NL8203019A

NL8203019A - Inrichting voor het omzetten van windenergie in een andere vorm van energie.

Info

Publication number: NL8203019A
Application number: NL8203019A
Authority: NL
Original assignee: Transinvest Bv
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1984-02-16
Also published as: EP0102657A1; US4550259A; JPS5941679A; DK326583D0; DK326583A; AU1725083A

Description

" — * t__1 X Sch/gn/üNolte -1-

Korte aanduiding: Inrichting voor het omzetten van windenergie in een andere vorm van energie

De uitvinding betreft een inrichting voor het omzetten van windenergie in een andere vorm van energie, omvattende een aantal in een matrix gerangschikte, bijbehorende energie-omzetters aandrijvende, met hun assen gelijk gerichte 5 propellers.

Een dergelijke inrichting is bekend. De bekende inrichting omvat een aantal propellers met een straal in de grootte-orde van 7 meter. Het gebruik van dergelijke lange propellerbladen, hetzij voor een enkelvoudige propeller of 10 een aantal in een matrix gerangschikte propellers, brengt een aantal nadelen met zich mee.

Allereerst neem het gewicht van de bladen toe met het produkt van het dwarsdoorsnede-oppervlak en de lengte(straal) d.w.z. grosso modo met de derde macht van de straal. Het 15 grote gewicht van de bekende rotoren brengt een zware mechanische belasting van de dragende constructie met zich mee. Resonantieverschijnselen zijn vaak sterk aanwezig en moeilijk te onderdrukken en kunnen tot metaalmoeheid en breken van constructie-onderdelen aanleiding geven, hetgeen 20 gevaar voor de omgeving met zich meebrengt. Verder is het gevaar niet denkbeeldig dat één of meer propellerbladen afbreekt en met grote snelheid in de omgeving terechtkomt en daar aanleiding kan geven tot schade en gevaar voor daar aanwezige personen.· 25 Bij gebruikelijke systemen is voor aanloop tevens een vaanstandverstelling noodzakelijk, waardoor de constructie van de· bekende systemen gecompliceerd is. Pas bij een windsnelheid van ongeveer 4 m/s wordt een zelf-startende werking verkregen.

8203019 -2- r * *

Voor een goed rendement is een gecompliceerd profiel nodig, hetgeen een nauwkeurige en kostbare vervaardiging noodzakelijk maakt. Voor grotere bladen is de theoretisch vereiste wrong of twist zelfs zodanig groot, dat hij 5 technisch niet kan worden gerealiseerd. Daarom wordt in de praktijk een compromis gekozen met betrekking tot de optimale invalshoek van de wind.

Bekende systemen zijn verder noodzakelijkerwijze voorzien van middelen voor het uit de wind draaien van de 10 propellers teneinde de inrichting tegen te grote windsnelheden te beveiligen.

' Aangezien de bekende grote inrichtingen werken met een geringe hoeksnelheid is het voor aandrijving van bijvoorbeeld een elektrische generator noodzakelijk, gebruik te maken van 15 een het toerental verhogende overbrenging, bijvoorbeeld een tandwielkast. Hierdoor treedt een aanzienlijk verlies van het beschikbare vermogen op, terwijl tevens de overbrenging een potentiële storingsbron is.

De door de dragende constructie, in het algemeen een 20 hoge mast, te dragen massa omvat de propellers, de inrichting of inrichtingen voor het verstellen van de vaanstand, de tandwieloverbrenging en gewoonlijk een mechanische reminrichting voor beveilingsdoeleinden. Het zal duidelijk zijn, dat de totale, door de dragende constructie te 25 ondersteunen massa zeer groot is. Zoals reeds eerder opgemerkt, kan dit technisch een aanzienlijk nadeel betekenen.

Aangezien een groot aantal zware bladen moeilijk verstelbaar zijn, tenzij gebruik wordt gemaakt van zware, 30 gecompliceerde en dure verstelsystemen, zijn de grote propellers altijd slechts van twee of drie bladen voorzien.

