batterien gespeichert wird, der dann in der Nacht einen Elektromotor antreibt.
  • Ein solarbetriebenes Fluggerät ist aus der WO 2008/121774 A2 bekannt. Zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine in Form eines Stirlingmotors ist eine thermische Batterie, mit einem Wärmespeichermedium, vorgesehen, sowie ein im transparenten Rumpf vorgesehener solarthermischer Kollektor. Da das Flugzeug während des Flugbetriebs unterschiedlich zur Sonne ausgerichtet ist, ist ein verfahrbarer parabolförmiger Reflektor vorgesehen mit einem zentral verlaufenden Wärmekollektor, der die Wärme an den Wärmespeicher transportiert. Flachplatten-Stirlingmotoren sind beispielsweise aus der US 4,414,814 , der DE 42 16 839 C1 , der WO 96/06274 , oder EP 2 258 947 A1 bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fluggerät mit einem möglichst leichten Antrieb mit einem auf den Betrieb bezogenen reduzierten CO2-Ausstoß zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Antreiben eines Fluggeräts nach Anspruch 14 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb vorgesehen, das eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung eines Vortriebs, eine Auftriebseinrichtung zur Erzeugung eines Auftriebs und eine Wärmekraftmaschine zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung aufweist. Als Wärmekraftmaschine ist wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor vorgesehen, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist.
  • Bei einem „Flachplatten-Stirlingmotor” handelt es sich um einen Stirlingmotor, bei dem ein Verdränger mit diskontinuierlicher Steuerung vorgesehen ist. Der Verdränger arbeitet dabei bereits mit sehr niedriger Temperaturdifferenz, was auch dadurch bedingt ist, dass das System der Flachplatte im Verhältnis zum Arbeitsvolumen eine größere Wärmeübertragungsfläche aufweist. Dabei wird eine auch als Vorderwand bezeichnete Fläche beheizt, gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere durch Sonneneinstrahlung. Flachplatten-Stirlingmotoren eignen sich zur Umwandlung von thermischer Energie, die durch die solare Wärmestrahlung zur Verfügung gestellt wird, in Bewegungsenergie. Flachplatten-Stirlingmotoren können bereits bei geringen Temperaturdifferenzen, beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz von ca. 15°, angetrieben werden. Aufgrund ihres Wirkungsprinzips können Flachplatten-Stirlingmotoren mit relativ leichten Bauteilen realisiert werden. Durch die Nutzung der solaren Wärmestrahlung als Wärmequelle, die für den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors unumgänglich ist, ist ein emissionsfreier Antrieb, d. h. ein Antrieb mit reduziertem CO2-Ausstoß, möglich.
  • Der Begriff „Fluggerät” umfasst auch Luftfahrzeuge und insbesondere auch bemannte und unbemannte Flugzeuge. Unter „Fluggerät” werden aber auch Luftschiffe sowie Ballonfahrzeuge verstanden.
  • Die Antriebseinrichtung ist beispielsweise ein Propellerantrieb mit einem oder mehreren Propellereinheiten.
  • Die Auftriebseinrichtung umfasst beispielsweise einen mit einem Auftrieb erzeugenden Fluid gefüllten Körper eines Luftschiffs oder eines Ballonfahrzeugs.
  • Die Auftriebseinrichtung kann auch eine Flügeleinrichtung mit einem Tragflügelprofil zur Erzeugung eines Auftriebs (bei entsprechend gleichzeitigem Vortrieb zur Erzeugung der notwenigen Strömung) umfassen. Der Begriff „Flügeleinrichtung” umfasst beispielsweise auch die integral mit einer Rumpfkonstruktion ausgebildeten Auftriebseinrichtungen bei Nur-Flügel-Flugzeugen.
  • Gemäß der Erfindung können mehrere Flachplatten-Stirlingmotoren vorgesehen sein, z. B. bezogen auf die Flugrichtung nebeneinander oder hintereinander, oder auch an mehreren Stellen verteilt angeordnet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Auftriebseinrichtung eine Flügeleinrichtung mit einem Tragflügelprofil zur Erzeugung eines Auftriebs, wobei der Flachplatten-Stirlingmotor in der Flügeleinrichtung angeordnet ist.
  • Dadurch lässt sich ein Flachplatten-Stirlingmotor zur Verfügung stellen, der eine möglichst große, der solaren Wärmestrahlung ausgesetzte Fläche aufweist. Außerdem kann der Flachplatten-Stirlingmotor die Querschnittsgeometrie des Tragflügelprofils optimal ausnutzen, was sich auch aus dem folgenden ergibt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Flachplatten-Stirlingmotor folgende Komponenten auf:
    • – eine mit einem Arbeitsgas gefüllte Arbeitskammer mit einer Oberseite und einer Unterseite und einem veränderlichen Arbeitsvolumen;
    • – einen in der Arbeitskammer zwischen der Oberseite und der Unterseite beweglich gehaltenen Verdränger;
    • – einen in der Arbeitskammer angeordneten Regenerator zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie;
    • – einen mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitskolben zur Veränderung des Arbeitsvolumens;
    • – ein drehbar gehaltenes Schwungelement;
    • – einen mit dem Schwungelement verbundenen Abtrieb zum Antreiben der Antriebseinrichtung; und
    • – eine Getriebevorrichtung zur mechanisch koppelnden Verbindung des Verdrängers und des Arbeitskolbens mit dem Schwungelement.
  • Die Arbeitskammer ist in der Auftriebseinrichtung angeordnet, und das Arbeitsgas ist von einer Oberseite der Auftriebseinrichtung her durch die solare Wärmestrahlung erwärmbar.
  • Die Ausrichtung der Oberseite zur solaren Wärmestrahlung ergibt sich während des Flugbetriebs, da die Oberseite stets nach oben und damit in Richtung der Sonneneinstrahlung weist. Die solare Einstrahlung bewirkt, vereinfacht gesagt, ein Erwärmen des Arbeitsgases in dem Bereich oberhalb des Verdrängers, wodurch sich das Arbeitsgas ausdehnt und den Arbeitskolben nach außen drückt. Anschließend erfolgt ein Abkühlen und damit Zusammenziehen des Arbeitsgases in dem oberen Bereich, und es kommt zu einer erneuten Bewegung des Arbeitskolbens, woraufhin wieder ein erneuter Schritt des Aufwärmens und Ausdehnens beginnt. Entscheidend ist hierbei, dass der Verdränger das Arbeitsgas zwischen der warmen Oberseite und der kalten Unterseite hin und her transportiert, um eine schnelle Abkühlung bzw. Erwärmung des Arbeitsgases zu erzielen.
