DE102011108379A1

DE102011108379A1 - Windkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011108379A1
Application number: DE102011108379A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2012-10-31

Abstract

Eine Maschine zur Umsetzung von Windenergie in mechanische Leistung durch einen Schwimmkörper, ein Windsegel und eine Wasserschraube sowie eine Speicherung der Energie in Hohlkammern des Schwimmkörpers in Form von Wasserstoff oder Pressluft oder chemische Prozesse.

Description

Windenergie ist eine sich selbst erneuernde Energie, die in großen Mengen vorkommt, sich in der Natur von selbst verbraucht, indem sie sich durch Strömungsverluste in Wärme umwandelt, unabhängig davon, ob sie in Windkraftmaschinen genutzt wird oder nicht und die sich zyklisch erneuert.
Bei der Betrachtung des Umwandlungswirkungsgrades ist dieses triviale Phänomen insofern bedeutend, als die Windenergie selbst nicht sinnvoll im Nenner (= Aufwand) beim Quotienten Wirkungsgrad = Nutzen/Aufwand einzusetzen ist, da eine Größe unerschöpflichen Vorkommens und kostenloser Verfügbarkeit als Aufwand nicht zu definieren ist. Stattdessen sind die Kosten einer Anlage zur Windenergienutzung einzusetzen in Form von Fertigungskosten, Kapitalkosten, Betriebskosten, Abschreibungen und Standortkosten.
Eine Maschine mit geringem technischem Wirkungsgrad, die evtl. nur geringe Anteile der Windenergie in mechanische Leistung verwandeln aber sehr preiswert gefertigt werden kann, ist u. U. insgesamt effizienter als eine Maschine mit hohem Nutzanteil an der Windenergie aber sehr hohen Kosten.
Weiterhin ist im Zähler des Effizienzquotienten die Energie zu spezifizieren, die gewonnen wird. Bei einer Angabe in KWh elektrischer Leistung muss unterschieden werden, nach den Kriterien

• Verfügbarkeit (Grundlast, Regelleistung, Zufallsleistung)
• Ort der Verfügbarkeit
• Leistungsgrenzwerte
• Stromqualität

