NL8103416A

NL8103416A - Combined windmill and heat pump - has vane moving sail to wind to power pump compressor control circuits

Info

Publication number: NL8103416A
Application number: NL8103416A
Authority: NL
Original assignee: Berg Hendrik Van Den
Priority date: 1981-07-17
Filing date: 1981-07-17
Publication date: 1983-02-16

Abstract

The compressor and auxiliary devices on this heat pump are driven by power supplied by a windmill. The propeller-type sail (1) is mounted on a casing (16,15) on top of a tower (21). A vane (7) is used to move the sail towards the wind direction with the aid of electronically-driven (9) rotation gearing (15). The sail rotates, driving an asynchronous generator (3) and the compressor (4). The heat pump medium is taken from the expansion chamber (6) and pumped down via a flexible pipe (10) to the heat exchanger (12) inside a water jacket (14) at the base of the tower. The medium condenses, supplying its latent energy to the water, and is returned to the expansion chamber (6).

Description

VV

f i -1- s'. , λ sf i -1- s'. , λ s

Inrichting voor het opwekken van overwegend thermische energieDevice for generating predominantly thermal energy

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het opwekken van overwegend thermische energie met windkracht.The invention relates to a device for generating predominantly thermal energy with wind power.

De schaarste aan energiebronnen heeft geleid tot de ont-wikkeling van alternatieve bronnen en besparingstechniekerw 5 Een dergeligke ontwikkeling is de moderne windturbine die door aandrigving van een generator electrieiteit opwekt.The scarcity of energy sources has led to the development of alternative sources and savings technology. Such a development is the modern wind turbine, which generates electricity by operating a generator.

Het rendement van een generator is ca. 90#.The efficiency of a generator is approx. 90 #.

Een andere ontwikkeling is de warmtepomp welke als primai-re energie electriciteit, aardgas of aardolie kan gebrui-10 ken en als secundaire energiebron Incht, grondwater, op-pervlaktewater, afvalwarmte etc. De lucht/water warmtepomp met electromotoraandrig'ving verliest vermogen in de aandrijfmotor en in de motor voor de ventilator van de verdamper. Het rendement van een electromotor, is ca. 90# 15 en in de ventilatormotor gaat ca. 15# van het primaire vermogen van een warmtepomp verloren.Another development is the heat pump, which can use primary energy as electricity, natural gas or petroleum and as a secondary energy source. drive motor and in the motor for the evaporator fan. The efficiency of an electric motor is approx. 90 # 15 and in the fan motor approx. 15 # of the primary power of a heat pump is lost.

De uitvinding is gericht op een geintegreerde windturbine-warmtepompeombinatie waarmede de verliezen sterk worden verlaagd.Deze combinatie resulteert in een rendementsver-20 betering in de orde van 40#, betrokken op de door de pro-pellor van de windturbine uit de wind opgenomen energie.The invention is directed to an integrated wind turbine heat pump combination which greatly reduces losses. This combination results in an efficiency improvement of the order of 40%, based on the energy absorbed by the wind turbine propeller.

De combinatie is voorts zowel bruikbaar voor verwarmings-als koeldoeleinden, terwigl men door big voorkeur de on-derdelen van de warmtepomp in de mast of het molenhuis van 25 de turbine op te nemen tussen de windgedreven warmtepomp en de gebruiker van de thermische energie slechts een aan-voer- en retourleiding nodig heeft.The combination is furthermore useful for both heating and cooling purposes, while it is very preferred to include the parts of the heat pump in the mast or mill house of the turbine between the wind-driven heat pump and the user of the thermal energy. supply and return pipe.

