EP2682692A1

EP2682692A1 - Schneeerzeuger

Info

Publication number: EP2682692A1
Application number: EP12174695.2A
Authority: EP
Inventors: Phillip Skacel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-08

Abstract

Ziel der Erfindung ist es, einen Schneeerzeuger, der nur ca. 400 bis 500 Betriebsstunden pro Jahr genutzt wird, während der inaktiven Zeit als Windkraftanlage zu nutzen. Skigebiete sind heutzutage schon beinahe flächendeckend mit Beschneiungsanlagen ausgerüstet. Ein Großteil der Pisten liegt in windexponiertem, alpinem Gelände, das sich ideal für die Nutzung der Windenergie anbietet. Es ist also naheliegend, diese ungenutzten Ressourcen ohne großen Aufwand zur Energiegewinnung zu nutzen. Die benötigte Infrastruktur ist in den Skigebieten bereits großteils vorhanden und benötigt nur minimale Anpassungen für die Einspeisung des erzeugten Stromes. Eine Windkraftanlage als Schneeerzeuger zu nutzen bringt einerseits große ökonomische Vorteile und andererseits enorme CO2 Einsparungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Propellerkanone (Schneeerzeuger), die als Windkraftanlage genutzt werden kann, sowie eine Windkraftanlage, die zur Erzeugung von Schnee genutzt werden kann.

Stand der Technik bei Schneeerzeugern:

Schneeerzeugung:

Die Entstehung von Schnee ist bestens erforscht und dokumentiert. Natürlicher Schnee entsteht in der Atmosphäre durch unterkühlte, kleinste Flüssigkeitströpfchen in einer an Luftfeuchtigkeit ungesättigten Luft. An Kristallationskeimen verwandelt sich das flüssige Wassertröpfchen unter Abgabe von Verdunstungswärme in ein kristallines Gebilde. Ist die Luftfeuchtigkeit nicht gesättigt und sind genug kleinste, unterkühlte Wassertröpfchen, die an dem neu gebildeten Eiskristall andocken können, vorhanden, wird ein Kristallwachstum stattfinden. Bei ausreichender Verweilzeit in diesen Umweltbedingungen entstehen mehr oder weniger große sechseckige, dendritische Schneekristalle. In der natürlichen Umgebung beginnt dieser Kristallisationsprozeß normalerweise erst bei Temperaturen von unter -15°C bis -40°C, in Abhängigkeit der Luftfeuchte, Luftreinheit und dem Luftdruck.
Bei der Erzeugung von "Maschinenschnee" bzw. bei der Beschneiung von Schipisten will man bereits bei möglichst "hohen" Temperaturen, d. h. bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt, mit der Schneeproduktion beginnen. Dabei wird das "natürliche Verfahren" folgendermaßen modifiziert: Damit bei möglichst hohen Temperaturen (knapp an den Gefrierpunkt) geschneit werden kann, wird mittels Druckluft und einer Düse eine expandierte Luftwolke erzeugt. Diese expandierende Luft kühlt sich durch Expansion ab (Joule-Thomson-Effekt). Die Abkühlung ist umso stärker, je größer das Druckgefälle ist. Normalerweise wird der Druckunterschied mit Kompressoren erzeugt, kann aber auch mit Hilfe der Strömungstechnik (Diffusor, Lavaldüsen, Venturikanal, etc.) erzeugt werden.
In diese kalte, sich ausdehnende Luftwolke werden möglichst kleine Wassertröpfchen (übliche Größe < 0,05 mm Durchmesser) injiziert. Da die Temperatur in der Luftwolke unter -15°C liegt und durch die Ausdehnung ein ungesättigter Zustand vorliegt, findet das Wassertröpfchen genau diese Bedingungen vor, die nötig sind, um zu kristallisieren. Die Moleküle im Wassertröpfchen verlieren an Energie und bilden ein Kristallgitter. Es entstehen kleinste plättchenförmige Eiskristalle, sogenannte Eismoleküle (auch Nukleide genannt). Diese Eismoleküle dienen als Kristallkatalysatoren. Berühren sich Nukleid und Wassertröpfchen, bzw. injiziert man dieses Eisnukleid in ein unterkühltes, in der Größe um ein vielfaches größeres Wassertröpfchen, und sind die Luftfeuchte und Lufttemperatur im Umfeld des Tröpfchens gering genug, kippen die Moleküle des großen Tropfen unter Abgabe von Wärme in ein Kristallgitter und es entsteht ein plattenähnlicher Schneekristall. Damit dieser Schneekristall ausreichend "durchfrieren" kann, muss er ausreichend lange in der kalten und ungesättigten Umgebungsluft verweilen. Durch Abkühlung und Verdunstung wird das Wassertröpfchen allmählich durchfrieren und vollständig in einen Schneekristall umgewandelt.
Für die technische Pistenbeschneiung haben sich zwei Arten von Apparaten, die die o. beschriebenen Verfahren verwirklichen, durchgesetzt:

1. Propellermaschinen:

Diese Maschinen bestehen im wesentlichem aus einem mehr oder weniger zylindrischen Rohr, an dessen einen Ende ein Ventilator Luft ansaugt. Am anderen Ende befindet sich ein Düsensystem mit Nukleatordüsen (Mischdüsen, die die Eismoleküle erzeugen) und Wasserdüsen, aus denen größere Wassertröpfchen austreten. In dieses Wassertröpfchen werden die Nukleide injiziert und es entstehen Schneekristalle. Der Ventilator erzeugt einen ausreichend starken Luftstrom, der die Wassertröpfchen, bzw. Eiskristalle weit genug auswirft, damit die Verweilzeit groß genug wird und die Tröpfchen , bzw. Kristalle durchfrieren können. Ein Kompressor, der an der Propellermaschine aufgebaut ist, erzeugt an der Maschine, die für die Herstellung der Eisnukleide notwendige komprimierte Luft.
Eine Steuereinheit mit Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windrichtung, Windstärke, Wassertemperatur und Wasserdruck regelt das Wasser/Luftverhältnis, sowie Start- und Stopfunktion und dgl.
Die Propellmaschinen werden auf stationären Türmen, oder mobilen Trag- oder Fahrgestellen aufgebaut.

2. Schneilanzen:

Auf einem senkrechten Rohr befinden sich eine Anzahl von Düsen, die aus Luft- bzw. Nukleatordüsen (dies sind Luft/Wasser-Mischdüsen) und Wasserdüsen bestehen.
Die Düsen sind so angeordnet, dass der Strahl der Nukleatordüse in den Strahl der Wasserdüse gerichtet ist und somit die Nukleide in die Wassertröpfchen injiziert werden. Die Kristallisation der Wassertröpfchen beginnt unmittelbar nachdem sich beide Strahlwolken vermischt haben. Durch die große Fallhöhe können die Kristalle ausfrieren.
Durch das gruppenweise zu- und wegschalten der Wasserdüsen, kann das Luft-/Wassergemisch geregelt werden. Ein Kompressor (an der Lanze oder ein Zentralkompressor) liefert die benötigte Druckluft.