So ist der kommerzielle Wert einer Energie, die zufällig und nicht kontrollierbar zur Verfügung steht, zwischen –2 und +2 Cent pro KWh zu bewerten, für Grundlast, die nicht regelbar aber dauerhaft verfügbar ist z. B. 3–5 Cent pro KWh und Regelleistung, die schwarzstartfähig und unverzüglich abgerufen werden kann, hat einen Marktwert von 30–40 Cent/KWh.
Analog gelten Überlegungen für den Ort der Verfügbarkeit, da die Leitungskosten erhebliche Anteile der Kalkulation ausmachen.
Vor diesem Hintergrund ist ein kommerzieller Wirkungsgrad als Bewertungsgröße hilfreicher, der die Erträge einer Anlage in Euro den Gesamtkosten der Anlage gegenüberstellt. Außerdem sind sekundäre Kriterien hinzuzuziehen wie Ausfallrisiken, Schadensfälle, Verbrauch von Flächen, Emissionen wie Geräusch und Schattenwurf, sowie die Ökobilanz in einer Gegenüberstellung von Energieeinsatz bei der Her- und Aufstellung und evtl. Rückrüstung einerseits und dem Energieertrag im gesamten Nutzungszeitraum andererseits.
Herkömmliche Windkraftmaschinen weisen bei Berücksichtigung dieser Bewertungskriterien große Defizite auf, da sie vorwiegend Zufallsleistung produzieren, so dass bisher keine wirtschaftliche Nutzung möglich wird und nur sehr hohe Subventionen den Einsatz ermöglichen. Mit wachsenden Anteilen am Gesamtstrombedarf werden diese Probleme immer größer, da die Anteile konventioneller Kraftwerke weiter abnehmen und damit die Ausgleichspotenziale sich anteilig reduzieren.
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Lösung auf, die optimiert ist auf ökonomische und ökologische Wirkungsgrade. Dazu werden die Fertigungskosten reduziert, die Energie aufgewertet indem sie direkt speicherfähig erzeugt wird und in der gleichen Anlage gelagert werden kann, ein Verbrauch von Standorten entfällt ebenso wie Emissionen und Zerstörungsrisiken durch Sturm oder Sturmfluten völlig eliminiert werden. Außerdem werden bessere Nutzungsprofile erzielt, da die Anlage mobil ist und immer und kostenfrei Areale aufsuchen kann, in denen gerade gute Windstärken verfügbar sind.
Da der Anteil, der dabei aus der Strömungsenergie des Windes gewonnen wird, im Vergleich zu Windrädern geringer ist, wird die Nutzung von Höhenwinden vorgesehen, da ein deutlicher Gradient in der Windgeschwindigkeit über der Höhe durch Grenzschichtbildung bekannt ist. Das System nutzt Winde in Höhen bis zu 300 Metern, in dem ein Windsegel ähnlich einem Drachen an einem Seil geführt wird.
Solche Lösungen sind bekannt aus der DE 00 0003 23 22 186 A1 , wo stationäre Anlagen ein Windsegel steuern und die Leistung über eine oszillierende Bewegung des Segels über die Seilkraft auf eine Rolle übertragen wird. Die Ausführung weist Probleme auf dahingehend, dass eine Aufstellung auf dem Festland wenig Akzeptanz findet (Emission, Behinderung des Flugverkehrs etc.), eine Ausrichtung nach der jeweiligen Windrichtung kompliziert ist und eine Bewegung quer zum Wind zur Nutzung des scheinbaren Windes bzw. zur Vergrößerung der Windfangfläche schwierig zu steuern ist.
In der vorliegenden Erfindung wird stattdessen ein Windsegel, das in einer jeweils optimalen Höhe operiert, an einem Schwimmkörper befestigt, der einen Wasser Repeller trägt. Die Bewegungsrichtung ist frei wählbar und wird so optimiert, dass eine maximale Windfangfläche erreicht wird, bzw. der scheinbare Wind und damit die Quertriebskraft des Segels maximiert werden.
