NO20110864A1 - System for generering av elektrisk energi gjennom fangst og omforming av fornybar energi - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse angår system for produksjon av elektrisk energi gjennom fangst av fornybar energi og spesielt vindenergi, ved hjelp av installasjoner som er økonomiske fordelaktige, lite omfangsrike og lite synlige i miljøet.

Description

INNLEDNING

Foreliggende oppfinnelse gjelder system for fangst av fornybar energi som naturlig eller kunstig er til stede og utnyttelse av den gjennom elektrisk energi. Oppfinnelsen gjelder særlig metoder for å realisere vindturbiner med små fysiske størrelser og høy effekt.

BAKGRUNN

Vindturbiner er de siste årene blitt en levedyktig teknologi for kommersialiserbar leveranse av elektrisk kraft. Hovedprinsippene for teknologien har ikke endret seg vesentlig siden de første vindturbinene for mer enn hundre år siden.

Noen forsøk har vært gjort på å lage vindturbiner med lignende prinsipper som jetmotorer. Disse forsøkene har ikke vært særlig vellykkede, selv om noen av dem er blitt til kommersielle produkter, men med svært liten utbredelse.

Den langt dominerende teknologien for vindturbiner er to- og trebladet propell koplet til en generator direkte eller via gir.

Denne teknologien gir utførelser og fysiske størrelser som svært ofte i liten grad er forenlig med moderne miljøbetraktninger. Årsaken er at vindfangsten med kjent teknologi krever stort rotasjonsareal for propell vingene og at dette arealet må eleveres høyest mulig for å utnytte det mest mulig laminære vindfeltet som ligger over det mer turbulente og svekkede vindfeltet som er sterkest influert av bakkefriksjon og terreng.

De samme parametre gir også komplisert fabrikasjon av turbiner, store investeringskostnader, store driftskostnader, vanskelige logistikkoperasjoner, samt en hel rekke andre problemer og utfordringer. Ikke minst lider slike turbiner av utsteiling og må stenges av når de kan gi mest energi og raskest nedbetaling av investeringer, nemlig i sterk vind.

Også anlegg for andre typer fornybar energi leder av lignende ulemper og hindringer hvor fysisk størrelse for anleggene alltid er en meget utfordrende faktor, ikke minst økonomisk.

Ser vi på naturen selv, vet vi at meget ofte klarer denne å skape enormt store energimengder over ganske lokale områder uten hjelp av fysiske strukturer som kan tilsvare menneske skapte anlegg slik som vind turbin parker, for eksempel. Å gjenskape eller etterligne kunstig enkelte naturfenomener har alltid vært menneskenes drøm. Dette har vist seg svært vanskelig i praksis. Et eksempel er vannstrøm og bølgekraftverk, som med få unntak har gitt liten energiinnhøstning i forhold til investeringer, dersom energiuttaket i det hele tatt har vært positivt over lengre tid.

Samtidig finnes eksempler på teknikker som etterligner for eksempel meteorologiske fenomener i mindre skala. Et eksempel er svingdører hvor såkalte luftkniver etablerer en barriere mellom varm og kald luft.

FORMÅL

Det er behov for en ny teknologi for vindturbiner som er vesentlig mer miljøvennlig, kan fabrikkeres rimeligere, er rimeligere i drift og gir enklere logistikkoperasjoner.

Videre er det behov for en ny vindturbinteknologi som er vesentlig billigere å bygge ut over store områder. Slik sett trenger ikke teknologien gi særlig høy virkningsgrad isolert sett, fordi lavere investeringer gjør at like mye eller høyere total virkningsgrad over lang tid, som ett år, oppnås gjennom antall og volum og derigjennom å kunne utnytte et større horisontalt areal. Virkningsgrad kan altså betraktes som forholdt mellom effekttimer pr. år og investeringer.

Det følger at et formål med oppfinnelsen er å høste fornybar energi i større høyde over bakken uten å behøve å ha strukturelle installasjoner i tilsvarende høyde.

Videre er det et formål å oppnå så positiv miljøprofil at helt nye områder kan bygges ut med vindturbiner, hvor det i dag er utelukket av miljøhensyn.

