DK176831B1 - Dybvands offshore darrieus vindturbine med multifuntionelt led - Google Patents

Description

DK 176831 B1 i

Dybvands Offshore Darrieus Vindturbine med Multifunktionen Led.

5 Opfindelsens omrade

Opfindelsen angår et magnetisk leje samt anvendelse deraf til offshore vindturbiner, især dybvands offshore vindturbiner, for at generere elektrisk energi.

Opfindelsens baggrund 10

Der er principielt 2 typer vindturbiner: 1. HAWT: Horisontal Axis Wind Turbine.

2. VAWT: Vertical Axis Wind Turbine.

15 De traditionelle vindturbiner tilhorer HAWT (Horisontal Axis Wind Turbine) familien, f.eks.turbinen på Fig.5, som viser ansøgerens model for en 1.5 MW turbine, udarbejdet for det danske selskab NEG-Micon i perioden 1996-1999, og vist på en offentlig udstilling i Danmark, 1999. HAWT familien (f.eks.som anvendt i Fig.5) er den mest kendte i Europa, hvor den nærmest har været enerådende de sidste 30 år.

20 Men fra et rent teoretisk synspunkt er der ingen forskel på disse 2 familier mht.effektivitet, idet den såkaldte ’Betz Factor’ (maksimum af den energi man kan tage ud af vinden), er den samme, ca.60%. Valget af type har i høj grad været baseret på traditioner, industriøkonomiske og dermed nationaløkonomiske argumenter, og national (og lokal) politiske argumenter - ikke rent teknisk velfunderede argumenter.

25 VAWT familien har mange medlemmer. ’Darrieus Turbinen’, Ή-Turbinen’, ’Musgrove Turbinen’, ... Darrieus turbinen adskiller sig klart fra de andre i VAWT familien ved rotorbladenes form. Denne form, kaldet ’troposkien’ (græsk for ’roterende reb’), minimerer bøjningsspændingeme i rotorbladene under operation.

Den franske ingeniør G.M.Darrieus patenterede sit koncept i 1926 (Frankrig) og i 1931 (USA), (Fig.6 er en kopi af den originale patentansøgning), men den kom først igang igen i en industriel storskala sammenhæng i USA og Canada i perioden 1970- 30 2 DK 176831 B1 1997. Turbinen er bl .ubeskrevet i Ion Paraschivoiu: ’Wind Turbine Design with Emphasis on Darrieus Concept’, Polytechnic International Press, 2002.

Der er følgelig mange eksempler på denne types anvendelse onshore. ’The FloWinds’ 5 i Fig.2 er et par af de største kommercialiserede eksempler. Effekten for samtlige kommercialiserede versioner ligger i intervallet 0.2-0.5 MW.

SANDIA 34-meter var en test-turbine, med det primære formål at teste forskellige typer af standard flyprofiler og produktionsmetoder. En stor del af de eksisterende 10 data omkring det aerodynamiske aspekt for profiltyper stammer fra denne ’test-bed’, og er baseret på en lang række forsøg. Den maksimale effekt der blev opnået var ca, 0. 5 MW,

Den store 4 MW EOLE, nær Quebec i Canada, var også en test-turbine, men brød 15 sammen pga.de enorme belastninger i gear mv. i bunden. Turbinen havde en masse på ca.300 tons.

I modsætning til ovenstående er der pr.dd. ingen os bekendte eksempler på anvendelsen af en Darrieus turbine i en offshore sammenhæng. Dagens offshore 20 vindturbiner (eksisterende eller på projektstadiet) kan groft deles ind i 2 typer: HAWT baserede eller VAWT baserede.

1. HAWT baserede. Her findes principielt 3 typer. De 2 første findes i operation mange steder, mens den tredie os bekendt kun findes fra adskillige projekter i det 25 forløbige stadium.

a. Turbinen er fast indspændt i et fundament, der er fast indspændt i havbunden Der findes forskellige udformninger af dette fundament, men det grundlæggende princip er det samme. Dette begrænser mulighederne for det princip, idet det både teoretisk og økonomisk synes at kræve vanddybder D < 40-50 m.

30 b. Som under a. Turbinen er fast indspændt i fundamentet, men dette er en sænkekasse (caisson), der holdes på plads på havbunden af sin tyngde. Dette begrænser også dette princip i en vindturbine sammenhæng til vanddybder D < 40-50 m.

3 DK 176831 B1

Disse vindturbiner (a og b) kan ikke kaldes ’offshore’ - ’near-shore’ er et mere passende udtryk. Tilsyneladende er man dd.ikke på større vanddybder end D ~ 10-12 m.

c. På større vanddyb (D > 40-50 m) er man nødt til at anvende et flydende 5 fundament. Ingen sådanne flydende vindturbiner eksisterer idag, men en del projekter er igang. De fleste af os bekendte projekter er baseret på en SPAR, og med en HAWT fast indspændt i denne.

2. VAWT baserede.

10 a. I skrivende stund ser det ud som om et kinesisk-amerikansk-canadisk projekt (’ecopower’) er under udvikling og adskiller sig fra vores opfindelse på mindst to afgørende punkter: Undervandskonstruktionen er en ’Tension Leg Platform’ (TLP), og søjlen er fast indspændt i platformen.

15 Det første punkt gør vindturbinen immobil (medmindre man efterlader de kostbare installationer på havbunden), mens det andet punkt sandsynligvis fører til lignende problemer som ovenfor (indspændings-problematikken, jvf.Fig.5 og kommentarer), dog med den forbedring at tyngdepunktet ligger lavere end for en lignende HAWT-løsning. Indtil videre er meget lidt tilgængeligt omkring dette projekt.

20

Der er 4 patenter som er mere eller mindre relevante for vores opfindelse: 1) Fra amerikansk patent US 4,664,596 af Charles F.Wood (1987) kendes en vindturbine af Darrieus typen hvor magnetiske lejer er brugt for at reducere friktionen.

Det er en konstruktion til de gamle ’Indal’ turbiner, som er onshore-baserede. Funda-25 mentet virker som en indspænding og fører derfor til de samme problemer som er nærmere beskrevet i ’Opfindelsens Formål’ i forbindelse med Fig.5, og er derfor irrelevant i vores sammenhæng. Lignende løsninger (men senere) kendes fra ’Wind Turbine Design with Emphasis on Darrieus Concept’, 2002, nævnt ovenfor.

