SE468224B - Soldriven vindkraftstation - Google Patents

Description

468 221% 2 Hur man använder naturlig vindkraft för att framkalla en vortex (en tornadoliknande vindström eller virvelvind> för att generera energi beskrivs i viss utsträckning i "Proceedings of the third (and of the fifth> biennial conferences and workshops on wind energy conversion systems" (Washington DC). Hänvisningar till ovanstående ämne finns i kapitlen som handlar om "Tornado-type wind energy systems". Jag hänvisar också till USA-patent nr 4,070,l31 och 4,452,046. I samtliga dessa fall är det làgtryckseffekten (sugeffekten> som finns i vortex~kärnan som används för att driva systemet. Föreliggande uppfinning använder sig av ett annat sätt att lösa problemet.

ALLMÄN INFORMATION OM DEN AKTUEZLA UPPFINNINGEN Denna uppfinning har till viss del inspirerats av vissa turbulenta väderleksförhàllanden, som karakteriseras av virvelvindar (vortex> som alstrar hög-energi. Uppfinningen, i det följande kallad tornet, är ett försök att inom en begränsad luftvolym och under kontrollerade förhållanden reproducera det naturfenomen som är känt under namnet "mesocyklon". Detta fenomen förknippas med en del kraftiga stormar (av 'supercell'-typ) och består av en uppátstigande. roterande varmluftpelare, pà sidorna begränsad av kallare luft. Energin i ett sådant system är enorm trots att basytan kan vara ganska blygsam till storleken (mindre än en kvadratkilometer).

(U 3 468 224 _Uppfinningen har formen av en upp-och-nervänd tratt. Bas- sektionen kan antingen vara cirkelformad (kon-typen) eller polygon (polygon-typen). Inuti detta torn upprätthålls en kontinuerlig, uppatstigande varmluftsström sä länge som tornet bestràlas av solen. Denna luftström skall sedan användas för olika ändamàl (tillsammans eller vart och ett för sig>f 1) För att generera mekanisk och därefter elektrisk kraft med hjälp av ett turbin- och generatorsystem <= en kraftstation>. 2) För att transportera icke önskvärd luft (rök, smog, dimma, etc.) till högre liggande luftlager i atmosfären <= en skorsten) 3) För att kyla olika objekt eller för att ventilera vissa omráden.

Let primära målet med uppfinningen är att tillhandahålla ren, kostnadseffektiv energi med hjälp av ett system som är relativt enkelt att konstruera och driva.

Kortfattat består tornet av en yttre, genomskinlig del <'the transparent body'> som släpper igenom solljuset till en inre, opak mörk del <'the dark body'> som omvandlar solljuset till värme. De optimala, relativa proportionerna dessa konstruktioner emellan diskuteras nedan. När tornet är belyst skapas en drivhuseffekt inne i detsamma mellan den genomskinliga och den nßrka delen. 468 221! Genom öppningarna som finns bàde nertill och upptill i tornet strömmar luft kontinuerligt uppåt i tornet. Beroende pà tornets upp-och-nervända trattform accelererar luftströmmen och när sin högsta hastighet nära toppen där diametern är som minst. Det är här som en eller flera vertikalaxlade turbiner skall placeras för att omforma energin i luftströmmen till mekanisk energi.

Den mörka delen bör helst vara kon- eller pyramidformad, och dess uppgift är att reducera volymen pà luften som uppvärms inuti tornet och pà detta sätt höja temperaturen pà luften, som är innesluten i mellanrummet mellan den mörka och den genomskinliga delen. Man har funnit att den mörka delen starkt bidrar till att öka energin i luftströmmen, som den har uppmätts med en anemometer i toppen pà tornet. Denna energi, som motsvarar ett visst antal rotationer per tidsenhet. kallas nedan Es ('energy at the summit'>.

