Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie nach dem Oberbegri f f des Anspruchs 1 .

Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der DE 41 17 952 Al ein Stromerzeuger bekannt , welcher neben Solarenergie auch Windenergie nutzt . Dieser Stromerzeuger umfasst einen Auftriebskörper, an dessen Bug und Heck entgegengesetzt drehende Luftschrauben angebracht sind .

Aufgabe der Erfindung ist es , eine Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie dahingehend weiterzubilden, dass die Energieausbeute gesteigert , die Nutzungs- und Lebensdauer erhöht und der Instandhaltungsaufwand verringert werden können .

Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie der eingangs genannten Art , durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .

Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Aus führungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie umfasst zunächst einen Auftriebskörper, der für die notwendige Auftriebskraft sorgt , um die Vorrichtung bzw . einen Teil der Vorrichtung in einen Flugzustand zu versetzen . Hierzu wird grundsätzlich ein Traggas , zum Beispiel Helium, verwendet , welches eine geringere Dichte als die Umgebungsluft aufweist , sodass durch die resultierende Auftriebskraft der Auftriebskörper bzw . die Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie nach oben in die Luft steigt . Der Auftriebskörper ist so ausgebildet , dass er in einer Längsrichtung größer ist als in den anderen Richtungen . Insbesondere kann der Auftriebskörper eine Zigarrenform bzw . die für Luftschi f fe charakteristische Formgebung besitzen . Diese Form bietet den Vorteil , dass sich der Auftriebskörper im Luftstrom definierter ausrichten kann . Eine entsprechende Stromlinienform kann für eine vorteilhafte Aerodynamik sorgen, damit die Rotoren vom Luftstrom möglichst ef fektiv angestrahlt werden .

Ferner umfasst die Vorrichtung gemäß der Erfindung wenigstens zwei Rotoren, die entsprechend in Längsrichtung an den entgegengesetzten Enden des Auftriebskörpers , also an dessen Bug und an dessen Heck drehbar gelagert sind . Eine Ausrichtung des Auftriebskörpers im Wind bzw . im Luftstrom erleichtert es also , die Rotoren entsprechend in den Wind zu stellen, sodass diese durch den Luftstrom möglichst ef fektiv gedreht werden können . Die dadurch entstehende Rotationsbewegung der Rotoren wird auf eine Generatorwelle übertragen, sodass ein Generator Strom erzeugen kann . Der Generator kann ein Teil der Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie sein und insbesondere am, vorzugsweise im Auftriebskörper angeordnet werden . Die Übertragung der Drehbewegung kann über die Generatorwelle direkt zwischen Rotor und Generator ohne weiteres Getriebe bzw . ohne weitere Kraftumlenkung erfolgen .

Nach außen hin besitzt der Auftriebskörper eine Hülle , in der das Traggas , grundsätzlich in Traggas zellen, bevorratet ist , wobei j ede der Traggas zellen zur Aufnahme des Traggases dient . Verteilt sich das Traggas nicht in einem Raum innerhalb der Hülle , sondern ist aufgeteilt in einzelne Teilräume , sogenannte Traggas zellen, so hat dies den Vorteil , dass immer noch eine Auftriebskraft bestehen bleibt , wenn zum Beispiel eine der Traggas zellen Leck schlägt und Gas daraus entweicht . Außerdem ist eine Tragstruktur vorgesehen, um die Hülle in einen formstabilen Zustand zu halten und um eine Halterung für die Rotoren bereitzustellen .

Die erfindungsgemäße Tragstruktur kann für eine deutlich verbesserte Rigidität sorgen . Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie zeichnet sich nun dadurch aus , dass die Tragstruktur wenigstens zwei Teilstrukturen umfasst , die j eweils eine Helixstruktur bilden . Diese Helixstrukturen weisen j eweils eine zueinander entgegengesetzte Windungsrichtung auf . Zudem verlaufen die beiden Helixstrukturen hinsichtlich ihrer Längsachse koaxial , d . h . die Längsachsen der j eweiligen Helixstrukturen bzw . die Längsachse der einbringenden der j eweiligen Helixstruktur fallen zusammen . Sie liegen auch parallel zur Längsrichtung, entlang der sich der langgestreckte Teil des Auftriebskörpers erstreckt .