30 2) Russisk patentskrift RU 2 184 268 af G.S.Tarasovich (årstal ubekendt). Der er beskrevet en Darrieus turbine på et flydende fundament, forankret til havbunden med kæder, og hvor turbinen holdes oprejst i havet med en lodret vægt.

4 DK 176831 B1

Dette system virker ikke, da fundamentet (essentielt en pram med et stort hul i midten) i en offshore sammenhæng ligger præcis hvor det ikke skulle, nemlig i bølgezonen (ca.den øverste trediedel af vanddybden). Det betyder meget store sideværts bevægelser - af samme art, men endnu større, som dem man far med en Tension Leg Plat-5 form’ (TLP). Det betyder at rotoren vil fa meget store gyrodynamiske bevægelser som vægten under rotoren næppe kan styre.

3) Japansk patentskrift JP 2004 270673 af Kikuchi Akio (2004). Darrieus turbinen er lejret i cylindriske magnetlejre omkring den lodrette aksel og svæver på et 10 magnetfelt i bunden.

Den viste anordning af magneterne resulterer i en fast indspænding af rotormasten og meget lille mulighed for eftergivelighed ved bøjning, hvilket er kritisk for den tekniske funktion under belastining emd en fare for, at tårnet knækker.

15 4) Belgisk patentskrift BE 1009175 af Dirk Laureyssens (1997). Magnetisk set er der ligeledes meget lille mulighed for eftergivelighed ved bøjning, hvilket er kritisk for den tekniske funktion under belastning med en fare for, at tårnet knækker. En aksel som bæres i 2 lejer udformet med permanente magneter. Patentindehaveren påpeger at akslen kunne være en turbine med lodret aksel. Lejet er udformet som en cylin-20 der med bund, med f.eks.N-poleme rettet mod aksen. På selve aksen sidder Impotente naturligvis modsat. Det er stadig ’repulsion’ egenskaben ved magneterne som er basis-ideen.

Såvidt vi kan se (anvendelser af patentet kendes ikke af os) er problemerne her af for-25 skellig karakter:

Magnetfeltet mellem lejets ’skål’ (altså cylinder + bund) og akslen bliver meget ujævnt, især omkring overgangen mellem cylinder og bund. Det er ikke på-vist/sandsynliggjort at ’bærekraften’ mellem ’skål’ og akse f.eks.i længderetningen er 30 tilstrækkelig. Magneterne på cylinderen bidrager ikke til den lodrette bærekraft, da deres kraftretning er vinkelret på aksen. En bruger af denne løsning i et ’heavy-duty’ projekt ville fa store kinematiske problemer - en cylinder der skal kunne dreje sig en 5 DK 176831 B1 vis vinkel indeni en anden cylinder forårsager kollisioner omkring hjørnerne. Dette er forsøgt løst ved at indbygge ’støddæmpere’ i form af gummiringe i cylindervæggen.

Det mest kritiske er sandsynligvis at konstruktionen ikke vil kunne tåle kræfter af nogen betydning når man betragter den som en membran/skal konstruktion. Dette skyl-5 des mindst 2 ting : 1. En cylinder er en enkelt-krum flade. Der vil derfor for den samme kraft opstå dobbelt så store spændinger i cylinderen med radius R som i en kugle (dobbelt-krum flade) med radius R.

10 2. Hvis konstruktionen udsættes for store indvendige kræfter (f.eks.accelerationskræfter) vil der opstå et meget stort tryk mod bunden (eller toppen), som kan være plade-formede plade. En plade er O-krum - den er plan, og en meget uheldig konstruktion med henblik på at optage kræfter vinkelret på bunden; der vil opstå store bøjningsmomenter, fuldstændig som der gør f.eks.i en betongulv-15 konstruktion. Af samme årsag vil der komme meget store spændinger i hjørnerne, dvs.mellem cylinderen og pladen. Der vil i en offshore sammenhæng opstå lækager pga.de konstante svingninger, og ingen marin ingeniør ville drømme om at konstruere den mest kritiske del af en offshore installation på denne måde.

20 Ovennævnte eksempler reducerer friktionen i sammenligning med mekaniske løsninger. Men de berører ikke det helt centrale problem, forbundet med at masten er indspændt (i varierende grad) i fundamentet. Det er denne indspænding, der i visse tilfælde er helt ødelæggende for funktionaliteten af hele konstruktionen, idet der qua denne indspænding vil optræde meget store dynamiske bøjningsmomenter i området om-25 kring overgangen mast-fundament.

Dette viste beregninger foretaget af den ene af ansøgerne (SZ) i forbindelse med modellen i Fig.5 for et flydende fundament. Disse store bøjningsmomenter skyldes dels det komplicerede svingningsmønster der opstår (bølger og vind samtidigt, og med 30 forskellige retninger), men primært pga.tyngdepunktets højde over vandoverfladen (tung rotor + generator + gear + krøyemekanisme højt over vandoverfladen). Det sidstnævnte er meget uheldigt fra et marint design synspunkt, hvor hovedprincippet også for denne type konstruktioner er, at tyngdepunktet skal ligge så lavt som muligt.

6 DK 176831 B1

Konsekvensen af beregningerne var, at sandsynligvis knækker tårnet nær overgangen mellem tårnet og fundamentet (lidt over havoverfladen), eller der vil indtræffe træthedsbrud i materialet i tårnet i løbet afkort tid pga.svingningeme. Kombinationen i Fig.5 er ’et uheldigt marint ægteskab mellem 2 hver for sig gode konstruktioner’.

5 Det er: man far store dynamiske bøjningsmomenter omkring den faste indspænding mellem tårnet og den ganske enkelt en dårlig ’vandplante’.

