NO812544L - Vinddrevet elektrisk stroemgenerator. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår forbedringer ved vinddrevne elektriske generatorer.

I de senere forslag til bærekonstruksjoner for ekstra store multimegawattsystemer inngår uunngåelig bruk av store land- og/ eller sjø-araler. I hovedsystemer i rekke for utnyttelse av vindenergi foreslår eksperter i teorien en minste avstand mellom hver generatorenhet på ti ganger rotordiameteren. For å oppnå maksimal virkningsgrad blir det imidlertid foretrukket at av-standen i praksis foreskrives til ti til tyve ganger rotordiameteren. Ved å benytte de kriterier som skriver seg fra svensk forskning har det vist seg at arealutnyttelsen varierer mellom 25 km<2>til 8,3 km<2>pr. 100 MW for vindturbiner på 1 MW (d = 50 m) til 10 MW (d = 135 m) .

Arealer for en lang rekke vindturbiner må konkurrere med annen utnyttelse av nasjonaløkonomisk betydning, for eksempel jordbruk, skogbruk, fiske, turisme, byggeprosjekter, grubedrift, industriell ekspansjon og lignende. I lys av slik konkurranse gjør betraktninger angående lov og økonomi for de arealer det gjelder, svært ofte og på andre måter teknisk gjennomførlige vindturbinprosjekter kostnadsmessig meget ufordelaktige, selv om det ikke tas i betraktning den meget lange tid som tapes til samfunnsstudier som gjelder det økonomisk mulige. Problemer med transport av meget tunge konstruksjonsenheter over ulendt terreng med. få eller ingen veier eller uten adkomst med jernbane, utgjør også en god del av uforutsett og.unødvendig kapitalforbruk.

I søkerens irske patentsøknad nr. 315/79 beskrives og kreves beskyttelse for en bærekonstruksjon for en vinddrevet elektrisk generator, omfattende en hovedsakelig horisontal' lastbærende bjelke, som er montert over jordoverflaten og kan oppebære en vind-rotor og -generator, og konstruksjonen er kjennetegnet ved at bjelken er forankret ved hjelp av et stabiliseringsstagsystem, bestående av minst en fleksibel•line som forbinder bjelken til forankringsorganet som ligger på jordoverflaten, og at bjelken og/eller forankringsorganet er bevegelig i en bue i forhold til hverandre, slik at bjelken kan holdes hovedsakelig unna vinden

fra forankringsorganet, idet rotoren vender hovedsakelig.mot vinden, uansett vindretningen. I en utførelse av denne oppfinnelse er den horisontale bjelke som bærer rotoren og generator-en, holdt oppe over jordoverflaten av et fartøy som er lettere .

enn luft, og som for eksempel kan være et heliumfylt luftskip.

Foreliggende oppfinnelse angår helheten mellom den horisontale rotorbjelke og dens bærefartøy som er lettere enn luft og for et sammensatt.vindgeneratoromformersystem som kan gi meget høy utgangseffekt. Stor utgangseffekt pr. turbindiameter oppnås ved' å benytte en vindturbin med hjelpemotor.. Ved bruk av en slik hjelpeinnretning kan det oppnås øket utgangseffekt og en reduk-sjon i antallet bæretårn og • forankringssystemer for vindturbinene, og derved reduseres kostnadene pr. kw som er installert samt de totale krav til land/sjø-arealer. I en vindturbin med hjelpediffusor er rotoren omsluttet av en divergerende kanal som be-tegnes diffusor og som kan ha formen av en mantel eller radial vinge. Diffusoren bevirker en ekspansjon av turbinavløpsstrømmen, og dette resulterer i lavt trykk ved turbinutløpet, som igjen fører til en større gjennomløpende luftmengde og hastighet gjennom turbinen enn. det som oppnås med vanlig kjente turbiner.

Forskning med hjelpediffusorsystemer er i mange år foretatt i USA. (R.A. Omar, K.M. Foreman og B.L. Gilbert "Undersøkelser av vindturbiner med hjelpediffusorer" ERDA Report COO-2616-2, januar 1977; .B.L. Gilbert og K.N. Foreman "Eksperimentell demonstrasjon av vindturbinprosjekter med hjelpediffusorer",