Het is reeds bekend door middel van windturbines direct of overwegend thermische energie op te wekken door de ro-50 tatie van de propelloras over te brengen op een waterrem, die door middel van wrigvingskracht (het water wordt door nauwe kanalen geperst) warmte opwekt. Big deze inrichting. is echter de opbrengst aanzienligk lager dan die big de inrichting volgens de uitvinding, als gevolg waarvan voor 81 03 4 1 6 v -2-It is already known to generate direct or predominantly thermal energy by means of wind turbines by transferring the rotation of the propeller shaft to a water brake, which generates heat by means of frictional force (the water is forced through narrow channels). Big this decor. however, the yield is considerably lower than that of the device according to the invention, as a result of which 81 03 4 1 6 v -2-

VV

4 » de laatste inrichting big voorbeeld een gunstiger mastcom-binatie mogelig'k is; dat wil zeggen dat de propellor in verhouding kleiner kan worden gekozen omdat per propellor-oppervlak meer thermische energie beschikbaar komt.4 the last device is a more favorable mast combination, for example; that is, the propeller can be chosen relatively smaller because more thermal energy becomes available per propeller surface.

5 Het is een bigzonder doel van de uitvinding te voorzien in een combinatie van de voornoemde soort waarbig* de wind die de propellor aandrig'ft· tevens als secundair warmte-medium voor de warmtewisselaar van de warmtepomp wordt be-nut.Hierdoor heeft de warmtewisselaar geen eigen ventila-10 tor nodig en wordt de hoeveelheid lucht groter big grotere windkracht, hetgeen gunstig is omdat de warmtewisselaar bi^ grotere windsnelbeden meer warmte nodig beeft·It is a major object of the invention to provide for a combination of the aforementioned type of which the wind driving the propeller is also used as a secondary heat medium for the heat exchanger of the heat pump. no own fan is needed and the amount of air becomes bigger and bigger wind force, which is favorable because the heat exchanger requires more heat at larger wind speeds.

Het is een verder doel van de uitvinding te voorzien in een combinatie die zowel voor verwarming als koeling kan 15 zorgen door met bebulp van een omscbakeling de warmtewisselaar als verdamper of als condensor te laten fungeren. Het is een volgend doel van de uitvinding te voorzien in een inricbting waarbig door de propelloras te verbinden met een generator de mogeligkheid wordt gegeven desgewenst 20 electriciteit op te wekken waarbig* men de verhouding tus-sen de opgewekte tbermiscbe energie en de electriscbe e-nergie naar wens kan instellen. Voorts kan de generator zelf als startinrichting van de propellor alsmede als ; stuurorgaan voor bet regelen van bet toerental van de pro-25 pellor fungeren, waarbig desgewenst electriscbe energie aan bet electrieiteitsnet kan worden geleverd.It is a further object of the invention to provide a combination which can provide both heating and cooling by allowing the heat exchanger to function as an evaporator or as a condenser by means of a switch. It is a further object of the invention to provide an arrangement which, by connecting the propeller shaft to a generator, gives the possibility, if desired, to generate electricity, whereby the ratio between the generated energy and the electricity energy is obtained. can set as desired. Furthermore, the generator itself can be used as a propeller starter as well as; control means for controlling the speed of the pelletizer, wherein, if desired, electric energy can be supplied to the electricity grid.

De in de aanhef genoemde inricbting is nu volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat een windturbine is gein-tegreerd met een warmtepomp en de propelloras direct is 30 gekoppeld aan de compressor van de warmtepomp. In een voorkeursuitvoeringsvorm is de warmtewisselaar van de warmtepomp in de mast opgenomen en wel zodanig dat deze geligk met de propellor op de wind wordt gericht, Het is gunstig de warmtewisselaar in de top van de mast op te ne-35 men.In een verdere uitvoeringsvorm worden de andere onder-delen van de warmtepomp, zoals de condensor, bet reduceer-ventiel en de leidingen tevens in de mast, in bet bigzon-der in de voet daarvan opgenomen.Big bedrigf als warmte- 8103416 -3- leverancier verdient het aanbeveling in de voet van de mast een warmtebuffer op te nemen, betgeen een verdere eompaete opbouw van de ctrabinatie bevordert.The device mentioned in the opening paragraph is now characterized according to the invention in that a wind turbine is integrated with a heat pump and the propeller shaft is directly coupled to the compressor of the heat pump. In a preferred embodiment the heat exchanger of the heat pump is incorporated in the mast in such a way that it is directed towards the wind in the same way as the propeller. It is advantageous to include the heat exchanger in the top of the mast. the other parts of the heat pump, such as the condenser, the reducing valve and the pipes are also included in the mast, in the big area in the base thereof. Big bedrigf as heat supplier 8103416 -3- it is recommended to incorporate a heat buffer in the base of the mast, which promotes a further eompaete build-up of the combination.