Beskrivelse af opfindelsen 10 Formålet ved opfindelsen er at løse de ovennævnte problemer og især problemerne forårsaget af indspændingen af masten i fundamentet (flyderen). Ved opfindelsen tilvejebringes et magnetisk leje til at forbinde en dybvands offshore vindturbine med et flydende fundament, således at de store bøjningsmomenter i overgangen turbinemast-fundament bliver elimineret. Ved anvendelsen af dette magnetiske leje bliver hele 15 konstruktionen betydelig forenklet idet anvendelsen af bl.a. gear og generator undgås. Endvidere, da det magnetiske leje ikke kan knække, bliver problemerne såsom slitage, energitab, vedligeholdelse m.m. minimeret.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved at tilvejebringe et Multifunktionelt led, her kaldt 20 Z-Ball, ind i konstruktionen for en flydende offshore Darreius vindturbine for at forbinde turbinen med det flydende fundament, og hvor det Multifunktionelle led er et magnetisk leje kendetegnet ved, at det omfatter en magnetisk kugleformet skål, hvor der inden i skålen er tilvejebragt et magnetisk kugleformet legeme med en diameter mindre end den indre diameter af skålen for derved at skabe et mellemrum mellem det 25 kugleformede legeme og skålen, hvor såvel skålen som legemet er sammensat af et antal magneter, der har samme pol rettet mod mellemrummet, hvor magneterne er superledende magneter, elektromagneter, permanente magneter eller en blanding af elektromagneter og permanente magneter, 30 Dette leje har samtidigt ingen/en meget lille friktion, forårsaget af såkaldte ’eddy’-strømme. Denne type friktion er ikke af abrasiv karakter, men kunne kaldes ’magnetisk friktion’.

7 DK 176831 B1

Den foretrukne konfiguration for opfindelsen i Fig.l er en realistisk måde at konstruere dybvands offshore vindturbiner på. Det multifunktionelle led Z-Ball eliminerer bøjningsmomentet i overgangen turbine-fundament. Dette muliggør en ny 5 anvendelse af Darrieus turbinen, og hele offshore-konstruktionen bliver en letvægtskonstruktion med et minimum af mekaniske komponenter.

Hele konstruktionen kan produceres som enkeltkomponenter og transporteres søværts, og installeres med eksisterende offshore udstyr.

10 Det, der opnås med Z-Ball er: 1. De store bøjningsmomenter, omtalt ovenfor, bliver elimineret - Z-Ballen kan ikke knække, da man ikke kan knække f.eks.et magnetfelt.

2. Udformningen af Z-Ball med f.eks.permanente magneter minimerer/eliminerer den slitage og det energitab man kender fra onshore Darrieus turbiner.

15 3. Induktionsmotoren i Z-Ball eliminerer gear og generator. Disse komponenter repræsenterer en betydelig masse i en traditionel turbine. I forbindelse med at krøyemekanismen blev elimineret pga.turbinens omni-direktionelle natur, ligger her totalt en ganske betydelig vægtbesparelse.

4. Antallet af mekaniske komponenter er reduceret. Det betyder enklere 20 produktion, transport, installation og færre vedligeholdsproblemer.

5. Hele konstruktionen vil pr.produceret kWh have en masse som er i størrelsesordenen 1/8 af den masse, som findes i de forskellige projekter for dybvands offshore HAWT baserede vindturbineparker.

6. Fundamentalt er det en letvægtskonstruktion, og mange af fordelene nævnt 25 ovenfor kan naturligvis direkte knyttes til det. Den lette turbine medfører, at SPAR’ens deplacement kan gøres lille, hvilket igen tillader den slanke form.

De største bølgekræfter, som findes i den øverste trediedel af vanddybden, har kun en slank konstruktion at angribe. Formen medfører derfor kraftigt reducerede bølgekræfter.

30 7. På grund af det reducerede antal mekaniske dele bliver vedligehold minimeret, og levetiden forlænget.

8. Hvis det valgte område for turbineparken skulle vise sig at være uheldigt (vejrforhold, etc.), kan turbinen, Z-Ball, og SPAR’en splittes op og flyttes hver 8 DK 176831 B1 for sig med eksisterende transportfartøjer. Dette betyder høj mobilitet for turbineparken set som helhed, og en stor frihedsgrad for den indbyrdes placering af de enkelte turbiner.

9. Kan tilpasses næsten ethvert milieu. Det der skal ændres er dimensionerne -5 diameter og længde på SPAR’en - og kabellængderne. Men kabelantallet skal minimum være 6 - (systemer med f.eks.3 kabler er statisk og dynamisk teoretisk mulige, men direkte uforsvarlige - hvis eet kabel brister så kollapser hele konstruktionen. Større offshore konstruktioner har af gode grunde (redundans) normalt 8-12 kabler). Det geometrisk optimale antal er 6 med 10 henblik på kompakthed og dermed antal forankringspunkter.

De øvrige komponenter er uændrede. Forankringsmetoden i havbunden vil være afhængig af havbundens beskaffenhed.

Den nødvendige transport-og installationsteknik eksisterer de fleste steder verden over.

15 10. En kort række forsøg viser, at effekten af en Darrieus turbine er mindre påvirket af is på rotorbladene end tilfældet er for en HAWT.

11. Vores opfindelse har en 0.3 MW Darrieus vindturbine som foreløbig øverste grænse, og dermed den enkle filosofi at ’Small is Beautiful’: man kan ikke miste ’alt på een gang’.

20 12. Selvom effekten/investeret krone er større for store turbiner end for små, så er det modsatte sandsynligvis tilfældet for transport, installation, og vedligehold (en række ret ukendte parameter-studier viser det, men kommer naturligvis ikke frem, siden ’Big is Beautiful’ er manges PR-slagord), Men målt over design-levetiden (20-25 år) er store, flydende turbiner næppe en god ide.

25 13. Hele konstruktionen består essentielt af kun 6 strukturelt set uafhængige komponenter: T, Turbine, Z-Ball, SPAR, og 2 forankringssystemer.

T egningsbeskri velse 30 Opfindelsen vil blive forklaret i større detalje i forbindelse med tegningen, hvor Fig. 1. Systembeskrivelse af vindturbine

Fig.2. ’FloWind’ eksempler 9 DK 176831 B1

Fig.3.a Beskrivelse af Multifunktionelt Led. Z-Ball.