Enda et formål er å få en så mekanisk robust teknologi at dagens problemer og utfordringer med kjent vindturbinteknologi overvinnes i en slik grad at helt nye områder kan bygges ut selv med slike forutsetninger. Et formål er også, så langt det er mulig, helt eller delvis å unngå høye, kostbare master for montering av vindturbiner for dermed å redusere strukturenes utstrekning ytterligere, med de positive konsekvenser det kan få. På land, for eksempel på fjelltopper, kan en betydelig reduksjon av synbarheten oppnås med en meget lav høyde for de omfangsrike strukturer. Ti sjøs vil en viss større mastehøyde være nødvendig for å beskytte utstyr mot bølger, salttåke samt å unngår turbulens når det er høy sjø. Tross dette kan totalhøyden for den massive konstruksjonen reduseres i meget betydelig og kostnadsbesparende grad.

OPPFINNELSEN

I motsetning til kjent teknologi bygger oppfinnelsen på at innretninger tilføres energi for å øke eller få i stand innhøstning av fornybar energi over et gitt, horisontalt areal. Videre oppnår oppfinnelsen dette med en meget lav vertikal installasjonshøyde for strukturer. Oppfinnelsen benytter seg av fysikalske mekanismer som vil være ikke synlige. En av oppfinnelsens fordeler er at den i mange sammenhenger vil oppfattes som ikke synlig eller skjemmende. Enkelte utførelser av oppfinnelsen vil av legmann kunne kalles usynlige vindturbiner. Strukturene vil dermed i vesentlig grad synes mindre og skjemme miljøet mindre. Kostnadene for mekaniske konstruksjoner blir vesentlig lavere. En grunn er at kostbare, mekaniske konstruksjoner for suspendering av tunge objekter i stor høyde under ekstreme værforhold unngås.

Hovedprinsippene for oppfinnelsen kan anvendes for flere, ulike fornybare energikilder som vind, vannbølger, vannstrømmer, synlig og usynlig lys.

Innretninger i foreliggende oppfinnelse er innrettet mot utnyttelse av vindenergi. Lignende innretninger vil kunne tenkes for andre energiformer. Mange andre utførelser av oppfinnelsen vil kunne sees av eksperter i de relevante fagene.

Oppfinnelsen bygger på at all energi har en eller annen form for bølgekarakter og dermed adlyder flere eller enkelte av de lover som gjelder for bølgeforplantinger. Matematisk kan oppfinnelsen beskrives med aerodynamiske lover, som er en avart av hydrodynamikk, men også med Maxwells ligninger, hvor særlig diffusjonsleddene er viktige. Heri ligger at oppfinnelsen utnytter avbøyning eller defleksjon av energi i bølgebevegelse. Defleksjon for all bølgeforplantning er knyttet til endringer i mediets impedans, magnetfelt eller tyngdekraft. I luft kan impedansen endre seg av ulike årsaker som endring i tetthet eller endring av rene elektriske egenskaper. Endring av tetthet påvirker mediets impedans for vind, lyd og elektromagnetisk bølgeforplantning. Endring av tetthet brukes for eksempel for å detektere vindskjær i nærheten av høyt instrumenterte og trafikkerte flyplasser. Vindskjær er vind som abrupt endrer retning. Vindskjær og mange andre typiske aerodynamiske og meteorologiske fenomener er ofte hysteresepregede mekanismer og oppstår ved tilførsel av eller indusert fremmed energi. Metoden som brukes for deteksjon av vindskjær er radar med svært høye frekvenser som gir refleksjoner fra tetthetsvariasjoner. På kortere avstander kunne også ultralyd brukes til deteksjon, til og med subsonisk lyd er mulig. På samme måte som vindskjær kan frambringe tetthetsgradienter eller kontraster i luft, kan en tenke seg at induserte tetthetsgradienter kan frambringe vindskjær. Dette er et av prinsippene oppfinnelsen bygger på. Siden vann er et inkomprimibel likvid, ville mekanismene for havbølger og vannstrømmer være noe annerledes, men hovedprinsippene er applikerbare.

