DE102015010141A1 - Multi-stage wind turbine with counter rotating rotors - Google Patents

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    • F03D—WIND MOTORS
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    • F03D1/02—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors
    • F03D1/025—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having a plurality of rotors coaxially arranged
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

Auf einer feststehenden Welle 1 sind zwei oder mehr Rotoren Teile 3 und 4 in der Bauart von Windrädern montiert. Die Flügel der jeweiligen Roteren 3 und 4 sind so montiert, das der axial auf das System einwirkende Wind die Rotoren jeweils in die entgegengesetzte Drehrichtung rotieren lässt. Am äußeren Umfang der Rotoren ist jeweils eine Profil-Kreisschiene Teile 7 und 8 angebracht, diese Kreisschienen enthalten an der jeweils zugewandte Stirnseite sowohl Kupferdrahtspulen Teil 8 wie auf der gegenüberliegenden Stirnseite Dauermagnete Teil 7. Durch die Gegenläufigkeit der Rotoren passieren Dauermagnet und Spulen einander in geringem Abstand und mit der Summe der Einzelgeschwindigkeiten der Rotoren. Hierdurch wird mit dem Induktionsverfahren Elektrizität erzeugt. Die Profilkreisschienen können zusätzlich für den mechanischen Antrieb von Generatoren Teil 11 oder andere Aggregaten genutzt werden. Die gesamte Einheit ist mit einer Tunnelverkleidung versehen und kann auf einer Kreisschiene Teil 9 mittels Stellmotor um 360 Grad gedreht werdenOn a fixed shaft 1, two or more rotors parts 3 and 4 are mounted in the design of wind wheels. The wings of the respective rotors 3 and 4 are mounted so that the wind acting axially on the system rotates the rotors respectively in the opposite direction of rotation. On the outer circumference of the rotors a profile circular rail parts 7 and 8 are mounted, these circular rails included on the respective facing end side both copper wire coil part 8 as on the opposite end side permanent magnets part 7. Due to the opposition of the rotors permanent magnet and coils pass each other in a small Distance and with the sum of the individual speeds of the rotors. As a result, electricity is generated by the induction process. The profile circular rails can also be used for the mechanical drive of generators Part 11 or other units. The entire unit is provided with a tunnel cladding and can be rotated on a circular rail part 9 by means of a servomotor 360 degrees

