NO343302B1

NO343302B1 - Vindkraftverk for kraftproduksjon

Info

Publication number: NO343302B1
Application number: NO20170780A
Authority: NO
Inventors: Christopher Andrew Bisset-Nilsen
Original assignee: Ventum Dynamics As
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2019-01-28
Also published as: EP3635243A4; NO20170780A1; EP3635243A1; EP3635243B1; WO2018208169A1

Description

VINDKRAFTVERK FOR KRAFTPRODUKSJON

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et vindkraftverk. Mer spesifikt vedrører den foreliggende oppfinnelsen et vindkraftverk for kraftproduksjon fra bevegelsesenergi av atmosfæriske luftmasser, hvor vindkraftverket omfatter et symmetrisk turbinhus; en elektrisk generator anordnet i turbinhuset, hvor generatoren har en i det vesentlige vertikalt orientert drivaksel; et flerbladet vindhjul montert i det vesentlige horisontalt på generatorens vertikale drivaksel; en vindmottaker omfattende ringformede føringsflater, hvor føringsflatene er innrettet til å kunne endre retning av luftstrømmen inn mot det flerbladede vindhjulet.

DE 202013011686 beskriver et vindkraftverk for kraftproduksjon i henhold til kjent teknikk. En vindmottaker av den kjente tekniske løsningen er utformet som et symmetrisk skrog. Skroget har en konisk utforming mot toppen og har til formål å endre luftstrømmens retning og lede luftstrømmen mot et turbinblad. Inne i det symmetriske skroget er det montert en elektrisk generator. På toppen av generatorens vertikale drivaksel er det installert et horisontalt flerbladet vindhjul utført i form av en aksialturbin. Over vindhjulet er det montert en skiveformet deflektor. Deflektorens diameter er større enn diameteren på turbinen. Den skiveformede deflektoren er videre forsynt med solceller som omdanner solenergi til elektrisk energi.

En av ulempene med den kjente tekniske løsningen er at det dannes betydelige virvelstrømmer foran turbinhjulet som oppstår når luftmassene beveger seg fra bunnen av det symmetriske skroget til dets topp, og det dannes også betydelig virvelstrømmer/turbulens bak vindturbinen. Den turbulente strømningen reduserer vindkraftverkets ytelse og øker den aerodynamiske motstanden i hele konstruksjonen. En annen ulempe med den kjente tekniske løsningen ligger i det faktum at den elektriske generatoren, montert i det symmetriske huset, mangler tilluft som kjøler generatoren. Dette kan føre til overoppheting og skade som påvirker driften og reduserer levetiden av vindkraftverket.

Nettsiden www.aerogreen.info, som anses som nærmeste kjente teknikk, beskriver et annet vindkraftverk for kraftproduksjon hvor turbinhuset er forsynt med flere ringformede føringsflater som har til formål å endre luftstrømmens retning og føre luftstrømmen til turbinbladene montert inne i en ringformet cowling. Turbinen består av to flerbladet vindhjul, et nedre og et øvre. Det nedre turbinhjulet er et vindhjul fastmontert i turbinhuset og har til formål å rette luftstrømmen foran det øvre turbinhjulet. Det øvre turbinhjulet er et løpehjul. Løpehjulet er forbundet med en elektrisk generator, montert inne i turbinhuset, via en vertikal drivaksel.

Den sfæriske utformingen av den kjente tekniske løsningen reduserer uønsket luftmotstand, både ved og bak turbinhuset. Likevel oppstår det virveldannelse på føringsflatene som skaper turbulens før/oppstrøms av turbinbladene, noe som reduserer turbinens totale effektivitet. Nok en ulempe ved denne kjente tekniske løsningen er manglende tilluft og kjøling av den elektriske generatoren montert i det indre symmetriske skroget. Dette øker risikoen for overoppheting og mulig havari av generatoren, noe som videre kan føre til økte driftskostnader av anlegget. En ytterligere ulempe ved den kjente tekniske løsningen er energitap ved bladendene. Tapet skyldes overløp av luftstrømmen fra undersiden til oversiden, oppstrøms til nedstrøms, av det roterende løpehjulet og oppstår mellom den indre siden av cowling og bladendene, noe som reduserer effektiviteten til vindkraftverket.

Dokument US 20140212285 beskriver et vindkraftverk for kraftproduksjon fra bevegelsesenergi, med et symmetrisk turbinhus, en elektrisk generator på vertikalt orientert drivaksel anordnet i turbinhuset, og et flerbladet horisontalt vindhjul på generatorens drivaksel og en vindmottaker omfattende ringformede føringsflater som er innrettet til å kunne endre retning av luftstrømmen inn mot vindhjulet. En ulempe med den kjente tekniske løsningen er mangelen på tilluft og kjøling av den elektriske generatoren.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en vindturbin som sikrer betydelig høy ytelsesgrad ved å redusere virveldannelse inne i turbinhuset. I fordelaktige utførelsesformer har oppfinnelsen også til hensikts å redusere tapsfaktor ved bladendene samt å sikre tilstrekkelig varmeavledning fra den elektriske generatoren montert i det symmetriske skroget og dermed øke den generelle levetiden, påliteligheten og autonomien til anlegget.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene.