Big gebruik van een in bet beweegbare deel van de mast ge-5 monteerde warmtewisselaar met molenbuis en propellor wordt gescbikt een krui-inrichting opgenomen om de propellor en warmtewisselaar op de wind te zetten. Beze krui-inricbting beeft big voorkeur een maximale slag van ?20° en wordt door een besturingsscbakeling big windstilte weer naar de oor-10 spronkeligke stand teruggedraaid.Using a heat exchanger with mill tube and propeller mounted in the movable part of the mast, a crimping device is included to set the propeller and heat exchanger on the wind. This crotch device preferably has a maximum stroke of 2020 ° and is turned back to the ear-like position by a control wind big wind stillness.

In een gunstige uitvoeringsvorm wordt in bet molenbuis te-vens een generator opgenomen, die op bet electriciteitsnet kan worden aangesloten en die naar keuze met de propellor kan worden gekoppeld en verscbillende functies kan uitvoe-15 ren· Voor bet starten van de propellor wordt big voorkeur de generator toegepast. Be generator is big* voorkeur een asynchrone generator die via een vaanscbakelaar de propellor start en daarbig* als motor werkt. Na bet starten wordt de generator weer uitgescbakeld en blig'ft de eoinbinatie au-20 tonoom draaien.Wanneer bet toerental van de propellor op-loopt big toenemende wind wordt big een voldoende boog toe-rental de asynchrone motor weer ingeschakeld, die aan bet electriciteitsnet gekoppeld bligft. Aldus wordt bet propel-lortoerental ondanks toenemende wind nagenoeg constant ge-25 bouden en wordt electriciteit aan bet net geleverd. Wanneer de generator stroom uit bet net gaat opnemen wordt deze au-tomatisch ontkoppeld*In a favorable embodiment, the mill tube also contains a generator, which can be connected to the electricity mains and which can optionally be coupled to the propeller and can perform various functions · For starting the propeller, it is very preferred the generator applied. The generator is big *, preferably an asynchronous generator that starts the propeller via a vane switch and works as a motor. After starting, the generator is scrambled out again and the combination continues to run au-20 tonoom. When the speed of the propeller increases, increasing wind speed, a sufficient arc speed is used, the asynchronous motor is switched on again, which is connected to the electricity network. linked remains. Thus, in spite of increasing wind, the propeller speed is maintained almost constantly and electricity is supplied to the network. When the generator starts to draw power from the grid, it is automatically disconnected *

Big* te lage windsnelbeden wordt de turbine gestopt door een rem.De turbine beeft aldus bet voordeel dat deze boven een 50 instelbare windsnelbeid die afgestemd is op het synchrone toerental van de asynchrone motor ook electriciteit produ-• ceert# Met deze combinatie wordt aldus op voordelige wig*ze gebruik gemaakt van de eigenscbappen van de generator voor bet starten van de turbine, bet regelen van bet toerental 55 van de turbine en bet leveren van electriciteit big hoge windsnelbeden.If the wind speed is too low, the turbine is stopped by a brake. The turbine thus has the advantage that it produces electricity above a 50 adjustable wind speed that is tuned to the synchronous speed of the asynchronous motor. advantageous wedge * they made use of the generator's features to start the turbine, control the turbine speed 55 and provide electricity with high wind speeds.

Het systeem is omschakelbaar van verwarming op koeling door met bebulp van een omschakeling, zoals driewegkleppen, in bet koude circuit de warmtewisselaar als condensor te laten 8103416 Λ· ^ * -4- fungeren. In dit laatste geval wordt meestal een buiten het molenhuis gelegen verdamper ingeschakeld welke als koeler gaat fungeren·The system can be switched from heating to cooling by using a switchover, such as three-way valves, to operate the heat exchanger as a condenser in the cold circuit 8103416 Λ · ^ * -4-. In the latter case, an evaporator located outside the mill house is usually switched on and will function as a cooler.