Description

  • • Stand der Windturbinentechnik für die Stromerzeugung. Windgeneratoren und Windkraftanlagen zur Stromerzeugung sind auf einem hohen Mast montierte rotierende Flügelkonstruktionen die vom Wird bewegt werden. Zugeschaltete Generatoren werden direkt oder über Getriebe angetrieben. Der Kreis-Durchmesser der rotierenden Rotoren kann bis zu 100 Meter betragen. Die Höhe des Aufstellungsmastes kann bis zu 140 Meter betragen. An diesen Bauabmessungen ist zu erkennen, dass diese Großanlagen entweder im freien Gelände oder auf See aufgestellt sind. Sie stehen nicht innerhalb einer Stadtbebauung. Die mit diesen Anlagen gewonnene elektrische Energie aus Wind wird zu dem Energie-Verbraucher, überwiegend der Städtebebauung geleitet. Hierzu sind umfangreiche Kabelnetzte über große Distanzen erforderlich, deren Investitionskosten sowohl die Kosten für diese Gesamttechnik erhöhen wie auch die so generierte elektrische Energie aus Wind, die vom Verbraucher zu bezahlen ist. Neben diesen Großanlage gibt es Kleinanlagen, beginnend mit einer Leistung eigner hundert Watt bis etwa 25 KWH. Diese Anlagen können als technische Außenseiter betrachtet werden, was deren Wirtschaftlichkeit und deren Einsatzfähigkeit betrifft. Für den mittleren, potentiellen Abnehmer von Elektrizität aus Wind, das Hochhaus oder das Hotel, gibt es keine derartige Technik, die vor Ort an den Objekten dieser potentiellen Abnehmer montiert sein kann. Insofern besteht ein Markt für eine an örtliche Erfordernisse angepasste Windturbinentechnik von enormer Größe.• Status of wind turbine technology for power generation. Wind generators and wind turbines for power generation are mounted on a high mast rotating wing structures which are moved by the will. Switched generators are driven directly or via gearboxes. The circle diameter of the rotating rotors can be up to 100 meters. The height of the erection mast can be up to 140 meters. It can be seen from these construction dimensions that these large systems are installed either in open terrain or at sea. They are not within a city development. The electrical energy from wind obtained with these systems is routed to the energy consumer, predominantly the urban development. This requires extensive cable networks over long distances, the investment costs of which increase both the costs for this overall technology and the electricity generated from wind that is to be paid by the consumer. In addition to this large-scale plant, there are small systems, starting with a performance own one hundred watts to about 25 KWH. These plants can be considered as outsiders in terms of their cost-effectiveness and their suitability. There is no such technique for the average potential customer of electricity from wind, the skyscraper or the hotel, which can be mounted on-site to the objects of these potential customers. In this respect, there is a market for an adapted to local requirements wind turbine technology of enormous size.
  • • Die Mängel der herkömmlichen Windturbinentechnik. Der wissenschaftlichen Literatur, der in Betrieb befindlichen Windkraftanlagen wie auch WIKIPEDIA im Internet ist zu entnehmen, das Windkraftanlagen etwa 50% der vom Wind mitgeführten Energie in Elektrizität umwandeln können. Neueste Versuche haben jedoch gezeigt, das über diesen Wert hinaus erheblich mehr Energie einer gegeben Windmenge entnommen werden kann. Zusätzlich gibt es neue verfahrenstechnische Lösungen, entgegen einer herkömmlichen mechanischen Kraftübertragung eines Windrades auf einen Generator induktive Verfahren zu verwenden die berührungslos sind und damit ohne mechanische Verluste; wodurch die dem Wind entnommene Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.• The shortcomings of conventional wind turbine technology. The scientific literature, the wind turbines in operation as well as WIKIPEDIA on the Internet shows that wind turbines can convert about 50% of the energy carried by the wind into electricity. However, recent tests have shown that beyond this value considerably more energy can be taken from a given amount of wind. In addition, there are new procedural solutions, contrary to a conventional mechanical power transmission of a wind turbine on a generator to use inductive methods that are contactless and thus without mechanical losses; whereby the energy taken from the wind can be converted into electricity.
  • • Die Aufgabenstellung. Die Aufgabenstellung besteht darin, ebenso wie bei den Verfahren der Wärmerückgewinnung aus einem Abwärmestrom, hier vergleichsweise dem Wind, nach dessen Benutzung zum Zwecke des Antriebes eines Windrades aus der das Windrad bereits passierte Windmenge weitere Energie zu entnehmen. Dies soll durch eine zusätzliche Rotoren-Konstruktion und entsprechende Anordnung erfolgen. Zusätzlich kann auf eine mechanische Kraftübertragung von Windrotor auf den Generator verzichtet werden zu Gunsten eines induktiven Verfahrens. Die Aufgabenstellung besteht zusätzlich darin, mit geringem Technikaufwand und somit Kapitalaufwand, wesentlich höhere Anlagenleistungen von Windturbinen zu erzielen als dies herkömmliche Windturbinenanlagen zu liefern in der Lage sind wobei die sich hier ergebendem geringen Bauabmessungen für diese Technik den neuen, großen Anwendungsmarkt von Hochhäusern, Hotels und öffentliche Gebäude eröffnen.• The task. The task is, as well as in the method of heat recovery from a waste heat stream, here comparatively the wind, after its use for the purpose of driving a wind turbine from the wind turbine already passed amount of wind to take more energy. This should be done by an additional rotors construction and appropriate arrangement. In addition, a mechanical power transmission from wind rotor to the generator can be dispensed with in favor of an inductive method. The task is in addition, with little technical effort and thus capital expenditure, to achieve much higher performance of wind turbines than conventional wind turbine plants are able to provide the resulting low construction dimensions for this technology, the new, large application market of high-rise buildings, hotels and open public buildings.