Fig.3.b Diagram over kræfter for virkemåden af Z-Bail

Fig.3.c Illustration af stangmagneter til Z-Balt

Fig.3 ,d Fluxlinier for permanent magnet 5 Fig.3.e Ækvipotentiallinier for feltet

Fig.3.f Illustration af feltlinier for to stangmagneter med modsat rettet pol

Fig.3 .g Illustration af feltlinier for to parallelle stangmagneter

Fig.3 .h Magnetfelt i Z-Ball

Fig.3 .i. Øjebliksbillede af feltlinier for Z-Ball i bevægelse i z-retning 10 Fig.4. Dybvands Offshore Vindturbine Park.

Fig.5. En HAWT-baseret dybvands offshore vindturbine.

Fig.6. Darrius Patentansøgning fra 1931.

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen 15

Konceptet, konfigurationen i Fig.l

En Dybvands Offshore Vindturbine (Fig.l), som består af 6 dele: a) En undervandskonstruktion (SPAR) (7a), som b) er fastholdt ved et forankringssystem GS, og 20 c) et multifunktionelt led Z-Ball (3), som forbinder SPAR’en med en d) Darrieus vindturbine med rotorblade (R), som fastholdes i e) et øvre friktionsløst leje (T), udformet ihht, ideerne i c), og som fastholdes af f) et øvre sæt kabler GD.

25 Fig.l er en systembeskrivelse af en Darrieus Wind Turbine, som tilhører VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) familien, se Fig.2 (der findes andre typer VAWT end disse). Fig.l er baseret på ’FloWind 19-meter’ i Fig.2. Det understreges at søjlen roterer sammen med rotorbladene.

30

Figurbetegnelse Fig. 1: 1. Turbine

2. Snurretop - Magnetiske lejer i toppen T

DK 176831 B1 ίο 3. Z-Ball

4. Kabel forankringssystera GS fra SPAR-sojlen til havbunden i MP

5. Kabel forankringssystem GD fra toppen til havbunden i MP

6. Rotorblade R

5 7a. SPAR

8. Stiveren 9. Ballast Fig. 3a: 10 6. Rotor 7. Søjle

7a SPAR

10. Krave 11. Vindinger/induktionsmotor 15 12, Skål 13. Kugle 14. Permanente magneter 15. Magnetfelt i kraven 15 a. Magnetfelt i skålen 20 16. Mellemrum i skålen 17. Mellemrum i kraven SPAR: En klassisk ’flyder’. En enkel cylindrisk form er tilstrækkelig, men konceptet er på ingen måde bundet til denne form. I modsætning til den traditionelle 25 brug af SPAR typen (f.eks.olielagring) er der her ikke behov for andre ’indvendige funktioner’ end opdrift og ballast 9.

SPAR’en er en traditionel offshore konstruktion. SPAR betød oprindelig ’Single Point Anchoring Repository’, men er idag i marin design nærmest synonymt med ’slanke konstruktioner med en lodret symmetriakse’.

11 DK 176831 B1 GS: (Guyed Cable System for SPAR). Kabelsystem/forankringssystem (mooring system) for SPAR. Dette system har også 6 kabler (i hexagonalt mønster) som vist på Fig. 4.

MP: (Mooring Point). Forankringspunkt for GD og GS. Faste installationer i 5 havbunden eller sugeankre (’suction anchors’) eller pilankre (’arrow anchors’).

Kan evt.udføres som vist (eet forankringspunkt pr.2 kabler), men alt efter milieuet (havbund) og kræfterne i kablerne kan de udføres som separate forankringspunkter, eet for GD og eet for GS.

EL; Kabel for overføring af elektricitet til central eller land. For detailer, se Fig.3.a.

10 MWL: (Mean Water Level). Havoverflade.

T: Tophat. Øverste punkt på søjlen C. Øverste forankringspunkt for kablerne i systemet GD (se nedenfor).

Dette kan eventuelt, men ikke nødvendigvis, konstrueres analogt ti 1 komponenten Z-Ball (Fig.3.a). De mekaniske og limede løsninger mhp.at 15 forbinde stiverne med søjlen, der er blevet brugt ifbm.turbiner af typen i Fig.2 onshore, fremviste en del praktiske problemer under drift (slitage, korrosion).

GD: (Guyed Cable System for Darrieus). Kabelsystem for komponent T.

Disse kabler kan udføres i mange forskellige materialer. Antal kabler varierer fra minimum 3 til et vilkårligt højt antal. Vi har 6 kabler (i hexagonalt 20 mønster) som vist på Fig.4. Hovedfunktionen er naturligvis at hindre turbinen i at vælte.

R: Rotor: Et par af de største, kommercialiserede eksempler er ’’FloWind 17 EHD

og Flo Wind 19-meter”, vist i Fig.2. De blev produceret og markedsført i USA og Canada i slutningen af sidste århundrede. Begge har en ikke negligerbar 25 stabiliserende gyro-effekt, som aflaster kabelsystemerne, primært GD.

Turbinen klades også ”the eggbeater” af indlysende grunde. Vores opfindelse er på ingen måde bundet til disse varianter af turbinen.

C: (Column) Søjle. I vores 3-bladede version roterer søjlen sammen med rotoren, hvilket nødvendiggør stiverne (’struts’, jvf.Fig.l) mellem søjlen og bladene.

30 Varianter af turbinen uden stivere har været prøvet onshore, men uden success, da det skaber alvorlige egensvingningsproblemer i rotorbladene. I praksis har antallet af rotorblade været 2,3,4 - der er ingen teoretisk bedste antal.

12 DK 176831 B1

Det Multifunktionelle Led. Z-Ball. Princip/konstruktion og virkning:

Fysisk set er virkemåden af Z-Ball i Fig.3.a som skitseret på Fig.3.b. Kuglens 12 centrum er placeret i afstanden h fra skålens centrum i z-aksens retning. Ikke vist er y-aksen i (x,y,z) koordinatsystemet.

5 Ydersiden af kuglen er påført en permanent magnetisme q* [C/m2], og indersiden af skålen en permanent magnetisme qs [C/m2]. Kuglen har N rettet mod skålen, og skålen harN rettet mod kuglen. Kuglen ’frastøder’ skålen, eller omvendt, I denne beskrivelse er både skål 12 og kugle 13 sammensat af permanente magneter af 10 typerne i Fig.3.c, med regulære pentagonale eller regulære hexagonale endeflader.

