Die Erfindung betrifft eine Flugwindkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines gefesselten Fluggerätes, insbesondere eines Drachen oder einer drachenähnlichen Konstruktion, mit mindestens einem Hauptseil und einem Stellseil, die vom Boden zum Fluggerät führen, wobei die Seile im YoYo-Betrieb arbeiten und mechanisch erzeugte Leistung vom Antriebstrang mindestens eines Hauptseils zu mindestens einem

Stellantriebstrang abgezweigt wird, dieser Leistungsteil mit der mechanischen Leistung des jeweiligen Stellantriebs mittels eines Summiergetriebes, vorzugsweise eines als

Summiergetriebe arbeitendes Planetengetriebes, überlagert und an das jeweilige Stellseil übergeben wird, so dass es hierdurch gelingt, die Steuerung des Fluggerätes von der mechanischen Energiegewinnung durch das Auf- und Absteigen des Fluggerätes im YoYo- Betrieb voneinander getrennt zu vollziehen.

Hintergrund der Erfindung: Seit geraumer Zeit werden neuartige Windkraftanlagen entwickelt, die nicht an bodenfeste Strukturen, wie z.B. Türme und Masten, gebunden sind, sondern die Windenergie mittels Fesselfluggeräten in mechanische und elektrische Energie wandeln. Die Vorteile solcher Systeme liegen vor allem darin, dass das hohe Energieangebot und die hohe

Gleichmäßigkeit von Wind in Höhen deutlich oberhalb 300 m zu geringeren Kosten erreichbar ist. Windenergieanlagen, die einen Rotor an einer bodenfesten Struktur aufweisen, werden mit heutigem Stand sowohl aus technischen, als auch aus wirtschaftlichen Gründen nicht größer als 200 m Gesamthöhe ausgeführt. Die Kosten der Turmstruktur bilden einen erheblichen Teil der Gesamtkosten und entfallen bei Flugwindkraftanlagen. Darüber hinaus ist es bei Flugwindkraftanlagen zu geringeren Relativkosten möglich, die Anlage auf höhere Nennwindverfügbarkeit auszulegen als bei bodenfesten Windkraftanlagen, woraus ein weiterer Kostenvorteil resultiert.

Es existieren mehrere verschiedene Konzepte solcher Flugwindkraftanlagen. Bekannt sind solche, die die Windenergie bereits im Fluggerät in elektrische Energie wandeln und durch ein stromführendes Seil zum Boden leiten, z.B. aus US20100295303. Des Weiteren gibt es Konzepte, bei denen eine bewegliche Bodenstation vom Fluggerät über eine Bahnkurve oder eine Strecke am Boden gezogen wird, z.B. Europäische Patentschrift EP2075461 B1 , sowie Konzepte, bei denen ein am Boden befindlicher Rotor mit vertikaler Achse durch den ziehenden Drachen mittels einem Seil fester Länge in Drehung versetzt wird. Eine weitere bekannte Möglichkeit besteht darin, mechanische Energie mittels des YoYo- Prinzips zu gewinnen. Die Herausforderung eines Systems mit YoYo-Betrieb besteht u.a. darin, dass die Seiltriebe in der Bodenstation ihre Leistung über einen möglichst hohen Seilgeschwindigkeitsbereich wandeln müssen, da die Gesamteffizienz der Anlage stark vom Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Einholphase 2 und Ausfahrphase 1 abhängt. Das optimale Geschwindigkeitsverhältnis ist vom Unterschied der aerodynamischen

Eigenschaften und der Flugbahn des Fluggerätes zwischen den Betriebsphasen 2 und 1 abhängig und beträgt bei hochentwickelten Fluggeräten 10: 1 oder mehr. Dieser hohe

Geschwindigkeitsbereich ist mit drehzahlgespreizten Spezialantrieben oder durch

Überdimensionierung der Antriebe erreichbar.

Alle Haupt- und Stellseile des Fluggerätes müssen den Hub des YoYo-Betriebs, abgesehen von den relativen Stellbewegungen, mit gleicher Geschwindigkeit vollführen. Die benötigte Leistung für das gemeinsame Auslassen und Einholen aller Seile ist in jedem einzelnen Seiltrieb hoch, die benötigte Genauigkeit und Dynamik hierfür relativ gering. Für die

Stellbewegung ist die benötigte Leistung relativ gering, während die benötigte Genauigkeit und Dynamik relativ hoch ist. Problematisch ist es daher, wenn die Antriebe der Stellseile neben der Stellbewegung auch deren Auslassen und Einholen bewirken sollen, da diese Antriebe dann relativ hohe Leistung über einen großen Geschwindigkeitsbereich mit hoher Genauigkeit und Dynamik liefern müssen. Dies führt zu hohen Kosten und im Falle der Problemlösung mittels Überdimensionierung ebenfalls zu hohen Massenträgheiten in den betreffenden Antriebssträngen.

