NO802007L

NO802007L - Anordning for frembringelse av elektrisk energi fra et stroemmende fluid.

Info

Publication number: NO802007L
Application number: NO802007A
Authority: NO
Inventors: Laird B Gogins
Original assignee: Laird B Gogins
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1980-07-03
Publication date: 1981-01-06
Also published as: EP0022635B1; AU6017380A; AU536576B2; EP0022635A1; DE3067934D1; US4302684A; CA1141301A; JPS5614871A

Description

Foreliggende oppfinnelse angår frembringelse av elektrisk energi, og nærmere bestemt slik frembringelse av energi fra vindenergi.

Med den energikrise som de fleste industrialliserte

land i verden står overfor på grunn av den økende knapphet og de hurtig stigende priser på olje og naturgass er det innsett at det må utvikles og utnyttes kilder for frembringelse av elektrisk energi som alter-nativer til olje og naturgass. Det må utvikles og utnyttes slike alternative energikilder som kjernekraft, vannkraft, solenergi og vindenergi.

På grunn av den økende motstand mot utnyttelse av kjernekraft er dette stadig mindre aktuelt som et alternativ til fossile brennstoffer. Vannkraftutnyttelse er be-grenset til geografiske områder med tilstrekkelige vannressurser for å drive slike anlegg, og teknologien med hensyn til utnyttelse av solenergi har ikke kommet langt nok til at det kan fremstilles tilstrekkelige energimengder for å dekke de nåvaérende behov.

I 1972 antok en solenergikomité i the National Science Foundation and the National Aeronautics and Space Administration at det bare i U.S.A. kunne utnyttes en vindeffekt på 100.000 MW. Dette er etthundre ganger så høy effekt som det antas å være behov for i U.S.A.

i 1980.

Forholdet mellom effekt og vindhastighet er at effekten er proposjonal med tredje potens av vindhastigheten. Vindhastigheten øker logaritmisk med høyden, og i et nivå i en høyde på 66 m vil vinden blåse 1,27 ganger så hurtig som i en høyde på 15 m. På grunn av tredje potens-forholdet mellom effekt og vindhastighet vil effekten fra vinden i 66 m høyde være omtrent 2,05 ganger

så stor som effekten i 15 m høyde.

Det har således vært foreslått å forsøke og utnytte

den enorme energi i vinden for å frembringe elektrisk energi. Tidligere forslag for slik utnyttelse av vindenergi har vært konsentrert om varianter av vind-propeller for å oppta vindenergien. Som et eksempel på den senere tids utvikling på dette området kan nevnes den foreslåtte ERDA-NASA-vindturbin, som hår en propell med variabel stigning og omtrent 38 m i diameter , anordnet i et faststående tårn med høyde på 30 m.

Slik den nevnte vindturbin er utformet arbeider den med en konstant omdreiningshastighet som tilsvarer 40 omdreininger pr. minutt i vindhastigheter mellom 10 og 100 km/time, idet turbinbladene er innstilt på minimum stigning i vindhastigheter over 100 km/time. Rotoren, transmisjonen, generatoren og styresystemet for hjelp av ERDA-NASA-vindturbinen er montert på en dreibar plate i toppen av det 30 m høye tårnet. Dreimomentet overføres fra rotoraksélen til den elektriske generator gjennom en girkasse med et oversettingsforhold på 45 : 1.

Den normale ytelse til denne enhet er 100 kW når vindhastigheten er 29 km/time. Denne type vindturbin gir avkall på effektytelse i vindhastigheter større enn 29 km/time, fordi rotoren ved høyere vindhastigheter holdes på 40 omdreininger pr. minutt ved å variere stigningen til rotorbladene, for å holde en konstant effekt på 100 kW. Det gis også avkall på effekt ved vindhastigheter mindre enn 29 km/time ved å forandre generatorbelastningen, for å opprettholde 40 omdreininger pr. minutt for rotoren.

Dessuten er det etter forsøk i vindtunneler foreslått at den minste tillatte avstand mellom naboturbiner av denne type, for å hindre gjensidig påvirkning, skal være ti ganger rotordiameteren. Med en fotordiameter på 38 m blir altså den minste avstand mellom nabo- enheter 380 m. Med en slik avstand og en gjennom-snittlig ytelse på 100 kW for hver enhet trengs det for å produsere 10 0 MW effekt et område på omtrent 230 km<2>.

