HU181777B

HU181777B - Sun wheel

Info

Publication number: HU181777B
Application number: HU801176A
Authority: HU
Inventors: Janos Tiboldi
Original assignee: Villamos Automatika Intezet
Priority date: 1980-05-13
Filing date: 1980-05-13
Publication date: 1983-11-28
Also published as: CH653119A5; US4455833A; GB2079965B; SE8103012L; SU1355137A3; DE3117836A1; GB2079965A; CA1174546A

Description

A találmány tárgya napkerék tükörrel, napenergiát hasznosító erőgépcsoporttal és ezeket hordozó mechanikával, amely függőleges és vízszintes napkövető rendszerrel van ellátva. Napkerék alatt olyan mechanikai egységet értünk, amely segítségével a ₅napenergiát más, hasznosítható (pl. villamos) energiává alakítjuk át.

Uj szükséglet felmerülését jelzi az a mai energiaszegény világunkban egyre nagyobb mérvű törekvés, hogy a hagyományos energiahordozókat újabbakkal ₁₀váltsuk fel. Erre annál is inkább szükség van, mert mértékadó becslések szerint az olaj a jelenlegi felhasználás lineáris növekedése mellett a XXI. század harmadik évtizedében elfogy. Ilyen növekedési ütemet feltételezve a fosszilis energiakészlet is be- 15 látható időn belül, mégpedig a 2100. esztendő körül kimerül. Annyira reális veszély ez, hogy az USA napenergia-programja szerint például a 2000. évben energiaszükségletük 20%-át, 2040 körül gyakorlatilag teljes energiaszükségletüket napenergiából fogják ki- 20 ₍ elégíteni.

a Ennek a szükségletnek a kielégítésére készült, ismert naperőművekben az energiaátalakítást gőzkazánból, gőzturbinából (hőerőgépből) és generátorból álló egység végzi általában. Az összegyűjtött nap- ₂5 energia hasznosításának más módja is ismeretes, ilyen például a kollektorok vagy a napcellák.

Az ismert naperőművekkel kapcsolatosan a napenergia összegyűjtése jelenti a legnagyobb gondot. Megfelelően kiválasztott területen, például egy alkal- 30 más völgyet övező hegyoldalon tükörrendszert helyeznek el, amely egy például 60 m magas betontoronynak mindössze egyetlen négyzetméternyi „gyújtópontjára” összpontosítja a beeső napfényt. Ez a tükörrendszer rengeteg sok kis tükörből áll, amiket számítógép vezérelte motorok fordítanak két tengely körül mindig a nap felé, és lézersugarak segítségével milliméteres pontossággal irányítják úgy a tükröket, hogy a fény pontosan a hőgyűjtőre essék. Ez azt jelenti, hogy a tervek szerint egy 100 MW-os naperőműhöz 7 km² -nyi földfelületre van szükség. A földterület kihasználása 10-12%-os, ami azt jelenti, hogy a felhasznált földterületnek 10-12%-a hasznos tükörfelület. Ez nem okoz gondot olyan helyen, ahol a föld művelésre alkalmatlan, például a sivatagokban, de értékes földterületek nem „pazarolhatok” ilyen módon. A mérsékelt égöv alatt tehát - ahol a napsugárzás is kevésbé intenzív - az ismert rendszerek alkalmazhatósága már csak ezért is kérdéses.

Ehhez járul a vezérlés nem kis gondja. Egyrészt minden tükröt a függőleges és a vízszintes napkö/etés céljából két tengely körül kell tudni elfordítani. Ehhez mindkét irány számára egy-egy hajtásra van szükség. Az egyes tükrök állását össze kell hangolni olyan módon, hogy a tükrök mindig a rendszer „gyújtópontjára” vetítsék a napenergiát. Ehhez a gyújtópont pontos megcélzására is szükség van. A sok motor egyidejű, állandó és összehangolt mozgatása csak bonyolult számítógépes rendszer segítségével lehetséges.

