SE534330C2 - Vertikalaxlat vindkraftaggregat - Google Patents

Abstract

12 SÅMMANDRAG Uppfinningar: avser att vertškašaxiaï vinékrafïaggrægaï med en vinfiiurbšn(2) meä vertškaå turbšnaxeš (3). Ert tsrn (1) uppbär všncšturbšrzera (2) Ger: engænaratør (8) är anørdnafi vid ïarnets (1) nedræ ände. En aggragaiaxeš (4)färbšrader turbinaxæir: (3) med generatørn (S). Eræâågï uppfinningen är aggregataxeir: (4) åtminstone tíšš sm sïörræ deå avträ. Uppfinningar: avser ämm en axeškamçßanænt avsecšcš aii utgöra rm sektšcmhas er: sådan aggregataxæš {ê} av trä. Vidare avses sit förfarande všszä uræpförande av ett vândkraítaggregaï ash ers användning av všndkrafïaggregaïei, img. 1;

Description

30 534 330 2 Lämpligtvis är aggregataxeln så gott som helt och hållet utförd i trä, möjligtvis med undantag för vissa beslagsdetaljer och förbindningselement.

Tack vare detta materialval kan aggregataxeln göras avsevärt lättare och billigare. En sådan axel av trä erfordrar i och för sig en större materialmängd än för en axel av stål, med hänsyn till skillnaden i materialens egenskaper. Således blir vid en ihålig aggregataxel väggtjockleken hos en träaxel flera gånger större än den hos en stålaxel. Eftersom emellertid stålets densitet är ca 15 gånger större än träets så blir totalvikten för en träaxel ungefär en tredjedel av en motsvarande stålaxel. För ett vindkraftaggregat i storleken 3 MW innebär det en vikt på ca 15 ton respektive 40 ton. Betydande kostnadsbesparing ligger dessutom i att använda det avsevärt billigare konstruktionsmaterialet trä. Den lägre vikten underlättar dessutom uppförandet av vindkraftaggregatet där det ju är fråga om höga höjder. Utifrån ett LCA-perspektiv medför dessutom användande av en träaxel stor fördel med hänsyn till den avsevärt lägre energi som åtgår till att framställa trä jämfört med stål. Vid stora vindkraftaggregat är av motsvarande skäl även det torn som bär upp vindturbinen lämpligtvis av trä. Att då utföra aggregataxeln av trä eliminerar de problem med olika värmeutvidgningskoefficient som skulle uppträda om aggregataxeln vore av stål.

Enligt en föredragen utföringsform av vindkraftaggregatet är aggregataxeln ihålig.

Detta minskar ytterligare dess vikt i jämförelse med en massiv aggregataxel eller en aggregataxel som har ett trähölje och en innanförliggande kämstruktur.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform har aggregataxeln en radiell väggtjocklek i intervallet 20 - 100 mm. inom det intervallet uppnås för de flesta storlekar och vid de diametrar det är fråga om hállfasthetsegenskaper som är tillräckliga samtidigt som tjockleken hålls på en måttlig nivå. Lämpligtvis ligger tjockleken inom det snävare intervallet 30 ~ 80 mm.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är aggregataxeln av skivor av laminerat trä eller plywoodskivor.

Det underlättar tillverkning av stora rörformiga kroppar det här är fråga om.

Dessutom åstadkommas god hållfasthet. 20 30 534 330 3 Enligt ytterligare en föredragen utföringsform förlöper skivorna i spiralform kring aggregataxetns centrumaxel.

Det medför en gynnsam upptagning av skjuvkrafterna i axeln och medger dessutom ett rationellt tiilverkningsförfarande.

Eniigt ytterligare en föredragen utföringsform innefattar aggregataxeln minst två skikt av skivor, vilka förlöper i inbördes motsatt spiralriktning.

Kraftöverföringsförmågan blir därmed riktningsoberoende och mer homogen jämfört med endast ett skikt.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av vindkraftaggregatet har aggregataxeln cirkulär tvärsnittskontur med en diameter i intervallet 50 - 500 cm.

Det är framförallt vid förhållandevis stora aggregat som det är en betydande fördel att använda trä i stället för stål. För stora aggregat är det fràga om diametrar i nämnda intervall, varför uppfinningen är av speciellt intresse här. I de flesta aktuella storlekar torde en diameter i intervallet 120 -- 250 cm vara aktuell.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform har aggregataxeln en tvärsnittskontur som uppvisar minst tre hörn.