• Die Aufgabenlösung:• The task solution:

Die hier beschriebene mehrstufige Windturbine besteht zunächst aus zwei Rotoren mit einer frei zu wählenden Anzahl von Rotorblättern. Diese Rotoren sind auf einer gemeinsamen Welle montiert und rotieren unabhängig voneinander in entgegengesetzter Drehrichtung. Wirkt Wind auf den ersten Rotor ein, dreht sich dieser in die Drehrichtung entsprechend der Stellung der Rotorblätter, die Rotorblätter des zweiten Rotors sind so angeordnet, das sie von dem Wind, der den ersten Rotor passiert hat, so beaufschlagt werden, das dieser zweite Rotor sich in entgegengesetzter Drehrichtung dreht. Der Wind wird also in zwei Stufen ausgenutzt. Zusätzlich stellt sich der Effekt einer etwa doppelten Nutzung der erzeugten Drehzahl des ersten Rotors ein. Hieraus lässt sich in einer weiteren Stufe der Effizienzerhöhung, und zwar auf folgende Weise, eine zusätzliche Leistungssteigerung erzielen: Rotieren, wie hier, zwei Körper auf einer Welle mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegeneinander, so addieren sich die Einzelgeschwindigkeiten zu einer sogenannten Systemdrehzahl. Montiert man an den ersten Rotor auf dessen äußerem Kreisumfang auf einer Kreisschiene eine Anzahl Dauermagnete, und auf dem zweiten Rotor ebenfalls eine solche Kreisschiene mit Kupferdrahtspulen besonderer Baurat, Verdoppelt sich in Folge der Systemdrehzahl die erzeugte Stromstärke in Volt und die erzeugte Wattleistung vervierfacht sich. Diese vergleichende Betrachtung bezieht sich auf die Wirkungsweise und Leistung einer herkömmlichen Windturbinenanlage, die gemäß der hier erläuterten Baurat nur aus dem ersten Rotor besteht, welcher sich dreht und über eine Mechanik einen Generator antriebt. An Ergebnissen wurden bei 10 m/m Windbeaufschlagung des ersten Rotors, sowie einer Drehzahl von 1260 Upm und für den 2. Rotor eine Drehzahl von 1100 Upm bei einem Kreisumfang von 1,55 Meter eine Systemgeschwindigkeit/bzw. Umfangsgeschwindigkeit, mit der sich die Magnete und Spulen passieren von 11.486 m/min. gemessen. Eine weitere Effizienzsteigerung dieser Konstruktion wurde wie folgt in der Praxis erzielt: Für die montierten Kreisschienen, die primär der Aufnahme von Magneten und Spulen dienen, wurden U-Profile verwendet in welchem ein Zahnriemen lief, der über ein Ritzel einen Generator antrieb. Diese Zusatzeinrichtung soll Verwendung finden bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten in der Weise, das nicht die Anlage zwangsweise abgeschaltet werden muss, sondern durch eine Fliehkraftkupplung diese Generatoren zugeschaltet werden, welche dann die Spitzen des Windaufkommens zusätzlich ausnutzen.The multi-stage wind turbine described here initially consists of two rotors with a freely selectable number of rotor blades. These rotors are mounted on a common shaft and rotate independently in the opposite direction of rotation. If wind acts on the first rotor, it rotates in the direction of rotation corresponding to the position of the rotor blades, the rotor blades of the second rotor are arranged to be acted upon by the wind that has passed the first rotor, that second rotor turns in the opposite direction of rotation. The wind is thus exploited in two stages. In addition, the effect of about twice using the generated speed of the first rotor turns. From this, an additional increase in efficiency can be achieved in a further stage of the increase in efficiency, specifically in the following way: As here, two bodies rotate on a shaft at a certain speed against each other, so that the individual speeds add up to a so-called system speed. If a number of permanent magnets are mounted on the outer circumference of a circular rail on the first rotor, and if such a circular rail with copper wire coils is mounted on the second rotor, the generated current intensity is doubled in volts as a result of the system speed and the wattage power generated quadruples. This comparative consideration relates to the mode of action and performance of a conventional wind turbine plant, which consists only of the first rotor, which rotates and drives a generator via a mechanism according to the building order explained here. Results were at 10 m / m Windbeaufschlagung the first rotor, and a speed of 1260 rpm and for the 2nd rotor, a speed of 1100 rpm at a circumference of 1.55 meters, a system speed / or. Circumferential speed with which the magnets and coils pass from 11,486 m / min. measured. A further increase in efficiency of this construction was achieved in practice as follows: For the mounted circular rails, which serve primarily to accommodate magnets and coils, U-profiles were used in which a toothed belt ran, which drives a generator via a pinion. This additional device should be used at very high wind speeds in such a way that does not have to be shut down the plant forcibly, but by a centrifugal clutch these generators are switched on, which then exploit the peaks of the wind additionally.

