NO323585B1 - Turbin som drives med strommende medium - Google Patents

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen angår en turbin med regulerbare foiler, som drives med et strømmende medium, og en fremgangsmåte for produksjon av elektrisk energi ved anvendelse av turbinen.

Kjent teknikk

Det har i alle år vært søkt å utnytte strømmende media, så som strømmende vann og luft, til kraftgenerering. Vanlige vindturbiner med en horisontal rotasjonsakse, utviklet gjennom de siste tiår, er blitt satt i drift i stor målestokk for å generere elektrisk kraft. Disse er beheftet med flere kjente ulemper, så som støy, optiske miljøforstyr-relser, store kostnader under installasjon og produksjon, samt anvendelse begrenset av et snevert vindvindu.

Det er også blitt utviklet turbiner med vertikal akse. Disse har en rekke fordeler, så som mindre støy på grunn av lavere periferihastighet, lavere tårn, kostnadsmessige fordeler under installasjon og forenklet drift fordi de ikke er avhengige av vindret-ningen. Det har vist seg nødvendig å kunne regulere turbinskovlenes eller -vingenes posisjon i forhold til det strømmende mediums styrke og hastighet Det er kjent forskjellige prinsipper for styring av vinger, men ingen som aktivt søker å styre vingefla-tenes stilling.

,Fra XJS 4.052.134 er det kjent en vindkraftturbin med vertikal rotasjonsakse og som har skovler forsynt med en anordning for å føre disse tilbake til en stabil stilling i forhold til turbinens cotasjonsbane.

,£*SQ 302590 «r det beskrevet>en vindturbin med vertikal rotasjonsakse, som er utstyrt med en anordning som søker å fintoindre foilerøs t^n/Jeng til å stille seg parallelt med vm^en» retning.

Fra US 4.168.439 er det kjent en meget stor vindkraftturbin med et komplisert system med elektriske motorer, gir og instrumentering som har til hensikt å kontrollere meget store vinger, spesielt i forbindelse med start og stopp av konstruksjonen.

I DK 164.294 er det kjent en metode for modifikasjon av en vidturbins vinger, hvor det er arrangert en fleksibel torpedolignende konstruksjon som er ettermontert på vingenes fri ende.

Fra US 2.950.765 og US 2.250.772 er det kjent turbiner med vertikal aksling og kont-rollerbare foiler. Foilene kontrolleres samtidig ved hjelp av en mekanisk innretning som trekker eller skyver foilene i en fast posisjon, styrt ved et forskyvbart eksentrisk montert hjul. Formålet med disse turbinene er til fremdriftsmaskineri av båter.

Turbiner for utnyttelse av vannkraft er kjent og anvendes over hele verden. Denar alle som felles kjennetegn at strømmende vann må ledes mot turbinens drivflater in-nen meget snevre toleranser med hensyn til både retning, mengde og hastighet på vannet.

Det er innlysende at den genererte elektriske effekt vil øke med den potensielle energi hos det strømmende medium som treffer turbinskovlene, med andre ord vil større

strømningshastighet gi mer generert energi. Det ville imidlertid være sterkt ønskelig også å kunne utnytte strømningsenergien hos medier som strømmer med lav hastighet til generering av elektrisk energi. Dette problem løses med den foreliggende oppfin-nelse.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Med oppfinnelsen tilveiebringes en turbin drevet av et strømmende medium for generering av elektrisk energi, omfattende et antall foil er med hensiktsmessig lengde,

bredde og tykkelse, og med hydrodynamisk form som spesifisert i standarden NACA. Hver foil er festet med toppen av sin aksling til et roterbart, sirkulæret bære-element som er forbundet med turbinens drivaksel, idet foilenes lengdeakser er i det vesentlige

parallelle med turbinaksen. Hver foil er utstyrt med en motor som kan anvendes til å dreie hver enkelt foil, uavhengig av de andre, om sin aksling slik at foilens største flate danner en ønsket vinkel i forhold tit strømningsretningen for det relativt og absolutt strømmende medium.

Turbinen egner seg til produksjon av elektrisk kraft fra strømmende medium med relativt lav hastighet.

Kort beskrivelse av tegninger

Fig.l er et skjematisk perspektivriss av en fire-foilet, vertikalakslet turbin ifølge opp-rinnelsen. Fig. 2 er et horisontalsnitt som viser et sirkulært bære-element med fire fbiler festet til dette.

Fig. 3 er et verukalsnitt gjennom en foil.

Fig. 4 viser tegninger av forskjellige hydrodynamisk utforminger av foilens fri ende.

Nærmere beskrivelse av oppfinnelsen

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en turbin som muliggjør en optimal utnyttelse av strømningsenergien i et medium som strømmer med lav hastighet i ikke stabil retning.

