NO832289L

NO832289L - Vindkraftanlegg med minst en vinge som er dreibar om en dreieakse.

Info

Publication number: NO832289L
Application number: NO832289A
Authority: NO
Inventors: Guenter Wagner
Original assignee: Oeko Energie Ag
Priority date: 1981-10-26
Filing date: 1983-06-23
Publication date: 1983-06-23
Also published as: RO88449A; DE3234170A1; PL238737A1; AU563109B2; HUT42600A; ES516816A0; AU8904782A; DE3234170C2; GR78396B; PT75732A; BR8207944A; FI832125A0; PL138707B1; ES8307340A1; EP0077914B1; IL66973A; KR840002073A; AR228532A1; SU1301323A3; JPS58501780A

Description

Det er allerede kjent forskjellige utformninger av vindkraftanlegg, hvis vesentlige avvikelser ligger i anord-ningen av dreieaksen.

Ved vindkraftanlegg med horisontale dreieakser er - særlig ved større anlegg - på grunn av tårnets belastning, hvilket opptar gondolen, navet, tannhjulsoverføringen og generatoren, kostbare konstruktive forholdsregler påkrevet, slik at disse vindkraftanlegg i forhold til den avgitte■energi krever en stor investering. Vindkraftanlegg med vertikal dreieakse etter Darrieus-prinsippet - hvor. vingeprofilenes oppdriftskrefter benyttes til omdannelse av den kinetiske energi til rotasjonsenergi - har bare fordelaktig anvendelse ved små ytelser sammenlignet med rotorer med horisontal dreieakse. De krever imidlertid spesielle hjelpeorganer for start, f.eks. en elektromotor eller også en Savonius-rotor. Det er imidlertid ved konstruksjonen betinget for vertikale roterer at. vindfangtverrsnittet i forhold til. vingenes lengde og virkningsgraden er mindre enn for horisontale rotorer. For å oppnå en ytelse som for horisontale rotorer medfører vertikale rotorer en større konstruksjon og dermed økte omkost-ninger .

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å utforme e.t vindkraftanlegg med minst en. vinge som er dreibar om en dreieakse, på en slik måte at ulempene, ved de kjente horisontale og vertikale rotorer med hensyn til in-vesterings forbruket og yteevnen unngås. Vindkraftanlegget skal være pålitelig under drift, ha lang levetid og være fritt for vedlikehold og ha en enkel og ukomplisert konstruksjon ved en høy virkningsgrad.

Ifølge oppfinnelsen løses denne oppgave ved hjelp av de trekk som fremgår av karakteristikken til det etterfølgende krav 1. Ved denne løsning befinner alle tunge maskintekniske elementer, såsom tannhjulsoverføring, nav og generator, seg på bunnen og krever ingen høybygg-forholdsregler. Da både støttevingen og arbeidsvingen' under omløpet kan innta en horisontal stilling, er monteringen, inspeksjonen og reparasjoner vesentlig lettere. I tillegg til dette kan en vinge på rotoren sperres i denne stilling for sikkerhet ved storm.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen beskrives i de vedlagte underkrav. På tegningene er vist ut-førelser av oppfinnelsen, hvilke skål beskrives nærmere i det følgende, idet fig. 1 viser rotoren for et vindkraftanlegg ifølge oppfinnelsen i et skjematisk sideriss, fig. 2 er en videre utformning av en rotor i et skjematisk sideriss, fig. 3a viser en utformning av et flytende vindkraftanlegg 1 skjematisk oppriss, fig. 3b er en annen utformning av et flytende vinkraftanlegg i et sideriss, fig. 4a viser et offshore vindkraftverk dannet av et vindkraftanlegg og 4b et kraftanlegg rent skjematisk, fig. 5a viser en utformning av en vinge for en rotor i et vindkraftanlegg i en adskilt frem-stilling, fig. 5b viser en annen utformning av en vinge i sideriss og i snitt, fig. 6a og 6b viser utformninger av vinger i forskjellige riss, og fig. 7 viser en utformning av rotorens nav i et skjematisk sideriss.