Det følger av prinsippene for oppfinnelsen at trykkgradienter ikke trenger stor energitilførsel for at en gradient skal endre retningen for en luftstrøm. Tilsvarende kan en lufttrykksgradient eller barriere også endre retning for enhver type elektromagnetisk energi på grunn av endring i epsilon i trykkgradienten. Et eksempel på kjent teknologi med bruk av luftbarrierer er luftkniver i forbindelse med svingdører eller dørsluser. Utfordringen ligger blant annet i å oppnå en trykkøkning i et mest mulig todimensjonalt plan. Tilvarende må en luftstrøm som skal klare å etablere en barriere over en betydelig utstrekning ha en stor lufthastighet. Typisk vil det være mulig å oppnå 0,6 x lydhastigheten eller høyere. Dette planet eller luftkniven kan så fungere på tilnærmet samme måte som et plan som besto av et fast stoff. Tilsvarende kan oppfinnelsen anvende andre og lignende metoder. Slike kan være vortex kanoner som sveipes for å danne et plan. Siden de aerodynamiske eller pneumatiske tilstandene for avbøyning av luftstrømmer som skal oppnås er hysteresepregede, vil sveipefrekvensen ikke nødvendigvis behøve å være kompliserende høy. Slike plan som nevnt kan brukes for å defleksjon av en vindstrøm. Andre mulige metoder er subsonisk lyd som igjen vil grense til vortex generatorer og lignende, eller ultralyd. Prinsippet kan også sees som en metode for å oppnå venturieeffekt, tilsvarende det som oppstår når vindhastighet øker over terrengforhøyninger. I oppfinnelsen brukes prinsippet for å fangste vindenergi i en vesentlig større høyde over bakke eller havnivå enn den tyngre delen av oppfinnelsens mekaniske innretninger og installasjoner befinner seg i. Videre vil de innretningene som kreves for å skape luftknivfunksjoner være betydelig mindre omfangsrike og lettere enn vindturbinene. De kan dermed eleveres betraktelig uten for kostbare installasjoner eller naturskjemmende konsekvenser.

Prinsippene for oppfinnelsen kan også brukes for å forbedre virkningsgrad og utnyttelse av vindturbiner og andre generatorer for fornybar energi med kjent teknologi. Ikke minst gjelder dette for vindturbiner ved lave vindhastigheter for å senke innkoplingsterskelen.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Figur 1 viser prinsippet (101) for defleksjon av laminær vind (103) i en viss høyde over bakken, hvorved avbøyd vindenergi (105) ledes ned til en vindturbin innretning (106) som står ved enden av defleksjonsflaten (104) og relativt nær bakke eller havnivå (102). Figur 2 viser prinsippet (201) for en utførelse av oppfinnelsen hvor en defleksjonsflate er erstattet med luftkniveffekt (211, 212). Luftknivgenerator (209) mates med installasjonens (201) egen energi (210). Turbinen eller turbinene (206) har også mulighet for å få tilførsel av installasjonen egen energi når det er nødvendig for å etablere hysteresepregede, aerodynamiske effekter for å maksimere effekten fra generator tilhørende turbininnretningen (206). Fig. 3 viser en vindturbin med vanlig utførelse (301) og kjent teknologi, dens horisontale utstrekning og vertikale utstrekning. Fig. 4 viser en utførelse (401) av oppfinnelsen som vindturbin, dens horisontale utstrekning og vertikale utstrekning. Fig. 5 viser en utførelse (501) av oppfinnelsen som vindturbin, sett fra siden, på tvers av vindretningen. Over turbinen (502) befinner seg luftknivinnretning (503) og alternativ mikrobølge radar (504) for overvåking og reguleringssløyfe for vindkniv (506) og avbøyd vind (507, 508). Fig. 6 viser en utførelse (601) av oppfinnelsen hvor flere rekker med mindre turbiner (604, 614) er stablet oppe på hverandre med vindkniv innretning montert øverst (606) og suspendert med en forholdsvis lav mast (606). Fig. 7 viser hvordan i enkelte utførelser (701) av oppfinnelsen en luftkniv, vortex kanon eller lignende innretning (702) kan sveipes (703, 704, 705, 707) i en sektor for å skape en bred luftkniv (706) med høyt trykk og hastighet. Fig. 8 viser hvordan en utførelse (801) av oppfinnelsen for vindturbin anvender flere luftkniver (808, 818, 828), suspendert i ulike høyder over turbinanordningen ved hjelp av mast (810, 811) av moderate dimensjoner. Fig. 9 viser en utførelse (901) av oppfinnelsen for vindturbin med vindkniver (908, 918, 928) i ulike høyder, sett fra siden, hvor turbinanordningen (904) med tilhørende vindknivinnretninger er suspendert med en forholdsvis lav mast (906). Fig. 10 viser en utførelse av oppfinnelsen for vindturbin hvor turbinanordningen (1004) er forsynt med vindkniver rundt i en rektangulær form (1005,1002,1004,1006,1007) for å forme en hornlignende struktur (1010) for vindkniven og for vindfangst.

