DE19924506A1 - Oscillating tree wind power generator, converts fluctuating movement of trees caused by wind into other useful forms of energy, e.g. hydraulic or pneumatic, using technical systems - Google Patents

Oscillating tree wind power generator, converts fluctuating movement of trees caused by wind into other useful forms of energy, e.g. hydraulic or pneumatic, using technical systems

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Abstract

The wind power generator converts the fluctuating movement of trees caused by the wind into other useful forms of energy using technical systems. The wind forces can be converted into hydraulic or pneumatic energy that can be used to drive electric motors. The tree movements can be transferred via tensioned cables (2) to oscillating pressure pumps.

Description

Bekannt ist der Versuch, die winderregten Schwingungsenergien von Meereswellen durch mechanische Auskopplung in andere, nutzbare Energieformen überzuführen. Dieser Nutzung stehen erhebliche technische Schwierigkeiten bei der Meisterung der grossen Wellenkräfte gegenüber.The experiment is known, the wind-excited vibrational energies of ocean waves by mechanical coupling into other usable forms of energy. This use faces significant technical difficulties in mastering against the great wave forces.

Eine ähnliche natürliche Umwandlung der Windenergie findet an Land in Wäldern und Bäumen statt. Dabei entstehen durch Turbulenzbildung schwankende Windkräfte, welche die Baumstämme in elastische Schwingungen versetzen. Im Gegensatz zu den Meereswellenkraftwerken kann aus diesen Schwingungen auf relativ einfache Weise pneumatische, hydraulische und elektrische Energie gewonnen werden. Im Vergleich zu den heute üblichen technischen Rotor- Windanlagen und Windfarmen hat das erfindungsgemässe Baumschwingungs- Wind-Kraftwerk zwei wesentliche Vorteile:
A similar natural conversion of wind energy takes place on land in forests and trees. Turbulence creates fluctuating wind forces that set the tree trunks in elastic vibrations. In contrast to ocean wave power plants, pneumatic, hydraulic and electrical energy can be obtained from these vibrations in a relatively simple manner. Compared to the technical rotor wind turbines and wind farms that are common today, the tree vibration wind power plant according to the invention has two major advantages:

  • 1. Die in letzter Zeit gegenüber Windkraftanlagen immer häufiger auftauchenden Akzeptanzwiderstände wegen Lärmbelästigung ökologischen Beeinträchtigungen (z. B. Vogelschlag) und mangelnder Ästhetik fallen im Falle der Windnutzung von Bäumen und Wäldern fort.1. The ones that have been appearing more and more frequently compared to wind turbines recently Resistance to acceptance due to environmental pollution (e.g. bird strike) and poor aesthetics fall from the wind Trees and forests.
  • 2. Der eigentliche"Windgenerator" wächst natürlich und kostenneutral Kosten treten nur im technischen Subsystem auf, das einfach und sehr ökonomisch gestaltet werden kann.2. The actual "wind generator" grows naturally and costs are neutral only in the technical subsystem that is simple and very economical can be.

Beispielsweise treten bei Windgeschwindigkeiten von v = 10 m/sec beachtliche Windkräfte von ca. 20 N/m2 Baumfläche auf, die zu einer statistischen Pendelbewegung des oberen Teiles des Baumstammes von W ≧ 1 m/sec führen und eine mechanische Schwingungsleistung von
For example, at wind speeds of v = 10 m / sec, considerable wind forces of approx. 20 N / m 2 of tree area occur, which lead to a statistical pendulum movement of the upper part of the tree trunk of W ≧ 1 m / sec and a mechanical vibration output of

P = cw v2/2×w
P = c w v 2/2 × w

erzeugen.produce.

Dies bedeutet, dass pro m2 Blattangriffsfläche vom Winde ≧ 20 W mechanisch abnehmbare Leistung erzeugt werden. Ein mittelgrosser Baum von 20 m Höhe und einer angenommenen effektiven Blattfläche von ca. 100 m2 erzeugt unter diesen Umständen einige kW mechanischer Leistung.This means that mechanically removable power is generated by the winch pro 20 W per m 2 of the blade attack surface. A medium-sized tree with a height of 20 m and an assumed effective leaf area of approx. 100 m 2 generates a few kW mechanical power under these circumstances.