Dadurch, dass die beiden Helixstrukturen entgegengesetzte Windungsrichtungen besitzen, überzieht die Tragstruktur gewissermaßen den Auftriebskörper gleichmäßig und mit symmetrischen Eigenschaften, um die Längsrichtung herum . Obgleich die Rotoren für sich genommen drehbar gelagert sind, muss dennoch berücksichtigt werden, dass keine Lagerung eine völlig reibungs freie Bewegung zulässt und somit dennoch Kräfte bzw . ein Drehmoment auf den Auftriebskörper bzw . auf die Tragstruktur übertragen wird . Ferner überträgt die Aufnahme des Generators das Drehmoment auf die Struktur . Die entgegengesetzt gewundenen Helixstrukturen können somit dieses Drehmoment besser auf fangen, denn durch die Geometrie der Helix wird immer ein Teil der Kraft in die Streben bzw . die Längsträger entlang deren Ausrichtung eingeleitet .

Weist die Tragstruktur zwei entgegengesetzt gewundene Teilstrukturen auf , so kann, unabhängig von der Drehrichtung eines Rotors , eine Kraftwirkung tangential in Längsträger eingeleitet werden . Die Längsträger sind gegenüber einer tangential verlaufenden Krafteinleitung besonders stabil . Der Kraftfluss erfolgt dann entlang der Helixstruktur und kann sich so über eine größere Wegstrecke über die gesamte Tragstruktur verteilen . Insgesamt sorgen die entgegengesetzt gewundenen Teilstrukturen dafür, dass die Tragstruktur in Bezug zur Längsrichtung eine rigide und weitgehend symmetrische Form ausgebildet .

In besonders vorteilhafter Weise stehen bei einer Aus führungs form die Ebenen, in denen die Rotation der Rotoren abläuft , senkrecht zur Längsrichtung . Daraus ergibt sich der Vorteil , dass dann, wenn sich der Auftriebskörper in den Wind stellt , die Rotoren parallel zu ihrer Drehachse angestrahlt werden können und somit eine maximale Kraftübertragung möglich ist . Die Stromerzeugung aus Windenergie kann durch eine derartige Anordnung somit optimiert werden . Rotieren die beiden Rotoren zueinander gegenläufig, so kompensieren sich zumindest teilweise die Antriebskräfte , welche die Rotoren ansonsten auf den Auftriebskörper ausüben . Freie Drehmomente können vermieden werden . Durch die gegenläufig gewundene Struktur wiederum können in vorteilhafter Weise , trotz gegenläufig rotierender Rotoren, die auftretenden Verwindungskräfte auf den Auftriebskörper besser aufgefangen und kompensiert werden .

Bei der Aus führungs form der Erfindung kann der Auftriebskörper bzw . die Hülle bzw . die Einhüllende der Tragstruktur sich in Längsrichtung zu den j eweiligen Enden hin verj üngen und somit einer Stromlinienform folgen . Der Luftstrom kann somit möglichst ohne durch den Auftriebskörper an sich bedingte Wirbelbildung um den Auftriebskörper fließen . Durch eine wirbel freie Strömung wird auch die Rotation der Rotoren ef fektiver, da diese ohne Hindernis angestrahlt werden . Dies ist umso mehr der Fall , da die Rotoren am Bug bzw . Heck des Auftriebskörpers hintereinander angeordnet sind und zumindest ein Teil des Luftstroms , der den in Stromrichtung hinteren Rotor am Heck erreicht , den ersten Rotor am Bug passiert hat und entlang der Hülle des Auftriebskörpers entlang gelaufen ist .

Zur Stromerzeugung kann grundsätzlich ein Generator verwendet werden . Dieser ist in vorteilhafter Weise innerhalb des Auftriebskörpers angeordnet , sodass keine mechanische Übertragung zu einem Generator am Boden erfolgen muss . Durch eine Anordnung innerhalb des Auftriebskörpers kann die von den Rotoren ausgeübte Drehbewegung unmittelbar in den Generator eingeleitet werden . In vorteilhafter Weise können zwei Generatoren vorgesehen sein, für j eden der Rotoren j eweils einer . Die elektrische Energie kann über ein Kabel hingegen einfacher als eine mechanische Drehbewegung zum Boden hin übertragen werden . I st der Generator innerhalb des Auftriebskörpers angeordnet , so muss hinsichtlich seiner Formgebung keine unmittelbare Anpassung an die Stromlinienform erfolgen .

