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Title:
HIGH ALTITUDE WIND TURBINE TETHERED TO THE GROUND
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/189378
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a high altitude wind turbine for generating electrical energy at different altitudes, having a flexible connection to the ground and an envelope enclosing carrier gas, wherein the envelope at least regionally forms a preferably fixed wing and a plurality of rotors are accommodated in the wing.

Inventors:
WÖLL, Oliver (Vogelsangstraße 14, Starzach, 72181, DE)
Application Number:
EP2018/059545
Publication Date:
October 18, 2018
Filing Date:
April 13, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SANFRITSCH GMBH (Vogelsangstraße 14, Starzach, 72181, DE)
International Classes:
F03D5/00
Domestic Patent References:
WO2014022770A12014-02-06
Foreign References:
DE102011100039A12012-10-31
KR20100033086A2010-03-29
GB2441924A2008-03-19
US20080290665A12008-11-27
DE656194C1938-01-31
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE MAGENBAUER & KOLLEGEN PARTNERSCHAFT MBB (Plochinger Str. 109, Esslingen, 73730, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Höhenwindkraf werk zur Erzeugung von elektrischer Energie in unterschiedlichen Höhenlagen, mit einer flexiblen

Verbindung (18) zum Boden und einer Trägergas umschließenden Hülle (14) , dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (14) zumindest abschnittsweise einen bevorzugt festen Flügel (10) bildet und mehrere Rotoren (12) für einen Energieerzeuger in dem Flügel (10) vorgesehen sind und die Rotoren (12) im

Inneren des Flügels (10) angebracht sind.

2. Höhenwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Hülle (14) und/oder die flexible Verbindung (18) aus einem allen in der Gebrauchslage

vorkommenden Wind- und Wetterverhältnissen beständigen

Material, insbesondere Polyaramid, hergestellt ist.

3. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Seiten- und

Höhenruder (38) im bzw. am Flügel (10) eingebaut sind, um den Flügel (10) auszurichten.

4. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maschinenhaus (32) im Flügel (10) vorgesehen ist, welches eine Druckkabine aufweist, um einen erhöhten Druck im Maschinenhaus (32) zu erzeugen .

5. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maschinenhaus (32) im Flügel (10) vorgesehen ist und eine thermische

Isolationsschicht (40) und/oder eine Heizvorrichtung (36) um das oder im Maschinenhaus (32) angebracht ist/sind, um eine erhöhte Temperatur im Maschinenhaus (32) zu erzeugen.

6. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (10) spezielle Stabilisatoren (16) und/oder eine Luftröhre (17) ober- und/oder unterhalb der Hülle (14) zur Aufnahme eines Trägergases aufweist.

7. Höhenwindkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, dass der Stabilisator (16) und/oder die Luftröhre (17) aus einem zugfesten Material besteht bzw. bestehen .

8. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromwandler, insbesondere in einem Maschinenhaus (32) vorgesehen ist, um den erzeugten Strom in eine andere Stromart oder in einen Blitz umzuwandeln und/oder zu transformieren.

9. Höhenwindkraftwerk nach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, dass im Flügel (10) ein Faraday1 scher Käfig für einen Stromwandler vorgesehen ist.

10. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Flügel (10) und der flexiblen Verbindung wenigstens ein Druck- oder Hydraulikdämpfer (20) versehen ist, um einen Teil der

Zugkraft aufzunehmen.

11. Höhenwindkraf werk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck- oder Hydraulikdämpfer (20) am Flügel (10) angreift.

12. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektromagnete (26) am Flügel (10) befestigt sind, um einen Teil der Zugkraft aufzunehmen .

13. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger ein Kompressor zur Verdichtung von Luft ist.

14. Höhenwindkraftwerk nach Anspruch 13 , dadurch

gekennzeichnet, dass dem Kompressor ein oder mehrere Getriebe vorgeschaltet sind, so dass die Rotoren (12) den Kompressor antreiben können.

15. Höhenwindkraftwerk nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Transport von Druckluft ein oder mehrere Luftschläuche vorgesehen sind, die den Kompressor mit einem Druckluftspeicher auf der

Erdoberfläche verbinden, wobei die Luftschläuche insbesondere isoliert sind.

16. Höhenwindkraftwerk nach Anspruch 15, dadurch

gekennzeichnet, dass die Isolierung des Luftschlauches mittels Kryptongas, Aerogelen oder einer Vakuumdämmung erfolgt .