Därmed underlättas tillverkningen av aggregataxeln genom att den kan sammanfogas av sektioner som är hopskarvade av minst tre partier l omkretsled.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är konturens hörn förbundna med räta linjer bildande en polygon.

Det innebär att dess sidor är plana, vilket ur vissa aspekter underlättar tillverkning av sidorna och deras sammanfogande. Lämpligtvis är polygonen regelbunden och har tre. fyra, fem ,sex, siu eller åtta hörn.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är hörnen i konturen alternativt förbundna med bågformiga sidor.

Därigenom ökas axelns vridstyvhet jämfört med alternativet med räta linjer. Konturen får formen av en deformerad polygon. Företrädesvis utformas den som en motsvarande regelbunden polygon varvid samtliga båglinjema har samma form och längd. Bågformen är lämpligtvis cirkulär. Bàgarnas krökning är lämpligtvis sådan att konvexa ylterytor bildas.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är aggregataxeln sammansatt av ett flertal vertikalt fördelade sektioner.

(JG 15 20 30 534 330 4 Eftersom en aggregataxel av det slag det är fråga om har en avsevärd längd och då det ofta är lämpligt att tillverka aggregataxeln industriellt på annan plats än där vindkraftaggregatet uppförs är det fördelaktigt ur transportsynpunkt att leverera aggregataxeln i sådana sektioner i hanterliga längder. Det underlättar dessutom uppbyggnaden på plats.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform har vardera sektion en längd i intervallet 5 - 30 m.

Därmed har dessa en längd som är optimalt anpassad för såväl transport som arbetet med att bygga upp aggregatet. Normalt torde längder på 15 - 20 m Vara det Iämpligaste.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är sektionerna förbundna med varandra genom förbindningsorgan av stål.

Det underlättar att pá ett enkelt sätt och med tillräcklig styrka skarva ihop sektionerna med varandra.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsforrn är aggregataxeln på minst två från varandra axiellt åtskilda ställen lagrad i tornet, varvid aggregataxeln på dessa ställen uppvisar en runt om gående beklädnad av stål.

Därmed undviks nedslitning av träet vid lagringsställena.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform är aggregataxeln lagrad i minst två axiellt åtskilda stödanordningar där vardera stödanordning innefattar minst tre stöd komponenter som anligger mot aggregataxeln och som år förbundna med tornats insida.

Stödanordningarna ersätter behovet av konventionella lager som är kostsamma och dessutom medför komplikationer på grund av den höga höjden då lagerhaveri eller andra defekter måste åtgärdas. Stödanordningarna blir avsevärt billigare än konventionella lager och medför en förbättrad driftsekonomi tack vare att service och åtgärdande av eventuella defekter underlättas. Dessutom kan de utföras med förhållandevis låg vikt. Stödanordningarna kan dessutom utföras så att de ger lägre slitage mot aggregataxeln än konventionella lager, vilket år en fördel om man inte har någon stålbeklädnad av axeln vid lagringsställena.

Enligt ytterligare en föredragen utförlngsforrn innefattar vardera stödkomponent två rullkroppar anordnade på ett bärelement som är svängbart kring en vertikal axel mellan de båda rullkropparna. vi 20 30 534 330 5 Det medför låg friktion och lågt slitage, Genom den boogie-liknande utformningen skapas en god centrering av aggregataxein mellan stödkornponenterna och bidrar till att stödanordningen får en önskvärd flexibilitet som medger viss rörelse i sidled hos axeln utan att lagringsstablliteten blir nedsatt.

Det uppställda ändamålet ernås i enlighet med uppfinningen vidare genom att en axelkomponent av det inledningsvis angivna slaget uppvisar det speciella särdraget att den åtminstone till sin större del är av trä.

Lämpligtvis har axelkomponenten en längd i intervallet 5 -30 meter och en diameter, eller motsvarande dimension, i intervallet 50 - 500 om.

Enligt föredragna utföringsformer av den uppfunna axelkomponenten är den utformad för att utgöra en sektion av ett vindkraftaggregat enligt föreliggande uppfinning, speciellt i enlighet med någon av de föredragna utföringsformerna av detsamma.

Ur uppfinningens andra aspekt ernås det uppställda ändamålet genom att ett förfarande av det inledningsvis angivna slaget innefattar den speciella åtgärden att aggregataxeln tillverkas i huvudsak av trä.

