Windkraftwerk mit verstellbarem an einem Mast geführten Flugkörper

Technisches Gebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft Windkraftwerke wie die mit Propellern oder Impellern ausgestatteten Windräder, den Darrieus-Rotor, den Savonius-Rotor und die klassischen Windmühlen Erfindungsgemäß gleitet ein Flugkörper in Form einer Tragfläche oder eines Profilflügels unter Zuhilfenahme von Seitenrudern, welche die selbständige Ausrichtung des Flugkörpers in die Windrichtung bewirken, periodisch an einem Mast durch den Wind bedingten Auftrieb bzw. Abtrieb hinauf bzw. herab, wobei durch Kippen oder Drehung an den mit entsprechenden technischen Mitteln ausgerüsteten Umkehrpunkten an den Enden des Mastes die Bewegungsrichtung des Flugkörpers verändert wird. Der Flugkörper erzeugt so in beiden Bewegungsphasen Bewegungsenergie, die im Mast oder über Seile, Ketten oder ähnliches und einen Generator in elektrische Energie gewandelt werden kann. Die Stellmechanik ist erfindungsgemäß einfacher, reaktionsschneller und die windwirksame Fläche leicht größer und strömungsmechanisch günstiger als bei herkömmlichen Windrädern, wodurch der Wind effizienter genutzt wird.

Stand der Technik

Die sich in absehbarer Zeit erschöpfenden Vorräte an Erdöl, Erdgas und Kohle, auch Uran, zwingen die Menschen zunehmend, alternative, am besten unerschöpfliche Energiequellen zu erschließen. Das ist vor allem die Sonne, direkt genutzt per Solarherden, Sonnenkollektoren, Photovoltaikzellen oder über Sekundärprodukte wie Wasserkraft, Wellen, Gezeiten, Wind, thermischen Aufwind und ähnliches. Die weit verbreitete Form der Nutzung des Windes zur Energieerzeugung sind gegenwärtig Windräder, welche in Form von freistehenden, auf schweren Fundamente montierten Türmen mit schwenkbaren Propellern und gekoppelten Stromgeneratoren vielerorts anzutreffen sind. Bei Windrädern ist die dem Wind antriebswirksam ausgesetzte Fläche der Flügel, verglichen mit der beanspruchten Fläche, der Rotorfläche, klein. Da der Wind mit dem Abstand zum Boden zunimmt und er sich verstetigt, baut man die Türme möglichst hoch, sie müssen mit hohem technischen Aufwand den erheblichen, als Knickkraft auf den Turm wirkenden Winddruck abfangen, was die Anlagen allein schon sehr teuer macht. An die sehr schnell laufenden Rotoren werden hohe mechanischen Anforderungen gestellt.. Das Einstellen auf die Windgeschwindigkeit und - Richtung ist sehr aufwendig und träge und führt zu Verlusten bei

der Ausnutzung der Windenergie. Der Generator in der Gondel ganz oben vergrößert die Kosten für Bau und Wartung weiter.

In der Literatur finden sich auch Lösungen, wo durch frei an Seilen, Kabeln und Ketten hängende Drachen Nutzenergie erzeugt werden soll. Diese Lösungen bieten zum Teil bereits die Möglichkeit, den Generator am Boden aufzustellen und die stärkeren Winde in größeren Höhen zu nutzen, sie erfordern allerdings eine sehr aufwendige Steuerung und viele Sicherheitsmaßnahmen bei Windänderungen, insbesondere Windstille, nutzen die Windenergie nur beim Steigen der Drachen, gefährden den Luftverkehr und haben einen großen Raumbedarf.

Die aus [5 -9, 12,13] bekannten drachenartigen Lösungen erzeugen nur in der Aufstiegsphase Energie, während sie in der Sinkphase Energie verbrauchen, die bei [13] z.B. durch ein zusätzliches Windrad aufgebracht werden muss. Die vorbekannten drachenartigen Vorrichtungen benötigen zudem einen weiten Luftraum, da sie mit dem Winde in alle Richtungen getragen werden.

Die aus [10,11] bekannten horizontalen Gebilde haben den Nachteil, dass sie im Bereich niedriger bodennaher Windstärke und verwirbelter Luft arbeiten müssen und die gesamte Anlage sehr aufwändig in die Windrichtung gedreht werden muss. Falls letzteres nicht möglich ist, weil sie wie in [11] auch vorgeschlagen auf, bzw. zwischen Bergesgipfeln installiert werden, ist nur eine begrenzte Nutzung einer Windkomponente möglich. Auch sind die technischen Lösungen nicht vergleichbar mit denen für vertikale Lösungen. Die in [14] vorgeschlagene Lösung beschreibt einen in der Strömung oszillierenden stromlinienförmigen Körper, der ähnlich einem Fisch der Strömung Energie entnimmt.

Aufgabenstellung:

Es bestand somit die Aufgabe, alternative Windkraftvorrichtungen zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen technischen Lösungen nicht aufweisen.

Die Aufgabe wurde durch die im folgenden und in den Ansprüchen charakterisierten

Vorrichtungen und Verfahren gelöst. Die erfindungsgemäßen neuen Anlagen, welche die

Windenergie über einen Auftriebskörper/Flugkörper verfügbar machen, stellen vorteilhafte Alternativen zu den genannten Lösungen des Standes der Technik inklusive der erdgebundenen Windräder dar. Die Vorteile gegenüber den Windrädern des Standes der

Technik sind vor allem im deutlich geringeren technischen Aufwand zu sehen, was sich letztlich auch in den geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten widerspiegelt.

