SE531533C2 - Vindturbinanläggning med motroterande turbinrotorer i vilka en motroterande elgenerator med dubblerade luftgap är integrerad - Google Patents

Description

Bål 533 2.

Uppfinningens ändanrål och viktigaste kännetecken Föreliggande innovation är att åstadkomma vindturbinanläggningar som kan fungera tillfredsställande vid så gott som alla slag av vindförhållanden, såväl vid hård storm som vid låga vindhastigheter till skillnad från f åbladi ga vindturbiner, och utan tilläggskostnader i förhållande till den nuvarande tekniken. Problemet har lösts bland annat genom att fördela upptagningen av vindens effekt på flera turbinrotorer eller steg samt att utforrna tornen i vridbara på sådant sätt att de alltid ställer in sig i vindriktningen och att de motstår mycket högre böjrnornent. Detta uppnås genom att placera vindturbinen mellan två avlånga strömlinjeformade tom som är sammanbundna högst upp via lagringar för turbinrotorerna och längst ner på en bottenplatta roterbart lästad på ett fast underlag, som bergfundament, byggnadsöverdel eller fast undertorn.

Den störande syn- och ljudupplevelsen som boende uppleveri områden kring nu existerande vindkraftverk elirnineras genom att anläggningarna uppförs med många blad, vilket i kornbination med uppdelningen av vindturbinen på många steg gör bladen mycket smala och tunna, så att de nästan inte alls uppmärksammas jämfört med de syn- och ljudintryck som nuvarande f åbladiga propellerturbiner ger. Många blad medger ocksåen nedgång till lägre vin gperif erihasti gheter, ner till en tredjedel av de tv å- och trebladigas rotationshastighet vid lika stora bladradier, något som genom även betydligt reducerar rotationshastigheten vid hårda vindförhållanden. Dessutom innebär fler blad en högre vingverkningsgrad. Eftersom en lägre vingperiferihastighet medför en sammanlagt bredare vingbredd, dvs större vingyta, kan därigenom vindturbinen börja verka vid lägre vindhastigheter, eftersom den totala vingytan mot vinden är större än för exempelvis en tvåbladi g vindturbin med ofta 8 till 10 gånger högre vingperiferihastighet i förhållande till vindhastigheten.

Elenergiöverföringen och annat kablage kan anordnas till exempel via rörformiga inre centrumaxlar och släpringar.

Eftersom avståndet mellan de motroterande bladen och därmed turbinrotorerna bör minimeras, kompenseras risken för sammanstötning genom att repellerande magnetfält anordnas verksamma i luftgapen mellan turbinrotorerna. Dessa magnetfält kan åstadkommas av permanent- eller elektromagneter eller kombinationer av dessa, eller i samverkan med de inducerade magnetfält som uppstår vid växelverkan mellan magneternas magnetfält och inducerade fält från induktionsspolar eller slutna kretsar anordnade integrerade inom turbinrotorerna. De repellerande fälten kan även anordnas genom växelverkan mellan inducerande och inducerade spolkretsar, icke slutna och slutna, strömmande och strömbildande enligt principen att när en spole utgörande en egen elektrisk krets förflyttas över ett magnetfält uppstår en elektrisk ström i spolen som i sin tur bygger upp ett eget magnetfält, som repellerar magneterna från spolen. Magneterna kan även anordnas längs rotorkretsen enligt Halbachs princip, så att magnetfalten försvagas på den ena sidan och förstärks på den andra sidan, vilken vänd mot luftgapet.

En mekanisk turbinrotorsåtskiljare kan även införas mellan turbinrotorerna. Ett exempel på en sådan utgöres av vingproñlformade skivor (61-63) med avlånga platta sidoytor vända mot närliggande motroterande skivor med likartad form varvid de även f ormmässi gt anpassas till varandra för rnaxímering av luftansanxling mellan de motroterande skivorna. Dessa turbi nrotoråtskiljare kan anordnas integrerade med magnetiskt repellerande turbinskivsåtskiljare. Vid strömning av luft mellan två skivor åstadkommer luftens hastighet mellan skivorna att det statiska trycket där blir mindre än det yttre trycket, varför det erfordras en viss kraft för att ytterligare tjärma skivorna. Denna effekt nninskax risken för svängningsrörelser mellan turbinrotorerna. _ Utöver den hasti ghetsökning avseende induktorlindningarna i luftgapet mellan magnet och induktor som sker vid en radiell utflyttning av generatorn, uppnås en i det närmaste fördubblar! relativ hastighet av de motroterande turbinskivorna genom att generatorn anordnas dubbelroterande med motroterande magneter och elgenererande induktorer.

