NL1022393C2 - Windenergie-omzetinrichting alsmede een rotorblad voor toepassing in een dergelijke inrichting. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Windenergie-orazetinrichting alsmede een rotorblad voor toepassing in een dergelijke inrichting.

BESCHRIJVING

5 De uitvinding heeft betrekking op een windenergie- omzetinrichting omvattende een draagconstructie; een roteerbaar in de draagconstructie gelagerde horizontale as voorzien van een eerste en een tweede einde, alsmede tenminste één rotorblad voorzien van een eerste en tweede einde, welk rotorblad met beide einden op de as is aangebracht 10 De uitvinding heeft tevens betrekking op een rotorblad voor toepassing in een dergelijke windenergie-omzetinrichting.

Windenergie-omzetinrichtingen van de hiervoor genoemde soort zijn reeds bekend uit de Duitse octrooi publicatie nr. 3331166 Al. De horizontale as is daarbij gericht in de aanstroom-richting van de 15 wind, een en ander zodanig dat het aanstroomvlak van het rotorblad zich nagenoeg loodrecht op de as 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 energievormen. Bekend is dat dit kan 20 worden bereikt door het oppervlak, dat door het roterende rotorblad wordt bestreken te vergroten. Dit kan worden bereikt door een grotere lengte van het rotorblad. Echter dergelijke langere rotorbladen zijn duur qua constructie, omdat zij ook buigbelastingen ten gevolge van de wind en gyroscopische effecten op moeten nemen. De lengte van een dergelijk 25 rotorblad wordt derhalve begrensd door de grote mechanische krachten die op dergelijke lange bladen inwerken. Bovendien neemt het geluidsniveau van dergelijke lange rotorbladen toe, hetgeen de inzetbaarheid van dergelijke windmolens in de bebouwde omgeving minder gewenst maakt.

De uitvinding beoogt de bekende inrichting te verbeteren en 30 een windenergie-omzetinrichting te verschaffen, welke bij gelijke afmetingen en windcondities, een grotere hoeveelheid windenergie kan 1022393 H .omzetten in andere energievormen. De windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding wordt hiertoe gekenmerkt, doordat het rotorblad is voorzien van aanvullende windvangmiddelen.

Door de speciale constructie van het rotorblad in de 5 inrichting oefent de loefzijde van het rotorblad naast een kracht in de richting van de luchtstroming ook een kracht op de luchtstroming uit in I radiale richting, wat resulteert in een Venturi-effect. Dit Venturi- I effect vergroot de hoeveelheid lucht die door de rotor stroomt, waardoor de windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding meer energie 10 aan de door de inrichting stromende hoeveelheid lucht kan onttrekken. Dit I resulteert in het significant verbeterd rendement van de inrichting overeenkomstig de uitvinding.

I De windvangmiddelen kunnen bestaan uit een verbreed gedeelte van het rotorblad, welk breed gedeelte enerzijds een cirkelvorm I 15 bezit en bij een andere uitvoeringsvorm een ellipsoïde vorm bezit.

I Gebleken is dat door het rotorblad te voorzien van aanvullende windvangmiddelen zoals hierboven toegelicht het Venturi-effect in I versterkte mate optreedt. Hierdoor stroomt nog meer lucht door het I oppervlak dat door het rotorblad wordt omschreven, zodat de windenergie- I 20 omzetinrichting op een meer efficiënte wijze energie aan de wind kan I onttrekken.

I Een dergelijke windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding wordt aldus gekenmerkt door zijn eenvoudige doch ook I robuuste constructie, daar bij deze constructie tijdens bedrijf enkel I 25 trekbelastingen in het rotorblad optreden. Doordat het rotorblad in tegenstelling tot de reeds bekende windmolens of windturbines geen tip I bezit, is de geluidsproductie van een windenergie-omzetinrichting volgens I de uitvinding ook significant lager dan bij de huidige inrichting.

I Hierdoor is de windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding I 30 ook heel goed inzetbaar binnen bebouwde gebieden.