På fig. 1 og 2 er vist to rotorer 1, 2, hvis dreieakse 5 er anordnet i en skrå vinkel i forhold til horisontalen 7. Hver rotor 1, 2 har et nav 8 som er dreibart forbundet med en lagerdel 11. Lagerdelen 11 er anordnet på en antydet bunnplate 12. Rotoren 1 består av to arbeids-. vinger 3, hvis vingefot 9 er forbundet med navet 8. Rotoren 2 har derimot bare en arbeidsvinge 3 som har en tilhørende støttevinge 4. Vingefoten 10 for støttevingen 4 er også forbundet med navet 8. På den frie endeseksjon av støttevingen 4 er anordnet en motvekt 6. Dreieaksen 5 for rotorene 1,2 er anordnet i en vinkel &~på ca. 45° i forhold til horisontalen 7. Vinkelen / b mellom dreieaksen 5 og arbeidsvingen 3 hhv. støttevingen 4 er likeledes ca. 45°.

Lagerflaten 11 kan være festet på et tårn-lignende stativ, slik at rotorene 1, 2 befinner seg i en avstand fra underlaget eller bunnen. Det er imidlertid også mulig å feste lagerstykket på en bunnplate 12 som er anordnet tilnærmet på nullnivået 13. I dette tilfelle kan burinplaten 12 hhv. lagerstykket 11 være forbundet med en innstillingsinnretning som gjør det mulig å dreie rotoren 1, 2 horisontalt i forskjellige retninger. Det er også mulig å forsyne rotorene 1, 2 med en ledeinnretning som betjenes av vinden, hvilken gjør det mulig at rotoren 1, 2 alltid dreier seg i

vindens innstrømningsretning.

Det er også mulig å anordne burinplaten 12 med lagerdelen 11 på et flytelegeme 18. Derved kan det ut-formes et offshore-vindkraftverk.

På fig. 3a og 3b er vist to vindkraftanlegg 33, 34, hvor respektive en rotor 1, 2 er anordnet på

et skipsskrog 15.

Vindkraftanlegget 33 består av en rotor

1 med to arbeidsvinger 3 som ved hjelp av bærekåbler 14 er

forbundet med en koaksialt til dreieaksen 5 på navet 8 anordnet mast 19. Hovedlageret 24 befinner seg i området for navet 8. Navet 8 kan f.eks. være utformet som vist på fig. 7. I dette tilfelle er vingeføttene 9, 10 og masten 19 forenet

i en ring 49. Ringen 49 kan tjene til bremsing eller låsing av rotoren 1, 2. Det er også mulig å la ringen 49 rotere om faststående hjul 58 eller holde den magnetisk svevende. Ringen 49 kan også anvendes som remskive for kraftoverføring. Hvis i dette tilfelle overføringsremmen 50 vris 9 0°, kan drivakselen 51 være anordnet horisontalt. Ringen 49 kan være forbundet med en kjeglestump 52 som med sin frie endeseksjon 53 lagret dreibar i et tapplagér 54. Vindkraftanlegget 34 har en rotor 2 med en arbeidsvinge 3 og en støttevinge 4. Arbeidsvingen 3 og støttevingen 4 er. ved hjelp av bærekåbler 14, 20 forbundet med en mast 19 som likeledes er anordnet koaksial med dreieaksen 5 på navet 8.

Skipsskroget 15 er ved hjelp av ankerkjettinger 17 forankret på vannet og kan derved dreie seg respektive slik at rotoren 1 alltid er rettet ut i vindretningen. Det er også mulig å feste skipsskroget 15 ved hjelp av holdekabler til en i havbunnen innstilt forankring.

Ved ugunstige strømningsforhold kan anker-kjettingene 17 eller bærekablene være festet usymmetrisk til skipsskroget 15 for kompensering av ensidige momenter. Hvis det ved anordning av en rotor 1, 2 på et skipsskrog 15 slik som for vindkraftanleggene 33, 34 skal utjevnes vannstrømninger som f.eks. tidevannstrømmen, er det hensiktsmessig å feste bærekåbler eller kjettinger 56 som er festet til forankringer, peler 57 eller lignende, til midten av skipets lateralpunkt, dvs. tilnærmet på midten av skipet eller til skipets under- side f.eks. på kjølen (fig. 3c). For dessuten å oppfange rotorens 1, 2 dreiemomentkrefter kan festepunktet 55 for bære-wirene eller kjettingene 56 på skipsskroget 15 være forskutt mot styrbord eller babord fra skrogets 15 lengdeakse 59 (fig. 3d) . Vannstrømmene trykker i dette tilfelle med tilnærmet samme kraft mot baug og hekk. Skipsskroget 15 dreier seg da bare om forankringen eller pelen 57, men ikke om seg selv. Når. vindens angrepstyngepunkt for rotoren 1, 2 ligger tilnærmet på midten av. navet 8, kan vinden dreie skipsskroget 15 uavhengig av dettes bevegelse om forankringen eller pelen 57 om seg selv i. vindretningen. For ytterligere stabilisering kan også være anordnet en seilflate på skipsskrogets 15 hekk, slik som f.eks. en mesanmast med seil.