Im einzelnen können diese Vorteile wie folgt zusammengefasst werden:

(a) Die Fläche, der die Strömungsenergie des Windes entzogen werden kann, ist die Breite des Auftriebskörpers mal seiner Hubhöhe. Sie kann mit einfachen Mitteln größer als die der

Windräder gestaltet werden;

(b) die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können kostengünstig durch die Verwendung abgespannter hoher Masten deutlich besser die höheren, windstärkeren, turbulenzärmeren Luftschichten nutzen. Die Anlaufwindgeschwindigkeiten sind niedriger, die oberen Grenzgeschwindigkeiten höher als bei Windrädern. Sie lassen sich mit einfachen Mitteln gegen Sturm sichern.(c) die Windenergie lässt sich viel effizienter nutzen, weil die verwendeten Auftriebskörper sich selbständig , d.h. ohne (träge und teure) Mechanismen auf schnell sich ändernde Windrichtung und Stärke, also auch Böen, einstellen oder die Energie von Böen im System gespeichert werden kann;

(d) die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Größe weitgehend frei skalierbar, d.h. sie ist auch sehr groß realisierbar, und es besteht dadurch eine geringere Notwendigkeit von mehreren Anlagen (Parks) nebeneinander;

(e) die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch optisch und akustisch akzeptabler, weil sie höher zu bauen ist ,weniger sichtbar und ohne nennenswerte Windradgeräusche durch Propeller und ohne Gefahr für Vögel gestaltet werden kann;

(f) einige erfϊndungsgemäße Varianten sind mit einfachsten technischen Mitteln zu produzieren und zu warten. Sie sind deshalb vor allem auch für die dezentrale Energieversorgung in den unterversorgten Regionen der Erde geeignet sowie für direkte Erzeugung mechanischer und thermischer Energie (ohne den Umweg über Strom).

(g) gegenüber den hoch fliegenden Gebilden bieten sie zusätzlich Vorteile in der Weise, dass sie den Luftraum nur sehr begrenzt und örtlich definiert besetzen und leichter realisierbar und genehmigungsfähig sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist eine als Windkraftwerk arbeitende Vorrichtung im wesentlichen umfassend einen Mast (72) und einen Flugkörper (42), welcher mit den Mast beweglich verbunden ist und an diesem periodisch durch Windkraft hinauf- und herabzugleiten vermag, wobei durch Einsatz von in einigen Ausführungsformen beweglichen Seitenleitwerken (42c) sowie entsprechender technischer Mittel (51 - 58), welche die entsprechende notwendige Ausrichtung des Flugkörpers zum Wind bewerkstelligen, nicht nur in der Auftriebsphase des Flugkörpers sondern auch in der Abtriebsphase vertikale Bewegungsenergie erzeugt wird, die gegebenenfalls durch weitere technische Mittel und Vorrichtungen (6, R2-R5) in nutzbare kinetisch-mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Der erfindungsgemäße Flugkörper (42) ist als Auftriebskörper konstruiert und ist direkt oder indirekt an dem Mast (72) aufgehängt, so dass er mit einem einstellbaren positiven Anstellwinkel vom Wind getrieben nach oben und mit einem negativen nach unter gleiten kann.

Der Flugkörper (42) ist erfindungsgemäß an einer Laufkatze (60) befestigt, wobei letztere auch ein integraler Bestandteil des Flugkörpers sein kann. Die Laufkatze (40) weist vorzugsweise eine entsprechend geformte und große öffnung oder ein entsprechend geformtes Profil zur passenden Aufnahme des Mastquerschnitts bzw. Mastprofils auf. Somit wird die Laufkatze bzw. der Flugkörper (42) am Mast entlang geführt.

Die Laufkatze (60) wird in den meisten erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Halte- und Beförderungsmitteln (61) gehalten, welche vorzugsweise schleifenförmig über Rollen geführt sind. In diesen Fällen ist die Laufkatze (60) und damit der Flugkörper an einer Seite des schleifenförmig gespannten Haltemittels befestigt. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann auf der gegenüberlaufenden Seite ein Gegengewicht angebracht sein, welches das Gewicht des Flugkörpers inklusive der Haltevorrichtungen kompensiert, so dass der Flugkörper durch geringste angreifende Windkräfte bewegt werden kann.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform , die keiner weiteren Halte- und Beförderungsmittel bedarf, wird die Laufkatze (60) durch magnetische Mittel am Mast (72) gehalten und kann in diesem Fall, wie in Abb. 4 dargestellt, zusammen mit geeigneten Mitteln am oder im Mast als Lineargenerator fungieren.

Die genannten Halte- und Beförderungsmittel (61) können erfindungsgemäß endlos ausgeführte Seile, Riemen, Bänder oder Ketten sein, welche über mindestens eine obere und mindestens eine untere Umlenkrolle (51, 52), die oben und unten am Masten angebracht sind, gespannt sind. Bewegt sich der durch Windkraft bewegte Flugkörper, dreht das Beförderungsmittel die Rollen. An wenigstens einer von deren Achsen sind mechanische Nutzgeräte wie beispielsweise Pumpen, Mühlen, Sägen, Dreschmaschinen angekoppelt, oder auch ein elektrischer Generator.

An dem oberen und unteren Wendepunkt des Flugkörpers, also im oberen und unteren Bereich des Mastes sind Umstellmittel (53 - 55) angebracht, welche mechanisch in die vorzugsweise vertikale Flugkörperbewegung eingreifen und den Auftrieb bzw. Abtrieb verändern, vorzugsweise so, dass nach oben eine positive, nach unten eine negative Auftriebskraft (Abtrieb) entsteht, die sich zum Eigengewicht des Körpers addiert. Somit wird Energie in beiden Bewegungsrichtungen praktisch kontinuierlich erzeugt.