Meer in het bijzonder zijn overeenkomstig de uitvinding I ''1 0223 93 ^^^^^^^^^ΐ^^ΐΐιΗιΐΓΓ^^ιΐΓΜΪΜΒΠΐΜΐιιΐιίΜίΠΐ^ΜΜΐΒιΓΐΒιΒΜί^ΒΒιΒΐιιιΓΐΐΐ^ιΓ^ ιί...... " " " ···—^ i^·..?·'^ · - 3 beide einden van het rotorblad op enige afstand van elkaar op de as aangebracht.

Proefondervindelijk is gebleken dat de windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding zeer effectief is bij het 5 onttrekken van energie uit door en rondom de inrichting stromende lucht indien de afstand tussen de beide einden van het rotorblad ongeveer gelijk is aan twee maal de straal van het rotorblad.

Bij een specifieke uitvoeringsvorm is overeenkomstig de uitvinding het rotorblad langgerekt uitgevoerd, welke bij een bijzondere 10 uitvoeringsvorm als een dunne vlakke plaat is uitgevoerd.

Overeenkomstig de uitvinding is het rotorblad van metaal of een kunststof vezelmateriaal vervaardigd. In combinatie met de vormgeving van het rotorblad als een dunne, vlakke plaat kan overeenkomstig de uitvinding het rotorblad snel, eenvoudig en in grote aantallen goedkoop 15 worden geproduceerd. Aangezien de constructiekosten van het rotorblad in grote mate de totale kostprijs van een windenergie-omzetinrichting bepalen, kan door significante reductie van de fabricagekosten van rotorbladen overeenkomstig de uitvinding, de windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding ook aanzienlijk goedkoper worden 20 geproduceerd. Dit biedt weer mogelijkheden om windenergie-omzet-inrichtingen overeenkomstig de uitvinding met relatief geringe afmetingen en overeenkomstig vermogen binnen de bebouwde omgeving, bijvoorbeeld bij particulieren, te plaatsen waarop hetgeen de acceptatiegraad voor een dergelijke windenergie-omzetinrichting aanzienlijk versterkt.

25 Bij een zeer specifieke uitvoeringsvorm is de windenergie- omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding voorzien van twee of meer op de as aangebrachte rotorbladen, welke verschillende diameters beschrijven.

Bij een uitvoeringsvorm zijn de beide einden van het rotor-30 blad elk nabij een overeenkomend einde van de as aangebracht, waarbij de as met zijn beide einden in de draagconstructie gelagerd is opgenomen.

1022393 H Deze constructie maakt het mogelijk om met een compacte constructie een efficiënte rotor (horizontale as met daarop aangebracht een of meerdere rotorbladen) te verkrijgen, welke op een zeer efficiënte wijze energie aan de door en rondom de inrichting stromende lucht onttrekt.

5 Ten behoeve van een effectieve omzetting van de windenergie I in elektrische energie is overeenkomstig de uitvinding de as gekoppeld met middelen, zoals een generator, voor het omzetten van rotatie-energie in elektrische energie. Daarbij kan de generator in of op de gelagerde as zijn aangebracht.

10 De uitvinding heeft ook betrekking op een rotorblad overeenkomstig de uitvinding en zoals beschreven in de bijbehorende figuurbeschrijving en tekeningen.

I De uitvinding zal aan de hand van tekeningen nader worden I toegelicht, welke tekeningen achtereenvolgens tonen: 15 Figuur 1 schematisch een uitvoeringsvorm van een windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de stand van de techniek; I Figuren 2A-2B een detail tekening van de windenergie- I omzetinrichting volgens Figuur 1; I Figuur 3A-3B een uitvoeringsvorm van een rotorblad van 20 toepassing bij een windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de I uitvinding; I Figuur 4 een tweede schematische uitvoeringvorm van een I windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding.

Een windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de stand van 25 de techniek wordt onder verwijzing naar de figuur 1 nu beschreven.

Volledigheidshalve bezitten overeenkomende onderdelen dezelfde I referentie-aanduidingscijfers.

I De in de figuur 1 beschreven windenergie-omzetinrichting 1 I bezit een verticale kolom 2a waarop een draagconstructie 2b is geplaatst.