Det er således klart at for store effektbehov er ERDA-NASA-vindturbinen ikke noen gunstig løsning på grunn av de store landområder som trengs for vindturbinene. Dessuten er kapitalomkostningene ved en slik konstruksjon høye.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å unngå disse ulemper. Dette oppnås ved at en symetrisk vinge,,, som kan ha en lengde på 90 m eller mere, holdes hovedsakelig vertikalt ved hjelp av barduner på en innretning med hjul beregnet til å bevege seg rundt en lukket,

oval. bane. Vingen kan dreies om sin lengdeakse, slik at den kan innstilles for maksimal virkning, i en opti-r mal vinkel i forhold til vindretningen.

Innretningen med hjul omfatter elektriske generatorer koblet til hjulene, for å frembringe elektrisk energi på grunn av rotasjonen av hjulene når vinden som virker mot vingen driver konstruksjonen rundt banen. I henhold til en foretrukket utførelsesform er forbrenningsmotorer, f. eks . dieselmotorer , anordnet på innretningen med hjul, for å drive konstruksjonen i perioder der vindhastigheten ikke er tilstrekkelig til å drive konstruksjonen rundt banen.

Alternativt kan andre systemer anvendes for å lagre overskuddsenergi som frembringes i perioder når vindhasti-heten frembringer mere energi enn det som trengs, for anvendelse av den lagrede energi i andre perioder der vindhastigheten er for lav for å frembringe tilstrekkelig elektrisk energi. Slike systemer for supplerende energilagring kan være elektromekaniske systemer, f.eks. akkumulatorer eller systemer som lagrer hydrogen frembragt ved elektrolyse, systemer for lagring av termisk energi, kinetisk energi, eller f.eks. sving-hjul eller superledende elektromagnetiske systemer eller systemer for potensiell energi, f.eks. for pumping av vann eller komprimering av luft.

De fordeler som oppnås med den foreliggende oppfinnélse er hovedsakelig at vindenergien utnyttes mere effektivt for frembringelse av elektrisk energi, og at kapitalomkostningene er lavere, og dessuten landområdet utnyttes bedre enn tidligere systemer for frembringelse av elektrisk energi ved hjelp av vindkraft med hensyn til energimengde pr. arealenhet.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel under henvisning til de vedføyde tegninger. Fig. 1 viser skjematisk en bane for en anordning i henhold til oppfinnelsen, sett ovenfra, og viser flere anordninger med vinger anbragt på hjulgående bæreinn-retninger. Fig. 2 viser en vinge i henhold til oppfinnelsen anbragt på en innretning med hjul, sett ovenfra.

Fig. 3 viser anordningen i fig. 2 sett fra siden.

Fig. 4 viser anordningen sett i dens horisontale lengde-retning . Fig. 5 viser skjematisk en vinge og hvordan vindkreftene representert ved vektorer virker på vingen. Fig. 1 viser en bane 10, på hvilken er anbragt flere hjulgående innretninger 12 som hver bærer en hovedsakelig vertikal vinge 14. Banen 10 omfatter to parallelle spor 16 og 18 anordnet i oval form, med et par parallelle, relativt lange, rette strekninger 20 og 22 og to halvsirkelformede partier 24 og 26. For å oppnå optimale resultater er de rette strekninger 20 og 22 orientert i rett vinkel med den mest fremherskende vindretning på brukstedet.

Fig. 2-4 viser en vingeanordning 12 som omfatter en bærende innretning 28, og på denne er dreibart lagret en hovedsakelig vertikal, symetrisk vinge 14. Innretningen 28 består av flere konstruksjonselementer av stål (eller av andre materialer) som er innbyrdes sammenføyd for å gi maksimal styrke idet elementene danner et tetraheder. Innretningen 28 omfatter således 4 horisontale elementer 30,32,34 og 36 som danner en kvadratisk, horisontal bunnramme 38. Fra hvert hjørne av bunnrammen 38, ragende oppover og innover,

er anordnet skrå elementer 4 0,42,4 4 og 46, idet hvert åv disse med sin nedre ende er sammenføyd på passende måte med bunnrammen 38 og med sine øvre ender til hverandre, i området 48. Således er hver side av den børende innretning avgrenset av en skråttliggende tre-kant-konstruksjon, idet alle fire sider sammen danner et tetraeder.

En fagverklignende konstruksjon er dannet i hver tre-kant ved hjelp av forbindelsesstaver 50,52 og 54 som er festet på passende måte, og disse er også anordnet i trekantform for å gi maksimal styrke.