Man har också funnit att det finns ett väldefinierat samband mellan storleken pà den mörka delen à ena sidan och den genom- skinliga delen à den andra, som ger ett optimalt Es-värde. Om A är det genomsnittliga vertikala avståndet mellan den mörka och den genomskinliga delen (57, i fig. 19) och om B är den genomsnittliga höjden pá den genomskinliga delen, alltså längden pà den del som tar emot solbestralningen (se även 58 i fig. 19), uppnås maximal effekt när A/B befinner sig mellan 0.05 och 0.20. Den ideala utformningen ('The preferred embodiment') skall ha ett A/B-värde som ligger mellan 0.08 och 0.12, och det värde man kommit fram till såsom varande det bästa är omkring 0.10. s 468 224 Dessutom har man funnit att den genomsnittliga basvinkeln a för tornet (se 51, i fig. 17, 18 och 19) är viktig för effektiviteten (Es) i systemet. När a gradvis ökar från utgàngsvärdet O' (plan konstruktion) ökar Es snabbt 1 början. Detta fortgår till dess värdet för a är ungefär 5 - 15°. över dessa värden stiger Es bara långsamt när a ökar. I praktiken betyder detta att ett värde pä a > 10° har antagits som den ideala utformningen. Genom att undersöka den optimala effektiviteten hos tornet beroende pä form och placering pa olika latituder och genom att ta hänsyn till andra tekniska faktorer, som hänger ihop med konstruktionen. har jag kommit fram till att en basvinkel a pà omkring 15° är den mest ideala utformningen ('the most preferred embodiment') (se 51 i fig. 17-19) Man har också funnit att man kan öka systemets effektivitet väsentligt (se Es ovan) genom att sätta in en anordning, här kallad "cyklon", i tornet. Den består företrädesvis av spiralformade ramar ('frames') som är fastsatta pä insidan av mellannivän i tornet (nivä 2, se fig. 1 och 17) pà ett sätt som illustreras i fig. 7 och 8. Den högsta effekten Es får man när cyklonen placeras någonstans nära basen av nivà 2 (se 14 i fig. 1. 17 och 18). En annat alternativ för att få till stånd en vortex i tornet är att sätta igång den vid basen genom specialriktade luftintag av den typ som finns avbildade i fig. 9. Vid ett sädant alternativ bör nivä 1 ha ett cirkelrunt, horisontalt tvärsnitt (d.v.s kon-format, se fig. 20) för att förhindra att det bildas turbulenser i tornet. Det senare alternativet komplicerar_ uppförandet av tornet något (konstruktion av extern typ 468 2213 ['externalltype supporting íramework'], se fig. 5) och har därför inte ansetts vara den utformning som är att föredra i första hand.

Ett annat intressant förhållande är att höjden på nivå 2 (se J! fig. 1 och 17) påverkar systemets effektivitet (Es) direkt. Högre torn ger bättre resultat än lägre och nivå 2 bör vara högre än nivå 1.

Det är möjligt att uppnå effektivitet dygnet runt om den mörka delen byggs så att den lagrar solvärme på dagen och frigör den på natten.

Det är intressant att notera att tornets inre kan användas på många olika sätt. Om man väljer att använda tornets inre, kan den mörka delens interiör upplysas på konstgjord väg eller också kan man göra fönsteröppningar. t.ex. pà nordsidan.

Förutom kombinationen tornet/solpaneler som omnämns i det följande (se även fig. 12), kan stora torn.hysa idrottsarenor. lekplatser, lagerlokaler, kulturcentra, etc. I utrymmet mellan den yttre, genomskinliga väggen och den mörka delen,'som tar emot solljuset, kunde man odla växter också komma till användning som värmeväxlare, där man använder sig av överskottsvärme av det slag som finns i olika typer av kraftverk (se fig. 14).

Som en sammanfattning av detta kapitel kan sägas att tornet skall byggas på ett sådant sätt att den optimala utformningen och * de olika delarna används så som de uppmätts och beräknats av gu uppfinnaren. Det mest karakteristiska för tornet är: 1) Existensen av och formen på den genomskinliga delen. 7 468 224 2) Existensen av och formen på den mörka delen och dess relativa dimensioner (Jämfört med motsvarande på den genomskinliga delen). 3) Förekomsten av fasta delar (till exempel spiralformade ramar), fastsatta inuti tornet för att sätta igång en virvelvindsliknande luftström[ Alternativt närvaron av specialdesignade luftintag vid tornets fot för att sätta igång virvelvinden. 4) Placeringen av en eller flera vertikalaxlade turbiner nära eller i toppen pà tornet där de använder den kinetiska energin fran (den roterande och uppàtstigande) virvelvinden.

) Typen av stödjande konstruktion som beror pà vilken typ av vortex man väljer (utvändig konstruktion i de fall vortex sätts igång på nivå 1 och invändig konstruktion för nivå l om vortex initieras ovanför nivå 1).