DETALJERT BESKRIVELSE

Figur 1 viser prinsippet (101) for defleksjon av laminær vind (103) i en viss høyde over bakken, hvorved avbøyd vindenergi (105) ledes ned til en vindturbin innretning (106) som står ved enden av defleksjonsflaten (104) og relativt nær bakke eller havnivå (102). Figur 2 viser prinsippet (201) for en utførelse av oppfinnelsen hvor en defleksjonsflate er erstattet med luftkniveffekt (211, 212). Luftknivgenerator (209) mates med installasjonens (201) egen energi (210). Turbinen eller turbinene (206) har også mulighet for å få tilførsel av installasjonen egen energi når det er nødvendig for å etablere hysteresepregede, aerodynamiske effekter for å maksimere effekten fra generator tilhørende turbininnretningen (206). En slik mulighet er å tilføre elektrisk energi til generatoren som er koplet til turbinakslingen slik at den kan akselereres opp i turtall for å utløse ønsket aerodynamisk eller pneumatisk effekt. Fig. 3 viser en vindturbin med vanlig utførelse (301) og kjent teknologi, dens horisontale utstrekning (302) og vertikale utstrekning (303-307). Figuren antyder også utstrekningen av vindfangstområdet (305). Turbindelen kan rotere (309) 360 grader i henhold til vindretning. Fig. 4 viser en utførelse (401) av oppfinnelsen som vindturbin, dens horisontale utstrekning (402) og vertikale utstrekning (404-409). Vindfangstområdet (405) antydes å strekke seg opp til et nivå flere ganger høyere enn anordningens totalhøyde. Anordningen kan roteres 360 grader (409) og stilles inn mot vindretningen. Selve turbininnretningen kan anta mange former og utgaver. En effektiv metode er å anvende mange, mindre turbiner som stables sammen. Disse kan ha høy rotasjonshastighet som vil øke muligheten for å oppnå hysteresepregede luftstrømtilstander for den vinden som skal fangstes. Hver turbin kan ha flere sett med rotorer, ikke ulikt jet og turbofan motorer. Styrte bypass innretninger kan dermed brukes for å optimalisere effektuttak i forhold til tilgjengelig effekt fra vind. Videre tillater mange turbiner å kople generatorer i serie for å framskaffe høye spenninger direkte uten energiomforming og opptransformering. Fig. 5 viser en utførelse (501) av oppfinnelsen som vindturbin, sett fra siden, på tvers av vindretningen. Over turbinen (502) befinner seg luftknivinnretning (503) og alternativ mikrobølge radar (504) for overvåking og reguleringssløyfe for luftkniv (506) og avbøyd vind (507, 508). Således kan de ulike pådrag i systemet styres ved hjelp av sensor informasjon fra radar (504) og generator (502) for å optimalisere i sann tid fangsten av fornybar energi. Luftknivens angrepsvinkel kan for optimaliseringsformål styres og er helst en del av reguleringssløyfen med radarinformasjonen. I enkelte utførelser av oppfinnelsen kan også angrepsvinkelen til selve turbinanordningen varieres og styres for optimal energifangst. Fig. 6 viser en utførelse (601) av oppfinnelsen hvor flere rekker med mindre turbiner (604, 614) er stablet oppe på hverandre med luftkniv innretning montert øverst (606) og suspendert med en forholdsvis lav mast (606). Selve turbinhjulene og turbinvingene kan utføres på en rekke måter og eksperter på området vil se at andre utførelser av oppfinnelsen er mulig. Også turbiner eller generatorer som er mer optimalisert på bakgrunn av venturie effekt og Bernouillis ligning, er mulige anordninger i oppfinnelsen. Bypass anordninger i turbinene som alternativ til variabel pitch forenkler oppfinnelsens utførelse og holder produksjonsprisen lav. Fig. 7 viser hvordan i enkelte utførelser (701) av oppfinnelsen en luftkniv, vortex kanon eller lignende innretning (702) kan sveipes (703, 704, 705, 707) i en sektor for å skape en bred luftkniv (706) med høyt trykk og hastighet. Siden de aerodynamiske eller pneumatiske tilstandene for avbøyning av luftstrømmer som skal oppnås er hysteresepregede, vil sveipefrekvensen ikke nødvendigvis behøve å være kompliserende høy. Ved å akselerere selve turbinene opp i turtall med egen energi lettes oppgaven med å etablere ønsket vindavbøyning. Fig. 8 viser hvordan en utførelse (801) av oppfinnelsen for vindturbin anvender flere luftkniver (808, 818, 828), suspendert i ulike høyder over turbinanordningen ved hjelp av mast (810, 811) av moderate dimensjoner. I slike utførelser av oppfinnelsen utnyttes at luftkniver i innretningen ikke behøver å ha stort volum eller masse og dermed kan suspenderes i høyden med lave kostnader i forhold til vindturbiner med kjent teknologi som er suspendert i stor høyde. Nevnte forhold gjør også at synligheten av innretningene beholdes liten slik at de fleste miljøkrav kan innfris. Formålet med luftkniver eller tilsvarende anordninger i ulike høydenivå er å øke effektiviteten ved å kompensere for at lufthastighet fra luftkniv avtar med avstand fra luftkniv. Fig. 9 viser en utførelse (901) av oppfinnelsen for vindturbin med vindkniver (908, 918, 928) i ulike høyder, sett fra siden, hvor turbinanordningen (904) med tilhørende vindknivinnretninger er suspendert med en forholdsvis lav mast (906). Figuren viser også at turbinanordningen (904) og de ulike luftknivene (908, 918, 928) kan ha ulike angrepsvinkler som nevnt for figur 8. Fig. 10 viser en utførelse av oppfinnelsen for vindturbin hvor turbinanordningen (1004) er forsynt med vindkniver rundt i for eksempel en rektangulær form (1005, 1002, 1004, 1006, 1007) for å forme en hornlignende struktur (1010) for vindkniv og for vindfangst. Det vil dermed være bedre forhold for å skape venturieeffekter som kan øke utnyttelsen av vindenergien.

