Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionierung eines bewegbaren Bauteils in einer gewünschten Sollposition relativ zu einem strömenden Fluid, insbesondere relativ zu einem Windstrom sowie deren Einsatz für spezielle strömungsangetriebener Bauteile. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen technischen Lösung ist auf vergleichsweise einfache Weise eine geregelte Positionierung eines Bauteils relativ zu einer Fluidströmung, insbesondere relativ zum anströmenden Wind in einer Sollposition möglich.

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anwendungen bekannt, bei denen die in einem Fluidstrom, insbesondere in einem Wasserstrom oder im strömenden Wind enthaltende Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird, insbesondere um Fahrzeuge zu bewegen, Maschinen anzutreiben oder schließlich elektrische Energie zu erzeugen. Eine möglichst optimale Ausnutzung der in der jeweiligen Strömung enthaltenen Energie setzt in der Regel voraus, dass das für die Energieumwandlung vorgesehene angeströmte Bauteil in der hierfür vorgesehenen Sollposition positioniert bzw. ausgerichtet ist. Dies gilt beispielsweise sowohl beim Betrieb von Wasserkraftwerken in Flüssen oder an Hängen, Windenergieanlagen als auch für die Antrieb von Segelschiffen. Sofern die Positionierung eines angeströmten Bauteils automatisiert erfolgen soll, sind hierfür unterschiedliche technische Systeme bekannt.

Im Bereich der Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe von Windenergieanlagen ist es etwa bekannt, geeignete Sensoren, Auswerteeinheiten und Steuerungselemente vorzusehen, um auch bei sich ändernder Richtung des anströmenden Windes eine möglichst optimale Ausrichtung eines Rotors zu erreichen. Hierbei werden unterschiedliche Messsysteme, die ein Lidar oder Ultraschallsensoren nutzen, verwendet. Ein entsprechendes System ist etwa aus der DE 10 2016 005 159 A1 bekannt.

Systembedingt benötigen diese Positioniersysteme elektrische Energie und erfordern teilweise einen vergleichsweise großen Aufwand und hohe Kosten, um die einzelnen Komponenten an den Windenergieanlagen zu montieren und eine zuverlässige Erzeugung von Messignalen, die die realen Eigenschaften des anströmenden Windes repräsentieren, sicherzustellen.

In diesem Zusammenhang ist beispielsweise aus der WO 2005/100785 A1 eine Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern bekannt, die um eine vertikale Achse gedreht werden, um die im anströmenden Wind enthaltene Energie in Bewegungsenergie und letztendlich in elektrische Energie umzuwandeln. Die beschriebene Windenergieanlage verfügt über zwei Steuerungsmechanismen, um die Windenergie zu nutzen. Durch einen ersten Steuerungsmechanismus werden die einzelnen Rotorblätter an jedem Umlaufpunkt ihrer Bahn um die vertikale Drehachse mit Hilfe einer Windfahne mit ihrem Profil in Längsrichtung zum anströmenden Wind ausgerichtet. Durch einen zweiten Steuerungsmechanismus werden die auf einem horizontal angeordneten Träger derart zum Wind ausgerichtet, dass in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Trägers zur Windfahne und der Drehgeschwindigkeit des Trägers die Rotorblätter mit den Längsachsen ihres Profils an jedem Umlaufpunkt so ausgerichtet sind, dass eine optimale Ausnutzung der im Windstrom enthaltenen Energie ermöglicht werden soll. Eine Windfahne stellt bei dieser technischen Lösung somit das zentrale Element zur automatisierten Positionierung der vom Wind angeströmten Rotorblätter dar.

Im Weiteren ist aus WO 2004/022969 A1 eine Windenergieanlage mit einem Rotor, der zur Umwandlung der Windenergie in Bewegungsenergie um eine horizontale Drehachse bewegt wird, und mit einer Positioniervorrichtung, die den Rotor in der Sollposition relativ zum anströmenden Wind positionieren und halten soll. Als Positioniervorrichtung ist in diesem Fall ein Ausrichtungssegel vorgesehen, das auf der windabgewandten Seite oder der Leeseite des Rotors aufgespannt ist. Das Ausrichtungssegel wird wahlweise aus einem flexiblen oder einem starren Material ausgeführt.

Ebenso ist es beispielsweise bei sogenannten Selbststeuerungsanlagen für Segelschiffe bzw. Segelyachten bekannt, Windfahnen aus einem üblicherweise festen Material über einen geeigneten Bewegungsmechanismus mit der Steuerung des Segelschiffs zu verbinden, sobald eine automatische Steuerung auf einem bestimmten Kurs relativ zum Wind gewünscht ist. Auch in diesem Fall wird die Windfahne genutzt, um in Abhängigkeit der Strömungsrichtung des anströmenden Windes, das Schiff durch automatisierte Verstellung des Ruderblatts auf dem gewünschten Kurs zu halten.

Neben vergleichsweise aufwendigen Steuerungssystemen, die auf den Einsatz elektronischer Mess- und Steuerungssysteme beruhen, sind somit generell auch technische Lösungen bekannt, mit denen durch Einsatz mechanisch wirkender Komponenten die automatisierte und geregelte Positionierung bzw. Ausrichtung eines vom Wind angeströmten Bauteils, beispielsweise eines Windrotors oder einer Segelyacht, relativ zum Wind ermöglicht wird. Oftmals haben derartige Systeme allerdings den Nachteil, dass eine Reaktion auf Änderungen der Windrichtung nur verzögert erfolgt und die benötigte Sollposition nur mit einer vergleichsweise großen Ungenauigkeit erreicht oder gehalten wird. Dies ist teilweise vor allem dann der Fall, wenn sich die Geschwindigkeit des anströmenden Windes stark ändert oder der Wind böig ist.

Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, sodass mit verhältnismäßig einfachen Mitteln, insbesondere unter Verwendung mechanischer Komponenten eine automatisierte Positionierung bzw. Ausrichtung eines von einem Fluidstrom, insbesondere von Wasser oder Wind angeströmten Bauteils in einer gewünschten Sollposition relativ zur Strömung sichergestellt wird. Hierbei sollte eine von der Richtung der jeweiligen Strömung abhängige Positionierung des angeströmten Bauteils in der Sollposition bei Änderungen der Strömungsrichtung ohne erheblichen Zeitverzug und mit vergleichsweise großer Genauigkeit erfolgen. Weiterhin sollte die anzugebende technische Lösung unempfindlich gegenüber Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, auch kurzfristigen Änderungen, etwa bei böigem Wind, sein. Außerdem sollte die anzugebende Lösung zur Positionierung eines angeströmten Bauteils in einer Sollposition auf verhältnismäßig einfache Weise auch eine Anpassung der von der Positioniervorrichtung erzeugten und zur Positionierung des Bauteils übertragenen Kräfte und Drehmomente an die jeweils herrschenden Strömungsbedingungen ermöglichen.

Im Übrigen sollte lediglich der Einsatz einfacher, vorzugsweise mechanisch wirkender Bauelemente zur Realisierung der anzugebenden technischen Lösung erforderlich sei. Eine weitere Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, dass sich die anzugebende Vorrichtung sowie das Verfahren ohne erheblichen Aufwand in bereits bestehende Anlagen, beispielsweise Windenergieanlagen, zur Positionierung eines im Betrieb angeströmten Bauteils, wie etwa eines Rotors, integrieren lassen sollten. Ferner ist von Bedeutung, dass sich die anzugebende Lösung sowohl im Hinblick auf die Kosten als auch den konstruktiven Aufwand mit vergleichsweise einfachen Mitteln realisieren lässt.

Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. In den Ansprüchen 6 und 7 sind jeweils besonders geeignete Verwendungen einer Vorrichtung, die die zuvor beschriebene Aufgabe löst, angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei ergeben sich spezielle Details der Erfindung ergeben aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und für die erfindungsgemäßen Verwendungen als offenbart, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder vielmehr genommen werden kann.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionierung eines bewegbaren Bauteils in einer gewünschten Sollposition relativ zu einem anströmenden Fluidstrom, der eine Flüssigkeit und/oder wenigstens ein Gas enthalten kann. Insbesondere kann es sich bei einem derartigen Fluidstrom um das Bauteil anströmenden Wind handeln. Unter Positionieren wird in diesem Zusammenhang nicht nur eine Bewegung des angeströmten Bauteils in Richtung auf die gewünschte Sollposition, sondern auch ein geregeltes Halten des angeströmten Bauteils in dieser Sollposition mit möglichst geringen Positionsabweichungen trotz Änderung Strömungsrichtung und/oder Geschwindigkeit des Fluidstroms, insbesondere der Windrichtung und/oder Windgeschwindigkeit, verstanden. Die Vorrichtung verfügt über wenigstens zwei Tragflächenelemente, die bei Umströmung durch den Fluidstrom, wie etwa Wind, jeweils eine Unterdruckseite und eine Überdruckseite aufweisen und die zumindest mittelbar mit dem angeströmten Bauteil verbunden sind. Unter Unterdruckseite wird hierbei die Seite eines Tragflächenelementes verstanden, auf der sich bei Umströmung zumindest bereichsweise ein Druck ausbildet, der niedriger als der Umgebungsdruck ist, während unter der Überdruckseite entsprechend die Seite eines Tragflächenelementes verstanden wird, auf der sich bei Umströmung der Oberfläche wenigstens bereichsweise ein Druck ausbildet, der gegenüber einem Umgebungsdruck erhöht ist. Eine entsprechende Ausbildung von Tragflächenelementen ist insbesondere aus dem Flugzeugbau bekannt. Ferner verfügt die Vorrichtung über ein Verbindungselement, das die zwei Tragflächenelemente relativ zueinander bewegbar oder aber starr zueinander verbindet. Auf diese Weise lässt sich wahlweise eine starre Verbindung zwischen den beiden Tragflächenelementen schaffen wird oder aber die Verbindungselemente sind derart ausgebildet, dass die Tragflächenelemente relativ zueinander bewegbar sind.

Die Tragflächenelemente sind baugleich ausgeführt und derart angeordnet, dass jeweils ihre Unterdruckseiten oder ihre Überdruckseiten einander zugewandt sind und die Tragflächenelemente bei Umströmung jeweils eine Kraft erzeugen deren Kraftrichtung gegenüber einer Strömungsrichtung des strömenden Fluids, beispielsweise des anströmenden Windes, geneigt ist. Sobald sich das angeströmte Bauteil in der Sollposition befindet, heben sich aufgrund der zuvor beschriebenen Ausgestaltung und Anordnung der beiden Tragflächenelemente die von den Tragflächenelementen aufgrund ihrer Umströmung ausgehenden Auftriebskräfte auf. Befindet sich das Bauteil dagegen nicht in der Sollposition, sich die von den beiden Tragflächenelementen aufgrund ihrer Umströmung ausgehenden Auftriebskräfte unterschiedlich hinsichtlich Größe und/oder Richtung, sodass eine resultierende Kraft erzeugt und ein Drehmoment von den verbundenen Tragflächenelementen auf das Bauteil, an denen die Positioniervorrichtung mit den Tragflächenelementen befestigt ist, übertragen wird.

