Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage und ein Verfahren zum Umwandeln von Windkraft in elektrische Energie.

Windkraftanlagen wandeln Windkraft bzw. durch Wind bereitgestellte Energie in eine andere Energieform, in der Regel elektrische Energie um.

Bekannte Windkraftanlagen basieren entweder auf Windrädern oder nutzen Segel und/oder Drachen bzw. Kites, um einen kontinuierlichen Luftstrom in elektrische Energie zu überführen.

Als Wind wird in der Meteorologie eine gerichtete, stärkere Luftbewegung in der Erdatmosphäre bezeichnet. Aufgrund verschiedener physikalischer Effekte ist die Luftbewegung aber nicht konstant, sondern besteht aus Phasen mit höheren Windgeschwindigkeiten (Windböen) und niedrigeren Windgeschwindigkeiten. In mitteleuropäischen Regionen weht der Wind laut Deutschem Wetterdienst rund 85 Prozent des Jahres. Dabei sind ca. 50% der Windböen stärker als die durchschnittliche Windgeschwindigkeit. Ferner ist bekannt, dass Gebäude und Bäume die Häufigkeit und Intensität von Windböen verstärken.

Die vorgestellte Erfindung dient zum Umwandeln von Windkraft, insbesondere von durch Windböen bereitgestellter Kraft, in elektrische Energie.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung eine Windkraftanlage zum Umwandeln von Windkraft in elektrische Energie vorgestellt. Die vorgestellte Windkraftanlage umfasst einen Halter, ein Segel, insbesondere aus der Gruppe der Vorwindsegel mit einem bauchigen Profil, vorzugsweise Spinnaker, einen ersten Generator, einen zweiten Generator, ein erstes Verbindungsmittel, ein zweites Verbindungsmittel und ein Haltemittel.

Das Segel ist, insbesondere lediglich an einem einzigen Haltepunkt durch das Haltemittel an dem Halter drehbeweglich gehalten. Weiterhin ist das Segel an einem ersten Verbindungspunkt durch das erste Verbindungsmittel mit dem ersten Generator verbunden. Dabei ist das erste Verbindungsmittel dazu konfiguriert, eine Bewegung des ersten Verbindungspunkts relativ zu dem ersten Generator in eine Drehbewegung umzuwandeln und den ersten Generator dadurch anzutreiben.

Weiterhin ist das Segel an einem zweiten Verbindungspunkt durch das zweite Verbindungsmittel mit dem zweiten Generator verbunden. Dabei ist das zweite Verbindungsmittel dazu konfiguriert, eine Bewegung des zweiten Verbindungspunkts relativ zu dem zweiten Generator in eine Drehbewegung umzuwandeln und den zweiten Generator dadurch anzutreiben.

Unter einem drehbeweglichen Halten bzw. einer drehbeweglichen Halterung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der zwei Verbindungspartner in mindestens einer Raumachse im Wesentlichen fest und in einer weiteren Raumachse beweglich miteinander verbunden sind. Bspw. kann ein erster Verbindungspartner um eine durch einen zweiten Verbindungspartner gebildete Drehachse drehbar gelagert sein. Alternativ kann eine drehbewegliche Halterung durch einen an einseitig an einem Fixpunkt befestigten Karabiner bzw. eine entsprechende Laschen- bzw.

Ösenverbindung bereitgestellt werden.

Unter einer Böe, d.h. einer Bö, ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine starke Luftbewegung von kurzer Dauer zu verstehen. Bspw. kann eine Windböe ein Ruck sein, der zu einer schnellen Änderungen des Anstiegs der Windgeschwindigkeit bzw. der Beschleunigung des Windes führt.

Die vorgestellte Windkraftanlage basiert auf dem Prinzip, dass das Segel an mindestens drei Punkten bzw. mindestens drei Schoten befestigt bzw. aufgespannt ist, nämlich an einem Haltepunkt, insbesondere lediglich einem Haltepunkt, mittels eines Haltemittels drehbeweglich an dem Halter gehalten wird, mit einem ersten Verbindungspunkt an den ersten Generator gekoppelt und mit einem zweiten Verbindungspunkt an den zweiten Generator gekoppelt ist. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch Ausgestaltungen möglich, bei denen das Segel einen deutlich mehr als drei Punkten befestigt bzw. aufgespannt ist. Dies ist im Rahmen der Erfindung insbesondere bei größeren Segeln vorteilhaft.