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt et vindkraftverk for kraftproduksjon fra bevegelsesenergi av atmosfæriske luftmasser, hvor vindkraftverket omfatter:

- et symmetrisk turbinhus utformet med ventilasjonsåpninger som sikrer tilluft av atmosfæriske luftmasser i turbinhuset;

- en elektrisk generator anordnet i turbinhuset, hvor generatoren har en i det vesentlige vertikalt orientert drivaksel;

- et flerbladet vindhjul montert i det vesentlige horisontalt på generatorens vertikale drivaksel; og

- en vindmottaker omfattende ringformede føringsflater, hvor føringsflatene er innrettet til å kunne endre retning av luftstrømmen inn mot det flerbladede vindhjulet.

Vindkraftverket er kjennetegnet ved at vindmottakeren omfatter tre eller flere ringformede føringsflater, hvor

hver av føringsflatene har en flyvingeformet profil, hvorved de tre eller flere ringformede føringsflatene tildanner to eller flere kanaler derimellom innrettet til å kunne akselerere en luftstrøm inn mot nevnte flerbladede vindhjul og å redusere turbulensen foran/oppstrøms av vindhjulet.

De tre eller flere ringformede føringsflatene er utformet med en aerodynamisk/flyvingeformet tverrsnittsprofil. Dette gjør at det tildannes to eller flere avlange koniske kanaler som har til formål å endre luftstrømmens retning på en jevn måte og lede denne til turbinbladene. De spaltede kanalene gir en jevn laminær strømning langs overflaten, noe som reduserer turbulensen i strømningen foran turbinbladene og således forbedrer turbinens driftsforhold og øker effektiviteten av vindturbinen.

I én utførelsesform omfatter vindkraftverket nøyaktig tre av ovennevnte føringsflater med aerodynamisk tverrsnittsprofil. Dette vil være tilstrekkelig til å oppnå en akselererende, laminær luftstrøm. Samme effekt vil kunne oppnås ved flere enn tre føringsflater, men da til en øket produksjonskostnad.

Ventilasjonsåpningene vil kunne sørge for kjøling av generatoren. En spesielt gunstig kjøleeffekt kan oppnås dersom turbinhuset er utformet med en jevn fordeling av ventilasjons åpninger langs omkretsen i den nedre delen av vindturbinen, noe som vil kunne sikre en luftgjennomstrømning og kjøling av generatoren uavhengig av vindretning.

For å redusere tap ved turbinens bladender, kan vindkraftverket i en fordelaktig utførelsesform være forsynt med en ringformet cowling anordnet omkring vindhjulet, hvor en indre overflate av den ringformede cowlingen er uformet med et utspring som dekker vindhjulets radielle ytterkant nedstrøms av vindhjulets rotasjonsplan. Dette vil kunne hindre lekkasje av luftstrøm på utsiden av vindhjulet, og dermed redusere tapsfaktoren og øke effektiviteten til vindkraftverket.

For å kunne øke kraftproduksjon, og til og med sikre kraftproduksjon ved fravær av vind, kan de ytre overflatene av vindkraftverket være helt eller delvis dekket med fotovoltaiske elementer (solceller) for omdanning av solstråling til elektrisk energi.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor:

Fig.1 viser et sideriss og et tverrsnitt av vindkraftverket.

Fig.2 viser et sideriss og et skjematisk diagram av luftstrømmens bevegelser rundt vindturbinen.

Fig.3 viser et tverrsnitt og et skjematisk diagram av luftstrømmens bevegelser inne i turbinskroget.

Fig.4 viser det samme som i fig.3, men i større målestokk

Fig.5 viser et tverrsnitt og et skjematisk diagram av luftstrømmens bevegelser gjennom ventilasjonsåpningene ved forskjellige vindretninger.

I det etterfølgende vil henvisningstallet 20 angi et vindkraftverk i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Like henvisningstall angir like eller liknende elementer på figurene. Figurene er vist skjematiske og forenklede og de ulike elementene er ikke nødvendigvis angitt i korrekt målestokk i forhold til hverandre.