In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Laufkatze (60) bzw. der an ihr befestigte Flugkörper (42) fest mit den Halte- und Beförderungsmitteln (61) verbunden, wodurch diese sowie die Umlenkrollen (51 , 52) die Lauf- bzw. Drehrichtung beim Hinauflaufen und Hinunterlaufen wechseln, wobei die Drehrichtung der Rollen mit Hilfe eines Getriebes durch Freiläufe gleichgerichtet werden kann.

In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind in oder an der Laufkatze (60) Mittel (57) vorhanden, welche beim Hinauf- und Hinuntergleiten des Flugkörpers entlang des Mastes in den jeweils gegenüberliegenden Seil-, Gurt-, Band-, oder Kettenstrang (61) eingreifen, so dass keine änderung der Laufrichtung der Umlenkrollen (51 , 52) und der Halte- und Beförderungsmittel (61) vorgenommen werden muss. Dies verringert die Verluste, die durch das Abbremsen und wieder Beschleunigen von Rollen und Transportmitteln beim ändern der Laufrichtung oben und unten entstehen können, wenn diese Bremsenergie nicht wie unten beschrieben anderweitig genutzt wird. Wenn sich die Laufrichtung nicht ändert, laufen die Rollen und die Lichtmaschine durch deren Massenträgheit auch über die Bewegungspause des Läufers bei der Bewegungsumkehr weiter und bewirken so eine kontinuierliche Leistungsabgabe. Die Massenträgheit kann z.B. durch eine Schwungmasse am Generator noch erhöht werden. Bei den Ausführungsformen mit Richtungsänderung der Rollen, und bei den anderen auch, kann die Massenträgheit durch eine Schwungmasse am Generator erhöht werden. Das Umstellen zwischen Auf- und Abtrieb kann dabei auf

verschiedene Weise vorgenommen werden, z.B. durch änderung des Anstellwinkels des Flugkörpers (42), was durch Kippen um die Kippachse (80) des Flugkörpers, beispielsweise ausgelöst durch mechanische Umwerfmittel (53, 54) oder durch elektronische Sensoren (53a, 54a) und Aktoren im Läufer erfolgen kann. Die Kippachse (80) des Flugkörpers ist vorzugsweise in seinem Windkraft-Schwerpunkt angeordnet.

Der Wechsel zwischen Auf- und Abtrieb des Flugkörpers, bzw. Hinauf- und Hinabgleiten desselbigen entlang des Mastes kann aber auch erfindungsgemäß durch Drehen des Flugkörpers um 180° um die Mastachse erfolgen. Dies geschieht wiederum durch am Mast angebrachte Vorrichtungen (Anschläge) mechanisch, elektromechanisch oder elektronisch.

Am Flugkörper (42) sind erfindungsgemäß Seitenruder (42c) auf der Leeseite der Flügeloder Tragfläche angebracht, die bewirken, dass sich der Flugkörper automatisch in die Windrichtung stellt. Diese Seitenruder können auch ein Drehlager (80a), vorzugsweise im Kraft-Schwerpunkt des Flugkörpers, aufweisen und sich dadurch in den jeweiligen Umkehrpunkten auf das andere Flächenende des Flugkörpers (Luvseite) klappen oder kippen lassen, womit der Flugkörper durch die Windkräfte auf das Seitenruder automatisch gedreht und somit sein Anstellwinkel geändert wird, wie dies beispielhaft in Abb. 3 dargestellt ist.

Die Halte- und Beförderungsmittel (61 - 63) laufen über Umkehrpunkte (51 - 55), welche im wesentlichen durch Umkehrrollen (51, 52), Umlenkmittel (53, 54) und mechanische oder elektro-mechanische Anschläge (53a, 54a, 55) in der Nähe der Umkehrrollen gebildet werden.

Die Laufkatze (60) kann oben und unten federnd oder elektromechanisch bei Annäherung an die Laufenden gebremst werden, wobei gleichzeitig der an der Laufkatze befestigte Flugkörper (42) für die Bewegung in die Gegenrichtung verändert wird. Vorteilhafterweise kann die hierbei auftretende Bremsenergie ebenfalls genutzt werden. Bei Benutzung von Federn geschieht dies durch elastische Reflektion des Flugkörpers, zur Gewinnung von elektrischer Energie geschieht dies im Generator oder in einem elekrischen Zusatzgerät.

Der Flugkörper (42) stellt eine Tragfläche dar, die sich mit Hilfe von Seitenrudern in die Windrichtung stellt.. Der Anstellwinkel ist vorzugsweise einstellbar und fest oder kann sich mit der Windstärke auch ändern. Er liegt üblicherweise zwischen 0 und 60°, vorzugsweise zwischen 10 und 45°. Der Flugkörper kann auf verschiedene Weise konstruiert sein. Im einfachsten Fall besteht er aus einem Segeltuch oder einer Folie, das bzw. die in einem

stabilisierenden Rahmen eingespannt ist(42 A) Er kann aber auch als ebene Platte oder in einer bevorzugten Ausführungsform als strömungsoptimierter Profil-Tragflügel (42B) realisiert sein.

Weitere Vorrichtungen am Flugkörper können seine Eigenschaften an die Windgeschwindigkeit anpassen, insbesondere können dadurch bei Sturm die Kräfte verringern werden und ihn somit sichern helfen. Diese Mittel können im einfachen Fall elastische Glieder (Federn, elastische Bänder) sein. Solche Mittel können ebenfalls dazu dienen, die Energie von Böen zu speichern, sodass sie für die Energienutzung nicht verloren gehen.

Der Mast (72) ist vorteilhafterweise mindestens oben mit Seilen (71) abgespannt, wobei auch eine mehrfache Abspannung in verschiedenen Höhen möglich ist. In diesem Fall kann sich die Laufkatze (60) sich dann entweder zwischen zwei Abspannungen oder durch eine spezielle Ausbildung der Führung am Mast sogar über mehrere Abspannungen hinweg bewegen. Für diese Zwecke ist sie dann über ihren Umfang hinweg mit Lücken für die Passage der Spannseilhalterungen am Mast versehen und wird magnetisch zusammengehalten.