Som kendt ffa geometrien er dette de eneste regulære polygoner der kan dække en kugleflade (eller dele af den) uden at efterlade ’huller’.

Konstruktionselement til både Skål 12 og Kugle 13 er vist i Fig. 3c. Højderne i 15 prismerne er naturligvis identiske med skaltykkelseme i Fig.3.a. Opdelingen af skål og kugle i komponenter som dem vist i Fig.3.c har flere formål: 1, Man undgår enhver diskussion om ’monopol’, dvs.muligheden for at lave en magnet som bare har een pol. En ’monopol’ er en fysisk/teoretisk umulighed.

2. Man kan variere magnetstyrken på de enkelte komponenter. Dette må være 20 afhængig af en given design situation.

Z-Ball. Fig.3.a-Fig.3.i, Z-Ballen eliminerer bøjningsmomentet i overgangen Turbine-fundament. T(Tophat) udformes analogt til Z-Ball.

25 Z-Ballen har et sæt permanente magneter er indstøbt i kuglen (søjlefoden) med f.eks.N-polen ud, og et sæt permanente magneter er indstøbt i skålen, med N-polen rettet mod kuglen. Mønstrene for placeringen af samtlige magneter følger en geometrisk formel for ’jævnest mulig fordeling’. Dette bevirker et magnetisk .potentialfelt mellem kuglefladerne. Alternativt kan såvel kuglen som skålen støbes 30 hver for sig som permanente magneter.

Skålen 12 forlænges med en krave 10, som indeholder komponenterne, blandt andet vindingerne 11, til den resulterende induktionsmotor, som har 3 funktioner:

Opstart af turbinen.

13 DK 176831 B1

Generering af elektricitet.

Turbinekontrol/turbine-opbremsning.

Fig.4. Dybvands Offshore Vindturbine Park.

Fig.5. En HAWT-baseret dybvands offshore vindturbine.

5 Fig.6. Darrius Patentansøgning fra 1931.

Opfindelsen består således i at en turbine af typen i Fig.2 forbindes med det flydende fundament, som her er en traditionel SPAR struktur, ved hjælp af et multi funktionelt led, i det følgende benævnt Z-Ball, se Fig.3.a. Den samlede konstruktion indgår i en 10 vindturbinepark, se Fig.4.

Konceptuelt kan vindturbine-delen af opfindelsen i Fig.l ses en snurretop 1, fastholdt i 2 magnetiske lejer 2, 3. Begge disse lejer 2, 3 er fastholdt ved sit eget kabelsystem 4, 5 i havbunden, det øverste system 2 i T, det nederste system 3 via SPAR’ens 7a 15 forankringssystem 4 GS og dermed Z-Ballen. SPAR’en kræver en vanddybde i f.eks,størrelsesordenen D > 30-40 m (afhængigt af bla.turbinens masse og samlede tyngdepunkt).

I det følgende vil Rotor R + Søjle 7 + Stiverne 8 mellem rotorbladene 6 og søjlen 7 20 betegnes som turbinen, hvis misforståelse ikke er mulig.

Hele konstruktionen er en del af en større vindturbinepark, Fig.4, med central. Ved dybvands offshore vindturbineparker undgår man en stor del af de milieumæssige debatter, som vindturbineparker altid medfører, specielt onshore, men definitivt 25 efterhånden også ’near-shore’. Ved dybvand forstås ofte en vanddybde D > 50 m.

Der er 3 karakteristiske træk ved en Darrieus vindturbine: a. Omni-direktionel’ - turbinen er uafhængig af vindretningen, hvilket eliminerer behovet for en krøyemekanisme. Dette gælder alle versioner i 30 VAWT-familien.

b. Tyngdepunktet for turbinen ligger lavt - mellem centrum af rotoren og Z-Ball (ikke nær toppen af søjlen for turbinen, som tilfældet er for alle versioner af HAWT).

14 DK 176831 B1 c. Det er en letvægtskonstruktion. Som angivet på Fig.2 har ’FloWind 17 EHD’ (effekt = 0.3 MW) en masse på 17.000 kg, og ’FloWind 19-meter’ (effekt = 0.24 MW) en masse på 10.000 kg. Vi tvivler på at nogen HAWT kan komme bare i nærheden af dette effekt/masse forhold.

5 For ’The FloWinds’ er det tankevækkende, at den samlede masse af rotorbladene var henholdsvis 4.300 kg og 2.000 kg. Det er principielt den kraftigt belastede søjle som er ansvarlig for egenvægten (ca.2/3). Belastningen skyldes det store træk i kablerne (GD) og centrifugalkæfteme fra rotorbladene.

Søjlen er principelt en Euler-søjle med 2 simple understøtninger, og 10 tværbelastinger fra stiverne pga.rotorbladene. Tilsammen bevirker det, at søjlen virker ’unaturlig’ kraftig ifht.rotoren. Vi har dog udviklet en teori (ikke omtalt her, men baseret på anvendelse af cellulære materialer) som bevirker, at egenvægten af søjlen kan reduceres med ca,30% uden reduktion af bøjningsstivheden E*I, som er den afgørende design-faktor for en Euler-søjle.

15

En flydende VAWT må have en slags kugleled mellem turbinen og fundamentet. Fast indspændte onshore Darrieus turbiner har været forsøgt i USA og Canada, men blev hurtigt forkastet. Konsekvensen i en offshore sammenhæng er indlysende.

20 Intuitivt kan man se på Fig.3.b, at summen af de magnetiske kræfter har en opadrettet komposant Fz - der er størst ’tryk’ i bunden matematisk set er det et potentialproblem af ekstrem kompliceret karakter, men set med ’hydrodynamiske øjne’ (ofte brugt som billede i teorien for elektromagnetisme) ’flyder’ kuglen i en ’skål magnetisk suppe’. I det aktuelle tilfælde er komposanteme Fx = Fy = 0 Λ 25 pga.symmetri. Det er faktoren (1/d ) som er afgørende.