Enligt en föredragen utföringsform av det uppfunna förfarandet skarvas aggregataxeln ihop av ett flertal vertikalt fördelade sektioner.

Enligt ytterligare föredragna utföringsformer av förfarandet tillämpas det för att åstadkomma ett vindkraftaggregat i enlighet med föreliggande uppfinning. speciellt i enlighet med någon av de föredragna utföringsformema av densamma.

Ur uppfinningar-is tredje aspekt ernås det uppställda ändamålet genom användning av ett vindkraftaggregat i enlighet med föreliggande uppfinning, speciellt i enlighet med någon av de föredragna utföringsformerna av densamma, för att leverera energi till ett elektriskt nät.

Den uppfunna axelkornponenten. det uppfunna förfarandet och den uppfunna användningen medför fördelar av motsvarande slag som för det uppfunna vindkraftaggregatet och de föredragna utföringsformerna av detsamma, och som redogiorts för ovan.

De föredragna utföringsformerna av uppfinningen anges i de beroende patentkraven. Det torde förstås att ytterligare föredragna utföringsformer naturligtvis kan utgöras av alia tänkbara kombinationer av de ovan angivna utföringsformerna och av alla tänkbara kombinationer av dessa med enskilda eller 25 30 534 330 6 kombinerade särdrag som framgår av den efteitötjande beskrivningen av utföringsexempel.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskrivning av utföringsexempel av densamma och under hänvisning tiil medföljande ritningar.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. 1 år en sidovy av ett vindkraftaggregat enligt uppfinnningen.

Fig. 2 är en sidovy av aggregataxeln hos vindkraftaggregatet enligt fig. 1.

Fig 3 är ett längdsnitt genom en sektion av aggregataxeln ifig. 2.

Fig. 4 är en sidovy av sektionen ifig 3.

Fig. 5 är en sidovy motsvarande den i tig. 4 enligt ett alternativt utiöringsexempel Fig. 6 är ett snitt genom en detalj av sektionen i tig. 3.

Fig. 7 är ett tvärsnitt av en stödanordning för lagring av aggregataxeln vid ett vindkraftaggregat enligt tig. 1.

Fig. 8 är ett snitt längs linjen Vlll - Vlll ifig. 7.

Fig. 9 och 10 är snitt motsvarande det i fig. 8 och iltustrerar två alternativa utföringsexempel för stödanordningen.

Fig. 11 - 14 är illustrerar aggregataxelns kontur vid några atternativa utföringsexempel.

Beskrivning av utföringsexempel F lg. 1 illustrerar i en schematisk sidovy ett vindkraftaggregat enligt uppfinningen. Vindturbinen 2 är av sk. H~rotortypen med en vertikat turbinaxel 3 förbunden med vertikala turbinblad 6 via stag 5. "iurbinaxeln 3 är vridfast förbunden med aggregataxeln 4, som driver generatorn 8 anordnad på ett på marken anordnat fundament 7. Via en elledning 9 levererar generatorn 8 ström till ett nät.

Turbinen är uppburen av ett torn 1 i vilken aggregataxeln 4 och turbinaxel 3 är axial- och radiallagrade. Tornet 1 är sammansatt av ett flertal tornsektioner 11a - 11e, i det visade exemplet fem stycken. Antatet tornsektioner kan vara flera eller färre beroende på aggregatets storlek. Vid den övre tornsektionens 11a övre 1G 30 534 330 7 ände är anordnad en bårstruktur 19 för uppbärande av vindturbinen 2.

Bärstrukturen 19 är fäst vid tornsektionen 11a. Tornet i det visade exemplet är svagt avsmalnende uppåt och har såiedes en pyramidforrn eller en konform. Det torde dock förstås att uppfinningen är lämplig även då tornet har konstant vidd.

Aggregataxein 4 âr i huvudsak av trä och är ihålig.

Aggregataxeln 4 visas separat i tig. 2 . Den är sammansatt av fem stycken sektioner 4a - 4e som är fästade ände mot ände mot varandra med för ändamålet anpassade förbindningselement. Den översta Sektionens 4a övre ände är försedd med förbindningselement för anslutning tiil turbinaxeln och den nedersta Sektionens 4e nedre ände är försedd med förbindningselement för anslutning till generatorns rotoraxel. lfig. 3 visas en sektion 4a av aggregataxetn i genomskärning. Längden hos en sådan sektion är lâmpligtvis ca 20 m. Diametem är ca 2 m för ett aggregat på 3 MW och trämaterialets väggtjocklek är ca 25 mm.