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung münden die Tragstrukturen am Bug und am Heck j eweils in einer Nabe , welche die Lagerung für die drehbare Rotorwelle und/oder Generatorwelle bildet . Die Nabe kann als Lager ausgebildet sein, in welcher die Rotorwelle , die auch die Rotorblätter trägt , drehbar gelagert ist . Zur Lagerung können entsprechende Wäl zlager (Kugellagerrollenlager oder dergleichen) verwendet werden . Trotz der drehbaren Lagerung erfolgt die Drehbewegung der Rotorwelle in der Nabe nicht reibungs frei . Es wird ein Drehmoment auf die Nabe und somit auch auf die Tragstruktur übertragen . In vorteilhafter Weise kann die Tragstruktur aufgrund ihrer Formgebung und insbesondere der Helixstrutur in beiden Windungsrichtungen, unabhängig von der Drehrichtung des Rotors , dieses Drehmoment j edoch auf fangen .

Die Teilstrukturen wiederum weisen j eweils einen Längsträger auf , welcher dieser helikalen Formgebung folgt . Bei einer bevorzugten Aus führungsvariante der Erfindung kann dieser Längsträger als Polygon ausgestaltet sein . Grundsätzlich kann der Längsträger als Rohr ausgebildet sein, welches innen hohl ausgebildet ist . Der Längsträger kann auch in seiner Ausgestaltung als Rohr sowohl als Polygon ausgebildet sein als auch eine Kreis form im Querschnitt aufweisen . Eine rohrartige Struktur zeichnet sich dadurch aus , dass sie senkrecht zu ihrer Längserstreckung ein höheres Biegemoment aufweist und somit grundsätzlich die Stabilität erhöhen kann . Die Herstellung von Rohrsegmenten, insbesondere der Biegevorgang, kann mittels CNC-Verf ahren gesteuert werden .

Durch die Ausbildung als Polygon kann ebenfalls das Biegemoment in bestimmten Richtungen erhöht werden, sodass die Tragstruktur gegenüber den zu erwartenden Belastungen stabiler ist . Die Helixstruktur insgesamt dient vor allem dazu, eine Kraftwirkung tangential in die Längsträger einzuleiten, sodass der Kraftfluss entlang der Längsträger weitergeleitet wird . Dennoch sollten die Längsträger senkrecht zu ihrer Längserstreckung eine entsprechende Stabilität aufweisen, um nicht zum Beispiel einzuknicken, sodass der Kraftfluss die Tragstruktur zerstört . Die Längsträger können zum Beispiel so aufgebaut sein, dass sie in ihren Ecken im Querschnitt sich j eweils aus Streben zusammensetzen, wobei die Streben selbst wiederum zur Erhöhung des Biegemoments auch als Hohlstrukturen bzw . Rohre ausgebildet sein können . Zur Erhöhung der Stabilität gegenüber Zugkräften können Längsträger j eweils auch ein Zugseil aufweisen . Um Kräfte , die senkrecht zur Längsrichtung wirken, besser aufnehmen zu können, können zusätzlich auch Querverstrebungen vorgesehen sein, zum Beispiel im Inneren der Rohre bzw . Polygone bzw . der Längsträger darüber hinaus können aber auch zwischen den Teilstrukturen bzw . innerhalb der Tragstruktur durch den Auftriebskörper sogenannte Querspanten zur Verstärkung eingesetzt werden . Darüber hinaus können durch derartige Querspanten auch Kräfte zwischen den unterschiedlichen Teilstrukturen übertragen werden, sodass insgesamt die Stabilität erhöht werden kann .

