FI122078B - Linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä - Google Patents

Description

LINJATUULIVOIMALAN TUULITURBIINIEN KANNATINJÄRJESTELMÄ

1 YLEINEN OSA

1.1 Keksinnön käyttöala Tämän keksinnön kohteena on linjatuulivoimata, sen turbiinirakenneja tuulivoimaloissa käytettävien turbiinien (potkun-ja sähkögeneraattorijärjestelmä) uusi rakenne ja turbiinien kan-natinjärjestelmä, joka mahdollistaa nykyistä taloudellisemmin useiden tuuliturbiinien sijoituksen korkealle maan pinnasta ja siten tehostaa tuulivoimalla tuotettavan sähkön tuotantoa.

1.2 Tunnettu tekniikka ja sen epäkohdat

Nykyisellään suurimmat tuulivoimalat (3...5 MW) hyödyntävät napakorkeudeltaan korkeintaan 100... 110 m korkeudella olevia tuuliolosuhteita ja pienitehoisemmat voimalat vastaavasti alempia tuuliolosuhteita, vaikka korkeammalla (yli 120 m) olisi energian tuotannon kannalta merkittävästi paremmat tuuliolosuhteet tuulivoimalla tuotettavalle sähköntuotannolle.

Korkeammalla olevien edullisten tuuliolosuhteiden hyödyntämistä on rajoittanut tuulivoimalan rakennuskustannusten kasvu korkeamman runkorakenteen seurauksena, joka heikentää merkittävästi tuulivoimalla tuotettavan sähkön taloudellisuutta.

Tuulivoimalan rungon koon kasvua rajoittaa suoranaisten rakennekustannusten lisäksi myös n. 4,5 m:n maksimihalkaisija, jota suurempia rungon osia ei voi kuljettaa teitä pitkin, eivätkä ne mahtuisi kulkemaan siltojen ali.

Rakennuskustannukset kasvavat korkeuden myötä myös siksi, että tuuliturbiinin ja muiden osien asentaminen yli sadan metrin korkeuteen vaatii erikoistoimenpiteitä mm. niiden nostamiseksi paikoilleen. Myös käytönaikaiset huoltokustannukset kasvavat vastaavasta syystä.

1.3 Ongelman esittely

Korkeiden runko- ja pystytyskustannusten takia, nykyään toteutettavissa tuulivoimaloissa runkojen taloudellinen maksimikorkeus rajoittuu noin 120 m:n korkuiseksi käsittäen käytännössä vain yhden tuuliturbiinin asennuksen, eikä tiedossa olevia moniturbiinisia ratkaisuja ole ollut taloudellisesti mahdollista toteuttaa.

Moniturbiininen tuulivoimatuotanto onkin toteutettu ns. tuulivoimalapuistoina, joissa useita yksiturbiinisia tuulivoimaloita on sijoitettu laaja-alaisesti maanpinnalle tai merelle (9...15 MW /km2), eikä rakentamalla suurempia ja korkeampia useamman tuuliturbiinin käsittäviä runkorakennelmia. Täten merkittävä osa - valtaosa - tuulivoimasta jää hyödyntämättä.

1.4 Keksinnön edut

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut ongelmat rungon osien kuljettamisien, pystytyskustannusten ja korkeiden huoltokustannusten suhteen mahdollistaen samalla korkealla olevien tuuliolosuhteiden hyödyntämisen useilla tuuliturbiineilla. Täten keksintö mahdollistaa nykyistä tehokkaamman sähkön tuotannon tuulivoimalla nykyään tiedossa oleviin ratkaisuihin verrattuna, tarviten samalla huomattavasti vähemmän maa- tai me-rialaa, kuin nykyiset tuulivoimalapuistot.

2 1.5 Keksinnön perusajatus

Edellä mainitut hyödyt voidaan keksinnön mukaisesti saavuttaa käyttämällä modulaarisia yksinkertaisia rakenteita, joiden avulla voidaan toteuttaa erisuuruisia kannatinjäijestelmiä, joihin voidaan asentaa erimäärä erilaisia tuuliturbiineita.