• Proceedings of 13th Intersociety Energy. Conversion Engineering Conference, San Diego, August 1978, K.M. Foreman, B.L. Gilbert og R.A. Oman "Hjelpediffusorer for vindturbiner" Journal of Solar Energy, Vol 20, nr. 4, april 1978), og i Israel (Ozer Igra, Ben Gurion universitetet i Negev: "Israel.-Arbeide med aero-generatormantler";. 0. Igra og K. Schulgasser "Form og konstruksjon i et prøveanlegg for en vindturbin med mantel" 2. International Symposium on Wind Energy Systems, Amsterdam, oktober 1978) . Utgangseffekten fra systemer med hjelpediffusorer viser en Øket,effektfaktor på 3 til 4 og større, i motsetning til vindturbiner uten slike i en fri luftstrøm og med samme diameter. Til dags dato har alt arbeide med systemer med hjelpediffusorer bare vært utført i laboratoriemålestokk. Konstruksjonen av slike systemer utenfor laboratoriet har imidlertid vist seg å være en meget uøkonomisk energikilde, selv om det er teknisk mulig med rotordiametere på opp til omtrent 9 meter. Dette kostnadsproblem skyldes de meget høye konstruksjonskostnad-er for de grunnbaserte hjelpeinnretninger, som krever sterke

byggematerialer i forhold til størrelsen og utgangseffekten for systemet.

Alle eksperimentelle systemer med hjelpediffusorer som hit-til er bygget opp, har vært enkelte grunnbaserte enheter, dvs. systemer der rotoren er opplagret på et fagverkstårn av stål eller en armert betongplattform, og som dreies ved fundamentet for å tilpasses til den herskende vindretning. Selv om konstruksjoner med hjelpediffusorer på opp til omtrent 9 meter i diameter kan konstrueres for å tåle vindstyrker på opp til 160 km/time, vil lignende konstruksjoner med hjelpediffusorer, som roterer ved fundamentet og har rotorer med en diameter på 30 til 60 meter, ikke være teknisk eller økonomisk mulige, når det tenkes på den nåværende kjente teknikk på området.

Det er et formål med.foreliggende oppfinnelse å overvinne ulempene som medfølger de kjente vindturbinsystemer med hjelpediffusorer,<p>g å tilveiebringe et system som kan drives økonomisk med rotorbladdiametere av størrelsesorden 30 til 60 meter.

En vindturbinksonstruksjon med hjelpediffusor ifølge oppfinnelsen omfatter en aksialt anbrakt, langsløpende, lastbærende bjelke som bærer generator- og rotor-innretningen og danner en langsgående akse som rotoren roterer om, midler for å holde konstruksjonen'flytende i luften, slik at den kan holde seg i luften over jordoverflaten, idet disse midler omfatter en ringformet, gassfylt mantel som er lettere en luft og omgir bjelken samt danner diffusorkanalen som rotoren roterer i, midler for å holde mantelen i et aerodynamisk fast forhold til bjelken, og at stabiliserende stagsystem som forbinder bjelken med et forankringsorgan plassert på jordoverflaten, slik at den luftbårne konstruksjon kan bevege seg i en sirkulær bane rundt forankringsorganet og slik at konstruksjonen kan holdes hovedsakelig medvinds for forankringsorganet, med diffusorinnløpet vendende hovedsakelig mot vinden, uansett vindretningen. Diffusorkanalen har fortrinnsvis en mindre indre diameter ved innløpet enn ved utløpet.

Kanalen har vanligvis en luftinritaksdel oppstrøms for og konver-gerende mot rotorinnretningen . samt en diffusordel nedstrøms for og divergerende bort fra rotorinnretningen mot kanalutløpet. Diffusordelen kan passende ha en konisk form. Diffusormantelen har fortrinnsvis i tverrsnitt en aero.foilform. Bjelken som er anordnet aksialt i kanalen, kan holdes på plass av en rekke til strammende, aksiale stag som forbinder bjelken med diffusormantelen. Selve bjelken kan være innesluttet i et sekundært, gassfylt hylster som bidrar til å bære konstruksjonen oppe.

Vindturbinen ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis forankret ved hjelp av et stabiliseringsstagsystem, slik som beskrevet i irsk patentsøknad nr.. 315/79. Den luftbårne konstruksjon kan i tillegg holdes hovedsakelig stasjonær i en valgt stilling og høyde ved hjelp av et system av drevne horisontale og vertikale rotorer. Rotorene kan for eksempel holde konstruksjonen i en •valgt høyde ved hjelp av en elektronisk høydekontrollinnretning. Ved at bæretårn utelates fullstendig fås med det grunnbaserte spor og utbalanseringslaster, som for eksempel er beskrevet i irsk patentsøknad nr. 315/79, en total frihet til å innrette vindturbinen ifølge foreliggende oppfinnelse. Enda en fordel méd systemet ifølge oppfinnelsen er at konstruksjonen kan plasseres i områder med stor høyde, slik at den maksimale vindenergi kan utnyttes.

Oppfinnelsen skal beskrives mer detaljert med henvisning til de utførelser som er vist på de medfølgende tegninger hvor: Fig..1 og la er et snitt resp. frontriss av en første ut-førelse av en vindgenerator, der rotoren er beregnet for.mildere rotorhastighet og har 3 eller 4 blader. Fig. 2 er et skjematisk frontriss av en annen utførelse' av oppfinnelsen, som.har en flerbladsrotor beregnet for- lav hastighet og stort dreiemoment.