Description:
HÖHENWINDKRAFTWERK ANGEBUNDEN AM BODEN

Die Erfindung betrifft ein Höhenwindkraftwerk zur Erzeugung von Energie in unterschiedlichen Höhen, mit einer flexiblen Verbindung zum Boden und einer tragendes Gas umschließenden Hülle .

Stand der Technik:

Es sind Höhenwindkraftwerke bekannt, welche ein Windrad oder einen Rotor beinhalten. Diese sind auch teilweise mit Helium oder einem anderen Gas, welches leichter als Luft ist, gefüllt, so dass sie eine Auftriebswirkung erzielen.

Höhenwindkraftwerke werden üblicherweise von einem an der Erde verankerten Seil gehalten (US 2008/0290665 AI) .

Diese Höhenwindkraftwerke sind auch in verschiedenen Formen vorhanden, meist in runder Form. Sie sind aus einem Stoff oder einem ähnlichen Material gebildet, wie beispielsweise bei einem Ballon oder Drachen (DE 656194 C) .

Diese bekannten Höhenwindkraftwerke sind jedoch nicht so ausgelegt, dass sie über einen längeren Zeitraum in der Höhe verbleiben und allen Wind- und Wetterverhältnisse standhalten zu können .

Aufgrund der fixen Verbindung mit dem Boden und der Tatsache, dass alle Wind- und Wetterverhältnisse über einen längeren Zeitraum von der Konstruktion abgestützt werden müssen, muss hierzu ein wind- und wetterbeständiger Flügel vorhanden sein, welcher sich auch selbständig in Windrichtung ausrichten kann .

Weiterhin ist in großen Höhen der Luftdruck wesentlich geringer wie auf der Erdoberfläche und die durchschnittliche Temperatur ist wesentlich geringer. Dies führt dazu, dass die bisher verwendeten elektronischen Steuerungseinheiten für die Windkrafterzeugung nicht mehr funktionsfähig sind.

Das Volumen zur Aufnahme eines Trägergases, wie

beispielsweise Helium, wird von der Größe des Flügels

begrenzt .

Wird im Höhenwindkraftwerk Strom erzeugt, dann kann dieser in einer Stromart vorliegen, die nicht für den Transport

geeignet ist. Außerdem kann die vorliegende Netzspannung nicht für den Stromtransport geeignet sein. Wird im

Höhenwindkraftwerk Druckluft erzeugt, muss diese in

geeigneter Weise zur Erdoberfläche transportiert werden.

Ein weiteres Problemfeld stellt die Befestigung des Seils am Flügel dar. Aufgrund der großen Zugkräfte muss das Seil zur Aufnahme dieser Kräfte geeignet sein.

Bisher sind nur Höhenwindkraftwerke bekannt, welche einen Rotor besitzen. Dies führt zu einer Leistungsbegrenzung auf die Größe dieses Rotors.

Zumindest ein Teil dieser Probleme wird erfindungsgemäß bei einem Höhenwindkraftwerk zur Erzeugung von Druckluft oder elektrischer Energie in unterschiedlichen Höhen, mit einer flexiblen Verbindung zum Boden und einer Trägergas umschließenden Hülle dadurch gelöst, dass die Hülle zumindest abschnittsweise einen aerodynamischen Flügel bildet und mehrere Rotoren in dem Flügel untergebracht sind. Zwischen dem oder den Rotoren und dem oder den Energieerzeugern befinden sich vorzugsweise ein oder mehrere Getriebe.

Die Erfindung betrifft ein Höhenwindkraftwerk welches am Boden befestigt ist und sich in großen Höhenlagen zwischen 2.000 m und 15.000 m, insbesondere zwischen 8.000 m und

12.000 m (Jetstream) befindet. Das Höhenwindkraftwerk ist dafür ausgelegt, Luftgeschwindigkeiten von 200 bis 500 km/h zu nutzen und eine lange Zeit in derartigen Höhenlagen zu verbleiben. Hierzu besteht die Hülle aus einer reißfesten Oberfläche um allen Wetterbedingungen standhalten zu können. Die Hülle ist mit Seiten- und Höhenrudern ausgestattet.

Weiterhin befindet sich ein Trägergas in der Hülle des

Höhenwindkraftwerks. Ebenfalls befindet sich eine Druckkammer für die elektronischen Komponenten in dem Höhenwindkraftwerk.