Perusajatuksena on kannatinjärjestelmä, joka muodostuu sivusuuntiin haruksin tuetusta ristikkorakenteisesta keskitomista, johon kiinnittyvät maasta käsin viistossa olevat siirto-ja kannatintangot. Siirto- ja kannatintankoihin kiinnittyvät taas pystytangot, joihin yksittäiset tuuliturbiinit kiinnittyvät.

Pystytangot ja turbiinit kuljetetaan paikoilleen siirto-ja kannatintankoja pitkin. Siirto-ja kannatintankoja käytetään myös apuna tuuliturbiinien huollossa osien ja huoltohenkilöstön kuljettamisessa.

Siirto- ja kannatintankoja käytetään apuna jo ripustusjärjestelmän rakentamisen aikana järjestelmän osien paikoilleen viemiseen.

Korkeammissa (suuremmissa) kannatinjäijestelmissä järjestelmään kuuluu kiinteänä osana nosturi tai useampia nostureja, joiden avulla osia liikutetaan siirto-ja kannatintankoja pitkin tai liikutetaan pystysuuntaan. Nosturit voivat kiinnittyä sekä siirto-ja kannatintankoihin (vaijereihin) tai torneihin.

Siirto- ja kannatintankojen mahdollinen välituenta suoritetaan kuori- tai ristikkorakenteisilla ja haruksilla tuetuilla maassa seisovilla välitomeilla, riittävän lujuuden ja jäykkyyden aikaan saamiseksi.

Pystytankojen kiinnityskohdat siirto-ja kannatintankoihin jäykistetään maahan kiinnittyvillä haruksilla.

1.6 Keksinnön tunnusmerkit

Keksinnön mukaiselle kannatinjärjestelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksissa.

2 ERITYINEN OSA

2.1 Keksinnön tarkempi kuvaus

Liitteenä olevat piirustukset 1-11 kuvaavat keksintöä lähemmin, johon viitataan seuraa-vassa kuvauksessa. Keksinnöstä tuuliturbiinien kanssa käytetään nimitystä Linjatuulivoi-mala (Line Wind Power Plan).

Tuuliturbiinien kannatinjärjestelmän pääosat ovat ristikkorakenteinen tai muu lujarakenteinen keskitomi (4) ja siihen kiinnittyvät viistossa olevat siirto- ja kannatintangot (1,2, 3).

Keskitomin korkeus määrittää maksimikorkeuden, jolle ripustettavia tuuliturbiineita (7,10, 19) voi sijoittaa. Korkeuden ja ripustettavien tuuliturbiinien perusteella määräytyy keskitor-nin kokoja lujuusvaatimukset sekä tornin harukset (13), jotka jäykistävät tornin nuijahdus-ta ja värähtelyjä vastaan.

Siirto- ja kannatintankojen määrä riippuu ripustettavien tuuliturbiinien määrästä. Siirto- ja kannatintankoja on kaksi tai useampia sijoitettuna laskevaan linjaan symmetrisesti tai epäsymmetrisesti keskitomin molemmin puolin.

3

Siirto- ja kannatintankoihin kiinnittyy pystysuorasti pystytangot (6), joihin tuuliturbiinit kiinnittyvät. Pystytankojen pituus, ja muu koko, määräytyy siirto- ja kannatintankojen määrästä, niiden välisestä etäisyydestä korkeussuunnassa sekä tuuliturbiinien määrästä ja koosta. Jotta tuuliturbiinit olisivat paikoillaan riittävän jäykästi, pystytankojen kiinnityskohdat (11) siirto-ja kannatintankoihin on jäykistetty haruksin (14), ja pystytankojen alapää on tuettu haruksin (15). Pystytankojen alapäässä voidaan tarvittaessa käyttää erillistä dynaamista massaa (9) tasapainottamaan ja hidastamaan tuulen aiheuttamaa vääntöä ja värähtelyä pystytankoihin.

Tuuliturbiinien kiinnitys pystytankoihin tapahtuu laakeroinnin (12) kautta, joka mahdollistaa tuuliturbiinien kääntämisen horisontaalitasossa tuulen suuntaan.