Hierbei ist es gerade von besonderem Vorteil, dass die Tragflächenelemente derart ausgerichtet und positioniert sind, dass sobald sich das zu positionierenden Bauteil in der gewünschten Position und Ausrichtung befindet, keine Kräfte und Drehmomente von den beiden verbundenen Tragflächenelementen auf das Bauteil übertragen werden, weil sich die Auftriebskräfte aufheben, erzeugt aufgrund der Umströmung durch das strömende Fluid, insbesondere den Wind, erzeugten Kräften bzw. Lediglich in dem Fall, dass sich das Bauteil nicht mehr in der gewünschten Sollposition befindet, insbesondere weil sich die Strömungsrichtung des Fluids, insbesondere die Windrichtung des anströmenden Windes, geändert hat oder das Bauteil aufgrund anderer Einflüsse relativ zur Fluidströmung aus der Sollposition herausbewegt wurde, wird mithilfe der beiden Tragflächenelemente über deren Befestigung am Bauteil zumindest mittelbar ein Drehmoment auf das angeströmte Bauteil übertragen, sodass sich dieses wiederum in die gewünschte Sollposition bewegt und etwa bei einem von Wasser oder Wind angeströmten Rotor eine optimale Umwandlung der im Wasser oder Wind enthaltene Energie in Bewegungsenergie bzw. Rotationsenergie ermöglicht wird.

Die Tragflächenelemente sind somit nebeneinander und in Bezug auf ihr umströmtest Querschnittsprofil umgekehrt zueinander angeordnet, sodass beispielsweise die Unterdruckseiten bzw. die Oberseiten der Tragflächenelemente einander zugewandt sind. Die Tragflächenelemente sind hierbei derart angeordnet, dass die durch die Umströmung durch den Fluidströmung, insbesondere vom Wind, erzeugten Kräfte derart ausgerichtet sind, dass die Kraftvektoren dieser Kräfte weder auf einer Geraden liegen noch parallel verlaufen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn zwei baugleiche Tragflächenelemente verwendet werden, die, wenn sich das angeströmte Bauteil in der Sollposition befindet, zumindest nahezu spiegelsymmetrisch zu einer mittig zwischen den Tragflächenelementen in Strömungsrichtung des Fluids verlaufenden Symmetrieachse angeordnet sind.

Sobald sich das angeströmte Bauteil nicht in der optimalen Position relativ zur Strömungsrichtung des Fluids, insbesondere der Richtung des anströmenden Windes befindet, werden aufgrund der auf den Überdruckseiten vorhandenen Druckkräfte und der auf den Unterdruckseiten vorhandenen Sogkräfte an den Tragflächenelementen jeweils Auftriebskräfte erzeugt, die in Bezug auf ihre Größe und/oder Richtung unterschiedlich sind, sodass eine resultierende Kraft erzeugt wird. Diese Kraft wird schließlich über Befestigungselemente von den Tragflächenelementen der Positioniervorrichtung in das zu positionierende Bauteil eingeleitet und hierbei ein Drehmoment erzeugt, um das Bauteil um eine Achse, die zum Beispiel bei einem erfindungsgemäß positionierten Rotor zumindest nahezu senkrecht zur Drehachse des Rotors angeordnet ist, in die Sollposition zu drehen.

Wenn die Erfindung im Folgenden im Wesentlichen im Zusammenhang mit der Nutzung eines Windstroms als Fluidstrom beschrieben wird, so sind dennoch ausdrücklich sämtliche Lösungen vom Erfindungsgedanken mit umfasst, bei denen ein bewegbares Bauteil, insbesondere ein Bauteil zur Umwandlung von Strömungsenergie in Bewegungs- bzw. Rotationsenergie, in einem Fluidstrom, der auch eine Flüssigkeit, wie etwa Wasser, oder aber ein Gas oder Gasgemisch enthalten kann, auf geeignete Weise positioniert werden soll. So lässt sich die erfindungsgemäße technische Lösung bevorzugt in Windströmungen, aber auch zur Nutzung der in strömendem Wasser enthaltenen Energie, etwa in Wasserkraftwerken, Pumpspeicherkraftwerken oder Flusskraftwerken einsetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lässt sich die Größe der mithilfe der Tragflächenelemente erzeugten resultierenden Kraft und des daher auf das zu positionierende Bauteil einwirkenden Drehmoments bedarfsgerecht variieren. Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn das umströmte und damit im Fluidstrom strömungsmechanisch wirksame Profil bzw. die Form und/oder Kontur der umströmten Querschnittsfläche wenigstens eines der Tragflächenelemente, insbesondere beider Tragflächenelemente, verändert wird, um so die erzeugbaren Auftriebskräfte und somit eine aus den Auftriebskräften gebildete resultierende Kraft in Betrag und/oder Richtung verändern zu können.