Utflyttningsgraden kan häri genom begränsas betydligt.

De motroterande vindturbinrotorerna och el generatorrotorerna medger även ett enkelt anordnande av dubbla antalet spalteri luftgapen mellan magnet- och induktorrotoreri jämförelse med konventionella elniaskinskonstruktioner.

El generatorns magnetrotorer och induktorrotorer kan anordnas antingen radiellt eller axiellt i förhållande till varandra.

Eftersom luftgapet mellan de rnotroterande magneterna och induktorerna i generatorn i regel måste vidgas vid en radiell utflyttning utefter vindturbinrotorenta, kan denna olägenhet lösas med anordnandet av repellerande magnetfält mellan eller invid de motroterande generatorkornponentema. Luftgapet kan genom minimeras varvid även avståndet mellan turbiniotorema minimeras, åtminstone i närområdet.

Generatorerna kan anordnas valfritt som växel~ eller likströmsalsuande och alternativt eller i kombination kan energiuttaget ske via centmmaxlar anslutna till turbinrotorerna .

De repellerande magnetfält införda mellan tnrbinrotorerna och de integrerade generator-komponenterna medför att turbinrotonerna på ett naturligt sätt kan uppdelas i åtminstone tre ringfonnade cirkelytor, här benämnda turbinringar, radiellt placerade insides och utsides de införda repellerande magnetfáltsanordningarna och generatorkomponenterna.

Turbinbladen kan fästas vridbara för att anpassas till olika vindförhållanden genom styr-organ, eller alternativt fast fästas eller i en kombination av dessa utföranden. De radiellt olika belägna turbinringarna ger alltså möjlighet till varierande vridvinklar för dessa.

Elgeneratorn kan även vid en anläggning med exempelvis tre turbinrotorer anordnas vid enbart två av de motroterande turbinrotorerna eftersom de yttre skivorna är sammanbundna vid bladspetsarna. 53% 533 H Beskrivning av ritningar Fig. l visar en mindre anläggning genom ett vertikalt snitt genom vindturbinens huvudaxel och med alternativa elenergiöverföringar inritade.

Fig. 2 visar en skiss över en anordning av repellerande magneter mellan mrbinrotorerna i utföringsexemplet.

Pig. 3 visar ett rotationsaxelsystem vid en mindre anläggning med tre nlrbinrotorer.

Pig. 4 visar en skiss över en alternativ placering av den motroterande elgeneratorn radiellt anordnad med ett luftgap.

Fi g. 5 visar en skiss över en placering av den motroterande el generatorn radiellt anordnad med 2 luftgap.

Fig. 6 och 7 visar en mekanisk turbinrotorsâtskiljare integrerad med en magnetiskt mpellerande turbinrotoisåtskiljare med pilar som visar den relativa i förhållande till bladhastigheten infallande vindriktningen.

Fig. 8 visar ett rotationsaxelsystem vid en nxindre anläggning med tre tIIrbiHIOIOYflf meå energiuttag genom två inre axlar.

Eäll 533 Beskrivning av utfóringsexempel Två avlånga strömlinjeforinade torn (l, 2) stående på en plattform (3) roterbart anordnad på ett fast underlag i tornfonn (4). En vindturbin (5) bestående av två i ena riktningen roterande turbinrotorer (6, 7) och en mellanliggande i den andra riktningen roterande turbinrotor (8). De yttre turbinrotorerna (6, 7) är sammanbundna vid _ bladspetsarna med en ytterring (9). De tre turbinrotorerna uppdelas var och en i tre radiellt utsides varandra anordnade turbinringar (1l- 19). Vissa tnrbinblad inom turbinrotorerna anordnas vridbart re glerbara i olika vinklar. En elgenerator (10) inordnas mellan de tre turbinrotorernas inre turbinringar (l 1-16), varvid i detta utföringsexempel magnet- och induktorrotorerna anordnas i axiell led. Elgeneratorns magnetrotor (21) placeras i detta utföringsexernpel vid den inre turbinrotorn (8) och de två induktorrotorerna (20, 22) vid de yttre turbinrotorerna (6, 7). Härmed erhålles 2 luftgap mellan tnagnet- och induktorrotorerna. l detta utföringsexernpel placeras repellerande magneter (44-50) mellan, radiellt inifrån räknat, den andra (1446) och tredje turbinringen (17- 19); u-forrnade magneter (44) vid de yttre turbinrotorerna (6, 7) med de två polerna (45, 46) riktade mot centrumrotorn (8), avlånga stavformade magneter (47, 48) vid den inre rotorn i två rader på sådant sätt att polerna (49, 50) blir rnotstående och iepellerande de yttre rotorernas magnetpoler. På liknande sätt anordnas repellerande magneter (51, 52, 53) vid generatorns nxagnet- och induktorrotorer (20, 21, 22), varvid även de närliggande partierna av turbinringarna hållas på lämpligt avstånd från varandra.

