DE19502948A1 - Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft - Google Patents

Description

Die Erfindung hat ein neues Konzept zur Erzeugung von elektri­ schem Strom aus Windenergie zum Inhalt.

Aufgrund der CO₂-Problematik fossiler Energieträger und anderer Probleme rücken regenerative Energiequellen immer stärker in das Blickfeld des Interesses. Unter regenerativen Energien ver­ steht man in der Hauptsache die von der Sonne eingestrahlte Energie, sowie Energieformen die aufgrund natürlicher Prozesse aus Sonnenenergie gebildet werden.

Hierzu gehört auch die Windenergie. Durch atmosphärische Pro­ zesse werden auf der Erde Gebiete unterschiedlichen Luftdruckes erzeugt. Durch Luftbewegungen werden diese Druckunterschiede ausgeglichen, die entsprechende Luftbewegung wird als Wind wahrgenommen.

Die Windkraft wird durch Windturbinen bereits in breitem Rahmen genutzt. Entscheidend ist dabei neben ausreichenden mittleren Windgeschwindigkeiten eine möglichst hohe Anzahl von Tagen, an denen bestimmte Windgeschwindigkeiten nicht unterschritten wer­ den. Diese Bedingungen sind beispielsweise in Deutschland im Bereich der Nord- und Ostseeküste sowie an einigen exponierten Stellen des Binnenlandes gegeben.

Im Flachland wird die Windgeschwindigkeit durch Reibungseffekte an der Erdoberfläche stark herabgesetzt. Eine sinnvolle Nutzung durch die bisher bekannten Windkraftanlagen ist hierbei oft nicht möglich.

Die Windgeschwindigkeit nimmt auf dem Festland in einer Grenz­ schicht bis ca. 1000 m aufgrund der abnehmenden Reibungseffekte kontinuierlich zu. Die klassischen Windkraftanlagen bestehen aus einem Turm von bis zu 35 in Höhe, auf dem eine Windturbine montiert ist, die die Windenergie über Rotoren verschiedener Bauart aufnimmt und in elektrischen Strom umwandelt. Die Wind­ kraftanlagen stehen somit voll im Bereich der durch Reibung verminderten Energiedichten. Aufgrund des hohen konstruktiven Aufwandes ist jedoch eine Nutzung von Windenergien in größerer Höhe nicht ökonomisch.

Die hier vorgestellte Anlage kann Windenergie in wesentlich größerer Höhe nutzen. Dadurch wird sowohl die Effizienz der Stromerzeugung durch Nutzung erhöhter Windgeschwindigkeiten als auch der jährliche Einsatzzeitraum drastisch erhöht.

Die Anlage besteht aus einem Drachenaggregat, vorzugsweise als Kastendrachen ausgebildet (1), einer Startvorrichtung, einer Drachensteuerung, einer Windturbine (3), bestehend aus Turbine und Rotor, sowie einer Turbinensteuerung.

Der Kastendrachen sowie seine Steuerung in Form von an Winden (5) angebrachten Halteseilen (2) dient hierbei als Aufhängung für die Windturbine (siehe Zeichnung). Vorzugsweise werden zwei Halteseile verwendet.

Der Kastendrachen und die Turbine sind im stand-by-Betrieb am Boden in geeigneten windgeschützten Verankerungen gesichert. Der stand-by-Betrieb wird immer dann eingenommen, wenn die Windgeschwindigkeiten, gemessen in Arbeitshöhe, einen gewissen Wert unter- oder überschreiten, oder wenn das Turbulenzverhal­ ten des Windpaketes bis zur Arbeitshöhe dies erfordert.

Werden unter den genannten Gesichtspunkten geeignete Werte über einen geeignet langen Zeitraum eingehalten, so wird die Start­ vorrichtung des Kastendrachens in Betrieb gesetzt. Es handelt sich um einen mit Helium zu füllenden Ballon, der vorzugsweise die Kastenhohlräume ausfüllt oder sich auf andere geeignete Weise der Form des Kastendrachens anpassen kann. Das Helium wird über eine Steuereinrichtung in den Ballon gelassen. Da­ durch bekommt die Einrichtung Auftrieb und erhebt sich aus der Verankerung.

Der Kastendrachen wird durch zwei Halteseile gehalten. Die Hal­ teseile werden gesteuert von Winden ausgespult und wieder ein­ gezogen. Die Winden sind auf einem kreisförmigen Schienenstrang befestigt. Sie werden in ihrer Ausrichtung optimal quer zur Windrichtung auf dem Schienenstrang in gegenüberliegender Posi­ tion geführt. Es kann auch eine andere geeignete Führungsvor­ richtung gewählt werden.