Durch die Möglichkeit der Abspannung(en) lassen sich die Masten kostengünstig viel höher bauen als jene für Windräder. Dadurch können höheren Windgeschwindigkeiten genutzt werden. Durch die schnelle, technisch einfache Anpassung der erfindungsgemäßen Anlage an die Windrichtung und -Geschwindigkeit wird die Windenergie effizienter genutzt und durch das Verlagern des Generators auf den Boden ergeben sich weitere Kostenvorteile. Auftriebskörper lassen sich, da sie nicht wie die Propeller/Impeller von innen nach außen verschiedener Windgeschwindigkeit ausgesetzt und freitragend sein müssen, leicht in ihrer windwirksamen Fläche größer, sicherer (keine Fliehkräfte) und viel kostengünstiger bauen. Die Fläche, der die Strömungsenergie des Windes entzogen werden kann, entspricht der Breite des Auftriebskörpers multipliziert mit seiner Hubhöhe. Sie kann leicht viel größer bemessen werden als die Rotorfläche eines Windrades. Die Auftriebskörper der erfindungsgemäßen

Anlagen stellen keine Gefahr für Vögel dar, sie schreddern sie nicht, wie gelegentlich berichtet wird. Da man die Masten höher bauen kann, kann man sie zudem dem Blickfeld besser entziehen. Als Mast können auch vorhandene Bauten wie Elektromasten, Schornsteine, Häuser, Schiffsmasten oder Bäume genutzt werden. Zusammengefasst ist somit Folgendes Gegenstand der Erfindung:

• Eine als Windkraftanlage arbeitende Vorrichtung umfassend einen Flugkörper (42) mit einstellbaren Anstellwinkel und mindestens einem Seitenleitwerk (42c) zur automatischen Ausrichtung entsprechend der Windrichtung , einen Mast (72), Mittel zur Befestigung und Steuerung des Flugkörpers (51 - 61, 80 - 81) und gegebenenfalls Anschlussmöglichkeiten für Mittel und Vorrichtungen zur Nutzung der durch Windkraft erzeugten Energie (6, 6a,

R2-R5), wobei (i) der Flugkörper (42) eine durch ihn hindurchgehende oder an ihm befestigte Laufkatze

(60) aufweist, so dass der Flugkörper am Mast entlang entsprechend der an ihm angreifenden Windkraft auf- und abgleiten kann, wobei die Laufkatze (60) direkt am Mast (72) durch magnetische Mittel (6Oe) oder durch Befestigungs- und Beförderungsmittel

(61) entlang des Mastes gehalten und bewegt wird, und

(ii) der Mast (72) an seinem oberen und unteren Ende jeweils einen Umkehrpunkt aufweist, welcher mechanische oder elektromechanische Mittel (51 - 55) umfasst, die für die änderung der Laufrichtung des Flugkörpers (42) durch Kippen des Flugkörpers um eine Kippachse (80) und / oder Drehen des Flugkörpers um 180° um die Mastachse sorgen, so dass der Flugkörper während der Hochlaufphase einen Auftrieb und während der Abwärtslaufphase einen Abtrieb oder einen geringeren Auftrieb erfährt, und so in beiden Phasen nutzbare Energie produziert wird;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei welcher der Mast (72) in der Nähe der Umkehrpunkte Umlenkrollen (51, 52) aufweist, die über ein endloses entsprechend der

Bewegung des Flugkörpers gegenläufig hinauf- und hinunterlaufendes Halte- und Beförderungsmittel (61) in Form eines Seils, Bandes, Gurtes oder einer Kette miteinander verbunden sind, an dessen einer Seite der Flugkörper (42) bzw. die Laufkatze (60) befestigt ist; • eine entsprechende Vorrichtung, bei der die Laufkatze (60) mit dem Halte- und

Beförderungsmittel (61) fest verbunden ist oder durch dieses gehalten und bewegt wird;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der auf der Gegenseite der Halte- und Beförderungsmittel (61), an dem der Flugkörper hängt, ein Gegengewicht (81) befestigt ist, wodurch der Flugkörper (42) bzw. die Laufkatze (60) auch bei geringen Windstärken anlaufen kann;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der in oder an der Laufkatze (60) Mittel (57) vorhanden sind, welche beim Hinauf- und Hinunterlaufen entlang des Mastes in den jeweils gegenüberliegenden Seil-, Gurt-, Band-, oder Kettenstrang (61) eingreifen, so dass

keine änderung der Laufrichtung der Umlenkrollen (51 , 52) und besagter Halte- und Beförderungsmittel (61) auftritt;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der die Laufkatze (60) ein äußeres Teil (60a), an dem der Flugkörper (42) befestigt ist, und ein inneres Teil aufweist, welches sich im Inneren des hohlen Mastes (72) befindet, wobei das äußere und innere Teil magnetisch miteinander gekoppelt sind;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der die Umlenkrollen (51, 52) und die Halte- und Beförderungsmittel (61) im Inneren des hohlen Mastes angeordnet sind;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der einzelne Bauelemente elastische Elemente aufweisen, die plötzlich auftretende Kräfte bedingt durch änderung von

Windgeschwindigkeit, Windrichtung und maschinellen Verzögerungen zumindest teilweise zu kompensieren vermögen;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der die Laufkatze (60) an den oberen und unteren Umkehrpunkten elektromechanisch gebremst wird; • eine entsprechende Vorrichtung, bei welcher der Mast (72) und Laufkatze (60) einen