  • Das Schwungelement ist beispielsweise eine Propellereinrichtung der Antriebseinrichtung. Das Schwungelement kann auch als Schwungrad ausgebildet sein.
  • Statt des Schwungelements kann auch eine Vorrichtung zur Umwandlung der Linearbewegung in eine Rotationsbewegung vorgesehen sein.
  • Gemäß einem alternativen Beispiel ist statt des Schwungelements auch ein direkter Abtrieb über die Linearbewegung des Arbeitskolbens vorgesehen zur Erzeugung einer Linearbewegung für einen darauf basierenden Antrieb.
  • Die Getriebevorrichtung weist beispielsweise eine erste Schubstangenverbindung auf, die den Verdränger mit einem ersten Anlenkpunkt an dem Schwungelement koppelt, und eine zweite Schubstangenverbindung, die den Arbeitskolben mit einem zweiten Anlenkpunkt an dem Schwungelement koppelt. Der erste Anlenkpunkt ist auf dem Schwungelement in seiner Drehwinkellage in Drehrichtung um 90° versetzt vor dem zweiten Anlenkpunkt angeordnet.
  • Der Arbeitskolben ist in einem Arbeitshohlraum beweglich gehalten, wobei der Arbeitskolben eine bewegliche Wandfläche der Arbeitskammer darstellt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeitskammer zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite ausgebildet, wobei der Verdränger die Arbeitskammer in einen ersten und einen zweiten Kammerbereich unterteilt. Der Verdränger ist derart ausgebildet, dass er bei Bewegung Arbeitsgas von dem einen in den anderen Kammerbereich verdrängt. Die Flügeloberseite bildet eine erste Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer ersten Temperatur und die Flügelunterseite eine zweite Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer zweiten Temperatur. Die zweite Temperatur ist niedriger als die erste Temperatur.
  • Der erste Kammerbereich ist ein oberer Kammerbereich, und der zweite Kammerbereich ist ein unterer Kammerbereich.
  • Das Arbeitsgas kann von einer Unterseite der Auftriebseinrichtung her, z. B. auf der Flügelunterseite, kühlbar sein, d. h. gekühlt werden. Die Flügeleinrichtung kann z. B. im Bereich der Arbeitskammer auf der Unterseite eine wärmeleitende Kammerwandung im Bereich der Arbeitskammer aufweisen, z. B. ein Aluminiumblech.
  • Die erste Seite bildet eine warme Seite und die zweite Seite eine kalte Seite des Flachplatten-Stirlingmotors.
  • Bei Bewegung des Verdrängers strömt Arbeitsgas durch den Regenerator, wobei dieser derart ausgebildet ist, dass bei Durchströmen mit dem Arbeitsgas eine Abgabe bzw. Aufnahme von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie erfolgt.
  • Im vorderen Bereich des Flügelprofils, d. h. zur Nasenkante hin, kann eine zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite verlaufende Wandung vorgesehen sein, welche die Arbeitskammer gegenüber einem vorderen Bereich abschließt.
  • Der Flachplatten-Stirlingmotor kann zur Flügelstatik herangezogen werden, d. h. in die Tragstruktur eines Flügels unterstützend eingefügt sein.
  • Das Tragflügelprofil kann eine Profilnase und eine Profilhinterkante aufweisen, wobei der Verdränger im Bereich der Profilhinterkante schwenkbar gehalten ist, und wobei der Verdränger eine in Richtung des Flügelprofils gebogene Platte bildet.
  • Der Verdränger kann beispielsweise eine Leichtbauplatte mit Wärmedämmeigenschaft aufweisen, die auf der Oberseite eine dunkle Farbe aufweist, z. B. eine Schaumplatte.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Auftriebseinrichtung im Bereich der Arbeitskammer auf der Oberseite eine lichtdurchlässige Abdeckung auf, um eine direkte Wärmeeinstrahlung in die Arbeitskammer zu ermöglichen.
  • Die Abdeckung bzw. Außenhaut der Flügeleinrichtung bildet eine Kammerwandung im Bereich der Arbeitskammer, wodurch sich insgesamt weniger Bauteile ergeben.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Stromerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie zum Antreiben des Fluggeräts vorgesehen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stromerzeugungseinrichtung eine Generatoreinrichtung zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie, wobei die Generatoreinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor angetrieben werden kann.
  • Die Generatoreinrichtung kann mit dem Schwungelement lösbar gekoppelt sein.
  • Die Generatoreinrichtung kann beispielsweise ein Lineargenerator sein, der die Linearbewegung des Arbeitskolbens in elektrische Energie umwandelt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Stromerzeugungseinrichtung photovoltaische Elemente auf zur Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die photovoltaischen Elemente auf der Oberseite des Verdrängers angeordnet.
  • Die photovoltaischen Elemente können beispielsweise in Bereichen auf der Oberseite des Fluggeräts angeordnet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Stromerzeugungseinrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung auf, welche die bei einem Brennstoffzellenbetrieb freigesetzte Wärme der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors zuführt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem der beiden Kammerbereiche der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors vorgesehen.
  • Dadurch kann beispielsweise eine Unterstützung des Flachplatten-Stirlingmotor-Betriebs erfolgen, wenn die solare Wärmestrahlung nur reduziert vorliegt, bzw. kann auch der Eintrag der Wärmeenergie der solaren Wärmestrahlung durch die Heizeinrichtung ersetzt werden, beispielsweise wenn keine solare Wärmestrahlung vorliegt, wie beispielsweise während eines Nachtflugs.
  • Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine mit einem Brennstoff betriebene Brennvorrichtung aufweisen, wobei eine Speichervorrichtung vorgesehen sein kann zum Speichern des Brennstoffs.
  • Beispielsweise kann der verwendete Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, um einen möglichst CO2-reduzierten bzw. CO2-neutralen Flugbetrieb zur Verfügung zu stellen.
  • Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine elektrische Heizvorrichtung zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizvorrichtung zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie auf, wobei die elektrische Heizvorrichtung integral in dem Verdränger ausgebildet ist.