I 30 In de draagconstructie 2b is een horizontale as 3 met zijn eerste einde I 3a respectievelijk tweede einde 3b roteerbaar gelagerd opgenomen in van I 1022393 ——· ._: * > · -: . >v; π7“4ΛΓ****9*βΐΒ***Λ*Μ*η:·jwmm-'T »-r · ca 5 de draagconstructie 2b deel uitmakende lagers 2c-2d. De windenergie- omzetinrichting 1 is voorzien van één en in deze uitvoeringsvorm twee rotorbladen 4-4', welke beide rotorbladen 4-4' met hun eerste einde 4a-4a' en hun tweede einde 4b-4b' vast met de horizontale as 3 zijn 5 bevestigd.

Door een hoekverdraaiing in de beide einden van het rotorblad van de windenergie-omzetinrichting, loopt de inrichting zelf aan, dat wil zeggen er is geen aanvullende energiebron noodzakelijk om de rotorbladen tot rotatie te dwingen waarna de wind de aandrijving van de 10 rotorbladen overneemt. Voorts is de windenergie-omzetinrichting zelf richtend op de windrichting, omdat de rotor bij rotatie als windvaan functioneert. De dragerconstructie 2b is met behulp van een rotatielager 8 roteerbaar bevestigd op de verticale kolom 2a.

Bij voorkeur wordt een windvaan gemonteerd, zodat ook bij 15 zeer geringe windsnelheden de windenergie-omzetinrichting zichzelf op de wind richt. Zodoende zal de windenergie-omzetinrichting zoals getoond in de figuur 1 zich altijd dusdanig richten ten opzichte van de wind, dat de horizontale as 3 altijd in de windrichting komt te liggen, zoals aangeduid met de pijl in de figuur 1.

20 Zoals in de figuur 1 getoond zijn overeenkomstig de uitvinding de beide einden 4a-4a' respectievelijk 4b-4b' van de rotorbladen 4-4' op enige afstand b van elkaar op de horizontale as 3 bevestigd, waarbij bij een specifieke uitvoeringsvorm de afstand b tussen de beide einden 4a-4a' respectievelijk 4b-4b' van de rotorbladen 4-4' 25 kleiner is dan twee maal de straal R van elk rotorblad 4-4'.

Bij een andere uitvoeringsvorm kan deze afstand b gelijk zijn aan twee maal de straal R, en bij een nog andere uitvoeringsvorm kan de afstand b groter zijn dan twee maal de straal R van het rotorblad 4-4'. Twee maal de straal R van het rotorblad komt overeen met de diameter 30 D, die het rotorblad tijdens bedrijf omschrijft in de lucht.

Zoals duidelijk getoond in de figuur 1 zijn de beide einden ! 1022393 « 6 4a-4a' respectievelijk 4b-4b' nabij het eerste einde 3a respectievelijk het tweede einde 3b van de horizontale as 3 aangebracht.

Door de relatief eenvoudige constructie van de windenergie-omzetinrichting volgens figuur 1 ontstaan, wanneer de wind de rotoren in 5 gang hebben gebracht enkel trekbelastingen in de rotorbladen 4-4' waardoor ook de rotorbladen 4-4' eenvoudig kunnen worden geconstrueerd. Bij deze uitvoeringsvorm overeenkomstig de uitvinding zijn de rotorbladen 4-4' (zie figuur 2a en figuur 2b) uitgevoerd als een dunne, vlakke plaat. Meer specifiek is het plaatvormige rotorblad voorts flexibel qua vorm, 10 zodat deze tijdens het roteren van de horizontale as 3 zelf ten gevolge van centrifugaal krachten hun vorm innemen. Deze vorm, ook wel kettinglijn genoemd, garandeert alleen trekbelastingen in het rotorblad en derhalve minimale belastingen aan de beide einden 3a respectievelijk 3b van de as 3 hetgeen een verdere vereenvoudiging van de constructie mogelijk maakt.

15 Bij een andere uitvoeringsvorm overeenkomstig de uitvinding wordt in de figuren 3a en 3b een andere uitvoeringsvorm van een windenergie-omzetinrichting getoond. Deze uitvoeringsvorm maakt gebruik van een ander soort gevormd rotorblad 4"-4"', welke rotorbladen eveneens met hun eerste en tweede einden dienovereenkomstig op de 20 horizontale as 3 zijn bevestigd. Meer specifiek bezit het rotorblad 4"-4''' voorzien van aanvullende windvangmiddelen 5, welke bij voorkeur bestaan uit een verbreed gedeelte van het rotorblad 4"-4"'.