De yttre turbinrotorerna (5, 7) fästas vid yttre axlar (25, 27) roterbart fastade vid en inre rörforrnad roterbar axel (43). Den inre turbinrotorn (6) är fastad vid en mellanliggande rörforrnad axel (26) och fast fastad vid den rörformade axeln (43 ), vilken är roterbart fästad vid yttre lagerenheter (3839) vid de två tornens Överdelar (33, 34). Energiöverföring kan vara mekaniskt vridmomenöveiförande via axeln (43) och via någon av de två roterbara ytteraxlarna (25, 27) och sammankoppplade med yttre transnxissioner (56) till elgeneratorer (57) men också elektrisk och optisk via kablage anordnad via axeln (43) och utsides ytteraxlarna (25, 27) till yttre, fasta lagen via släpringar eller andra överföringsanordningar.

Elöverföringen från el generatorns komponenter och de repellerande magneterna till ett yttre elsystem kan alternativt anordnas via två inre rör (42, 43) inom de rörformade rotor-axlarna (25, 26, 27). Dessa inre rör kan även tjäna som mekaniska överförare av energi från turhinrotorerna och sannnankoppplas med yttre transmissioner (56) till yttre, fasta elgeneratorer (SD och även verka som kanaler för styr-, regler- och energiöveríöringskablage för el generatorsystemet och de repellerande magnetfälten.

För övervakning av kontenuerliga parametrar för vindmrbinens rörliga och roterande komponenter och för styrning av dessa vid varierande vindförhållanden införs separata styr- och reglersystem som optimerar generator- och turbineffekten;

Claims (12)

IO 15 20 25 30 35 Eišfi 533 i? Patentkrav

1. l. Vindturbinanlag gning med vindturbinen anordnad med motroterande turbinrotorer vilka utgör avbildningar av turbinbladens eller -vingarnas rotationsplan, varvid vindturbinen är anordnad antingen med konventionella el generatorer eller med motroterande magnet- och induktorrotorer för alstring av el eller med mekaniska eller shydratlliska energiöverföringar, varvid vindturbinen är anordnad roterbart f ästad vid en vridbar tornöverdel eller ett roterbart torn, kännetecknar! av att de varandra motroterande turbinrotorerna och deras blad hållas på önskat avstånd från varandra medelst turbinrotorsåtskiljare som utgöres av med turbinrotorerna integrerade permanent- eller elektrornagneter (44-48) eller induktionsspolkretsar eller kombinationer av des sa så anordnade att de alstrar repellerande magnetfält som håller de motroterande turbinrotorerna och deras blad på önskat avstånd från varandra. att, vid fler än två tnrbinrotorer, den första, tredje etc är sannnanbundna vid en yttre ring (9) och rnotroterande den andra, fjärde etc vilka anordnas festade vid en inre centrumaxel (43), varvid, vid exempelvis tre turbinrotorer (6, 7, 8), den första och tredje turbinrotorn är sammanbundna vid de radiellt yttre bladändarna och motroterande den andra, mellanliggande, turbinrotorn,

2. Vindturbinanläggning enligt Patentkrav 1, känns tecknad av att turbinrotorsåtslcilj arna utgöres av vingprofilformade skivor (61-63) med avlånga platta sidoytor vända mot närliggande rnotroterande skivor med likartad form varvid de även formrnässigt anpassas till varandra för maximering av luftansamling mellan de motroterande skivorna, varvid dessa turbinrotorsåtskiljare anordnas integrerade med eller utan magnetiskt repellerande turbinrotorsåtskiljare.