  • Beispielsweise ist die elektrische Heizvorrichtung eine Heizspirale, die in einer der beiden Kammerbereiche angeordnet ist, um das Arbeitsgas in diesem Bereich zu erwärmen.
  • Die elektrische Heizvorrichtung kann beispielsweise als elektrisch betriebene Heizoberfläche des Verdrängers ausgebildet sein.
  • Das Speichern und das Abgeben der elektrischen Energie durch die Speichereinrichtung können zu verschiedenen Phasen erfolgen.
  • Beispielsweise ist ein Elektromotor vorgesehen, der mit der Antriebseinrichtung verbunden ist, und der mit elektrischer Energie der Stromerzeugungseinrichtung betrieben werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Speichereinrichtung zum Speichern und Abgeben der von der Stromerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Energie vorgesehen. Die Stromerzeugungseinrichtung führt der Speichereinrichtung elektrische Energie zu. Die Speichereinrichtung speichert die zugeführte elektrische Energie und stellt diese zum Antreiben des Fluggeräts zur Verfügung.
  • Die Speichereinrichtung kann die elektrische Energie beispielsweise an die elektrische Heizvorrichtung abgeben.
  • Die Speichereinrichtung gibt die elektrische Energie beispielsweise an einen Elektromotor ab, der mit der Antriebseinrichtung verbunden ist.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit photovoltaischen Elementen kombiniert, die einen Elektromotor antreiben in Ergänzung zum Flachplatten-Stirlingmotor, um mit beiden Antriebsquellen die Antriebseinrichtung zu betreiben.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit photovoltaischen Elementen kombiniert, sowie mit einer Batterieeinrichtung und einem Elektromotor, um elektrische Energie zum Betrieb des Elektromotors zum Antreiben der Antriebseinrichtung während beispielsweise der Nachtstunden zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit einem Generator verbunden, der eine Batterieeinrichtung auflädt, um mit der gespeicherten elektrischen Energie einen Elektromotor, beispielsweise während der Nachtstunden, zu betreiben, um die Antriebseinrichtung zu betreiben. Dabei kann beispielsweise der Elektromotor auch gleichzeitig als der erwähnte Generator fungieren, bzw. in der umgekehrten Wirkungsweise.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit photovoltaischen Elementen und einer Batterie kombiniert vorgesehen, sowie mit einer Heizvorrichtung, die mit der elektrischen Energie, welche in der Batterie gespeichert ist, betrieben werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit einem Generator kombiniert, um eine Batterie aufladen zu können, mit der wiederum während der Nachtstunden beispielsweise eine Heizvorrichtung betrieben werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit einer Heizvorrichtung kombiniert ausgebildet, die mit einem Brennstoff betrieben wird, um beispielsweise den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors tagsüber zu unterstützen oder auch den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors nachts überhaupt erst zu ermöglichen.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit Photovoltaik-Elementen kombiniert, mit denen eine Heizvorrichtung betrieben wird, welche den Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors unterstützt.
  • Beispielsweise ist der Flachplatten-Stirlingmotor (FSM) in Kombination mit folgenden Komponenten vorgesehen:
    • – FSM + photovoltaische Elemente + Elektromotor;
    • – FSM + photovoltaische Elemente + Batterie + Elektromotor;
    • – FSM + Generator + Batterie, wobei auch möglich: Generator = Elektromotor;
    • – FSM + photovoltaische Elemente + Batterie + elektr. Heizvorrichtung;
    • – FSM + Generator + Batterie + elektr. Heizvorrichtung;
    • – FSM + Heizvorrichtung, mit Brennstoff betrieben;
    • – FSM + photovoltaische Elemente + Heizvorrichtung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Flachplatten-Stirlingmotor mit den genannten Elementen der Energiewandlung und Energiespeicherung kombiniert um zum Beispiel kurzzeitig eine besonders hohe Fluggeschwindigkeit zu erzielen.
  • Außerdem ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Antreiben eines Fluggeräts vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Zuführen von solarer Wärmeenergie zu einem Flachplatten-Stirlingmotor;
    • b) Umwandeln der thermischen Energie in Bewegungsenergie durch den Flachplatten-Stirlingmotor; und
    • c) Antreiben einer Antriebseinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass:
    • i) in einer ersten Phase Bewegungsenergie des Flachplatten-Stirlingmotors in elektrische Energie umgewandelt und als elektrische Energie gespeichert wird; und
    • ii) in einer zweiten Phase die gespeicherte elektrische Energie in einer elektrischen Heizvorrichtung in thermische Energie umgewandelt wird und den Stirlingmotor antreibt, um die Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Phase ist beispielsweise bei vorhandener solarer Wärmestrahlung vorgesehen und die zweite Phase bei reduzierter oder nicht vorhandener solarer Wärmestrahlung, beispielsweise nachts.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Flachplatten-Stirlingmotor in einem Fluggerät eingesetzt, um die Antriebsenergie zur Erzeugung des Vortriebs zur Verfügung zu stellen, wobei als Energiequelle für das Betreiben des Flachplatten-Stirlingmotors, der eine Wärmekraftmaschine darstellt, die solare Wärmestrahlung ausgenutzt wird. Dabei lässt sich der Flachplatten-Stirlingmotor aufgrund seiner möglichen leichten Bauweise gut mit den übrigen Randbedingungen eines Fluggeräts, beispielsweise eines Flugzeugs verbinden. Neben dem Parameter des Gewichts spielt hier insbesondere auch der erforderliche Bauraum als ein zweiter Parameter eine entscheidende Rolle. Da der Flachplatten-Stirlingmotor beim Betrieb mit solarer Wärmestrahlung auch möglichst großflächig der solaren Wärmestrahlung ausgesetzt sein sollte, lässt sich der Flachplatten-Stirlingmotor im Bereich der nach oben weisenden Hüllflächen integrieren, wobei die flache Bauweise eine nur unwesentliche Einschränkung des nutzbaren Volumens bedeutet. Beispielsweise lässt sich der Flachplatten-Stirlingmotor im oberen Bereich eines Flugzeugrumpfs einsetzen, ohne dass damit allzu viel Bauraum im Innenbereich beispielsweise einer Passagierkabine verloren ginge. Eine besonders effiziente Anordnung