-1181777

A tükrök méreteit ráadásul nem is érdemes bizonyos határ fölé növelni ebben a rendszerben, mert a nagy tükrök egymást leárnyékolnák, így még meszszebb kéne egymástól elhelyezni őket, ami a helyigényt fokozza. Ráadásul a megnövekedett súly szinte megoldhatatlan gondokat vetne fel a tükrök ágyazása és mozgatása szempontjából.

Ezek a tényezők — sok egyéb mellett — komoly akadályt jelentettek a napenergia felhasználásának útjában.

A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség egyidejű kiküszöbölése és olyan napkerék, energiatermelő egység kialakítása napenergia hasznosítására, amelynek területkihasználása sokkal jobb az eddigieknél.

Ezeknek a hátrányoknak a kiküszöbölésére olyan napkerekekkel kezdtek el kísérletezni, amelyeknek tükrük, napenergiát hasznosító erőgépcsoportjuk és ezeket hordozó mechanikájuk van, a mechanikát pedig függőleges és vízszintes napkövető rendszerrel látták el. Ilyen megoldások ismerhetők meg például a 2 365 085, 2 275 740 és a 2 310 477 számú francia szabadalmi leírásból. Ezek a megoldások azonban nem tudtak széles körben elterjedni, mert tényleges megvalósításuk sok mechanikai problémát vet fel. Értelmetlen lenne ugyanis ilyen napenergia hasznosító berendezésből többet egymás mellett elhelyezni, mert akkor újra jelentkeznek az általuk kiküszöbölni remélt hátrányok. Ha azonban ezeket a berendezéseket olyan nagyságúra készítenék, amelyik már gazdaságos működést tesz lehetővé, sok szilárdsági és különösen a napkövető rendszerekkel kapcsolatban mozgatási probléma merül fel.

Ezek a tényezők - sok egyéb mellett - komoly akadályt jelentettek a napenergia felhasználása útjában.

A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt valamennyi nehézség egyidejű kiküszöbölése és olyan napkerék, energiatermelő egység kialakítása, amelynek terüietkihasználása sokkal jobb az eddigieknél, mozgatásának vezérléséhez nem kell bonyolult számítógépes rendszer, az energiatermelő egység mérsékelt égövi meteorológiai viszonyok között is tud számottevő energiát szolgáltatni, ráadásul a felépítés, mozgatás sem jár különösebb gonddal, így gazdaságos méretek valósíthatók meg.

Találmányunk alapja az a felismerés, hogy az energiát gyűjtő tükörfelületet és a hasznosító erőgépet egy mechanikai egységbe helyezzük el és a gyűjtőfelületet olyan nagyra készítsük, ami a gazdaságos üzemeltetést lehetővé teszi. Ehhez egyrészt új hordozómechanikát, másrészt új napkövető rendszereket kell kidolgozni.

A továbbfejlesztés, azaz maga a találmány most már az, hogy a napkeréknek függőleges napkövető rendszerként a tükröt és az erőgépcsoportot hordozó, helytálló módon egymáshoz erősített óriáskerekei, ezeket alátámasztó talapzata, valamint az óriáskerekek és a talapzat között elhelyezett, a talapzatban ágyazott támgörgői és az óriáskerekeket a támgörgőkön legördítő hajtása van. Vízszintes napkövető rendszerként pedig folyadékkal feltöltött úsztatómedencéje, ebben elhelyezett és a talapzathoz csatlakozó körasztala, a körasztalhoz és az úsztatómedencéhez kapcsolódó billenésgátló és köz pontosító görgői, valamint a körasztalt az úsztatómedencéhez képest elmozdító hajtása van. Ennek a megoldásnak a legfőbb jelentősége az, hogy a viszonylag nagy méretek miatti tekintélyes súly ellenére is könnyen lehetővé válik mind a függőleges napkövetés, mind pedig a vízszintes napkövetés. Az előbbi esetben ugyanis egy-egy támgörgőre olyan kis súly jut csak, ami a rendszer függőleges síkban való elfordithatóságát egyáltalán nem nehezíti. A vízszintes napkövető rendszer találmány szerinti megoldása egyszerűen teszi lehetővé a nagy felületű és az egész napkerék súlyával terhelt körasztal elfordítását. Különösen igaz az akkor, ha a találmány szerint célszerűen a körasztalt légpárnás kialakításúra készítjük. Ekkor ugyanis a folyadékkal feltöltött úsztatómedencében lebegő körasztal elfordításához — a folyadéksúrlódástól eltekintve — nem kell súrlódó erőt leküzdeni.