Der erste Verbindungspunkt und der zweite Verbindungspunkt sind lose bzw. beweglich mit dem ersten Generator und dem zweiten Generator mechanisch gekoppelt, so dass der erste Verbindungspunkt und der zweite Verbindungspunkt des Segels sich innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsraums, d.h. in drei Raumachsen, frei bewegen können. Dies bedeutet, dass, wenn das Segel von einer Windböe, d.h. einer Windbö, erfasst wird, der erste Verbindungspunkt und/oder der zweite Verbindungspunkt durch eine von der Windböe bereitgestellte Kraft bewegt werden und sich relativ zu dem ersten Generator und dem zweiten Generator weg bewegen, insbesondere von dem ersten Generator und dem zweiten Generator weg bewegen.

Um eine Kraft, mit der das Segel beaufschlagt wird abzuleiten bzw. auf die Generatoren zu übertragen, sind der erste Verbindungspunkt und der zweite Verbindungspunkt des Segels jeweils durch ein jeweiliges Verbindungsmittel mit den entsprechenden Generatoren verbunden, d.h. mechanisch gekoppelt. Bspw. kann das erste Verbindungsmittel ein erstes auf einem Lager, insbesondere einer Rolle, gelagertes erstes Seil und das zweite Verbindungsmittel ein zweites auf einem Lager, insbesondere einer Rolle, gelagertes zweites Seil umfassen. Entsprechend kann eine durch eine Windböe bedingte Bewegung des Segels durch ein jeweiliges Verbindungsmittel auf einen Generator übertragen werden und zum Antreiben, bspw. zum Drehen einer Welle bzw. eines Rotors des Generators verwendet werden.

Durch die drehbewegliche Anordnung des Haltepunkts an dem Halter kann sich das Segel bspw. um 360° unter dem Halter drehen.

Um eine Bewegung, insbesondere eine Drehung des Segels nicht zu behindern, kann der Halter in einer Form ausgestaltet sein, die von dem Segel weg bzw. um einen Bewegungsraum des Segels herum gebogen ist. Dabei kann der Halter ein Seil, einen Mast und/oder eine Stangenanordnung, insbesondere eine U-förmig gebogene Stangenanordnung umfassen, die mit ihren zwei offenen Enden im Boden oder an einer Basisplatte der Windkraftanlage befestigt ist.

Eine Stangenanordnung ist besonders robust und ermöglicht eine Belastung der vorgestellten Windkraftanlage mit hohen Windgeschwindigkeiten und ermöglicht eine entsprechend hohe Energieausbeute.

Um eine Beschädigung der Windkraftanlage, insbesondere des Segels, bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten zu vermeiden, kann die Windkraftanlage eine automatische Sturmsicherung umfassen, die bspw. das Segel stramm zieht, wenn eine auf das Segel wirkende Windkraft einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Dazu kann die Sturmsicherung bspw. eine vorgespannte mechanische Feder mit einem Auslösemechanismus oder ein Steuerungsgerät mit einem Aktuator umfassen, durch die das Segel in eine Form gebracht wird, in der das Segel eine minimale Oberfläche aufweist. Bspw. kann das Segel automatisch aufgerollt bzw. „gerefft“ werden.

Die vorgestellte Windkraftanlage eignet sich zur Anordnung an Häusern, insbesondere an Dächern oder Wänden, sowie auf unbebautem Boden, bspw. in Regionen mit schlecht ausgebauter Infrastruktur, so dass durch die vorgestellte Windkraftanlage auch entlegene Regionen einfach und günstig mit elektrischem Strom versorgt werden können.

In Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage ein Fixationselement umfasst, wobei das Fixationselement den ersten Generator und den zweiten Generator beabstandet von einer Kontaktfläche, an der die Windkraftanlage angeordnet ist, fixiert.

Durch ein Fixationselement, das die Generatoren der vorgestellten Windkraftanlage beabstandet von einer Kontaktfläche fixiert, können die Generatoren über dem Boden angeordnet werden, so dass das Segel in einer gegenüber dem Boden erhöhten Position aufgespannt werden kann und ein Eintrag von Windböen in das Segel maximiert wird. Dabei wird durch das Fixationselement ein vorgegebener Abstand zwischen den Generatoren und dem Segel bzw. ein vorgegebener Bewegungsraum des zweiten Endes und des dritten Endes des Segels sichergestellt. Dies bedeutet, dass das Segel und die Generatoren in ihrer Höhe zum Boden frei positioniert werden können. Insbesondere können das Fixationselement und/oder der Halter dazu einstellbare bzw. ausfahrbare Teleskoparme umfassen.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Windkraftanlage eine Bodenplatte umfasst, wobei die Bodenplatte Verbindungsschnittstellen zum Verbinden mit einer Kontaktfläche umfasst. Durch eine Bodenplatte kann die vorgestellte Windkraftanlage an einer beliebigen Oberfläche bzw. einem beliebigen Untergrund und in jeder Ausrichtung, bspw. mit ihrer Symmetrieachse parallel oder gewinkelt, insbesondere orthogonal zu einer Schwerkraftrichtung angeordnet werden.

