BE1019714A3 - Windturbine met verticale as. - Google Patents

Abstract

Een turbine, bijvoorbeeld een windturbine, is voorzien van een rotor (1) met een verticale draai-as en een stelsel schermen (21,22) voor het geleiden van wind of fluïdum naar de rotor. De turbine is voorzien van een richtinrichting (27) voor het produceren van een richtingsignaal, en een middel (25,26) om het stelsel schermen te richten in afhankelijkheid van het richtingsignaal.

Description

Windturbine met verticale as.

De uitvinding heeft betrekking op een turbine voor aandrijving met een fluïdum met een rotor met een verticale draai-as voorzien van een fluïdumgeleider.

Dergelijke turbines zijn bekend van het verticale type, waarbij de draai-as verticaal georiënteerd is, en van het gebruikelijke horizontale type, waarbij de draai-as horizontaal georiënteerd is.

Fluïdum wordt hier gebruikt als gassen zowel als vloeistoffen. Een windturbine is een voorbeeld van een dergelijke turbine. Turbines kunnen ook door vloeistoffen worden aangedreven. Hier verder zal worden gesproken, bij wijze van voorbeeld, van windturbines. Het gebruikelijke type windturbine is een windturbine met horizontale draai-as. De bladen (wieken) van de windturbine draaien in een verticaal vlak en ondergaan tijdens de wentelingen grote variaties in de op een blad uitgeoefende krachten. De bladen draaien niet in een constant gravitatieveld maar de door de zwaartekracht en de centrifugale krachten op de bladen uitgeoefende krachten variëren tijdens een wenteling.

Windturbines van het verticale type, met een verticale draai-as zijn minder gebruikelijk, maar wel bekend.

De windturbines met verticale as zijn er in verschillende vormen; in een vorm zijn drie of meer bladen gemonteerd op een centrale draaiende as. De bladen kunnen inwaarts gekromd zijn uitgevoerd. Een voorbeeld van een dergelijk windturbine is bekend uit de UK octrooiaanvraag GB 2,434,703.

Een verder voorbeeld van een dergelijk type windturbine is bekend uit de Amerikaanse octrooiaanvraag US2004265116. Hierin is een windturbine van het verticale type beschreven die voorzien is van windgeleider om de wind in de windturbine te geleiden.

Verder zijn er windturbines met een verticale as van het zogeheten Darrieus-type. Deze Darrieus-windturbines zijn er in verschillende variaties, waarvan de belangrijkste zijn: een uitvoering waarbij de bladen een zodanige vorm vertonen dat de windturbine op een deegklopper lijkt en een uitvoering waarbij de bladen vertikaal georiënteerd zijn op enige afstand van de as.

Hoewel deze windturbines bekend zijn heeft het gebruik van windturbines met verticale as nooit een grote vlucht genomen.

Het rendement van een windturbine is door een aantal factoren beperkt. Een van deze factoren is de minimale windsnelheid waarbij de windturbine vermogen kan leveren. Op sommige plaatsen in de wereld, met name aan kusten, waait het geregeld en vaak met een aanzienlijke windsnelheid. Echter, naarmate men meer landinwaarts gaat, neemt de gemiddelde windsnelheid snel af. Veel windturbines zijn niet meer effectief beneden een bepaalde windsnelheid. Dat betekent dat zij voor lage windsnelheden geen of nauwelijks vermogen leveren. In dergelijke gebieden heeft het geen nut om windturbines te plaatsen. Soms wordt dit opgelost door de windturbine hoger te plaatsen, om daarmee vaker wind te vangen. Ook dit heeft negatieve gevolgen omdat kleinschalige projecten daarmee onmogelijk worden en er ernstige horizonvervuiling optreedt waartegen door omwonenden sterk geprotesteerd wordt.

Het is een doel een windturbine met verticale draai-as te verschaffen met verhoogd rendement, met name bij lagere windsnelheden.

Hiertoe is de windturbine volgens de uitvinding gekenmerkt doordat de windgeleider een rond de rotor beweegbaar stelsel van schermen bevat, en een , richtinrichting voor het verkrijgen van een lichtsignaal en een middel voor het richten van het stelsel schermen in afhankelijkheid van het lichtsignaal door draaiing van het stelsel schermen rond de rotor.

Het stelsel schermen is richtbaar door middel van een lichtsignaal vanuit een richtinrichting. Een eenvoudige manier op een lichtsignaal te verkrijgen is door middel van een windrichtingmeter. Het signaal vanuit de windrichtingmeter geeft aan uit welke richting de wind waait en het stelsel schermen wordt op de wind gericht. In dat geval bevat de richtinrichting een windrichtingmeter.