Die Zugkraft des Segels wird zum Teil für die Überwindung des Rumpfwiderstandes im Wasser und zum Teil für den Antrieb des Repellers verbraucht. Letzterer ist der Teil, der die Nutzleistung erzeugt und soll maximal werden, indem der Widerstand des Schwimmkörpers minimiert wird. Dazu ist der Schwimmkörper als sehr langer und schlanker Zylinder ausgeführt und sein Volumen wird genutzt als Druckkessel für das Speichermedium der umgewandelten Energie in Form von Pressluft in der Variante 1 bzw. Wasserstoff und Sauerstoff in der Variante 2.
Der Repeller treibt in der Ausführung 1 eine Pumpe und komprimiert Luft in der Röhre des Schwimmkörpers. In einer besonderen Variante wird die Luft dabei in einem Wärmetauscher und einem Latentwärmemedium gekühlt und später bei der Dekompression wieder erwärmt, um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen. In einer anderen Gestaltung sind die Druckkessel isoliert und der Verlust der Kompressionswärme wird dadurch reduziert. In beiden Fällen wird damit auch ein Gefrieren der Luftfeuchtigkeit bei der Dekompression verhindert.
In Variante 2 treibt der Repeller einen Generator, der in einem Elektrolyse Prozess Wasser, aus Meerwasser oder aus Tanks, in Wasserstoff und Sauerstoff trennt, beide und/oder nur H2 in den Kesseln lagert und somit Energie speichert.
Der Schwimmkörper fährt in einer automatischen Steuerung in Gebiete optimalen Windaufkommens und hält dabei Steuerkurse mit maximaler Windkraft auf dem Zugseil. Die Fahrt selbst ist dabei gleichzeitig Erntearbeit und somit kein Kostenfaktor. Sobald die Kapazitätsgrenzen in den Druckkesseln erreicht werden, fährt der Schwimmkörper so zur Station, dass er auf dem Weg dahin gerade die volle Kapazität ausschöpft.
An der Station, die vorzugsweise für den Betrieb einer Flotte von Windsegelkraftschiffen genutzt wird, werden die Pressluft bzw. Wasserstoffvorräte herausgepumpt bzw. ganze Container werden entladen und gegen leere Container ausgetauscht.
In der Variante 1 ist das Schiff selbst sehr kostengünstig, da der Rumpf gleichzeitig Druckbehälter ist und somit nur Kompressor und Repeller zusätzlich anfallen. Damit ist es wirtschaftlich, das Schiff an einem Rohrsystem anzuschließen und die Pressluft zu dem Zeitpunkt zu entladen, an dem Strom benötigt wird, d. h. die Pressluft direkt an die Turbine und den Generator an Land anzuschließen.
In einer weiteren Variante ist das Schwimmkraftwerk modular aufgebaut, so dass die Energiespeichereinheit von der Energiewandlungseinheit getrennt werden kann. Somit ist es möglich, die teurere Einheit zur Energiewandlung mit Repeller, Kompressor bzw. Elektrolyseeinheit, Navigation und Steuerung, Segel, Seil und Aufrollsystem etc. von den Speicherkammern zu trennen so dass die Speicherkammern zum Entladen bzw. zur Energiewandlung und -einspeisung an der Station verbleiben während die Energiewandlungseinheit mit einer weiteren Speichereinheit erneut ausläuft.
Um den Widerstand des Rumpfes im Wasser zu minimieren ist der Rumpf zwar vorzugsweise zylindrisch als Druckkessel ausgeführt, jedoch sind die wasserberührenden Konturen als optimiertes Schwimmwerk für Gleitfahrt bzw. auch als Hydrofoils, also Unterwasserflügel ausgeführt. Teile dieser Hydrofoils sind dabei so ausgeführt, dass sie bei einer Krängung und Last auf dem Zugseil auch als Schwert gegen die Querkraft wirken.