Hierzu sind geeignete Mittel, die etwa Federelemente, formbare Materialien, zum Beispiel Kunststoffe, Form-Gedächtnis-Materialien, Schäume, Werkstoffe, die sich bei Temperaturänderungen ausdehnen und/oder zusammenziehen und/oder Pumpen- oder Verdichter kombiniert mit wenigstens einem Stellorgan vorgesehen, um die Größe, die Oberflächenstruktur und/oder die Form wenigstens eines der Tragflächenelemente gezielt und bedarfsgerecht zu verändern. Wesentlich hierbei ist, dass technische Maßnahmen und Elemente vorgesehen werden, mit denen die Form und/oder Größe der umströmten Querschnittsfläche bzw. des umströmten Profils verändert wird, um hierdurch letztendlich die Größe und/oder Richtung der erzeugbaren Auftriebskräfte zu variieren.

In diesem Zusammenhang ist gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass ein Umfang und/oder eine Form eines umströmten Querschnittprofils wenigstens eines der Tragflächenelemente veränderbar ist. In diesem Falle sind bevorzugt geeignete Verstellelemente vorgesehen, um die Form der Tragflächenelemente zu verändern, sodass sich die Größe der Tragflächenelemente und/oder die Form des umströmten Querschnittprofils oder der Querschnittsfläche verändert.

Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass die Oberflächen der Tragflächenelemente aus einem flexiblen Material gebildet werden und sich in den Tragflächenelementen Luft, Gas oder ein Gasgemisch befindet, dass mit Hilfe eines Verstellelements, das etwa wenigstens eine Verdichtereinheit und ein Stellorgan aufweist, mit einem veränderlichen Druck beaufschlagt werden kann, sodass die gewünschte Verformung der Oberfläche erzielbar ist.

Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Positioniervorrichtung auf der windabgewandten Seite oder der Leeseite des angeströmten Bauteils angeordnet. Generell sind aber auch alternative Anordnungen denkbar, insbesondere solche, die die Anströmung des Bauteils nicht behindern.

Weiterhin ist bevorzugt wenigstens ein Bewegungsmittel vorgesehen, durch das eine Relativbewegung zwischen den beiden Tragflächenelementen initiierbar ist, diese somit relativ zueinander bewegbar sind. Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn das Bewegungsmittel derart ausgebildet ist, dass eine von der Geschwindigkeit des anströmenden Windes abhängige Relativbewegung initiierbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Größe einer Bewegung, also die Strecke, die ein Tragflächenelemente jeweils zumindest teilweise während einer Relativbewegung zurücklegt, in Abhängigkeit einer Änderung der Geschwindigkeit des anströmenden Windes verändert werden.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bewegungsmittel derart ausgebildet ist, dass ein senkrechter Abstand zwischen Anströmkanten der Tragflächenelemente, auf die der anströmende Wind auftrifft, veränderbar ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist somit auf vorteilhafte Weise vorgesehen, dass die Tragflächenelemente derart relativ zueinander bewegt werden, dass ein Winkel, der von Längsachsen der Tragflächenquerschnittsprofile eingeschlossen ist, veränderbar ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist somit auf vorteilhafte Weise vorgesehen, dass ein beidseitig von den beiden Tragflächenelementen, insbesondere den einander zugewandten Oberflächen der Tragflächenelemente, begrenztes Volumen, aufgrund der Bewegung der Tragflächenelemente verändert wird. Vorzugsweise wirkt das Bewegungsmittel zur Initiierung der Relativbewegung auf das Verbindungselement, das wiederum mehrere Teilelemente aufweisen kann, mit Hilfe eines geeigneten Bewegungsmechanismus und einem Antrieb, etwa einem elektrisch angetriebenen Stellmotor, ein.

Je nach Anwendungsfall ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Winkel, der von den Längsachsen der Querschnittsprofile der Tragflächenelemente eingeschlossen wird, mit zunehmender oder abnehmender Strömungsgeschwindigkeit des anströmenden Windes entsprechend größer oder kleiner wird.

Gemäß einer ganz speziellen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das bei Umströmung der Tragflächenelemente erzeugte Drehmoment, das auf das zu positionierende Bauteil wirkt, sobald sich dieses nicht in der gewünschten Sollposition befindet, derart eingestellt ist, dass es wahlweise mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Windes zunimmt, abnimmt oder identisch bleibt. Von besonderem Vorteil ist es, wenn das mit Hilfe der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung am Bauteil, etwa einem Rotor, wirkende Drehmoment mit zunehmender Windstärke größer wird.

Gegenüber den bekannten zur Positionierung bewegbarer angeströmter Bauteile eingesetzten Windfahnen besteht ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung darin, dass die Möglichkeit besteht, dass die auf das zu positionierende Bauteil wirkenden Drehmomente erheblich, insbesondere bedarfsgerecht verändert oder sogar in Abhängigkeit der Windstärke geregelt werden können. Gemäß besonderer Weiterbildungen der Erfindung lassen sich die Ausrichtung, Bewegung oder Form der beiden Tragflächenelementen bedarfsgerecht ändern und sogar regeln. Ein großer Vorteil der beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung besteht somit darin, dass eine selbstständig arbeitende Positionierregelung bereitgestellt wird, ohne dass hierfür spezielle, üblicherweise eine spezielle Sensorik und Aktorik aufweisende Mess-, Steuer- und Regelungssysteme erforderlich sind.