Een alternatieve wijze voor het verkrijgen van een lichtsignaal is een terugkoppeling van het vermogenssignaal. Het stelsel wordt enigszins verdraaid, neemt het vermogen toe, dan wordt het nog iets verder in die richting gedraaid, totdat men door het optimum is, en dan draait men het stelsel terug tot het optimum. In dat geval bevat de richtinrichting een middel om het geleverde vermogen als functie van de instelling van de schermen te meten.

In de uit de Amerikaanse octrooiaanvraag US2004265116 bekende windturbine bevat de windturbine een drietal op vaste posities rond de rotor geplaatste windgeleiders.

De windturbines met verticale as zijn oorspronkelijk ontwikkeld om een windturbine te verschaffen die, onafhankelijk van de windrichting, elektrisch vermogen leveren. De drie windschermen van de bekende windturbine hebben een effect onafhankelijk van de windrichting.

De uitvinders hebben ingezien dat men een verbeterd rendement kan verschaffen door een stelsel windschermen te gebruiken die te draaien zijn rond de rotor in afhankelijkheid van een lichtsignaal.

Bij voorkeur bestaat het stelsel schermen uit twee schermen die aan de buitenzijde van de windturbine geplaatst zijn, waarbij de twee windschermen zich bij voorkeur als vlakke platen dwars op elkaar uitstrekken en loodlijnen dwars op beide vlakken bij benadering elkaar kruisen op de verticale as, waarbij zich tussen de schermen een opening bevindt, en de windturbine voorzien is van een middel voor het richten van opening tussen de windschermen afhankelijk van het lichtsignaal vanuit de richtinrichting.

Gebleken is dat het plaatsten van twee schermen de efficiency, ten opzichte van stelsels met drie of meer schermen aanzienlijk vergroot. De opening tussen de schermen stuwt de wind tegen de bladen aan, daarenboven wervelt de wind ook nog achter de schermen wat ook een positief effect heeft. Het gebruik van vlakke platen heeft daarenboven een positief effect, ten opzichte van anderszins gevormde, bijvoorbeeld gekromde platen.

Bij voorkeur bevat de windturbine een door de wind draaibare rotor, met een boven en een ondervlak, waartussen een aantal inwaarts gekromde bladen bevestigd zijn, waarbij de bladen een centraal gelegen deel rond een verticale as vrijlaten.

Het richtbare stelsel schermen werkt met name goed samen met een rotor waarbij een centraal gelegen deel rond de verticale as vrijgelaten is. De wind wordt door de schermen in de bladen gestuwd. De centrale as kan een fictieve as zijn, of, hetgeen met name van voordeel is indien de windturbine meerdere, op elkaar gestapelde rotoren bevat, de rotor bevat een vaste centrale as. De centrale as geeft de rotor stevigheid en bij een stapeling van rotoren worden de rotoren onderling verbonden door de centrale as.

Bij voorkeur bevat de windturbine een aantal gestapelde rotoren, waarbij de onderlinge positie van de bladen verschoven is van rotor tot rotor.

Bij een stapeling van rotoren is het gunstig de bladen te verdelen over de hoeken. De kracht op de rotor vertoont een variatie als functie van de stand van de bladen ten opzichte van het stelsel schermen. Door de stand van de bladen te variëren wordt de kracht beter verdeeld waardoor de efficiëntie toeneemt.

Bij voorkeur strekken de schermen zich uit over een afstand gelegen tussen 50 en 55% van de diameter van de rotor. Bij voorkeur is de lengte van de opening tussen de schermen gelegen tussen 55 en 70% van de diameter van de rotor.

Gebleken is dat bij de beschreven vormen er juist met name bij lage windsnelheden, een verhoogde effectiviteit optreedt. Zelfs bij lage windsnelheden van 1 -3 Beaufort wordt een zeer interessant vermogen geleverd.

Bij voorkeur heeft de windturbine volgens de uitvinding drie of meer bladen.

Bij voorkeur is de diameter van een cirkel van het gebied rond de verticale as waarin zich geen bladen bevinden gelegen tussen de 40 en 45 % van de diameter van de rotor.

Bij een te kleine relatieve diameter van dit gebied, treedt geen of te weinig positief effect op. Bij een te grote relatieve diameter, zijn de bladen te klein waardoor het vermogen ook terug loopt. Tijdens proeven is gebleken dat zowel met als zonder gebruik van schermen een maximum in geleverd vermogen optreedt, waarbij de maxima niet samenvallen.