Fig. 3 er et skjematisk frontriss av en tredje utførelse

av oppfinnelsen, som har en tiblad.et rotor beregnet for høy rotorhastighet.

Fig. 4 og 4a er et snitt resp. frontriss av en fjerde ut-førelse som omfatter en rekke faste eller bevegbare statorer i rotorinnretningen. Fig. 5 og 5a er et snitt resp. frontriss av en femte ut-førelse som omfatter en aktre hjelpediffusor. Fig. 6, 6a og 6b viser et sideriss, frontriss resp. en anleggsplan av en sjette utførelse, der tre generatorer er koblet sammen til en flermodulrekke. Fig. 7, 7a og 7b viser et sideriss, frontriss og anleggsplan for en syvende utførelse med fem sammenkoblede generatorer.

Fig. 8 til 8c er sideriss, frontriss resp. anleggsplan for

en åttende utførelse, der eh flermodulrekke er forankret til et

fast tårn.

Fig. 9, 9a og 9b viser et grunnriss, et sideriss resp. frontriss av en flermodulrekke som er anbrakt over vannmasser.. Fig. 9c er et sideriss av en modifikasjon av det system som er vist på fig. 8 til 8c. Fig. 10 til 14a viser detaljer ved et forankringssystem som kan benyttes for den på fig. 6, 1 og 9 viste utførelse. Fig. 15 til 16a, 19 og 19a viser fremgangsmåter for å transportere vindgeneratorer ifølge oppfinnelsen fra monterings-stedet til stedet hvor vindkraftanlegget skal plasseres. Fig. 17 er et sideriss av enhiende utførelse ifølge oppfinnelsen. Fig. 17a og 18 er snitt resp. frontriss i større målestokk av utførelsen ifølge fig. 17. Fig. 20 til 21b viser fremgangsmåter for fabrikasjon og sammenstilling av konstruksjoner ifølge oppfinnelsen. Fig. 22 og 23 er sideriss som viser detaljer ved konstruksjonen av vindturbiner ifølge oppfinnelsen, og

fig. 24 og 25 er grunnriss resp. sideriss av vindturbinan-leggsplaner ifølge oppfinnelsen for å oppnå maksimal vinder i 'høyderetningeh.

Det skal nå vises til fig. 1 og la på tegningene, der en vindturbin med hjelpediffusor omfatter en hovedsakelig horisontal, lastbærende bjelke 1 som på passende måte kan ha form av en fagverksbjelke. Bjelken 1 bærer en generator 7 og en dreibar ring 7a for rotorbladene R , slik. det er beskrevet mer detaljert i irsk patentsøknad nr. 315/79. Rotorbladene R roterer om en lengdeakse som dannes av bjelken 1 og ligger i en kanal som dannes av en ringformet mantel eller hjelpediffusor 3.

Mantelen 3 består av en med gass oppblåsbar ballong som er fremstilt av en fleksibel membran som fortrinnsvis er plastbe-lagt slik det skal beskrives senere. Mantelen, 3 kan omfatte en enkelt ballong eller kan være fremstilt som en rekke ballonger som er fast sammenbundet•eller på annen måte knyttet sammen, slik at det fås en.fullstendig mantel. Membranen som danner mantelen 3 er utformet slik at når den er oppblåst har den i snitt formen av en aerofoil..1 et alternativt arrangement oppnås aerofoil-formen ved hjelp av et indre nettverk av fagverksbjelker (se fig. 1) . Nettverket 8 kan inneholde- en rekke gassfylte poser (ikke vist).

Mantelen 3 har ringform og danner en kanal som rotoren roterer i. Bjelken 1 er anordnet langs lengdeaksen for kanalen. Mantelen 3 er oppebåret av og holdes i et aerodynamisk fast forhold til bjelken 1 ved hjelp av et radialt strammet nett la. Nettet la er vist . mer detaljert på fig.. 23. Som vist på denne figur omfatter nettet en rekke tilstrammende liner som er anordnet i rette vinkler på hverandre på langs og på tvers mellom bæreringer lb og lc, som er anordnet ved motstående ender av bjelken 1. Bæreringene la og lb omgir bjelken 1 som er anordnet langs den sentrale akse for bæreringene, og bæreringene holdes fast i forhold til bjelken 1 ved hjelp av en rekke radiale stag 4 som er tilstrammet mellom bæreringene og de respektive ender på bjelken 1. Bæreringene lb og . lc er fortrinnsvis oppbydg som en krummet fagverksbjelke og kan avstives ytterligere ved hjelp av radiale liner 5.