Erfindungsgemäss kann die Umwandlung dieser Bewegungsenergie in verschiedenen technischen Varianten vorgenommen werden.According to the invention, this kinetic energy can be converted into various technical variants can be made.

Gemäss Fig. 1 wird die Umwandlung der Schwingungsenergie durch mit Zugfedern (1) vorgespannte Drahtseile (2) vorgenommen, die über Seiltrommeln (3) und Übersetzungsgetriebe (4) Wechsel- oder Gleichstromgeneratoren (5) antreiben. Diese sind so geregelt, dass sie, je nach Anwendungsfall, entweder einen Wechselstrom von Netzfrequenz oder speziell für die Speicherung in Strombatterien und an das statistische Schwingungsverhalten der Bäume angepasst, einen intermitierenden Gleichstrom konstanter Spannung und Amplitude liefern.As shown in FIG. 1 is carried out the conversion of the vibration energy by pre-loaded with tension springs (1) wire rope (2), which drive (4) AC or DC current generators (5) on cable drums (3), and transmission gear. These are regulated in such a way that, depending on the application, they either supply an alternating current of the mains frequency or specially adapted for storage in current batteries and adapted to the statistical vibration behavior of the trees, an intermittent direct current of constant voltage and amplitude.

Gemäss Fig. 2 wird erfindungsgemäss die Schwingungsenergie mittels pneumatischer oder hydraulischer Kolbenzylinder (6), in ein Druckfluid umgewandelt. Dabei wird mittels Ventilen (7)-(8) das Druckfluid diskontinuierlich in den Kolbenarbeitsraum eingebracht und komprimiert in den Druckspeicher geleitet. Die auf diese Weise gespeicherte Schwingungsenergie des Baumes kann nun beispielsweise über eine Arbeitsmaschine (8) einen Generator (9) zugeführt werden.According to FIG. 2 according to the invention is converted to the vibration energy by means of pneumatic or hydraulic piston cylinder (6) in a pressurized fluid. The pressure fluid is introduced discontinuously into the piston working space by means of valves ( 7 ) - ( 8 ) and conducted compressed into the pressure accumulator. The vibration energy of the tree stored in this way can now be supplied to a generator ( 9 ), for example via a work machine ( 8 ).

Da sich ein Baum bei verschiedenen Windlagen in verschiedenen Auslenkungsmittelstellungen begibt und dann um diese herum periodische Schwingungen ausführt, können sich die pneumatischen oder hydraulischen Zylinder erfindungsgemäss mittels einstellbarer Reibung im Führungszylinder so axial bewegen, dass sie der Gesamtdeformation des windgeschüttelten Baumes folgen.Because a tree is in different wind conditions in different Deflection means positions and then periodic around them The pneumatic or hydraulic cylinder can vibrate according to the invention by means of adjustable friction in the guide cylinder so axially move that they follow the overall deformation of the wind-shaken tree.

In Fig. 3 ist eine solche erfindungsgemässe Rutschkupplung mittels Permanentmagneten dargestellt. Dabei stellt (10) ein Rohr dar, das über den pneumatischen oder hydraulischen Kolbenzylinder (6) geschoben ist. Die Innenseiten von (10) und (6) sind dabei in der Weise mit gegenpoligen Permanentmagneten versehen, dass der Gesamtwandler gemäss der sich jeweils einstellenden Auslenkungsmittelstellung des Baumes verrutscht und somit die volle Schwingungsamplitude des Baumes nutzen kann.In Fig. 3, such a slip clutch according to the invention is illustrated by means of permanent magnets. ( 10 ) represents a tube which is pushed over the pneumatic or hydraulic piston cylinder ( 6 ). The inner sides of ( 10 ) and ( 6 ) are provided with opposite-pole permanent magnets in such a way that the overall transducer slips in accordance with the position of the boom that is set in each case and can thus use the full vibration amplitude of the tree.