lässt sich dadurch erreichen, dass der Flachplatten-Stirlingmotor in den oder die Flügel integriert eingebaut wird, da die Flügel zur Erzeugung des Auftriebs stets eine Flügelgeometrie aufweisen, die zwangsläufig ein gewisses Volumen einschließt. Dieses Flügelvolumen, das beispielsweise zur Unterbringung von Kraftstofftanks verwendet wird, lässt sich daher gut für die Unterbringung eines Flachplatten-Stirlingmotors, der ja den normalen Betrieb mit fossilen Brennstoffen wie Kerosin ersetzt, verwenden. Um einen Betrieb des Flachplatten-Stirlingmotors, d. h. einen Betrieb des Luftfahrzeugs, beispielsweise eines Flugzeugs, auch dann zur Verfügung zu stellen, wenn die solare Wärmeeinstrahlung reduziert oder auch gar nicht vorliegt, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, durch Energiespeicher in diesen Betriebsphasen zusätzliche Energiequellen zur Verfügung zu stellen, um den Vortrieb für den Betrieb des Fluggeräts zu erzeugen. Wenn bei der Energiespeicherung beispielsweise auf die tagsüber zur Verfügung stehende Solarenergie zurückgegriffen wird und beispielsweise mittels photovoltaischer Elemente elektrische Energie gespeichert wird, kann damit ein insgesamt emissionsfreier Flugbetrieb zur Verfügung gestellt werden. Ein emissionsfreier Flugbetrieb ist ebenfalls möglich, wenn durch den Stirlingmotor tagsüber neben der Vortriebseinrichtung auch zusätzlich ein Generator betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen, die dann in einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Batterieeinrichtung, gespeichert wird, um diese nachts zur Verfügung zu stellen, um Wärmeenergie zu erzeugen, die dann dem Flachplatten-Stirlingmotor zum Betrieb zur Verfügung steht, oder auch elektrische Energie zum Antreiben der Vortriebseinrichtung. Eine weitere Möglichkeit, einen emissionsfreien Betrieb zu gewährleisten, besteht auch darin, dass als zusätzliche Energiequelle, beispielsweise zum direkten Antrieb der Vortriebseinrichtung, oder auch zum Zuführen von Wärmeenergie zum Flachplatten-Stirlingmotor, um diesen auch nachts betreiben zu können, nachwachsende Rohstoffe vorgesehen werden oder auch mittels regenerativer Energiequellen erzeugter Wasserstoff, der beim Betrieb einer Brennstoffzelle verwendet werden kann.
  • Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
  • 1 ein Fluggerät mit einem emissionsfreien Antrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluggeräts gemäß der Erfindung;
  • 3 einen schematischen Schnitt durch eine Flügeleinrichtung eines Fluggeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluggeräts gemäß der Erfindung;
  • 5 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung gemäß der Erfindung;
  • 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fluggeräts gemäß der Erfindung;
  • 7 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung gemäß der Erfindung;
  • 8 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung gemäß der Erfindung;
  • 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung im Vertikalschnitt mit einer Heizeinrichtung gemäß der Erfindung;
  • 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung im Vertikalschnitt mit einem weiteren Beispiel für eine Heizeinrichtung gemäß der Erfindung;
  • 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung gemäß der Erfindung im Vertikalschnitt;
  • 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Flügeleinrichtung im Vertikalschnitt gemäß der Erfindung mit einer Speichereinrichtung zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie;
  • 13 Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Antreiben eines Fluggeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 14 ein weiteres Beispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • In 1 ist ein erstes Beispiel für ein Fluggerät 10 mit einem emissionsfreien Antrieb 12 gezeigt, der in den folgenden Figuren detaillierter erläutert wird. Das Fluggerät 10 weist eine Antriebseinrichtung 14 zur Erzeugung eines Vortriebs auf, beispielsweise in Form von zwei Propellereinrichtungen 16, 18. Außerdem weist das Fluggerät 10 eine Auftriebseinrichtung 20 zur Erzeugung eines Auftriebs auf, beispielsweise in Form von zwei seitlichen Flügeln 22, 24.
  • Außerdem ist eine nicht näher dargestellte Wärmekraftmaschine 26 zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung vorgesehen. Dazu ist gemäß der vorliegenden Erfindung als Kraftmaschine wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor 28 vorgesehen, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist (in 1 nicht näher dargestellt, siehe folgende Figuren).
  • Bei dem Fluggerät handelt es sich beispielsweise um ein Flugzeug, wobei insbesondere bemannte und unbemannte Flugzeuge vorgesehen sein können.
  • In 1 ist beispielhaft ein bemanntes Flugzeug gezeigt, das schematisch eine Flugzeugspitze 30 sowie einen Heckbereich 32 aufweist. Im Heckbereich sind ein Seitenleitwerk 34 und ein Höhenleitwerk 36 angedeutet. Eine gestrichelte Linie 38 bezeichnet eine Längsachse des Flugzeugs, und ein Richtungspfeil 40 zeigt die Flugrichtung an.
  • Gemäß der Erfindung ist neben einem Flugzeug auch die Ausbildung von Luftschiffen vorgesehen, die jedoch nicht näher gezeigt ist.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem anstelle der zwei Propellereinrichtungen 16, 18 eine im Bereich der Flugzeugspitze vorgesehene Propellereinrichtung 41 dargestellt ist.
  • Selbstverständlich kann auch eine größere Anzahl von Propellereinrichtungen vorgesehen sein, beispielsweise die Propellereinrichtung 41 kombiniert mit den beiden Propellereinrichtungen 16, 18, oder auch zwei oder mehr Propellereinrichtungen entlang der Flügel.
  • Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 kann beispielsweise im oberen Bereich der Rumpfkonstruktion ausgebildet sein, wie dies in 2 mit einer Strichelung 43 angedeutet ist, um über eine Verbindung 42 den mittigen Propeller der Propellereinrichtung 41 anzutreiben.
  • Alternativ oder auch ergänzend ist in 1 mit einer Strichelung 44 angedeutet, dass der Flachplatten-Stirlingmotor 28 in der Auftriebseinrichtung integriert ist. Mit anderen Worten, die Auftriebseinrichtung, die eine Flügeleinrichtung 46 mit einem Tragflügelprofil 48 zur Erzeugung eines Auftriebs umfasst, dient der Unterbringung des wenigstens einen Flachplatten-Stirlingmotor 28.
  • Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 soll im Folgenden anhand von 3 näher erläutert werden, wobei ausdrücklich darauf hingewiesen wird, dass in 3 der Flachplatten-Stirlingmotor 28 in der Flügeleinrichtung 46 untergebracht dargestellt ist, der Flachplatten-Stirlingmotor 28 jedoch auch an anderen Stellen vorgesehen sein kann, wie beispielsweise im oberen Rumpfbereich oder auch im vorderen Bereich des Flugzeugs.
  • Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 weist eine mit einem Arbeitsgas 50 gefüllte Arbeitskammer 52 mit einer Oberseite 54 und einer Unterseite 56 und einem veränderlichen Arbeitsvolumen 58 auf. Außerdem ist ein in der Arbeitskammer 52 zwischen der Oberseite 54 und der Unterseite 56 beweglich gehaltener Verdränger 60 vorgesehen. Außerdem ist ein in der Arbeitskammer 52 angeordneter Regenerator 62 zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas 50 enthaltener Wärmeenergie vorgesehen. Darüber hinaus ist ein Arbeitskolben 64 vorgesehen, der mit der Arbeitskammer 52 verbunden ist. Der Arbeitskolben 64 dient der Veränderung des Arbeitsvolumens 58. Darüber hinaus ist ein drehbar gehaltenes Schwungelement 66 vorgesehen sowie ein mit dem Schwungelement 66 verbundener Abtrieb 68 zum Antreiben der Antriebseinrichtung, beispielsweise des Propellers 16 bzw. 18 oder auch 41. Außerdem ist eine Getriebevorrichtung 70 zur mechanisch koppelnden Verbindung des Verdrängers 60 und des Arbeitskolbens 64 mit dem Schwungelement 66 vorgesehen. Die Arbeitskammer 52 ist in der Auftriebseinrichtung angeordnet, und das Arbeitsgas 50 kann von einer Oberseite 72 der Auftriebseinrichtung her durch die solare Wärmestrahlung erwärmt werden, was symbolisch mit Pfeilen 74 angedeutet ist.
  • Die Getriebevorrichtung 70 weist eine erste Schubstangenverbindung 75 auf, die den Verdränger 60 an einem ersten Anlenkpunkt 76 mit dem Schwungelement 66 koppelt. Außerdem weist die Getriebevorrichtung 70 eine zweite Schubstangenverbindung 78 auf, die den Arbeitskolben 64 an einem zweiten Anlenkpunkt 80 mit dem Schwungelement 66 koppelt. Der erste Anlenkpunkt 76 auf dem Schwungelement 66 ist in seiner Drehwinkellage in einer Drehrichtung 82 um 90° versetzt vor dem zweiten Anlenkpunkt 76 angeordnet.
  • Der Arbeitskolben 64 ist in einem Arbeitshohlraum 84 beweglich gehalten und bildet eine bewegliche Wandfläche der Arbeitskammer 52.
  • Wie in 3 schematisch angedeutet, ist die Arbeitskammer 52 zwischen einer Flügeloberseite 86 und einer Flügelunterseite 88 ausgebildet. Der Verdränger 60 unterteilt die Arbeitskammer 52 in einen ersten, d. h. oberen Kammerbereich und einen zweiten, d. h. unteren Kammerbereich. Der Verdränger 60 ist dabei derart ausgebildet, dass er bei Bewegung um einen Schwenkpunkt 90 Arbeitsgas von dem einen in den anderen Kammerbereich verdrängt. Die Flügeloberseite 86 bildet dabei eine erste Seite des Flachplatten-Stirlingmotors 28 mit einer ersten Temperatur, und die Flügelunterseite 88 bildet eine zweite Seite des Flachplatten-Stirlingmotors 28 mit einer zweiten Temperatur, wobei die zweite Temperatur niedriger als die erste Temperatur ist.
  • Beispielsweise kann auf der Unterseite 88 ein Aluminiumblech zur Kühlung vorgesehen sein.
  • Bei Bewegung des Verdrängers 60 strömt Arbeitsgas durch den Regenerator 62, der gegenüber dem vorderen Bereich des Flügelhohlraums durch eine Abschottung 92 abgedichtet ist. Die Abschottung 92 bildet eine zwischen der Flügeloberseite und der Flügelunterseite verlaufende Wandung, welche die Arbeitskammer 52 gegenüber dem vorderen Bereich abschließt.
  • Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 kann beispielsweise zwischen benachbarten Rippenkonstruktionen des Flügels ausgebildet sein, und die Abschottung 92 kann im Zusammenhang mit einem in Längsrichtung verlaufenden Tragprofil ausgebildet sein. Der Flachplatten-Stirlingmotor 28 kann dadurch beispielsweise auch zur Flügelstatik herangezogen werden bzw. in das Tragstrukturkonzept integriert werden. Gemäß der Erfindung können auch mehrere Flachplatten-Stirlingmotoren in der Längsrichtung des Flügels, die quer zur eigentlichen Flugrichtung, d. h. der Längsachse 38 des Flugzeugs verläuft, ausgebildet sein.
  • Der Verdränger 60 kann insbesondere als eine in Richtung des Flügelprofils gebogene Platte ausgebildet sein, um die Flügelgeometrie optimal ausnutzen zu können.
  • Der Verdränger 60 kann beispielsweise eine Leichtbauplatte mit Wärmedämmeigenschaft aufweisen, die auf der Oberseite eine dunkle Farbe aufweist, z. B. eine schwarz gestrichene Schaumplatte. Dadurch lässt sich einerseits ein ausreichend stabiler Plattenwerkstoff zur Verfügung stellen, der andererseits jedoch auch nur ein sehr geringes Gewicht aufweist. Das Vorsehen einer dunklen Farbe auf der Oberseite unterstützt das Aufwärmen des Arbeitsgases 50 in dem oberen Bereich, d. h. der oberen Kammer.
  • Dazu kann beispielsweise die Auftriebseinrichtung im Bereich der Arbeitskammer auf der Oberseite eine lichtdurchlässige Abdeckung 94 aufweisen. Die lichtdurchlässige Abdeckung kann dabei beispielsweise transparent oder auch transluzent ausgebildet sein, wichtig ist, dass ausreichend Wärmestrahlung in den Bereich der Arbeitskammer eintreten kann. Beispielsweise kann kurzwellige Sonnenstrahlung in den Bereich eintreten, um dort in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt zu werden.