Bæreringen lb som ligger på vindinntakssiden av vindturbinen som danner innløpet til luftkanalen, har mindre diameter enn bæreringen lc som danner utløpet fra kanalen. De radiale, tvers-løpende liner i. nettet la har varierende omkrets lengde, slik at ved tilstramming av de langsgående.aksiale liner i nettet, får nettet en aerofoilform i det indre av kanalen, som derved får en diffusordel nedstrøms for.rotorinnretningen R^ og som divergerer bort fra rotoren mot utløpet av kanalen.

En alternativ konstruksjon av nettet la er vist på fig..24.

I dette arrangement består maskene i nettet av langsgående liner som er anordnet diagonalt i forhold til hverandre.pa en slik måte at de danner en aerofoilform i kanalens indre. Som i utførelsen på fig. 23 divergerer kanalen.

Det skal på nytt vises, til den på fig.. 1 og la viste ut-førelse, der mantelen 3 er oppblåst med en gass som er lettere enn luft, for eksempel helium, slik at konstruksjonen kan holde seg oppe i luften. I denne utførelse er også bjelken 1,' som ut-gjør hovedbyggeelementet omgitt av en ballong 2, som på lignende måte er oppblåst med helium for å gi konstruksjonen et ekstra løft. Det bær benyttes et så stort oppblåsingstrykk at konstruksjonen kan motstå alle forventede vindkrefter og for å hindre deformering fra hydrofoilformen på mantelen 3 og ballongen 2. Horisontale stabiliseringsfinner 6 kan være montert på bjelken

1, og de strekker .seg sideveis fra ballongen 2. Ytterligere

vertikale og/eller horisontale stabiliseringsfinner 3a kan være festet til en øvre del av mantelen 3, eller det kan være anordnet en type elektrisk dreven helikopterrotor.

Mantelen 3 og ballongen 2 kan være oppbygd som en enkelt-hudet membran, men er fortrinnsvis en dobbelt, eller flerhudet membran for å lette vedlikehold og for å virke bedre mot været mot de ytre flater. Netting eller lignende kan være innarbeidet for å forsterke forhudningene. Som nevnt foran oppebæres den indre flate av mantelen 3 av et nett la, og dette kan være belagt med et glatt for for å sikre en jevn luftstrøm gjennom, kanalen med minimal overflatefriksjon.

Det materiale som benyttes til oppbygning av membranen er fortrinnsvis et vanntett materiale med stor strekkstyrke. Passende stoffer er vanlig handelsvare og- er belagt med slike belegg som "hypolon", polyvinylklorid, silikongummi og lignende. Selve stoffene kan bestå av nylon, dacron, polyester og lignende. Mantelen 3 og ballongen' 2 kan ha indre gassfylte poser som er laget av et lett gassugjennomtrengelig materiale, slik som polytetrafluoretylenark (som er vanlig handelsvare under handels-betegnelsene "Mylar" og "Hostavan") eller lignende.

Fjerning av snø og is oppnås ved installasjon av elektriske, luftoppvarmingsenheter på innsiden av alle gassfylte elementer for å holde overflatetemperaturen på alle ytre membraner over frysepunktet. Flate elektriske oppvarmingsbånd for lave tempera-turer kan alternativt festes til alle flater som er mottagelige for is og snø som kan bygges opp. Opphengingskroker kan være festet til den ytre hud på alle membraner i konstruksjonen for å kunne bære vedlikeholdspersonell som skal reparere eller fore-ta annet vedlikehold på membranflåtene.

I den på fig. 1 og la viste utførelse benyttes det entre-eller fire-bladet rotor R^med stor diameter i forbindelse med en som senterlegeme utformet, aerodynamisk formet ballong 2 med en mildere diameter samt en hjelpediffusor 3 med stort volum og med mildere aksial lengde. Det benyttes diagonalt anordnende stag til å bære opp mantelen 3 i tillegg til stagene 4 og 5.

I denne, utførelse og også i alle de andre heri beskrevne utførelser av oppfinnelsen, kan konstruksjonen gis et ekstra løft ved bruk av heliumfylte, aerodunamisk utformede ballonger 20 som kan festes til toppen av mantelen 3. Horisontale løfte- og/eller•stabiliseringsrotorer 3a kan igjen plasseres på toppen av ballongen 20, eller det kan installeres to rotorer 3a, en på hver side av ballongen 20.

Fig. 2 viser bruk av en. hjelpediffusormantel med en. fler-bladet rotor R2med stor diameter og med stort dreiemoment, mens fig. 3 viser en tobladet rotor for stor hastighet. Rotor-konstruksjonen kan være utformet som beskrevet i irsk patent-søknad nr. 3 3 5/79.