Mittels einer Verbindungsschnittstelle bzw. Verbindungsschnittstellen, wie bspw. einer Anzahl Schrauben bzw. Schraubaufnahmen, kann die vorgestellte Windkraftanlage sicher und ggf. reversibel an einem jeweiligen Untergrund befestigt werden.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das erste Verbindungsmittel eine erste Rückholfeder umfasst, die sich durch ein Abwickeln des ersten Seils spannt und das zweite Verbindungsmittel eine zweite Rückholfeder umfasst, die sich die ein Abwickeln des zweiten Seils spannt.

Durch eine Rückholfeder kann ein Bewegung zum Auslenken eines jeweiligen Endes des Segels der vorgestellten Windkraftanlage, d.h. einer Bewegung des Endes von einem entsprechenden Generator weg, in der Rückholfeder gespeichert werden, so dass die gespeicherte Energie bei einer Rückbewegung des Endes des Segels zu dem Generator hin, von der Rückholfeder auf den Generator übertragen werden kann. Dazu kann die Rückholfeder bspw. eine Welle oder einen Rotor des Generators antreiben.

Optional kann die Rückholfeder auch mit einem Schwungrad, d.h. einer Schwungscheibe verbunden sein, durch das starke ruckartige Bewegungsimpulse bereitgestellt Energie, wie sie für Windböen typisch ist, in eine Bewegung des Schwungrads umgewandelt und, dadurch bedingt, zwischengespeichert werden kann. Entsprechend wird durch ein Schwungrad eine Dauer einer Antriebsbewegung zum Betreiben eines Generators maximiert.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das erste Verbindungsmittel und der erste Generator durch einen ersten unidirektionalen Freilauf voneinander trennbar sind, und das zweite Verbindungsmittel und der zweite Generator durch einen zweiten unidirektionalen Freilauf voneinander trennbar sind, um einen dem Segel bei einer Bewegung von dem ersten Generator und/oder dem zweiten Generator weg entgegenstehenden mechanischen Widerstand zu minimieren.

Durch einen Freilauf, wie bspw. eine mittels eines Kupplungselements bewirkte mechanische Ein- und Entkopplung einer Bewegung des Segels von einer Bewegung eines jeweiligen Generators, wird eine Bewegung des Segels bei maximierte und insbesondere bei einer kurzen und schnellen Bewegung des Segels, wie sie für Windböen typisch ist, ermöglicht. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorgestellten Erfindung wird ein Verfahren zum Umwandeln von Windkraft in elektrische Energie vorgestellt.

Das Verfahren umfasst das Anordnen eines ersten Endes eines Segels an einem Halter mittels eines Halters, wobei das Segel an dem Halter drehbeweglich gehalten wird, das Verbinden eines zweiten Endes des Segels mittels eines ersten Verbindungsmittels mit einem ersten Generator, so dass der erste Generator durch eine Bewegung des zweiten Endes relativ zu dem ersten Generator angetrieben wird und das Verbinden eines dritten Endes des Segels mittels eines zweiten Verbindungsmittels mit einem zweiten Generator, so dass der zweite Generator durch eine Bewegung des dritten Endes relativ zu dem zweiten Generator angetrieben wird.

In Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens ist vorgesehen, dass das erste Verbindungsmittel eine erste Rückholfeder und einen ersten Freilauf umfasst, so dass eine Bewegung des zweiten Endes von dem ersten Generator weg durch den ersten Freilauf von einer Bewegung zum Antreiben des ersten Generators entkoppelt und der erste Generator lediglich durch in der ersten Rückholfeder gespeicherte Energie angetrieben wird, und das zweite Verbindungsmittel eine zweite Rückholfeder und einen zweiten Freilauf umfasst, so dass eine Bewegung des dritten Endes von dem zweiten Generator weg durch den zweiten Freilauf von einer Bewegung zum Antreiben des zweiten Generators entkoppelt und der zweite Generator lediglich durch in der zweiten Rückholfeder gespeicherte Energie angetrieben wird. Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.

Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

Figur 1 : eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen

Windkraftanlage,

Figur 2: die Windkraftanlage gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht,

Figur 3: die Windkraftanlage gemäß Figur 1 in einer weiteren Ansicht,

Figur 4: eine Detailansicht der Windkraftanlage gemäß Figur 3,

Figur 5: eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windkraftanlage, und

Figur 6: eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

In Figur 1 ist eine Windkraftanlage 100 dargestellt. Die Windkraftanlage 100 umfasst einen Halter 101 , ein Segel 103, einen ersten Generator 105, einen zweiten Generator 107, ein erstes Verbindungsmittel 109, ein zweites Verbindungsmittel 111 und ein Haltemittel 113.

Vorliegend ist der Halter 101 ein Mast, der derart gebogen ist, dass sich das Segel 103 an dem Haltemittel 113 unter dem Halter 101 vollständig hindurch drehen kann. Entsprechend gibt die Biegung des Halters 101 ein Bewegungsraum des Segels 103 vollständig frei, so dass das Segel 103 sich unabhängig von dem Halter 101 bewegen kann und in keiner Stellung mit dem Halter 101 kollidiert.

Das Segel 103 ist an drei Punkten bzw. drei Enden gesichert. An einem Haltepunkt 115 ist das Segel 103 über das Haltemittel 113 mit dem Halter 101 verbunden und entsprechend in seiner vertikalen Position gesichert.

Vorliegend ermöglicht das Haltemittel 113 eine Rotation des Segels 103, so dass das Segel 103 sich unter dem Halter 101 drehen kann, um sich in eine jeweilige Windrichtung auszurichten.

An einem ersten Verbindungspunkt 117 ist das Segel 103 durch das erste Verbindungsmittel 109, mit dem ersten Generator 105 verbunden und dadurch innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsraums relativ zu dem ersten Generator 105 gesichert.

An einem zweiten Verbindungspunkt 119 ist das Segel 103 durch das zweite Verbindungsmittel 111 , mit dem zweiten Generator 107 verbunden und dadurch innerhalb eines vorgegebenen Bewegungsraums relativ zu dem zweiten Generator 107 gesichert.

Der erste Generator 105 und der zweite Generator 107 sind auf einem Fixationselement 121 beabstandet von einer Bodenplatte 123 angeordnet, so dass das Segel 103 bei einem vorgegebenen Abstand zu dem ersten Generator 105 und dem zweiten Generator 107 einen Abstand zur Bodenplatte 123 hat und aufgrund dieses Abstands besonders Windstärke Luftschichten erreicht.

Vorliegend ist die Windkraftanlage 100 mit einem Stromabnehmer 125, wie bspw. einer Batterie oder einem Trafo zur Netzeinspeisung verbunden. Entsprechend wird durch den ersten Generator 105 und den zweiten Generator 107 erzeugter elektrischer Strom in den Stromabnehmer 125 geleitet und dort gespeichert oder weitergeleitet.

Wenn eine Windböe das Segel 103 bewegt, bewegen sich der erste Verbindungspunkt 117 und der zweite Verbindungspunkt 119 relativ zu dem ersten Generator 105 und dem zweiten Generator 107. Diese Bewegung wird durch das erste Verbindungsmittel 109 auf den ersten Generator 105 und durch das zweite Verbindungsmittel 111 auf den zweiten Generator 107 übertragen. Dazu können das erste Verbindungsmittel 109 und das zweite Verbindungsmittel 111 jeweils ein Seil umfassen, das durch die Bewegung von einem Lager, wie bspw. Welle abgerollt wird.

Durch die Bewegung der Seile des ersten Verbindungsmittels 109 und des zweiten Verbindungsmittels 111 können der erste Generator 105 und der zweite Generator 107 direkt angetrieben werden. Alternativ kann die Bewegung der Seile des ersten Verbindungsmittels 109 und des zweiten Verbindungsmittels 111 in mindestens eine Rückholfeder übertragen werden, so dass die Rückholfeder sich spannt, wenn sich der erste Verbindungspunkt 117 von dem ersten Generator 105 bzw. der zweite Verbindungspunkt 119 von dem zweiten Generator 107 weg bewegt.

