WO2024046518A1 - Windkraftanlage mit luftstromkonzentrator - Google Patents

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WO2024046518A1
WO2024046518A1 PCT/DE2023/000099 DE2023000099W WO2024046518A1 WO 2024046518 A1 WO2024046518 A1 WO 2024046518A1 DE 2023000099 W DE2023000099 W DE 2023000099W WO 2024046518 A1 WO2024046518 A1 WO 2024046518A1
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rotation
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Hernán HERNANDEZ MATOS
Berto Otilio Hernandez Gutierrez
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Hernandez Matos Hernan
Berto Otilio Hernandez Gutierrez
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    • F03D3/002—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being horizontal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Definitions

  • VWKA vertical rotation axis
  • HWKA horizontal
  • the efficiency of wind turbines is between 12 and 40% in terms of available power (Pdisp) in the airflow.
  • Wind turbine rotors are designed to reach their maximum efficiency at a certain speed (v) of airflow (W), so wind fluctuations affect the efficiency of wind turbines.
  • the airflow concentrator device with a cylindrical appearance (13) arranged concentrically and properly centered with respect to the vertical axis of the tower or mast (1) by means of the inner bearing (3) which in turn centers the support (12), in which the device connects the floor (13) and the ring sector (13-1) is attached to the lower end (see Fig. 14/18).
  • the device (13) is connected to the sliding shoes (10) by means of the disk (13-2), so that the aforementioned device and its components can move in a circular manner with respect to the vertical axis of the mast (1) (see RKB).
  • the component (13-1) in the upper part remains free, which allows the circulating passage of the disc (7).
  • the airflow concentrator device regardless of its external configuration, has three areas inside that are very important for regulating and controlling the operation of the wind turbines. These zones are:
  • Each zone is characterized by having an instantaneous energetic area (A) perpendicular to the direction of air flow (w), the dimensions of which are determined by the equations depending on the radius (R) and length (H) of the rotor, be described below.
  • A increase in (R) determined by the radial difference between the outside and inside diameters ( ⁇ t>) of the cylinder (13).
  • the air flow concentrator device is correctly calculated and designed in accordance with the legal requirements of geometry and aerodynamics so that it fulfills the following functions:
  • the torque is summarily converted by the hub (4) into a mechanical rotation force, which is converted into electrical power (Pext) by the generator system (19).
  • HWKA horizontal axis of rotation
  • component (8-1) and component (8) see Fig. 17/18 and 18/18.
  • -A rotor with a vertical axis of rotation in wind turbines (VWKA) which consists of 3 main blades and 3 complementary blades that are offset from each other and consists of the components (8,8-1 and 8-2) the complementary main and secondary components ( 8 and 8-2).
  • the component (8-2) in the complementary blade has pendulum windows (8-3) See Fig. 13/18, which remain open independently and only close between 240° and 332° rotation.
  • the components (8) of each blade are attached radially to the circumference of the hub (4), the internal design features of which are determined by the shape and dimensions of the mast (1).
  • the hub (4) (Fig. 1/18) at the upper end ends in a cavity that accommodates the bearing (2), centers it on the mast (1) and also enables the connection of the disc (7).
  • the lower and inner end of the hub (4) is specially designed to engage with the main gear (5) of the transmission, through which the rotational force is transmitted, in which the kinetic energy (Ecin) of the flow is converted.
  • the disks (7 and 7-1) are connected to each other by the components (8-2) which are aligned in the radial direction and with the components (8 and 8-1) which form rotor blades.
  • the disc (7) has on its upper side the runners (10), which hang from the circular beam (32) and support part of the weight of the segments that make up the rotor (see Fig. 5/18).
  • the axis of rotation is horizontal and their hub (4) consists of 6 blades consisting of components (8 and 8-1) which are suitably designed so that the component (8-1) is inserted inside can and the component (8) inserts the wing after 195° rotation.
  • the design of the rotor is such that it has massive resistance. This is achieved by the firmly connected components (8) forming a star-shaped structure (see Fig. 10/18), which gives the hub (4) a high level of mechanical strength, in both wind turbines (VWKA) and (HWKA) due to the different Power availability (Pdisp) required in the input zone (Ae) versus the rotor interaction zone (Ac) with already concentrated airflow.
  • concentration coefficient is very important for the structural design, as well as for controlling the operation of a(VWKA) - (HWKA) and together with the physical principle of conservation of mass and energy, they are important aspects in determining speed (V1 ) with which a given mass (fvi) moves when it traverses the surface (Ac) in the same unit of time that it (Ae) traversed with (v); Therefore the following results: 2 -
  • wv 1 x RH
  • viv(2RH+ ARH)— > v1 v(2+ A ) (GI-8)
  • a regulation and control system (SRC) (see Fig.16/18) which operates automatically through a suitably calculated program so that the wind turbine operates at its greatest efficiency at any value of the airflow speed range (w).
  • a tower or mast (1) See Fig. 1/16 for which the bearings (2) and (3) center the rotor hub (4) and the gear (5). The fact that it has a support and centering point inside is not shown in the drawings.
  • the tower, or mast has at its lower end a plate (1-2) through which it is attached to the support (6), and at the upper end it has the socket (1-1) to which the traverses (23 ) form the structural support - the round beams (32) and (33), on which the beams (10) hang and on the upper part of which the cover (24) sits.
  • An air flow concentrator device (see Fig.1/18; 7/18 and 8/18), consisting of the support (12) on which the device (13) is properly mounted and fixed, the circular sector (13 -1) that when closed, the movement of the component (8-1) of the rotor blade is limited and the dampers (22), which regulate the exit of the air flow (w).
  • the device for concentrating the air flow is concentric with respect to the mast (1) and the hub (4), thanks to the bearing (11) as it is properly mounted on the support (6), the device having a kinematic system at the bottom the positioning (Sp), consisting of the gear motor (15) and the grooved roller (15-1) and the rubber band (15-2), through which it is positioned in the signaled position by the regulation and control system (SRC).
  • a rotor whose hub (4) (see Fig.3/18) is the carrier and center of the components (7), (7-1), (8), (8-1) and (8-2). made up of 3 main leaves and 3 complementary leaves.
  • the hub (4) via the drive sprocket (5) and the other components of the transmission transmit the mechanical rotation force to the generator machine system (19).
  • the hub (4) On the wind turbines (VWKA) - (HWKA), the hub (4) only has the components (8 and 8-1) on the blades. See Fig. (17/18) and (18/18).
  • a regulation and control system (see Fig. 16/18) consisting of several sensors (14) to record the speed; the direction and other peculiarities and characteristics of the air flow (w) and the processor (14-1) converts into signals and data necessary for the aforementioned systems to function properly according to the previously designed program.
  • SRC control and command system
  • Fig.1/18- Front view in vertical section of the (VWKA) system consisting of a 4-segment rotor and its main components.
  • Fig. 2/18 View of the system from above.
  • FIG. 4/18 View from above of the rotor in section (A-A). It also shows how the air flow (w) approaches the wind turbine with a speed (v) greater than 0 m/s.
  • FIG. 6/18 - View from above of the rotor in section (A-A) also shows how the air flow (w) with a speed (v) greater than 0 m/s only makes up 50% of the flow when interacting with the rotor blades. Air (w) flows in a positive direction and the remaining 50% in a negative direction (see RRB).
  • the internal dimensions of the concentrator device are determined by the diameter and height of the rotor.
  • FIG. 9/18 Top view (D-D) (see Fig. 1/18), showing the possibility of independent circular movement of the air flow concentrator device with respect to the rotor. (See RKB)
  • RKB independent circular movement
  • Fig.12/18- Enlarged and simplified representation of Fig. 10/18 shows the following: how the component (8-1) of the rotor blade begins to open when 230° rotation is reached, forced by the limiting ring sector (13-1)
  • Fig. 13/18- Shows how the movement (RRB) of the rotor begins when one of the gates (22) is opened and how the component (8-1) remains open up to a rotation of 332° when it is moved by the thrust of the driven air flow (w), it returns to its closed position. Additionally, this illustration shows how 100% of the concentrated airflow reaching the wind turbine only flows through one half of the rotor. This has an extraordinary impact on the positive value of the power factor (Cp) of any wind turbine that may have an airflow concentrator device.
  • Cp power factor
  • Fig. 14/18- Shows how the components of the air flow concentrator device are arranged in its lower part according to section (CC) (see Fig. 7/18).
  • Fig. 15/18- Shows how the power generating machines (19) are arranged in the machine room (29) according to section (F-F) (see Fig. 7-18)
  • Fig. 16/18- Shows the diagram of the regulation and control system of a (VWKA) wind turbine.
  • FIG. 17/18 - Front view and vertical section of the (VWKA) system consisting of a 4-segment rotor and its main components.