Aus der Schrift EP2091809B1 ist eine Lösung bekannt, bei der strikt differentielle,

gegenläufige Steuerbewegungen zwischen zwei Steuerseilen mittels eines eigenen

Stellantriebs ausgeführt werden können, während gemeinsame Auslass-/Einholbewegungen der Steuerseile durch einen anderen Antrieb übernommen werden. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, mittels des genannten Stellantriebs eine Verstellbewegung der Steuerseile unabhängig voneinander oder gemeinsam in die gleiche Richtung (beispielsweise relativ gegenüber einem dritten Seil) zu bewirken. Im dort vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel, bei dem mit linear bewegten Umlenkrollen in die Steuerseile eingegriffen wird, sind darüber hinaus große Seilführungsprobleme aufgrund relativ langer freier Seiltrume in Verbindung mit der hohen zu erreichenden Dynamik der Linearbewegung zu erwarten. Des Weiteren ist der maximal mögliche Weg der relativen Stellbewegungen aufgrund des zwangsläufig

begrenzten Bereichs der Linearbewegung der Umlenkrollen beschränkt. Der Bewegungsbereich des Fluggerätes darf bei Flugwindkraftanlagen nicht unnötig eingegrenzt werden. Aus Gründen der Betriebsführung und -Sicherheit müssen unter beliebigen Windrichtungen und -stärken alle Manöver im vollständigen Halbraum über der Bodenstation möglich sein. In der Schrift US8080889 ist eine Bodenstation beschrieben, bei der die Umlenkrollen, die die Seile zum Flügel lenken, drehbar auf Federn befestigt sind. Des Weiteren sind u.a. aus dem Segelsport Umlenkrollenblöcke bekannt, bei denen die Umlenkrolle um eine Achse quer zu ihrer Drehrichtung schwenkbar gelagert ist.

Beide oben genannte Systeme erlauben einen selbsttätiges Ausrichten der Umlenkrolle in Richtung des auslaufenden Seils. Bei System mit mehreren Seilen sind jedoch Probleme bei kleinen Vertikalwinkeln der Seile zum Boden und großen Horizontalwinkeln der Seile zur Hauptachse der Bodenstation zu erwarten, da hier mindestens ein Seil mit dem Seilauslauf mindestens eines der anderen Seile kollidieren kann. Zum anderen funktionieren beide Systeme nur mit einem unter einer gewissen Mindestkraft stehenden Seil, da die Kraft zum Ausrichten der Umlenkmittel bei beiden Systemen durch das Seil selbst aufgebracht werden muss. Es kann bei Flugwindkraftanlagen jedoch nicht in jeder Betriebssituation davon ausgegangen werden, dass alle Seile unter genügender Kraft hierfür stehen.

Flugwindkraftanlagen können auf eine hohe Betriebssicherheit und einen großen

Betriebsbereich bezüglich Umweltbedingungen ausgelegt werden. Trotzdem ist ein dauerhafter wirtschaftlicher Betrieb nur möglich, wenn ein vollautomatisches Start- und Landesystem implementiert wird. Hierfür ist bereits ein System beschrieben worden, das einen Arm beinhaltet, der um eine im Wesentlichen vertikale Rotationsachse drehbar gelagert ist, die zu der Armlängsachse in steilem Winkel steht, und aus dem in hinreichendem

Abstand von der Drehachse mindestens ein Seil austritt, dessen Ende mit dem Fluggerät verbunden ist. Durch einen genügend großen Umlaufradius des Austrittspunktes aus dem Arm kann dem Fluggerät eine Eigengeschwindigkeit aufgeprägt werden, mittels derer es genügend Auftrieb erzeugt, um durch Auslassen des Verbindungsseils und/oder Verkleinern des Winkels zwischen Armlängsachse und der Vertikalen in größere Höhen hinaufgelassen werden zu können. Eine Landung ist in umgekehrtem Ablauf möglich: Das Fluggerät wird auf eine zyklische Bahn um die Landevorrichtung herum gesteuert, während der Arm in etwa gleicher mittlerer Winkelgeschwindigkeit rotiert. Durch Einziehen des Seils oder der Seile kann das Fluggerät an die Landevorrichtung herangezogen werden. Verwirklichungen von Bodenstationen mit einem solchen Start-/Ladesystem stehen vor großen konstruktiven Herausforderungen und sind bisher nicht bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte

Flugwindkraftanlage zu schaffen, die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterentwickelt. Insbesondere sollen die Massenträgheit der rotierenden Teile, sowie die Herstellungskosten und die Abmessungen einer solchen Anlage bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit verringert werden. Weiterhin sollen eine optimale Steuerung des Fluggerätes und eine davon unabhängige effiziente mechanische Energiegewinnung nach dem YoYo-Prinzip gewährleistet sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Leistungsverzweigung und -summierung gemäß der Merkmale der Ansprüche sowie der folgenden Beschreibung der Erfindung gelöst. Zusammenfassung der Erfindung:

Es wird also vorgeschlagen, die Aufgabe des gemeinsamen Auslassens und Einholens aller Seile des Fluggerätes der Windkraftanlage antriebstechnisch von der Aufgabe der

Verstellung einzelner Seile zu dem oder den anderen zu trennen. Hierzu wird mechanische Leistung aus dem Antriebsstrang eines Hauptseils abgezweigt und dem Antriebsstrang eines Stellseils, sowie optional den Antriebssträngen weiterer Stellseile zugeführt. Jeder dieser Leistungszweige wird der mechanischen Leistung des jeweiligen Stellantriebs mittels eines Summiergetriebes überlagert.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Flugwindkraftanlage, umfassend eine Bodenstation (1 ) und ein durch Seile oder seilähnliche Mittel (3, 4) an diese gefesseltes, durch Windkraft betriebenes steuerbares Fluggerät (2), wobei die Bodenstation mindestens ein Hauptseil und einen mit einem Antriebsmotor (16) mit oder ohne Übersetzungsgetriebe (15) ausgestatteten Hauptantriebstrang (5) zur Energiegewinnung durch Nutzung des YoYo-Effektes mittels Aus- und Einziehen des Fluggerätes und mindestens ein Stellseil und einen mit einem