Denne ligevægtstilstand, karakteriseret ved h, er ikke en ’statisk ligevægts-tilstand’ -det er en ’dynamisk ligevægtstilstand’: kuglen vil oscillere omkring dette punkt, men oscillationen er stabil i oscillationerne vil kuglen igennem enhver periode passere 30 punktet (x,y,z) - (0,0,h). ’Dynamisk ligevægt’ er kendt fra mange fysiske problemer (et pendul, f.eks.), og er essentielt set basis for at f.eks. Levitron og Revolution Strobe fungerer.

15 DK 176831 B1 I lange tider har man brugt ’Eamshaws Theorem’ fra 1842 som argument for at man ikke kan få et sæt stationære permanente magneter (som skaber et stationært magnetisk felt) til at bære en permanent magnet i statisk ligevægt. Men nyere litteratur er fyldt med eksempler på tilfælde hvor ’Eamshaws Theorem’ er vist at være ugyldig.

5 Tre ud af de fire patenter omtalt under Opfindelsens Baggrund’ viser at også andre ikke har nogen tiltro til ’Eamshaws Theorem’.

I vores tilfælde er dette teorem ugyldigt af følgende 2 grunde: 1. Magnetfeltet er ikke statisk - det varierer med tiden, siden kuglen oscillerer i 10 skålen. Vi far ikke statisk ligevægt, men dynamisk ligevægt.

2, Teoremet er også uholdbart, hvis bare eet af legemets 6 frihedsgrader er væk,

Det er absolut tilfældet her - turbinen er en gyro, en snurretop, som ovenikøbet er stabiliseret øverst via kabelsystemet GD, og det giver stabilitet mht.de 3 rotationer omkring akserne i (x,y,z) systemet. Set på denne måde har kuglen 15 kun 6-3 = 3 frihedsgrader, nemlig de 3 translationer i x,y,z - retningerne.

Man kan også sige at translations-frihedsgraden i z-retningen er forsvundet pga.GD, hvilket kun er delvis rigtigt, da toppunktet T kun er delvis frit.

For en Levitron er der også kun de 3 translatoriske frihedsgrader, mens for Revolution Strobe er der teoretisk set kun 2, idet den svævende del er 20 forhindret i at bevæge sig i længderetningen (ihvertfald den ene vej).

Det anvendte program (fra ’Visualising Magnetic Fields’, af J.S.Beeteson, Academic Press, 2001) til de følgende tegninger er ikke i stand til at anvende elementerne i Fig.3.c (den numeriske algoritme der ligger i bunden af programmet er for enkel til 25 denne slags elementer. Magnetfeltet, som i sig selv er 3D, kan derfor kun modelleres i 2D). De følgende tegninger må derfor ses med dette for øje: de rektangulære magneter repræsenterer hver for sig et snit gennem en magnet af de ovennævnte typer.

Det felt som en enkelt af komponenterne i Fig.3.c skaber, er vist i Fig.3.d. Dette ’sink-30 source’ felt er basisenheden i teorien. I hydrodynamikken bruges ’sink-source’ teknikken ofte for at beregne de dynamiske bølgekræfter kræfter på f.eks.skibs-skrog (der bliver lagt ’sink-sources’ ud over hele den neddykkede del af skroget). Man kan forestille sig en slags sprinkler, der sprøjter vand ud i Nordpolen - om til Sydpolen - 16 DK 176831 B1 og så løber vandet tilbage gennem ’røret’ og ud af Nordpolen. Rent hydrodynamisk er det naturligvis lidt vanskeligt at fa til, men fra et matematisk synspunkt er det essentielt det samme.

5 Fig.3.d viser en enkelt ’Sink-Source’ Permanent Magnet med dens Fluxlinier.

1. Hver enkelt fluxlinie (strømlinie) er lukket - den er et ’loop’. Traditionelt er en fluxlinie set som rettet fra N mod S.

2. De enkelte fluxlinier kan ikke krydse hinanden.

Disse 2 betingelser er nedfældet i den elektromagnetiske feltteori. Ækvipotential-linier 10 ikke angivet, men de står vinkelret på fluxlinieme. De er antydet i Fig.3.e.t som viser ækvipotential-linieme for feltet i Fig.3.d. Disse potential linier står vinkelret på fluxlinieme. (Opløsningen er dårlig - det enkleste er at se feltet som ’en pind med en slags puder i enderne’). Når 2 permanente magneter presses mod hinanden (f.eks.N-N), far man et billede som på Fig.3.f, hvor ’pude-billedet’ er tydeligt. Det ses hvordan 15 de 2 flux felter bliver komprimerede mellem de 2 magneter.

Fig.3.f viser 2 magneter med modsatrettede norpoler, det vil sige N-N. Denne fremstillingsmåde kaldes også ’Method of Images’, idet man konceptuelt kan opfatte det som 2 magneter der hver for sig ’rammer ind i sit eget spejlbillede’.

20

Fig.3.g viser 2 parallele magneter med N-S i samme retning (f.eks.N rettet nedad). Det ses tydeligt, hvordan de 2 flux felter bliver komprimerede mellem de 2 magneter. Der opstår således et ganske stort tryk mellem 2 nabomagneter, men det arbejde der skal udføres for at sætte disse magneter sammen er fabriksarbejde - når alle magneter er 25 sat fast, ’fryses de fast’ som skål og kugle. Set sådan har skal fladerne i udgangspunktet en ’forspænding’. Beregninger viser at det ikke er kritisk ved anvendelse af f.eks.modeme kompositmaterialer som bindingsmateriale.

Fig.3.h viser en principtegning af magnetfeltet i en meget forenklet Z-Ball, konstrueret 30 af en række rektangulære magneter. Fig.3.h viser magnetfeltet i en primitiv Z-Ball med kuglen placeret centralt i skålen. Magneter på kuglen har N rettet mod skålen, og magneter på skålen har N rettet mod kuglen.

17 DK 176831 B1

Fig.3.i viser et øjebliksbillede af Z-Ball i bevægelse i z-retningen (jvf.Fig.3.b) hvor der er tale om en mere realistisk Z-Ball (flere magneter end i Fig.3.h), og feltet svarende til situationen i Fig.3.b.