Fig. 4 iilustrerar sektionens uppbyggnad. Trämaterialet utgörs av plywoodskivor, Såsom framgår är axeln lindad av bandformad ptywood 10 lindad i spiral kring centrumaxein.

Vid exemplet i fig 5 har aggregataxelns trävägg två skikt av plywood 10,12 lindade i spiral i inbördes motsatt lindningsriktning. Enligt ytterligare ett (icke illustrerat) exempel har väggen två plywoodskikt lindade i spiral åt samma håll, men med skarvarna mellan lindningsvarven axiellt förskjutna motsvarande halva bandbredden så att lindningen blir överlappande. Väggen kan alternativt bestå av fler skikt än två.

För förbindning av axelseldionerna da - 4e med varandra är det lämpligt att anordna törbindningsorgan av stål. Fig. 6 visar ett exempel pà hur ett sådant kan vara utformat. Det utgörs här av en bussning 24 anordnad på insidan av sektionen och sträcker sig några dm in. Vid ytterânden har bussningen 24 en utåtriktad radiell ttâns 25 försedd med hål 26 så att den med ett bultförband kan anslutas tiil en liknande bussning vid en intilliggande sektion.

Utmed aggregataxein 4 är anordnade ett antal stödanordningar för dess radiella lagring. Dessa är placerade med iika stora inbördes axiella avstånd på ca 5 - 10 meter. vardera stödanordning anligger mot aggregataxeln 4 och är monterade i tornet. 15 30 534 330 8 Fig. 7 är ett snitt genom aggregataxeln 4 tvärs axelriktningen och illustrerar ett exempel på hur stödanord ningen 13 kan vara utformad. Den visade stödanordningen består av tre stöd komponenter 15 jämt fördelade i omkretsled runt aggregataxeln 4. vardera stödkomponent 15 har två rullkroppar16 utformade som hjul och som eniigger mot aggregataxeln 4. Hjulen 16 är monterade på ett bärelement 17. Bäreiementet 17 är svångbart kring en upphängningsaxel 18 i en hållare 19 som via en taliriksfjäder 20 är fäst vid en stödbalk 21. Bladfjädern 20 anpressar stödkomponenten 15 med en viss förspänningskraft mot aggregataxeln 4, lämpligtvis i storleksordningen 1 kN. Stödbalken 20 är förankrad itornet 1.

Stödanordningarna 13 kan vara axieilt belägna mitt för skarvarna eller var som helst längs sektionerna.

Fig. 8 är ett snitt längs linjen VIII-VIII i fig. 3 och visar ett av hjulen 16 anliggande mot aggregataxeln 4 vid en skarv. l det visade exemplet är de bada sektionerna da och 4b hopskarvade med ett speciellt skarvstycke 22 meilan bussningarna 24 vid respektive sektions ände. Bussningarna 24 är i detta exempel anordnade på respektive sektions utsida Skarvstycket 22 är en stålring som på sin utsida har ett spâr 23 som bildar en rullbana för hjulen 16 på stödanordningen. l tig. 9 iilustreras ett alternativ där stödanordningen år axieilt belägen någonstans mellan en sektions 4a ändar. Stödanordningens hjui 16 aniigger direkt mot trâmaterialet i axelsektionen 4a.

Ytterligare ett alternativ illustreras ifig. 10. Sektionen 4a är l detta exempel försedd med ett kort stycke av stålbekiädnad 27 på sin utsida. Stålbeklädnaden 27 utgör rullbana för stödanordningens hjul 16.

Fig. 11 - 14 iilustrerar nâgra alternativa tvärsnittsformer tiil cirkelformen för aggregataxeln och de sektioner den är sammansatt av. l fig.11 har tvärsnittet konturen av en regelbunden triangel och i feg. 12 av en regelbunden hexagon. Fig. 13 visar ett exempel där tvårsnittet är en deformerad regelbunden triangel där triangelns sidor är ersatte med utåtbuktande cirkellinjer. Fig. 14 visar ett exempel där tvärsnittet är en deformerad kvadrat där kvadratens sidor är ersatts med ínåtbuktande cirkellinjer.