Det skal nå vises til fig. 4 og 4a, og i denne utførelse

er mantelen og kanalen som dannes av denne meget lang. Rotoren omfatter en rekke rotorblader F^som er bevegelige i forhold til statorer S^. Statorene S^ kan være faste statorer eller de kan alternativt være bevegelige om sine akser, slik at stigningen på disse kan endres i forhold til stigningen på rotorbladene. I dette arrangement er ballongen 2 sløyfet og bjelken 1 ér gitt en aerofoilform for å få maksimal effekt fra rotoren. Mantelen 3 har en aksial lengde som i'det minste er lik lengden av bjelken 1, eller den kan være betydelig lengre, slik at det fås en maksimal lufttrykkforskjell over kanalen. Fig. 5 og 5a viser et noe lignende arrangement, unntatt at i denne utførelse er en annen hjelpediffusor 3e tilpasset på le-siden av mantelen 3. I disse utførelser har kanalen, en luftinntaksdel oppstrøms for rotoren, som konvergerer mot rotoren, samt en diffusordel nedstrøms for rotoren, som divergerer bort fra rotoren.

Plasseringen av vindturbinenheter med hjelpediffusorer ifølge oppfinnelsen i valgte høyder over bakken eller sjøoverflaten opprettholdes ved hjelp av et system av oppad strekkmotstands-dyktige forankringsliner 10, 12, 13. Forankringssystemet kan for eksempel være slik som beskrevet i den foran anførte irske patentsøknad nr. 315/79. Forankringslinene er fortrinnsvis lette liner fremstilt av syntetiske plastfilamenter med stor strekkstyrke.. Linene kan passende være fremstilt av belagte polyamidfilamenter (for eksempel av den type som er solgt under handelsbetegnelsen "Kevlar" eller "Parafil"). Forankringssystemet skal beskrives mer detaljert i det følgende.

For å oppnå en utgangseffekt av økonomisk tilfredsstillende betydning- er det ønskelig å benytte en rekke vindturbiner i form av en flermodulrekke. Et slikt arrangement er vist på fig. 6, 6a og 6b. I dette arrangement er tre enheter av den type som for eksempel er vist på fig. 1, •anordnet side ved side ved hjelp av en sideveis forløpende fagverksbjelke (se fig. 16a), som danner et hovedbygg.eelement til å binde sammen vingeenhetene 3b. Fag-verksbjelken ld er forbundet i rette vinkler til bjelken 1 for hver enhet og gir en stiv sidestabilisering av rekken av enheter.

Et passende forankringssystem er også vist på fig. 6, 6a og 6b. I dette arrangement er et skrått hovedstag 10 festet ved den. ene ende til fronten av bjelken 1 og den andre ende av staget 10 er festet til forankringsorganet 9 som er plassert på bakkenivået. Forankringsorganet 9 er festet godt til bakken, for eksempel ved hjelp av dype fundamentpeler, og det kan omfatte en bygning. En sekundær frontforankringsline 12 som forbinder vindturbinen til forankringsorganet 9 kan benyttes i området med meget høye vind-beiastninger. Forankringslinene 10, 12 ér dreibart forbundet med forankringsorganet, slik at vindturbinen eller vindturbinrekken kan bevege seg i en sirkulær bane,'der forankringsorganet 9 ligger i sentrum. Derved sikres det at rotorene kan holdes mot vinden, uansett vindretning.

Vindturbinenhetene er også forankret til bakken ved hjelp av hovedsakelig vertikale forankringsstag 13.. For å muliggjøre en sirkulær bevegelse av enhetene rundt forankringen 9 er forankrings-stagene festet til et stramt sirkulært forankringslinesystem 14 ved hjelp av mobile forbindelsesenheter 17. Forankringsline-systemet 14 er vist mer detaljert på fig. 10 til 14. Linesystemet 14 omfatter en eller flere liner med. stor strekkstyrke, som kan være rustfrie stålliner eller liner av syntetisk plast, festet til toppen av stål forankringsmaster 15 som er anordnet i en sirkel rundt forankringen 9 (se fig.. 13). Detaljer ved forankringsmasten 15 er vist på fig. 10a og 10b. Forankringsmastene 15 er fremstilt av massivt stål eller som fagverk av stål og er anordnet på fun-damenter som tåler store strekk. Den sirkulære line 14 er festet til toppen av. forankringsmastene ved hjelp av en horisontal forbindelsesenhet 14a (se fig. 11 og lia), der det benyttes klemmer 14b på en slik måte at de mobile forbindelsesenheter 17 (se fig.

12) kan bevege seg langs hele lengden av linen 14 uten å komme i

konflikt med mastene 15. Fundamentene 15b for mastene 15 er slik oppbygd at det blir mulig med en liten sidebevegelse av mastene 1.5 (f.eks. i. en slik utstrekning som er vist med prikkede lin jer 15c på fig.,10). Grunnen for dette er at når forankringsline-systernet er oppsatt,, blir linene holdt noe løst på toppen av

mastene 15 som er i den hellende stilling 15c. Forankringsmastene er avstaget ved hjelp av stag 16 som er festet til et fundament 16b for opptak av strekk. Stagene 16 er utstyrt med strekkfisker 16a som strammes til for å bringe mastene 15 til den vertikale stilling, for derved å skape et arbeidsstrekk i linen 14. Fundamentene 15b og 16b er utformet for å kunne oppta den resterende totale løftekraft i systemet.

