DE3729087A1 - Ballon wind-kraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wind-Kraftwerk, um die Wind-Kraft in elektrische Energie umzusetzen, bestehend aus einem strom­ linienförmigen Ballon, mit einem Kabel an den Boden gefesselt, eine Anzahl von Windturbinen tragend vom kompakten Aufbau mit senkrechter Achse und aus einem elektrische Energie erzeugen­ den Kraftwerk, während die Leistung der Windturbinen über­ tragen wird zu diesem Kraftwerk durch Druckluft.

Bekannt sind mehrere Vorschläge mittels Ballons Windturbinen der Type mit waagerechter Achse in die höhere Atmosphäre zu versetzen, wo stärkere Winde bestehen und sehr hohe Ausgangs- Leistungen erwartet werden können.

In der Bundes-Republik-Deutschland bestehen folgende Ver­ öffentlichungen von Patent-Anmeldungen:

• 1. DE 30 29 172 A1
• 2. DE-OS 25 24 360
• 3. DE 31 20 997 A1

Die Anmeldung 1., 2. zeigen einen stromlinienförmigen Ballon, welcher entweder eine Propeller-Windturbine vorn vor dem Ballon hat 1., oder eone vorn und eine andere hinten 2. Weil aber nur eine oder zwei Windturbinen eingebaut sind, muß die Größe dieser Propeller beträchtlich sein um erwünschte große Beträge von Leistung zu gewinnen aus der vorhandenen hohen Wind-Energie. Auch ein zweiter Propeller hinten arbeitet in einer gestörten und gelösten Strömung, dadurch mit ver­ ringertem Wirkungsgrad. Die großen Propeller-Durchmesser und daher Blattlängen führen viele ernste Spannungs-Probleme ein, nicht gelöst jetzt. In der Anmeldung 3. wird ein stromlinien­ förmiger Ballon beschrieben, welcher eine Anzahl von Wind angetriebenen Propellern mit waagerechter Achse hat, ange­ ordnet entlang dem Ballon-Umfange und befestigt auf Trägern, welche radial von der Ballon-Oberfläche herausragen.

In dieser Anordnung ist nicht jeder Propeller angeschlossen an einen elektrischen Generator, sondern an eine viel leich­ tere Flüssigkeits-Pumpe um die Masse an den Träger-Enden zu verringern. Trotz dieser Verbesserung führt dieser Propeller- Einbau allgemein zu gefährlichen Problemen der dynamischen Instabilität und Ausfall unter den erwarteten starken Wind- Bedingungen. Auch erfordern diese Propeller mit großem Durch­ messer und einer Schnellaufzahl von 7, während Wind-Geschwin­ digkeiten in der höheren Atmosphäre 500 km/h als Spitze sein können, komplexe Kontroll-Einrichtungen. Die Fliehkraft und unregelmäßigen Biege-Kräfte, auf die schweren Propeller-Blät­ ter einwirkend, können Schwingungen und Spannungs-Belastungen auch in der Befestigung und Ballon-Träger einführen.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es diese Mängel von großen von Wind getriebenen Propellern mit waagerechter Achse be­ sonders in starken Winden zu vermeiden und ein Ballon-Wind- Kraftwerk zu schaffen, welches Windturbinen von robustem Auf­ bau trägt, mit verminderten komplexen Kontroll-Systemen, mit höherer Zuverlässigkeit und weniger Instandhaltung. Somit mehr geeignet um zum Beispiel in den Düsen-Strömungen der höheren Atmosphäre zu arbeiten. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, beizutragen zur Auftriebs-Fähigkeit des Ballons, welcher die gewöhnlichen Kontrollflächen für Stabilität hat, durch Einbau von zusätzlichen Auftrieb erzeugenden Flächen. Somit wird die Auftriebs-Fähigkeit von Gas in dem Ballon durch aero­ dynamischen Auftrieb, welcher veränderlich ist, um die Arbeits­ höhe des Ballon-Wind-Kraftwerks zu wählen, wo geeignete Wind- Bedingungen vorhanden sind, zu einem gewissen Grad. Gemäß der Erfindung werden diese Aufgaben erreicht durch die Verwendung von Windturbinen der senkrecht Achse Type, welche kompakte und robuste Rotoren hat mit verbessertem Aufbau, denen zu Grunde liegt die folgenden US-Patente:

• 32 03 182 (Transversal Flow Turbine)
• 41 50 580 (Wind-Turbines)

und getragen werden durch einen halbstarren stromlinienförmigen Ballon, welcher versehen ist mit besonderen Auftrieb erzeugenden Flächen, wobei auch abgeänderte Formen von Tragflügeln verwen­ det sind. Die Windturbinen, jede zwei Reihen von Rotoren umfas­ send, aufgebaut als eine Einheit, sind starr befestigt entlang dem Umfange am größten Ballon-Durchmesser in radialer Richtung und auch bei einer abgeänderten Ballonform in tangentialer Richtung entlang diesem Umfange. Betreffend einen Ballon, ver­ sehen mit abgeänderten Tragflügeln, sind die Windturbinen-Ein­ heiten befestigt unterhalb des Tragflügels. Um die komplexe mechanische Kraft-Übertragung von der Windturbine zum elek­ trischen Generator zu vermeiden, mit langen Antriebs-Wellen, Lagern und Getrieben, wird Druckluft verwandt als Übertra­ gungs-Mittel, und Luft-Verdichter verwendet, direkt ange­ schlossen an die Windturbinen und Luftturbinen-Antrieb für den elektrischen Generator.

Die Erfindung wird beschrieben und erklärt mit Beziehung auf die folgenden Zeichnungen

Fig. 1 Vorder-Ansicht des Ballons mit senkrechter Achse Windturbine angeordnet in radialer Richtung,

Fig. 2 Querschnitt-Ansicht des Ballons von Fig. 1,

Fig. 3 Vorder-Ansicht eines Ballons mit abgeänderten Tragflügeln und senkrecht Achse Windturbinen unterhalb angeordnet,

Fig. 4 Draufsicht des Ballons von Fig. 3,

Fig. 5 Vorder-Ansicht eines Ballons mit senkrecht Achse Windturbinen angeordnet in tangentialer Richtung,

Fig. 6 eine Seiten-Ansicht des Ballons von Fig. 5 zeigend Querschnitte der Rotor-Einbauten.

In Fig. 1 wird gezeigt die Vorder-Ansicht eines halb-starren Ballons, welcher Einheiten der senkrecht Achse-Windturbine 4 hat, angeordnet auf der Ballon-Oberfläche in radialer Richtung entlang dem Umfang am größten Ballon-Durchmesser. Eine Wind­ turbinen-Einheit 4 besteht aus zwei Reihen Rotoren 5 und 6, welche vorne wind-ableitende Abschirmung 7 haben. Die Aufbauten aller Windturbinen sind verstärkt und verbunden durch ein Stütz- System von leichten Längsträgern 8. Ein Hauptträger-Ring 2, ver­ stärkend diesen Teil des Ballon-Anbaus, ist die Befestigung- Basis für alle Windturbinen-Einheiten. Eine Turbinen-Einheit treibt einen Luft-Verdichter der Kolben-Type 9 an, während drei Luft-Verdichter die Druckluft-Leitung 10 benutzen. Ein gemein­ samer Luft-Einlaß für die Luft-Verdichter 9 ist angeordnet an der vorderen Spitze des Ballons 1.

Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt des Ballons die Anordnung der Windturbinen und des Kraftwerks. Die Stellung der Windturbinen- Einheit 4 auf dem Ballon 1, mit der Reihe von Rotoren 6 und der Wind ableitenden Abschirmung 7 können gesehen werden, auch das Stütz-System von leichten Längsträgern 8 befestigt auf dem Hauptträger-Ring 2. Die Druckluft-Leitung 10 vom Luft-Verdichter 9 kommend ist angeschlossen an den zentralen Druckluft-Tank 12. Die nahe Maschinenhalle 13 ist der Ort für die elektrische Kraft-Anlage, umfassend einen Druckregler 14, eine Luftturbine 15, einen elektrischen Generator 16 antreibend, und andere Hilfs-Ausrüstung. An einer Kontroll-Wand 17 sind eingebaut Instrumente, automatische Kontroll-System und elektronische Ausrüstung für die optimale und sichere Arbeitsweise des Kraft­ werkes und der Windturbinen, und um dynamische Stabilität des Ballons zu sichern. Auch angezeigt ist der gemeinsame Luft-Ein­ laß 11 mit dem folgenden Luft-Verteiler-System, führend zu den Luft-Verdichtern 9. Weiterhin können gesehen werden die Kontroll­ flächen für Stabilität und Auftrieb 18 hinten an dem Ballon und vorn 3. Das Kabel 20 umfaßt das Stahl-Halteseil für den Ballon, die elektrische Energie-Leitung, Telephon-Verbindungen und wo­ möglich eine Gas-Nachfülleitung für den Ballon.