  • Die Abdeckung bzw. Außenhaut der Flügeleinrichtung kann dabei gleichzeitig auch die Kammerwandung im Bereich der Arbeitskammer bilden.
  • Wie in 4 dargestellt ist, kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Stromerzeugungseinrichtung 96, die in 4 schematisch dargestellt ist, zum Erzeugen von elektrischer Energie zum Antreiben des Fluggeräts vorgesehen sein.
  • Beispielsweise kann, wie in 5 dargestellt, die Stromerzeugungseinrichtung 96 eine Generatoreinrichtung 98 zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie umfassen, wobei die Generatoreinrichtung 98 durch den Flachplatten-Stirlingmotor 28 angetrieben wird.
  • An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Verbindung des Schwungelements 66 mit der Antriebseinrichtung, d. h. dem Propeller sowie auch die Verbindung mit der Generatoreinrichtung 98 lediglich schematisch als eine Art Kegelradverbindung dargestellt sind. Selbstverständlich können hier auch andere Getriebeverbindungsmechanismen zum Einsatz kommen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Stromerzeugungseinrichtung 96 photovoltaische Elemente 100 aufweisen zur Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie. In 6 ist beispielsweise dargestellt, dass die photovoltaischen Elemente 100 im Bereich der Dachkonstruktion 102 oder im Bereich der vorderen Flugzeugspitze 104 und/oder auch im Bereich der Flügel 106 angeordnet werden können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 7 gezeigt ist, sind die photovoltaischen Elemente auf der Oberseite des Verdrängers angeordnet, was mit einer Doppellinie 108 angedeutet ist.
  • Die Stromerzeugungseinrichtung 96 kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel auch eine Brennstoffzelleneinrichtung 110 aufweisen, beispielsweise innerhalb der Rumpfkonstruktion untergebracht, wie dies in 4 schematisch angedeutet ist, wobei 4 auch grundsätzlich auf die Stromerzeugungseinrichtung 96 verweist. Die Brennstoffzelleneinrichtung 110 kann auch innerhalb einer Flügelkonstruktion angeordnet werden, wie dies in 8 gezeigt ist. Dabei kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die bei einem Brennstoffzellenbetrieb freigesetzte Wärme der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors zugeführt wird (nicht näher dargestellt in 8).
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Heizeinrichtung 112 zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem der beiden Kammerbereiche der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors vorgesehen, d. h. in dem wärmeren Bereich der Arbeitskammer.
  • Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 112 eine elektrische Heizvorrichtung 114 zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie aufweisen, wobei die elektrische Heizvorrichtung beispielsweise integral in dem Verdränger ausgebildet ist, wie dies in 9 gezeigt ist. Die Heizvorrichtung 114 kann beispielsweise eine Heizspirale sein, wie dies in 9 angedeutet ist, oder auch als eine nicht näher dargestellte Widerstandsschicht auf dem Verdränger 60, die mittels elektrischer Energie eine Wärme innerhalb der Arbeitskammer hervorruft.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 10 gezeigt ist, kann die Heizeinrichtung eine mit einem Brennstoff betriebene Brennvorrichtung 116 aufweisen, wobei zusätzlich eine Speichervorrichtung 118 vorgesehen ist zum Speichern des Brennstoffs. Die Brennvorrichtung 116 kann dabei unmittelbar in der Nähe des Flachplatten-Stirlingmotors 28 vorgesehen sein, wie dies in 10 angedeutet ist, oder jedoch an einer anderen Stelle, beispielsweise innerhalb der Rumpfkonstruktion, um von dort die Wärme an den Flachplatten-Stirlingmotor 28 zu transportieren (nicht näher dargestellt).
  • Gemäß dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Elektromotor 120 vorgesehen, der mit der Antriebseinrichtung, beispielsweise der Propellereinrichtung 16, 18 bzw. auch 41 verbunden ist und der mit elektrischer Energie der Stromerzeugungseinrichtung (in 11 nicht näher gezeigt) betrieben werden kann.
  • In 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Speichereinrichtung 122 zum Speichern und Abgeben der von der Stromerzeugungseinrichtung 96 erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist.
  • Die Stromerzeugungseinrichtung 96 führt der Speichereinrichtung 122 elektrische Energie zu, und die Speichereinrichtung 122 speichert die zugeführte elektrische Energie und stellt diese zum Antreiben des Fluggeräts zur Verfügung.
  • In 12 ist dargestellt, dass die Speichereinrichtung 122 beispielsweise als ein Batteriepack zur Verfügung gestellt ist, der an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Flügels bzw. auch innerhalb der Rumpfkonstruktion (nicht näher gezeigt) untergebracht werden kann, wie dies für eine erste Position 124 und eine zweite Position 126 lediglich beispielhaft angedeutet ist.
  • Die Speichereinrichtung 122 gibt beispielsweise die elektrische Energie an die elektrische Heizvorrichtung 114 ab. Dabei können das Speichern und das Abgeben der elektrischen Energie durch die Speichereinrichtung zu verschiedenen Phasen erfolgen.
  • Die Speichereinrichtung 122 kann die elektrische Energie aber auch, zusätzlich oder alternativ, an einen Elektromotor abgeben, beispielsweise den Elektromotor 120, der mit der Antriebseinrichtung verbunden ist.