Lineargenerator (60 a,e,g,f) bilden, der die Bewegung des Flugkörpers direkt in elektrisch Energie wandelt;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der die Laufkatze (60), die Halte- und Beförderungsmittel (61), die Umkehrrollen (51, 52) und der Umkehrmittel (53, 54, 55) gegebenenfalls zusammen mit dem Mast (72) eine Einheit bilden, welche mittels eines

Drehlagers (72c) entsprechend der Windrichtung und / oder bei Umkehrung der vertikalen Bewegung des Flugkörpers am Mast sich drehen kann;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei der das Seitenleitwerk (42c) eine Kippachse (80a) aufweist, wodurch es sich bei änderung der Bewegungsrichtung des Flugkörpers an den Umkehrpunkten (51 - 55) mit Hilfe von entsprechend angeordneten mechanischen oder elektro-mechanischen Mitteln umklappen lässt;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei welcher der Flugköper (42), eine ebene Tragfläche, ein gespanntes Segel oder ein Profilflügel ist;

• eine entsprechende Vorrichtung, bei welcher der Mast (72) zur Erhaltung der aufrechten Position mindestens an einer Stelle durch Abspannseile (71) gehalten wird;

• eine Windkraftanlage umfassend mindestens zwei der oben und unten beschriebenen Vorrichtungen, welche miteinander in der Weise gekoppelt sind, dass die Gewichte der

durch Windkraft bewegten Bauelemente kompensiert und ein Teil der nicht-bewegten Komponenten eingespart werden;

• ein Verfahren zur Gewinnung von mechanischer, thermischer, kinetischer oder elektrischer Energie aus Windenergie durch Verwendung einer oben und unten beschriebenen Vorrichtung.

Liste der Bezugszeichen und ihre Bedeutung in den Abbildungen und der Beschreibung

6 Generator (Lichtmaschine) oder anderes Nutzgerät wie Pumpe, Mühle, Reibe für thermische Energie 6a Elektrostation 6c, 6d Ketten als Teile eines Gleichrichter-Kettengetriebes R2 bis R5 Kettenräder oder -Ritzel dieses Getriebes

14 Erdboden

41 Bodenstation 42 Auftriebskörper, Flugkörper

42A Auftriebskörper mit gespanntem Tuch, oder Folie

42a in den Rahmen gespanntes Tuch

42b Rahmen für ein darin eingespanntes Tuch

42c Seitenleitwerk für den Flugkörper 42d Umwerferhebel für das Seitenruder in Fig 3

42e Aussparung, in dem der Mast durchgeführt ist

42f senkrecht nach unten und oben auf den Rahmen aufgesetzte Stäbe

42g Spannseile zur Stabilisierung des Rahmen

42h innerer Rahmen 42m mit Folie oder Tuch gefüllte Flächen

42B tragfiächenprofϊlförmiger Auftriebskörper oder Platte

42k aktiver Kippmechanismus im Läufer

44 Bodenanker an allen Abspannseilen 71 51 obere Umlenkrolle für das Transportmittel 61

52 untere Umlenkrolle für das Transportmittel 61

51a Kugellager, das auf dem Mast aufsitzt und die Halterung für die Rolle 51 trägt

52e Kugellager, das auf dem Mast aufsitzt und die Rollen 52b und 52c trägt;

52b,c zwei im Bild hintereinander liegende Rollen 52f Zahnkranz, mit 52 verbunden

53, 54 oberer und unterer Umwerfer für den Auftriebskörper

53a und 54a Sensoren für die Position der Katze

55 Federn und Anschlag für die Katze

57 Mitnehmer, die auf 61 aufsetzen/greifen 58 Linear-Kugellager in der Katze

60 Laufkatze, (äußerer) Läufer

60a äußere Schale der Katze

60b innerer Läufer 6Oe Dauermagneten

6Of segmentierte Drahtwicklung

60g geschichtetes Weicheisen

60h Kabel

61 Halte- und Beförderungsmittel: Seil, Band, Gurt oder Kette

61 a Stange zur übertragung der Rotation auf das Nutzgerät 6

61 b Ritzel aufgesetzt auf 61 a zur Rotationsübertragung

61c Kettenrad in j eder der beiden Anlagen

61d Verbindungskette zwischen den beiden Anlagen 62 konischer Zahnkranz

63 Federmechanik

71 obere und untere Abspannspannseile für den Mast

71a Verbindungsabspannseil zwischen 2 Masten 72 Mast

72c Drehlager für den Mast

73 obere Seilbefestigung

74 Bodenplatte, Mastfuß

80 Kippachse des Auftriebskörpers

80a Kippachse des Seitenruders bei Fig 3

81 Gegengewicht

Einzelheiten der Erfindung

Für alle erfindungsgemäßen Ausfuhrungsformen gilt, dass eine Laufkatze (60), an der ein Flugkörper befestigt ist, an einem Masten (72) hinauf und hinunter läuft, der Flugkörper oben und unten zwischen Auftrieb und Abtrieb umgeschaltet und mit einem Seitenruder in die Windrichtung gedreht wird.

Bei Fig. 1,4 und 6 ist der Mast fest und die Laufkatze (60) läuft und dreht sich. Bei Fig. 2, 3 und 5 dreht der Mast mit der Laufkatze, und bei Fig. 1 bis 3, 5 und 6 wird die Linearbewegung der Laufkatze per Seil, Riemen, Kette oder Band (61) und Rollen (51, 52) in eine Rotationsbewegung gewandelt. Bei Fig. 4 wird die Bewegungsenergie der Laufkatze (60) direkt mit einem Lineargenerator in elektrische Energie gewandelt. Die Masten sind mit Seilen (71) abgespannt und in Bodenankern (44) fixiert.

Die Bodenanker für die oberen Seile sind nicht dargestellt.