Im Weiteren betrifft die Erfindung auch den Einsatz der zuvor beschriebenen Positioniervorrichtung mit oder ohne zumindest eine der zuvor beschriebenen speziellen Ausgestaltungen zur gezielten Positionierung oder zur geregelten Fixierung in der gewünschten Sollposition eines Rotors einer Windenergieanlage mit horizontaler oder vertikaler Drehachse. Genauso ist die erfindungsgemäße technische Lösung für den Einsatz in Selbststeueranlagen von Segelschiffen und Segelyachten geeignet. Insoweit betrifft die Erfindung sowohl eine Windenergieanlage sowie eine Selbststeueranlage eines mit Windkraft angetriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Segelschiffs oder einer Segelyacht, mit einer Vorrichtung, die gemäß der Erfindung mit oder ohne eine der zuvor beschriebenen speziellen Ausgestaltungen ausgeführt ist.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Positionierung eines bewegbaren Bauteils relativ zum anströmenden Wind in einer gewünschten Sollposition, wobei unter Positionieren gleichfalls das Halten bzw. Fixieren des Bauteils zumindest nahezu in der gewünschten Position sowie Veränderungen der Position in Abhängigkeit einer Änderung der Windstärke zu verstehen ist. Bei Ausführung des Verfahrens werden wenigstens zwei baugleich ausgeführte Tragflächenelemente, bei deren Umströmung sich wenigstens zeitweise an einer Unterdruckseite ein im Vergleich zum Umgebungsluftdruck niedrigerer Druck und an einer Überdruckseite ein im Vergleich zum Umgebungsluftdruck erhöhter Druck ausbildet, wenigstens mittelbar an dem zu positionierenden Bauteil befestigt. Ferner werden die beiden Tragflächenelemente starr oder relativ zueinander bewegbar über ein Verbindungselement miteinander verbunden und derart im anströmenden Wind angeordnet, dass, sobald sich das Bauteil in der Sollposition befindet, von den beiden Tragflächenelementen aufgrund ihrer Umströmung ausgehende Auftriebskräfte einander aufheben und sobald sich das Bauteil nicht in der Sollposition befindet, von den beiden Tragflächenelementen aufgrund ihrer Umströmung ausgehende Auftriebskräfte unterschiedlich sind, sodass eine resultierende Kraft erzeugt und ein Drehmoment von den verbundenen Tragflächenelementen auf das Bauteil übertragen wird.

Es wird somit nur dann kein Drehmoment auf das Bauteil übertragen, wenn sich das zu positionierende Bauteil in der gewünschten Sollposition befindet. Weicht die Istposition des zu positionieren Bauteils dagegen von der Sollposition ab, beispielsweise weil sich die Strömungsrichtung des anströmenden Windes geändert hat oder das Bauteil aufgrund einer sonstigen Krafteinwirkung bewegt wurde, heben sich die Auftriebskräfte, die von den beiden Tragflächenelementen erzeugt werden, nicht auf und es wird eine resultierende Kraft sowie ein Drehmoment erzeugt. Dieses Drehmoment wird in das zu positionierende Bauteil eingeleitet und so eine Bewegung in Richtung der gewünschten Sollposition initiiert. Es findet somit mit einfachen Mitteln eine geregelte Positionierung des angeströmten Bauteils, beispielsweise eines Rotors einer Windenergieanlage, in Abhängigkeit der Strömungsrichtung des jeweils anströmenden Windes statt.

In einer speziellen Ausführungsform Erfindung ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit einer Stärke der Geschwindigkeit des anströmenden Windes ein Umfang und/oder eine Form einer umströmten Querschnittsfläche wenigstens eines der Tragflügelelemente verändert wird. Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, dass in Abhängigkeit einer Stärke der Geschwindigkeit des anströmenden Windes eine Relativbewegung zwischen den zwei Tragflächenelementen mithilfe eines geeigneten Bewegungsmittels verändert wird. Die gezielte Veränderung des Umfangs und/oder einer Form der umströmten Querschnittsfläche wenigstens eines der Tragflügelelemente und/oder die Initiierung einer Relativbewegung der Tragflächenelemente zueinander ermöglicht eine Veränderung der von den verbundenen Tragflächenelementen ausgehenden Kraft und somit des Drehmomentes, das auf das zu positionierenden der Bauteil im Bedarfsfall, nämlich sobald sich dieses nicht in der gewünschten Sollposition relativ zum anströmenden Wind befindet, einwirkt. Im Weiteren kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit einer Stärke der Geschwindigkeit des anströmenden Windes die Tragflächenelemente derart bewegt werden, dass ein beidseitig von den beiden Tragflächenelementen, insbesondere von den einander zugewandten Oberseiten auf der Druckseite begrenztes Volumen verändert wird. Hierbei wird vorzugsweise ein senkrechter Abstand zwischen den Anströmkanten der Tragflügelelemente, auf die der anströmende Wind auf die Tragflächenelemente auftrifft, verändert bzw. ein Winkel, den Längsachsen der beiden Querschnittsprofile der Tragflächenelemente einschließen, verändert. Gemäß dieser Ausführungsform ist es somit möglich, die mithilfe der Tragflächenelemente erzeugte Kraft und somit das auf das Bauteil, sobald es sich nicht in der gewünschten Sollposition befindet, ausgeübte Drehmoment bedarfsgerecht zu verändern, wobei die Veränderung bevorzugt in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des anströmenden Windes erfolgt. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn bei hohen Windgeschwindigkeiten ein größeres Drehmoment auf das zu positionierende Bauteil einwirkt als bei niedrigeren Windstärken.