Siirto-ja kannatintangot tukeutuvat maahan tai myös ristikkorakenteisiin tai kuorirakenteisiin välitomeihin (5), joiden määrä ja paikat riippuvat siirto- ja kannatintankojen pituudesta ja niiden kuormituksesta eli koko kannatinjärjestelmän suuruudesta ja tuuliturbiinien määrästä ja koosta. Välitornit jäykistetään haruksilla (16).

Siirto- ja kannatintangon yläpinta muodostaa uraliukupinnan, jota pitkin voidaan kuljettaa pystytankoja ja niihin kiinnitettäviä tuuliturbiineita, joko kannatinjärjestelmää rakennettaessa tai järjestelmän osia huollettaessa

Siirto- ja kannatintangon liukutaso tai -pinta on rakenteeltaan sellainen, että se mahdollistaa liikutettavien osien (pystytangon, tuuliturbiinin ja muun järjestelmän osan) tukevan mekaanisen kiinnittymisen tasolla liikuteltavaan kelkkaan tai muuhun sellaiseen kiinnitti-meen. Liukutaso voi olla perusrakenteeltaan esimerkiksi kiskomainen, hammastankomai-nen tai iiukujohdemainen.

Korkeammissa (suuremmissa) kannatinjärjestelmissä järjestelmään kuuluu kiinteänä osana liikkuvalla vastapainolla varustettu teleskooppirakenteinen nosturi (8) tai useampia nostureja tai vastaavia vinssijärjestelmiä, joiden avulla osia nostetaan tai liikutetaan siirtoja kannatintankoja pitkin.

Siirto- ja kannatintankojen liukutasoihin voidaan kiinnittää myös henkilökori tai vastaava rakennelma, jonka avulla esimerkiksi huoltohenkilöstö voi liikkua huoltokohteen lähelle.

Asennus-ja huoltotyötä varten ristikkorakenteisten tornien ja siirto- ja kannatustankojen sisälle voidaan toteuttaa porras- tai tikasrakenteet. Pienemmissä ratkaisuissa elementtirakenteisissa pystytangoissa on huoltoa ja asennusta varten ulkopinnassa lineaarikisko, jota myöten turbiinit voidaan myös tuoda sähköisesti kauko-ohjattuina alas huoltoon tai vaihtoon.

2.2 Keksinnön vaihtoehtoisia toteutusmuotoja

Keksinnön puitteissa voidaan ajatella edellä kuvatusta poikkeaviakin ratkaisuja. Täten vaihtoehtoisesti pystytankojen alapäätä ei tueta haruksilla (15), vaan pystytangon alapää tukeutuu suoraan maahan tai laattaan.

Keksinnön puitteissa voidaan myös ajatella, että tornien rakenne ei perustu ristikkorakenteeseen vaan muuhun mastomaiseen rakenteeseen.

Keksinnön puitteissa voidaan myös ajatella, että osa tuuliturbiineista tukeutuu torneihin sekä niiden sivuihin tai niiden päälle.

4

Keksinnön puitteissa voidaan myös ajatella kannatinjärjestelmän eri asennuspaikkoja, joita voi olla esimerkiksi maapinta, vuoristo, saari, luoto, laiva, meren pohjaan pysyvästi kiinnittyvä vaijeri tai punos (27, kuva 5).

Leveät erikoisrakenteiset trimaraani- tai pentamaraani -laivat (29) sekä muut esimerkiksi moni -kasuuni tai kasuuni rakenteet tai meren pohja. Laivojen erikoisrakenteesta mainittakoon laivarunkojen yhdistäminen vedenalaisilla palkistoilla ja se, että laivan pohjan alle on sijoitettu kiinteä tai liikkuva vesiturbiinilaitteisto (45), vesiturbiinit (30) ja tehosteosat (31 ja 32) virtaavaa vettä hyödyntämään. Lisäksi laivan taakse voidaan sijoittaa ohjattava, ilmaa kevyempi ja koteloon (35) pysyvä tai sisään vedettävä aurinkosähköinen kennohuntu (36), patja (37) tai nauha, jota kannatetaan ja ohjataan aerodynaamisella ilmalaivalla, jota puolestaan ohjaa pystysuoraan nouseva ja yliääninen ohjauslaite (50, kuva 9).