Um die erzeugte elektrische Energie zu transformieren oder umzuwandeln befindet sich ein Transformator im

Höhenwindkraftwerk. Zur Erzeugung von Druckluft sind

Kompressoren vorgesehen, denen ein oder mehrere Getriebe vorgeschaltet sind. Die mittels der Kompressoren verdichtete Luft wird mittels isolierter Luftschläuchen zur Erdoberfläche transportiert. An der Erdoberfläche stehen direkt

Druckluftspeicher oder Lageenergiespeicher zur Verfügung. Zur Erzeugung von Strom werden die Druckluftspeicher entleert und dadurch ein Generator angetrieben. Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 65% inklusive der Speicherung.

Das Höhenwindkraftwerk, welches eine konstante

Energieerzeugung gewährleisten muss, muss allen Wind- und Wetterverhältnissen wiederstehen können. Dementsprechend sind die Hülle und das Verankerungsseil aus einem flexiblen und zugfesten Material, insbesondere aus Kohlefaser oder

Polyaramiden (Kevlar) , ausgebildet.

Hierzu sind die Rotoren im Inneren des Flügels angebracht, um beispielsweise Hagelschäden überstehen zu können.

Hierzu muss der Flügel aus einem gegen Wind und Wetter stabilen Material hergestellt sein und gleichzeitig noch die Fähigkeit besitzen, sich den Windverhältnissen anpassen zu können. Dies erfolgt beispielsweise durch das Installieren von Seiten und Höhenleitwerken, welche den Flügel ausrichten.

Durch das Anbringen einer Druckkabine und einer thermischen Isolation zumindest in einem Teil des Flügels, können

Bedingungen erreicht werden, welche eine funktionierende Steuerungselektronik sicherstellen. Zusätzlich kann noch bei Bedarf eine Heizeinrichtung angebracht werden.

Um das Volumen des Trägergases zu erhöhen, werden die Flügel oder spezielle Gastanks im oder am Flügel mit Trägergas gefüllt. Der Druck im Flügel oder im Tank wird erhöht, wodurch das Volumen des Trägergases und die Steifigkeit der Hülle erhöht werden.

Die Stromart wird durch einen Umwandler in eine andere

Stromart umgewandelt und bei Bedarf die Spannung oder die Stromstärke ändert. Aus Sicherheitsgründen kann dies in einem Faraday' sehen Käfig im Flügel stattfinden.

Der Transformator kann auch Energiespeicher aufladen, so dass ein Blitz erzeugt werden kann, um den Strom umzuwandeln. Um die Zugkräfte des Seils an der Befestigungsstelle an der Hülle zu reduzieren, können insbesondere vorgespannte

Hydraulikzylinder angebracht werden, welche einen Teil der Kraft aufnehmen.

Alternativ oder auch zusätzlich können Elektromagnete angebracht werden, welche einen weiteren Teil der Energie aufnehmen können.

Um die Leistung zu erhöhen, sind mehrere Rotoren im Flügel angebracht .

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben wird.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1: eine Frontansicht auf das Höhenwindkraftwerk;

Figur 2 : einen Längsschnitt II - II durch das

Höhenwindkraftwerk gemäß Figur 1; und

Figur 3 : eine Draufsicht III auf das Höhenwindkraftwerk gemäß Figur 1.

In der Figur 1 ist ein Flügel 10 in Form eines Nurflüglers i der Vorderansicht zu sehen. In diesem Nurflügler befinden sich mehrere Rotoren 12. Dabei wird der Flügel 10 von einer Hülle 14 gebildet, in der neben den Rotoren 12 mit Trägergas gefüllte Stabilisatoren 16 vorgesehen sind. Zusätzlicher Platz für das Trägergas befindet sich auch in einer Art Luftröhre 17 ober- und/oder unterhalb der Hülle 14. Der

Stabilisator 16 und/oder die Luftröhre 17 besteht bzw.

bestehen aus einem zugfesten Material nach Art eines

Wetterballons, der auch den Druck des sich ausdehnenden Gases aufnehmen kann. Diese Stabilisatoren 16 besitzen eine

Eigensteifigkeit und sind druckdicht und dienen als

Traggerüst für die Hülle 14 und die Rotoren 12 In der Hülle 14 selbst sind ebenfalls fachwerkartig Verstrebungen

angeordnet. Der Flügel 10 ist an einem Halteseil 18

befestigt, wobei im Halteseil 18 ein Hydraulikzylinder 20 eingeschaltet ist. Das Halteseil 18 verzweigt sich nach dem Hydraulikzylinder 20 und greift an mehreren Punkten an der Hülle 14 des Flügels 10 an. Die seitlichen Enden des Flügels

10 weist Winglets 22 zur Stabilisierung auf. Ein

Energietransport erfolgt mittels eines Stromkabels, das nach dem Hydraulikzylinder 20 an das Halteseil 18 befestigt wird. Schließlich sind noch Elektromagnete 26 erkennbar, die ebenfalls der Dämpfung des Flügels 10 dienen.