Erfindungsgemäss kommen vor allem lange schlanke Baumstämme (z. B. Fichten, Pappeln, Kiefern, Palmen usw.) mit grossflächigen Kronen für die erfindungsgemässe Umsetzung in Frage. Damit die Seile die Baumstämme nicht beschädigen, sind sie im Umschlingungsbereich mit breiten Schutzmanschetten versehen. Als gegenüberliegender Fixpunkt dient, wie aus Fig. 1 hervorgeht, der untere Stammbereich eines in geeigneter Richtung (Hauptwindrichtung) liegenden Baumes. Dieser Befestigungspunkt kann, falls durch zu tief gespannte Seile eine Gefährdung von Tieren und Menschen zu befürchten wäre, auch ohne grosse Leistungseinbußen in mehreren m Höhe befestigt werden.According to the invention, long, slim tree trunks (eg spruces, poplars, pines, palm trees, etc.) with large-area crowns are particularly suitable for the implementation according to the invention. So that the ropes do not damage the tree trunks, they are provided with wide protective sleeves in the loop area. As can be seen from FIG. 1, the lower trunk area of a tree lying in a suitable direction (main wind direction) serves as the opposite fixed point. This fastening point can be fastened at a height of several meters if there is a danger to animals and humans due to ropes that are too tight.

Für Standorte mit häufig wechselnder Windrichtung soll jeder Baum gemäss Fig. 4 mit mindestens 3 Zugseilen versehen werden. Dabei wird erfindungsgemäss jedes einzelne Seil mit einem Energieumwandler ausgerüstet. Diese können entweder individuell angezapft werden oder ihre periodisch schwankenden Leistungen beispielsweise einem Energiespeicher (pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch) zuführen.For locations with frequently changing wind directions, each tree according to FIG. 4 should be provided with at least 3 traction ropes. According to the invention, each individual rope is equipped with an energy converter. These can either be tapped individually or feed their periodically fluctuating outputs to an energy store (pneumatic, hydraulic or electrical), for example.

Erfindungsgemäss kann auch die Windkraftenergie ganzer Baumgruppen einem zentralen Nutzungsaggregat oder Speicher zugeführt werden. Dazu werden gemäss Fig. 5 Baumgruppen so zusammengefasst, dass die in einem definierten Akzeptanzwinkel α bezogen auf die Hauptwindrichtung liegenden Bäume, auf eine zentrale Maschine, Pneumo oder Hydrokolben oder Stromgenerator, (11) wirken und diese wahlweise einen Energiespeicher (12) laden.According to the invention, the wind power energy of entire groups of trees can also be fed to a central utilization unit or storage. For this purpose, groups of trees are summarized in accordance with FIG. 5 such that the trees lying at a defined acceptance angle α in relation to the main wind direction act on a central machine, pneumo or hydro piston or power generator ( 11 ) and optionally load an energy store ( 12 ).

Erfindungsgemäss ist es aber auch möglich, technische Systeme zur Energieumwandlung direkt entlang des Baumstammes anzubringen.According to the invention, however, it is also possible to use technical systems for Attach energy conversion directly along the tree trunk.

In Fig. 6a ist der Schnitt durch einen Baumstamm (13) dargestellt, der längs seines Umfanges von flüssigkeits- oder gasgefüllten, in Richtung zu ihrer Längsachse hochelastischen, Röhren umgeben ist (14). Aus Fig. 6b geht hervor, dass die jeweils an ihrem oberen und unteren Ende mit dem Stamm festverbundenen Röhren so ausgebildet sind, dass sie sich in Längsrichtung dehnen lassen, dabei eine Volumenkontraktion erfahren und dennoch möglichst verformungsfest gegenüber den sich aufbauenden Innendruck sind. Dies kann erfindungsgemäss beispielsweise durch einen kreuzgewickelten (15) Elastomerschlauch genügender Wandstärke geschehen. Die Röhren sind an ihrem unteren bzw. oberen Enden mit unter bzw. Überdruckventilen versehen. Verformt sich der Baumstamm elastisch im Winde, so werden die sich jeweils auf der konvexen Seite angebrachten Röhren unter Verdünnung verlängern und das Arbeitsfluid unter erhöhtem Druck in den Energiespeicher (16) leiten.In Fig. 6a the section through a tree trunk ( 13 ) is shown, which is surrounded along its circumference by liquid or gas filled, highly elastic in the direction of its longitudinal axis, tubes ( 14 ). From Fig. 6b shows that each rigidly connected at their upper and lower ends with the trunk tubes are formed so that they can be stretched in the longitudinal direction, thereby undergo a contraction in volume and yet possible deformation fixed relative to the build-up internal pressure is. According to the invention, this can be done, for example, by means of a cross-wound ( 15 ) elastomer tube of sufficient wall thickness. The tubes are provided with pressure relief valves at their lower and upper ends. If the tree trunk deforms elastically in the wind, the tubes attached to the convex side will lengthen and dilute and the working fluid will flow into the energy store ( 16 ) under increased pressure.

