NL1013380C2 - Windenergie-omzetinrichting. - Google Patents

Description

\

Titel: Windenergie-omzetinrichtring.

De uitvinding heeft betrekking op een windenergie-omzetinrichting voorzien van een draagconstructie met een 5 aantal spaken, welke op een horizontale hoofdas roteerbaar is gelagerd en waarbij op de uiteinden van de spaken windvangmiddelen met een althans nagenoeg cirkelvormig aanstroomvlak zijn gemonteerd.

Windenergie-omzetinrichtingen van de hiervoor genoemde 10 soort zijn reeds lang bekend in de vorm van de bekende windmolens en windturbines. De windvangmiddelen zijn daarbij gewoonlijk uitgevoerd als molenwieken of rotorbladen welke roteerbaar zijn om een horizontale hoofdas. De horizontale hoofdas is daarbij gericht in de aanstroomrichting van de 15 wind, een en ander zodanig dat het aanstroomvlak van deze windvangmiddelen zich nagenoeg loodrecht op de hoofdas en ook nagenoeg loodrecht op de windaanstroomrichting uitstrekt.

Reeds lang bestaat er het streven om steeds meer energie uit de wind om te zetten in andere energie-vormen. Bekend is 20 dat dit kan worden bereikt door het oppervlak dat door de windvangmiddelen wordt bestreken te vergroten. Dit kan worden bereikt door een grotere lengte van de molenwieken of turbinebladen. Hieraan zijn echter grenzen gesteld door de grote mechanische krachten die op dergelijke lange wieken of 25 turbinebladen inwerken.

Een andere manier om het door de windvangmiddelen bestreken oppervlak te vergroten is bekend uit WO 96/00349, figuur 10 en 11. Hierin is een windturbine beschreven welke is voorzien van een draagconstructie (hoofdrotor) met spaken, 30 welke roteerbaar is om een horizontale hoofdas en waarbij op de uiteinden van de spaken sateliet-rotoren zijn geplaatst. Deze sateliet-rotoren welke als windvangmiddel dienst doen zijn daarbij zo geplaatst dat hun aanstroomvlak loodrecht staat op de hoofdas. Met deze constructie wordt een groot 35 oppervlak bestreken terwijl de lengte van de rotorbladen relatief klein kan zijn zodat de mechanische krachten op deze bladen binnen de perken kunnen worden gehouden, zeker wanneer zoals eveneens is getoond de hoofdrotor tegengesteld aan de 1013380 2 rotatierichting van de sateliet-rotoren wordt geroteerd. De windvangmiddelen in casu de sateliet-rotoren van deze bekende turbine bestrijken een zeer groot oppervlak hetgeen gepaard gaat met een grote energie-winning uit de aanstromende lucht.

5

De uitvinding beoogt de hiervoor genoemde bekende inrichting te verbeteren en een windenergie-omzetinrichting te verschaffen welke bij gelijke afmetingen en windcondities, een grotere hoeveelheid windenergie kan omzetten in andere 10 energievormen.

Teneinde het gestelde doel te bereiken vertoont de windenergie-omzetinrichting volgens de uitvinding het kenmerk dat elk van de windvangmiddelen een aanstroomvlak heeft dat een scherpe hoek maakt met de hartlijn van de hoofdas en de 15 hoofdas stroomopwaarts snijdt.

Door de genoemde schuine opstelling van de windvangmiddelen, welke zoals later nog zal worden verklaard kunnen zijn gevormd door op de spaken van de draagconstructie aangebrachte rotoren met rotorbladen of door 20 kegelvormige lichamen met grote tophoeken, zodanig dat hun aanstroomvlakken een scherpe hoek maken met de hoofdas van de draagconstructie, wordt verrassenderwijze, bij een zelfde grootte en zelfde windcondities, een vergroting verkregen van de massastroom welke de windenergie-omzetinrichting passeert 25 met als gevolg een grotere energie-opbrengst. Een en ander valt terug te voeren tot het feit dat door de schuine opstelling van de windvangmiddelen een onderdruk wordt gecreëerd in de omgeving van de hoofdas hetgeen leidt tot een zekere contractie van de aanstromende wind. Een en ander 30 leidt zoals later bij de figuurbeschrijving nog nader zal worden verklaard tot een aanzienlijke verhoging van de energie-opbrengst welke uit de aanstromende lucht kan worden gehaald.