Die Figur 2 zeigt den Flügel 10 gemäß Figur 1 im Längsschnitt

11 - II. Es ist ein Rotor 12 erkennbar, der in einer

Luftröhre 28 liegt. Am Ende des Flügels 10 sind zwei der Winglets 22 dargestellt. In der Luftröhre 28 befindet sich eine Befestigung 30, mit welcher ein Maschinenhaus 32

gehalten wird. An der Unterseite und vorderen Ende des

Flügels 10 greifen das Halteseil 18 mit vorgespannte Druckoder Hydraulikzylinder 20 und dem Elektromagnet sowie das Stromkabel 24 an. Im Maschinenhaus 32 befindet sind ein

Transformator 34 und eine Heizeinrichtung 36. Mit dem

Bezugszeichen 42 wird die Windrichtung dargestellt.

Die Figur 3 zeigt den Flügel 10 in der Draufsicht. Seitlich sind die Winglets 22 dargestellt, die den Flügel 10 stabilisieren. An hinteren Ende des Flügels 10 befinden sich Höhen- und Seitenruder 38. Das Motorhaus 32 wird von einer thermischen Isolierung 40 umgeben und trägt die Welle für den Rotor 12.

Der Flügel 10 ist mit dem Treibgas Helium gefüllt, so dass das gesamte Gewicht des Flügels 10 durch das Helium getragen wird. Hierzu wird das Helium in die Stabilisatoren 16 des Flügels 10 eingefüllt. Der Flügel 10 ist über das Halteseil 18 mit der Erdoberfläche verbunden.

Der Wind strömt in Richtung 42 durch die Rotoren 12, wobei die Rotoren 12 die im Motorhaus 32 sich befindenden

Generatoren antreiben, wodurch die Windenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie wird über das Stromkabel 24, das am Halteseil 18 befestigt ist, zur Erdoberfläche transportiert. Um die passende Stromart und Spannung zu erhalten, wird die erzeugte elektrische Energie im Transformator 34 geändert. Alternativ können auch

Kompressoren zur Erzeugung von Druckluft vorgesehen sein, welche von den Rotoren angetrieben werden.

Mit Hilfe der Seiten- und Höhenruder 38 kann sich der Flügel 10 optimal in den Wind stellen. Die Winglets 22 erhöhen die Stabilität des Flügels 10.

Die innerhalb der Luftröhre 28 nach innenverlegten Rotoren 12 verhindern eine Beschädigung beispielsweise durch Hagel.

Außerdem wird die Luft optimal den Rotoren 12 zugeführt.

Dabei kann die Luftröhre 28 mit Luftleitblechen versehen sein und benachbarte Rotoren 12 können auch gegenläufig sein.

Das als Druckkabine ausgebildete Maschinenhaus 32 sowie die Heizeinrichtung 36 können Umgebungsbedingungen herstellen, wie diese auf der Erdoberfläche anzutreffen sind. Zusätzlich dient hierzu noch die thermische Isolierung 40 um das oder im Maschinenhaus 32.

Zur Aufnahme der Zugkräfte durch den Wind nehmen die

vorgespannten Druck- oder Hydraulikzylinder 20 ein Teil der mechanischen Energie auf. Ein weiterer Teil kann durch den angeschlossenen Elektromagneten 26 aufgenommen werden. Die elektrische Energie bezieht der Elektromagnet 26 aus dem Generator. Der Elektromagnet 26 wird nur bei Bedarf

zugeschaltet .

Die erzeugte Druckluft wird mittels eines oder mehreren Luftschläuchen auf die Erdoberfläche geleitet und dort gespeichert oder in eine andere Energieart, z.B. in

elektrische Energie umgewandelt. Der Luftschlauch wird am Halteseil 18 befestigt.