In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Rotor oder Teil eines Rotors mit vertikaler oder horizontaler Drehachse, insbesondere ein Rotor einer Windenergieanlage, als Bauteil verwendet wird und ein Drehmoment zumindest mittelbar auf das Bauteil übertragen wird, sobald sich das Bauteil nicht in der gewünschten Sollposition relativ zum anströmenden Wind befindet. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie seine speziellen Ausführungsformen lassen sich somit auf besonders geeignete Weise zum Betrieb von Windenergieanlagen einsetzen. Ebenso ist es denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowie seine speziellen Ausführungsformen beim Betrieb von Selbststeueranlagen für Segelschiffe oder Segelyachten zum Einsatz kommen.

Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Gleiche Bauteile werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigen:

Fig. 1: Schematische Draufsichtdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionierung eines bewegbaren, vom Windangeströmten Bauteils, in einem Betriebszustand, in dem sich das Bauteil in seiner Sollposition relativ zum anströmenden Wind befindet;

Fig. 2: Schematische Draufsichtdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionierung eines bewegbaren, vom Windangeströmten Bauteils, in einem Betriebszustand, in dem sich das Bauteil nicht in seiner Sollposition relativ zum anströmenden Wind befindet;

Fig. 3: Schematische Draufsichtdarstellung zweier Tragflächenelemente, die bewegbar miteinander verbunden sind, in zwei unterschiedlichen Ausrichtungen;

Fig. 4: Schematische Draufsichtdarstellung zweier Tragflächenelemente mit Verstellelementen zur Veränderung der Größe und der Form der umströmten Querschnittsfläche

Fig. 5: Perspektivische Seitenansicht eines Rotors für eine Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Positioniervorrichtung.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäß ausgeführte Positioniervorrichtung 1 mit zwei Tragflächenelementen 3a, 3b, die bei Umströmung durch den in Richtung A anströmenden Wind jeweils die mit Pfeilen dargestellten Auftriebskräfte FA und FB erzeugen. Die dargestellten Tragflächenelemente 3a, 3b sind derart Art geformt und weisen ein Querschnittsprofil auf, sodass sich bei ihrer Umströmung auf einer Unterdruckseite 4 ein gegenüber dem Umgebungsluftdruck niedrigerer Druck ausbildet, während auf einer Überdruckseite 5 ein gegenüber dem Umgebungsluftdruck erhöhter Druck entsteht. Auf diese Weise werden bei Umströmung der Tragflächenelemente 3a, 3b die Auftriebskräfte F _a und Fb erzeugt. Die Tragflächenelemente 3a, 3b sind ferner über ein Verbindungselement 6 verbunden und mit Hilfe eines Tragarms 15 an einem Bauteil 2, etwa einem Rotor 11 , das bewegbar in dem Windstrom angeordnet ist, befestigt. Über das Verbindungselement e und den Tragarm 15 lässt sich im Bedarfsfall eine von den Tragflächenelementen 3a, 3b ausgehende Kraft übertragen und ein daraus resultierendes Drehmoment in das Bauteil 2 zu dessen Positionierung in einer gewünschten Sollposition relativ zum Wind einleiten.

In dem in Fig. 1 dargestellten Betriebszustand befindet sich das zu positionierende Bauteil in der gewünschten Sollposition relativ zum anströmenden Wind. In diesem Betriebszustand heben sich die von den beiden Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugten Auftriebskräfte F _a , Fb auf, sodass keine Kraft über das Verbindungselement 6 und den Tragarm 15 übertragen sowie kein Drehmoment auf das zu positionierende Bauteil 2 übertragen wird. Das zu positionierenden Bauteil 2 verbleibt somit in der gewünschten Sollposition.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung in einem zweiten Betriebszustand, in dem sich das zu positionierende, bewegbare Bauteil 2 nicht in der gewünschten Sollposition befindet, sodass von der Positioniervorrichtung 1 , die zwei Tragflächenelemente 3a, 3b aufweist, eine resultierende Kraft FR ausgeübt und ein Drehmoment 13 in das zu positionierende Bauteil eingeleitet wird. Die Richtung des anströmenden Windes ist mit A gekennzeichnet.

Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Betriebszustand trifft der Wind nicht gleichgerichtet auf die beiden Tragflächenelemente 3a, 3b auf, sodass die von den beiden Tragflächenelementen 3a, 3b jeweils erzeugten Auftriebskräfte F _a , Fb, die sich aus den jeweils auf den Unterdruckseiten 4 und den Überdruckseiten 5 erzeugten Kräften zusammensetzen, unterschiedlich sind. Da die von den beiden Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugten Auftriebskräfte unterschiedlich sind, ergibt sich aus der Summe dieser Auftriebskräfte F _a , Fb eine resultierende Kraft FR, die letztendlich von den verbundenen Tragflächenelementen 3a, 3b auf das zu positionierende Bauteil 2 übertragen wird und hier ein Drehmoment 13 bewirkt, sodass das Bauteil 2 in Richtung der gewünschten Sollposition bewegt wird. Sobald das zu positionierenden Bauteil 2 die Sollposition erreicht hat, tritt wiederum der Betriebszustand, wie er in Fig 1 gezeigt ist, ein.