A találmány szerint a napkereket szélenergiát hasznosító erőgépekkel is elláthatjuk, amihez a hordozómechanikára legalább egy szélerőgépet szerelhetünk. Ezt a találmány szerint célszerűen kialakíthatjuk úgy, hogy a szélerőgépet a napkerék egyik szélső óriáskerekére szereljük. Célszerű, hogy a szélerőgép lapátátmérője 50 méternél kisebb, célszerűen 18—22 méter között legyen. Ekkor a szélerőgépeket mindig tiszta, nem zavart szél éri, a méretek pedig olyanok, amik a szél legjobb kihasználását teszik lehetővé egyrészről, másrészről pedig több szélerőgép elhelyezése válik lehetségessé alkalmazásukkal.

A találmány szerint célszerű, ha a napenergiát hasznosító rész önmagában ismert kollektorként és/vagy szintén ismert napcellaként van kialakítva. Ezekkel közvetlenül nyerhető energia.

A napenergiát hasznosító rész másik célszerű megoldása, amely tükörrel és energiaátalakító erőgépcsoporttal van ellátva, ahol a tükör síktükör darabokból álló parabolatükör, és a gépcsoport a tükör gyújtópontjában van elhelyezve. Ezzel a napenergia igen jó hatásfokú összegyűjtése és átalakítása válik lehetségessé.

A találmányt az alábbiakban kiviteli példák kapcsán a csatolt rajzra való hivatkozással mutatjuk be részletesebben. A rajzon az

1. ábra a találmány szerinti napkerék oldalnézete, részben metszete; a

2. ábra az 1. ábra szerinti napkerék elölnézete, részben metszete; a

3. ábra a találmány szerinti napkerék másik kiviteli alakja oldalnézetben, részben metszetben; a

4. ábra a találmány szerinti napkerék telepítési vázlata felülnézetben.

A találmány szerinti napkeréknek az 1. ábrán látható kiviteli alakjában parabolikus 1 tükör van elhelyezve a beérkező napsugarak összegyűjtésére. Az 1 tükör gyújtópontjában 2 erőgépcsoport van elhelyezve, amellyel a hőenergiát - ebben a példában villamosenergiává alakítjuk. Az 1 tükör és a 2 erőgépcsoport alkotja a napkeréknek a napenergiát hasznosító részét. Mindezeket a napkerék hordozómechanikája tartja, amely — a 2. ábrán láthatóan — egymással párhuzamos 3 óriáskerekekből áll. A 3 óriáskerekek a helyzetüket rögzítő elemekkel együtt rácsos szerkezetet alkotnak. A merevítést 4 küllők, a keresztmerevítést 5 távtartók és 6 feszítők biztosítják (2. ábra). A 4 küllők és a 6 feszítők húzásra vannak igénybe véve, így nem feltétlenül kell merev anyagúaknak lenniük, hanem lehetnek például 5 drótkötélből is. Mindez igen kis önsúly mellett teszi lehetővé a megfelelő szilárdságú hordozómechanika kialakítását.