Die Mitnehmer (57), die auf die Transportmittel (61) aufsetzen oder greifen, z.B. in Form einer Rutschkupplung oder Klammer, oder Eingriff in eine Kette stellen die Verbindung zwischen (60) und (61) her. Bei Fig. 1 greift sie beim Hinauflaufen in den vorderen, beim

Hinunterlaufen in den hinteren Seilstrang, bei Fig. 2, 3 und 5 entsprechend in den rechten und linken. Die Drehrichtung der Rollen (51 , 52) bleibt bei Fig. 1 -3 stets dieselbe, bei 5 und 6 wechselt sie.

Die Kippachse des Flugkörpers (80) ist so eingestellt, dass sie in der Nähe des Auftriebs- Kraftschwerpunktes liegt, wobei auf der Luvseite die Kräfte etwas größer sind als auf der Leeseite, womit der Anstellwinkel stabil positiv oder negativ bleibt in der jeweiligen Bewegungsphase, d.h. aufwärts luvseitig nach oben, abwärts nach unten zeigend. Die Lage kann durch Rasten oder z.B. Magnetkupplungen in den beiden Endstellungen noch weiter gesichert werden.

Der Flugkörper und seine Achse erstrecken sich in beide Richtungen senkrecht zur

Zeichenebene. Er hat eine Aussparung oder öffnung (42e) am Ort der Katze (60) - siehe beispielhaft Bild 5b. Seine Seiten sind zur (gewichtssparenden) Stabilisierung mit Seilen verspannt. Er hat Seitenruder (42c) auf der Leeseite. Er kann auf verschiedene Weise ausgebildet sein, z.B. als flache Scheibe wie in Fig. 1 und 3, oder ein in einen Rahmen lose eingespanntes Tuch (42a) wie in Fig. 2, 5 und 6, was sich wie ein Segel beim Ansteigen nach oben aufbläst, beim Absteigen nach unten und somit bessere Auftriebswerte als die Scheibe erzeugt und leichter ist. Oder es ist wie in Fig. 4 ein strömungsoptimiertes Profil (wie eine Flugzeugtragfläche), das maximalen Auftrieb erzeugt.

Der Anstellwinkel kann jeweils fest vorgegeben sein (stall) oder über einen Mechanismus in der Katze je nach Windgeschwindigkeit motorgetrieben oder einfacher durch elastische Elemente eingestellt werden (pitch).

Wenn der Flugkörper durch den Wind getrieben am oberen Umwerfer (53) ankommt, wird er um die Achse (80) gekippt. Dies kann geschehen z.B. durch den Bewegungsimpuls selbst und die Windkraft oder elektromechanisch unterstützt. Der Körper erfährt jetzt negativen Auftrieb (=Abtrieb), seine Luvseite ragt nach unten, er gleitet windgetrieben und durch sein Gewicht nach unten. Dort wird er in die Steigposition zurück gedreht, er steigt wieder usw.. Zur Sicherheit trifft die Katze oben und unten auf gefederte Anschläge (53) und (54) und wird elastisch, also möglichst ohne Verlust an kinetischer Energie reflektiert. Ebenso können die „Anschläge" elektronisch realisiert sein (wie bei Fig. 4 und 5 beschrieben).

An die obere Rolle (51) kann ein Dynamo angekoppelt sein, erstens um eventuell das Umschalten des Drachens oben elektromechanisch zu unterstützen oder auch um Energie für das Befeuern des Mastes zu liefern.

Für die Wartung oder bei aufkommendem Sturm werden die Flugkörper durch Unterbrechung der Bewegung am unteren Umkehrpunkt fixiert. Der Mast kann zusätzlich durch Lösen eines Halteseiles umgelegt werden. Die Masten können an einer oder mehreren Höhenpunkten oder auch gar nicht abgespannt sein. Als Masten können ebenfalls vorhandene Bauten, insbesondere Fabrik-Schornsteine, aber auch höhere Häuser, Schiffsmasten, Strommasten oder unten astfreie Bäume dienen.

Im folgenden werden die Ausführungsformen bzw. -beispiele näher beschrieben:

Figur 1 :

Ein runder Mast ist am unteren und am oberen Umkehrpunkt der Laufkatze abgespannt mit je

3 Seilen. Das Linearkugellager in der Katze erlaubt ihre Auf- und Abwärtsbewegung und Rotation um den Mast.

Ein Endlosgurt läuft über die Rollen (51, 52) , umgelenkt über (52b und 52c), (im Bild hintereinander liegende Rollen) und verbindet die Laufkatze (60) mit dem Antrieb für das Nutzgerät (6). Die Gurtstränge laufen hintereinander, der vordere stets hinauf, der hintere hinunter. Das Kugellager (51a) sitzt auf dem Mast auf und trägt die Halterung für die Rolle (51). Die Rotation der Rolle (52) wird über ein Getriebe und die senkrechte Drehachse (61a) zum Generator übertragen. (52e) ist ein Kugellager, das auf dem Mast aufsitzt und die Rollen (52b, 52c) trägt. Der Zahnkranz (52f), ist mit (52) verbunden und greift ein in das Ritzel (61b), welches auf (61a) aufgesetzt ist.

Da der Flugkörper (42) sich mit dem Wind um die Mastachse dreht, müssen ebenfalls die obere und untere Seilhalterung diese Bewegung mitmachen. Dies geschieht durch das Seil selbst beim Hinauf- und Hinunterlaufen der Laufkatze (60) und kann bei hohen Masten unterstützt werden durch Windfahnen (nicht dargestellt) am oberen und unteren Umlenker. Alternativ können die obere und untere Umlenkung (51 und52) auch motorisch der Stellung des Flugkörpers entsprechend nachgefühlt werden.

