DE102020003130A1 - Scalable, fully regulated, air-driven energy transformer (SVL energy transformer) - Google Patents

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Abstract

Es wird mit dieser Patentanmeldung die Erteilung eines Patents auf eine neuartige Windkraftanlage (skalierbarer, vollgeregelter, luftgetriebener Energietransformer = SVL-Energietransformer) beantragt.Die Basis dieser Windkraftanlage beruht auf dem Grundprinzip einer, zwei oder mehreren angetriebenen geregelten Rotoren, die über geeignete Verbindungselemente auf einer zentralen Achse (Hauptachse) montiert sind. Sie nutzen den Magnus-Effekt als Rotations-/Antriebskraft für die Hauptachse aus und erzeugen so ein konstantes Drehmoment. Dieses Drehmoment wird mit Hilfe einer Verbindungswelle (Hauptachsenstrang) auf einen Generator übertragen.Die Rotoren sind mit einem speziellen zylinderförmigen Mantel (Bernoulli-Diffusor) umgeben, dessen Ende, entsprechend der Windgeschwindigkeit, mit einer adaptiven Steuerung versehen ist.Die Rotoren haben in ihrer Innenseite Endscheiben und sind am anderen Ende entsprechend den Abmessungen des Bernoulli-Diffusors als Kalotte ausgebildet.Die Anwendung von adaptiven Oberflächenstrukturen verbessert im erheblichen Maße die Aerodynamik und damit die Leistung der Windkraftanlage.Das embedded, adaptive Reglersystem gewährleistet eine robuste, stetige Leistungsabgabe.Die abgegebene elektrische Leistung des Generators hängt primär von den geometrischen Abmessungen der Windkraftanlage und den vorherrschenden Windverhältnissen ab.This patent application applies for a patent for a new type of wind power plant (scalable, fully regulated, air-driven energy transformer = SVL energy transformer) central axis (main axis) are mounted. They use the Magnus effect as a rotational / driving force for the main axis and thus generate a constant torque. This torque is transmitted to a generator with the help of a connecting shaft (main axle line). The rotors are surrounded by a special cylindrical casing (Bernoulli diffuser), the end of which is provided with an adaptive control according to the wind speed. The rotors have inside End plates and at the other end are designed as a dome according to the dimensions of the Bernoulli diffuser. The use of adaptive surface structures improves the aerodynamics and thus the performance of the wind turbine considerably. The embedded, adaptive control system ensures a robust, constant power output. The electrical output The output of the generator depends primarily on the geometric dimensions of the wind turbine and the prevailing wind conditions.

Description

Der SVL-Energietransformer (SVL=skalierbar, vollgeregelt, luftgetrieben) (Bild 1) ist als klein- bis mittelgroße Anlage zur Erzeugung von Elektrizität konzipiert.
Er besteht aus einer, zwei oder mehreren angetriebenen geregelten Rotoren, die über geeignete Verbindungselemente auf einer zentralen Achse (Hauptachse) montiert sind. Sie nutzen den Magnus-Effekt als Rotations-/Antriebskraft für die zentrale Achse aus, über die ein Generator angetrieben wird.The SVL energy transformer (SVL = scalable, fully regulated, air-driven) (Fig. 1) is designed as a small to medium-sized system for generating electricity.
It consists of one, two or more driven, regulated rotors, which are mounted on a central axis (main axis) using suitable connecting elements. They use the Magnus effect as a rotational / driving force for the central axis, which drives a generator.

Dieses Konzept kann im in Abhängigkeit seines Maßstabs, sowohl zur Erzeugung von Windenenergie in herkömmlichen Sinn (vgl. Windkraftanlage) als auch zur Aufladung von Speichern in elektromobilen Anwendungen eingesetzt werden.Depending on its scale, this concept can be used both to generate wind energy in the conventional sense (cf. wind power plant) and to charge storage devices in electromobile applications.

In letzterer Funktion führt dies zu längeren Einsatzzeiten/Reichweiten oder Gewichtsreduzierungen der Energie-Speicher-Systeme.In the latter function, this leads to longer operating times / ranges or weight reductions in the energy storage systems.