Näistä laitteista sähköenergia siirretään tuotantolavetin kiinnityselimen (27) yhteydessä olevaa sähkökaapelia (28) myöten siirtoverkostoon tai energian varastointilaitokseen eli syväonkalopumppuvoimalaan muunnettuna potentiaalienergiaksi tai staattisena hydraulisena energiana pumpun (51, kuva 8) avulla.

Keksinnön puitteissa voidaan tuottaa merellä tuotetusta sähköstä laivan perään sijoitetulla ohjattavalla lavetilla (42) joko vetyä elektrolyysillä tai tislattua raakavettä autiomaan kastelua, ruoan tuotantoa tai juomavettä varten. Tuotettu vety tai raakavesi varastoidaan tuotantolavetin perään telakoituun kuljetuslaivaan (43) markkinoille siirtoa varten. Laivaa ohjataan azipot- potkurien (44) avulla.

Kuvassa 7 on esitetty proto B:n osana kaksoisturbiini, jossa ylempää turbiinia kannatetaan siipielementillä (20) ja rakennetta tukee värähtelynvaimentajat (21).

Kuvassa 3, kohteessa A, on esitetty lavan nostovoiman säädin varustettuna liukuvalla jät-töreunalaipalla (17), joka liukuu oikean geometrisen kohtauskulman säilyttävää siirtouraa (25) pitkin käyttölaitteen (23) liikuttamana karan (22) avulla. Toiminta varmistetaan sähköisten lämmityselementtien (24) avulla. Korkealla nostovoimaa vähennetään liukuvasti sähkötoimisella lämmitysistukalla varustetuilla sähkötoimisilla venttiileillä (18). Venttiilit avaavat tietokoneen ohjaamina virtauskanavat lavan läpi ilmavirralle säätäen täten nosto-voimaa ja vastusta. Nokka (26) vähentää kärjen virtausvastusta ja kärkimelua. Venttiilien kartiohatun yläpinta on profiilin pinnan tasalla normaalitilanteessa eikä aiheuta lisävastus-ta.

Ratkaisun pohjana on lepuutettava säätöturbiini tai perinteinen sakkausturbiini. Idea avaa uuden säätömahdollisuuden kiinteälle lavalle ja sitä voidaan käyttää myös helikopterissa tai yliäänihelikopterissa.

Tämä ominaisuus liittyy kuvan 9, kohteeseen B. Patentoitavassa keksinnössä laite toimii tuulivoimalalaivan maston kasettiin sijoitetun aurinkosähkö hunnun (40) ulosvetoon, hunnun jälkipään kannattamiseen ja nostamiseen korkealle auringon laskiessa. Huntua varsinaisesti kannattaa nostopalkeet (37) ja aerodynaaminen aurinkolaiva (32), jota ohjaa ohjauslaite (34), eli (multi speed plane). Aurinkolaivassa on kennokasetti (35), aurinkosäh-kökalvo (36) sekä hunnun heliumtäytteiset kannatinpalkeet (37). Sisäisesti nostovoimaa säädetään elastisen heliumsäiliön (38) ja vetysäiliön (39) avulla, jotka muuttavat laivan kohtauskulmaa. Ohjauslaitteen (34) muuttuva nostovoima synnytetään sähkömoottorikäyt-töisellä (28) ahtimella (48). Ahtimen jälkeinen ilma johdetaan korkeusperäsimelle (49) ja sivuperäsimelle (52). Osa ilmavirrasta ohjataan sivukanavia myöten eteen ja suunnataan siiven siivekkeeseen (46), jolla toteutetaan kallistusohjaus. Ilma otetaan sisään eteenpäin 5 suunnatun ilmanottokanavan (27) kautta. Valtaosa ilmavirrasta suunnataan nousussa alaspäin suuttimen (33) kautta. Liikuttaessa eteenpäin suuttimet suunnataan taaksepäin.