Med strømmende medium menes her både naturlig strømmende luft og vann.. Strømmende vann omfatter bekker og elver, vann som føres frem til turbinen gjennom rør, i renner og tilsvarende, samt bølger, dønninger og naturlig bevegelse dannet i elver, bekker, innsjøer og hav.

Med foil forstås heren vingeformet profil med to likeformede, krummete, langstrakte ytterflater som er sammenføyet langs en sammenføyningsakse som i foilens fartsretningen er avrundet, mens den i akterkant er avsmalnende mot en mer eller mindre spiss avslutning. Foilene har således hydrodynamisk utformede flater. En rekke utforminger av foiler er detaljert angitt eksempelvis i den vel kjente National Advisory Committee on Aeronautics (NACA).

Flere av de der angitte utforminger av foilen er anvendelige, som et særlig foretrukket eksempel kan nevnes foilen "NACA 63.015".

Hver foil er utstyrt med en langsgående vertikalaksling som er anbrakt eksentrisk langs foilens senterlinje. Dersom turbinen er av en horisontal type, vil akslingen være orientert horisontalt. Turbinen ifølge oppfinnelsen omfatter fra 2 til 10, fortrinnsvis fra 4 tit 8, mer foretrukket 5 foiler som er festet med den øverste ende av akslingen til undersiden av et sirkulæret bære-element slik at foilen blir stående hovedsakelig vertikalt Alle foilene er festet til bære-elementet med lik avstand fra hverandre og hovedsakelig parallelt med, og med lik avstand fra, turbinaksen.

Foilene kan i prinsippet ha hvilken som helst egnet størrelse. Størrelsen vil være avhengig av det strømmende mediums egenvekt og hastighet Således kan foiler for bruk i vann ha en vertikal lengde typisk fra 1 m til 100 m, fortrinnsvis fra 5 m til 20 m, mer foretrukket lOm. Foilenes bredde eller horisontale tverrsnittslengde er typisk fra 0,5 m til 5 m, fortrinnsvis fra 0,5 m til 2 m, mer foretrukket 1 m. Foilens største tykkelse er typisk mellom 0,05m og 1 m, men vil avhenge av valg av foil type.

Foilene kan være tilvirket av ethvert egnet materiale, fortrinnsvis av et metall som aluminium eller stål, eller av polymerkompositter som for eksempel glassfiberarmert umettet polyester (GRP). Veggtykkelsen vil avhenge av konstruksjonsmaterialets styrke og dimensjoneres i henhold til dette.

Med henvisning til figurene, så vises på fig. 1 en turbin som har en vertikal aksel 1

fast forbundet med en rotasjonsakse 2 til hvilken det er festet et bære-element 3. Til undersiden av bære-elementet er det festet et antall turbinfoiler 5. Hver foil 5 har en langsgående aksling 6 som foilen kan dreie rundt Den øverste ende av akslingen er festet til bæreelementet 3. Hver av foilene 5 er forbundet med hver sin roterende motor 8, mer foretrukket en stepmotor. Ved hjelp av motoren 8 kan foilen 5 dreie om

sin lengdeakse 6, som i det vesentlige er parallell med turbinaksen 2, slik at hver foil individuelt kan dreies til ønsket posisjon i forhold til det strømmende medium. Foilens 5 effekt er i stor grad avhengig av den turbulens som blir skapt ved foilens 5 frie ende 9. Oppfinnelsen tar hensyn til denne kunnskap ved å anbringe enten et flatt utformet ende 15, en torpedoformet legeme 10 i størrelsesorden 1 til SO ganger foilen 5 areal, mer foretrukket 2 ganger foilen 5 areal, eller en nøye utformet elliptisk legeme 14, som er formet som 1/2 foilprofil med en størrelse mellom 1 og SO ganger foilens 5 bredde, mer foretrukket samme bredde som foilen S, anbrakt på foilens 5 frie ende 9. Bære-elmentet omfatter en sirkulær plate 3, og foilene S er opplagret i en posisjon nær platens periferi. Under drift vil derved foilene 5 bevege seg langs en sirkelbane 12 om turbinaksen 2. Denne sirkelbane 12 definerer turbinens periferi. I turbinens fundament 4 er det en giranordning med hensiktsmessig utveksling slik at det oppnås ønsket rotasjonshastighet t en elektrisk generator 7 for generering av elektrisk kraft. Fig. 2 er et tverrsnittrtss av en turbin som med en turbinakse 2 og fire turbinfoiler 5 festet til bære-elmentet 3 omfattende en sirkelformet plate, til hvilken foilene 5 er opplagret nær platens periferi slik at foilene S beveger seg i en sirkelbane 12 om turbinaksen 2. Det er antydet hvordan en motor 8 er anbrakt over foilene 5. Videre er det med piler antydet strømningsretningen for det omgivende medium 11 og turbinens rotasjonsretning 13. Fig. 3 viser et langsgående snitt gjennom foilen 5 langs senterlinjen i foilens bredde. Det er antydet hvordan foilakslingen 6 er bygget inn i foilen S, formen på foilen S in-kludert foilens 5 frie ende 9.