In Fig. 3 ist in einer schematischen Draufsicht eine spezielle Ausführungsform Erfindung dargestellt, bei der die beiden Tragflächenelementen 3a, 3b einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung 1 bewegbar miteinander verbunden sind. In diesem Falle sind somit Bewegungsmittel 9 vorgesehen, die derart auf das Verbindungselement 6 zwischen den Tragflächenelementen 3a, 3b einwirken, dass die beiden Tragflächenelemente 3a, 3b relativ zueinander bewegt werden können. Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Bewegung der beiden Tragflächenelemente 3a, 3b in Abhängigkeit einer Änderung der Geschwindigkeit des anströmenden Windes, sodass die jeweils von den beiden Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugte resultierende Kraft FR und das sich hieraus ergebende, auf das zu positionierenden Bauteil 2 einwirkende Drehmoment 13 bedarfsgerecht verändert werden können. Es ist etwa denkbar, dass die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung derart ausgeführt ist, dass bei höheren Windgeschwindigkeiten mithilfe der Positioniervorrichtung 1 eine größere Kraft erzeugt und damit ein größeres Drehmoment 13 zur Bewegung des zu positionierenden Bauteils 2 bewirkt wird.

Figur 3a) zeigt in diesem Zusammenhang einen Ausrichtungszustand, in dem die beiden Tragflächenelemente 3a, 3b derart zueinander bewegt worden sind, dass die Anströmkanten 12 einen vergleichsweise großen Abstand zueinander aufweisen. Die Bewegung der beiden Tragflächenelemente 3a, 3b erfolgte hierbei mithilfe einer als Bewegungsmittel 9 eingesetzten Bewegungsmechanik. Im Vergleich hierzu zeigt Figur 3b) einen Ausrichtungszustand, in dem zwischen den beiden Anströmkanten 12 ein vergleichsweise geringer Abstand vorhanden ist und Längsachsen der umströmten Querschnittsflächen 8 der Tragflächenelemente 3a, 3b zumindest nahezu parallel verlaufen. Um von dem Betriebszustand gemäß Fig. 3a) zu dem Betriebszustand gemäß Fig. 3b) zu gelangen, wurden die beiden Tragflächenelemente somit derart relativ zueinander bewegt, dass der Abstand der Anströmkanten 12 vergrößert bzw. der Winkel, den die Längsachsen der Querschnittsflächen einschließen, verkleinert wurde. In Abhängigkeit der Lage eines Drehpunktes, um den die Tragflächenelemente 3a, 3b zueinander bewegt werden, ist es ferner denkbar, dass sich ein beidseitig von den beiden einander zugewandten Oberflächen der Tragflächenelementen 3a, 3b begrenztes Volumen 10 aufgrund einer Relativbewegung der Tragflächenelemente 3a, 3b verändert wird, sodass sich insbesondere der Querschnitt eines zwischen den Tragflächenelementen 3a, 3b gebildeten Strömungskanals, durch den der anströmende Wind strömt, verändert.

Mit zunehmender Geschwindigkeit des anströmenden Windes wird bei der Positioniervorrichtung 1 , wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, die Ausrichtung der Tragflächenelemente 3a, 3b relativ zum Wind derart verändert, dass die von den Tragflächenelementen 3a, 3b ausgehende resultierende Kraft FR und damit das auf das zu positionierenden Bauteil 2 einwirkende Drehmoment 13 erhöht wird.

Im Übrigen zeigt Fig. 3 eine erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung zur Positionierung eines angeströmten, bewegbaren Bauteils 2 in einem Betriebszustand, wie er auch in Fig. 1 gezeigt ist, in dem sich das zu positionierende Bauteil 2 in seiner Sollposition befindet, sodass sich die aus der Summe der von den Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugten Auftriebskräfte F _a , Fb aufheben, sodass keine resultierende Kraft FR vorhanden ist und kein Drehmoment 13 auf das zu positionierende Bauteil 2 einwirkt.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Positionierung eines angeströmten, bewegbaren Bauteils in einer gewünschten Sollposition. Die in Fig. 4 gezeigten Positioniervorrichtungen 1 befinden sich in einem Betriebszustand, wie er auch in Fig. 1 gezeigt ist, in dem sich die von den beiden Tragflächenelementen 3a, 3b jeweils erzeugten Auftriebskräfte F _a , Fb aufheben, sodass die resultierende Kraft FR gleich 0 (Null) ist und kein Drehmoment 13 auf das zu positionierende Bauteil übertragen wird. Das zu positionierende Bauteil befindet sich somit auch in dem in Fig. 4 dargestellten Betriebszustand in seiner Sollposition.

Wesentlich an dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass Verstellelemente 7 vorgesehen sind, um eine Größe und/oder ein Profil der umströmten Querschnittsfläche 8 der Tragflächenelemente 3a, 3b bedarfsgerecht zu verändern. In Fig. 4a) sind die Tragflächenelemente 3a, 3b in einem Betriebszustand dargestellt, in dem die Querschnittsflächen 8 eine erste Größe aufweisen, sodass jeweils erste Auftriebskräfte F _a i, FN von den Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugt werden. Demgegenüber zeigt Fig. 4b) einen Betriebszustand, in dem die beiden Tragflächenelemente 3a, 3b durch das Verstellelement 7 derart verformt wurden, dass sich der Umfang der umströmten Querschnittsflächen 8 der Tragflächenelemente 3a, 3b vergrößert hat und jeweils zweite Auftriebskräfte Fa2, F _b2 von den Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugt werden. Durch eine Vergrößerung der umströmten Querschnittsflächen 8 können vergleichsweise große Auftriebskräfte F _a 2, F _b2 erzeugt und, sobald sich das Bauteil 2 nicht in der Sollposition befindet, ein ebenso vergleichsweise großes Drehmoment 13 erzeugt werden, um das zu positionierenden Bauteil 2 in seine Sollposition zu bewegen. Eine Vergrößerung der Form und/oder des Umfangs der Querschnittsflächen 8 der Tragflächenelemente 3a, 3b gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird vorgenommen, wenn sich die Geschwindigkeit des anströmenden Windes erhöht, um im Bedarfsfall ein größeres Drehmoment 13 zur Bewegung des Bauteils 2 in seine Sollposition bereitstellen zu können. Das Verstellelement 7 verfügt hierfür über eine Verdichtereinheit und Stellorgane, um den Druck im Inneren der Tragflächenelemente 3a, 3b, die mit Luft gefüllt sind, zu verändern, etwa zu erhöhen, damit sich die in diesem Fall flexible Außenhaut der Tragflächenelemente 3a, 3b bedarfsgerecht dehnt und das Profil der umströmten Querschnittsfläche größer wird.

Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Seitenansicht eine spezielle Anwendung für eine erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung 1 zur Positionierung eines vom Wind angeströmten, bewegbaren Bauteils in einer Sollposition. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Bauteil 2 handelt es sich um einen Rotor 11 für eine Windenergieanlage, der sich bei anströmendem Wind um eine Horizontalachse dreht. Mithilfe des dargestellten Rotors 11 lässt sich die im anströmenden Wind enthaltene Energie in Bewegungsenergie umwandeln, die später zur Erzeugung elektrischer Energie, beispielsweise mit einem angeschlossenen Generator, genutzt wird. Wesentlich für den Betrieb des in Fig. 5 dargestellten Rotors 11 ist, dass die Effizienz der Umwandlung der im anströmenden Wind enthaltenen Energie in Bewegungsenergie immer dann am effizientesten ist, wenn sich der Rotor 11 in der Sollposition zum anströmenden Wind befindet. Um dies sicherzustellen, ist auf der windabgewandten Seite oder der Leeseite des Rotors 11 eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung 1 angeordnet. Die verwendete Positioniervorrichtung 1 verfügt wiederum über zwei Tragflächenelemente 3a, 3b, die baugleich ausgeführt und deren Unterdruckseiten 4 einander zugewandt angeordnet sind. Die beiden Tragflächenelemente 3a, 3b sind gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel starr über ein Verbindungselement 7 verbunden, das wiederum über einen Tragarm 15 mit der Halterung 14 des Rotors 11 verbunden ist. Die den Rotor 11 aufnehmende Halterung 14 ist im unteren Bereich derart gelagert, dass sich die Halterung 14 gemeinsam mit dem Rotor 11 um eine Vertikalachse drehen kann, sodass der Rotor 11 im Betrieb in die gewünschte Sollposition bewegbar ist, um so eine effektive Umwandlung der im anströmenden Wind enthaltenen Energie in Rotationsenergie zu ermöglichen.

Mithilfe der Tragflächenelemente 3a, 3b der Positioniereinheit 1 werden in Betrieb jeweils Auftriebskräfte F _a , Fb erzeugt. Sobald sich der Rotor 11 nicht in der gewünschten Sollposition relativ zum anströmenden Wind befindet, erzeugen die beiden Tragflächenelemente 3a, 3b unterschiedliche Auftriebskräfte F _a , Fb, sodass sich aus der Summe dieser Auftriebskräfte F _a , Fb eine resultierende Kraft FR ergibt. Diese resultierende Kraft FR wird über das Verbindungselement 7 und den Tragarm 15 auf die Halterung 14 übertragen und bewirkt ein Drehmoment 13, sodass die Halterung 14 gemeinsam mit dem Rotor 11 um die Vertikalachse in Richtung der gewünschten Sollposition bewegt wird. Sobald der Rotor 11 die gewünschte Sollposition relativ zum anströmenden Wind erreicht hat, nehmen die von den beiden Tragflächenelementen 3a, 3b erzeugten Auftriebskräfte F _a , Fb wiederum den gleichen Wert an, sodass die aus den beiden Auftriebskräften F _a , Fb erzeugte resultierende Kraft gleich 0 (Null) ist. Ist dieser Betriebszustand erreicht, wird kein Drehmoment 13 auf die Halterung und den daran befestigten Rotor 11 zur Bewegung um die Vertikalachse übertragen.

Durch Einsatz der erfindungsgemäßen technischen Lösung ist somit auf vergleichsweise einfache Weise und mit leicht herzustellenden Komponenten eine zuverlässige, schnelle und regelbare Positionierung von angeströmten Bauteilen 2, insbesondere von Rotoren 11 von Windenergieanlagen oder den Windfahnen von Selbststeueranlagen für Segelschiffe oder Segelyachten möglich. Insbesondere lässt sich die Erfindung ohne Einsatz zusätzlicher Sensoren oder Aktoren, die mit elektrischer Energie versorgt werden müssen, setzen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung zur Positionierung eines bewegbaren Bauteils (2) relativ zum anströmenden Wind in einer Sollposition

2 Bauteil

3 Tragflächenelement

3a erstes Tragflächenelement

3b zweites Tragflächenelement

4 Unterdruckseite

5 Überdruckseite

6 Verbindungselement

7 Verstellelement

8 Querschnittsfläche

9 Bewegungsmittel

10 Volumen

11 Rotor

12 Anström kante

13 Drehmoment

14 Halterung

15 Tragarm

A Richtung des anströmenden Windes

F _a Auftriebskraft des ersten Tragflächenelements

Fb Auftriebskraft des zweiten Tragflächenelements

FR resultierende Kraft