Antriebsmotor (26) mit oder ohne Übersetzungsgetriebe ausgestatteten Stellantriebstrang (7) zur Betätigung von Stellgliedern des Fluggerätes, sowie Vorrichtungen zur Umwandlung der mechanischen Energie in eine andere Energieform und zurück aufweist, wobei mindestens je ein Hauptantriebstrang (5) und Stellantriebstrang (7) über mindestens ein Summiergetriebe (22), vorzugsweise ein als Summiergetriebe fungierendes Plantengetriebe, miteinander verbunden sind, so dass ein Teil der mit Hilfe des jeweiligen Hauptantriebstrangs (5) gewonnenen oder aufgebrachten mechanischen Leistung aus diesem abgezweigt und mit der mechanischen Leistung des jeweiligen Stellantriebstrangs überlagert und so an das mindestens eine Stellseil (4) über das Planeten-/Summiergetriebe (22) übergeben wird, wodurch die Verstellung der Zugmittel (3, 4) im Hauptantriebstrang (5) und im Stellantriebstrang (7) voneinander getrennt erfolgen kann. Vorzugsweise ist das Summiergetriebe (22) unmittelbar vor den oder dem jeweiligen Stellantriebstrang angeordnet. Es kann aber auch gegebenenfalls im Bereich des Haupantriebstranges angeordnet sein. Ferner können zusätzliche Vorrichtungen zur Drehzahlübersetzung vorgesehen werden. Gegenstand der Erfindung ist ferner auch eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei welcher mindestens ein Hauptantriebstrang (5) in eine Seiltrommel (13) eingebaut ist. Das zugehörige Hauptseil ist auf diese Windentrommel ein- oder mehrlagig aufgerollt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner auch eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei welcher mindestens ein Stellantriebstrang (7) in eine Seiltrommel (19) eingebaut ist. Das zugehörige Stellseil (4) ist auf diese Windentrommel ein- oder mehrlagig aufgerollt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei der der Motor (16, 26) mindestens eines Haupt- oder Stellantriebstrangs (5, 7) eine rückseitige mechanische Anschlussmöglichkeit beinhaltet, mittels der er an die stehende Struktur außerhalb der jeweiligen Trommeleinheit angebracht ist. Hierzu kann ein Strukturteil oder der Motor selbst durch ein Trommeldrehlager hindurch führen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei der mindestens ein Haupt- oder Stellantriebstrang (5, 7) in ein ein- oder mehrteiliges Motorrohr (17, 27) eingefügt ist, das am vorderen Ende gekennzeichnet ist durch eine stirnseitige mechanische Anschlussmöglichkeit eines Antriebsmotors oder einer Motor-Getriebe- Kombination, sowie des Weiteren gekennzeichnet ist durch einen Hohlraum, der genügend Platz lässt, um den Motor oder die Motor-/Getriebekombination aufzunehmen, sowie am hinteren Ende gekennzeichnet ist durch einen Teil, der durch ein Trommeldrehlager hindurch führt und mit der festen Struktur außerhalb der Trommel verbunden ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine entsprechende Flugwindkraftanlage mit mindestens einem in die Trommel integrierten Haupt- oder Stellantriebstrang, bei der dessen Abtrieb in radialer Richtung als Auflager des jeweiligen Antriebsstrangs oder ggf. der Kombination aus Antriebsstrang und Motorrohr dient.

Vorzugsweise weist die Flugwindkraftanlage gemäß der Erfindung mindestens oder genau zwei Stellseile bzw. Stellseileinheiten, bzw. Stellseiltrommeln (19) zur Steuerung des

Fluggerätes auf. In diesen Fällen sind die betreffenden zwei oder mehr Stellwinden (7) in der Anlage vorzugsweise koaxial eingebaut. Gegenstand der Erfindung ist weiter eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei der mindestens eine Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (19), welche einen

Stellantriebstrang (7) aufweist, parallel und achsversetzt zu mindestens einer

Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (13), welche einen Hauptantriebstrang (5) aufweist, angeordnet ist, und die betreffenden Winden- oder Trommeleinheiten über Triebräder (10A, 10B) und übliche Zugmittel (11 , 12) miteinander verbunden sind (Abb. 4). Vorzugsweise ist hierbei die verbundene Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (19), welche einen

Stellantriebstrang (7) aufweist, mit der Seite mit der verbundenen Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (13), die den Hauptantriebstranges (5) aufweist, verbunden, auf der das mindestens eine Planetengetriebe (22) angeordnet ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei welcher die Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (19), die einen Stellantriebstrang aufweist, koaxial zu mindestens einer Windenvorrichtung oder Trommeleinheit angeordnet ist, welche einen Hauptantriebstrang aufweist. Gegenstand der Erfindung sind auch entsprechende Flugwindkraftanlagen, welche eine Generatorfunktion in Form einer Generatorvorrichtung umfassen. Dies kann im einfachsten Fall ein Antriebsmotor sein, der als Generator arbeitet.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine entsprechende Flugwindkraftanlage, bei welcher (i) das Summiergetriebe (22) unmittelbar vor dem Stellantriebstrang (7) angeordnet ist; (ii) die Anlage zwei oder mehr Stellantriebstränge (7A, 7B) zur differenzierten Steuerung des