Den mobile forbindelsesenhet som forbinder forankringslinene 13 til den sirkulære line 14 er vist mer detaljert på fig. 12, 13 og 14a, og omfatter en tung stålplateenhet hvori det er opp- . lagret en rekke øvre hjul eller ruller 17a og nedre ruller 17b. Rullene griper om linen 14<p>g er avpasset for bevegelse langs linen. Forbindelsesenheten 17 drives langs, den sirkulære line 14 ved hjelp av en elektrisk motor 18 via en snekkedrift. Hele rekken av vindturbinenheter kan på denne måte beveges i en sirkulær bane rundt forankringen 9 for å vende rotorene mot vinden. Som vist på fig. 14a kan det benyttes et system med. dobbelte liner 14. Ved hjelp av det sirkulære forankringslinesystem 14 kan vindturbinenhetene plasseres på et hvilket som helst passende sted uavhengig av faktorer som gjelder bakken, og derved økes mulig-hetene for stedsvalg i høy grad. Forankringsmastene 15 kan vari-ere i høyde for å tilpasses til bakkekonturen, slik at linen 14 kan holdes i det vesentlige horisontal.

Det skal nå- vises til fig. 7 og 7a, og disse figurer viser en flermodulsrekke, der vindturbinenhetene er anordnet i to lag i høyden. Sekundære forankringsliner 10a, 10b, 13a og 13b forbinder det nedre lag med det øvre lag og holder det øvre lag stabilt i forhold til det nedre lag. Den totale løftfaktor for de heliumfylte rom i det øvre lag er større enn i det nedre lag, slik at det opprettholdes en konstant vindmotvirkende stramming i de sekundære forankringsliner. Som vist på fig. 7a kan det nedre lag omfatte tre enheter, mens for eksempel det øvre lag har to enheter. Fig. 8, 8a, 8b og 8c viser også et flerlagsystem. I dette arrangement består, foranrkingen '9 av et fagverkstårn 90 avstaget av stag 9a som er forankret til strekkopptagende funda-menter 9b. Flermodulrekken er festet til toppen av tårnet ved hjelp av stive horisontale og lette fagverksbjelker 12a som ved den ene ende er forbundet med bjelken 1 i hver enhet i det nedre lag og ved den andre ende er dreibart forbundet med toppen av tårnet 90. Enhetene i topplaget er på lignende måte dreibart forbundet med tårnet ved hjelp av en rekke lette og hellende fagverksbjelker 10a. Rekkene av enheter kan på denne måte dreies helt rundt tårnet 90 for å rettes inn mot vindretningen W. slik som vist på fig. 8c.

Den på fig. 9, 9a og 9b viste utførelse er en sjøbasert versjon av den foran beskrevne landbaserte versjon. I dette arrangement er forankringslinene 13 forbundet med en kraftig flytende, kraftdrevet enhet 15, mens forankringslinene 10 er dreibart koblet til en sentral forankring 9. Forankringen 9 er godt festet til sjøbunnen ved hjelp av stag 9a som er festet til massive vekter 9b på sjøbunnen. Det flytende anker 15 er forbundet med den faste forankring 9 via en flytende line 15a. Det flytende anker 15 kan festes midlertidig til sjøbunnen ved hjelp av forankringsvekter 15c som er opphengt under det flytende anker 15 via en line 15b. Når det ønskes å dreie flermodulrekken av turbinenheter.om den faste forankring 9, slik at rotorene vender mot vinden, løftes forankringsvektene 15c ombord i det flytende anker ved hjelp av kraftige elektriske vinsjer. Det flytende anker kan da beveges gjennom vannet ved hjelp av elektrisk drevne propeller eller skyv-ere for å drive systemet opp mot vinden.

•En fremgangsmåte for sammenstilling og oppbygging av vindturbinenheter er vist på fig. 20 til og med 21b. Anordningen for oppbygging av enhetene omfatter et fast tårn 22 som er avstøttet. av stag 22a, og plattformen er bevegbar på skinner eller lignende rundt det faste tårn 22. Hvert av tårnene 22, 23 er utstyrt med

et heiseverk. Det første trinn i sammenstillingen er vist på fig. 20, der bjelken 2 med generatorrommet sammenstilles på bakkenivået og løftes opp mellom tårnene. Som vist på fig. 20a er den:sammen-satte bjelke 1 løftet opp til en høyde mellom tårnene som vil

lette sammenstillingen og oppblåsingen av den gassfylte mantel 3. Det skal påpekes at på grunn av den store overflate som dannes

av den oppblåste mantel 3, vil konstruksjonen være utsatt for på-kjenninger og bevegelser ved stor vind ved overflaten, og det er derfor ønskelig at tårnet 23 kan rotere i forhold til tårnet 22 for å vende enheten mot vinden , slik som vist på fig. 20b.