Darüber hinaus können bei einem Aus führungsbeispiel der Erfindung auch punktuelle Verbindungsstrukturen vorgesehen sein, etwa in Form von Knoten . Zunächst können die beiden Teilstrukturen untereinander Knoten an einzelnen Stellen miteinander verbunden werden, sodass eine Kraftwirkung, die über die Nabe durch den Rotor übertragen wird, insgesamt auf beide Teilstrukturen verteilt wird . Durch derartige Knoten-Punkte verfestigt sich die Tragstruktur und wird stabiler . Darüber hinaus können Knotenpunkte auch Längsträger und Querspanten miteinander verbinden, wobei insbesondere ein Knoten seitlich versetzt oder zentrisch zum Uberschneidungsbereich von Längsträger und Querspant angeordnet sein kann . Dies hängt davon ab, in welcher Richtung eine Krafteinwirkung erwartet wird, sodass der j eweilige Knotenpunkt diese Kraft auf fangen und ein höheres Maß an Stabilität geben kann . Während eine zentrische Anordnung es eher begünstigt , Kräfte auf zunehmen, die bei einer vergleichsweise homogenen

Kräfteverteilung innerhalb der Tragstruktur wirken, kann der Versatz eines Knotenpunktes dazu führen, dass einer anisotropen Kräfteverteilung innerhalb der Tragstruktur stärker Rechnung getragen wird . Eine anisotrope Kräfteverteilung kann zum Beispiel dadurch auftreten, dass sich der Auftriebskörper gemäß der Strömungsrichtung ausrichtet und somit immer der Bug angestrahlt wird .

Eine vergleichsweise einfache Verbindungstruktur in Form eines Knotens wird bei einer Aus führungsvariante der Erfindung durch eine Ummantelung bewerkstelligt . Um Gewicht einzusparen und gleichzeitig die Stabilität zu verbessern, kann etwa faserhaltiges Material hierfür verwendet werden . Denkbar ist darüber hinaus , dass die Knoten zur Vereinfachung der Fertigung in einem 3D-Druckverf ahren hergestellt werden, gegebenen falls mit einer Ummantelung aus f aserverstäktem Material . Es können sowohl Flach- als auch Konturf ormen, insbesondere aus faserhaltige Material zur Verstärkung ebenfalls verwendet werden . Bei einer Konturform können zwei Bänder mit einem Füllstof f zusammen, der ein dreidimensionale Form erzeugt , um das Werkstück, hier also um die j eweiligen Längsträger bzw . Querspanten, gewickelt werden . Die Verstärkungen aus Kunststof f werden auf dem montierten Knoten manuell oder automatisch ausgehärtet .

Um den Helixstrukturen gerecht zu werden und Verj üngung im Bug- und Heckbereich des Auftriebskörpers realisieren zu können, können die Längsträger bzw . Rohre gebogen ausgebildet sein, insbesondere als gebogene Rohrsegmente . Der Auftriebskörper mit den Rotoren gemäß Erfindung besitzt grundsätzlich den Vorteil , dass er nicht in Bodennähe arbeitet , sondern dass der Betrieb in beträchtlicher Höhe , insbesondere in einer Höhe von einigen 100 m platziert wird . In derartigen Höhen sind stärkere und konstantere Windverhältnisse zu erwarten, sodass eine höhere Stromproduktion zu erwarten ist . Insofern ist eine Verankerung am Boden notwendig, die insbesondere über ein Zugseil erfolgen kann, um dynamische und statische Kräfte auf zunehmen und gegebenenfalls auch die Flughöhe des Auftriebskörpers veränderbar zu gestalten . Entlang oder über dieses Zugseils kann der Strom über ein Kabel zum Boden hin geführt und dort weiterverarbeitet werden .

Aus führungsbeispiele

Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert . Im Einzelnen zeigen :

Fig . 1 : eine Vorrichtung zur Nutzung von Windenergie gern , der

Erfindung,

Fig . 2 , 3 : drei- und viereckige Längsträgerquerschnitte ,

Fig . 4 : eine schematische Darstellung eines Längsträgers , sowie

Fig . 5-7 : Anordnungsvarianten von Knotenpunkten .

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Nutzung von Windenergie mit einem Auftriebskörper 2 , der sich in Längsrichtung L erstreckt . Der Auftriebskörper 2 umfasst eine Hülle 3 zum Schutz gegen Witterung, innerhalb der das Traggas in Traggas zellen bevorratet ist , das für die nötige Auftriebskraft sorgt , um einen Flugzustand herzustellen . Innerhalb des Auftriebskörpers sind Traggsas zellen angeordnet , damit bei einer Beschädigung einer Zelle nicht das gesamte , den Auftrieb liefernde Gas entweichen kann . Diese Traggas zellen sind im Einzelnen nicht in Figur 1 dargestellt .

