BE1022102B1 - Inrichting en werkwijze om windenergie te genereren - Google Patents

Abstract

Inrichting (1) om windenergie te genereren die de volgende onderdelen omvat: -een windturbine (10) die ingericht is om onderdompelbaar te zijn in water (13); -één of meer vliegers (6,7) die gezamenlijk voldoende lift kunnen genereren om de windturbine (10) op te kunnen heffen, waarbij de windturbine (10) opgehangen is aan de één of meer vliegers (6,7); -een basisstation (2) vanwaar een eerste verbindingskabel (5) naar de één of meer vliegers (6,7) loopt.

Description

Inrichting en werkwijze om windenergie te genereren.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een inrichting en werkwijze om windenergie te genereren.

Het is welbekend om door middel van windturbines bewegingsenergie van de lucht om te zetten in elektrische energie. Deze energie wordt verder in dit document windenergie genoemd.

Omdat op grotere hoogte boven het aardoppervlak en boven vlakke delen van het aardoppervlak over het algemeen een sterkere en meer constante wind aanwezig is heeft het voordelen om dergelijke opwekking van windenergie op grotere hoogte en boven grotere wateroppervlakken zoals de zee of grote meren te doen.

Dit heeft echter als nadeel dat er hoge, bij voorkeur zeer hoge en tegelijkertijd stevige constructies gebouwd moeten worden, wat vanzelfsprekend duur is.

Er is een systeem bekend waarin een heliumballon gebruikt wordt om een windturbine op te tillen. Een dergelijke ballon heeft echter zeer veel helium en een zeer groot volume nodig om het substantiële gewicht van een windturbine op te tillen.

Ook genereert een dergelijk systeem zeer hoge drift krachten door het volume van de ballon, zodat zeer sterke ondersteuningsstructuren en kabels voorzien dienen te worden.

Ook is weglekken van helium een probleem van een dergelijk systeem.

Ook worden complexe geïntegreerde vliegers/windturbines getest. Deze zijn echter nog in ontwikkeling, verre van betrouwbaar en eerder beperkt van schaal.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden, doordat zij voorziet in een inrichting om windenergie te genereren die de volgende onderdelen omvat: -een windturbine die ingericht is om geheel of gedeeltelijk onderdompelbaar te zijn in water; -één of meer vliegers die gezamenlijk voldoende lift kunnen genereren om de windturbine op te kunnen heffen, waarbij de windturbine opgehangen is aan de één of meer vliegers; en -een basisstation vanwaar een eerste verbindingskabel naar de één of meer vliegers loopt.

Dit heeft als voordeel dat een windturbine relatief gemakkelijk op grote hoogte gebracht kan worden zodat veel windenergie opgewekt kan worden, zonder dat er hoge en dure steunconstructies nodig zijn.

Dankzij de onderdompelbaarheid van de windturbine kan dit gebeuren boven zee of een groot meer, zodat de wind sterker is en zodat hinder zoveel mogelijk vermeden wordt, omdat immers bij te weinig of te veel wind de windturbine neergelaten kan worden in het water.

Een bijkomend voordeel hierbij, vergeleken met gebruik boven land, is dat beschadiging van de windturbine door contact met de grond vermeden wordt.

Een windturbine die ingericht is om gedeeltelijk of volledig onderdompelbaar te zijn in water is hierbij een windturbine die in staat is, of met andere woorden ontworpen is, om gedeeltelijk of volledig ondergedompeld te worden en na opheffing van de onderdompeling wederom als windturbine te werken, en dit herhaaldelijk, waarbij de onderdompeling niet tot schade of prestatievermindering leidt.

De één of meer vliegers leveren hierbij bij een windkracht die een grenswaarde overschrijdt voldoende lift om de windturbine op een grote hoogte te brengen.

Hierbij wordt een zogenaamde kitoon, die elementen van een vlieger heeft en ook een gesloten volume heeft dat gevuld is met een gas, dat al dan niet lichter dan lucht kan zijn, ook beschouwd als een vlieger.