Ved hvert hjørne av bunnrammen 38 i den bærende innretning 28 er lagret en hjulanordning 56 som samvirker med skinnedeler 16 og 18 for å motstå krefter som virker nedover, oppover og horisontalt og som anordningen vil utsettes for. Følgelig omfatter hver hjulanordning 56 ett sett på fire øvre hjul 58, ett sett på fire nedre hjiil 60 og ett par horisontalt anordnede hjul 62 som samvirker med skinnekonstruksjonen, slik det skal forklares nærmere i det følgende, for å motvirke alle de krefter som virker på den bærende innretning 28.

Hver skinne 16 og 18 har en utformning som i tverrsnitt omtrent tilsvarer et åpent trapes (se fig. 4), og omfatter en bunn 64 som er festet til underlaget på passende måte, og oppover konvergerende deler 66 og 68 som forløper oppover fra bunnen 64 og ender i øvre, horisontale deler 70,72, slik at det avgrenses en spalt 74 mellom delene 70 og 72.

Den øvre flate på délene 70 og 72 utgjør en bæreflate som de øvre hjul 58 i hver hjulanordning 56 kan rulle langs, og de nedre flater på delene 70 og 72 danner en bæreflate for de nedre hjul 60 i hjulanordningen.

De horisontale hjul 62 for hver hjulanordning ruller mot de indre kanter av de horisontale deler 70 og 72. Med en slik anordning vil det fremgå at de øvre hjul 58 bærer den bærende innretning og motvirker krefter som virker nedover på grunn av vekten av anordningen. De nedre hjul 60 motvirker oppover virkende krefter og holder hjulanordningene på plass på skinnene, og de horisontale hjul 62 vil på grunn av sitt anlegg mot de indre kanter i hver skinne 16 og 18 motvirke horisontale krefter som søker å velte anordningen, og det sikres således at den bærende konstruksjon hele tiden beholder sin stilling på skinnene i forhold til horisontalplanet.

Vingen 14 er lagret for å kunne dreies, på hvilken som helst passende måte, i toppunktet 48 av den bærende innretning 28. Vingen 14, som kan være opptil 90 m lang, har en form som likner vingen til et fly. Bredden av vingen øker"fra nederst til øverst, f.eks. fra 4,5 m - 9 m. Denne plassering av vingen gir maksimal utnyttelse av vingen fordi vindhastigheten øker med høyden. Vingen 14 har et øvre parti 76 og et nedre parti 78. Vingen 14 har således et skille i nærheten av den øvre ende, idet det øvre og nedre parti er opp-lagret slik at de kan dreies hver for seg flere barduner 82 forløper fra omkretsen av salingen 80 til den bærende innretning 28, for å holde vingen 14 i dens opp-reiste stilling. Diameteren til salingen 80 er slik valgt at den er tilstrekkelig stor til at vingen 14 kan dreie uten å komme i kontakt med bardunene 82.

Hver vinge 14 er også utstyrt med en flap 84 som virker på samme måte som flaps på flyvinger, for å bevirke optimal innfallsvinkel for vingen 14 i forhold til vindretningen, for å sikre at vingen 14 er riktig innstilt i forhold til vindretningen og gir maksimal kraft. Dreibart lagret på den øvre ende 86 av vingen 14 er

en vindretningsindikator (værhane) 88 som virker på kjent måte ved .å innstille seg etter vindretningen. Ret-ningsforholdet mellom værhanen 88 og vingen 14 styres ved hjelp av hvilke som helst passende midler slik som en elektrisk motor, et servosystem eller en elektromagnet for å dreie vingen 14 til ønsket innfallsvinkel i forhold til vindretningen som indikeres av værhanen 88.

Under drift vil den fremherskende vind, som blåser i retning av pilen W vist i fig. 1, treffe overflaten av vingen 14, slik det er antydet med pilen W i fig. 5,

å bevirke at vingen og den bærende innretning 28 ruller fremover langs sporet, eller mot høyre slik arrangementet er vist i fig. 2 og 5. Bevegelsen fremover bevirker en tilsynelatende vind, som virker i retningen antydet med pilen AW i fig. 5, mot vingen 14. Vektorsummen av vindene W og AW som virker på vingen 14 er en resultant-kraft som virker i den retning som er antydet med pilen RW i fig. 5, og denne kraft driver vingen på samme måte som luften som passerer over en flyvinge gir et løft for å holde flyet oppe. Værhanen 88 innstiller seg

etter retningen av resultantkraften RW. Nettovirkningen er at vingen 14 og den bærende konstruksjon 28 drives av resultantkraften langs banen, i retning mot høyre i fig. 5.