Sobald die Windböe nachlässt, bewirkt die Spannung der Rückholfeder eine Rückstellbewegung des Segels 103, bei der die Seile auf das Lager aufgewickelt werden und die in der Rückholfeder gespeicherte Energie frei wird. Diese freiwerdende Energie wird nun bspw. direkt oder über eine Übersetzung, insbesondere über ein Schwungrad, zum Antreiben des ersten Generators 105 und des zweiten Generators 107 verwendet. Dabei können das erste Verbindungsmittel 109 und das zweite Verbindungsmittel 111 optional jeweils einen Freilauf umfassen, der eine Bewegung zum Antreiben des ersten Generators 105 und des zweiten Generators 107 von einer Bewegung des ersten Verbindungspunkts 117 und des zweiten Verbindungspunkts 119 von dem ersten Generator 105 bzw. dem zweiten Generator 107 weg, voneinander entkoppelt und, dadurch bedingt, eine freie und besonders starke Bewegung des Segels 103 beim Aufnehmen einer Windböe ermöglicht. Durch diese Starke Bewegung kann bspw. ein Schwungrad mit einem besonders starken Kraftimpuls beaufschlagt werden, so dass eine Energieausbeute aus einer Windböe maximiert wird.

In Figur 2 ist die Windkraftanlage 100 in einer Seitenansicht dargestellt. Hier sind die Biegung des Halters 101 und die Anbindung des Segels 103 an den Halter 101 mittels des Halteelements 113, das vorliegend beispielhaft als Drehachse ausgestaltet ist, besonders gut zu erkennen.

In Figur 3 ist eine weitere Ansicht der Windkraftanlage 100 dargestellt. Hier ist die Form des Segels 103, das vorliegend ein besonders bauchiger und leichter Spinnaker ist, besonders gut zu erkennen. Die mit dem Zeichen „X“ markierte Stelle ist in Figur 4 im Detail dargestellt.

In Figur 4 ist die Verbindung des ersten Verbindungspunkts 117 zu dem ersten Generator 105 mittels des ersten Verbindungsmittels 109 besonders gut erkennbar. In einem Beispiel ist der Halter 101 ca. 4,3 Meter hoch und das Fixationselement 121 bzw. die Bodenplatte 123 ca. 3,5 Meter breit und das Segel 103 ca. 10 Quadratmeter groß.

Das erste Verbindungsmittel 109 umfasst hier beispielhaft ein Seil 401 , das auf einem Lager 403 aufgerollt und mit dem ersten Verbindungspunkt 117 des Segels 103 verbunden ist. Durch eine Auslenkbewegung des Seils wird eine in dem Lager 403 aufgerollte mechanische Feder gespannt. Bei einer Rückstellbewegung wird die in der mechanischen Feder gespeicherte Energie auf eine Welle bzw. einen Rotor des ersten Generators 105 übertragen, so dass der erste Generator 105 elektrischen Strom erzeugt.

Der erste Generator 105 ist auf dem Fixationselement 121 fixiert.

In Figur 5 ist die Windkraftanlage 100 mit einem Halter 500 dargestellt. Der Halter 500 umfasst eine U-förmige gebogene Anordnung von bspw. Metallstangen. Dabei umgibt der Halter 500 einen Bewegungsraum des Segels 103, so dass das Segel 103 nicht mit dem Halter 500 kollidieren kann.

Der Halter 500 ist aufgrund seiner zwei Anbindungspunkte mit dem Boden besonders robust und ermöglicht einen Betrieb der Windkraftanlage auch bei hohen Windgeschwindigkeiten.

In Figur 6 ist ein Verfahren 600 zum Umwandeln von Windkraft in elektrische Energie dargestellt.

Das Verfahren 600 umfasst einen Anordnungsschritt 601 , bei dem ein Haltepunkt eines Segels an einem Halter mittels eines Haltemittels angeordnet wird, wobei das Segel an dem Halter drehbeweglich gehalten wird.

Weiterhin umfasst das Verfahren 600 einen ersten Verbindungsschritt 603, bei dem ein erster Verbindungspunkt des Segels mittels eines ersten Verbindungsmittels mit einem ersten Generator verbunden wird, so dass der erste Generator durch eine Bewegung des zweiten Endes relativ zu dem ersten Generator angetrieben wird.

Weiterhin umfasst das Verfahren 600 einen zweiten Verbindungsschritt 605, bei dem ein zweiter Verbindungspunkt des Segels mittels eines zweiten Verbindungsmittels mit einem zweiten Generator verbunden wird, so dass der zweite Generator durch eine Bewegung des dritten Endes relativ zu dem zweiten Generator angetrieben wird.