Fig. 3 ist die Vorder-Ansicht einer Abwandlung des Ballon- Kraftwerks. Das Haupt-Träger-System 22 des Ballons 21 ist ver­ längert an beiden Seiten um abgeänderte robuste Tragflügel 25 zu formen, wo nur die obere Fläche aerodynamisch gekrümmt ist um Auftrieb zu erzeugen. Unterhalb dieser abgeänderten Trag­ flügel sind kompakte Einbauten von senkrecht Achse-Windtur­ binen 26, von demselben Aufbau wie in Fig. 1 (4). In der Mitte des Haupt-Trägersystems 22 ist angezeigt ein Druckluft-Tank 24 und eine Maschinenhalle 23. Gezeigt sind auch die Luft-Einlässe 27 und die Kontroll-Flächen 30 vorn am Ballon.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Ballon 21, anzeigend das zentrale Trägersystem 22 und die Lage des Luftdruck-Tanks 24 und der Maschinenhalle 23. Zwei Tragflügel erstrecken sich auf beiden Seiten des Ballons vom zentralen Trägersystem 22 aus. Die Lage der senkrecht Achse Windturbinen 26, befestigt unterhalb der Tragflügel ist auch angezeigt. Die dynamische Stabilität des Ballons ist gesichert durch die Kontroll-Flächen 28, 29 hinten und vorn 30 und zusätzlich durch Betätigung der Klappe 31 am äußeren Ende des Tragflügels. Die größeren Kon­ troll-Flächen 32 am Tragflügel können die Fähigkeit der Auf­ triebs-Erzeugung ändern. Der Ballon 21 ist an den Boden ge­ fesselt durch das Kabel 33.

Fig. 5 zeigt die Vorder-Ansicht des Ballons 34 mit senkrecht Achse-Type Windturbinen 35 angeordnet entlang dem Umfange des Ballons und befestigt in tangentialer Richtung zum Umkreis beim größten Ballon-Durchmesser. Angezeigt sind die Luft-Ver­ dichter 36 angetrieben durch die Windturbinen 35 und die Luft- Einlässe 37 zusammengefaßt in einer kompakten Einheit 38. Ge­ zeigt ist auch die Kontroll-Fläche 39 vorn am Ballon.

Fig. 6 stellt vor in einer Seiten-Ansicht des Ballons 34 die Lage der Windturbinen 35 und der kompakten Einheiten 38 mit den Luft-Verdichtern 36. Die vordere Hälfte des Ballons ist aufgebaut mit einer starren Hülle mit dem Querschnitt eines Vielecks und flachen Oberflächen. So wird die Luft-Strömung zu den Windturbinen hingeleitet in offenen Kanälen. Diese werden gebildet duch die flachen Oberflächen 40 vor den Windturbinen 35 und durch die kurzen Seitenwände 41. In dem Querschnitt ent­ lang A-B der Fig. 5 können hier gesehen werden die Einbauten der Windturbinen-Rotoren 42 auf dem tragenden Ring-Träger-System 43. Angezeigt ist die Lage der Turbinen-Rotoren 42 in Beziehung zu der Neigung der flachen Oberflächen 40, die Luft-Strömung tangential zu den Turbinen-Rotoren leitend. Die Fläche 39 vorn, für zusätzliche Kontrolle der Stabilität muß sorgfälltig ausge­ legt werden um nicht die Luftströmung zu den Turbinen zu stören 35.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung werden wie folgt er­ klärt: Das Ballon-Wind-Kraftwerk ist ausgerüstet mit außerge­ wöhnlich robusten Windturbinen. Diese senkrecht Achse Wind­ turbinen sind verbunden mit einer elektrischen Kraftanlage und werden aufwärts getragen in einem halb-starren stromlinien­ förmigen Ballon um die hohe Windenergie zu gewinnen, vorherr­ schend in der höheren Atmosphäre, besonders in den Düsenströ­ mungen. Die Einbauten dieser Windturbinen werden geändert ge­ mäß veränderter Ballon-Träger-Systeme, aber der allgemeine Vorteil von sicherer und beständiger Arbeitsweise der Windtur­ bine bleibt erhalten, besonders durch die Verwendung einer neuen Rotorform der senkrecht Achse Windturbine. Solch ein einzelner Rotor in freilaufender Arbeitsweise hat einen ge­ ringeren Wirkungsgrad als eine Propeller-Type, aber die Bil­ dung von Rotor-Doppelreihen mit einer den Wind ableitenden Abschirmung vorn verbessert den Wirkungsgrad beträchtlich, welcher weiterhin erhöht wird durch die Krümmung der Ballon- Hülle vorn vor den Wirnturbinen, somit die Wind-Geschwindig­ keit beschleunigend.