Stand der Technik bei Windkraftanlagen

Es gibt viele verschiedene Arten von Windkraftanlagen. Wir beschäftigen uns nur mit Windkraftanlagen (WKA) mit horizontaler Achse.
Herzstück einer WKA ist der Rotor zur Wandlung der Windenergie in mechanische Rotationsenergie. Heute dominieren Luvläufer, bei denen der Rotor in Windrichtung vor dem Turm läuft. Schnellläufige Rotoren für stromerzeugende WKA werden in der Mehrzahl mit drei Flügeln gebaut. Es gibt aber auch Anlagen mit abweichender Rotorzahl. Als Beispiel seien hier 2-Flügler wegen der geringeren Kosten in der Herstellung angeführt.
Es gibt WKA mit konstanter und variabler Drehzahl. Vorteil der drehzahlvariablen WKA ist, dass man über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten im aerodynamisch optimalen Bereich fahren kann. Allerdings benötigen diese für die frequenzkonstante Netzeinspeisung einen erheblichen Aufwand für elektrische Konverter.
Zur Leistungsbegrenzung werden zwei unterschiedliche Konzepte genutzt. Das einfachere Konzept begrenzt die Leistung durch Strömungsabriss (Stall-Effekt) am Rotorblatt. Das zweite verwendete Konzept beruht auf einer Verstellung des Rotorblattes um seine Längsachse (Pitch).
Die Profile der Rotorblätter werden überwiegend aus GFK bzw. CFK laminiert. Es werden meist unterschiedliche Profile im Außen- bzw. Innenbereich eingesetzt. Auf den Flügeln applizierte Strömungselemente sorgen für definierte Strömungszustände trotz schwankender Windgeschwindigkeiten.
Für den Antrieb der Blattwinkelverstellung stehen mechanische, hydraulische oder elektrische Systeme zur Verfügung.
Bei der Anordnung der Komponenten im Triebstrang gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten und zwar die integrierte und die aufgelöste Bauform. Als Mischform gibt es teilintegrierte Bauformen. Als Getriebe werden hauptsächlich Stirnradgetriebe, Planetengetriebe (ab 500 kW) und neuerdings auch hydrodynamische Wandler eingesetzt. Die Kupplung zwischen Hauptwelle und Getriebe ist wegen der enormen Drehmomente eine starre Kupplung. Es sind zwei unabhängige Bremssysteme vorgeschrieben, wovon mindestens eines aerodynamisch wirken muss (Stall: verdrehbare Blattspitzen; Pitch: Verdrehung des gesamten Rotorblattes). Als zweites Bremssystem sind mechanische Scheibenbremsen üblich.
Von Bedeutung für den Generator, ist in erster Linie die Polzahl, aus der die geforderten Betriebsdrehzahlen resultieren. Bei netzgeführten Asynchron-Generatoren sind 4-, 6- oder 8-polige Bauarten gebräuchlich.
Für die Windnachführung von Horizontalachsenanlagen können als passive Systeme selbständiger Nachlauf von Leeläufern und Windfahnen bei Luvläufern unterschieden werden, als aktive Systeme z.B. Seitenrad und Giermotoren (auch Azimutmotoren genannt). Zur gezielten Wärmeabfuhr werden spezielle Lüftersysteme dimensioniert. Es existieren meist noch separate Kühlaggregate für einzelne Komponenten (Getriebe, Generator,...). Ebenso gibt es Heizungen, um bei Kälte eine einwandfreie Funktionstüchtigkeit zu gewährleisten (Getriebeöl, Schaltschränke, Rotorblattheizung, ...). Als Blitzschutz befinden sich meist Rezeptoren auf den Rotorblättern, um den Blitz gezielt einzufangen, und somit eine gezielte Ableitung der Ströme zu gewährleisten. Es befinden sich unterschiedliche Sensoren auf der WKA, um meist folgende Größen laufend zu erfassen:

Windgeschwindigkeit und -richtung
Drehzahl des Rotors und des Generators
Temperaturen
Öldruck
Pitch- und Azimutwinkel
Elektrische Größen
Vibrationen und Gondelschwingung

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Propellermaschine während der inaktiven Zeit als Windkraftanlage zu nutzen, bzw. eine Windkraftanlage für ca. 400-500 Stunden als Propellerkanone zu nutzen. Da Schneekanonen hauptsächlich im alpinen Gelände aufgestellt sind, wo erfahrungsgemäß günstigere Windverhältnisse herrschen als im Tal, und die Infrastruktur für Strom, Anbindung zur Einspeisung des erzeugten Stroms usw. bereits vorhanden ist, bietet sich diese Lösung an.