Fluggerätes aufweist; (iii) die zwei oder mehr Stellantriebstränge (7A, 7B) in einer ein- oder mehrteiligen Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (19) hintereinander in axialer Richtung angeordnet sind; (iii) Hauptantriebstrang und Stellantriebstrang in besagten

Trommeleinheiten oder Windenvorrichtungen (13, 19) über ein achsenversetztes Getriebe (15) miteinander verbunden sind, und (iv) Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (19), welche den oder die Stellantriebstränge (7A, 7B) aufweist, koaxial zur Windenvorrichtung oder Trommeleinheit (13) angeordnet ist, welche den Hauptantriebstrang (5) aufweist.

Gegenstand der Erfindung sind ferner entsprechende Flugwindkraftanlagen, bei denen die Bodenstation (1), welche besagte Vorrichtungen zur Erzeugung mechanischer und / oder elektrischer Energie beherbergen, auf einer drehbaren und/oder beweglichen vorzugsweise runden Plattform (9) befestigt ist, wobei in einer besonderen Ausführungsform die Plattform einen drehbaren und / oder beweglichen Mast (29) aufweist, welcher die Hauptantriebsseile und/oder die Stellseile in Richtung des Fluggerätes führt (Abb. 1 , Abb. 7). Das Fluggerät gemäß der Erfindung weist vorzugsweise eine oder mehrere bewegliche und mittels der Stellseile verstellbare Stellglieder auf. Das Fluggerät kann ein Drachen sein, als oder eine Konstruktion aus beweglichen Textilen und / oder Folien mit oder ohne

Rahmenkonstruktion. Entsprechende Fluggeräte sind im Stand der Technik bekannt.

Geeignet sind prinzipiell auch mehr oder weniger starre flug- /gleitfähige Konstruktionen, wie sie ebenfalls häufig eingesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner auch die Verwendung einer Flugwindkraftanlage gemäß der Ansprüche und der Beschreibung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus

Windenergie. Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Aus- und Einziehen eines zur Energiegewinnung mittels Windkraft vorgesehenen, an eine Bodenstation über Seile gefesselten Fluggerätes, wobei das Ein- und Ausziehen von einem oder mehreren Stellseilen zur Steuerung und Ausrichtung des Fluggerätes unabhängig erfolgt von dem ein- oder mehrfachen Ein- und Ausziehen des Fluggerätes durch ein oder mehrere Hauptzugseile, welche für die mechanische Energiegewinnung nach dem YoYo-Effektes sorgen, wobei die mit Hilfe mindestens eines Hauptantriebstranges unmittelbar erzeugte oder aufgebrachte mechanische Leistung aus diesem oder diesen mit Hilfe mindestens eines als

Summiergetriebe fungierenden Planetengetriebes abgezweigt und dieser Leistungsteil mit der mechanischen Leistung mindestens eines Stellantriebstrangs mit Hilfe des

Summiergetriebes oder der Summiergetriebe überlagert und an das jeweilige Stellseil übergeben wird, wobei weiter das oder die Summiergetriebe zwischen mindestens einem Hauptantriebstrang (5) und mindestens einem Stellantriebstrang (7) angeordnet sind, und der oder die Hauptantriebstränge und der mindestens eine Stellantriebstrang als Bestandteil einer Winde oder Trommelwinde in der Bodenstation (1) angebracht sind. Beschreibung der Erfindung:

Oben und unten in den Ansprüchen und Abbildungen werden folgende Bezugsgrößen verwendet:

01 Bodenstation

02 Fluggerät

03 Hauptseil

04 Stellseil

05 Hauptantriebstrang

06 tragende Struktur

07A Stellantriebstrang 1

07B Stellantriebstrang 2

08 Ausläufe Seile 09 Plattform

10A Zugmitteltriebrad Hauptantriebstrang

10B Zugmitteltriebrad Stellantriebstrang

11 Zugmittel

12 Spannrolle Zugmitteltrieb

13 Hauptseiltrommel

14 Trommellager - Hauptantriebstrang

15 Übersetzungsgetriebe - Hauptantriebstrang

16 Antriebsmotor - Hauptantriebsstrang

17 Motorrohr - Hauptantriebstrang

18 Anschlüsse Flüssigkeitskühlung - Hauptantriebstrang

19 Stellseiltrommel

20 tragende Struktur - Stellantriebstrang

21 Trommellager - Stellantriebstrang

22 Summiergetriebe - Stellantriebstrang

23 Getriebeabtrieb Planetenträger

24 Getriebeabtrieb Hohlrad

25 Getriebeantrieb Sonne

26 Antriebsmotor - Stellantriebstrang

27 Motorrohr - Stellantriebstrang

28 Anschlüsse Flüssigkeitskühlung - Stellantriebstrang

29 Übersetzungsgetriebe - Stellantriebstrang

30 Rotationsarm / drehbarer Mast

31 Auflager für Rotationsarm / drehbarer Mast

32 Drehlager für Plattform (9)

33 Führung der Seile zum Fluggerät (2)

Die Abbildungen erläutern weiter die Erfindung. Dabei stellen sie im Detail folgendes dar:

Abb. 1 zeigt schematisch eine Flugwindkraftanlage mit einer Bodenstation (1 ) und einem gefesselten Fluggerät (2) mit 2 Seilen (3, 4). Abb. 2 zeigt schematisch perspektivisch den drehenden Teil einer Bodenstation (1) nach vorteilhafter Ausführung mit drehbarem Tisch (9), 3 Seilwinden und nicht schwenkbaren Seilausläufen (8). Die Anordnung zeigt zwei koaxial angeordnete Stellseilwindentrommeln (19) im Vordergrund, welche im Inneren entsprechend der Erfindung zwei Stellantriebstränge (7), die jeder wiederum einen Antriebsmotor (26) aufweisen, enthalten, sowie gegebenenfalls oder mindestens ein Summiergetriebe (22). Die besagte Stellseiltrommel-Einheit (19) ist an einer mit der Plattform (9) montierten Trägerstruktur (6) befestigt, ebenso wie die parallel dahinter angeordnete Hauptseiltrommel (13), welche in Inneren den Hauptantriebstrang (5), der den Hauptantriebsmotor (16) umfasst, und gegebenenfalls ein weiteres Getriebe (15). Auf den Windentrommeln werden die jeweiligen Seile (3, 4) geführt, die durch entsprechende Auslaufführungen (8) mit dem Fluggerät (2) verbunden sind. Abb. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit einem Hauptseil und zwei Stellseilen und somit eine Anlage, welche einen Hauptantriebstrang (5) und zwei Stellantriebstränge (7) aufweist. Abb. 3 zeigt schematisch den drehenden Teil (9) der Bodenstation (1) aus der Abbildung 1 in der Draufsicht.

Abb. 4 zeigt den in Abb. 2 angegebenen Schnitt. Hierbei sind die Zugmitteltriebräder (10A, 10B) zu erkennen, welche über ein Zugmittel (11), in der Regel eine Kette oder ein

Zahnradband, und ggf. einer Kettenspannung (12) miteinander verbunden sind. Die linke Trommel/Winde (13) stellt den Hautseiltriebstrang dar, die rechte Trommel/Winde (19) die Stellantriebstränge (7A) und (7B).

Abb. 5 zeigt den in Abb. 3 markierten Schnitt durch die Hauptseilwinde (13). Nach dieser Ausführungsform ist die Trommel in mehrere Kompartimente aufgeteilt. Mittig an der

Tragestruktur (6) gelagert (14) ist der Antriebsmotor (16) der über ein Getriebe (15)

Verbindung zu den Triebrad (10A) hat, welches über die genannten Zugmittel (11) mit dem entsprechenden Triebrad (10B) der zweiten Trommel in Verbindung steht. Da der

Hauptantrieb (16) während des Betriebes des Hauptseiles (3) aufgrund der notwendigen hohen Geschwindigkeit heiß werden kann, sind in der gezeigten Ausführungsform

Anschlüsse für eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen.

Abb. 6 zeigt den in Abb. 3 markierten Schnitt durch einen Teil der hier zweiteilgen

Steuerseilwinde (19) der Bodenstation aus Abb. 2. Im Detail ist hier gezeigt der Antriebsmotor (26) für die Steuerseile sowie das Planetengetriebe (22, 23, 24, 25). Beide Teile sind entsprechend gelagert (20, 21) und über das Triebrad (10B) mit dem Hauptantriebstrang (5) verbunden.

Abb. 7 zeigt schematisch eine mögliche Umsetzung eine Start- und Landesystems mittels mitrotierendem Mast (29)(30), welcher auf einer drehbaren Plattform (9) (31) angebracht ist. Der Mast oder Arm besitzt Führungen (32) für das Hauptseil und die Stellseile.

Abb.8: Prinzip-Schema der zyklischen Energiewandlung mit Zugdrachen. Abb .9: Schaltbild des Energiesystems

Abb.10: zeigt als Prinzipskizze die Winden einer Bodenstation (1) nach vorteilhafter

Ausführung mit 3 Seilwinden in der Draufsicht. Die Anordnung zeigt zwei koaxial angeordnete Stellseiltrommeln (19), welche im Inneren entsprechend der Erfindung zwei

Stellantriebstränge (7), die jeder wiederum einen Antriebsmotor (26) aufweisen, sowie ein Summiergetriebe (22) enthalten. Die besagte Stellseiltrommel-Einheit (19) ist an einer mit der Plattform montierten Trägerstruktur (6) drehbar befestigt, ebenso wie die parallel dahinter angeordnete Hauptseiltrommel (13), welche in Inneren den Hauptantriebstrang (5), der den Hauptantriebsmotor (16) und ein Übersetzungsgetriebe (15) umfasst. Abb. 10 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit einem Hauptseil und zwei Stellseilen und somit eine Anlage, welche einen Hauptantriebstrang (5) und zwei Stellantriebstränge (7) aufweist. Abb.11 : zeigt als Prinzipskizze die Winden einer Bodenstation (1) nach vorteilhafter

Ausführung mit 3 Seilwinden in der Vorderansicht. Die Anordnung zeigt zwei koaxial angeordnete Stellseiltrommeln (19), welche im Inneren entsprechend der Erfindung zwei Stellantriebstränge (7), die jeder wiederum einen Antriebsmotor (26) aufweisen, sowie ein Summiergetriebe (22) enthalten. Die besagte Stellseiltrommel-Einheit (19) ist an einer mit der Plattform montierten Trägerstruktur (6) drehbar befestigt, ebenso wie die koaxial zwischen den Stellseiltrommeln angeordnete Hauptseiltrommel (13), welche in Inneren den

Hauptantriebstrang (5), der den Hauptantriebsmotor (16) und ein Übersetzungsgetriebe (15) umfasst. Abb. 11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit einem Hauptseil und zwei Stellseilen und somit eine Anlage, welche einen Hauptantriebstrang (5) und zwei

Stellantriebstränge (7) aufweist.