En annen utformning av et vindkraftanlegg 3 0 som offshore vindkraftverk er vist på. fig. 4a. Her er en rotor 1 med en mast 19 anordnet på en pontong.i1 6 i en utformning som for vindkraftanlegget 33. Pontongen 16 er likeledes forankret ved hjelp av ankerkjettinger 17 på en slik måte at rotoren 1 alltid kan rette seg inn i vindens retning. Det er imidlertid også mulig å utforme lagerdelen 11 dreibar ved hjelp av en innstillingsinnretning, slik at ved faststående pontong 16 vil rotoren 1 dreie seg inn i den respektive vind-retning. Pontongen 16. kan være utformet både rettvinklet og sirkelrund eller som en mangekant. Det er også "mulig å forsyne pontongen 16 med siderettede utliggere for derved å øke dens stabilitet.

Ved det på fig. 4b viste vindkraftanlegg 36 er rotoren 1 forsynt med ytterligere avstivningsorganer. Rotoren 1 befinner seg på en pontong 16 som kan være utformet som den ved vindkraftanlegget 35.Arbeidsvingene 3 er forbundet ved hjelp av stive forbindelseselementer 21 som er festet til masten 19. For å muliggjøre en dreibarhet av arbeidsvingene 3 om sin lengdeakse foregår festet av forbindelseselementet 21 på arbeidsvingene 3 ved hjelp av lågere 23. Ved den øvre endeseksjon av masten 19 er anordnet en tverrgående bærer 25 som er innrettet parallell med arbeidsvingenes 3 bevegelsesretning og motvirker tyngdekraften av arbeidsvingene 3. Mellom ende-seksjonene av tverrbæreren 25 og arbeidsvingene 3 er spent opp wirer 26 eller lignende. For dette er det på arbeids vingene 3 i området for deres langsgående tyngepunkter anordnet lågere 22, hvortil wirene 26 kan festes. Det er mulig å feste wirene 26 og forbindelseselementene 21 slik på arbeidsvingene 3 at disse ved torsjon kan tilpasses vind-kreftene og sentrifugalkrefter ved hjelp av en variabel inn-stillingsvinkel. For å betjene wirene 26 og forbindelseselementene 21 kan anvendes ikke nærmere viste innstillingselementer. Disse kan enten være utformet som passive innstillingselementer som fjærer eller lignende eller kan også være utformet som aktive innstillingselementer såsom hydrauliske sylindre, motordrift eller også tvangsstyringer forbundet med masten 19 f.eks. over eksentere. Derved kan vingene 3, 4 innstilles syklisk for tilpasning til de respektive driftsbetin-gelser.

På den frie endeseksjon av den ene arbeidsvinge 3 er anordnet en sekundærrotor 3 2 som kan være forbundet med en energifremstillingsinnretning. Det er i spesielle tilfelle tenkelig at fremstillingen av elektrisk energi foregår over slike sekundære rotorer 32. Det er imidlertid også mulig å anvende en slik sekundærrotor 32 som en starthjelp for rotoren 1. Ved hjelp av en tilsvarende anordning av en sekundærrotor 32 på en av arbeidsvingene 3 er det mulig å utforme en sirkelformet strømningshvirvel som øker virkningsgraden for den annen arbeidsvinge 3. Ved hjelp av den for-bedrede tilstrømning til den annen arbeidsvinge 3 oppnås for-deler med hensyn til energiuttaket på vingefoten 9, 10 særlig ved store spennvidder.

På fig. 5a er vist en mulig utformning av en arbeidsvinge 3 eller støttevinge 4. Denne vinge består av en vingebjelke 37, i hvis indre hulrom 4 0 man kan gå. Hulrommet 40 tjener til opptak av styreelementer og lignende. På bjelken 3 7 er det med innbyrdes avstand festet spanter 38, som forsynes med en kledning 39. Hele vingen er delt opp i forskjellige vingeseksjoner 27 som ved hjelp av ledd 28 er forbundet med hverandre. Om disse ledd 28 er de. enkelte, vinge-seks joner 27 respektive dreibare i forhold til hverandre,

slik at over vingens utstrekning kan innstilles seksjonsvis forskjellige innstillingsvinkler av vingeseksjonene 37. Derved er det mulig å tilpasse optimalt hver vinge til de

respektive strømningsforhold.