Fig. 4 viser foilen S og alternativt utforminger av foilens 5 frie ende 9.

På fig. 4a viser foilen 5 og en nøye utformet elliptisk legeme 14 utformet som 1/2 av foilens profil.

På fig. 4b vises foilen S og flatt utformet legeme 15. Legeme/platen har form av et parallellogram 15 med diagonal lik foilens 5 senterlinje. Parallellogrammet vil således stikke likt utefor foilen S bredde på begge sider. Tykkelsen på parallellogrammet IS er ikke kritisk, og er derfor ikke indikert.

Få fig. 4c vises foilen S og et torpedoformet legeme 10, som vil stikke utenfor foilen 5 på alle kanter. Det torpedoformede legeme 10 har tidligere ikke vært anbrakt på vertikal monterte foiler 5.

Ifølge oppfinnelsen vil alle foiler 5 være utstyrt med samme type motor S. Motoren kan være en stepmotor, foretrukket en hybrid stepmotor, plate stepmotor eller vanlig stepmotor.

Hver foil 5 er utstyrt med likt styringssystem, slik at man har full kontroll med posi-sjonen for hver enkelt foil 5. Med motoren 8 vil man kunne stille foilene S relative og absolutte angrepsvinkel mot det strømmende medium. Siden foilene 5 under drift beveger seg i en sirkelbane må fbilenes posisjon relativt og absolutt kunne reguleres dynamisk.

Med henvisning til fig. 2 skal vi nå betrakte en rotasjonssyklus for turbinen. Når turbinen er plassert med foilene hovedsakelig vertikalt i et strømmende medium, vil de automatisk dreie seg slik at strømningsmotstanden blir minst mulig, med andre ord blir de stående med sin horisontale lengdeakse i strømningsretningen. For å få tur-binakslingen til å rotere og derved generere energi, blir hver enkelt foil S ved hjelp av sin respektive motor 8 anbrakt på det sirkel formede bære-elementet 3, vil bli dreid til en omtrent relativt og absolutte vinkel mot det strømmende medium. Med motoren 8 blir først foilen dreid slik at foilens sideflater danner en vinkel på mellom 5 0 og 50Det strømmende medium vil derved utøve en kraft mot foilens overflate og bringe turbinen til å rotere. Derved vil foilens overflate få en endret vinkel mot det strømmende medium. Med motoren 8 blir så foilens 5 posisjon regulert til å ligge innenfor området angitt over. Nøyaktigheten av foilens 5 ønskede posisjon er avhengig av motorens 8 evne til å stille i seg og holde korrekt posisjon. Denne regule-ring vil skje tilnærmet kontinuerlig gjennom rotasjonssyklusen. Foilen 5 vil således få et tilnærmet konstant løft gjennom hele foilens S rotasjonssyklusen. Med et slikt styringssystem vil foilene 5 generere kraft gjennom hele rotasjonssyklusen og derved oppnå optimal kraftgenerering i turbinen.

Det foretrekkes at foilen 5 skjærer gjennom det strømmende medium med sin langsgående avrundede kant Med henvisning til fig. 2 og de rotasjons-16 og strømnings-retninger 11 som der er antydet med piler, så vil foilen 5 mest avrundede kant peke i fartsretningen. Foilens 5 posisjon vil være den samme uavhengig av strømmende medium egenskaper.

Siden foilene 5 er dreibare og kan justeres individuelt ved en motor 8, kan turbinen starte og stoppe uavhengig av hastigheten på det flytende medium, og uten å skade turbinen.

Foilens 5 dreibarhet og dets reguleringsprogram, muliggjør en posisjonering av foilene S som kan holde turbinen stille, slik at vedlikehold og reparasjonsarbeider kan ut-føres.

Foilene 5 vil bringe bære-elementet 13 til å rotere med moderat hastighet, typisk i størrelsesorden 5-60 omdreininger per minutt (opm), mer foretrukket 5 -20.. Om-dreiningshastigheten kan reguleres ved å regulere foilens 5 vinkel mot det strømmen-de medium.

Turbinens virkningsgrad er avhengig av foilenes 5 høyde, bredde og overflatens utforming, sammen med det strømmende mediums hastighet. Lavhastighetsfoiler 5 er mer konveks og vil ha større overflate enn høyhastighetsfbiler. Foilens konveks overflater må utformes slik at det oppnås laminær strømning over flatene.