Wenn im weiteren Verlaufe der Baumbewegung die selbe Röhre sich im konkaven Teil des elastisch schwingenden Baumstammes befindet, wird sie sich unter Volumenvergrösserung verkürzen und durch das untere Ventil neues Arbeitsfluid nachsaugen. Die beschriebene erfindungsgemässe Anordnung stellt somit eine windbetriebene Peristaltikdruckerhöhungspumpe dar.If in the further course of the tree movement the same tube is concave Part of the elastic swinging tree trunk, it will be under Shorten volume increase and new working fluid through the lower valve suck up. The described arrangement according to the invention thus represents a wind powered peristaltic booster pump.

Erfindungsgemäss kann auch der bekannte Effekt der Piezoelektrizität zur direkten Wandlung der Baumschwingungs- in elektrische Energie genutzt werden.According to the invention, the known effect of piezoelectricity can also be used for direct Conversion of tree vibrations into electrical energy can be used.

Grundsätzlich stellen die beschriebenen technischen Systeme zur Nutzung der Energie im Winde schwingender Bäume auch eine Massnahme zur Stabilisierung gegen Windbruch bei starken Stürmen dar, da die Schwingungsamplituden im Kronenbereich bedämpft werden.Basically, the described technical systems for using the Energy of trees swinging in the wind is also a measure for stabilization against strong winds due to strong storms, as the vibration amplitudes in the Crown area are damped.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Nutzung der grossen Bewegungsenergie im Winde schwankender Bäume dadurch gekennzeichnet, dass die dabei auftretenden zeitlich sich ändernden Luftkräfte mittels technischer Systeme in andere nutzbare Energieformen umgewandelt werden.1. Device for using the large kinetic energy of trees swaying in the wind, characterized in that the time-changing air forces occurring are converted into other usable forms of energy by means of technical systems. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am hohen Bäumen angreifenden zeitlich schwankenden Windkräfte in pneumatische oder hydraulische Druckenergie umgewandelt werden.2. Device according to claim 1, characterized in that the high Temporally fluctuating wind forces attacking in pneumatic or hydraulic pressure energy can be converted. 3. Vorrichtung nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nach 2 erzeugte Druckenergie zum Antrieb von Elektromotoren verwendet wird.3. Device according to 1 and 2, characterized in that the generated according to 2 Pressure energy is used to drive electric motors. 4. Vorrichtung nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels dehnungsstarrer Seile die kraftvolle Schwingungsbewegungen des oberen Teiles der Baumstämme auf eine pneumatische oder hydraulische oszillierende Druckpumpe übertragen werden, die mittels Rückschlagventilen in einem Druckspeicher sammelt.4. The device according to 1 and 2, characterized in that by means stretch rigid ropes the powerful vibratory movements of the upper Part of the tree trunks on a pneumatic or hydraulic oscillating Pressure pump can be transferred using check valves in one Accumulator accumulates. 5. Vorrichtung nach 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Druckenergie zum Antrieb eines Elektromotors genutzt wird.5. The device according to 1 and 4, characterized in that the stored Pressure energy is used to drive an electric motor. 6. Vorrichtung nach 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit begrenzter Amplitude oszillierende hydraulische oder pneumatische Druckpumpengehäuse mittels einstellbarer Reibung sich im Führungszylinder so axial bewegen kann, dass sein Weg der Gesamtdeformation des windgeschüttelten Baumes entspricht. 6. The device according to 1 and 4, characterized in that the limited Amplitude oscillating hydraulic or pneumatic pressure pump housing can move axially in the guide cylinder by means of adjustable friction, that its way of total deformation of the wind-shaken tree corresponds.   7. Vorrichtung nach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Stammbereich des benachbarten Baumes als Fundament des Seilantriebs verwendet wird.7. The device according to 1 to 6, characterized in that the lower Trunk area of the neighboring tree as the foundation of the cable drive is used. 8. Vorrichtung nach 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dehnungssteifen Seile durch Zugfedern straff gehalten werden.8. The device according to 1 and 4, characterized in that the stretch-resistant Ropes are held taut by tension springs. 