Keksinnön puitteissa on ajateltavissa, että aurinkolaivaa (32) käytetään myös matkustajien kuljettamiseen itsenäisenä aurinkolaivana, joka voi liikkua mannerten välillä pääosin aurinkoenergialla kuljettaen 100 - 400 matkustajaa 400 - 600 km/h nopeudella. Tämä on ehkä ainoa tapa liikkua aurinkoenergialla kuljettaen suurta kuormaa hyvällä nopeudella. Ratkaisu siihen on lentolaitteen perään kasetilta ulos laskettava aurinkokennohuntu.

Ohjauslaitetta (34) voidaan myös käyttää itsenäisenä nopeana kuljetuskoneena tai jopa yliäänihelikopterina. Varustettuna aurinkohunnulla ja kasetilla se voi toimia aurinkoener-gialentokoneena.

Claims (9)

6

1. Linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, joka käsittää ristikkorakenteiset, haruksilla tuetut keski-ja välitomit sekä niiden varaan ripustetuista tuuliturbiineista, tunnettu siitä, että tuuliturbiineja kannattavat siirto- ja kannatintangot kiinnittyvät viistosti tornien väliin keskitomin molemmin puolin ja siirto- ja kannatintankoihin kiinnittyvistä pystytangoista, joihin taas kiinnittyvät tuuliturbiinit.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, tunnettu siitä, että siirto- ja kannatintanko toimii liukutasona ja kiinnityspintana kannatinjärjestelmän osien ja tuuliturbiinien liikuttelussa

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, tunnettu siitä, että siirto- ja kannatustenko toimii myös tornien tukirakenteena.

3. Patenttivaatimukset

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, tunnettu siitä, että siirto- ja kannatintankoon kiinnittyy pystytanko tai useampi pysty-tanko

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, tunnettu siitä, että siirto-ja kannatintankoon voidaan kiinnittää nosturi- tai vinssiiait-teisto ja siitä, että tanko voidaan muodostaa myös uramoduuleista.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, tunnettu siitä, että pystytankoon voi kiinnittää yhden tai useamman tavanomaisen tai eri-koisrakenteisen tuuliturbiinin lineaarikiskon avulla tai suoraan pystytankoon.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjäijes-telmä, tunnettu siitä, että pystytanko voidaan kiinnittää yhdestä tai useammasta kohdasta siirto- ja kannatintankoihin tai pystytangon alapää tukea maahan.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatinjärjestelmä, tunnettu siitä, että pystytangon kiinnitys siirto- ja kannatintankoihin tai vaihtoehtoisesti tuuliturbiineihin on laakeroitu tai pystytangon elementit ovat laakeroidut toisiinsa siten, että tuuliturbiinien pyöritys vertikaaliakselin suhteen on mahdollista.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen Linjatuulivoimalan tuuliturbiinien kannatusjäijes-telmä perustettuna joko laivaan tai meren tai vesistön pohjaan pysyvällä tavalla kiinnityyn trimaraani- tai pentamaraani -lavettiin, tunnettu siitä, että tuuliturbiineja kannattavat siirto- ja kiinnitystangot kiinnittyvät viistosti lavetilla olevien tornien väliin keskitomin molemmin puolin ja siirto-ja kannatintankoihin kiinnittyvistä pystytangoista, joihin kiinnittyvät tuuliturbiinit sekä, tämän kannelle sijoitetun linjatuulivoimalan lisäksi, lavetin alapuolella on joko kiinteät virtauksen kiihdytyslaitteis-tolla varustetut tai sisäänvetokoneistolla varustetut vesivirtaukseen asti yltävät vesiturbiinit ja lavetin mastoissa yksi tai useampi sisäisesti (helium- tai vetypatjoilla) kannatettu ja aurinkoenergian keräilyhunnun peräosasta ohjattu, kasetista ulosvedettävä, aurinkosähkö-voimalakenno tai -kennoyhdistelmä. 7