Een verdere uitvoeringsvorm van de windenergie-35 omzetinrichting volgens de uitvinding vertoont het kenmerk dat elk van de windvangmiddelen is gevormd door een rotor met tenminste twee rotorbladen, waarbij elke rotor is bevestigd op een rotoras welke zodanig roteerbaar is gelagerd op het 1013380 3 uiteinde van een bijbehorende spaak, dat het vlak waarin de rotorbladen liggen een scherpe hoek insluit met de hartlijn van de hoofdas en deze stroomopwaarts snijdt, waarbij de rotoras van elke rotor is gekoppeld met middelen zoals een 5 generator, voor het omzetten van rotatie-energie in electrische energie. Ook bij deze uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding zal het hiervoor genoemde effect van contractie van de aanstromende luchtstroom optreden met als gevolg een vergroting van de massastroom 10 door de rotoren en dus een verhoging van de energieopbrengst .

Volgens een verdere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding is de draagconstructie-hoofdas voorzien van middelen voor het in rotatie brengen daarvan. Deze 15 middelen kunnen daarbij zijn gevormd door een electromotor welke de draagconstructie in rotatie kan brengen. Hiermee wordt bereikt dat niet de windsnelheid maar de electromotor het toerental van de hoofdrotor bepaalt, waardoor een eenvoudige beveiliging en regeling van de inrichting kan 20 worden gerealiseerd.

Bij een verdere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding zijn de windvangmiddelen gevormd door kegelvormige lichamen met een grote tophoek waarvan de basis is gekeerd naar de windaanstroomzijde en welke kegellichamen 25 zodanig met het uiteinde van hun bijbehorende spaak zijn verbonden, dat het basisvlak van elk kegellichaam een scherpe hoek met de hoofdas van de draagconstructie maakt en deze hoofdas stroomopwaarts snijdt. Door de schuine opstelling van de basisvlakken van de kegellichamen ten opzichte van de 30 hoofdas wordt weer bereikt dat rondom de hoofdas een gebied van lagere druk wordt gecreëerd waardoor de aanstromende lucht een contractie ondervindt, hetgeen leidt tot een grotere massastroom van de lucht welke de kegellichamen passeert en derhalve tot een verhoging van de energie-35 opbrengst.

Een verdere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding vertoont het kenmerk dat een aantal spaken van de draagconstructie een rotor draagt en een aantal spaken is 1013380 4 voorzien van een kegellichaam.

Volgens de uitvinding is de scherpe hoek welke de genoemde windvangmiddelen met de hartlijn van de hoofdas insluiten instelbaar en ligt tussen 80° en 10°.

5 Aan de hand van de tekening zal de uitvinding nog nader worden toegelicht.

In figuur 1 en 2 is schematisch en niet op schaal een windenergie-omzetinrichting getoond in respectievelijk zij-10 en vooraanzicht welke is voorzien van schuin op een draagconstructie aangebrachte rotoren. Fig la toont schematisch het divergerende deel een bekende venturiebuis.

In figuur 3 en 4 is schematisch en niet op schaal een windenergie-omzetinrichting weergegeven waarbij op de spaken 15 van de draagconstructie schuinopgestelde kegelvormige lichamen zijn aangebracht.

In figuur 5 en 6 is schematisch en niet op schaal een windenergie-omzetinrichting getoond welke voorzien is van een draagconstructie met een aantal spaken waarop om en om schuin 20 opgestelde rotoren en schuin opgestelde kegellichamen zijn aangebracht.

Figuur 7 toont schematisch en niet op schaal een alternatieve uitvoeringsvorm van de windenergie-omzetinrichting volgens de uitvinding.