• Beschreibung der Technik:• Description of the technique:

Gemäß Zeichnung 1 ist eine Welle Pos. 1 fest auf zwei Lagerböcken No. 2 montiert. Auf der Welle 1 ist in einem bestimmten Abstand ein Rotor Nr. 3 und ein weiterer Rotor Nr. 4 kugelgelagert montiert. Die Rotoren 3 und 4 sind auf ihrem Kreisumfang jeweils mit einer U-Profilschienen Teil 5 und Teil 6 versehen. Auf der jeweils zugewandten Stirnfläche diese U-Profilschienen sind bei Nr. 7 Dauermagnete angebracht und auf der Stirnseite der gegenüberliegenden U-Schiene Kupferdrahtspulen Teil 8. Die U-Profilschienen können zusätzlich je einen Zahnriemen Teil 10 aufnehmen zum Antrieb eines zusätzlichen Generators Teil 11, so wie in der Seitenansicht 1 von Links gezeichneten 2 dargestellt. Mit Nr. 4 ist einer der zwei Rotoren gezeichnet, der zufällig den dahinter stehenden, abgedeckten Rotor Nr. 3 gemäß 1 Teil 3 abdeckt. Ebenso deckt die U-Profilschiene Nr. 6 die dahinter liegende U-Profilschiene Nr. 5 ab. In den U-Profilschienen Teil 5 und 6 können die Zahnriemen Nr. 10 laufen womit zusätzlich je ein Generator Teil 11 angetrieben werden kann.As shown in the drawing 1 is a shaft Pos. 1 firmly on two bearing blocks no. 2 mounted. On the shaft 1, a rotor No. 3 and another rotor No. 4 is mounted ball-bearing at a certain distance. The rotors 3 and 4 are provided on their circumference each with a U-profile rails part 5 and part 6. On the facing end face of these U-profile rails are mounted at No. 7 permanent magnets and on the front side of the opposite U-rail copper wire coil part 8. The U-rails can additionally each receive a toothed belt part 10 to drive an additional generator part 11, so as in the side view 1 drawn by links 2 shown. With number 4, one of the two rotors is drawn, coincidentally behind the covered rotor No. 3 according to 1 Part 3 covers. Likewise covers the U-profile rail No. 6, the underlying U-profile rail No. 5 from. In the U-profile rails part 5 and 6, the timing belt no. 10 run which in addition ever a generator part 11 can be driven.