Når en bestemt av de bærende innretninger 28 er drevet langs hele den rette strekning av banen 20, omstilles vingen 14, og enheten føres rundt det halvsirkelformede parti 26 av banen, slik det skal forklares nærmere i det følgende, inntil enheten kommer til den rette strekning 22 av banen. Vingen dreies da til passende stilling og drives mot venstre, slik anordningene er vist i fig. 1, langs den rette strekning 22.

For å frembringe elektrisk energi fra systemet er det anordnet elektriske trefase generatorer/motorer 90 på hver av de bærende innretninger. Hver generator/motor 90 har sin rotoraksel tilkoblet en hjulanordning 56,

via aksler 92,94og girkasser 96, slik at rotasjonen av hjulakslene roterer akslene 92,9 4 for å drive rotorene i generatorene/motorene 90.

Den elektriske energi som dannes i hver generator/motor 9 0 på grunn av fremdriften av vingen og den bærende innretning langs banen føres til felles skinner 96 montert mellom de parallelle hovedskinner, og energien kan på passende måte overføres til en kraftstasjon og fordeles.

Som nevnt føres hver av de bærende innretninger rundt

de sirkelformede partier 24 og 26 av banen. Dette utføres ved hjelp av passende elektriske styreinnretninger som automatisk omkobler en generator/motor 90 på en bærende konstruksjon som er i ferd med å passere et av de halv-sirkelf ormede partier fra å være generator til å være motor, slik at det forbrukes strøm fra de felles skinner 96 for å drive generatoren/motoren 90 som motor og å drive hjulene via akslene 92 og 94 og girkassen 96, inntil enheten igjen nærmer seg en rett strekning av

banen.

Fordi hver generator/motor 90, i et system med flere anordninger i henhold til oppfinnelsen, er koblet til felles strømskinner 96, vil hver generator/motor drive den tilhørende anordning synkront, med samme hastighet for alle anordninger, slik at det opprettholdes jevn avstand mellom hver enkelt enhet. Imidlertid kan ikke alle enheter være nøyaktig like, på grunn av forskjell-ige faktorer slik som små forskjeller i hjuldimensjoner og andre tolleransevariasjoner, og avstanden mellom enhetene kan derfor forandre seg. Denne avstandfor-andring kan kompenseres for ved at generatoren/motoren i en enhet kan settes ut av funksjon mens den er relativt ubelastet like før den skal omstilles fra å være generator til og være motor eller omvendt.

Som nevnt kan det i perioder når vinden ikke har tilstrekkelig styrke til å drive enhetene rundt banen være nødvendig, for å opprettholde en kontinuerlig effekt, å. frembringe elektrisk energi ved hjelp av supplerende midler. Foruten bruken av systemer for energilagring som er ladet overskuddsenergi i perioder med sterk vind, kan behovet for supplerende energi dekkes ved anvendelse av dieselmotorer på hver bærende konstruksjon 28, idet motorene ved hjelp av passende midler er tilkoblet hjulanordningene 56, for å drive hjulene og således drive enhetene rundt banen. Når dieselmotorer anvendes for å drive enhetene, kan generatorene/motorene 90 fremdeles frembringe elektrisk energi.

Oppfinnelsen er i det foregående beskrevet til bruk

på land ved bruk av vindkraft, men oppfinnelsen kan også anvendes i vann, der drivkraften i tidevannet kan benyttes. Ved slike anvendelser anbringes vingen opp ned i et område med tidevann, på et system av førings-

Claims

skinner som holdes av master. På grunn av at vannet har vesentlig større densitet enn luften kan vingen ha vesentlig kortere lengde, og egner seg utmerket til å drives rundt skinnesystemet på grunn av bevegelsen av vannet forbi vingen. På alle andre måter vil et

slikt vannsystem tilsvare luftsystemet beskrevet oven-for .