Figur 2:

Der Mast ist drehbar in je einem Lager (72c) oben und unten gelagert. Diese sind oben in die Seilhalter (73), unten in den Mastfuß (74) eingebaut. Es sind Lösungen möglich mit einem bis mehreren kombinierten Masten. Bei einem Einzelmast würden in Fig. 2 die rechte Anlage, die Kettenräder (61c) und die Kette (6Id) fehlen. Hier ist eine Doppelanlage im Tandembetrieb dargestellt. Beide sind im wesentlichen gleich aufgebaut, nur dass das Nutzgerät nur in einer Anlage nötig ist, (was auch getrennt von dem Masten aufgestellt sein und von noch mehr als diesen zwei Flugkörpern betrieben werden könnte). Der linke Flugkörper läuft hinauf, der rechte herunter, anschließend der der rechte hinauf und der linke hinunter. Die Gewichte von beiden kompensieren sich somit, und sie können somit auch bei geringsten Windstärken anlaufen. In einer solchen Anlage werden weniger Abspannseile benötigt. Solche Mehrfach-Kombinationen sind im Prinzip auch bei den anderen Ausführungsbeispielen möglich. Die Stange (61a), welche die Rotation auf das Nutzgerät (6) überträgt, befindet sich im Dreh-Zentrum des Mastes. Das Ritzel (61b) greift durch eine Wandöffnung des Mastes in den Zahnkranz (62) ein.

Figur 3:

Dargestellt wird der Ausschnitt des oberen Teils, unten gebaut wie Fig. 2 links als

Einzelanlage. Bei Fig. 1 und 2 wurde der Flugkörper an den Wendepunkten jeweils gekippt und so von Auf- auf Abtrieb umgeschaltet. Bei Fig. 3 bleibt der Flugkörper fest mit der

Laufkatze verbunden, beide werden gedreht, hier beispielhaft, indem das Seitenruder (42c) um eine Achse (80a) am Anschlag (53) auf die andere, die Luvseite des Körpers gekippt wird. Fig. 3a zeigt die Stellung beim Annähern an den oberen Anschlag. Dort stößt der Hebel (42d) auf den Umwerfer (53) und kippt das gekoppelte Seitenruder (42c). Das Ergebnis zeigt Fig. 3b. Das Gebilde stoppt an den Federn (55), der Wind erfasst das luvseitige Seitenruder und dreht Laufkatze und Flugkörper samt dem Mast um 180°, danach steht es wie in Fig. 3c. Der Wind drückt Laufkatze und Flugkörper nach unten, wo der Vorgang sich umkehrt. Das Seitenruder, vorzugsweise aus Symmetriegründen in zweifacher Ausfertigung, ist seitlich von der Aussparung für die Katze am Flugkörper angebracht.

Figur 4:

In Fig. 4a ist der Läufer und Mastinhalt, also der Lineargenerator in vergrößertem Maßstab gezeichnet. Der Flugkörper (42B) ist als Tragflächenprofil ausgebildet. Der runde Mast ist fest, die Katze wird durch Linearkugellager (58) am Mast geführt. In der Nähe der

Laufumkehr (53 a und 54a), wird (induktiv) ein Mechanismus (42k) im Läufer aktiviert, der den Flugkörper in die Gegenbewegungsrichtung kippt und ggf. die Neigung an die Windgeschwindigkeit anpasst (pitch). Gleichzeitig wird die Laufkatze (60) elektrisch - über den Generator - gebremst. Der Lineargenerator besteht aus Dauermagneten im Läufer und einer segmentierten Drahtwicklung (6Of) und, um das Magnetfeld zu verstärken, geschichtetem Weicheisen (60g) im Mast (72). In den Windungssegmenten (6Of) wird beim Passieren des Läufers Spannung induziert, die noch an den Segmenten gleichgerichtet und über ein gemeinsames Kabel (60h) zu einer Elektrostation (6a) geleitet wird. Oder von allen Segmenten wird die Spannung getrennt abgeleitet und in (6a) verarbeitet (gleichgerichtet, geglättet usw.). Wählt man einen drehbaren Mast wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, können die Feldmagneten (permanent oder elektrisch) im Mast untergebracht sein, und die Spannung wird in einer Spule in der Laufkatze induziert und mit Schleif bürsten auf den Mast übertragen (keine Zeichnung). Zur Erleichterung des Anlaufes bei kleinen Windgeschwindigkeiten kann durch ein über eine obere Rolle geführtes Gegengewicht (81) oder durch bei Fig. 2 beschriebenen Tandembetrieb das Gewicht von Laufkatze und Flugkörper kompensiert werden.

Die Regelung der Geschwindigkeit und damit die Optimierung der Leistung kann bei allen dargestellten Lösungen über die entnommene Leistung erfolgen. Durch das elektrische Abbremsen von Flugkörper und Laufkatze an den Umkehrpunkten kann das Anschlagen verhindert werden und die Bremsenergie ebenfalls genutzt werden.

Figur 5:

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung, bei der die Laufkatze fest mit dem Seil verbunden bleibt, Seil und Rollen laufen also hin und her. Vorteil besteht in einer einfacheren Mechanik in oder an der Laufkatze (kein Umgreifen der Kupplungen (57), Fig. 1). (5a) zeigt als Detail das auf der Rückseite des Mastes angebaute Getriebe, (5b) den Auftriebskörper. Die Rolle (52) ist über eine durch den Mast gehende Achse mit dem Kettenrad (R2) verbunden. Beide drehen beim hinauf- und hinunterlaufendem Flugkörper abwechselnd links und rechts herum. (53a) und (54a) sind Sensoren für die Position der Laufkatze, die das elektrische Bremsen der Laufkatze über die Lichtmaschine ermöglichen. (53, 54) stellen Stangen dar , die den hier segelartigen Flugkörper (wie in Fig. 2 beschrieben) kippen. (61 a) stellt eine Federmechanik dar, die die Laufkatze elastisch mit dem Riemen (61) (oder jedes beliebige wirkungsgleiche Mittel) verbindet und z.B. durch

Temperaturschwankungen auftretende Längenänderungen, ausgleicht. Der Riemen (61) läuft aufwärts und abwärts und dreht dabei die Rollen (51, 52) vor- und rückwärts.