Die Windkraftanlage kann durch verschiedene technologische Maßnahmen (s. unten) in seiner Leistung gesteigert bzw. an den individuellen Bedarf angepasst werden.The performance of the wind power plant can be increased or adapted to individual needs through various technological measures (see below).

Zur Leistungsverbesserung sind die Rotoren mit einem Bernoulli-Diffusor umgeben (Bild 1 bis Bild 8). Der Bernoulli-Diffusor besteht aus einem zylinderförmigen Rohr dessen Ende mit einer Verstelldüse versehen ist. Deren Öffnungswinkel wird bestimmt durch die Windgeschwindigkeit, die Rotorzahl und die Rotorgeschwindigkeit.To improve performance, the rotors are surrounded by a Bernoulli diffuser (Fig. 1 to Fig. 8). The Bernoulli diffuser consists of a cylindrical tube, the end of which is provided with an adjustable nozzle. Their opening angle is determined by the wind speed, the number of rotors and the rotor speed.

Durch die zusätzliche Drehung der Rotoren um die Hauptachse ändert sich die Druckverteilung über die Längsachse der Rotoren. D. h. es ist daher eine von einem Zylinder abweichende Form der Druckverteilung. Sie muss berücksichtigen, dass die Position der Staupunkte der Strömung, - bezogen auf die Längsachse der Rotoren, einen konstanten Wert haben (Bild 2). Die Form muss daher rechnerisch aus den Auslegungsparametern ermittelt werden.The additional rotation of the rotors around the main axis changes the pressure distribution over the longitudinal axis of the rotors. I. E. it is therefore a form of pressure distribution that differs from that of a cylinder. It must take into account that the position of the stagnation points of the flow - in relation to the longitudinal axis of the rotors, have a constant value (Fig. 2). The shape must therefore be calculated from the design parameters.

Die äußeren Enden der Rotoren sind entsprechend des Durchmessers des Bernoulli-Diffusor als Kalotte ausgebildet. Die inneren Seiten der Rotoren sind mit Endscheiben versehen, deren Durchmesser für die jeweilige Anwendung optimiert ist.The outer ends of the rotors are designed as a dome, corresponding to the diameter of the Bernoulli diffuser. The inner sides of the rotors are provided with end plates, the diameter of which is optimized for the respective application.

Die Oberflächen der Rotoren sind mit einer adaptiven Oberflächenstruktur (z. B. Dimpels (Golfball)), Grenzschichtzäune, Riffelung, Rauheit) versehen. Die jeweilige Auswahl/Kombination dieser Strukturen bestimmt das Verhalten von laminarer und nichtlaminarer Grenzschicht und damit auch die Leistung des Gesamtsystems. Die jeweilige Auswahl/Anwendung hängt von der Systemauslegung dem Betriebsmodus und dem Einsatzort ab.The surfaces of the rotors are provided with an adaptive surface structure (e.g. dimpels (golf ball), boundary layer fences, corrugation, roughness). The respective selection / combination of these structures determines the behavior of the laminar and non-laminar boundary layer and thus also the performance of the overall system. The respective selection / application depends on the system design, the operating mode and the place of use.

Messungen mit vereinfachten Modellanordnungen und mit adaptiven Strukturen lassen eine erhebliche Leistungssteigerung des Gesamtsystems erwarten.Measurements with simplified model arrangements and with adaptive structures lead to the expectation of a considerable increase in the performance of the overall system.

Die Auslegung des Reglersystems wird bestimmt durch die anvisierte Anwendung bzgl. des Betriebseinsatzes und den Umweltbedingungen. Diese bestimmen wiederum die physikalischen Auslegungsparameter der Rotoren, des Bernoulli-Diffusors und des Reglersystems (Anströmgeschwindigkeit, Drehzahl der Rotoren und die der Hauptachse).The design of the control system is determined by the intended application in terms of operational use and the environmental conditions. These in turn determine the physical design parameters of the rotors, the Bernoulli diffuser and the control system (flow velocity, speed of the rotors and that of the main axis).