25 In figuur 1 en 2 is een windenergie-omzetinrichting getoond welke is voorzien van een horizontaal verlopende hoofdas 1 welke een draagconstructie draagt welke voorzien is van een drietal spaken 2 op de uiteinden waarvan rotoren 3 zijn aangebracht die elk zijn gekoppeld met een generator 4. 30 De rotoren 3 zijn zodanig op de spaken 2 bevestigd dat het aanstroomvlak 5 van deze rotoren een scherpe hoek at insluit met de hartlijn van de hoofdas 1 en dit vlak 5 de hartlijn van de hoofdas 1 snijdt in een punt 6 dat gezien in de windaanstroomrichting 7 stroomopwaarts gelegen is. De 35 hoofdas 1 is verder gelagerd ter plaatse 10 in een constructie 11 welke ondersteund is door een toren 12. De hoofdas 10 is verder gekoppeld met een electromotor 13 welke onder omstandigheden de hoofdas 1 van de draagconstructie in 1013380 5 rotatie kan brengen. Door de aanstromende wind 7 zullen de rotoren 3 in rotatie worden gebracht waarbij de windreactiekracht 15 van de rotoren 3 loodrecht staat op het vlak 5. Deze kracht valt daarbij te ontbinden in kracht 16 5 welke evenwijdig aan de hoofdas 1 werkt en een kracht 17 welke in het radiale vlak van de draagconstructie 2 werkt. Door deze radiale kracht 17 zal in het gebied 18 om de centrale hoofdas een onderdruk worden gecreëerd en tevens zal door deze kracht 17 stroomafwaarts in radiale richting lucht 10 naar buiten worden getransporteerd. Door de onderdruk in gebied 18 zal de luchtstroom worden samengetrokken, waardoor de massastroom door de gehele inrichting en door het oppervlak van de rotoren 3 toeneemt, waardoor er meer energie aan de luchtstroom wordt onttrokken. Deze toename van 15 energie-winning kan wel oplopen tot 40 a 50 procent van de energie welke winbaar is bij een opstelling van de rotoren waarbij de hoek α 90° is. Door deze eenvoudige ingreep is dus een grote verbetering verkregen van een windenergie-inrichting.

20 Het hiervoor genoemde effect van het samentrekken van de aanstromende luchtstroom is te vergelijken met hetgeen optreedt in het divergerende deel van een venturiebuis. Ter verduidelijking is dit deel 19 schematisch weergegeven in Fig la, waarbij verder is aangeduid, hoe een aanstromende 25 luchtstroom 7' een insnoering ondergaat in de keel 18' van deze venturiebuis. Door dit bekende effect zal de massastroom door de venturiebuis sterk toenemen. Het is verrassenderwijs gebleken dat dit bekende venturie-effect zich ook voordoet bij de inrichting volgens Fig. 1 en 2 waarbij door de 30 schuinstelling van de rotoren 3 een kegelvormig bestreken oppervlak wordt verkregen dat min of meer als venturiebuis werkt, waardoor het genoemde effect wordt verkregen.

In figuur 3 en 4 is een windenergie-omzetinrichting weergegeven waarbij op de spaken 2 van de draagconstructie nu 35 geen rotoren zijn aangebracht maar in plaats daarvan kegelvormige lichamen 20 met een grote tophoek waarvan het basisvlak 21 gekeerd is naar de aanstroomzijde van de wind en welk aanstroomvlak zodanig schuin is opgesteld dat dit een 1013380 6 hoek a maakt met de hartlijn van de hoofdas 1 en deze hartlijn stroomopwaarts snijdt. Ook bij deze constructie zal de windreactiekracht 22 van de basisvlakken 21 zich laten ontbinden in een kracht 23 welke evenwijdig is aan de 5 hoofdas en een kracht 24 welke daar loodrecht opstaat en naar buiten werkt. Door deze kracht 24 welke radiaal naar buiten werkt, zal weer een onderdruk onstaan in het gebied 18 rond de hoofdas. Ook hierdoor zal weer een contractie van de luchtstroom optreden met als gevolg dat de massastroom van de 10 lucht welke de inrichting passeert toeneemt en daarmee ook de uit deze luchtstroom te winnen energie toeneemt. Een en ander weer vergelijkbaar met het venturie-effect zoals dit optreedt bij de in Fig la geschetste venturiebuis. Het zal duidelijk zijn dat behalve de genoemde schuinstelling de kegels ook 15 enigzins gekanteld moeten zijn om de lijn door de punten 6 en 30, zodat een kracht op deze kegels wordt uitgeoefend welke in dit geval via de spaken 2 direct wordt doorgegeven aan de hoofdas 10 welke een generator 26 in werking stelt welke de rotatie-energie omzet in electrische energie.