Alle Beschreibungen nennen Seile als Zugmittel, es ist aber hervorzuheben, dass sich die Erfindung ausdrücklich nicht auf diese Art der Zugmittel beschränkt. Denkbar an diesen Stellen sind ebenfalls Ketten, Riemen, Gurte und andere nicht genannte Zugmittel, sowie Verbindungen oder Mischformen daraus, aus den verschiedensten für diese Zwecke geeigneten Materialien.

Die vorliegende Erfindung betrifft Systeme, die im sogenannten YoYo-Betrieb arbeiten.

Dieser besteht im Wesentlichen aus 2 Phasen. Phase 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät Seile unter Kraft aus der Bodenstation auszieht, welche diese mechanische Energie in nutzbare Form wandelt. Phase 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät so betrieben wird, dass die Seilkräfte geringer als in Phase 1 werden und das Fluggerät mit höherer Geschwindigkeit als in Phase 1 unter geringerem Energieeinsatz wieder eingeholt wird. In diesem YoYo-Zyklus entsteht eine positive Gesamtenergiebilanz an der

Bodenstation, nutzbare Energie kann also, gegebenenfalls nach einer Vergleichmäßigung durch einen Pufferspeicher, abgegeben werden. Das Fluggerät einer Flugwindkraftanlage muss durch Stellglieder, beispielsweise

Vorrichtungen, die Klappenausschlag, Flügelverwindung, Schwerpunktlage oder

Anstellwinkel des Fluggerätes ändern, steuerbar sein, und kann darüber hinaus weitere Stelleinrichtungen, beispielsweise Reffvorrichtungen, Brems- oder Notfallschirme u.a. Mechanismen, beinhalten. Die Antriebe, die die Stelleinrichtungen des Fluggerätes betreiben, können sich entweder im Fluggerät oder am Boden befinden. Die Vorteile einer Steuerung vom Boden aus liegen zum einen in der Gewichtsersparnis im Fluggerät und zum anderen in der Kostenersparnis aufgrund dessen, dass nicht mitfliegende Antriebe preiswerter umzusetzen und zu warten sind. Die Erfindung betrifft insbesondere die Bodenstationen solcher Systeme, bei denen mindestens ein Stellglied am Flügel vom Boden aus mittels eines Stellseils betätigt wird.

Die Stellbewegungen werden im Fall eines Antriebs vom Boden aus über Stellseile zum Fluggerät übertragen. Die Erfindung bezieht sich auf Flugwindkraftanlagen, die aus mindestens einem Hauptseiltrieb (5) und mindestens einem Stellseiltrieb (7) bestehen. Dabei ist der Antriebsstrang eines Hauptseils gekennzeichnet durch die Befähigung, über den vollen geforderten Geschwindigkeitsbereich des YoYo-Zyklus' die benötigte Leistung zum gemeinsamen Auslassen und Einholen aller Seile bereitzustellen und der Antriebsstrang eines Stellseils gekennzeichnet durch die Befähigung, die Leistung, Dynamik und

Positionsgenauigkeit, die bei Verstellen des jeweiligen Seils gegenüber einem Hauptseil benötigt wird, über den geforderten Geschwindigkeitsbereich der entsprechenden

Stellbewegung bereitzustellen.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung vornehmlich, jedoch nicht ausschließlich auf Flugwindkraftanlagen, bei denen die Wandlung der translatorischen Bewegungsenergie des Seils in eine andere Energieform durch mindestens eine Seilwinde bewirkt wird, die aus mindestens je einer Seiltrommel besteht, welche die translatorische Energie des Seils in rotatorische Energie wandelt, sowie einem Antriebsorgan mit oder ohne Getriebe, das Energiewandlungen von mechanischer, rotatorischer Energie in eine andere Energieform, bspw. elektrische Energie, in beide Richtungen ermöglicht. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ausdrücklich auf alle Flugwindkraftanlagen mit mindestens je einem Hauptseil und je einem Stellseil, wird jedoch anhand eines Ausführungsbeispiels für Dreileinerdrachensysteme dargestellt. Dreileinerdrachen weisen ein Hauptseil, sowie zwei Steuerseile auf. Durch Verstellen eines Steuerseils relativ zum anderen wird der Drachen asymmetrisch verformt, was durch die Asymmetrie der Anströmung eine Bahnänderung bewirkt. Durch Verstellen beider Steuerseile um den gleichen Weg relativ zum Hauptseil lässt sich der Anstellwinkel des gesamten Fluggerätes verändern.