De eerste verbindingskabel is hierbij een kabel primair om aan mechanische krachten, dus lift- en drift krachten te weerstaan, zodat de één of meer vliegers en de windturbine aan het basisstation verbonden blijven. Ook de opgewekte elektrische energie zou via deze eerste verbindingskabel weggevoerd kunnen worden van de windturbine, meer specifiek via daartoe aangebrachte elektrische geleiders, maar dit kan ook via een afzonderlijke stroomkabel.

Een dergelijke kabel kan een kunststof- of staalkabel zijn, maar kan ook geheel of gedeeltelijk een ketting zijn, of rigide trekstangen omvatten.

De windturbine kan direct aan de één of meer vliegers opgehangen zijn, of aan een punt op de eerste verbindingskabel tussen de één of meer vliegers en het basisstation indirect aan de één of meer vliegers opgehangen zijn.

Het basisstation kan hierbij bijvoorbeeld een boot, ponton, of een natuurlijk of kunstmatig eiland zijn.

In een voorkeurdragende uitvoeringsvorm is de inrichting voorzien van een tweede verbindingskabel die, tijdens gebruik van de inrichting, vanaf de onderzijde van de windturbine of een ophangconstructie of voor de windturbine naar beneden loopt naar een benedenwinds van het basisstation op een afstand van het basisstation gelegen punt, waarbij bij voorkeur de tweede verbindingskabel verbonden is aan de aarde of aan een tegengewicht dat door de één of meer vliegers niet opgetild kan worden.

Een dergelijke tweede verbindingskabel stabiliseert de windturbine, zodat ongewenste slingerbewegingen voorkomen kunnen worden. Ook kan optioneel deze tweede verbindingskabel gebruikt worden voor het afvoeren van gegenereerde windenergie.

Ook kan deze tweede verbindingskabel primair een stroomkabel zijn waarbij deze automatisch door zijn eigen gewicht een stabiliserend effect op de windturbine zal hebben als tweede functie hebben.

In een verdere voorkeurdragende uitvoeringsvorm omvat de inrichting twee of meer vliegers die opeenvolgend op een steeds grotere afstand van het basisstation aan het basisstation zijn verbonden door middel van de eerste verbindingskabel.

Hierbij kan de vlieger die zich op de grootste afstand van het basisstation bevindt of een combinatie van naast elkaar gelegen vliegers die deze vlieger omvat, voldoende lift kan genereren om de volgende vlieger, gezien in de richting van het basisstation, uit in water ondergedompelde toestand de lucht in te trekken.

Met een dergelijke opeenvolging van vliegers is het gemakkelijk om de windturbine wederom de lucht in te krijgen nadat deze neergelaten is geweest, omdat hierbij slechts de vlieger op de grootste afstand van het basisstation vliegend gemaakt of gehouden hoeft te worden, waarna deze de volgende vlieger uit het water trekt. De twee vliegers op de grootste afstand van het basisstation trekken nu de volgende vlieger uit het water, enzovoorts.

In een verdere voorkeurdragende conclusie is de inrichting voorzien van een stijve ophangconstructie voor de windturbine, waarbij de ophangconstructie aan zijn bovenzijde beweegbaar aan de eerste verbindingskabel is bevestigd, waarbij de windturbine stijf, dus niet scharnierend, aan de ophangconstructie is opgehangen.

Hierdoor kan de eerste verbindingskabel eender welke hoek aannemen, bijvoorbeeld als gevolg van verschillende windsnelheden, terwijl toch de ophangconstructie, en daardoor de windturbine, een vaste oriëntatie aannemen ten opzichte van het aardoppervlak.

De uitvinding betreft tevens een installatie voor het ontzilten van zout water, die zich op een zekere afstand van de dichtstbijzijnde kust bevindt en minimaal gedeeltelijk van energie voorzien wordt door een inrichting zoals bovenstaand genoemd.

Bij ontziltingsinstallaties stelt zich het probleem dat deze weliswaar ontzilt zeewater produceren, maar tegelijkertijd ook een significante hoeveel water met een sterk verhoogd zoutgehalte. Dit kan lokaal tot een verstoring van het ecosysteem leiden. Daarom is het wenselijk om een dergelijke ontziltingsinstallatie relatief ver van een kust te plaatsen, zodat dit extra zoute water snel verdund kan worden.