In einer weiteren Variante sind die Quertriebsflächen schräg angeordnet und als Tragflügelprofil ausgebildet, so dass wegen der Rotation des Rumpfes in Zugrichtung des Seiles immer der Teil des Schwertes senkrecht steht, der dem Windsegel abgewandt liegt und dabei die Querkraftstabilisierung gegen die Seilzugkraft bewirkt, während der andere, dann waagerecht liegende Teil als Tragflügel Auftrieb erzeugt.
Für Schwachwindphasen ist das Windsegel mit einer automatischen Steuerung versehen, die eine Relativbewegung des Segels zum Schiff ermöglicht, so dass die Windfangfläche unabhängig von der Fahrt des Schiffes geregelt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich ist das Windsegel mit Hohlkammern versehen, die mit Gas gefüllt werden und so das Eigengewicht des Segels und Teile des Seilgewichtes zu tragen. Zum Start des Segels ist ein Hilfssegel oder auch ein gasgefüllter Ballon vorgesehen.
In einer besondere Ausführung wird die Rumpfunterseite als dynamisches Luftkissen ausgeführt und/oder durch angesetzte, auftriebsgebende Flügel ergänzt, um den Widerstandanteil im Wasserkontakt zu minimieren, die Fahrt zu erhöhen und den Anteil nutzbarer Energie zu vergrößern.
Um die Wasserlage unter verschiedenen Zugkräften zu stabilisieren, sind Ballasttanks vorgesehen und der Fesselpunkt der Seils auf dem Schiff ist verschiebbar ausgeführt. Über eine Fesselung an mehreren Seilen, deren Längenverhältnisse situationsbezogen variiert werden kann, ist die Trimmlage ergänzend in zwei Achsen variabel.
In einer weiteren Ausführung wird das Schiff genutzt, um Meerwasser zu entsalzen und in den Ballasttanks zu speichern. Dazu würden die bekannten Verfahren zur Entsalzung zum Einsatz kommen und die, in allen Verfahren benötigte Energie über den Repeller geliefert.
In einer besonderen Ausführung befindet sich auf dem Schiffsrumpf eine Schiene mit einem Schlitten, an dem das Zugseil des Segels befestigt ist. Die Zugleistung des Segels wird in dieser Variante nicht über den Schiffsrumpf in eine Anströmung eines Repellers umgesetzt sondern über die Bewegung des Schlittens, die zyklisch hin und her oder in einer ovalen oder runden Bahn erfolgen kann, direkt mechanisch in einen Kompressor oder Generator übertragen.
Vorzugsweise wird dabei ein umlaufendes Seil am Schlittenbefestigt, das über eine Seilrolle die Zugkraft ausleitet.
In einen weiteren Ausführung ist der Schwimmkörper kein Schiffsrumpf sondern besteht aus schwimmenden Pontons, zwischen denen die Schiene befestigt ist. Um das System optimal zur jeweiligen Windrichtung auszurichten, ist nur einer der Pontons über ein Ankerseil oder einen Unterwasserpylon translatorisch fixiert, aber rotatorisch frei und wird über ein Ankerseil am anderen Ende so orientiert, dass die optimale Windernte erreicht wird.
Beschreibung der Skizzen:
1 und 2 zeigen das Powership mit dem Rumpf 100, dem Schwert 101, dem Repeller 102, den Drucktankröhren 103, dem Zugseil 104 und dem Windsegel 105 in der Ausführung mit Schiffsrumpf und Repellerantrieb.
3 zeigt das System mit einer ovalen Umlaufschiene 206 auf einem Schiffsrumpf 200 mit dem Schlitten 207, der über das Seil 204 vom Windsegel 205 gezogen wird. Die Drucktanks 203 befinden sich auf dem Rumpf 200.
4 zeigt eine Ausführung, in der die Drucktanks 303 als Ponton fungieren und die Umlaufschiene 306 tragen, auf der sich der Schlitten 307 gezogen vom Windsegel 305 befindet. Die Energie wird über das Umlaufseil 308 auf die Umlenkrollen 309 übertragen und dort in den nicht dargestellten Generator oder Kompressor übertragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 0000032322186 A1 [0011]