5 Yderiigere betragtninger for Fig. 3a-3 i: 1. Det er rimeligt at postulere, at magnetfeltet selv for en så forholdsvis enkel geometrisk konfiguration som Fig.3.i unddrager sig ’smukke, lukkede formler’, måske bortset fra de løsninger som opstår via kompleks analyse. De angiver karakteren af feltet, men enhver praktisk anvendelig formel for 10 oscillationerne af kuglen i skålen må baseres på computer-simulationer, og i sidste ende forsøg.

2. Dimensionsanalyser (Buckingham’s π-Theorem) viser, at kræfterne mellem kuglen og skålen må have samme form som Coulombs Lov, med en faktor, som kun kan bestemmes ved forsøg. Det skal understreges, at på trods af den ’uskyldige 15 form’ som Coulombs Lov har, så er det store kræfter der optræder under oscillationerne, selv for små værdier af de magnetiske ladninger qt og qs på kuglefladerne.

3. De strømme som induceres i kugle og skål pga.det roterende magnetfelt anses som negligerbare pga.den lave rotationshastighed for kuglen (ca.l Hz).

20 Præliminære beregninger var baseret på ’quasi-stationære’ forhold,

Fig.4 illustrerer en Vindturbine Park. Både GD og GS for hver enkelt turbine har 6 kabler arrangeret hexagonalt. På figuren overlapper de 2 systemer hinanden.

25 Fig.5 viser en model af 1.5 MW Deepwater Offshore Wind Turbine. Dette er essentielt en HAWT fast indspændt i en SPAR. Forankringssystem for SPAR ikke vist. figuren er fra en offentlig udstilling, Balle, Danmark, 1999. Udført af Dr.Ing.S.Zeuthen & Jacob Jensen Design for NEG-Micon.

30 Det Multifunktionelle Led. Z-Ball (Fig.3.a). Yderligere tegninger: Fig.3.b-Fig.3.i.

Det følger af betragtningerne som indledningsvis bemærket og knyttet til Fig.5, at den største udfordring ligger i at reducere bøjningsmomentet i overgangen Turbinesøjle- 18 DK 176831 B1 SPAR. Det optimale ville naturligvis være at tvinge dette bøjningsmoment til at være nul - hvilket er basis for ideen i Z-Ballen.

Vi har valgt at basere Z-Ballen konceptuelt på anvendelse af permanente magneter 5 foreløbigt. Teorien for magnetfelter viser, at den nødvendige feltstyrke kan opnås med permanente magneter.

Her er der mindst 2 muligheder: 1. Et sæt permanente magneter er indstøbt i den inderste kugle med f.eks.N-polen ud 10 (på kugle og søjlefod), og et sæt er indstøbt i skålen i SPAR’en, med N-polen rettet mod kuglen.

Mønstrene for placeringen af samtlige magneter følger en geometrisk formel for ’jævnest mulig fordeling’. Dette bevirker et magnetisk potentialfelt mellem kuglefladerne, en slags’omni-direktionel springfjeder’ med en meget effektiv 15 karakteristik.

2. Både kuglen (og søjlefoden) og skålen støbes i sig selv som permanente magneter.

Induktionsmotor. Skålen i SPAR’en forlænges med en krave, som indeholder f.eks .kobbervindinger. Effekten af dette er, at man skaber en induktionsmotor: et 20 roterende magnetfelt i et fast system af vindinger.

Denne induktionsmotor har 3 funktioner: 1. Opstart af turbinen. Darrieus-turbinen er ikke selvstartende. I begyndelsen må man altså investere lidt - for at fa mere tilbage. Man har tidligere bl.a.forsøgt at anvende en Savonius-rotor på søjlen som ’start-motor’, men uden 25 nævneværdig succes.

2. Når turbinen er kommet igang, dvs,at ’tip-speed’ er oppe på kalibreringshastigheden, genererer induktionsmoteren elektricitet, som sendes til en central i turbineparken (Fig.4), eller direkte til land.

3. Hvis vindhastigheden øger udover forudsætningerne for dimensioneringen 30 (over-speeding), bruges induktionsmotoren som bremse, således at turbinen kommer ned på det rigtige omdrejningstal. For ’The FloWinds’ er der tale om ca. 1 omdrejning pr.sekund, eller ca.l Herz.

19 DK 176831 B1

Hvis vindstyrken nærmer sig en kritiske hastighed (’hurricane condition’), bruges induktionsmotoren til at bremse rotoren helt ned, og sluttelig sættes der en mekanisk bremse på (’parked condition’).

5 Som angivet på Fig,3,a er der i kraven (10) på skålen (12) over induktionsmotoren (11) konstrueret et magnetfelt analogt til feltet mellem kuglen (13) og skålen (12).

Dette felt modvirker søjlens rotationer om f.eks.(x, y) akserne i Fig.3.b, men ikke rotation om selve søjleaksen, z-aksen. Kabelsystemet GD medvirker naturligvis til det samme.

10

Opfindelsen er således foreløbig baseret på anvendelse af permanente magneter indenfor et helt nyt område. Dette udelukker ikke, at de andre muligheder i punkterne 1-5 nedenfor kommer i betragtning ved udformning af Z-Ballen.

1. Smøring med vand.

15 Dette felt er under udvikling, og ville alt taget i betragtning formodentlig være den optimale løsning, men teorien er stadig i startfasen. En potentiel mulighed idag er en kombination af permanente magneter og smøring med vand.

2. ’ Superconducting Magnets ’.

Teoretisk fuldt muligt, og under udvikling med henblik på industriel anvendelse. 1 20 øjeblikket begrænset af, at denne type magnet kræver arbejdstemperaturer på ca. minus 170° Celcius, hvilket pt.relegerer den til laboratorieforsøg.

3. Elektromagneter.

Heriblandt solenoider, f.eks.ringe der bliver magnetiseret ved at en elektrisk strøm sendes gennem dem. Dette skaber et magnetfelt omkring den enkelte solenoide, med 25 kraftretning langs solenoidens akse.

4. En blanding af elektromagneter og permante magneter.

Dette findes f.eks.i de såkaldte ’MagLev Trains’ (Magnetic Levitation Trains). Toget ’flyder’ på det felt som opstår qua permanente magneter på selve toget og elektromagneter i banelegemet.

30 5. Permanente Magneter.