Det vil således fremgå at den foreliggende oppfinnelse medfører et billig og effektivt middel for utnyttelse av energi i vind og tidevann for å frembringe elektrisk energi. Initialomkostningene for bygging av et system for frembringelse av elektrisk energi i henhold til den foreliggende oppfinnelse er vesentlig lavere enn konven-sjonelle kraftanlegg, og sammenligningen mellom omkost-ningene blir desto gunstigere fordi drivstoffet, d.v.s.

vindenergi eller vannenergi er gratis.

1. Anordning for frembringelse av elektrisk energi av den kinetiske energi i et strømmende fluid, karakterisert ved en bane som har sin hovedutstrekning (20, 22) på tvers av den fremherskende strømningsretning til fluidet,i det minste en bærende innretning (28) med hjul (58, 60, 62) for bevegelse av den bærende innretning (28) langs banen (10), og en vinge (14) dreibart lagret i hovedsakelig vertikal stilling på den bærende innretning (28) for å kunne dreies til en stilling i forhold til strømningsret-ningen til fluidet slik at det oppnås en optimal inn-fallvinkel i forhold til bevegelsen av fluidet forbi vingen (14), idet den kinetiske energi i fluidet utnyttes for å gi en drivkraft for å drive den bærende konstruksjon langs banen (10), og idet i det minste en generator (90) for elektrisk energi er anordnet på den bærende innretning (28) og koblet til hjulene (58, 60, 62) for produksjon av elektrisk energi.
2. Anordning som angitt i krav 1,

karakterisert ved at flere bærende innretninger (28) og vinger (14) er anordnet for bevegelse langs banen (10).
3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at vingen eller vingene (14) holdes hovedsakelig vertikalt på den bærende innretning (28) ved hjelp av barduner (82) som forløper fra et øvre parti (80) av vingen (14) til den bærende innretning (28).
4. Anordning som angitt i krav 1 - 3,

karakterisert ved at banen (10) og hjulene (58, 60, 62) samvirker for å motstå krefter i sideret- -/ ningen horisontalt og vertikalt som påvirker vingen (14) og den bærende innretning (28) .
5. Anordning som angitt i krav 1 - 4,

kar al.k.t erisert ved at banen (10) omfatter et par skinner (16, 18) anordnet innbyrdes parallelt idet hver skinne (16, 18) omfatter i det minste tre rulleflater for hjulene (58, 60, 62).
6. Anordning som angitt i krav 7,

karakterisert ved at hver skinne (16, 18) har hovedsakelig trapesformet tverrsnitt, omfattende en bunn (64) og oppover og innover ragende deler (66,

68), idet de øvre ender av hver av de således skrådde deler rager horisontalt innover til en kant (70) som befinner seg i avstand fra en tilsvarende kant (72) på den annen del, hvorved rulleflåtene utgjøres av de øvre og nedre overflater av de horisontale deler (70,

72) og en kant av i det minste den ene horisontale del.
7. Anordning som angitt i krav 6,

karakterisert ved at hjulanordningen (58, 60, 62) omfatter flere hjul, idet i det minste ett av hjulene er anordnet for å rulle langs en rulle-flate på hver skinne (16, 18).
8. Anordning som angitt i krav 1 - 7,

karakterisert ved at vingen (14) har et tverrsnitt med et avrundet fremre parti som går jevnt over i et fortykket midtparti og smalner av mot et tynnere bakre parti.
9. Anordning som angitt i krav 8,

karakterisert ved at vingen (14) er konisk oppover fra et tynneste parti .umiddelbart over den bærende innretning (28) til et tykkeste parti i avstand fra den bærende innretning (28).
10. Anordning som angitt i krav 9,

karakterisert ved at vingen (14) har et skille i nærheten av den ende som er lengst borte fra den bærende innretning (28), slik at det er avgrenset et øvre parti (76) og et nedre parti (78) av vingen (14), idet en saling (80) er anordnet mellom det øvre og det nedre parti, hvilke partier (76, 78) er lagret i salingen (80) for innbyrdes dreining.
11. Anordning som angitt i krav 10,

karakterisert ved at bardunene (82) for-løper fra omkretsen av salingen (80) til den bærende innretning (28).
12. Anordning som angitt i krav 1-11, karakterisert ved at en vindretningsindikator (værhane) (88) er dreibart lagret fra den <1> den øvre ende av vingen (14), idet værhanen (88) er beregnet til å dreie i avhengighet av retningen til fluid- strømmen, for å indikere retningen av denne.
13. Anordning som angitt i krav 1-12, karakterisert ved at det er anordnet midler for å dreie vingen (14) til en optimal innfallsvinkel.