In een periode dat geen of weinig behoefte aan warmte be-5 staat kan de windturbine electriciteit produceren door al-leen de generator aan te drigven.Ook door de automatische besturing als voornoemd te kiezen kan men hetzig electriciteit of warmte/koude produceren of een verhouding daar-tussen kiezen. Met de combinatie van de uitvinding kan men 10 aldus door in het molenhuis een generator op te nemen, als hierboven beschreven, de verhouding van de soorten ener-gieendie men wenst op te wekken instellen door sturing van de generator.In a period when there is little or no need for heat, the wind turbine can produce electricity by only operating the generator. Also by choosing the automatic control as aforesaid, it can produce electricity or heat / cold or a ratio choose between them. Thus, with the combination of the invention, by incorporating a generator in the mill house, as described above, the ratio of the types of energy desired to be generated can be adjusted by controlling the generator.

De windturbine volgens de uitvinding kan tot zeer hoge ver-15 mogens worden gebouwd, van de orde van 1000 tot 2000 KW en hoger, waarbig* big wigze van voorbeeld een windturbine met een masthoogte van ca, 30-40 m een propellordiameter van dezelfde orde van grootte zal hebben. Door de gunstige op-bouw van de windturbine kan deze ook big" kleinere afmetin-20 gen geschikte vermogens leveren door de relatief hoge op-brengsten.The wind turbine according to the invention can be built up to very high powers, of the order of 1000 to 2000 KW and above, such as, for example, a wind turbine with a mast height of approx. 30-40 m and a propeller diameter of the same order. of size. Due to the favorable construction of the wind turbine, it can also supply big "smaller dimensions" with suitable powers due to the relatively high yields.

De mast van de windturbine kan van gebruikeligke materia-len, zoals stalen buizen, worden gemaakt.Een belangrig'k verschil met de gebruikeligke masten is dat in de voor-25 keursuitvoeringsvorm van de windturbine van de uitvinding de mast tevens als bergplaats dient voor de onderdelen van de warmtepomp en het draaipunt, anders dan big de gebruikeligke masten waar dit ter hoogte van het molenhuis ligt, aanzienligk lager ligt.The mast of the wind turbine can be made of conventional materials, such as steel pipes. An important difference from the conventional masts is that in the preferred embodiment of the wind turbine of the invention the mast also serves as a storage place for the parts of the heat pump and the pivot point, unlike the usual masts where this is located at the height of the mill house, are significantly lower.

50 ®e warmtewisselaars zign van het gebruikeligke lameltype, . die een groot warmteoverdrachtsoppervlak bezitten.Als warmteoverdrachtsmedium zign de gebruikeligke materialen geschikt. Als secundaire energiebron kan men ook grond-water, oppervlaktewater, industrieel afvalwater e.d. toe-55 passen.In dat geval is echter pompenergie vereist. Big plaatsing van de warmtewisselaar onderin de mast dient een ventilator te worden gebruikt.50 ®e heat exchangers zign of the usual lamella type,. which have a large heat transfer surface. The usual materials are suitable as heat transfer medium. Groundwater, surface water, industrial waste water, etc. can also be used as a secondary energy source, however, in this case pump energy is required. Big placement of the heat exchanger at the bottom of the mast requires a fan to be used.

Opgemerkt wordt dat de uitdrukking "overwegend thermische 8103416 * -5- energie" beoogt aan te geven dat de windturbine volgens de uitvinding big' regelmatig bedrig'f in hoofdzaak tbermische energie 1evert. Er kunnen echter incidenteel omstandigheden zign waarin meer electrische energie wordt geproduceerd, 5 big voorbeeld big beet weer in de zomer wanneer geen warmte nodig is·It is to be noted that the term "predominantly thermal energy 8103416 * -5" intends to indicate that the wind turbine of the present invention delivers big "regular bed" mainly substantially thermal energy. However, there may occasionally be circumstances in which more electrical energy is produced, 5 big example big beet again in the summer when no heat is needed ·