Das Reglersystem (Bild 9) besteht aus:

  • ■ Rechner
  • ■ Sensoren (Wind, Drehzahlen (Hauptachse, Rotoren) u.a.)
  • ■ Aktuatoren (Diffusor, Verstelldüse, Antrieb)
und der entsprechenden SteuersoftwareThe control system (Fig. 9) consists of:
  • ■ Calculator
  • ■ Sensors (wind, speeds (main axis, rotors), etc.)
  • ■ Actuators (diffuser, adjustable nozzle, drive)
and the corresponding control software

Die in das Reglersystem integrierten Aktuatoren (Betriebsgeschwindigkeit, Verstelldüse) können elektromechanischer, elektrohydraulischer oder elektropneumatischer Natur sein.The actuators integrated in the control system (operating speed, adjusting nozzle) can be electromechanical, electrohydraulic or electro-pneumatic in nature.

Die Stärke der Rotorkraft wird von

  • ■ den geometrischen Abmessungen der Windkraftanlage
  • ■ der Windgeschwindigkeit
  • ■ der Drehgeschwindigkeit der Rotoren
  • ■ der Gestaltung der Rotoren
  • ■ der Oberflächenstruktur der Rotoren
  • ■ der Gestaltung des Bernoulli-Diffusors
  • ■ dem Lagerkonzept
  • ■ dem Antriebskonzept der Rotoren
  • ■ dem Austrittswinkel der Verstelldüse
  • ■ dem Reglerkonzept (Verhältnis Eintrittswindgeschwindigkeit/Betriebswindgeschwindigkeit/Austrittswindgeschwindigkeit etc.) (Bild 9)
bestimmt.The strength of the rotor power is determined by
  • ■ the geometric dimensions of the wind turbine
  • ■ the wind speed
  • ■ the speed of rotation of the rotors
  • ■ the design of the rotors
  • ■ the surface structure of the rotors
  • ■ the design of the Bernoulli diffuser
  • ■ the storage concept
  • ■ the drive concept of the rotors
  • ■ the outlet angle of the adjustable nozzle
  • ■ the controller concept (ratio of inlet wind speed / operating wind speed / outlet wind speed, etc.) (Fig. 9)
certainly.

Die Rotoren sind über T-förmige Verbindungselemente mit einem Hauptachsenstrang miteinander verbunden, an dessen Ende ein Generator gekoppelt ist. Der Antrieb der Rotoren kann (Bild 3-7)

  • ■ einzeln über einen elektrischen Nabenmotor
  • ■ einem Reibscheibengetriebe
  • ■ einem Kegelradgetriebe
  • ■ einzeln über Fluidantrieb (Schaufeln, Peltonrad)
erfolgen.The rotors are connected to one another via T-shaped connecting elements with a main axle string, at the end of which a generator is coupled. The drive of the rotors can (Fig. 3-7)
  • ■ individually via an electric hub motor
  • ■ a friction disk drive
  • ■ a bevel gear
  • ■ individually via fluid drive (blades, Pelton wheel)
take place.

Claims (10)