Eksperter på ulike områder vil kunne se andre mulig utførelser av de ulike anordninger som inngår i oppfinnelsen.

Claims (11)

1. System for generering av elektrisk energi gjennom fangst og omforming av fornybar energi, karakterisert vedat systemet forbruker energi som anvendes for å etablerere indusert defleksjon av den fornybare energistrømmen i en eller flere retninger for å konsentrere energistrømmen i retning av en anordning for elektrisk effektgenerator og redusere det installasjonsmessige omfanget av systemet, og hvor avbøyning av fornybar energistrøm på grunn av nevnte induserte defleksjon skjer i så stor avstand fra systemets installasjonsmessige strukturer at defleksjonen øker fangsområdet for den fornybare energien i forhold til å ikke ha den induserte defleksjonen.

2. System for fornybar energi i henhold til krav 1, karakterisert vedat nevnte elektriske effektgenerator består av en vindturbin med elektrisk generator.

3. System for fornybar energi i henhold til krav 2, karakterisert vedat nevnte indusert defleksjon skjer ved hjelp av minst en luftkniv i minst ett plan, med minst en valgt vertikal vinkel i forhold til vindretning og med horisontal vinkel i forhold til vindretning, pekende mot vindretning.

4. System for fornybar energi i henhold til krav 2, karakterisert vedat nevnte indusert defleksjon skjer ved hjelp av minst en sveipende luftkniv i minst ett plan, med minst en valgt vertikal vinkel i forhold til vindretning og med horisontal vinkel i forhold til vindretning, pekende mot vindretning.

5. System for fornybar energi i henhold til krav 2, karakterisert vedat nevnte indusert defleksjon skjer ved hjelp av luftkniver i flere plan, for å etablere en visuelt ikke synlig vindtrakt, med minst en Patentkrav, side 1 av 2 valgt vertikal vinkel i forhold til vindretning og med horisontal vinkel i forhold til vindretning, pekende mot vindretning.

6. System for fornybar energi i henhold til krav 2, karakterisert vedat nevnte elektriske effektgenerator med turbin akselereres opp i turtall med tilført, egen energi for å etablere optimalisert tilstand for systemets effektivitet.

7. System for fornybar energi i henhold til krav 1, 3, 4, 5 og 6karakterisert vedat nevnte elektriske effektgenerator består av en vannturbin med elektrisk generator.

8. System for fornybar energi i henhold til krav 7, karakterisert vedat nevnte indusert defleksjon skjer i vann ved hjelp av minst en vann stråle kn i v i minst ett plan, med minst en valgt vertikal vinkel i forhold til energiretning og med horisontal vinkel i forhold til vindretning, pekende mot energiretning.

9. System for fornybar energi i henhold til krav 1, 3, 4 og 5,karakterisert vedat nevnte elektriske effektgenerator består av en elektrisk generator anordning drevet av elektromagnetisk energi som synlig eller usynlig lys.

10. System for fornybar energi i henhold til krav 1, karakterisert vedat indusert defleksjon overvåkes med en sensor som virker etter radar prinsippet, som er rettet mot fangstområdet for den fornybare energistrømmen, og som utgjør en del av en reguleringssløyfe for å optimalisere i sann tid utnyttelsen av den fornybare energien.

11. System for fornybar energi i henhold til krav 1, 3, 4, 5 og 10,karakterisert vedat luftkniv brukes for å optimalisere effektivitet til vindturbin med kjent teknologi.