20 In de figuren 5 en 6 is schematisch een verdere uitvoering van de inrichting volgens de uitvinding weergegeven waarbij nu op de spaken 2 van de draagconstructie om en om rotoren 3 en kegellichamen 20 zijn opgesteld. Het genoemde effect van het creëren van een zekere onderdruk in 25 de ruimte om de hoofdas 1 treedt ook hier weer op wat ook hier weer leidt tot een grotere massastroom en een grotere omzetting van de windenergie in rotatie-energie. De rotoren 3 geven hierbij direct hun rotatie-energie af aan hun eigen generator 4 terwijl de kegels de op hun uitgeoefende kracht 30 omzetten in een rotatie van de draagconstructie met de spaken 2.

Ook in dit geval is de hoofdas 1 weer gekoppeld met een electromotor 13 welke voor de beveiliging en regeling zorgdraagt. Het zal duidelijk zijn dat het aantal rotoren 3 35 en kegellichamen 20 kan afwijken van dat wat in de figuur is aangegeven.

Hoewel in de voorgaande figuren uitvoeringen zijn weergegeven, waarbij op de toren 12 een draagconstructie 2 1013380 7 met rotoren 3 of kegelvormige lichamen 20 is weergegeven, kan het onder omstandigheden voordelig zijn om op de toren 12 een constructie aan te brengen, welke voorzien is van twee draagconstructies 2 met spaken, welke elk rotoren of 5 kegellichamen dragen. Een dergelijke uitvoering is schematisch en niet op schaal aangegeven in figuur 7.

Uit het voorgaande moge duidelijk zijn dat de uitvinding een windenergieomzetinrichting verschaft met zodanig schuin opgestelde windvangmiddelen (rotoren of kegelvormige 10 lichamen of een combinatie daarvan) dat deze bij rotatie van de draagconstructie zich bewegen over het omtreksvlak van een afgeknotte kegel waardoor een venturie-effect op de luchtstroom wordt verkregen. Van belang is daarbij dat de binnenzijde van dit afgeknotte kegeloppervlak een vrijwel 15 onbelemmerde doorlaat voor de wind vormt en een afmeting heeft welke het gewenste verturie-effect oplevert. De afgeknotte kegel heeft daarbij aan zijn instroomzijde een diameter welke althans ongeveer de helft is van de diameter aan de uitstroomzijde.

20 1013380

Claims (6)

1. Windenergie-omzetinrichting, voorzien van een 5 draagconstructie met een aantal spaken, welke op een horizontale hoofdas roteerbaar is gelagerd, waarbij op de uiteinden van de spaken windvangmiddelen met een althans nagenoeg cirkelvormig aanstroomvlak zijn gemonteerd, met het kenmerk, dat elk van de windvangmiddelen een aanstroomvlak 10 heeft dat een scherpe hoek maakt met de hartlijn van de hoofdas en de hoofdas stroomopwaarts snijdt.

2. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat elk van de windvangmiddelen is gevormd door een rotor met tenminste twee rotorbladen, waarbij elke rotor 15 is bevestigd op een rotoras, welke zodanig roteerbaar is gelagerd op het uiteinde van een bijbehorende spaak, dat het vlak waarin de rotorbladen liggen een scherpe hoek insluit met de hartlijn van de hoofdas en deze stroomopwaarts snijdt, waarbij de rotoras van elke rotor is 20 gekoppeld met middelen, zoals een generator, voor het omzetten van rotatie-energie in elektrische energie.

3. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de windvangmiddelen zijn gevormd door kegelvormige lichamen met een grote tophoek, waarvan de basis 25 is gekeerd naar de windaanstroomzijde en welke kegellichamen zodanig met het uiteinde van hun bijbehorende spaak zijn verbonden, dat het basisvlak van elk kegellichaam een scherpe hoek maakt met de hoofdas van de draagconstructie en deze stroomopwaarts snijdt.

4. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een aantal spaken van de draagconstructie een rotor draagt en een aantal spaken is voorzien van een kegellichaam.

5. Windenergie-omzetinrichting volgens een of meer van 35 de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de draagconstructie hoofdas is voorzien van middelen voor het in rotatie brengen daarvan.

6. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer der 1013380 « voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de scherpe hoek, welke de aanstroomvlakken van de genoemde windvangmiddelen met de hartlijn van de hoofdas insluiten, instelbaar is en ligt tussen 80° en 10°. 5 1013380