  • Gemäß der Erfindung ist insbesondere eine Ausführungsvariante des Fluggeräts vorgesehen, bei der der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit den photovoltaischen Elementen 100 ausgebildet ist, mit denen der Elektromotor 120 betrieben werden kann zur Unterstützung des Flachplatten-Stirlingmotors 28. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsvariante sowie auch die im Folgenden gezeigten Ausführungsvarianten nicht dargestellt sind, jedoch für den Fachmann aus den oberhalb beschriebenen Darstellungen der Einzelkomponenten die beschriebenen Kombinationen nachvollziehbar sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit den photovoltaischen Elementen 100 kombiniert, welche den elektrischen Strom, der tagsüber durch die Sonneneinstrahlung erzeugt werden kann, an die Batterie bzw. auch mehrere Batterien, d. h. die elektrische Speichereinrichtung 122 abgeben, um mit dem Elektromotor 120 einen Vortrieb zu erzeugen, wenn der Flachplatten-Stirlingmotor 28 keine solare Wärmeeinstrahlung erhält und dann nicht zur Verfügung steht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit der Generatoreinrichtung 98 kombiniert, um Strom an die Speichereinrichtung 122 tagsüber zu leiten, um anschließend auch bei Dunkelheit mittels des Elektromotors 120 das Fluggerät betreiben zu können. Dabei kann der Generator 98 mit dem Elektromotor 120 integriert ausgebildet sein, d. h. der Elektromotor 120 kann, vereinfacht gesagt, in der Umkehrrichtung auch als Generator verwendet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit den Photovoltaik-Elementen 100 kombiniert, sowie mit der Batterie bzw. der Speichereinrichtung 122. Außerdem ist die elektrische Heizvorrichtung 114 vorgesehen, um damit beispielsweise nachts dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 Wärmeenergie zuzuführen, um mit dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 die Antriebseinrichtung 14 betreiben zu können.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit dem Generator bzw. der Generatoreinrichtung 98 sowie der Speichereinrichtung 122 kombiniert. Der gespeicherte Strom kann dann nachts der elektrischen Heizvorrichtung 114 zugeführt werden, um die Antriebseinrichtung 14 zu betreiben. Dabei ist insbesondere die Ausbildung des Generators von Vorteil, der gegenüber einem Elektromotor zum Antreiben der Antriebseinrichtung wesentlich kleiner und leichter ausgebildet werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit der Heizvorrichtung bzw. der Brennvorrichtung 116 kombiniert, mittels der während der Nachtstunden Wärmeenergie erzeugt werden kann, die dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 zugeführt wird, um mit diesem die Antriebseinrichtung 14 zu betreiben.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der Flachplatten-Stirlingmotor 28 mit den photovoltaischen Elementen 100 kombiniert, die tagsüber die elektrische Heizvorrichtung 114 betreiben, um dem Flachplatten-Stirlingmotor 28 zusätzliche Wärme zur Verfügung zu stellen, neben der solaren Wärmeeinstrahlung. Durch die Kombination mit den photovoltaischen Elementen lässt sich die Oberfläche des Flugzeugs, die der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, bzw. der Wärmeeinstrahlung optimal ausnutzen und nicht nur diejenigen Bereiche, die unmittelbar oberhalb der Flachplatten-Stirlingmotor-Arbeitskammer angeordnet sind.
  • Selbstverständlich lassen sich die oberhalb beschriebenen Ausführungsvarianten auch wiederum untereinander kombinieren, um so insgesamt eine möglichst gute Ausnutzung des Antriebskonzepts des Flachplatten-Stirlingmotor 28 zur Verfügung zu stellen.
  • In 13 ist schließlich noch ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 200 zum Antreiben eines Fluggeräts dargestellt, das die folgenden Schritte umfasst: In einem ersten Schritt 210 wird solare Wärmeenergie zu einem Flachplatten-Stirlingmotor zugeführt, der als Wärmekraftmaschine in dem Fluggerät vorgesehen ist, um eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung eines Vortriebs anzutreiben. In einem zweiten Schritt 212 wird die thermische Energie durch den Flachplatten-Stirlingmotor in Bewegungsenergie umgewandelt. In einem dritten Schritt 214 erfolgt ein Antreiben der Antriebseinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor.
  • Der erste Schritt 210 wird auch als Schritt a) bezeichnet, der zweite Schritt 212 als Schritt b) und der dritte Schritt 214 als Schritt c). Die Schritte a), b) und c) erfolgen während des Betriebs des Fluggeräts selbstverständlich gleichzeitig in einer kontinuierlichen Weise.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 14 gezeigt ist, ist vorgesehen, dass in einer ersten Phase Bewegungsenergie des Flachplatten-Stirlingmotors in einem Umwandlungsvorgang 216 in elektrische Energie umgewandelt und als elektrische Energie gespeichert wird. In einer zweiten Phase wird die gespeicherte elektrische Energie in einem zweiten Umwandlungsschritt 218 in thermische Energie umgewandelt und treibt dadurch den Stirlingmotor an, um die Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen.
  • Die erste Phase wird auch als Schritt i) bezeichnet und die zweite Phase als Schritt ii). Die erste Phase ist beispielsweise bei vorhandener solarer Wärmestrahlung vorgesehen und die zweite Phase bei reduzierter oder nicht vorhandener solarer Wärmestrahlung, beispielsweise nachts. Das Speichern und das Abgeben der elektrischen Energie durch die Speichereinrichtung erfolgt also beispielsweise zu verschiedenen Phasen, weshalb die Verbindungspfeile des ersten Umwandlungsschritts 216 sowie des zweiten Umwandlungsschritts 218 jeweils gestrichelt dargestellt sind.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, jedoch nicht näher dargestellt, ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass die Bewegungsenergie mittels des oberhalb erwähnten Generators in elektrische Energie umgewandelt wird. Zusätzlich oder auch alternativ kann die elektrische Energie auch beispielsweise von photovoltaischen Elementen oder auch von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden, wie dies oberhalb anhand der verschiedenen Vorrichtungsvarianten erläutert wurde, weshalb auf eine explizite Darstellung entsprechender Verfahrensdiagramme verzichtet wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist durch die Kombination des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer zusätzlichen Erzeugung von elektrischer Energie tagsüber und dem Abgeben der elektrischen Energie und anschließendem Umwandeln in Wärmeenergie nachts ein sozusagen dauerhaft bzw. unbegrenzt fliegendes Flugzeug möglich, das seinen Antrieb der Sonnenwärme entnimmt, da neben der solaren Einstrahlung tagsüber für den Stirlingmotor nachts eine sozusagen alternative Energiequelle vorgesehen ist, die jedoch tagsüber gespeichert wurde, um in der Nacht zur Verfügung zu stehen. Dazu wird aus der Wärmekraftmaschine in Form des Stirlingmotors die Wärme in Bewegung umgesetzt und von einem Generator die Bewegung in Strom umgesetzt. Eine Batterie kann also die überschüssige Energie tagsüber speichern, um diese in der Nacht wieder in Wärme umzuwandeln und dadurch die Wärmekraftmaschine in Form des Flachplatten-Stirlingmotors anzutreiben. Dabei ist insbesondere der hohe Wirkungsgrad des Flachplatten-Stirlingmotor bei der Ausnutzung der Wärmeenergie einerseits und andererseits die hohe Ausbeute der elektrischen Energie bei der Erzeugung von Wärmeenergie zu beachten, die eine insgesamt hohe Effizienz gewährleistet.