På fig. 5b er vist en ytterligere utformning av en arbeidsvinge 3 eller støttevinge 4 i tverrsnitt. Vinge-kjernen dannes ved hjelp av en tregørdelbærer 41. Denne består av en overgørdel 42, en undergørdel 43 og en bakre gørdel 44. Den bakre gørdel 44 befinner seg i området for vingens bakre kant. Overgørdelen 4 2 og undergørdelen 43 er forbundet, ved hjelp av avstivere 47. Mellom overgørdelen 42 hhv. undergørdelen 43 og den bakre gørdel 4 4 er anordnet av- ■ stivere 46. Avstiverne 46, 47 kan være gitterformet, for å øke vridningsstivheten. Tregørdelbæreren 41 er utvendig om-gitt med en kledning 39 av tremateriale, metallplate eller lignende. Det kan imidlertid også på i og for seg kjent måte være anordnet et overtrekk.

For å øke virkningsgraden for en arbeidsvinge 3 kan denne også forsynes med spesielle oppdriftsorganer. Det er også mulig å utforme arbeidsvingen 3 av to enkelte vinger 29, 3 0 som kan være anordnet innbyrdes parallelle eller også forskutt over hverandre eller skrått i forhold.til hverandre. Ved en anordning av de enkelte, vinger 29, 30 over hverandre er det hensiktsmessig å forbinde de enkelte vinger 29, 30. ved hjelp av profilerte forbindelseselementer 31 (fig. 6c).

På fig. 6a og 6b er. vist en' gittermastlignende utformet, vinge på rotoren 1, 2. Den består av. fire enkelte vinger 29, 29a, 30, 30a som er forbundet med hverandre, ved hjelp av. vertikale forbindelseselementer 31 og horisontale forbindelseselementer 48. Forbindelseselementene 31, 48 er fortrinnsvis profilerte og anordnet på en gittermastlignende måte, slik at det er sikret en stor egenstivhet for den av de fire enkelte vinger 29, 29a, 30, 30a dannede, vinger.

Forbindelsene både inne i vingene 3, 4 og forbindelseselementene 31, 48 for gitteranordningen kan foregå ved hjelp av sveising, fastskruing, nagling eller klebing. Det er også mulig å forbinde rørformede gørdler og tverr-avstivere ved hjelp av rørmuffer og med krympeforbindelser. Derved er det også mulig å anvende fjærstål med stor fasthet som ikke kan sveises.

Vingenes vekt kan trekkes inn som kompensering for vindbøyemomentene, idet f.eks., ved en tovinget ut-førelse som rotoren 2 velges vingevekten tilnærmet lik halv-parten av det maksimale vindmoment som kan ventes. Ved en enkeltvinget utførelse som for rotoren 1 blir vingevekten valgt som ca. 1/4 av det vindmoment som kan ventes. Ved rotoren 1 blir støttevingen 4 gjort "kraftløs",dvs. at det ved full belastning utvikles en sentrifugalkraft som er større enn arbeidsvingens 3. Som retningsverdi skal sentri-fugalkraften være ca. 1/4 større enn det maksimale vindmoment som kan ventes. Til strømproduksjon anvendes hensiktsmessig strømgeneratorer som ikke er bundet til et fast omdreiningstall, som f.eks. av synkronmaskiner med rotormatning. Det er også mulig å utforme hovedlageret 24 i navet 8 slik at i området for hovedlageret 24 kan umiddelbart tas' ut elektrisk energi. For dette formål kan det i hovedlageret 24 enten være integrert en tilsvarende utformet elektrisk generator eller også anvendes et magnetsystem som kan sammenlignes med et system med lineær motor.

Generatoren kan. være forbundet parallelt med en utvendig drivanordning som.f.eks. en gassturbin for å sikre fortsatt energilevering ved vindstille. Det er i dette tilfelle mulig å lede gassturbinens avgasser over tilsvarende rørledninger til et dysesystem utformet på rotorens 1, 2 vinger, hvilket system ved avgassenes utløp til atmosfæren setter rotoren 1, 2 i en dreiebevegelse. Derved kan den energi som inneholdes i avgassene dessuten anvendes til frem-bringelse av elektrisk energi ved hjelp av rotoren 1, 2.