Man maste ha klart för sig att dessa olika anordningar kan kombineras på olika sätt, men en ideal utformning för generering av energi använder alla. Anordning 8) ovan (fasta delar som sätter igång vortex) är inte absolut nödvändiga om tornet endast skall användas som en skorsten av den typ som schematiskt avbildas i fig. 11. $> O\ OO NJ BJ 43k KORT BESÉRIVNING AV ILLUSTRATIÛNEPNH De viktigaste elementen i föreliggande uppfinning illustreras mycket schematiskt i fig. l - 20 nedan.

Ingen skala angives eftersom tornet kan uppförstoras till praktiskt taget vilka dimensioner som helst.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Pig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig.

Fig. ll 13 14 16 Tvärsnitt genom vertikalaxlarna pà tornet. Tvà olika utformningar visas.

Tre projektioner av tornet.

Förlängningar för luftintagen.

Olika möjliga former pà tornet.

Extern konstruktion.

Extern/intern konstruktion.

Ramar för att framkalla en motsols~vortex.

Ramar för att framkalla en motsols-vortex.

Specialdesignade luftintag vid foten av tornet för att framkalla en motsols-vortex.

Olika projektioner av en vindfángare, placerad pà toppen av tornet.

Tornet använt som solskorsten.

En kombination av torn och solpaneler.

Anordning för kylning av solpaneler.

Tornet använt som värmeväxlare för ett kraftverk.

En tecknares bild av ett landskap med tre torn.

Fotografi av en av de småskaliga modeller som användes för mätning av parametrar. 11 9 468 224 Fig. 17 Den mest ideala utformningen (polygonal bas).

Fig. 18 Några detaljer på den mest ideala utformningen.

Fig. 19 Några parametrar på den mest ideala utformningen.

Fig. 20 Ideal utformning (konisk tratt-typ).

BESKRIVNING AV UPPFINWINGEN Fig. 1 visar vertikala tvärsnitt genom symmetriaxlarna på två torn. Figuren visar de viktigaste komponenterna och den drivande mekanismen. Tornet är indelat i tre huvudnivåer, 1, 2 och 3. Var och en av dem har en speciell funktion som beskrivs i det följande. Ett torn med "slät" design avbildas i 4. Ett annat med "linjär" profil (till exempel två koner på varandra) visas i 5.

NIVÅ 1 har en yttre, genomskinlig vägg(6)(den genomskinliga delen) som stöttas av konstruktioner av den typ som avbildas i fig. 5 och 6. Inuti tornet och co-axialt med detsamma har man uppfört en mörk, pyramid- eller konformad konstruktion (den mörka delen) (7). Nivå lzs huvudsakliga funktion är att fånga upp solljuset genom den genomskinliga delen och att förvandla det till värme (vibrationer med längre våglängd) på den mörka delen. Den genomskinliga delen (6) är tillverkad av ett material som effektivt stoppar värme- och infraröd strålning från att slippa ut ur tornet (glas och de flesta plastmaterial duger). Som ett resultat av detta skapas en drivhuseffekt i utrymmet (8) mellan den genomskinliga och den mörka delen. En luftdensitetsinversion uppstår på så sätt i 8. Genom att det finns öppningar.vid foten <9) och vid toppen (10) av tornet underhåller man en kontinuerlig 468 224 ström av~uppátgàende luft i tornet, och detta pàgàr så länge som tornet är belyst. Man har visat att den mörka delens viktigaste funktion är att reducera volymen luft som värms upp i tornet och pà sa sätt höja temperaturen pà denna luft.

NIVÅ 2 skall helst vara konisk till formen och kan antingen ha en jämn profil <4 i fig. 1 och 20) eller uppföras sa att man sätter ett antal koner ovanpå varandra (54 i fig. 18). Väggarna pà nivå 2 behöver inte nödvändigtvis vara genomskinliga. De bör vara av relativt motstándskraftigt material och ha en jämn inneryta för att tala den hårda påfrestning de utsätts för av den uppàtstigande virvelvinden. Man har funnit att den kraftigaste luftströmmen (uppmätt i 11) erhålles med någon form av roterande-uppàtgàende luftström (13). Man kan nà denna effekt pà tvà olika sätt; se nedan.

NIVÅ S svarar mot den region där tvärsnittet genom tornet är som minst och där därför den uppàtstigande luftströmmen när sin högsta velocitet. Det är här en vertikalaxlad turbin skall placeras (11, 43). Turbin- och transformatorsystemet bör byggas så att det kan omforma ett maximum av den kinetiska energin i vortex till mekanisk/elektrisk energi. En vinddriven avgasventil ) kan byggas in i toppen pà tornet för att höja turbinens/ turbinernas effekt.