Bij voorkeur vertonen de bladen aan de uiteinden een open krulvorm.

Bij voorkeur is de lengte van de open krulvorm belegen in het gebied van 15 tot 25 % van de lengte van een blad.

Bij een te grote krul of te kleine krul treedt vermindering van het stuwend effect op.

Deze en verdere aspecten van de uitvinding worden hier volgend beschreven en geïllustreerd aan de hand van de tekening.

In de tekening illustreert:

Figuur 1 een bekende windturbine met verticale as.

Figuur 2 een windturbine volgens de uitvinding

Figuur 3 een schema voor een windturbine volgens de uitvinding

Figuur 4 een geprefereerde vorm van een windturbine volgens de uitvinding

Figuur 5 in grafiekvorm geleverd vermogen als functie van de stand van de bladen.

Figuur 6 een uitvoeringsvorm van een windturbine volgens de uitvinding.

De figuren zijn niet altijd op schaal getekend, gelijke onderdelen worden in de regel met gelijke verwijzingscijfers aangeduid. Maten die in de figuur zijn aangegeven zijn bij wijze van voorbeeld aangegeven en dienen niet als beperkend te worden beschouwd, tenzij anders aangegeven.

Figuur 1 toont een bekende windturbine met verticale as.

Deze windturbine is bekend uit de Amerikaanse octrooiaanvraag US2004265116. De rotor 1 is voorzien van bladen 2 en vast opgestelde windgeleiders, in US 2004265166 “fixed guide fins” genoemd, 3. De rotor heeft een onderblad 4 en een bovenblad 5. De windgeleiders zijn bevestigd op vast deel 6.

Volgens US2004265116 wordt door deze opstelling, vanuit welke richting de wind ook waait, een goed vermogen gehaald.

De uitvinders hebben ingezien dat er een verdere verbetering mogelijk is.

Figuur 2 toont schematisch de uitvinding. Rondom de rotor 1 met bladen 2 is een stelsel windschermen geplaatst, in dit voorbeeld bestaande uit windschermen 21 en 22 waartussen zich een opening 23 bevindt. Het stelsel windschermen is draaibaar ten opzicht van de as van de rotor. De oriëntatie van het stelsel windschermen is afhankelijk van een lichtsignaal. Dit richtsignaal wordt verkregen uit bijvoorbeeld een windrichtingmeter. Rond de verticale draai-as is in dit geprefereerde voorbeeld een gebied met diameter Dl vrijgelaten. De diameter van de rotor zelf is schematisch aangegeven met D2. In dit voorbeeld eindigen de bladen in een open krulvorm 24. In dit voorbeeld bevat de rotor uiteraard wel een verticale draai-as, maar geen as in de betekenis van een staaf in het midden van de rotor. In uitvoeringsvormen kan er wel een centrale as voorzien zijn. Vooral in uitvoeringsvormen waarbij een stapeling van meerdere rotoren voorzien is, is het voordelig een centrale staaf te voorzien die de mechanische verbinding vormt tussen de rotoren.

Figuur 3 illustreert de uitvinding verder.

De rotor is in deze figuur schematisch aangegeven door een cirkel. Het stelsel schermen is draaibaar opgesteld, in figuur 3 schematisch aangegeven door de hoek a. De schermen 21 en 22 bevinden zich bijvoorbeeld op een draaischijf 25. Deze draaischijf 25 wordt aangedreven door een aandrijving 26. Met behulp van de aandrijving is de positie van de opening tussen de schermen te veranderen. Dit kan bijvoorbeeld uitgedrukt worden in een hoek α ten opzichte van een referentie punt. De hoek α wordt ingesteld in afhankelijkheid van een richtsignaal, in de figuur 2 gemakshalve ook met α aangeduid, dat geleverd wordt door een richtinrichting 27, bijvoorbeeld een windrichtingmeter.

Een eenvoudige manier op een richtsignaal te verkrijgen is door middel van een windrichtingmeter. Het signaal vanuit de windrichtingmeter geeft aan uit welke richting de wind waait en het stelsel schermen wordt op de wind gericht. In dat geval bevat de richtinrichting een windrichtingmeter.

Een alternatieve wijze voor het verkrijgen van een richtsignaal is een terugkoppeling van het vermogenssignaal. Het stelsel wordt enigszins verdraaid; neemt het vermogen toe, dan wordt het nog iets verder in die richting gedraaid, totdat men door het optimum is, en dan draait men het stelsel terug tot het optimum. In dat geval bevat de richtinrichting een middel om het geleverde vermogen als functie van de instelling van de schermen te meten.