Erfindungsgemäße Lösung

In einer Vorrichtung wird ein Rotor (1) in einem Gehäuse (2) untergebracht. In Achsrichtung befindet sich eine Wasserzerstäubungseinheit (3) (ein Düsenring mit mehreren Düsen für Nukleatoren und Düsen für Wasser oder eine Düsengruppe mit Wasser- u. Nukleatordüsen). Der Rotor (1) ist über eine Rotorwelle (9) mit einem Generator/ Motor (4) verbunden, der die Drehbewegung des Rotors in elektrische Energie umwandelt. Der Anstellwinkel der Rotorblätter kann so verändert werden (Pitch-Regelung), dass die Rotorblätter sowohl als Ventilator als auch als Windrad verwendet werden können. Bei der Stromerzeugung wirkt der Rotor als Windrad. Damit der Staudruck im Gehäuse minimiert wird, ist das Gehäuse mit einer Öffnungsvorrichtung(5) (Dreh-, Schiebe-, Klappmechanismus) ausgerüstet. Durch diese Vorrichtung werden große Flächen des Gehäuses (2) geöffnet. Damit wird gewährleistet, dass der Luftstrom mit wenig Widerstand durch das Gehäuse (2) strömen kann.
Zur Ausrichtung des Rotors in den Wind, sind Windmesseinrichtungen (6) für Richtung und Stärke vorzusehen, die ein aktives Nachführsystem (Azimutmotor)(7) steuern.
Der Rotor (1) erzeugt bei genügend Windgeschwindigkeit ein ausreichend großes Drehmoment, damit über die Rotorwelle (9) der Generator (4) angetrieben werden kann. Dieser erzeugt einen ungeregelten, elektrischen Strom, der in einem Konverter zu einem einspeisbaren Strom umgewandelt wird.
Bei der Schneeerzeugung werden die Rotorblätter als Ventilator genutzt. Dabei können die Rotorblätter soweit verstellt werden, dass sie als Ventilatorblätter verwendet werden können. Entweder fungiert der Generator als Motor oder es wird ein zusätzlicher Hilfsmotor (8) an der Welle angebracht. Optional kann die Drehgeschwindigkeit und somit die Wurfweite des Ventilators gesteuert werden. Damit der Luftstrom des Ventilators gebündelt wird, und damit eine größere Wurfweite erzielt wird, werden die Öffnungen des Gehäuses (2) geschlossen und somit eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Der Luftstrom umströmt die Wasser- und Nukleatordüsen und beschleunigt diese bzw. reißt die Wasser- und Eiskristalle mit. Ist die Feuchtkugel- und Wassertemperatur ausreichend niedrig, werden Schneekristalle entstehen. Durch die Fallhöhe und Wurfweite sind die Wassertropfen bzw. Kristallkeime ausreichend lange in der Luft, dass es durch Verdunstung zu einer ausreichenden Kristallisation der Teilchen kommen kann. Die Schneeproduktion entspricht der Schneeerzeugung mittels einer herkömmlichen Propeller-Schneemaschine. Das Nachführsystem kann bei Bedarf als Schwenkung genutzt werden, um so eine größere Fläche zu beschneien.
Die Vorteile liegen darin, dass man mit einer Einheit sowohl Schnee, als auch Strom erzeugen kann und somit eine ganzjährige Nutzung der Maschine vorliegt.

Claims

Vorrichtung, die sowohl als Windkraftanlage (WKA) als auch als Schneeerzeuger eingesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer gemeinsamen, mehr oder weniger konzentrischen Achse ein Flügelrad platziert ist, das sowohl als Windrad für die Stromerzeugung als auch als Ventilator für ein Düsensystem zur Erzeugung von Schnee genutzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblätter elektrisch oder mechanisch oder hydraulisch soweit verstellt werden können, dass sie sowohl als Ventilatorblätter für die Schneeerzeugung als auch als Antriebsblätter einer WKA eingesetzt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mit einer Öffnungsvorrichtung -ausgebildet als Dreh-, Schiebe- oder Klappmechanismus- ausgerüstet ist, wodurch große Flächen des Gehäuses geöffnet werden können, damit der Luftstrom mit wenig Widerstand durch das Gehäuse strömen kann.