Az ilyen módon összeszerelt 3 óriáskerekeket alulról 8 talapzat támasztja alá, méghozzá 7 10 támgörgők közvetítésével. A 8 talapzatnak a 3 óriáskerekek felőli felülete olyan kialakítású, hogy mintegy bölcsőszerűen öleli körül a 3 óriáskerekeket kerületüknek egy tartományában. A 7 támgörgők forgathatóan vannak a 8 talapzatba ágyazva, ezeken a 7 15 támgörgőkön tehát a 3 óriáskerekek legördíthetően fekszenek fel. A 3 óriáskerekek, a 7 támgörgők és a 8 talapzat ilyen kialakításával gondoskodunk a függőleges napkövetésről. Mindehhez az ábrán nem ábrázolt hajtás is társul, amely segítségével a 3 óriás- 20 kerekek vezérelten mozdíthatók el a 8 talapzathoz képest.

Ennek a megoldásnak köszönhetően nincs szükség egyrészt nagyobb erőre az elfordításhoz, másrészt különleges csapágyazásra a 7 támgörgők 25 ágyazásánál. A napkerék súlya ugyanis annyi felé oszlik el, ahány 3 óriáskereket alkalmazunk. Egy 3 óriáskerék pedig sok 7 támgörgővel van kerületét mintegy bölcsőszerűen körülölelő módon alátámasztva, így tehát egy 7 támgörgőre az össz-súlynak 30 csak elenyészően kis része jut.

A legördítő hajtást egy vagy több 7 támgörgőre is csatlakoztathatjuk, ekkor eme 7 támgörgők és az illető 3 óriáskerekek között nyomatékátvivő kapcsolatot kell létesíteni. 35

A vízszintes napkövetés egyszerű megvalósítása érdekében a 8 talapzat 9 körasztalon van elhelyezve. A 9 körasztal légpárnás kialakítású: a napkerék összeszerelt állapotában folyadékkal feltöltött 10 úsztatómedencében úszik. Ezt a légpárnás kialakítást 40 ebben a kiviteli alakban úgy valósítottuk meg, hogy a 9 körasztalt az 1. ábrán keresztmetszetben láthatóan U-alakúra készítettük, amely száraival lefelé fordítva bizonyos légpárna bezárását teszi lehetővé. A 9 körasztalt szeleppel is elláthatjuk, amelyen ke- 45 resztül túlnyomású levegőt szivattyúzhatunk az U-alakú 9 körasztal alá, ami által a napkerék jobban kiemelhető a 10 úsztatómedencéből, illetve beljebb engedhető abba. Ez a megoldás egyúttal lehetőséget teremt arra is, hogy túlzott szélterhelés esetén a 50 napkereket a 10 úsztatómedence fenekére engedjük, így óvjuk meg a felborulástól.

A 9 körasztalnak a 10 úsztatómedencében való helyzetét állítjuk be a 11 billenésgátló és 12 központosító görgőkkel. Ezek egyrészről a 9 körasztal 55 függőleges, illetve vízszintes pereméhez, másrészről a 10 úsztatómedencéhez kapcsolódnak. A 11 billenésgátló görgők tengelyei tehát merőlegesek a 12 központosító görgők tengelyeire. Ezek közül a görgők közül egyet vagy akár többet is hajtással go láthatunk el, ezzel gondoskodhatunk a vezérelt vízszintes napkövetésről.

Ez a megoldás mindenféle csapágyazást szükségtelenné tesz. A 10 úsztatómedencében levő folyadék akár közönséges víz is lehet, a benne légpárnán úszó 65 napkerék elfordítása minimális erőbefektetést igényel, még szélsőséges meteorológiai körülmények között is. Ennek a hirtelen ébredő erős szél esetén van különösen jelentősége, ilyenkor a napkereket gyorsan „szélbe kell állítani”, azaz a napkerék hoszszanti tengelyét a széliránnyal párhuzamosan kell állítani.