Het stelsel schermen is dus te richten op bijvoorbeeld een windrichting of op een richting waarin het vermogen maximaal is. Vaak zullen beide richtingen bij benadering samenvallen.

In de in figuur 2 getoonde geprefereerde uitvoeringsvorm bestaat het stelsel schermen uit twee schermen die aan de buitenzijde van de windturbine geplaatst zijn met een opening ertussen.

Gebleken is dat het plaatsten van twee schermen de efficiency, ten opzichte van stelsels met drie of meer schermen aanzienlijk vergroot. De opening tussen de schermen stuwt de wind tegen de bladen aan, daarenboven wervelt de wind ook nog achter de schermen wat ook een positief effect heeft.

Bij voorkeur strekken de twee windschermen zich bij voorkeur als vlakke platen dwars op elkaar uitstrekken en loodlijnen dwars op beide vlakken bij benadering elkaar kruisen op de verticale as.

Deze vorm blijkt een zeer hoge mate van efficiëntie te leveren.

Het zal duidelijk zijn dat binnen het kader van de uitvinding vele variaties mogelijk zijn.

Figuur 4 toont een geprefereerde uitvoeringsvorm. In deze uitvoeringsvorm zijn enige geprefereerde maten voor de schermen aangegeven.

Verschillende standen van de bladen zijn aangegeven door de standen 41,42, 43,44,45 en 46.

Voor stand 41 beslaat de cirkel 62,5 % van de diameter D2 van de rotor, voor stand 42 57,5%, voor stand 43 52,5%, voor stand 44 47,5% ,voor stand 45 42,5% en ten slotte voor stand 46, 37,5% van de diameter D2.

De lengte A van de schermen is bij voorkeur gelegen in het gebied tussen 45 tot 55 % van de diameter D2, bij voorkeur ongeveer 50% (plus of minus 2 %) de wijdte B van de opening bij voorkeur gelegen in het gebied van 55 en 70%, bij voorkeur ongeveer 62,5% (plus of minus 2%)

De uitvinders hebben gevonden dat het geleverde vormogen een functie is van de verhouding tussen de diamaters Dl en D2, zowel zonder gebruik van het stelsel schermen als met gebruik van een stelsel schermen. Het optimum is echter anders bij gebruik van schermen.

Tabel 1 geeft, als functie van de verhouding het geleverde vermogen met en zonder een stelsel schermen. Deze tabel is tevens weergegeven in figuur 5. RPM staat voor Rotatie Per Minuut.

Tabel 1:

Duidelijk is dat de schermen 21, 22 een zeer sterk effect geven. Het in tabel 1 weergegeven effect was sterk afhankelijk van de richting van de schermen, een afwijking van 5-10 graden ten opzicht van de windrichting had een sterk merkbaar effect. Het plaatsen van meerdere schermen, bijvoorbeeld drie en met name vier, deed de efficiëntie aanzienlijk dalen.

Figuur 5 toont het aantal RPM als functie van de stand, als weergegeven in tabel 1. Lijn 51 geeft het aantal RPM met gebruik van schermen onbelast, lijn 52 met lichte belasting, en lijn 53 met zware belasting. Lijn 54 geeft het aantal RPM zonder gebruik van schermen onbelast, en lijn 55 met lichte belasting.

Figuur 6 toont een uitvoeringsvorm van een windturbine volgens de uitvinding. Aan de rechterzijde is ter vergelijking een standaard windturbine getekend. De windturbine volgens de uitvinding is te plaatsen op posities waar voor een standaard windturbine geen plaats is, zoals in een stedelijke omgeving. Tussen hoge gebouwen kan een sterke wind optreden. De windturbine volgens de uitvinding is in dit voorbeeld op een paal bevestigd. Hij kan echter ook aan een wand van een hoog gebouw of klif bevestigd worden.

De windturbine als getoond bevat een stapeling van rotoren IA, 1B etc. De windturbine is voor de stapeling van rotoren voorzien van een gemeenschappelijk stelsel schermen dat draaibaar is. Als in eerdere uitvoeringsvormen is voorzien in een richtingsmeter. De richting kan uit windmetingen volgen. Voor een windturbine van aanzienlijke lengte kunnen twee of meer windrichtingmeters zijn voorzien, waarbij bijvoorbeeld het gemiddelde van de twee metingen wordt gebruikt als signaal. Voor een park van windturbines kan ook een centrale windrichting meter zijn voorzien voor een aantal windturbines gezamenlijk.