Fig. 2 visar ett torn av typ 5 fran olika hall. 15>= fràn sidan, lö = uppifrån, 17 = i fàgelperspektiv.

Pig. 3 visar pà möjligheterna att bygga ut (18) luftintagen <9) vid foten av tornet till valfritt läge (se även fig. 11): Pig. 4 visar olika profiler som tornet kan ges beroende pà 468 224 ll hur\det skall användas, tillgängligt utrymme, solljus etc.

Fig. 5 visar schematiskt en extern konstruktion(18) som skall användas när vortex sätts igång på nivå 1 (se fig. 9). I samtliga fall måste de genomskinliga panelerna (20 och 23) placeras på ett sådant sätt att ingen varmluft kan slippa ut, men så att det blir utrymme nog för utvidgning eller små relativa rörelser.

Fig. 6 visar en typ av intern (nivå 1) och extern (nivå 2 och 3) konstruktion att användas när vortex initieras på nivå 2 (22, se även fig. 1 och 17). En sektion av den (interna) konstruktionen syns genom en öppning 1 ytterväggen <21ï.

På fig. 7 avbildas de ramar (26) som skall monteras på insidan av nivå 2 för att få igång en virvelvindsliknande luftström högre upp 1 tornet. 24 = från sidan, 25 = uppifrån.

Fig. 8 visar en annan typ av ram (31) för igångsättning av en vortex i tornet. 27 = underifrån, 28 = uppifrån, 29-30 = i fågelperspektiv underifrån, resp. uppifrån.

Fig. 9 visar olika typer av öppningar (34) vid foten av tornet för att initiera en vortex-liknande luftström som börjar på nivå 1. 32 = i fågelperspektiv, 33 = projektioner uppifrån. , Fig. 10 visar en "aktiv avgasventil" på toppen av tornet för att höja effekten på turbinen/turbinerna. 35 = från sidan,36 = uppifrån, 37 = underifrån, 38 - 39 = i fågelperspektiv.

Den lampskärmsliknande anordningen(4CÛär fastsatt på toppen av tornet med konstruktioner av den typ som visas i 41 - 42. Naturlig vind, som kommer in i anordningen underifrån. får till effekt att lufttrycket blir lågt omedelbart ovanför turbinen (43) och detta höjer då turbinens effekt. 46 224 Ö 12 Fig. 11 illustrerar hur man kan använda tornet som en soldriven skorsten för att rena smog fràn ett industri- eller bostadsområde och avgaser fràn fordon i en tunnel. För en sådan användning maste den mörka delen finnas med men cyklonen kan uteslutas (om sà önskas). Tornet bör också vara tillräckligt högt för att bryta igenom den inversion i luftlagren som ibland inträffar över en del större städer. I Fig. 12 visar en kombination av tornet och solpaneler (44) där de senare bade avkyls och skyddas av tornet.

Fig. 13 är en spin-off effekt av det som visas i Fig. 12. En solpanel(45)förlängs uppàt med en mörk panel (46 analogt med den mörka delen). Den täcks pà ett visst avstånd av en genomskinlig panel(47Å Längsidorna(48)pà den här làdliknande anordningen är stängda. Den är förseglad med öppningar nertill och upptill så att luften kan cirkulera fritt. När den exponeras för solljus bildas en uppåt-stigande luftström som kyler solpanelerna. Den mörkare panelen är här placerad ovanför solcellerna sä ett den uppvärmda luften inte skall passera över dem.

Fig. 14-16 behöver ingen annan beskrivning än den som ges här DVBXII.

DEN MEST IDEALA UIFORHWINGEN (Pïg. 17) Den mest ideala utformningen är designad så att tornet uppnår högsta möjliga effekt och så att uppförandet förenklas.

Utformingen tar också hänsyn till estetiska värden. Fig. 17 - 19 468 224 13 visar en schematisk avbildning där 49 visar tornet från sidan och 50 uppifrån.

På nivå 1 har såväl den genomskinliga som den mörka delen formen av avhuggna pyramider med polygonal bas. Av skäl som diskuterats ovan är basvinkeln a (51) 15' både för den genomskinliga@)och den mörka delen<7).Konstruktionen som stöttar nivå l (52, 53) är av den interna typen (se 21 i fig. 6). Den genomskinliga delen vilar sålunda på en konstruktion(5E] som i sin I tur vilar på kolonner @Ü% som vilar på marken. Den mörka delen (73 är ko-axial mot tornet. Den skall vara så stor att relationen 57/58 i fig. 19 (se A/B ovan) är ungefär 0.1.