• Funktionsablauf der erfindungsgemäßen Windturbine:Functional sequence of the wind turbine according to the invention:

Gemäß 1 wirkt Wind von links auf die Konstruktion ein und bewegt den Rotor Nr. 4. Entsprechend den jeweiligen Flügelstellungen der Rotoren No. 4 und Nr. 3 drehen sich diese Rotoren, jeweils kugelgelagert, auf der Welle 1 in entgegen gesetzter Drehrichtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Dabei passieren sich die Teile 8, die Spulen und Teile 7, die Magnete in geringem Abstand. Je nach der Höhe der Systemdrehzahl, also der Summe der Einzelgeschwindigkeiten beider Rotoren, wird durch die gemeinsame Funktion der Teile 7 und 8 eine Induktionsspannung erzeugt. Diese Stromerzeugung geschieht ohne mechanische Kraftübertragung von den Rotoren 4 und 3 auf einen Generator und insofern ohne die Notwendigkeit mechanische Widerstände überwinden zu müssen. Zusätzlich kann gemäß der Darstellung 2 mit Teil 11 je Rotor ein Generator 11 mittels eines Zahnriemens angetrieben werden, entweder zur weiteren Leistungserhöhung oder um bei sehr hohem Windaufkommen durch zum Beispiel einer Fliehkraftkupplung zugeschaltet zu werden.According to 1 Wind acts from the left on the construction and moves the rotor No. 4. According to the respective blade positions of the rotors no. 4 and No. 3, these rotors, each ball-bearing, rotate on the shaft 1 in the opposite direction of rotation at different speeds. In this case, pass through the parts 8, the coils and parts 7, the magnets at a small distance. Depending on the height of the system speed, ie the sum of the individual speeds of both rotors, an induction voltage is generated by the joint function of the parts 7 and 8. This power generation is done without mechanical power transmission from the rotors 4 and 3 to a generator and thus without the need to overcome mechanical resistance. In addition, as shown 2 With part 11 per rotor, a generator 11 are driven by means of a toothed belt, either for further power increase or to be switched on by a centrifugal clutch, for example, at very high wind load.

• Die Vorteile der erfindungsgemäßen, mehrstufigen Windturbine:The advantages of the multi-stage wind turbine according to the invention:

  • 1. Durch die Erfassung und Energierückgewinnung des Windes, der eine erste Windturbine bereits passiert hat, wird eine höhere Windenergieausbeute erzielt.1. By the detection and energy recovery of the wind, which has already passed a first wind turbine, a higher wind energy yield is achieved.
  • 2. Durch die Gegenläufigkeit von zwei Rotoren ergibt sich aus der Summe beider entgegengesetzten Einzelgeschwindigkeiten eine sogenannte Systemdrehzahl. Die bei Anwendung des Induktionsverfahrens ergibt sich eine Verdoppelung der Stromstärke in Volt und eine Vervierfachung der Leistung in Watt.2. Due to the opposition of two rotors resulting from the sum of both opposite individual speeds, a so-called system speed. When using the induction method results in a doubling of the current in volts and a quadrupling of the power in watts.
  • 3. Zusätzlich kann durch die Zuschaltung von Generatoren im Spitzenbetrieb bei extrem hohen Windaufkommen an Stelle einer Abschaltung der Gesamtanlage eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Gesamtanlage erzielt werden3. In addition, by the connection of generators in peak operation with extremely high wind loads instead of a shutdown of the entire system, an increase in the output of the entire system can be achieved
  • 4. Durch die kompakte Bauart und die hohe spezifische Anlagenleistung kann ein solches Aggregat weitere Absatzmärkte für die Stromerzeugung aus Wind erschließen.4. Due to the compact design and the high specific plant performance, such an aggregate can open up further sales markets for electricity generation from wind.
  • 5. Diese erfindungsgemäße Neuheit ist verwendbar für alle gasförmige Medium, auch für Sattdampf oder überhitzten Dampf als Betriebsmedium, sodass auch in Kraftwerken die mit Dampf oder Abgasen betriebene Elektrizitätserzeugung in ihrer Effizienz erhöht werden kann. Ebenso kann bei Entlüftungsanlagen von Tiefgaragen und U-Bahntunneln, wo permanent große Luftmengen abgeführt werden müssen, durch Zuschaltung einer solchen Turbine die Betriebskosten gesenkt werden.5. This innovation according to the invention can be used for all gaseous medium, even for saturated steam or superheated steam as the operating medium, so that in power plants operated with steam or flue gas electricity generation can be increased in their efficiency. Similarly, in ventilation systems of underground garages and underground tunnels, where permanently large amounts of air must be removed, the operating costs are reduced by connecting such a turbine.