Fig.1 viser et vindkraftverk 20 i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Vindkraftverket 20 er vist sett fra siden til venstre i figuren og i snitt til høyre i figuren. Vindkraftverket 20 er vist omfattende et todelt hus 16, hvor en øvre del av huset 1, som fungerer som en deflektor, har form av en halvkule. Under husets øvre del, er det plassert en indre deflektor 2 av mindre diameter. Den halvsirkulære, ytre deflektoren 1 har symmetrisk form og er montert til husets nedre del 18 ved hjelp av festeanordninger 3, her vist som gjengebolter. Deflektoren 2 er festet til et vindhjul/turbinhjul 4 som er plassert i en ringformet cowling 5. Under/nedstrøms av vindhjulet 4 er det montert ringformede føringsflater 6. Føringsflaten 6 er utformet med tverrsnitt som en flyvinge, og tre slike føringsflater utgjør tilsammen to spalter, med form av avlange koniske kanaler, hvor luftstrømmen ledes inn og akselereres inn mot vindhjulet 4. Den ringformede føringsflaten 6 er montert ved hjelp av montasjeplater/skilleplater 7, som deler føringsflatene 6 og husets nedre del 18 inn i segmenter. Montasjeplatene 7 er orientert vertikalt og sammen med et symmetrisk deksel 8 med konisk form danner disse en ytterligere konisk kanal innrettet til å lede luft opp til vindhjulet 4. Vindhjulet 4 er forbundet med den elektriske generatoren 9 via en vertikal drivaksel 17. Turbinhuset 16 er symmetrisk om en vertikal akse sammenfallende med generatorens 9 drivaksel 17. I den nedre delen av huset 18 er det anordnet ventilasjonsåpninger 10 som har til formål å sikre tilluft til innsiden av det symmetriske dekselet 8 for kjøling av generatoren 9. Generatoren 9 er montert ved hjelp av en festeanordning 11, her bolter, som er festet til undersiden 12 av turbinhusets nedre del 18. Den sfærisk-formede overflaten til undersiden 12 av huset fungerer også som en deflektor og har til formål å gi en jevn avledning av luftstrømmen fra undersiden av vindturbinen. Deflektoren 12 er i det viste utførelseseksemplet montert på en mast 13 som er forankret i et fundament 14.

Det vil i det etterfølgende vises spesielt til figurene 2-5 der også vindretning er indikert som piler i figurene. I nærvær av vind, uavhengig av dens retning, vil luftmasser trenge inn i kanaler, dannet av dekselet 8 og føringsflatene 6, som endrer retning på luftstrømmen og leder og akselererer denne mot vindhjulet 4. Luftmassen endrer retning fra i det vesentlige horisontal til i det vesentlige vertikal slik det kan sees best på figurene 3 og 4. Vindmottakeren, i form av ringformede føringsflaten 6, er utformet som vingeprofiler. Føringsflatene 6 er anordnet med mellomrom og danner to spaltede kanaler. Luftstrømningen passerer de spaltede kanalene med akselerasjon og endrer retning, i det minste delvis på grunn av Coandaeffekten, slik det vil være kjent for en fagmann. Luftstrømmen ledes videre opp mot vindhjulet/turbinhjulet 4, slik det best kan sees i figur 4. Coandaeffekten er allerede en utprøvd, veldokumentert medtrekkingsmetode hvor en primær luftstrømning blir ført over en Coanda-overflate. En beskrivelse av trekkene ved en Coanda-overflate, og effekten av fluidstrømning over en Coanda-overflate, finnes i mange faglige litteraturkilder og artikler.

Turbinbladene i vindhjulet 4 har et aerodynamisk profil der luftstrømmens kinetiske energi omdannes til rotasjonsenergi for vindturbinen. Turbinbladene 4 er fastmontert på en vertikal drivaksling 17 til elektrisk generator 9, som danner den mekaniske rotasjonsenergien om til elektrisk energi.

Etter å ha passert rotasjonsplanet til turbinbladene 4 reduseres det luftstrømmens hastighet. Ifølge en forenkling av Bernoullis likning, som beskriver sammenhengen mellom trykket i og farten til et fluid som strømmer i et rør, vil trykket minke ved økende hastighet. Dermed økes lufttrykket ved den nedre delen av deflektoren 1, oppstrøms av føringsflatene 6, som skyldes minkende hastighet av luftstrømmen og minskes ved den øvre delen av deflektoren 1, nedstrøms av føringsflatene 6, på grunn av økende hastighet av luftstrømmen.

På grunn av denne trykkforskjellen, forflyttes luften fra områder med høyt trykk, dvs. fra undersiden av den skiveformede deflektoren 1, til områder med lavt trykk, dvs. mot den øvre delen av den skiveformede deflektoren 1 der lufttrykket er lavere.

For å redusere overløpstap ved bladendene, er klaringen mellom bladene i vindhjulet 4 og den indre overflaten av cowlingen 5 utført med minimal avstand. Et utspring 51, anordnet på innsiden av den øvre delen av cowlingen 5, nedstrøms av vindhjulets rotasjonsplan, har også til formål å hindre overløp av luftstrømmen og redusere tilsvarende tap, se detalj A i figur 4.