In bevorzugter Ausprägung wird die Geschwindigkeitsübersetzung in dem Leistungszweig zwischen Hauptseiltrommel und Stellseiltrommel jeweils so gewählt, dass sich bei stehendem Stellantrieb das derart gekoppelte Seil möglichst gleich schnell wie das Hauptseil bewegt. Etwaige Abweichungen können jedoch durch den betreffenden Stellantrieb ausgeglichen werden.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung besteht in der Anbringung aller Seiltriebe und der jeweils zugehörigen etwaigen Seilumlenkmittel auf einer frei oder angetrieben drehbaren Plattform (9). Diese kann entsprechend selbsttätig durch den Zug der Seile oder motorisch angetrieben dem Fluggerät derart folgen, dass die vorgesehene Seilauslaufrichtung (8) stets hinreichend genau in Richtung des Fluggerätes weist. Daher kann bei Verwendung einer solchen drehbaren Plattform (9, 31) auf schwenkbare Seilumlenkmittel am Seilauslauf verzichtet werden. Des Weiteren sind Probleme durch Kollision flach auslaufender Seile mit

Anlagenteilen, wie beispielsweise den Ausläufen der anderen Seile, verhindert, selbst wenn die zum Fluggerät führenden Seile die Anlage nicht an deren höchsten Punkt verlassen. Eine angetrieben drehbare Plattform kann auch sehr wirtschaftlich als Drehlager und -antrieb (31) für einen etwaigen Rotationsarm (29) als Start-/Landeeinrichtung verwendet werden.

Eine Ausprägung der Erfindung kann darin bestehen, ein Fluggerät vom Boden aus mittels einer Hauptseilwinde und mindestens einer Steuerseilwinde, die jeweils eine Seiltrommel und eine motorisch/generatorisch arbeitende Antriebsmaschine umfassen, zu betreiben und zu steuern. An jede der Stellseiltrommeln ist ein als Summiergetriebe (22) fungierendes Planetengetriebe derart verbaut, dass das Hohlrad (24) fest mit der drehbaren

Stellseiltrommel (19) verbunden ist, das Sonnenrad (25) fest mit dem Stellantrieb (22) verbunden ist, sowie der Planetenträger (23) mit der Hauptseiltrommel (13) derart verbunden ist, dass mechanische Leistung übertragen werden kann. Zwischen Hohlrad (24) und Planetenträger (23) besteht stets ein Drehzahlverhältnis in Höhe von i=1-1/i _0> wobei i ₀ die Standübersetzung des Planetengetriebes darstellt. Um zwischen Haupt- und Stellseil einen Geschwindigkeitsunterschied bei stehendem Stellantrieb zu verhindern, kann zwischen dem Planetenträger des Summiergetriebes und dem Hauptantriebsstrang eine

Drehzahlübersetzung nahe dem Reziproken 1/i vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die jeweilige Stellseiltrommel mit anderem Durchmesser als die

Hauptseiltrommel ausgeführt werden.

In weiterer Ausprägung werden Hauptantriebsstrang und Stellantriebsstrang gemäß obiger Beschreibung mit einem achsversetzten Getriebe ( 5), wie bspw. einem Stirnrad- oder Zugmittelgetriebe, verbunden. So kann jede Stellseilwinde achsversetzt zur Hauptseilwinde angeordnet werden. Vorteilhafterweise werden bei Verwendung einer Hauptseil- und mehrerer Stellseilwinden letztere koaxial zueinander angeordnet und zwar derart, dass ihre voneinander äußeren Enden axial nicht oder nicht wesentlich über die Enden der Hauptseiltrommel hinausragen. Auf diese Weise ist es möglich, einer quadratischen

Grundfläche nahezukommen, was beste Flächenausnutzung auf einer drehenden Plattform ergibt. Durch diese Anordnung wird der insgesamt benötigte Bauraum der Anlage verringert und die Massen der Bauteile besser um eine etwaige Drehachse der Gesamtanlage konzentriert, was zu einem geringeren Massenträgheitsmoment bei Anbringung der

Seilwinden auf einer drehbaren Plattform führt.

In einer anderen Ausprägung der Erfindung können eine oder mehrere Stellseilwinden koaxial zur Hauptseilwinde angeordnet werden. Hierbei kann auf ein achsversetztes Getriebe im Leistungszweig zwischen Haupt- und Steuertrommel verzichtet werden. Um den

Geschwindigkeitsunterschied zwischen Haupt- und Stellseiltrommel bei stehendem

Stellantrieb auszugleichen, besteht die Möglichkeit, ein koaxiales Getriebe einzusetzen und/oder die Stellseiltrommel mit anderem Durchmesser als die Hauptseiltrommel auszuführen.

Um die Abmessungen der Seilwinden inklusive ihrer Antriebsstränge zu verringern, ist es von Vorteil, das jeweilige Getriebe und/oder die Antriebsmaschine in ihre zugehörige

Windentrommel zu integrieren.