Den feltstyrke man kan opnå i øjeblikket er tilstrækkelig på grund af magnetfeltets karakter. Levetiden for magneterne er ikke ’evig’, men afhængig af legeringerne i de permanente magneter kan man komme op på 20-25 år. De er vedligeholdelsesfri.

20 DK 176831 B1

Fysisk set er det essentielle i magnetfeltet vist i Fig.3.a, at det konceptuelt virker som en slags ’springmadras med spiralfjedre’ radiært rettet mod den anden kugleflade. Karakteristikken for denne ’springmadras' er ekstremt ikke-lineær - jo nærmere de 2 5 kugleflader er ved hinanden, jo større er kraften (som en almindelig springfjeder), men karakteristikken bliver større og større, jo mere man trykker ’fjederen’ sammen.

Dette er ikke tilfældet med en almindelig springfjeder, hvor karakteristikken er konstant. Karakteristikken er afhængig af materialet i den pågældende legering i de permanente magneter og af den endelige geometri for Z-Ballen. Hvis afstanden 10 mellem fladerne går mod nul, så vil kraften mellem fladerne gå mod uendelig - uanset i hvilken retning den inderste kugle bevæger sig i forhold til skålen. Dette medfører at de 2 flader aldrig vi! komme i berøring med hinanden. Det er ikke noget absolut teoretisk krav, at kuglen og skålen er perfekte kugleflader, eller dele af sådanne.

15 Hele turbinen er i ’dynamisk ligevægt’ mellem de 2 magnetfelter i top T og bund af søjlen, dvs.Z-Ball. Såkaldt statisk ligevægt anses ikke som værende mulig, men det er der ikke tale om her. Turbinen roterer om sin akse og oscillerer mellem top og bund.

Disse oscillationer skaber et varierende magnetfelt mellem fladerne. I dette tilfælde er dynamisk ligevægt fuldt ud muligt, som dokumenteret i praksis og teori.

20

En række enkle ’legetøjs-modeller’ på markedet, f.eks. Revolution Strobe og Levitron, viser at det er praktisk muligt. Direkte inspektion viser, at de begge er bygget udelukkende vha.permanente magneter. Levitron må rotere for at være i balance (essentielt et gyrodynamisk krav, da den svævende del er en snurretop), mens dette 25 ikke er nødvendigt for Revolution Strobe, hvor den svævende del har vandret akse.

Uanset er begge i dynamisk ligevægt.

Teorien tilhører det komplicerede felt kaldet potentialteori. Vores koncept i Fig.l er principielt i familie med Levitron, og involverer hydrodynamik (SPAR teknologi, 30 kabelteknologi), materialteknologi, forankringsteknologi, aerodynamiske teori, gyrodynamik, ’magneto-statics’ og ’magneto-dynamics’.

21 DK 176831 B1

Darrieus vindturbiner blev som tidligere sagt markedsført primært på det amerikanske og kanadiske marked i perioden 1970-1997. Effekten på de største kommercialiserede turbiner var ikke over 0.3 MW, hvilket vi opfatter som en realistisk øvre værdi for vores opfindelse i en startfase.

5

Syntetiske materialer (f.eks.nylon, polypren) er nu så effektive (f.eks.trækstyrke pr.kg, masse pr.m), at man ikke har behov for at forankre hverken turbinen eller SPAR’en med de traditionelle, tunge strukturer (stålkabler, ankerkæder etc.). Tætheden (~ 1000 kg/m3) for disse syntetiske materialer gør dem nærmest ’vægtløse’ i vand.

Claims (10)

1. Et magnetisk leje (3) omfattende en magnetisk skål (12), hvor der inden i skålen (12) er tilvejebragt et magnetisk legeme (13) med en diameter mindre end den indre diameter af skålen (12) for derved at skabe et mellemrum (16) mellem det kuglefor- 5 mede legeme (13) og skålen (12), kendetegnet ved, at såvel skålen (12) som legemet (13) er kugleformede og sammensat af et antal magneter (14), der har samme pol rettet mod mellemrummet (16), hvor magneterne er superledende magneter, elektromagneter, permanente magneter eller en blanding af elektromagneter og permanente magneter. 10

2. Et magnetisk leje ifølge krav 1, kendetegnet ved, at skålen (12) og legemet (13) er konstrueret med indstøbte permanente magneter.

3. Et magnetisk leje ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den magnetisk kugle-15 formede skål (12) er forlænget med en krave (10), at det magnetiske, kugleformede legeme (13) har en søjle (7), der strækker sig igennem kraven (10), at diameteren af søjlen (7) er mindre end den indre diameter af kraven (10) for derved at skabe et mellemrum (17) mellem det kugleformede legeme (13) og skålen (12) og mellem kraven (10) og søjlen (7), at også kraven (10) samt den del af søjlen (7), der strækker sig 20 igennem kraven (10), er påsat magneter (14), hvor magneterne i kraven (10) og magneterne i søjlen (7) har samme pol rettet mod mellemrummet (17), hvor magneterne i kraven (10) og magneterne i søjlen (7) principielt er permanente magneter.

4. Et magnetisk leje ifølge krav 3, kendetegnet ved, at kraven (10) og den del af søjlen 25 (7), der strækker sig igennem kraven, udgør en induktionsmotor (11).

5. Et magnetisk leje ifølge krav 4, kendetegnet ved, at induktionsmotoren (11) er konstrueret til at fungere som mindst en af følgende: en bremse, en startmotor, og som elektrisk generator ved rotation af søjlen (7). 30 23 DK 176831 B1

6, Et magnetisk leje ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at de permanente magneter (14) er stangmagneter med pentagonale eller hexago-nale endeflader.

7. Anvendelse af et leje ifølge et hvilket som helst af de foregående krav til en vind turbine (1) med vertikal rotationsakse.

8. Anvendelsen af et leje ifølge krav 7, kendetegnet ved, at vindturbinen er en offshore vindturbine. 10

9. Anvendelsen af et leje ifølge krav 7 eller 8, kendetegnet ved, at lejet anvendes som vindturbinens bundleje (3) såvel som topleje (2).

10. Anvendelsen af en leje ifølge krav 7, 8 eller 9, kendetegnet ved, at vindturbinen er 15 en Darrieus turbine.