Windkraftanlage deren Grundprinzip aus auf einer Hauptachse montierten Rotoren besteht und die durch Ausnutzung des Magnus-Effekts in Rotation versetzt werden. Diese technische Anordnung erzeugt ein konstantes Drehmoment, das über einen Generator in elektrische Leistung umgesetzt wird.Wind power plant whose basic principle consists of rotors mounted on a main axis and which are set in rotation by utilizing the Magnus effect. This technical arrangement generates a constant torque that is converted into electrical power by a generator. Windkraftanlage ist gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren elektrisch oder mechanisch miteinander gekoppelt sind und einzeln oder zusammen (E-Motor, Fluid-Turbine, Reibscheibe, Kegelradantrieb) in Drehung versetzt werden.Wind turbine is in accordance with Claim 1 characterized in that the rotors are electrically or mechanically coupled to one another and are set in rotation individually or together (electric motor, fluid turbine, friction disk, bevel gear drive). Windkraftanlage, deren geschwindigkeitsoptimierte Rotoren (Bild 2) und Drehzahlen gemäß Anspruch 1 und 2 so ausgestaltet und geregelt werden, dass diese in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit maximale Leistung liefern.Wind power plant, its speed-optimized rotors (Fig. 2) and speeds according to Claim 1 and 2 designed and regulated in such a way that they deliver maximum power depending on the wind speed. Windkraftanlage, die gemäß Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rotoren durch einen speziellen Bernoulli-Diffusor (Zylinder, Windgeschwindigkeitsregler, Verstelldüse) umgeben sind. Dieser Diffusor bewirkt: • eine Optimierung der Anströmgeschwindigkeit der Rotoren und damit den Wirkungsgrad der Windkraftanlage • einen Schutz vor Beeinflussung der Eintritts-Windgeschwindigkeit durch seitlich benachbarte gleichartige oder andere Windkraftanlagen • eine Schutzzone bei etwaigen Störungen im Arbeitsbereich der Rotoren • einen Schutz vor direkten Witterungseinflüssen wie Regen, Hagel oder Schnee Dies trägt zugleich zur Stabilität des Wirkungsgrades bei. • eine Minderung des (evtl. störenden) Lärmpegels der Rotoren (evtl. durch acoustic Liners/ Helmholtz-Resonatoren)Wind power plant according to Claim 1 - 3 is characterized in that the rotors are surrounded by a special Bernoulli diffuser (cylinder, wind speed controller, adjustable nozzle). This diffuser causes: • an optimization of the inflow speed of the rotors and thus the efficiency of the wind power plant • a protection against the influence of the entry wind speed by laterally adjacent similar or different wind power plants • a protection zone in case of any disturbances in the working area of the rotors Rain, hail or snow This also contributes to the stability of the efficiency. • a reduction in the (possibly disruptive) noise level of the rotors (possibly through acoustic liners / Helmholtz resonators) Windkraftanlage, gemäß Anspruch 1-4, bei der die Rotoren mit einer adaptiven Oberflächenstruktur (Bild 2) versehen sind.Wind turbine, according to Claim 1 - 4th , in which the rotors are provided with an adaptive surface structure (Fig. 2). Windkraftanlage gemäß Anspruch 1-5 ohne die Notwendigkeit einer besonderen Regelung zur Windausrichtung, da sie so konstruiert ist, dass sich der Hauptachsenstrang automatisch in die Windrichtung (kollinear) einstellt.Wind turbine according to Claim 1 - 5 without the need for a special regulation for wind direction, as it is designed in such a way that the main axis line automatically adjusts itself to the wind direction (collinear). Windkraftanlage gemäß Anspruch 1-6, die in Abhängigkeit von den Anforderungen mit spezifischen Antriebssystemen versehen werden kann (Bild 3-7).Wind turbine according to Claim 1 - 6th which can be equipped with specific drive systems depending on the requirements (Fig. 3-7). Windkraftanlage ist gemäß Anspruch 1-7 dezentral. Abhängig von der Anwendung (stationär/mobil) kann sie autonom oder mit Hilfe einer entsprechenden Leistungselektronik innerhalb eines Bordnetzes oder in einem öffentlichen Netz betrieben werden.Wind turbine is in accordance with Claim 1 - 7th decentralized. Depending on the application (stationary / mobile), it can be operated autonomously or with the help of appropriate power electronics within an on-board network or in a public network. Windkraftanlage kann gemäß Anspruch 1-8 in der entsprechenden Skalierung als Range-Extender/ OnBoard autonomes Ladegerät (vgl. Stauluft-Turbine, Ram-Air-Turbine RAT) für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.Wind turbine can according to Claim 1 - 8th can be used in the appropriate scaling as a range extender / onboard autonomous charger (cf. ram air turbine, ram air turbine RAT) for electric vehicles. Windkraftanlage gemäß Anspruch 1-9, die infolge eines voll integrierten, adaptiven Reglersystems eine stetige, maximale Leistungserzeugung gewährleistet (Bild 9).Wind turbine according to Claim 1 - 9 which, thanks to a fully integrated, adaptive controller system, guarantees constant, maximum power generation (Fig. 9).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2814247A1 (en) 1977-04-05 1978-10-19 Daniel Henggeler Wind driven electrical generator - utilised magnus effect on two revolving rotors to produce couple driving generator
GB2006885A (en) 1977-08-12 1979-05-10 Gray R Apparatus for Generating Power from Fluid Flow
AT514149A1 (en) 2013-04-05 2014-10-15 Manfred Taibl Wind power module

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