Bij een specifieke uitvoeringsvorm bezit het als windvangmiddel dienend verbrede gedeelte van het rotorblad een 25 cirkelvorm, en bij de uitvoeringsvorm zoals getoond in de figuren 3a-3b bezit het, als windvangmiddel 5 dienende verbrede gedeelte van elk rotorblad 41'-4'1' een ellipsoïde vorm. De eerste hoofdas 6 van het ellipsoïde windvangmiddel 5 kan daarbij samenvallen met de lengte-as 7 van het rotorblad 4", echter ter verkrijging van een sterk verbeterd 30 rendement van de windenergie-omzetinrichting, maakt de eerste hoofdas 6 een hoek α met de lengte-as 7 van het rotorblad, welke hoek bij voorkeur 1 0223 93 ü^'" *-· I -J· > _ ·*: . f τ·^»ν>Λ .vt.·.r ff»vwa«··'^ ky·τ ‘.^ ^*ΐ^·ΐ « 7 tussen 0° en 60° bedraagt en meer in het bijzonder tussen 20° en 40° ligt.

Zoals de figuur 3b toont vormt het verbrede gedeelte 5 dat als windvangmiddelen geen ellipsoïde in meetkundig opzicht gezien, maar 5 loopt de ellipsoïde 5 enigszins uitgesmeerd of vloeiend over in de buitenomtrek van het stripvormige rotorblad 4M.

Door een geschikte integratie van de windvangmiddelen 5 in elk rotorblad (gezien in de windrichting Vwind) beweegt elk willekeurig segment dS, zoals getoond in figuur 4, zich over het omtreksvlak van een 10 afgeknotte kegel, waarbij het aanstroomvlak 9 van de windvangmiddelen 5 de horizontale as 3 snijdt in een punt 10, dat gezien in de windaanstroomrichting Vwind stroomopwaarts is gelegen. Tijdens de rotatie van de rotorbladen door de aanstromende wind Vw1nd, staat de windreactiekracht 15 van de rotor 4" loodrecht op het aanstroomvlak 9 van 15 de windvangmiddelen 5. Deze kracht 15 valt daarbij te ontbinden in een kracht 16 welke evenwijdig aan de horizontale as 3 werkt en een kracht 17, welke in het radiale vlak van de draagconstructie werkt.

Door deze radiale kracht 17 zal in het gebied 18 om de horizontale as 3 een onderdruk worden gecreëerd en tevens zal door deze 20 kracht 17 stroomafwaarts in radiale richting lucht naar buiten worden getransporteerd aangeduid met pijl 19. Door de onderdruk in het gebied 18 zal de luchtstroom worden samengetrokken, waardoor de massastroom van de lucht door de gehele inrichting en door het oppervlak van de rotoren 4" toeneemt. Hierdoor wordt weer meer energie aan de luchtstroom onttrokken, 25 hetgeen het rendement van dergelijke windenergie-omzetinrichtingen aanzienlijk verbetert.

Het hiervoor genoemde effect van het samentrekken van de aanstromende lucht door de roterende rotorbladen 4'' is te vergelijken met het verschijnsel dat optreedt in het convergerende deel van een 30 Venturi-buis.

Door de schuinte-opstelling van de windvangmiddelen 5 op de 1022393 8 rotorbladen 4" wordt tijdens rotatie een kegelvormig bestreken oppervlak 20 verkregen, dat fungeert als de keel of vernauwing van Venturi-buizen.

Meer in het bijzonder kunnen de rotorbladen overeenkomstig de uitvinding van metaal of een kunststof materiaal worden vervaardigd.