Konstruktionen (56) på nivå 2 och 3 är placerad utvändigt på tornet (54), som är uppbyggt av avhuggna koner av varierande storlek, placerade ovanpå varandra. Skarven (55) mellan nivå l (pyramid) och nivå 2 (kon) måste vara relativt jämn för att förhindra att det bildas turbulenser i den uppåtgående luftströmmen. En cyklon (14) är placerad nära basen på nivå 2.

Nivå 3, som rymmer turbin- och generatorsystemet för generering av elektricitet, ligger närmast toppen på tornet (43). Den vertikalaxlade turbinen/turbinerna skall transformera den kinetiska energin i den uppåtstigande virvelvinden till mekanisk/elektrisk energi.

Fig. 20 visar en alternativ. ideal utformning med jämn profil och cirkelrunda horisontala sektioner (den upp-och-nervända tratten>, som förmodligen är svårare att uppföra än den förra, men som ger mycket estetiska linjer.

Claims (2)

NJ Ä) $> 14 I>aat:ear1t:}

1. Soldriven vindkraftstation k ä n n e t e C k n a d av: a) En baskonstruktion som är genomskinlig, b) C) åtminstone 'till (6), till sitt inre och som är försedd med anordningar som släpper in luft från omgivningen till sitt inre,vid eller nära sin lägre del (9, l9)í '_ större delen som släpper in solenergi En övre, tubformad eller konisk del (12), som är öppen i toppen och som är förbunden med den lägre delen så att hela konstruktionen får formen av en upp-ochnervänd tratt. Inre anordningar i sagda baskonstruktion för att definiera ett periferiskt mellanrum mellan insidan av sagda bas- konstruktion och inre anordningar- (7). Sagda volynx har ett i huvudsak sagda baskonstruk- tion och sagda inre anordningar (57) varvid baskonstruk- - jämnt djup mellan tion har Q som genomsnittligt längd på sin genomskinliga del uppåt (58) och Q som genomsnittligt djup pà sagda (57), proportionen mellan A och § (A/B) skall ligga mellan ca. 0.05 till 0.20, och skall helst vara 0.10 1 0.0

2. Sagda periferiska mellanrum står i periferiska utrymme förbindelse med det inre utrymmet av sagda övre, tubformade eller koniska del. Sagda inre anordningar arrangeras helst så att de samlar in solenergi för att. därigenom förbättra uppvärmningen av luften i sagda periferiska utrymme (8) med hjälp av solljuset som tränger in genom baskonstruktion. Sådan upphettad luft kommer att stiga uppåt i sagda utrymme, upp till sagda tubformade eller koniska del och ut genom sagda öppning i dess topp (10). Ersättningsluft strömmar automatiskt in genom öppningarna (9) vid foten av sagda baskonstruktion. Sagda inre anordningar skall vara mörka, helst svarta. 468 224 15 d) Anordningar (typ 14, 24-26, 27-31, 32-34) som medel för att sätta igång en vortex-liknande luftström i sagda, övre, tubformade, koniska del. Soldriven vindkraftstation enligt krav 1. k ä n n e t e c k- n a d av en anordning i toppen av tubformade, konisk del för utvinning av den kinetiska energin i. luftströmmen som passerar genom den (43). Soldriven vindkraftstation enligt krav 1 eller 2 k ä n- n e t e c k n a d av att baskonstruktionen i den vertikala sektionen bildar en basvinkel (51), relativ till den hori- zontala, som ligger mellan ca. 89 259, och helst är 15:59. Soldriven vindkraftstation enligt krav 1 eller 2 k ä n- n e t e c k n a d av att sagda virvelvind anordningar (typ 24-26, eller 27-31) igàngsättes i den lägre delen av den övre, tubformade, koniska del (14). Soldriven vindkraftstation enligt krav 1 eller 2 k ä n- n e t e c k n a d av att sagda virvelvind anordningar (typ 32-34) igàngsättes i den lägre delen av baskonstruktionen (19). Soldriven vindkraftstation enligt krav 1 eller 2 k ä n- n e t e c k n a d av att formen på sagda inre anordningar motsvarar formen pà sagda baskonstruktion, där sagda former helst bör vara koniska (15-17, 20) eller pyramidformade (23, 49-50). Soldriven vindkraftstation enligt krav 1 eller 2 k ä n- n e t e c k n a d av att solceller eller solpaneler är inmonterade på sagda inre anordningar i sagda periferiska utrymme (44).