Om de gedachte te bepalen, wordt opgemerkt voor grote vermogens bladen met een straal van omstreeks 90 meter zijn voorgesteld.

35 Door de betrekkelijk lage hoeksnelheid vindt een stootsgewijze geluidemissie plaats. Bovendien wordt de dragende mast intermitterend, stootsgewijze belast, terwijl tevens de wieken bij het passeren van de mast een stootsgewijs variërende belasting ondergaan.

8203019 I * Μ ___ % -3-

Gezien de boven summier vermelde compromissen blijkt dat in de praktijk gewoonlijk een maximale vermogenscoëfficiënt (de vermogenscoëfficiënt c is een genormeerd vermogen, dat

F

gerelateerd is aan het rendement van de inrichting) van 5 omstreeks 0,25 gemiddeld over een jaar kan worden gerealiseerd. Deze waarde ligt ver onder de theoretisch en technisch haalbare waarde. Een hogere waarde van bijvoorbeeld 0,5 kan bij de gebruikelijke inrichtingen slechts met zeer kostbare en daardoor economisch niet aantrekkelijke oplossingen worden 10 gerealiseerd.

, De uitvinding stelt zich ten doel een oplossing te bieden voor de bovenbeschreven problemen van de bekende techniek en de daaraan klevende beperkingen op te heffen.

In verband daarmee stelt de uitvinding in het algemeen voor 15 een inrichting van het vermelde type zodanig uit te voeren, dat de bezettingsdichtheid tenminste 0,4 propellers per vierkante meter bedraagt. Met deze maatregel wordt een inrichting verkregen, waarvan de propellers zodanig klein zijn, dat het profiel met grote nauwkeurigheid aan een ideaalprofiel kan 20 voldoen, zonder dat daardoor de produktiekosten al te sterk toenemen. Verder kan het toerental tijdens normaal bedrijf zeer aanzienlijk hoger zijn dan dat van een bekende inrichting, zodat de inrichting slechts een weinig hinderlijk ruisend geluid maakt, waarvan het geluidniveau met de wind-25 kracht samenhangt en stootbelastingen niet meer optreden.

Bij voorkeur is de effectieve specifieke massa van de 3 propellers kleiner dan 2500 kg/m .

Met voordeel kunnen de propellers door gieten zijn vervaardigd, in het bijzonder door spuitgieten van een 30 kunststof bevattend materiaal.

Van een inrichting waarvan de propellers gezamenlijk om een vertikale as draaibaar zijn kan met voordeel de rotatie-richting van het ene halve aantal propellers tegengesteld gericht zijn aan die van het andere halve aantal propellers.

35 Hiermee wordt voorkomen, dat door het gyro-moment van de totale inrichting een zodanig grote ruimtelijke stabiliteit wordt verkregen, dat de inrichting zich moeilijk aan een veranderende windrichting kan aanpassen.

8203013 ί % -4-

Een zeer grote flexibiliteit wordt verkregen door die variant die het kenmerk vertoont dat nabij de achterrand van elk propellerblad tenminste één extra blad is gerangschikt ter verkrijging van een vergrote maximale invalshoek ten 5 opzichte van de lokale windrichting.

Met voordeel kan gebruik worden gemaakt van meetmiddelen voor het meten van de windsnelheid en door die meetmiddelen bestuurde regelmiddelen voor het regelen van de verhouding tussen de tipsnelheid van de 10 propellerbladen en de ongestoorde windsnelheid, d.w.z. de windsnelheid op enige afstand van de aangedreven propellers.