Er stelt zich dan echter een potentieel probleem met de energievoorziening van dergelijke onziltingsinstallaties. Wanneer een inrichting om windenergie te genereren volgens de uitvinding gebruikt wordt om een ontziltingsinstallatie van energie te voorzien ontstaat daardoor een synergievoordeel.

De uitvinding omvat tevens een werkwijze om windenergie te genereren, waarbij een windturbine door één of meer vliegers omhoog getild wordt tot een zekere hoogte, waarbij de één of meer vliegers door middel van een eerste verbindingskabel verbonden zijn met een basisstation, waarbij het basisstation omringd is door water dat diep genoeg is om de windturbine in te kunnen onderdompelen.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende toepassingen beschreven van een inrichting volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch een inrichting volgens de uitvinding weergeeft in een werkende toestand; en figuur 2 de inrichting van figuur 1 weergeeft in een niet-werkende toestand.

De in figuur 1 weergegeven inrichting 1 bestaat hoofdzakelijk uit een schip 2, dat via een ankerkabel 3 verankerd is en daardoor als basisstation dienst doet.

Op het schip 2 bevindt zich een haspel 4 waarop een eerste verbindingskabel 5 wikkelbaar is, welke eerste verbindingskabel 5 in figuur 1 grotendeels is afgewikkeld.

Aan het uiteinde van de eerste verbindingskabel 5 zijn vijf vliegers bevestigd, alle op verschillende afstanden van het schip, meer specifiek vier grote vliegers 6 en als laatste een kleinere vlieger 7. In figuur 1 zijn deze vliegers 6,7 in vliegende staat in de lucht weergegeven.

Onder de vliegers 6,7, dus tussen de vliegers 6,7 en het schip 2 is een deel van de eerste verbindingskabel 5 uitgevoerd als een trekstang 8. Aan deze trekstang 8 is door middel van een ophangconstructie 9 een windturbine 10 opgehangen.

Vanzelfsprekend wordt het aantal en het formaat van de vliegers 6,7 zodanig gekozen dat zij in staat zijn de windturbine 10 naar de gewenste hoogte op te heffen.

De ophangconstructie 9 is voor de eenvoud weergegeven als een enkele stang, maar kan ook een complexere stijve constructie zijn. De ophangconstructie 9 is door middel van een scharnier 11 scharnierend aan de trekstang 8 bevestigd.

Onderaan de ophangconstructie 9 is een tweede verbindingskabel 12 bevestigd. Deze is verder verbonden aan een zich in het water 13 bevindende bak 14 die gevuld is met water.

De tweede verbindingskabel 12 is hoofdzakelijk een stroomkabel voor het wegleiden van door de windturbine 10 gegenereerd windenergie, maar is sterk genoeg uitgevoerd om significante trekkrachten te kunnen weerstaan.

De windturbine 10 is ingericht om onderdompelbaar te zijn in water. In de praktijk houdt dit in dat elektrische componenten volledig afgeschermd zijn van water, bijvoorbeeld door een inbedding in hars, en dat de mechanische componenten uitgevoerd zijn in corrosiebestendig materiaal. Dit zijn bijvoorbeeld gelijkaardige systemen als die worden toegepast in onderwaterturbines voor het omzetten van waterstroming in elektrische energie.

De werking van de inrichting 1 is simpel en als volgt.

Hierbij is de windrichting van links naar rechts volgens pijl P.

De vliegers 6,7 leveren voldoende lift om de windturbine 10 omhoog te trekken, typisch tot een hoogte van enkele honderden meters.

Hierdoor wordt de windturbine 10 op een hoogte geplaatst waar vrijwel altijd een sterke wind heerst, zodat de windturbine 10 een groot percentage van de tijd kan werken in optimale omstandigheden.

De door de windturbine 10 opgewekte windenergie wordt afgevoerd via de tweede verbindingskabel 12 naar een locatie waar deze nuttig gebruikt kan worden.

Door het eigen gewicht van de tweede verbindingskabel 12, aangevuld met het tegengewicht gevormd door de met water gevulde bak 14, wordt een mogelijk onstabiele beweging van de ophangconstructie 9 en de windturbine 10 gedempt.