Ilyenkor jutnak szerephez a napkerék másik példakénti kiviteli alakjában az egyik szélső 3 óriáskerekére szerelt 13 szélerőgépek (3. ábra). A 13 szélerőgépek lapátjainak síkja ugyanis párhuzamos a 3 óriáskerekek síkjával, amely abban a helyzetben, amikor a napkeiék szélben áll, merőleges a szélirányra.

Ezen a szélső 3 óriáskeréken több 13 szélerőgép is elhelyezhető, annál is inkább, mert kísérletek igazolták, hogy azok a szélerőgépek tudják a leghatásosabban kihasználni a szélenergiát, amelyek lapátjának átmérője 20 m körül van. A több 13 szélerőgép felszerelése érdekében a szélső 3 óriáskereket 14 hidakkal lehet kiegészíteni, amelyek ennek a 3 óriáskeréknek a merevségét is fokozzák. Ezzel a megoldással a 13 szélerőgépeket úgy lehet elhelyezni a 3 óriáskeréken, hogy az általuk ébredt erők részben kiegyensúlyozzák egymást, a napkerékre nézve tehát nem jelentenek különösebben nagy terhelést. Ezzel a napkerék egy mechanikai egységben válik alkalmassá napenergia és/vagy szélenergia hasznosítására.

A találmány szerinti napkerék méretviszonyainak jobb érzékelhetősége érdekében az alábbiakban egy példakénti konkrét méretezési esetet mutatunk be. Legyen öt darab 3 óriáskerék a napkerékben, ezeknek átmérője 80 m és egymástól való távolságuk 20 m. A 4 küllők legyenek vékony gömbvasból, az 5 távtartók rácsos szerkezetűek és a 6 feszítők drótkötélből. Ekkor hatvan darab 4 küllőt, hatvan darab 5 távtartót és százhúsz darab 6 feszítőt alkalmazunk. A 3 óriáskerekek ötszáz, tehát 3 óriáskerekekként száz darab 7 támgörgőn fordulnak el a 8 talapzathoz képest.

Az 1 tükör parabolikus, tizenhat darab 20 x 20 m rácsos szerkezetű hordozótáblából áll, amelyeken 1 x 1 m síktükör darabok vannak rögzítve. Ezeknek a síktükör daraboknak a helyzetét a gyártás során egyszer beállítják, többet nem kell változtatni rajtuk. Az ilyen módon kialakított tükör hasznos felülete 5640 m². Ez azt jelenti, hogy 8,5 m/s szélsebesség felett kell szélbe állnia.

A 9 körasztal átmérője 90 m, magassága 1,5 m, szerkezete rácsos vasbetonváz, amelyen üvegszálbetétes műanyag kupolák vannak elhelyezve, szám szerint kétszáznegyven darab. A légpárna túlnyomása 230 vízoszlop milliméter, ami szélbe állás esetén 120km/h szélsebességig gátolja meg a billenőst.

A 10 úsztatómedence belső átmérője 90,2 m, oldalmagassága 1 m. Oldalfala merevítőbordákkal ellátott vasbeton szerkezet, feneke beton-műanyag-homokágy felépítésű.

A parabolikus 1 tükör gyújtópontjában elhelyezett 2 erőgépcsoport szénporbeviteles léghevítőhöz kapcsolt hőlégturbina és generátor. Leadott teljesítménye 2,5 MW. Az egyik szélső 3 óriáskeréken tizenhárom darab, húszméteres lapátátmérőjű 13

-3181777 szélerőgép van elhelyezve. Átlagos teljesítményük szélerőgépenként 100 kW.