, De uitvinding zal nu worden verduidelijkt aan de hand van de tekening. Hierin tonen:

Pig. 1 een'vooraanzicht van een inrichting volgens de 15 uitvinding;

Fig. 2 een zijaanzicht van de in fig. 1 getoonde inrichting;

Fig. 3 een vooraanzicht van een propeller;

Fig. 4 een zijaanzicht van de in fig. 3 getoonde 20 propeller, die rechtstreeks is gekoppeld met een elektrische generator;

Fig. 5 een vooraanzicht van een propellerblad met één extra blad;

Fig. 6 een aanzicht in langsrichting van het 25 propellerblad volgens fig. 5; en

Fig. 7 een grafische weergave van enkele belangrijke eigenschappen van een inrichting volgens de uitvinding in vergelijking met die volgens de bekende techniek.

Fig. 1 toont een inrichting 1 volgens de uitvinding.

30 Deze omvat een draagpaal 2, waarop een frame 3 is bevestigd dat een aantal elektrische generatoren 4 draagt (zie fig. 2), die worden aangedreven door propellers 5 met elk zes bladen 6.

Het frame 3 wordt door de paal gedragen via een lager 7. 35 Zoals uit fig. 2 blijkt, bevinden de propellers 5 zich achter de rotatieas van het frame 3 op de paal 2, zodat de propellers altijd zichzelf in de wind stellen.

820301a I t ♦ * -5-

Verder zijn ter weerszijden van het propellerveld aan het frame 3 twee anemometers 14, 15 bevestigd. Deze anemometers 14, 15 geven bij ontvangst van dezelfde windsnelheid gelijke signalen af. Indien door onvoorziene omstandigheden de zich 5 zelf in de wind stellende werking van de inrichting niet heeft gefunctioneerd, zal één van beide anemometers door de luwtewerking van de inrichting een geringer toerental verkrijgen en daarmee een geringer signaal afgeven. Het verschil tussen beide signalen kan dienen als regelsignaal 10 voor het door niet-getekende middelen corrigeren van de stand van het frame 3, en/of het op later aan de hand van fig. 7 te beschrijven wijze aanpassen van de snellopendheidscoëfficiënt van de propellers.

Niet getekend zijn middelen voor het koppelen van de 15 generatoren 4 en het afgeven van hun energie aan een gebruikscircuit, al dan niet in combinatie met energieopslagmiddelen, zoals accu's of dergelijke.

Fig. 3 toont een propeller 5. De draairichting is met een pijl 8 aangeduid.

20 Fig. 4 toont een generator 4 met de propeller 5. De figuren 3 en 4 tonen tevens de aanwezigheid van bevestigingselementen 9, 10 voor bevestiging van de generator 4 met de propeller 5 aan het frame 3.

Het dwarsdoorsnedeprofiel van de bladen 6 is aangepast 25 aan een zeker gebied van de tipsnelheidsverhouding, ook wel aangeduid als snellopendheidsverhouding, d.w.z. de verhouding tussen de tipsnelheid van de bladen en de effectieve windsnelheid. Opgemerkt wordt, dat in een zeer eenvoudige en goedkope uitvoeringsvorm gebruik kan worden gemaakt van een 30 in de handel verkrijgbare automobieldynamo met een daaraan voor aandrijving gekoppelde automobielventilator. Het zal evenwel duidelijk zijn, dat door een aërodynamisch goed ontworpen profiel een betere werking wordt verkregen.

De figuren 5 en 6 tonen een propellerblad 11, nabij de 35 achterrand waarvan een extra, relatief klein blad 12 is gerangschikt. Een dergelijke configuratie kan dienen ter vergroting van de maximale invalshoek van de wind.

8203019 . -ψ ,--.

% -β-

Fig. 7 toont een prestatie-grafiek van de inrichting volgens de uitvinding en ter vergelijking die van een bekende inrichting. Langs de vertikale as is de verraogenscoëfficiënt Cp uitgezet. Deze vermogenscoëfficiënt is een genormeerd, 5 d.w.z. dimensieloos gemaakt vermogen. Langs de horizontale as staat de reeds genoemde tipsnelheidsverhouding A uit.

Hiervoor geldt: Λ

10 D

waarin = toerental, uitgedrukt in rad s S R = straal van de propeller, uitgedrukt in m? en 15 U = de windsnelheid, uitgedrukt in ms~^.