Nachdem der Kastendrachen eine gewisse Höhe erreicht hat, wird der Helium-Ballon leergepumpt. Er schmiegt sich dadurch dem Ka­ stendrachen an. Das Helium kann in die Druckgasflasche zurück­ gepumpt werden und steht somit wieder zur Verfügung.

Der Kastendrachen übernimmt durch Nutzung des durchströmenden Windes die weitere Erzeugung von Auftrieb und wird gesteuert in Arbeitshöhe gebracht. Wenn die Steuerparameter und die Windda­ ten in einem geeigneten Bereich liegen, wird die Windturbine an den beiden Halteseilen durch elekromotorisch versorgte Seilan­ triebe (3) in Arbeitshöhe gebracht. Es kann auch eine andere geeignete Methode gewählt werden.

Nach Erreichen der Arbeitshöhe wird der Rotor langsam aus der Stand-by-Stellung in Arbeitsstellung gedreht. Die Turbine nimmt die Arbeit auf.

Wenn die Windparameter oder technische Parameter der Anlage nicht eingehalten werden, beispielsweise bei leichter Flaute, Ankündigung von Turbulenzen etc., wird die Turbine über die Seilmotoren abgelassen und in der Halterung geparkt. Nach Er­ reichen der Parameter startet die Turbine wieder in Arbeits­ stellung und nimmt den Betrieb wieder auf. Sollten die Windpa­ rameter eine zweite Stufe, beispielsweise bei Sturm oder extre­ mer Flaute, überschreiten, wird auch der Kastendrachen einge­ holt. Während weniger extremer Flaute kann der Kastendrachen durch Aktivieren des Helium-Ballons gehalten werden.

Der erzeugte Strom wird entweder über die beiden Steuerseile oder ein weiteres Ableitungskabel abgeleitet und am Boden in geeigneter Weise transformiert.

Mit Ausnahme der Bodenkomponenten sind sämtliche Komponenten der Anlage, insbesondere die Turbine in optimierter Leichtbau­ weise zu erstellen, um die Nutzlast zu verringern und um Schwingungsproblemen vorzubeugen.

Die Anlage kann in Windparks in hoher Anzahl aufgestellt wer­ den. Die Steuerung und Kontrolle der Anlage kann hier zentral von einem Steuerstand mit Zentralrechner durchgeführt werden. Durch gestaffelte Anordnung können auf relativ geringer Grund­ fläche Windpakete unterschiedlicher Höhe genutzt werden. Durch die Anordnung in einem Windpark ist eine optimale Auslastung der Steuer- und Meßtechnik sowie des Betreuungspersonals ge­ währleistet.

Die Anlage nutzt anspruchsvolle moderne Techniken sowohl in der Auslegung der Steuerungen als auch in der Auswahl der Materia­ lien. In beiden Fällen sind die zugrundeliegenden Technologien bereits etabliert, beispielsweise im EDV-Bereich, bei der Aus­ wahl von Verbundmaterialen, geeigneten Kunststoffen und Texti­ lien. Lediglich die Entwicklung ultraleichter Turbinen bedarf eines größeren technologischen Inputs.

Die hier vorgestellte "intelligente Energienutzung" geht dabei bewußt ab von Lösungen der Schwerindustrie und baut auf moderne Leichtmaterialien und Informationstechnologie. Dies hat zur Folge, daß die beschriebenen Anlagen nach Durchlaufen einer Op­ timierungsphase und eines Scale-ups bei entsprechender Großse­ rienproduktion eine sehr kostengünstige Energieerzeugung bei unerreicht positiver Ökobilanz versprechen.

Claims (6)

1. Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie aus Windkraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Windturbine sich an einem oder mehreren Halteseilen unterhalb eines Drachenaggregates, vorzugsweise eines Kastendrachens befindet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windturbine an den Halteseilen durch geeignete Vorrichtungen, vorzugsweise Seilmotoren aus einer Halterung in die gewünsch­ te Arbeitshöhe ausgefahren wird.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei geparkter Windturbine der Drachenaggregat durch Winden einge­ holt werden kann.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winden auf einer kreisförmigen Schienenvorrichtung gegenüber­ liegend so angebracht sind, daß sie immer senkrecht zur Wind­ richtung in Arbeitshöhe ausgerichtet werden können.

5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drachenaggregat zur Erleichterung des Start mit einem Helium- Ballon kombiniert wird.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Helium des Ballonaggregats aus einer Druckflasche zugegeben wird und durch eine Gaspumpe wieder in die Druckgasflasche zurückgepumpt werden kann.