Der Querschnitt dieser hoch ausgebildeten Rotor-Type, in Er­ scheinung wie ein drei-zackiger Stern, zeigt zweckmäßig ge­ krümmte Seitenlinien, so daß sich schlanke Rotor-Flügel ergeben, herausragend aus einem massiven Mittelteil um einen sehr ro­ busten Rotor-Körper zu formen. Der verhältnismäßig kleine Rotor-Durchmesser, auch bei Größen für hohe Leistung, und die geringen Massen an den Rotor-Flügel-Spitzen, welche mit einer niedrigen Schnellaufzahl von ungefähr 2 arbeiten, er­ lauben hohe Drehzahlen ohne Zusammenbruch in starken Winden. Die Windturbine kann frei-laufend betrieben werden, ohne den Gebrauch von Bremsen oder Abschalt-Einrichtungen, und ohne jede Regelung für konstante Drehzahl, weil sie direkt gekoppelt sind ohne Getriebe, an Luftverdichter der Kolben-Type. Der Ge­ brauch von Druckluft vereinfacht die Kraft-Übertragung von den Windturbinen zum elektrischen Haupt-Generator, umfassend nur kompakte Einbauten von Luft-Verdichtern, Leitungen und einen Druckluft-Tank, ohne jede andere sich bewegende Teile, während der Druckluft-Tank als Ausgleich für unregelmäßigen Luftzufluß von den Luft-Verdichtern dient. Ein Regler für konstanten Druck liefert die Druckluft für eine Luft-Turbine mit konstan­ ter Drehzahl, welche den elektrischen Haupt-Generator antreibt. Der Gebrauch von Druckluft als Mittel der Kraft-Übertragung hat mehr Wirkungsgrad-Verluste zur Folge im Vergleich mit höherem Wirkungsgrad der mechanischen Antriebe. Aber Teil die­ ser Verluste in Form von Verdichtungs-Wärme von den Luft-Ver­ dichtern kann wieder nützlich werden in einem Enteisungs- System für den Ballon. Die Betriebs-Sicherheit des Ballon- Wind-Kraftwerkes ist andererseits verbessert in der Weise, daß die Windturbinen Teil eines starren Träger-Systems sind, wel­ ches die Gefahr eines Material-Fehlers und Zerstörung geringer macht. Ein anderes Merkmal ist die Größe der Stabilitäts-Kon­ trollflächen, welche vergrößert sind und geformt um aerodyna­ mischen Auftrieb zu erzeugen, zusätzlich zu dem Gas-Auftrieb in dem Ballon. Im äußersten Falle, wenn kurze abgeänderte Trag­ flügel an den Ballon zugeführt werden, erhält das Ballon-Wind- Kraftwerk eine neue Eigenschaft. Nun kann die Arbeits-Höhe, wo geeignete Wind- und Wetterbedingungen vorhanden sind, auto­ matisch gewählt werden. Die aerodynamischen Auftrieb erzeugen­ den Vorrichtungen, Flächen und Klappen, können die gesamt Auftriebs-Fähigkeit des Ballons vergrößern oder vermindern. Andererseits kann der beständige leichte Verlust von Gas, so­ mit von Höhenverlust, ausgeglichen werden durch Erhöhung des aerodynamischen Auftriebes.

Claims (7)

1. Ein Ballon-Wind-Kraftwerk, arbeitend in der höheren Atmosphäre und an den Boden gefesselt mit einem Kabel, umfassend einen stromlinienförmigen Ballon und ein elektrische Energie erzeu­ gendes Kraftwerk und Einbauten von Windturbinen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß diese Windturbinen von der senkrecht Achse Type sind und tangential angeströmte kompakte Rotoren in der Form eines schlanken Prismas haben, wobei die Seitenflächen solcher Rotoren in Windrichtung gekrümmt sind in einer konvexen und konkaven Weise.

2. Wind-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Windturbinen der senkrecht Achse Type angeordnet sind entlang dem Umfange am größten Ballon-Durchmesser und be­ festigt auf der Ballon-Oberfläche in radialer Richtung.

3. Wind-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Windturbinen der senkrecht Achse Type angeordnet sind entlang dem Umfange am größten Ballon-Durchmesser und be­ festigt in tangentialer Richtung entlang dem Umkreis am größten Ballon-Durchmesser.

4. Wind-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser stromlinienförmige Ballon versehen ist mit Auftrieb erzeugenden Flächen und Träger-Systemen, abgeänderte Trag­ flügel bildend.

5. Wind-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser stromlinienförmige Ballon, versehen mit Träger-Systemen abgeänderte Tragflügel bildend Windturbinen der senkrecht Achse Type hat, angeordnet senkrecht unterhalb dieser Träger- Systeme.

6. Wind-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser stromlinienförmige Ballon, versehen mit Träger-Systemen abgeänderte Tragflügel bildend Windturbinen der senkrecht Achse Type hat, angeordnet waagerecht unterhalb dieser Träger- Systeme.

7. Wind-Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ballon-Wind-Kraftwerk, arbeitend mit Windturbinen der senkrecht Achse Type Luft als Mittel der Kraft-Übertragung gebraucht und umfaßt ein System von Luft-Verdichtern, Luft- Turbinen mit konstanter Drehzahl und einem elektrischen Haupt-Generator.