För tvärsnittskonturer som avviker från cirkelns får man naturligtvis vidta specieila arrangemang för aggregataxelns radialiagring. såsom t. ex. att anbringa en cirkulär löpbana vid iagringsställena.

Claims (7)

1. 534 330 PATENTKRAV 1. Vertikalaxlat Vindkraftaggregat innefattande en vindturbin (2) med vertikal turbinaxel (3), ett torn (1) uppbärande vindturbinen (2), en generator (8) vid tornets (1) nedre ände och en aggregataxel (4) förbindande turbinaxeln (3) med generatorn (8) kännetecknat av att aggregataxeln (4) åtminstone till sin större del är av trä, är ihålig med en radlell väggtjocklek i intervallet 20-100 mm, är av skivor (10, 11) av laminarat trä eller plywoodskivor och är sammansatt av ett flertal vertikalt fördelade sektioner (4a - 4e), där vardera sektion (4a - 4e) har en längd i intervallet 5 - 30 m.

2. Vindkraftaggregat enligt patentkravet 1 kännetecknat av att skivorna (10, 11) förlöper i spiralform kring aggregataxelns centrumaxel.

3. Vindkraftaggregat enligt patentkravet 2 kännetecknat av att aggregataxeln (4) innefattar åtminstone två skikt av skivor (10, 11), vilka förlöper i inbördes motsatt spiralriktning.

4. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 3, kännetecknat av att aggregataxeln (4) har cirkulär tvärsnlttskontur med en diameter i intervallet 50 - 500 cm.

5. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 3 kännetecknat av att aggregataxeln har en tvarsnittskontur som uppvisar minst tre hörn.

6. Vindkraftsaggregat enligt patentkravet 5 kännetecknat av att konturens hörn är förbundna med räta linjer bildande en polygon.

7. Vindkraftsaggregat enligt patentkravet 5 kännetacknat av att konturens hörn är förbundna med bågformiga linjer. 10. 11. 12. 13. 14. 534 330 10 Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 7, kännetecknat av att sektionerna (4a - 4e) är förbundna genom förbindningsorgan (24) av stål. Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 8, kännetecknat av att aggregataxeln (4) på minst två från varandra axiellt åtskilda ställen är lagrad i tornet (1) och att aggregataxeln (4) vid dessa ställen uppvisar en runt om gående beklädnad av stål (27). Vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 9, kännetecknat av att aggregataxeln (4) är lagrad i minst två axiellt åtskilda stödanordningar ( 13), vardera stödanordning (13) innefattande minst tre stödkomponenter (15) som anligger mot aggregataxeln (4) och som är förbundna med tornets (1) insida. Vindkraftaggregat enligt patentkravet 10, kännetecknat av att vardera stödkomponent (15) innefattar två rullkroppar (16) anordnade på ett bärelement (17), vilket bärelement (17) är svängbart kring en vertikal axel mellan de båda rullkropparna (16). Axelkomponent (4a - 4e) som är avsedd att utgöra en sektion av en aggregataxel (4) som förbinder en turbinaxel (3) med en generator (8) i ett vertikalaxlat vindkraftaggregat, kännetecknar! av att sektionen (4a - 4e) åtminstone till sin större del är av trä, är ihålig med en radiell väggtjocklek i intervallet 20 - 100 mm och har en längd i intervallet 5 - 30 mm. Axelkomponent (4a - 4e) enligt patentkravet 12, kännetecknad av att axelkomponenten (4a - 4e) är utformad för att utgöra en sektion av aggregataxeln (4) vid ett vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 11. Förfarande vid uppförande av ett vindkraftaggregat med en vindturbin med en vertikal turbinaxel, ett torn uppbärande vindturbinen, en generator vid tornets nedre ände och en aggregataxel förbindande turbinaxeln med 534 330 11 generatorn, kännetecknat av att aggregataxeln tillverkas i huvudsak av trä, utformas ihålig med en radiell vâggtjocklek i intervallet 20 - 100 mm och skarvas ihop av ett flertal vertikalt fördelade sektioner, som vardera har en längd i intervallet 5 - 30 m och där vardera sektion sammanfogas av skivor av laminerat trä eller plywood. 15. Förfarande enligt patentkravet 14, kännetecknat av att föfarandet tillämpas för åstadkommande av ett vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 11. 16. Användning av ett vindkraftaggregat enligt något av patentkraven 1 - 11 för att leverera energi till ett elektriskt nät.