Det er også mulig å forbinde rotorene 1, 2 ifølge oppfinnelsen umiddelbart med arbeidsapparater som f.eks. snekketransportører. I dette tilfelle blir vinge-profilen for rotoren 1, 2 utformet symmetrisk for å være uavhengig av vindens tilstrømning. Dessuten kan rotorens 1, 2 omdreiningstall i området for navet overføres over en tann-hjulsdrift eller også direkte til en drivaksel som f.eks.

har en for skipsfremdrift bestemt propeller. Rotoren 1,2. er derfor også egnet f.eks. for sportsbåter eller leketøys-båter for å kunne la disse kjøre mot vinden.

Det foreligger også den mulighet å benytte rotoren 1, 2 ved drift av pumpekraftverk. I dette tilfelle er det til hver rotor 1, 2 innbyrdes parallelt tilkoblet en generator og en vannpumpe. Samtidig er vannturbiner forbundet parallelt med rotorene 1, 2 med generatoren. Rotorene 1, 2 tjener således både til drift av vannpumpene og generatorene, hvilket kan foregå samtidig eller avvekslende. Ved fylt pumpekraftverk kan deretter ved hjelp av vannturbiner frembringes elektrisk energi over generatorene.

Claims

1. Vinddrevet generatoranlegg med minst en vinge dreibar om en dreieakse, karakterisert ved at dreieaksen (5) for rotoren (1, 2) er orientert i en skrå vinkel til horisontalen (7) og navet (8) for opptak av vingefoten (9, 10) med tilhø rende kraftoverføringsorganer er forbundet med et bærende element (12).

2. Generatoranlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at dreieaksen (5) er anordnet i en vinkel ©C på tilnærmet 45° til 55° i forhold til horisontalen (7) og hver vinge (3, 4) på rotoren (1, 2) er anordnet i en vinkel / 3 på tilnærmet 45° til 55° i forhold til dreieaksen (5).

3. Generatoranlegg ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at det bærende element (11) med eller uten en justeringsmekanisme er anordnet på en verti-kalt dreibar måte på en konstruksjon på en bunnplate (12) eller lignende som er anbragt tilnærmet ved null nivå (13) eller på et flytende legeme (12).

4. Generatoranlegg ifølge et av kravene 1 - 3, karakterisert ved at rotoren (2) omfatter en arbeidsvinge (3) og en støttevinge (4) med motvekt (6).

5. Generatoranlegg ifølge krav 4, karakterisert ved at arbeidsvingen (3). og støtte- . vingen (4) er avstivet mot hverandre ved hjelp av avstivningsorganer som har aerodynamisk profil.

6. Generatoranlegg ifølge et av kravene 1 - 5, karakterisert ved at navet (8) er forbundet med en stiv eller dreibar mast (19) som er koaksial til dreieaksen (5) og som er avstivet mot rotorens (1, 2) vinger eller mot underlaget.

7. Generatoranlegg ifølge krav 6, karakterisert ved at en bjelke (25) parallell med bevegelsesretningen for rotorens (1, 2) vinger er konstruert på masten (19), idet wirekabler (26) eller lignende er anordnet mellom bjelken og vingene i nærheten av deres langsgående tyngdepunkter, og wirekablene (26) og/eller forbindende elementer (21) kan betjenes ved hjelp av passive justerings elementer, såsom fjærer, eller virksomme justeringselementer, såsom hydrauliske sylindre, motordrift eller tvungne styre-organer forbundet med masten (19).

8. Generatoranlegg ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at innfallsvinkelen for rotorens (1, 2) vinger er justerbar ved torsjon av vingene eller dreining av vingedelene (27) omkring skjøter (28).

9. Generatoranlegg ifølge et av kravene 1 - 8, karakterisert ved at hver arbeidsvinge (3) omfatter individuelle vinger som er orientert konisk eller parallelt i forhold til hverandre og/eller mellom rotorens (1, 2) vinger og masten (19) er anordnet forbindende elementer konstruert som sekundærvinger og/eller rotorens (1, 2). vinger og sekundærvingene er forbundet med masten (19) og med hverandre på en gitterlignende måte. ved hjelp av bærevingér..

10. Generatoranlegg ifølge et av kravene 1 - 9, karakterisert ved at en sekundær, rotor (32) forbundet med en kraftgeneratorinnretning er anordnet på minst en av rotorene (1,2).

11. Generatoranlegg ifølge et av kravene 1 — 10, karakterisert ved at rotoren (1, 2) er tilkoblet skruen for en skruetransportør og vingene har symmetrisk profil.