Die Integration der Antriebsstränge in die jeweiligen Seiltrommeln kann derart erfolgen, dass die Motoren eine rückseitige mechanische Anschlussmöglichkeit erhalten, mittels derer sie durch ein Trommellager hindurch an die stehende Struktur außerhalb der drehenden

Trommel angebracht werden können. In kleinen Stückzahlen billiger sind jedoch

Antriebsmotoren aus Serienfertigung erhältlich, die gewöhnlich keine rückseitige

mechanische Anschlussmöglichkeit aufweisen. Diese werden erfindungsgemäß in ein ein- oder mehrteiliges Motorrohr (17, 27) eingefügt, das am vorderen Ende gekennzeichnet ist durch eine stirnseitige mechanische Anschlussmöglichkeit eines Antriebsmotors (16, 26) oder einer Motor-/Getriebekombination, des Weiteren gekennzeichnet ist durch einen Hohlraum runden oder polygonförmigen, konstanten oder nichtkonstanten Querschnitts, der genügend Platz lässt, um den Motor oder die Motor-/Getriebekombination aufzunehmen, sowie am hinteren Ende gekennzeichnet ist durch einen Teil, der durch das Trommellager hindurch führt und mit der festen Struktur außerhalb der Trommel verbunden ist. Die Drehmomente des Antriebsstrangs müssen hierbei durch das hintere Ende des Motorrohrs in die äußere Struktur abgeleitet werden. Alternativ kann bei Vorhandensein eines Getriebes im

Antriebsstrang das vordere Ende des Motorrohrs auch nahe der Verbindungsstelle zwischen Motor und Getriebe oder an anderen geeigneten Stellen der Motor-/Getriebekombination angebracht werden, so dass sich nur der dahinter liegende Teil der Motor- /Getriebekombination in dem Motorrohr befindet.

In einer vorteilhaften Ausprägung kann der durch das Trommellager (14, 21) führende Teil dieses Motorrohrs verjüngt ausgeführt werden, was eine geringere Größe des Trommellagers ermöglicht. Um die Biegemomente in diesem Teil des Motorrohrs zu verringern, kann erfindungsgemäß als weiteres Auflager des Antriebsstrangs dessen drehender Abtrieb dienen. Dieser ist naturgemäß im Wesentlichen drehfest und radial unverschiebbar mit der Seiltrommel verbunden, welche wiederum zur festen Struktur im Wesentlichen drehbar und radial unverschiebbar gelagert ist. Damit ergibt sich ohne weiteres Zutun eine im

Wesentlichen drehbare, radial unverschiebbare Lagerung des Antriebsstrangs zur festen Struktur nahe dessen Wellenende. Führt man den Antriebsstrang abtriebsseitig derart aus, dass die auftretenden radialen Kräfte über die gewünschte Lebensdauer ertragen werden, sowie wirkt der Durchbiegung der Kombination aus Antriebsstrang und Motorrohr durch genügend kräftige Ausformung des Motorrohrs und ggf. der nicht darin befindlichen Teile des Antriebsstrangs hinreichend entgegen, so werden dadurch im Gegenzug die Biegemomente an der Rückseite des Motorrohrs reduziert. Die hierbei auftretende statische Überbestimmung kann bei hinreichend weichen oder hinreichend genau gefertigten Strukturteilen

hingenommen werden. Alternativ können die Biegemomente an der Rückseite des

Motorrohrs durch eine gelenkige oder biegeelastische Lagerung verhindert werden. Da die Seiltrommeln wegen der hohen Geschwindigkeit beim Ein- und Ausziehen der

Antriebsseile und Stellseile ebenso wie die Seile selbst im Betrieb sehr heiß werden können, können erfindungsgemäß in einer weiteren Ausführungsform Kühlvorrichtungen vorgesehen werden. So können, um eine bessere Kühlung zu gewährleisten, die in die Seiltrommeln integrierten Antriebsorgane über entsprechende Anschlüsse (18) mit einer

Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden.

Die Energieumwandlung der erfindungsgemäßen Zugdrachenanlage ist schematisch und prinzipiell in Abb. 8 wiedergegeben. Die während des Betriebs der Anlage durchlaufenden Vorgänge lassen sich wie folgt genauer beschreiben:

Ebene 1: Arbeitstakt mit Stromerzeugung, Flugkörper fliegt quer zum Wind und baut hohe Seilkräfte auf. Das Seil wird drehzahlgesteuert und drehmomentbegrenzt ausgefahren.

Energiewandlung über Seiltrommeln und Generator. Mehrere Seiltrommeln für Haupt und Stellseil werden dabei mit gleicher Geschwindigkeit ausgefahren. Beispielausführung mit Synchrongenerator, Controller und Wechselrichter zum Netz. Drehzahlvariabler Betrieb. Ebene 2: Rückholtakt mit Strombedarf, Flugkörper fliegt mit minimierten Kräften (gerade oder an der Windseite) Motor treibt Trommeln an und alle Seile werden mit gleicher aber höherer Geschwindigkeit als in Ebene 1 eingefahren. Die dazu erforderliche Energie kommt über rückspeisefähigen Wechselrichter aus dem Netz. Ebene 3: Steuerebene Flugkörper kann durch ein oder zwei Steuerseile verstellt werden. Dazu werden separate Steuertrommeln untereinander oder gemeinsam gegenüber der Halteseiltrommel verstellt. Die erforderliche Energie ist minimal und wird ebenfalls aus dem Zwischenkreis gezogen.

Ebene 4: Ein Bremswiderstand und optional ein Puffer ziehen überschüssige Energie aus dem Zwischenkreis und speichern Energie bzw. wandeln diese in Wärme. Während der Bremswiderstand unabdingbares Sicherheitsmerkmal ist, stellt der Batteriepuffer eine optionale Komponente dar.