Fig. 21, 21a og 21b viser et lignende arrangement for sammenstilling av konstruksjonen på sjøen eller på en elv eller innsjø. I denne utførelse benyttes det to faste tårn 22, og disse er montert på en flåte eller pram 24 som ved den ene ende er forankret til et anker 24a. Konstruksjonen og sammenstillingen blir for-øvrig som foran beskrevet. Flåten 24 inntar naturlig nok en stilling i vindretningen fra ankeret 24a, slik at konstruksjonen vender mot vinden for å redusere vindbelastningene under sammenstillingen .

En fremgangsmåte for å transportere sammenstilte vindturbinenheter fra sammenstillingsstedet til driftsstedet er vist på fig.

15. I dette arrangement er det opplagret motordrevne propeller

3c på sidevingelementene 3b. Propellene kan benyttes til å fly den luftbårne konstruksjon til driftsstedet, og når turbinrekken er forankret ved hjelp av liner 10, 13, kan propellene og motorene fjernes for å kunne brukes på nytt. Detaljer ved fremgangsmåten for montering av propellene 3c med motorer på vingesammenstill-ingen 3b er vist på fig. 15a til. og med 18a. Det bør på nytt legges merke til at sidevingene 3b bæres av den tversløpende fagverksbjelke 3b, som også tjener til å holde til hverandre støtende enheter i et fast forhold. Som klart vist på fig. 15b har hver vingeenhet fortrinnsvis form av heliumfylte sekker eller poser med aerofoilform og de blir ytterligere avstøttet ved hjelp av stag 3d. Et alternativt transportsystem for de ferdigfremstilte vindturbinenheter er vist på fig. 19 og 19a. I dette arrangement taues de sammenstilte enheter fra byggeplassen ved hjelp av et , kraftdrevet luftskip 20 som enhetene er koblet til ved hjelp av en taueline 21 som er festet til bjelken 1.

En ytterligere utførelse er vist på fig. 9c, der den luftbårne konstruksjon er koblet til et forankringstårn 90 ved hjelp av liner 10 og 10a. I denne utførelse hindres for stort kjedelinje-nedheng i linene ved hjelp av ytterligere heliumfylte ballongér som er festet langs lengden av linene. Videre er konstruksjonen ifølge den utførelse ytterligere forankret ved hjelp av en horisontal bakkeforankringsline 14 slik som tidligere beskrevet, og til denne line 14 er linene 13 festet. Et noe lignende arrangement er vist på fig. 17 og 18, unntatt at i denne utførelse er det tilføyd ytterligere - løft av et hjelpeluftskip 19 som er anordnet over mantelen 3 og.er forankret ved hjelp av liner 10a og 13.

En sentral hovedkontrollenhet for det foran beskrevne system kan være anordnet i en bygning som kan omfatte forankringsorganet 9. Tilførselsrør for luft og helium, elektriske kraftkabler, kontrollkabler og lignende kan være festet til linen 10. Hvis det ønskes kan linen 10 også bære en kabelvogn for betjening og vedlikehold av enhetene (se fig. 9a og 11). Den elektriske kraft fra de luftbårne vindgeneratorer kan alternativt leveres via kabler som er festet til de vertikale liner 13.

Konstruksjonen av enkle eller flere vindturbiner med hjelpediffusorer ifølge oppfinnelsen med stor diameter (30 - 60 meter eller mere) er både teknisk og økonomisk mulig. Tidligere forskning (1900 - 1937) av luftskipskonstruksjon og driftsteknologi viser at utnyttbar netto løftverdier på opp til 100 tonn ble an-tydet som ganske vanlig, mens moderne utforming av og teknologi for luftskip antyder muligheten for utnyttbare løftverdier på

opp til 500 tonn. Innenfor denne ramme med slike veldige lastbærende egenskaper, vil utformingen av og konstruksjonen av luft-bærefartøyer som er lettere enn luft og som krever en løftkapasitet på fra. 20 - 40 tonn være mulig. (For konstruksjonsberegninger kan det gås ut fra at 28300 m^. helium vil gi en total løftverdi på 2.7 tonn) .