A magyarországi meteorológiai viszonyokat figyelembe véve évenként 1000 hasznosítható napsütéses órával és 20 méteres magasságban 3,6 m/s átlagos 5 szélsebességgel számolhatunk. így a naperőmű 2,5 millió kWh, a gépsoros szélerőmű ugyancsak 2,5 millió kWh villamos energiát termel egy év alatt. A napkerékkel kinyerhető energia tehát napkerekenként és évenként 5 millió kW. 10

A találmány szerinti napkerékkel kapcsolatos igen fontos előny, hogy alkalmazásával 85%-os felülethasznosítás érhető el. Ez azt jelenti, hogy az elfoglalt terület 85%-ának megfelelő hasznos tükörfelülettel rendelkezik. Ráadásul napkerekekkel felépített 15 naperőmű telep esetén nincs szükség a földterület kizárására a mezőgazdasági hasznosításból. A 4. ábrán láthatóan egy sorban elhelyezett napkerekek között ugyanis az egymás beárnyékolásának elkerülése érdekében 400 m-es távolságot kell tartani, ami 20 mezőgazdasági hasznosítással már gépi művelés esetén is jól kihasználható terület.

A találmány szerinti napkerék nem kevésbé fontos előnye, hogy a szélenergia hasznosítása külön terjedelmes hordozómechanika nélkül megvalósít- 25 ható, és ezáltal mérsékelt égöv alatt történő telepítés esetén az éves energiatermelés kétszeresére növelhető.

összefoglalva megállapíthatjuk tehát, hogy a találmány szerinti napkerék felhasználásával minőségi ja- 30 vulás érhető el a naperőművekkel való energiatermelésben. Nemcsak a szélenergia hasznosítására tettük alkalmassá, hanem a területhasznositását a korábbiak

10-20%-ával szemben 85%-osra növeltük, a függőleges és vízszintes napkövetést sokkal egyszerűbben 35 oldottuk meg, mert nincs szükség a 2 erőgépcsoport megcélozására, a parabolát alkotó síktükör darabokat a működés során nem kell mozgatni, így a parabola gyújtópontjában elhelyezett 2 erőgépcsoportra mindig azonos mennyiségű, a maximális nap- 40 energia jut, a 9 körasztal légpárnás ágyazásával sok mechanikus problémát védtünk ki. Ezek a naperőművek végezetül semmiféle szennyezést nem jelentenek táj- vagy környezetvédelmi szempontból.

Claims

Szabadalmi igénypontok:

1. Napkerék tükörrel, napenergiát hasznosító erőgépcsoporttal és ezeket hordozó mechanikával, amely függőleges és vízszintes napkövető rendszerrel van ellátva, azzal jellemezve, hogy függőleges napkövető rendszerként a tükröt (!) és az erőgépcsoportot (2) hordozó, helytálló módon egymáshoz erősített óriáskerekei (3), ezeket alátámasztó talapzata (8), valamint az óriáskerekek (3) és a talapzat (8) között elhelyezett, a talapzatban (8) ágyazott támgörgői (7) és az óriáskerekeket (3) a támgörgőkön (7) legördítő hajtása van, vízszintes napkövető rendszerként pedig folyadékkal feltöltött úsztatómedencéje (10), ebben elhelyezett és a talapzathoz (8) csatlakozó körasztala (9), a körasztalhoz (9) és az úsztatómedencéhez (10) kapcsolódó billenésgátló görgői (11) és központosító görgői (12), valamint a körasztalt (9) az úsztatómedencéhez (10) képest elmozdító hajtása van.
2. Az 1. igénypont szerinti napkerék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a körasztal (9) légpárnás kialakítású.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti napkerék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a hordozómechanikára a szélenergiát hasznosító legalább egy szélerőgép (13) van szerelve.
4. A 3. igénypont szerinti napkerék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a legalább egy szélerőgép (13) a napkerék egyik szélső óriáskerekére (3) van szerelve és lapátátmérője 50 méternél kisebb, célszerűen 18-22 méter között van.
5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti napkerék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a napenergiát hasznosító rési kollektorként és/vagy napcellaként van kialakítva.
6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti napkerék kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy a tükör (1) síktükör darabokból álló parabolatükör és az eró'gépcsoport (2) a tükör (1) gyújtópontjában van elhelyezve.