Claims

Kraftwerk zur Wandlung von Windenergie in mechanische Leistung, bestehend aus einem Segel, das im Wind an einem Seil schwebt und den Seilzug an einen Schwimmkörper weiterleitet und diesen dadurch im Wasser bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper einen Repeller trägt, der durch die Bewegung im Wasser angetrieben wird und dadurch die Nutzleistung frei setzt.
Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Leistung genutzt wird, um ein Speichermedium in einen Zustand höherer Energie zu versetzen und an Bord zu lagern und so die Windenergie zu beliebigen Zeitpunkten verfügbar zu machen.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Repeller eine Pumpe antreibt, die Luft in Druckkesseln komprimiert und so Energie gespeichert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompression über einen Wärmetauscher abgewickelt wird und die Kompressionswärme gespeichert und bei der Expansion zurückgewonnen werden kann.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherung in einem Latentwärmeverfahren erfolgt.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspeicher thermisch isoliert sind und so die Kompressionswärmeverluste minimiert werden.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie aus der Bewegung des Segels nicht in eine Bewegung des ganzen Schiffsrumpfes übertragen wird, sondern dass auf dem Schiffsrumpf eine Schiene angebracht ist, auf der ein Schlitten läuft und dass die Bewegung dieses Schlitten direkt in die mechanische Leistung zum Antrieb eines Kompressors oder Generators genutzt wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene oval geführt ist und der Schlitten umlaufen kann.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung aus der Schlittenbewegung über ein umlaufendes Zugseil und Seilrollen in den Kompressor und/oder in den Generator übertragen wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt eines Schiffsrumpfes mehrere Pontons als Träger der Schiene fungieren.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Ponton an einer Seite im Wasser fixiert sind und an der anderen Seite mit einem variablen Ankerseil optimal zum Wind ausgerichtet werden können.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene Energie in elektrische Energie gewandelt wird und zur Wasserstofferzeugung genutzt wird und der Wasserstoff allein und/oder zusammen mit dem Sauerstoff in den Tanks gespeichert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff in einem Trägermaterial wie Metallhydrid oder N-Ethyl-Carbazol oder anderen Trägern eingelagert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewandelte Energie zur Wasserentsalzung genutzt wird und das gewonnene Süßwasser in den Tanks gespeichert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichermedien an Sammelstationen entladen werden und/oder die Energie in den Stationen umgesetzt wird, indem eine Turbine an Land direkt mit Pressluft aus dem Druckbehälter angetrieben wird bzw. eine Brennstoffzelle an Land mit H2 aus dem Container an Bord versorgt wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwimmwerk modular aufgebaut ist aus einer Einheit zur Energiespeicherung und einer Einheit zur Energiewandlung und dass beide Einheiten getrennt werden können.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Container mit den Speichermedien in den Stationen ausgetauscht werden, so dass ein Umpumpen der Medien entfällt.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Windsegel eine eigene Steuerung besitzt und relativ zum Schwimmkörper Bewegungen so ausführen kann, dass die Windfangfläche vergrößert wird bzw. der scheinbare Wind maximiert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Steuerung den Steuerkurs des Kraftwerks so optimiert, dass die Zugkräfte im Seil maximiert werden.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Steuerung den Kurs so steuert, dass die mechanische Leistung am Repeller maximiert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungen aus den Ansprüchen 12 und 13 über hinterlegte Kennfelder erfolgt.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungen aus den Ansprüchen 12 und 13 über eine laufende Iteration mit generischer Optimierung erfolgt.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Windsegel mit gasgefüllten Kammern ausgerüstet ist.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Windsegel über ein Hilfssegel und/oder einen gasgefüllten Ballon gestartet wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fesselung des Zugseiles im Schwimmkörper variabel positioniert und/oder über mehrere Seilzüge erfolgt, um damit die Trimmlage im Wasser bei unterschiedlichen Einsatzbedingungen zu steuern.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ballasttanks im Schwimmwerk die Trimmlage besonders bei unterschiedlichen Seilkräften steuern.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper für Gleitfahrten auf der Wasseroberfläche optimiert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wassertragflächen (Hydrofoils) den Schwimmkörper ganz oder teilweise aus dem Wasser heben und in der Krängung gleichzeitig das Gleichgewicht zur Querkraft aus dem Seilzug halten.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der gespeicherten Energie z. B. in Form von Pressluft direkt über den Kompressor, der dann als Kraftmaschine arbeitet an den Repeller, der dann als Propeller arbeitet, geleitet werden kann, um das Gerät ohne Segel für Manöverfahrten anzutreiben.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucktanks zu einem oder mehreren Paket verbunden und schwimmfähig sind und vom Schiffsrumpf abgeladen werden können.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ballasttanks im Schiffsrumpf vorgesehen sind, die geflutet bzw. leer gepumpt werden können, so dass sich der Schiffsrumpf in der Wasserlinie hebt bzw. senkt und so die Drucktanks auf- bzw. abladen kann.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiffsrumpf durch Luftauslässe unter der Wasserlinie belüftet werden kann und so der Wasserwiderstand reduziert wird.
Kraftwerk nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiffsrumpf einen Strömungskanal im Wasser aufweist, in dem die Strömungsgeschwindigkeit lokal erhöht wird und der Repeller in der beschleunigten Strömung betrieben wird.