De kromme 13 is de prestatie-grafiek van een conventionele inrichting. Zoals opgemerkt, is het ontwerp van de propellerbladen een aërodynamisch compromis: de wrong mag niet te groot zijn. Veelal wordt de tapsheid (het verloop van 20 de koorde) eerste-orde of wel lineair benaderd. De bladen bevinden zich op de wiekas op 1/4 van de koorde. De wiekas beschrijft een rechte lijn, terwijl hij een ruimtelijke kromme dient te beschrijven. Aldus kan de maximale vermogenscoëfficiënt slechts een beperkte waarde bereiken.

25 Bij een zeer kleine tipsnelheidsverhouding A (aanlopen) treedt zelfs een loslating van de windstroming op als gevolg van de maximaal te bereiken liftcoëfficiënt; de stroming volgt het bladprofiel niet.

De kromme 14, de prestatie-grafiek van een inrichting 30 volgens de uitvinding, toont een aanzienlijk verhoogde waarde van de vermogenscoëfficiënt, terwijl in tegenstelling tot de kromme 13 voor geen enkele tipsnelheidsverhouding de vermogenscoëfficiënt negatief wordt.

Teneinde te bereiken dat ook bij sterk uiteenlopende 35 waarden van de windsnelheid de vermogenscoëfficiënt c een ir zo hoog mogelijke waarde bezit, kan een regeling naar rato van de aangeboden windsnelheid plaatsvinden op de generatoren 4. Een dergelijke regeling kan een combinatie zijn van een 8203019 * m *»r , \ -7- toerentalregeling met een vermogensregeling.

De uitvinding beperkt zich niet tot de beschreven uitvoeringsvoorbeelden. Bijvoorbeeld wordt gewezen op de mogelijkheid, één elektrische generator door een aantal 5 propellers te laten aandrijven, bijvoorbeeld door gebruikmaking van een planeetoverbrenging of een drijfriem.

Teneinde de vermogenscoëfficiënt bij gebruikmaking van omzetting van windenergie in mechanische energie zo groot mogelijk te doen zijn, kan bijvoorbeeld gebruik worden 10 gemaakt van een door de anemometers geregeld frictielichaam.

Ook kan een bekende centrifugaalregeling worden toegepast.

Bij een dergelijk. mechanisch systeem kan de overdracht van de energie-omzetters naar de opslag of het verbruiksstation via een warmtebuis (heat-pipe) plaatsvinden.

. > 8203019

Claims

1. Inrichting voor het omzetten van windenergie in een andere vorm van energie, omvattende een aantal in een matrix gerangschikte, bijbehorende energie-omzetters aandrijvende, met hun assen gelijk gerichte propellers, met het kenmerk, 5 dat de bezettingsdichtheid tenminste 0,4 propellers per vierkante meter bedraagt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de effectieve specifieke massa van de propellers kleiner is dan 2500.kg/m^.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarvan de propellers gezamenlijk om een vertikale as draaibaar zijn, * met het kenmerk, dat de rotatierichting van het ene halve aantal propellers tegengesteld gericht is aan die van het andere halve aantal propellers.

4. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat nabij de achterrand van elk propellerblad tenminste één extra blad is gerangschikt ter verkrijging van een vergrote maximale invalshoek ten opzichte van de lokale windrichting.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, gekenmerkt door meetmiddelen voor het meten van de windsnelheid en door die meetmiddelen bestuurde regelmiddelen voor het regelen van de verhouding tussen de tipsnelheid van de propellerbladen en de ongestoorde windsnelheid.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de propellers door gieten zijn vervaardigd.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de propellers door spuitgieten zijn vervaardigd van een kunststof bevattend materiaal.

8. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarvan de propellers gezamenlijk om een vertikale as draaibaar zijn, met het kenmerk, dat het effectieve - «f- ...... Μ -.....II»* aangrijpingspunt van de wind op alle propellers samen zich achter die vertikale as bevindt·:. 8203019