Fig. 5a stellt ein Kettengetriebe dar, das die Drehrichtung von (R2) gleichrichtet und die Drehzahl übersetzt. Die Kette (6c) läuft über (R3a) unten herum, über (R3b) oben herum; (R3a) und (R3b) drehen also verschieden herum. Die Kette (6d) läuft über (R4a, R4b und R5) in der gleichen Richtung und treibt die Lichtmaschine an. (R3) und (R4) sitzen auf der gleichen Achse, allerdings jeweils dazwischen mit einem Freilauf (analog einer Fahrrad- Hinterachse) mit der Wirkung, dass sich die Räder (R4a, R4b, R5), wie in der Fig. 5a dargestellt, in gleicher Richtung drehen. Eine alternative Lösung wären zwei Lichtmaschinen mit zwei Freiläufen. Von der Lichtmaschine führt ein Kabel zur Elektronik und den Verbrauchern. Die Bodenplatte (74) ist mit Bodenankern gegen seitliches Verschieben gesichert.

In Fig. 5b wird der Flugkörper durch ein in einen Doppelrahmen (42) und (42h) gespanntes Tuch oder eine Folie (42a) gebildet, das/die sich bei Windeinwirkung nach oben und unten aufbläht. Der Rahmen kann an Haltern am Mast verschoben werden, um ihn möglichst im Kraftschwerpunkt zu lagern. Die Halter am Mast kippen beim Erreichen der Umkehrpunkte um einen vorgegebenen oder von der Windstärke abhängigen Winkel. Zur Stabilisierung des Rahmens sind an den Rahmenecken und im Zentrum des Rahmengebildes nach unten und oben senkrechte Stäbe aufgesetzt, an denen Spannseile befestigt werden können. Das Tuch ist am Seitenrahmen so verzurrt, dass es sich in der gewünschten, strömungsoptimalen Weise ausbeult. Ein Gewicht (81) ist auf dem der Laufkatze gegenüber liegenden Seil befestigt und soll das Gewicht von Laufkatze und Flugkörper kompensieren, so dass die Anlage bei geringsten Windstärken anläuft. Dies lässt sich ähnlich wie in Fig. 2 auch durch Tandembetrieb zweier Anlagen erreichen.

Figur 6:

Rollen und Kette sind in das Innere des feststehenden runden Mastrohres verlagert und sind so geschützt gegen äußere Einflüsse. Links oben in Fig. 6 ist der Läufer vergrößert dargestellt. Die Koppelung zwischen innen und außen erfolgt über den magnetisch gekoppelten inneren und äußeren Läufer (60b) und (60a). Beide laufen auf Linearlager (58) auf der Rohrwand. Der außen befindliche Teil der Laufkatze greift ringförmig um den Mast, der innere kann ebenso gebaut sein. Rollen und Seil drehen sich nicht um die Längsachse mit dem Flugkörper in den

Wind. Die untere Rolle (52) ist fest mit dem Nutzgerät in der Bodenstation (41) verbunden. Der innere Teil der Laufkatze ist auf der einen Seite mit der Kette, dem Band oder dem Seil (61) verbunden. Am anderen Kettenstrang ist ein Gegengewicht (81) montiert, um das Gewicht der Laufkatze und des Auftriebs- bzw. Flugkörpers zu kompensieren. An den Umkehrpunkten der Teile der Laufkatze können innen und/oder außen Anschläge mit Federn angebracht sein (wie in den anderen Figuren dargestellt).

Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, dass der äußere Katzenteil über den Umfang in mehrere Segmente geteilt ist, die gegenseitig magnetisch mit Lücken dazwischen zusammengehalten werden, sodass beim Hinauf- und Hinunterfahren die Katze Hindernisse, wie Abspannungen des Mastes, passieren kann. Der so mehrfach abgespannte Mast kann somit eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen und kann somit mit geringen Kosten hoch gebaut werden.

Im folgenden sind die Fundstellen der oben zitierte Literatur genannt: [ 1 ] Fliegende Windmühlen; Artikel in „Der Spiegel", Heft Nr 15/2005

[2] Gordon Bruce Kingsley; Wind energy production using kites and ground mounted power generators; US 2005/0046197 Al; veröffentlicht am : 3.März 2005

[3] WJ.Ockels: Windkraftanlage unter Verwendung von Drachen; EP 0 841 480 B 1

[4] Howard G. Carpenter: Tethered aircraft Systems for gathering energy from wind; US Patent no US 6,254,034 B 1

[5] John R. Webster: Power generation; US 6,914,345 B2

[6] Windenergieanlage mit steuerbaren Drachen: DE 202006005389 Ul

[7] H. Obert: Verbessertes Drachenkraftwerk: DE 27 20 339 Al

[8] P. Miodushevsky: Apparatus, plant, and method for the conversion of wind or water flow energy into electrical energy: WO 2004/044418 Al

[9] N. Wendel: Windenergie-Gewinnungs- Anlage: DE 19841 517 A 1

[10] M. Mauro: Device for deploiting wind power: EP 0 683 316 A

[1 1] M. Schatta: Wind- und Sonnenkraftmaschine: DE 28 12 787 Al

[12] J. R. Webster: Power generation: US 2004/0069899 Al [13} J. V. Mizzi: Renewable energy Systems using long-stroke open-channel reciprocating engines: US 2002/0033019 Al

[14] M. F. Platzer et al.: Development of a New Oscillating-Wing Wind and Hydropower Generator; AIAA meeting 2009-121 IAA