Darüber hinaus ist eine Tragstruktur 4 vorgesehen, die von der Hülle 3 überzogen ist , sodass die Hülle 3 gewissermaßen wie die Einhüllende der Tragstruktur 4 bildet . Die Tragstruktur 4 setzt sich zusammen aus zwei Teilstrukturen 5 , 6 , die j eweils eine Helix bilden, welche sich wiederum entlang der Längsrichtung L erstreckt und zu den Rotoren 7 , 8 bzw . Bug und Heck des Auftriebskörpers 2 hin sich verj üngt . Die Tragstruktur 4 bzw . Teilstrukturen 5 , 6 münden j eweils in Naben 9 , 10 , welche die Lagerung für die Rotoren 7 , 8 bilden . An der Neigung der Rotorblätter der Rotoren 7 , 8 ist zu erkennen, dass sich die beiden Rotoren dahingehend unterscheiden, dass sie entlang der Längsrichtung L in unterschiedlichen Richtungen rotieren . Darüber hinaus ist eine Verbindung 11 zum Boden hin vorgesehen, die ein Zugseil umfasst , um den Auftriebskörper 2 gegenüber dynamischen und statischen Kräften halten zu können, ihn am Boden zu verankern . Gleichzeitig ist in diese Verbindung 11 auch ein Kabel zur Stromführung integriert .

Die Teilstrukturen 5 und 6 bestehen zunächst aus Längsträgern, welche in Figur 1 unmittelbar die j eweiligen Teilstrukturen ausbilden . Mögliche Querschnitte der Längsträger sind im den Figuren 2 und 3 dargestellt . Figur 2 zeigt einen Längsträger 15 , der im Profil dreieckig ausgebildet ist . In seinen Ecken befinden sich j eweils Rohre 16 . Diese rohrartigen Streben werden nach außen hin von einem einzelnen dreieckigen Rohr 17 umgeben . In Figur 3 wiederum ist ein Längsträger 25 dargestellt , der im Querschnitt ein Viereck verkörpert . Auch hier sind in den Ecken j eweils Rohre 26 angeordnet , die zur Verstärkung des Biegemomentes beitragen . Nach außen hin werden die Rohre von einer einhüllenden Vierkant-Längsstruktur umgeben, die ebenfalls somit ein Rohr darstellt . Die Rohre 26 in den Ecken des Vierecks sind durch innere Verstrebungen 28 entlang der Diagonalen miteinander verbunden . Auch hierdurch wird die Stabilität durch ein höheres Biegemoment verstärkt . Verstrebungen können auch durch Seile bzw . Zugseile zwischen Streben, Längsträgern und Querspanten oder dergleichen realisiert werden, durch welche die Rigidität erhöht wird .

Figur 4 wiederum zeigt einen Längsträger 35 , der rohrartige Streben 36 in den Ecken einer im Querschnitt bestehenden Dreiecksstruktur aufweist , wobei die Streben 36 durch Querverstrebungen, die innerhalb des Dreiecks verlaufen, verstärkt wird . Darüber hinaus wird die Struktur durch wenigstens ein Zugseil 39 verstärkt .

Die Figuren 5 , 6 und 7 zeigen Längsträger 45 und Querspanten 55 , die über Knotenpunkte 60 verbunden sind . In Figur 5 ist ein nach links versetzter Knotenpunkt dargestellt , während in Figur 6 eine zentrierte Anordnung des Knotenpunktes 60 dargestellt ist .

In Figur 7 wiederum sind versetzt angeordnete Knotenpaare vorgesehen . Insbesondere die Figuren 5 und 7 können vor allem dazu eingesetzt werden, anisotrope Kräfte auf zunehmen und die Stabilität zu verbessern . Be zugs Zeichen :

1 Vorrichtung zur Erzeugung von Windenergie

2 Auftriebskörper

3 Hülle

4 Tragstruktur

5 Teilstruktur

6 Teilstruktur

7 Rotor

8 Rotor

9 Nabe

10 Nabe

11 Zugseil mit Kabel

15 Längsträger

16 Rohr

17 einhüllendes Rohr ( dreieckiger Querschnitt )

25 Längsträger

26 Rohr

28 innere Diagonalverstrebung

35 Längsträger

36 rohrartige Streben

39 Zugseil

45 Längsträger

55 Querspanten

60 Knoten

L Längsrichtung