Door het feit dat de ophangconstructie 9 scharnierbaar is ten opzichte van de eerste verbindingskabel 5 kan de windturbine 10 altijd in een optimale of vrijwel optimale oriëntatie gebruikt worden, ondanks het feit dat de hoek van de eerste verbindingskabel 5 met de horizon afhankelijk is van de windsterkte.

Hierbij wordt opgemerkt dat in figuur 1 de wieken van de windturbine 10 zich verticaal en parallel met de ophangconstructie 9 uitstrekken. Experimenteel kan bepaald worden welke hoek de ophangconstructie 9 met de horizon aanneemt tijdens gebruik, zodat de hoek van de wieken ten opzichte van de ophangconstructie 9 vanzelfsprekend kan worden aangepast om zoveel mogelijk een verticale oriëntatie van de wieken van de windturbine 10 te hebben, ook als de ophangconstructie 9 een hoek aanneemt als gevolg van de windkrachten.

De vliegers 6,7 en de windturbine 10 kunnen vanzelfsprekend hun oriëntatie ten opzichte van het schip 2 aanpassen aan de heersende windrichting.

Wanneer de windsnelheid te laag is voor de vliegers 6,7 om voldoende lift te genereren of hoger is dan ontwerplimieten van de windturbine of de vliegers, kunnen, door middel van het inhalen of laten vieren van de eerste verbindingskabel 5 de windturbine 10 en de vliegers 6,7 op een andere hoogte met een geschiktere windsnelheid gebracht worden.

Wanneer deze maatregel niet voldoende is kunnen de windturbine 10 en de vliegers 6,7 neergelaten worden in het water 13, zoals getoond in figuur 2, zodat de windturbine 10 ondergedompeld wordt in het water 13.

Hierbij is het gemakkelijk, in tegenstelling tot een gebruik van een vergelijkbare inrichting boven land, om mechanische schade aan de windturbine 10 als gevolg van het neerlaten te voorkomen.

Merk op dat dergelijke situaties zich, vanwege de relatief constante en sterke luchtstromingen op grotere hoogte, relatief zelden voordoen. Ook wanneer onderhoud of reparatie nodig is kunnen de windturbine 10 en de vliegers 6,7 neergelaten worden.

Bij een lage windsnelheid zal dit neerlaten vanzelf gebeuren, doordat de vliegers 6,7 niet langer voldoende lift kunnen genereren. Hierbij kan het wenselijk zijn de eerste verbindingskabel 5 gedeeltelijk of volledig in te halen om te voorkomen dat deze in zichzelf of andere onderdelen van de inrichting 1 verstrikt raakt.

Bij een hogere windsnelheid zal het nodig zijn om door middel van de haspel 4 de windturbine 10 en de vliegers 6,7 in te halen, of om een of meer van de grote vliegers 6 te voorzien van oppervlakken die door een bediening op afstand van oriëntatie kunnen veranderen, zodat de hoeveelheid door deze vlieger of vliegers 6 gegenereerde lift kan worden verminderd, waarna de windturbine 10 en de vliegers 6,7 langzaam in het water 13 zullen zakken.

Afhankelijk van de situatie kan hierbij een aantal vliegers 6,7 vliegend gehouden worden, zodat het wederom in werkingstoestand brengen van de inrichting 1, dus het wederom omhoogtrekken van de windturbine 10, zonder verdere externe hulpmiddelen gemakkelijk kan gebeuren.

De kleine vlieger 7 is daarom specifiek ontworpen om bij een groot aantal windsnelheden te kunnen blijven vliegen, zoals weergegeven in figuur 2. Bij voldoende windsnelheid kan deze kleine vlieger 7 dan de naastgelegen grote vlieger 6 uit het water 13 trekken, waarna deze twee vliegers 6,7 gezamenlijk de volgende grote vlieger 6 uit het water 13 kunnen trekken, totdat alle grote vliegers 6 uit het water 13 zijn en zij gezamenlijk de windturbine 10 wederom uit het water 13 kunnen opheffen zodat deze wederom kan gaan werken.