Claims (4)

Mehrstufige Windturbinenanlage für die Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer gemeinsamen, feststehenden Welle 1 zwei oder mehr Rotorenteile 3 und 4 in Form von Windrädern montier sind, die unabhängig voneinander gegenläufig rotieren können.Multi-stage wind turbine plant for power generation, characterized in that on a common, fixed shaft 1, two or more rotor parts 3 and 4 are montier in the form of wind wheels, which can rotate independently in opposite directions. Mehrstufige Windturbinenanlage für die Stromerzeugung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Rotoren Teile 3 und 4 an ihrer zugewandten Stirnseite am äußeren Umfang je eine umlaufende Profilschiene Teile 5 und 6 montiert ist, welche eine der beiden mit dicht angeordneten Dauermagnete Teile 7 bestückt ist und die andere Profilschiene mit Kupferdrahtspulen Teil 8 bestückt ist welche bei Rotation der beiden Rotoren sich in entgegengesetzter Richtung in geringen Abstand passieren.Multi-stage wind turbine plant for the power generation according to claim 1, characterized in that the rotors parts 3 and 4 are mounted on their facing end on the outer circumference on each outer circumferential rail parts 5 and 6, which is one of the two equipped with densely arranged permanent magnets parts 7 and the other rail is equipped with copper wire coils Part 8 which pass in rotation of the two rotors in the opposite direction at a small distance. Mehrstufige Windturbinenanlage für die Stromerzeugung nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreis-Profilschienen Teile 5 und 6 dieser Art sein können, das sie über einen Riementrieb Teil 10 oder eine andere Kraftübertragung zusätzlich einen Generator Teil 11 oder anderes Aggregat antrieben kann welches entweder permanent mitläuft oder lastabhängig automatisch zugeschaltet oder abgeschaltet werden kann.Multi-stage wind turbine plant for power generation according to claims 1 and 2, characterized in that the circular profile rails can be parts 5 and 6 of this kind, they via a belt drive part 10 or another power transmission in addition to a generator part 11 or other unit can drive which either runs along permanently or load-dependent automatically switched on or off. Mehrstufige Windturbinenanlage für die Stromerzeugung nach den Patentansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, das diese Turbinenanlage von einer tunnelförmigen Verkleidung umschlossen sein kann welche mit der Gesamtanlage auf einer Kreisschiene Teil 9 mittels Rollen aufgestellt ist, die über einen Windsensor und Stellmotor sowohl in den jeweils einfallenden Wind gefahren werden kann als auch teilweise aus dem Wind gefahren werden kann wodurch der damit gewollte, verringerte Windeinfall die Ausgangsleistung der Gesamtanlage geregelt werden kann bis hin zur Abschaltung dieser Gesamtanlage.Multi-stage wind turbine plant for power generation according to claims 1, 2 and 3, characterized in that this turbine plant can be enclosed by a tunnel-shaped panel which is placed with the entire system on a circular rail part 9 by means of roles, via a wind sensor and servomotor both in the In each case incident wind can be driven as well as partly driven out of the wind whereby the thus desired, reduced windfall the output power of the entire system can be regulated up to the shutdown of this entire system.
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