De uitvinding zal nu verder worden toegelicht aan de band’ van de enige figuur die een schematisch verticaal aanziebt van de windturbine met warmtepomp volgens de uitvinding 10 illustreert, welke combinatie specifiek voor verwarmings-doeleinden is ingericbt.De windturbine bestaat uit een mo-lenbuis 16, een top 5 s ©el een voet 11 (welke beide laatste de mast vormen) die op een fundament 20 zig'n geplaatst.The invention will now be further elucidated on the band of the only figure illustrating a schematic vertical view of the heat pump wind turbine according to the invention 10, which combination is specifically designed for heating purposes. The wind turbine consists of a mill tube 16 , a top 5 is a foot 11 (both of which last form the mast) placed on a foundation 20.

De mast wordt aangegeven door 21. Het molenbuis 16 is voor-15 zien van een windvaan 7 s alsmede een propellor 1, die via de overbrenging 2 vermogen levert aan de compressor 4.The mast is indicated by 21. The mill tube 16 is provided with a wind vane 7 s and a propeller 1, which supplies power to the compressor 4 via the transmission 2.

De warmtepomp wordt gevormd door de compressor 4, de ver-damper 6, de condensor 12, bet reduceerventiel 13 en de flexibele koelmiddelleidingen 10. De compressor perst bet 20w warmtetransportmedium samen tot een gas met een hogere temperatuur en druk, waarna dit gas via de transportlei-dingen naar bet reduceerventiel 13 wordt geleid.In dit ven-tiel wordt de druk verlaagd, waarbig' bet transportmedium in condensor 12 condenseert onder afgifte van de conden-25 satiewarmte aan bet buffervat dat op een hogere temperatuur komt. Het dan vloeibare transportmedium passeert de verdamper 6, waar bet onder opname van warmte uit de door-gaande lucbt via de verdamper 6 weer overgaat in de gas-vormige toestand. Daarna komt bet gas terug in de compres-30 sor 4 en begint de bescbreven cyclus opnieuw. De verdamper is vast in bet bbveMeel van de mai’IPSai^SoOr middel van lagers 8 draaibaar in bet vaste deel van de mast is opge-steld. Aldus kan de verdamper een optimale stand ten op-zicbte van de wind innemen. In bet molenbuis is verder de 35 asynchrone generator 3 opgenomen,gekoppeld met de overbrenging van de propelloras, die de propellor via een (niet getekende) vaanschakelaar start, waarbig* de generator als motor werkt. In bet molenbuis wordt verder met 17 een rem aangegeven, 8103416 κ -6- it ' a <? *The heat pump is formed by the compressor 4, the evaporator 6, the condenser 12, the reducing valve 13 and the flexible refrigerant pipes 10. The compressor compresses the 20w heat transport medium into a gas with a higher temperature and pressure, after which this gas is conveying lines are led to the reducing valve 13. In this valve, the pressure is reduced, whereby the transport medium condenses in condenser 12, giving off the condensation heat to the buffer vessel, which comes at a higher temperature. The then liquid transport medium passes through the evaporator 6, where the heat returns to the gaseous state via the evaporator 6, taking up heat from the continuous air. Then the gas returns to compressor 4 and the described cycle starts again. The evaporator is fixed in the bottom part of the maiIPSai ^ SoOr by means of bearings 8 rotatable in the fixed part of the mast. Thus, the evaporator can take an optimal position with respect to the wind. The mill tube also contains the asynchronous generator 3, coupled to the transmission of the propeller shaft, which starts the propeller via a vane switch (not shown), the generator operating as a motor. A further brake is indicated in the mill tube with 17, 8103416 κ -6- it 'a <? *