Figuur 6 toont dat de bladen van de rotoren niet allemaal dezelfde stand hebben, maar verspringen in positie. Indien er bijvoorbeeld een stapeling van twee rotoren is, met drie bladen (zodat de hoek tussen bladen in een rotor 120 graden is) dan verspringt de hoek tussen bladen van de twee rotoren bij voorkeur 60 graden. De kracht op de rotor vertoont een variatie met de hoek van de bladen ten opzichte het stelsel schermen. Voor drie bladen is er een variatie met een modulus van 120 graden. Door de tweede rotor zo te plaatsen dat deze variatie 60 graden verschoven is, wordt de variatie in de totale kracht verminderd. Bij bijvoorbeeld vier bladen en drie rotoren, zou men dan steeds 360/4*1/3=30 graden verschil zien in de oriëntatie van de bladen van de rotoren.

In bovenstaande voorbeelden worden windturbines getoond. Dit is een geprefereerde uitvoeringsvorm. Ook een ander fluïdum, zoals water, kan in uitvoeringsvormen gebruikt worden voor het aandrijven van de turbine.

In het kort kan de uitvinding worden omschreven als volgt:

Een turbine, bijvoorbeeld een windturbine, is voorzien van een rotor (1) met een verticale draai-as en een stelsel schermen (21, 22) voor het geleiden van wind of fluïdum naar de rotor. De turbine is voorzien van een richtinrichting (27) voor het produceren van een richtingsignaal, en een middel (25, 26) om het stelsel schermen (21, 22) te richten in afhankelijkheid van het richtingsignaal.

Het zal duidelijk zijn dat binnen het kader van de uitvinding vele variaties mogelijk zijn. Zo kan bij stapeling van rotoren de verspringing van de bladen regelmatig zijn of onregelmatig. De bladen zoals getoond zijn, gezien in een richting dwars op de bladen, recht, dus verticale, niet gedraaide bladen. De bladen kunnen echter ook een lichte draaiing vertonen. Met name bij een stapeling van rotoren kan de draaiing dusdanig zijn dat de bovenkant van een blad in een rotor nagenoeg aansluit bij de onderkant van een blad in de volgende rotor. Als voorbeeld kan gegeven worden: vijfbladen, en zes rotoren, de verspringing is dan 360/(5*6)=12 graden. In uitvoeringsvormen worden bladen gebruikt die een lichte draaiing van onder naar boven vertonen van 12 graden, de bladen van de volgende rotor sluiten dan aan bij de bladen van de daaronder geplaatste rotor. Men verkrijgt dan bladen die over de verticale as van de stapeling rotoren een helix-achtige vorm vertonen.

Claims (10)

1. Turbine voor aandrijving met een fluïdum met een rotor (1) met een verticale draai-as voorzien van een fluïdumgeleider, met het kenmerk, dat de geleider een rond de rotor beweegbaar stelsel (21, 22) van schermen bevat, en een richtinrichting (27) voor het verkrijgen van een lichtsignaal en een middel (26, 25) voor het richten van het stelsel schermen in afhankelijkheid van het richtsignaal door draaiing van het stelsel schermen (21, 22) rond de rotor (1).

2. Turbine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de turbine een windturbine is.

3. Turbine volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de richtinrichting een windrichtingmeter bevat.

4. Turbine volgens een der voorgaande conclusie, met het kenmerk, dat de turbine een door het fluïdum draaibare rotor bevat, met een boven en een ondervlak, waartussen een aantal inwaarts gekromde bladen (2) bevestigd zijn, waarbij de bladen een centraal gelegen deel rond een verticale as vrijlaten.

5. Turbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het stelsel schermen uit twee schermen (21, 22) die aan de buitenzijde van de windturbine geplaatst zijn, waarbij zich tussen de schermen een opening (23) bevindt, en de turbine voorzien is van een middel voor het richten van opening tussen de windschermen afhankelijk van het richtsignaal vanuit de richtinrichting.

6. Turbine volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de twee windschermen zich bij benadering als vlakke platen dwars op elkaar uitstrekken en loodlijnen dwars op beide vlakken bij benadering elkaar kruisen op de verticale as.

7. Turbine volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de schermen zich uitstrekken over een afstand gelegen tussen 50 en 55% van de diameter van de rotor.

8. Turbine volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de lengte van de opening tussen de schermen gelegen tussen 55 en 70% van de diameter van de rotor.

9. Turbine volgens een der conclusie 5 tot en met 8, met het kenmerk, dat de diameter (Dl) van een cirkel van het gebied rond de verticale as waarin zich geen bladen bevinden gelegen is tussen de 40 en 45 % van de diameter van de rotor (D2).

10. Windturbine volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de bladen aan de uiteinden een open krulvorm vertonen.