Maksimal effekt fra turbinen oppnås best ved hjelp av å bruke et reguleringspro-gramm, fortrinnsvis et elektronisk program, til å styre foilene til den mest foretrukne posisjon, hvor det tas hensyn til den beste kombinasjon av hastighet og kraft.

Virkningsgraden vil også reduseres når det er turbulens ved foilens 5 fri ende 9.

Turbinens 2 virkningsgrad er uavhengig av det strømmende mediums strømningsret-ning så lenge strømningsretningen er tilnærmet vinkelrett på turbinens hovedaksling 2.

Selv om oppfinnelsen så langt er beskrevet med henvisning til en turbin som står vertikalt i strømmende vann, så kan prinsippet for oppfinnelsen også benyttes for en turbin som står horisontalt, og i et annet strømmende medium, for eksempel luft Generatoren 7 er alltid stasjonær. Ved en utførelsform av turbinen vil den ha rota-sjonsaksen i vertikal stilling. Turbinen kan også ha en utførelsesform med rotasjonsakse i horisontal stilling. Ved anvendelse i vann vil turbinen i dette tilfelle være forankret i et flytelegemet eller fast installert på bunnen. Akslingene fra turbinen kan føres til alle sider av installasjonen. Ved anvendelse i luft vil turbinen være montert på et tårn etler lignende.

Turbinen iflg. oppfinnelsen er egnet for installasjon på flytende eller nedsenkbare elementer forankret til bunn eller landfast forbindelse ved anvendelse i vann. Egnede flytende elementer er brygger, flåter, båter, lektere, rigger, "semi submersibles", "ten-sion legged platforms", eller spesialtilpassede konstruksjoner. Turbinen kan også monteres på faste installasjoner som rigger, jackets, GBS, sub-sea strukturer, utført i metall, GRP eller betong. Disse faste installasjonene kan gjerne vare spesialtilpassede konstruksjoner.

Turbinens utforming gjør at den kan utføres som store eller små enheter. Turbinen kan installeres som en enkeltstående enhet eller flere enheter, i et hensiktsmessig

mønster, for å utnytte det strømmende medium optimalt Dette muliggjør installasjoner som ikke i vesentlig grad generer det ytre miljø. Installasjonene kan utføres uten at det medfører betydelige belastninger på miljøet hverken under anleggs- eller drifts-fasen. Turbinen kan installeres i havet, under havoverflaten, og derved ikke være tit hinder for den vanlige skipsfart eller være til visuell sjenanse. Tilsvarende installa-sjonsmetoder kan gjøres i elver og sjøer.

Claims (10)

1. Turbin drevet av et strømmende medium i form av væske eller gass for generering av elektrisk energi, omfattende et antall foiler (5) med hensiktsmessig lengde, bredde og tykkelse, og med hydrodynamisk form, og hver foil (5) er festet med toppen av sin aksling (6) til et roterbart, sirkulæret bære-element (3) som er forbundet med turbinens drivaksel (2), idet foilenes (S) lengdeakser (6) er i det vesentlige parallelle med turbinaksen (2), KARAKTERISERT VED at hver foil (5) er utstyrt med en stepmotor (8) som kan bringes til å dreie foilen (5), uavhengig av de andre foiler (5), om sin aksling (6) slik at foilens (5) største flate danner en ønsket vinkel i forhold til strømningsretningen for det strømmende medium (11).

2. Turbin ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at stepmotorene (8) er av typen hybrid step-, skivestep- eller ordinær stepmotor.

3. Turbin ifølge krav 1 -2, KARAKTERISERT VED at det på foilens fri ende (9) er festet et plateformet legeme med form som et parallellogram (15), anbrakt i en perpendikulær posisjon i forhold til foilens (5) senterakse.

4. Turbin ifølge krav 1 -2, KARAKTERISERT VED at det på foilens fri ende er festet et torpedofbrmet legeme (10), anbrakt i en perpendikulær posisjon i forhold til foilens (5) senterakse.

5. Turbin ifølge krav 1 -2, KARAKTERISERT VED at foilens fri ende (9) er avrundet med en elliptisk utformet legeme (14)), anbrakt i en perpendikulær posisjon i forhold til foilens (S) senterakse.

6. Turbin ifølge krav 1 -5, KARAKTERISERT VED at stepmotor (8) for individuelt og med individuell kraft styrer foilene (5) kontrollert ved sentral kontrollenhet.

7. Turbin ifølge krav 1 -6, KARAKTERISERT VED at foilene (S) og stepmotorene (8) er montert på en sirkelformet plate.

8. Turbin ifølge krav 1 -7, KARAKTERISERT VED at den roterende aksling står i vertikal posisjon.

9. Turbin ifølge krav 1 -7, KARAKTERISERT VED at den roterende aksling står i horisontal posisjon.

10. Turbin ifølge krav 1-9, KARAKTERISERT VED at det flytende medium er vann.