3. Vindturbinanläggning enligt Patentkrav l , kännetecknad av att inom turbinrotorerna är anordnad minst en motroterande elgenerator (10), dvs en elmaskin med motrotrerande magnet- och induktorrotorer (20-22), varvid el generatorn är integrerad med minst en i den ena riktningen roterande turbinrotor och .ned minst en i deniandra riktningen roterande turbinrotor, varvid el generatorns rotorer är i radi ell eller axiell led anordnade i förhållande till varandra.

4. Vindturbinanläggning enligt Patentkrav 3, kännetecknar! av att el generatorn är anordnad med minst två luftgap mellan magnet- och induktorrotorer. 45 55 65 70' 754 Eee 533 l

5. Vindturblnanläggníng enligt patentkrav _3 eller 4 kännetecbrad av att magnet- och lnduktorrotorerna (20-22) hållas på önskat spaltavstånd från varandra medelst repellerande magnetfält alstrade av permanent- eller elektmmagneter (51-53) eller induktorspolkretsar (dindningar) ellerkombinaïioner av dessa anordnade vid eller inom generatorns magnet- och induktorrotorer.

6. Vindturbinanläggning enligt något av föregående krav, kämæteckrzadav - i att turbinrotorerna är uppdelade i två eller flera av ringar om- ochinskrivna cirkelywr, här benämnda turbinringar (l 1-19), anordnade radiellt in- och ntsides varandra och anordnade in- och utsides turbinrotorsåtskiljar- och elgeneratorkomponenterna varvid de olika turbinrin garna är anordnade med åtskilda bladvinkelre gleringar.

7. Vindturbinanläggning enligt patentkrav l eller 6, känneteclcnadav _ att mrbinbladen inom en eller flera av turbinrlngarna är anordnade som fackverksstabiliserande stag (54, 55) eller cykelekerlikt inom dessa.

8. Vindturbinanläggning enligt patentkrav 1 kärmetecloead av att tornet är uppdelat i, i vindriktningen räknat, ett främre strömlinjeformat torn (1) och ett bakre strömlinjeíormat torn (2) verkande som styrfena för anpassning av vindturbinen mot vindriktningen, varvid de två deltornen i överdelarna (33, 34) är sammanbundna medelst vindturbinens lagrings- och energiöverföringssystem, och i underdelen är sammanbundna av ett gemensamt underlag (S) som är roterbart anordnad på ett fast undelag, bergfnndament, byggnadsöverdel eller under-torn (4).

9. Vindturbinanläggning enligt patentkrav 8, kännezecknad av g att tornets rotationscentrumlinje (58) är anordnad, i den för vindtnrbinen mest funktionella vindriktningen räknat, framför turbinens rotationsplan (59). lO. Vindturbinanläggníng enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknad av i i att, vid 3 turbinrotorer, energiöv erforingen från turbinrotorerna och generatorn (10) och kablageförbindelserna till och från' generatorn och anordningarna för de repellerande magnetfälten och styrorganen till bladvinkelregleringen är anordnad Via två inre rörformade roterbara centrum-axlar (42, 43) varvid den ena är~anlcnuten med någon av de två roterbara' ytteraxlarna (25, 27) och den andra anknuten med dßn mellersta roterbara ytteraxeln (26), varvid energlöverförlngen kan vara mekaniskt vridmomenöverförande via axlarna (42, 43) eller elektrisk och optisk via kablage anordnad via dessa axlar. ' 85

10. EEVÉ 533

11. Vindturbinaní äggning enligt patentkrav 1 eller 3 , känneteckmdav att anläggningen anordnas f örutan den i turbinrotorerna integrerade elgeneratorn (10, 20-22), varvid energiuttaget från turbinrotorerna anordnas via turbinrotorernas _ rotationsaxlar (42, 43), varvid dessa energ-iuttagsaxlar kan anslutas exempelvis till e var sin elgenerator via uppväxlingsanordníngar (S6).

12. Vindturbínanläggning enligt något av patentkraven 1, 3, 4, 5, kärmeteclazadav - ' att frannför den första turbinrotorn (6) av de vid perííerin sammankopplade turbi motorerna anordnas en med denna motroterande mrbínrotor (60) fast fástad vid centrumaxeln (43), varvid den motroterande elgeneratorn ( 10) anordnas integrerad :ned dessa turbinrotorer.