Ventilasjonsåpningene 10 er, jevnt fordelt langs omkretsen i den nedre delen av turbinhuset 8 og sikrer luftgjennomstrømning og kjøling av den elektriske generatoren 9 med utløpt gjennom vindhjulet, se detalj B i figur 4, uavhengig av vindretning, se figur 5.

De ytre overflatene av deflektoren 1 og den ringformede cowlingen 5 er forsynt med fotovoltaiske elementer (solceller) som sikrer kraftproduksjon ved hjelp av solstråling, uavhengig av vindhastighet eller vindforhold.

Dimensjonen til den skiveformede deflektoren 1, som overstiger diameteren til vindturbinen 4, samt tilstedeværelse av den ringformede cowlingen 5, beskytter vindturbinen og sikrer pålitelig drift av kraftanlegget selv under ugunstige værforhold (sludd, hagl, underkjølt regn, etc.).

Det bør bemerkes at alle de ovennevnte utførelsesformene illustrerer oppfinnelsen, men begrenser den ikke, og fagpersoner på området vil kunne utforme mange alternative utførelsesformer uten å avvike fra omfanget av de vedlagte kravene. I kravene skal referansenumre i parentes ikke sees som begrensende.

Bruken av verbet "å omfatte" og dets ulike former ekskluderer ikke tilstedeværelsen av elementer eller trinn som ikke er nevnt i kravene. De ubestemte artiklene "en", "ei" eller "et" foran et element ekskluderer ikke tilstedeværelsen av flere slike elementer.

Det faktumet at enkelte trekk er anført i innbyrdes forskjellige avhengige krav, indikerer ikke at en kombinasjon av disse trekkene ikke med fordel kan brukes.

Claims

Patentkrav

1. Vindkraftverk (20) for kraftproduksjon fra bevegelsesenergi av atmosfæriske luftmasser, hvor vindkraftverket (20) omfatter:

- et symmetrisk turbinhus (16) utformet med ventilasjonsåpninger (10) som sikrer tilluft av atmosfæriske luftmasser i turbinhuset (16);

- en elektrisk generator (9) anordnet i turbinhuset (16), hvor generatoren (9) har en i det vesentlige vertikalt orientert drivaksel (17);

- et flerbladet vindhjul (4) montert i det vesentlige horisontalt på generatorens (9) vertikale drivaksel (17); og

- en vindmottaker omfattende ringformede føringsflater (6), hvor føringsflatene (6) er innrettet til å kunne endre retning av luftstrømmen inn mot det flerbladede vindhjulet (4); k a r a k t e r i s e r t v e d at:

- vindmottakeren omfatter tre eller flere ringformede føringsflater, (6) hvor hver av føringsflatene (6) har en flyvingeformet profil hvorved de tre eller flere ringformede føringsflatene tildanner to eller flere kanaler derimellom innrettet til å kunne akselerere en luftstrøm inn mot nevnte flerbladede vindhjul (4) og å redusere turbulensen oppstrøms av vindhjulet (4).

2. Vindkraftverk (20) i henhold til krav 1, hvor ventilasjonsåpningene (10) er jevnt fordelt over en nedre del (18) av turbinhuset (16).

3. Vindkraftverk (20) i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor vindkraftverket (20) omfatter en ringformet cowling (5) anordnet omkring vindhjulet (4), hvor en indre overflate av den ringformede cowlingen (5) er uformet med et utspring (51) som dekker vindhjulets (4) radielle ytterkant nedstrøms av vindhjulets rotasjonsplan.

4. Vindkraftverk (20) i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor de ytre overflatene av vindkraftverket (20) er forsynt fotovoltaiske elementer for omdanning av solstråling til elektrisk kraft.

5. Vindkraftverk (20) i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor vindmottakeren omfatter nøyaktig tre ringformede føringsflater (6).

6. Vindkraftverk (20) i henhold til hvilket som helst av de foregående krav, hvor vindkraftverket (20) er forsynt med en flerhet i det vesentlige vertikalt anordnede skilleplater (7) hvortil føringsflatene (6) er festet, hvor skilleplatene er anbragt med en i det vesentlige lik vinkelavstand mellom hverandre, hvorved skilleplatene inndeler en nedre del (18) av vindkraftverket (20) i segmenter som er i det vesentlige like store.

7. Vindkraftverk (20) i henhold til krav 6, hvor vindkraftverket omfatter 3, 4 ,5 eller 6 av nevnte skilleplater (7).

8. Vindkraftverk (20) i henhold til hvilket som helst av de foregående kravene, hvor en øvre del (1) av turbinhuset (16) er utformet som en halvkule.