5 Hoewel in de figuur 1 twee rotorbladen 4-4' op de horizontale as 3 zijn aangebracht, is het ook mogelijk om slechts één rotorblad te gebruiken. Anderzijds kunnen ook meer dan twee rotorbladen worden ingezet, en eventueel kunnen bij meerdere rotorbladen op dezelfde horizontale as de stralen van deze verschillende rotorbladen van elkaar 10 verschillen. De windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding wordt gekenmerkt door een eenvoudige en lichte constructie waardoor de windenergie-omzetinrichting zeer goed inzetbaar is in gebieden welke nog zijn verstoken van elektriciteit.

Omdat er alleen trekbelastingen en geen buigbelastingen in 15 het rotorblad optreden, wordt de windenergie-omzetinrichting gekenmerkt door een lichte en eenvoudige constructie. Doordat tevens de aërodynamische invalshoek van de wind Vwind constant is (of althans niet wisselend/veranderend) is, als ook de afwezigheid van een daadwerkelijke tip van het rotorblad, kenmerken het zeer lage geluidsniveau van de 20 windenergie-omzetinrichting overeenkomstig de uitvinding. Deze laatste maakt plaatsing bij de bebouwde omgeving mogelijk, terwijl bij de thans bekende windenergie-omzetinrichtingen het geluidsniveau tijdens bedrijf veelal te hoog is om plaatsing in de bebouwde omgeving te realiseren.

25 1022393

Claims (22)

1. Windenergie-omzetinrichting omvattende: een draagconstructie; 5. een roteerbaar in de draagconstructie gelagerde horizontale as voorzien van een eerste en een tweede einde, alsmede tenminste één rotorblad voorzien van een eerste en tweede einde, welk rotorblad met beide einden op de as is aangebracht, met het kenmerk, dat het rotorblad is voorzien van 10 aanvullende windvangmiddelen.

2. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de windvangmiddelen bestaan uit een verbreed gedeelte van het rotorblad.

3. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 2, met het 15 kenmerk, dat het verbrede gedeelte een cirkelvorm bezit.

4. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het verbrede gedeelte een ellipsoïde vorm bezit.

5. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het rotorblad langgerekt is 20 uitgevoerd.

6. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het rotorblad als een dunne vlakke plaat is uitgevoerd.

7. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de conclusies 1-6, met het kenmerk, dat het rotorblad van metaal is 25 vervaardigd.

8. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de conclusies 1-6, met het kenmerk, dat het rotorblad van een kunststof-vezelmateriaal is vervaardigd.

9. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de 30 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van twee of meer op de as aangebrachte rotorbladen. 1022393

10. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de rotorbladen tijdens bedrijf verschillende diameters I beschrijven.

11. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de 5 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de as met zijn beide einden I in de draagconstructie gelagerd is opgenomen.

12. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de as is gekoppeld met I middelen, zoals een generator, voor het omzetten van rotatie-energie in I 10 elektrische energie.

13. Windenergie-omzetinrichting volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de generator is aangebracht in of op de gelagerde as.

14. Windenergie-omzetinrichting volgens één of meer van de I voorgaande conclusies, verder omvattende een mastconstructie waarop 15 tenminste twee rotoren zijn aangebracht.

15. Rotorblad voor montage op een windenergie-omzetinrichting I volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarbij het rotorblad I met zijn beide einden op een roteerbare horizontale as van de I windenergie-omzetinrichting brengbaar is, met het kenmerk, dat het I 20 rotorblad is voorzien van aanvullende windvangmiddelen.

16. Rotorblad volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de windvangmiddelen bestaan uit een verbreed gedeelte van het rotorblad.

17. Rotorblad volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat het I verbrede gedeelte een cirkelvorm bezit. I 25

18. Rotorblad volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat het verbrede gedeelte een ellipsoïde vorm bezit.

19. Rotorblad volgens één of meer van de conclusie 15-18, met het kenmerk, dat het rotorblad langgerekt is uitgevoerd.

20. Rotorblad volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat het I 30 rotorblad als een dunne, vlakke plaat is uitgevoerd.

21. Rotorblad volgens één of meer van de conclusies 15-20, met I ’ 1Π22393 het kenmerk, dat het rotorblad van metaal is vervaardigd.

22. Rotorblad volgens één of meer van de conclusies 15-20, met het kenmerk, dat het rotorblad van een kunststofvezelmateriaal is vervaardigd. 5 1022393