Door de krui-inrichting 9 voorzien van. overbrengingen . 15 wordt de propellor 1 op de wind gedraaid;hiertoe is een electromotor, gekoppeld aan een tandwielkast met een grote vertraging,tussen de beide delen van de molenmast die ten 5 · opzichte van elkaar draaibaar zign, geplaatst.Big starten van de electromotor zal de as willen gaan draaien; aange-zien de as via flexibele koppelingen met bet vaste deel van de mast is verbonden zal het draaibare deel gaan draaien. De krui-inrichting wordt via een electronische sturing 10 bediend en automatisch big windstilte in de oorspronkeligke stand teruggedraaid. Hiertoe zign op de windvaan voelers aangebracht en wel zodanig dat wanneer beide aanspreken de windvaan exact in de windrichting staat. De electronische • schakeling van de krui-inrichting zorgt ervoor dat het be-15 weegbare deel van de mast ten opzichte van de krui-inrichting zodanig wordt versteld dat de propellor steeds recht op de windrichting staat. Door middel van een electronische standmeting wordt de doorlopen hoek van het beweegbare deel ^ gemeten en big de maximumhoek van 720° wordt deze hoek big 20 windstilte veer teruggedraaid tot nul, zodat de flexibele verbindingen tussen beweegbaar en vast deel van de mast niet defect kunnen raken. In de molenvoet is onder het middenstuk van de 'mast , waarin de krui-inrichting en de flexibele slangen zig’n aangebracht, het buffervat 14 opge-25 nomen, dat voorzien is van invoer- en afvoerwaterleidingen 18 en 19. Dit buffervat kan worden verbonden met het warm-watercircuit van de gebruiker.Provided by the crimper 9. transmissions. 15, the propeller 1 is turned on the wind; for this purpose an electric motor, coupled to a gearbox with a long deceleration, is placed between the two parts of the mill mast which are rotatable in relation to each other. want to turn shaft; since the shaft is connected to the fixed part of the mast via flexible couplings, the rotatable part will rotate. The crusher is operated via an electronic control 10 and automatically returns big wind stillness to the original position. For this purpose, sensors are mounted on the windvane, such that when both respond, the windvane is exactly in the wind direction. The electronic switching of the crimping device ensures that the movable part of the mast is adjusted relative to the crimping device in such a way that the propeller is always straight to the wind direction. By means of an electronic position measurement, the run-through angle of the movable part is measured and the maximum angle of 720 ° is turned back to zero, this angle big 20 wind-silent spring, so that the flexible connections between movable and fixed part of the mast cannot be broken . The buffer base 14, which is provided with inlet and outlet water pipes 18 and 19, is accommodated in the mill base under the middle part of the mast, in which the crusher and the flexible hoses are arranged. connected to the user's hot water circuit.

Door het aanbrengen van meerwegsluiters big de afvoer van • de flexibele slangen uit.de verdamper 6 kan op een uitwen-30 dige verdamper worden omgeschakeld, waarbig verdamper 6 dan als condensor gaat fungeren.By installing multi-way valves, the discharge of the flexible hoses from the evaporator 6 can be switched to an external evaporator, the evaporator 6 then acting as a condenser.

81034168103416

Claims

Device for generating mainly thermal energy with wind power, characterized in that a wind turbine is integrated with a heat pump and the propeller shaft is coupled directly to the compressor of the heat pump.

2. Device as claimed in claim 1, characterized in that the heat exchanger is included in the top of the mast.

3. Device as claimed in claim 2, characterized in that the evaporator is accommodated in a rotatable part of the mast.

4, Device according to claims 2 to 3, characterized in that the evaporator with the mill housing is rotatably mounted in the mast base, such that there is maximum contact with the wind.

5. Device as claimed in claims 1-4, characterized in that the condenser and the pipes are included in the mill base.

6. Device according to claims 1-5 », characterized in that the heat reservoir is accommodated at the bottom of the mill base ·

7. Device as claimed in claims 1-7, characterized in that the heat exchanger is coupled to a barrowing device.

8. Device as claimed in claim 7, characterized in that the wheelbarrow has a maximum stroke of 720 ° and has a circuit which reverses this big wind stillness ·

9. Device as claimed in claim 1, characterized in that a generator is present, which big overshoot of an adjustable high speed of the propeller is switched on and connected to the propeller.

9 τ '»«> -7- CONOLUSIONS

Device as claimed in claim 9, characterized in that a circuit is present whereby the speed of the propeller is maintained between instable values. 50

11. Device as claimed in claims 1-9, characterized in that a control circuit is present which causes the device to optionally generate thermal energy or electricity or to set a ratio therebetween. 8103416