  • Die oberhalb beschriebenen Ausführungsbeispiele können in unterschiedlicher Art und Weise kombiniert werden
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer, oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können.

Claims (15)

  1. Fluggerät (10) mit einem emissionsfreien Antrieb (12) mit: – einer Antriebseinrichtung (14) zur Erzeugung eines Vortriebs; – einer Auftriebseinrichtung (20) zur Erzeugung eines Auftriebs; und – einer Wärmekraftmaschine (26) zur Umwandlung von thermischer Energie in Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung; wobei als Wärmekraftmaschine wenigstens ein Flachplatten-Stirlingmotor (28) vorgesehen ist, der durch solare Wärmestrahlung antreibbar ist.
  2. Fluggerät nach Anspruch 1, wobei die Auftriebseinrichtung eine Flügeleinrichtung (46) mit einem Tragflügelprofil (48) zur Erzeugung eines Auftriebs umfasst; und wobei der Flachplatten-Stirlingmotor in der Flügeleinrichtung angeordnet ist.
  3. Fluggerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Flachplatten-Stirlingmotor aufweist: – eine mit einem Arbeitsgas (50) gefüllte Arbeitskammer (52) mit einer Oberseite (54) und einer Unterseite (56) und einem veränderlichen Arbeitsvolumen (58); – einen in der Arbeitskammer zwischen der Oberseite und der Unterseite beweglich gehaltenen Verdränger (60); – einen in der Arbeitskammer angeordneten Regenerator (62) zum Aufnehmen und Abgeben von in dem Arbeitsgas enthaltener Wärmeenergie; – einen mit der Arbeitskammer verbundenen Arbeitskolben (64) zur Veränderung des Arbeitsvolumens; – ein drehbar gehaltenes Schwungelement (66); – einen mit dem Schwungelement verbundenen Abtrieb (68) zum Antreiben der Antriebseinrichtung; und – einer Getriebevorrichtung (70) zur mechanisch koppelnden Verbindung des Verdrängers und des Arbeitskolbens mit dem Schwungelement; wobei die Arbeitskammer in der Auftriebseinrichtung angeordnet ist und das Arbeitsgas von einer Oberseite (72) der Auftriebseinrichtung her durch die solare Wärmestrahlung erwärmbar ist.
  4. Fluggerät nach Anspruch 3, wobei die Arbeitskammer zwischen einer Flügeloberseite und einer Flügelunterseite ausgebildet ist; wobei der Verdränger die Arbeitskammer in einen ersten und einen zweiten Kammerbereich unterteilt; wobei der Verdränger derart ausgebildet ist, dass er bei Bewegung Arbeitsgas von dem einen in den anderen Kammerbereich verdrängt; und wobei die Flügeloberseite eine erste Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer ersten Temperatur und die Flügelunterseite eine zweite Seite des Flachplatten-Stirlingmotors mit einer zweiten Temperatur bildet, wobei die zweite Temperatur niedriger als die erste Temperatur ist.
  5. Fluggerät nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Auftriebseinrichtung im Bereich der Arbeitskammer auf der Oberseite eine lichtdurchlässige Abdeckung (94) aufweist.
  6. Fluggerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stromerzeugungseinrichtung (96) zum Erzeugen von elektrischer Energie zum Antreiben des Fluggeräts vorgesehen ist.
  7. Fluggerät nach Anspruch 6, wobei die Stromerzeugungseinrichtung eine Generatoreinrichtung (98) zum Umwandeln von Bewegungsenergie in elektrische Energie umfasst; und wobei die Generatoreinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor antreibbar ist.
  8. Fluggerät nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Stromerzeugungseinrichtung photovoltaische Elemente (100) aufweist zur Umwandlung von solarer Strahlung in elektrische Energie.
  9. Fluggerät nach Anspruch 8, wobei die photovoltaischen Elemente auf der Oberseite des Verdrängers angeordnet sind.
  10. Fluggerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Stromerzeugungseinrichtung eine Brennstoffzelleneinrichtung (110) aufweist; und wobei die bei einem Brennstoffzellenbetrieb freigesetzte Wärme der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors zugeführt wird.
  11. Fluggerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei eine Heizeinrichtung (112) zum Erwärmen des Arbeitsgases in einem der beiden Kammerbereiche der Arbeitskammer des Flachplatten-Stirlingmotors vorgesehen ist.
  12. Fluggerät nach Anspruch 11, wobei die Heizeinrichtung eine elektrische Heizvorrichtung (114) zum Umwandeln elektrischer Energie in thermische Energie aufweist; und wobei die elektrische Heizvorrichtung integral in dem Verdränger ausgebildet ist.
  13. Fluggerät nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei eine Speichereinrichtung (122) zum Speichern und Abgeben der von der Stromerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Energie vorgesehen ist; wobei die Stromerzeugungseinrichtung der Speichereinrichtung elektrische Energie zuführt; und wobei die Speichereinrichtung die zugeführte elektrische Energie speichert und zum Antreiben des Fluggeräts zur Verfügung stellt.
  14. Verfahren (200) zum emissionsfreien Antreiben eines Fluggeräts, umfassend die folgenden Schritte: a) Zuführen (210) von solarer Wärmeenergie zu einem Flachplatten-Stirlingmotor; b) Umwandeln (212) der thermischen Energie in Bewegungsenergie durch den Flachplatten-Stirlingmotor; und c) Antreiben (214) einer Antriebseinrichtung durch den Flachplatten-Stirlingmotor.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei vorgesehen ist, dass: i) in einer ersten Phase Bewegungsenergie des Flachplatten-Stirlingmotors in elektrische Energie umgewandelt und als elektrische Energie gespeichert wird (216); und ii) in einer zweiten Phase die gespeicherte elektrische Energie in einer elektrischen Heizvorrichtung in thermische Energie umgewandelt wird (218), und den Stirlingmotor antreibt, um die Bewegungsenergie zum Antreiben der Antriebseinrichtung zur Verfügung zu stellen.
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