9. Vorrichtung nach 1, 4, und 8, dadurch gekennzeichnet, dass über Seilrollen rotierende Elektrogeneratoren angetrieben werden.9. The device according to 1, 4 and 8, characterized in that over pulleys rotating electrical generators are driven. 10. Vorrichtung nach 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrogeneratoren Gleichstrom mit wechselndem Vorzeichen erzeugen, der mit Halbleitergleichrichtern verlustarm in Gleichstrom verwandelt werden.10. The device according to 1 and 9, characterized in that the Generate alternating current direct current electric generators with Semiconductor rectifiers can be converted into direct current with little loss. 11. Vorrichtung nach 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleitergleichstrom-wandler abhängig von der jeweiligen Oszillationsgeschwindigkeit die Generatorspannung auf konstante Verbraucherspannung transformieren.11. The device according to 1 and 10, characterized in that Semiconductor DC converter depending on the particular Oscillation speed the generator voltage to constant Transform consumer voltage. 12. Vorrichtung nach 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftauskoppelnden Seile mehrerer Bäume an eine zentrale Nutzungsmaschine angekoppelt werden.12. The device according to 1-11, characterized in that the force decoupling Ropes of several trees can be coupled to a central usage machine. 13. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische System zur Nutzung der Bewegungsenergie der Bäume aus flüssigkeits- oder gasgefüllten Röhren hoher Biegeelastizität und hoher Druckfestigkeit besteht, die gleichmässig längs der Längsachse des Baumstammes rund um seinen Umfang angeordnet sind.13. The device according to 1, characterized in that the mechanical system to use the kinetic energy of trees from liquid or gas-filled tubes with high bending elasticity and high pressure resistance, which are evenly along the longitudinal axis of the tree trunk around its Scope are arranged. 14. Vorrichtung nach 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssigkeits- oder gasgefüllten Röhren an ihren unteren und oberen Enden fest mit dem Baum verbunden sind und dass sie an ihrem unterem Ende mit einem Unterdruck und an ihrem oberen Ende mit einem Überdruckventil versehen sind. 14. The device according to 1 and 13, characterized in that the liquid or gas-filled tubes at their lower and upper ends firmly attached to the tree are connected and that they have a vacuum at their lower end and are provided with a pressure relief valve at their upper end.   15. Vorrichtung nach 14, dadurch gekennzeichnet, dass das sich im Inneren der Röhren befindliche Fluid immer dann komprimiert wird, wenn es sich auf der konvexen Seite des im Winde schwingenden Baumes befindet und durch das Überdruckventil Druckenergie in einen Speicher einbringt.15. The apparatus according to 14, characterized in that the inside of the Any fluid present in the tube is compressed whenever it is on the convex side of the tree swaying in the wind and through the Pressure relief valve introduces pressure energy into a storage tank. 16. Vorrichtung nach 1, 13, 14, 15 dadurch gekennzeichnet, dass sich das im Inneren der Röhren befindliche Fluid immer dann expandiert und einen Unterdruck erzeugt, der zum Öffnen des Unterdruckventils mit nachfolgender Fluidnachfuhr führt, wenn sich die Röhre auf dar konkaven Seite des im Winde schwingenden Baumes befindet.16. The device according to 1, 13, 14, 15, characterized in that the Fluid inside the tubes always expands and unifies Vacuum generated to open the vacuum valve with subsequent Fluid tracking results when the tube is on the concave side of the wind swinging tree. 17. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass am schwankenden Baumstamm piezoelektrische Wandler befestigt sind, die Verformungsenergie direkt in elektrischen Strom wandeln.17. The device according to 1, characterized in that on the fluctuating Tree trunk piezoelectric transducers are attached to the deformation energy convert directly into electrical current.
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