Alternatief of aanvullend kan, om de inrichting in werking te brengen, een ballon, een drone, een helikopter of een ander toestel dat onafhankelijk kan vliegen worden ingezet om de inrichting, of ten minste één of enkele vliegers daarvan, uit het water te trekken zodat dankzij de wind voldoende liftkracht gegenereerd kan worden.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvorm, doch een inrichting volgens de uitvinding kan in allerlei vormen en afmetingen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (14)

1. Conclusies .

   1. - Inrichting (1) om windenergie te genereren die de volgende onderdelen omvat: -een windturbine (10) die ingericht is om onderdompelbaar te zijn in water (13); -één of meer vliegers (6,7) die gezamenlijk voldoende lift kunnen genereren om de windturbine (10) op te kunnen heffen, waarbij de windturbine (10) opgehangen is aan de één of meer vliegers (6,7); -een basisstation (2) vanwaar een eerste verbindingskabel (5) naar de één of meer vliegers (6,7) loopt.
2. 2. - Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het basisstation (2) omringd is door water (13) dat diep genoeg is om de windturbine (10) gedeeltelijk of volledig in te kunnen onderdompelen.
3. 3. - Inrichting volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat deze voorzien is van een tweede verbindingskabel (12) die, tijdens gebruik van de inrichting (1), vanaf de onderzijde van de windturbine (10) of vanaf een ophangconstructie (9) voor de windturbine (10) neerwaarts loopt naar een benedenwinds van het basisstation (2) op een afstand van het basisstation (2) gelegen punt.
4. 4. - Inrichting volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de tweede verbindingskabel (5) verbonden is aan de aarde of aan een tegengewicht (14) dat door de inrichting (1) niet opgetild kan worden.
5. 5. - Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat deze twee of meer vliegers (6,7) omvat die opeenvolgend op een steeds grotere afstand van het basisstation (2) aan het basisstation (2) zijn verbonden door middel van de eerste verbindingskabel (5).
6. 6. - Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de vlieger (7) die zich op de grootste afstand van het basisstation (2) bevindt of een combinatie van naast elkaar geplaatste vliegers (6,7) die deze vlieger (7) omvat, voldoende lift kan genereren om de volgende vlieger (6), gezien in de richting van het basisstation (2), uit in water (13) ondergedompelde toestand de lucht in te trekken.
7. 7. - Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de windturbine (10) is opgehangen tussen het basisstation (2) en de vlieger (6) van de één of meer vliegers (6,7) die zich het dichtstbij het basisstation (2) bevindt.
8. 8. - Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat deze voorzien is van een stijve ophangconstructie (9) voor de windturbine (10), waarbij de ophangconstructie (9) scharnierbaar aan de eerste verbindingskabel (5) is bevestigd.
9. 9. - Inrichting volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat de windturbine (10) niet beweeglijk aan de ophangconstructie (9) is opgehangen.
10. 10. - Inrichting volgens één van de voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat minimaal één van de één of meer vliegers (6,7) ingericht is om op basis van een extern signaal zijn vorm te veranderen en daardoor de hoeveelheid lift die de minimaal één vlieger (6,7) kan genereren te veranderen.
11. 11. - Installatie voor het ontzilten van zout water, daardoor gekenmerkt dat deze zich op een zekere afstand van de dichtstbijzijnde kust bevindt en dat deze minimaal gedeeltelijk van energie voorzien wordt door een inrichting (1) volgens één van de voorgaande conclusies.
12. 12. - Installatie volgens conclusie 11, daardoor gekenmerkt dat deze omringd is door water (13), waarbij de installatie voorzien is van een inrichting (1) volgens conclusie 2 of een daarvan afhankelijke conclusie.
13. 13. - Werkwijze om windenergie te genereren, waarbij een windturbine (10) door één of meer vliegers (6,7) omhoog getild wordt tot een zekere hoogte, waarbij de één of meer vliegers (6,7) door middel van een eerste verbindingskabel (5) verbonden zijn met een basisstation (2), daardoor gekenmerkt dat het basisstation (2) omringd is door water (13) dat diep genoeg is om de windturbine (10) gedeeltelijk of volledig in te kunnen onderdompelen.
14. 14. - Werkwijze volgens conclusie 13, daardoor gekenmerkt dat, wanneer de windsnelheid buiten een bepaald interval ligt, de windturbine (10) gedeeltelijk of volledig ondergedompeld wordt in het water (13).