Av de storste vindturbiner som opp til idag er konstruert, ligger en tobladet enhet på 2,5 MW med en diameter på 90 meter og på et 60 meter høyt tårn i USA, en tobladet enhet på 3 MW med en diameter på 100 meter og på et 90 meter høyt tårn i Nordtyskland, samt en prosjektert enkeltbladet enhet på 5 MW med en diameter på 145'meter og på et 110 meter høyt tårn i Nordtyskland. En. studie av midlere vindhastighetsprofiler for vinder i en høyde over inn-landsområder på 90 - 120 meter viser imidlertid at bare 50 - 60% av vindhastighetsgradienten (GWS) kan benyttes for kraftproduksjon, mens sjø- og kyst-områder kan utnytte 80-85% GWS i lignende høyder. I innlandsområdet er bare GWS oppnåelig i høyder på fra 390 - 600 meter. Da GWS i disse høyder er det dobbelte av vindhastigheten ved overflaten, vil utgangseffekten fra denne vindøkes med en faktor på 8, dvs. at utgangseffekten er proporsjonal med vindhastigheten i tredje potens. Maksimal utgangseffekt kan derfor bare oppnås i høyder på 390 til 600 meter ved maksimal utnyttelse av vindenergien til en total effektøkning på 24 - 32 ganger effekten fra vindhastigheter ved overflaten. En full utnyttelse av dette maksimale vindénergipotensial oppnås ved hjelp avluft-bårne vindturbiner med hjelpediffusorer som drives i høyder opp til 300 meter over. bakken eller s j øoverf la ten, slik som foran beskrevet.

Claims (9)

1. Vindturbinksonstruksjon med hjelpediffusor omfattende en rotor-innretning og en elektrisk generator, karakterisert ved at konstruksjonen omfatter en aksialt anbrakt, langsgående, lastbærende bjelke (1) som bærer rotorinnretningen og den elektriske generator og danner en langsgående akse som rotoren (R^ ) roterer om, midler for å holde konstruksjonen flytende i luften, slik at den kan holde seg i luften over jordoverflaten, idet disse midler omfatter en ringformet, gassfylt mantel (3) som er lettere enn luft og omgir bjelken (1) samt danner en diffusorkanal som roteren (R^ ) roterer i, midler (la) for å holde mantelen (3) i et aerodynamisk fast forhold til bjelken (1), samt et stabiliserende stagsystem (10, 12, 12) som forbinder bjelken (1) med et forankringsorgan (9) plassert på jordoverflaten, slik at den Luftbårne konstruksjon kan bevege seg i en sirkulær bane-rundt forankringsorganet (9), og slik at konstruksjonen kan holdes hovedsakelig medvinds for forankringsorganet (9) med diffusorinn-løpet vendende hovedsakelig mot vinden, uansett vindretningen.

2. Vindturbinkonstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at diffusorkanalen har en luftinn-løpsdel oppstrøms for rotoren (R^ ) og en diffusordel nedstrøms for rotoren (R^ ), som har konisk form og divergerer bort fra rotoren (R^ ) mot kanalutløpet.

3. Vindturbinkonstruks j^on som angitt i krav 2, karakterisert ved at kanalen har en mindre diameter i luftinnløpsdelen enn ved utløpet..

4. Vindturbinkosntruksjon som angitt i krav 3, karakterisert ved at luftinnløpsdelen i kanalen konvergerer mot rotoren-(R^ ).

5. Vindturbinkonstruksjon som angitt i et hvilket som helst av' kravene 1 til 4, karakterisert ved at mantelen (3) oppebæres og holdes i en aerodynamisk fast stilling i forhold til bjelken (1) ved hjelp av et radialt strammet nett eller en membran (la) som er fastholdt mellom bæreringer (lb, lc) som er montert.ved motstående ender av bjelken (1).

6. Vindturbinkonstruksjon som angitt i et hvilket som helst av. de foranstående krav, karakterisert ved at det stabiliserende stagsystem omfatter et hovedstag (10) som med den ene ende er festet til fronten av bjelken (1) og er med den andre ende dreibart festet til forankringsorganet (9), og at et sekundært, hovedsakelig vertikalt stag (13) forbinder bjelken med et sekundært forankringsorgan (.14) .

7. Vindturbinkonstruksjon som angitt i krav 6, karakterisert ved at det sekundære forankringsorgan omfatter et sirkulært forankringslinesystem (15) som er anordnet i en sirkel, der forankringsorganet (9) ligger ved sentrum, og at det vertikale stag (13) er forbundet med det sirkulære forankringssystem (15) ved hjelp av bevegbare koblingsorganer (27), slik at enden av det vertikale stag (13) kan bevege seg i en sirkulær bane rundt hovedforankringsorganet' (9) .

8. En rekke vindturbiner med hjelpediffusorer som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 7, karakterisert ved at de sammenkoblet for å danne en flermodulrekke og at nevnte rekke er forankret ved hjelp av et stabiliserende stagsystem.

9. En rekke vindturbiner med hjelpediffusorer som angitt i krav 7, karakterisert ved at de er koblet sammen ved hjelp av en sideveis forløpende stiv bjelke (ld).