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Abstract

Die Windkraftanlage mit vertikaler (VWKA) und/oder horizontaler (HWKA) Rotationsachse mit Luftstromkonzentrator ist eine atypische Windkraftanlage, die im Folgenden einfach als Erfindung bezeichnet wird. Sie zielt darauf ab, diese Anlagen sicherer und rentabler zu machen, sowie auch unter extremen Witterungsbedingungen mit hoher technisch-wirtschaftlicher Effizienz arbeiten. Die Erfindung verfügen neben dem Rotor (4) und der Luftstromkonzentratorvorrichtung (13) über einen Turm = Mast (1) und einen Maschinenraum (29) mit folgenden Systemen: Positionierkinematik, Erzeugungsmaschinen sowie Steuerung und Kontrolle, die Ihnen bei der Umwandlung von kinetischer Energie ein effizientes Arbeiten ermöglichen - selbst, wenn die Durchschnittsgeschwindigkeit der im Luftstrom enthaltenen Masse 3 m/s nicht überschreitet.

Description

4 BESCHREIBUNG
Die Erfindung wie in der Zusammenfassung angegeben
Die modernsten und bekanntesten Windkraftanlagen mit sowohl vertikaler Rotationsachse (VWKA), als auch horizontaler (HWKA) haben die folgenden Hauptmängel und technischen Probleme:
-Die Verwendung von bis zu 10 % der kinetischen Energie (Ecin) des Luftstroms (W), um den Rotor und den Rest der Maschinerie in Bewegung zu setzen.
-Der von Windkraftanlagen erreichte prozentuale Nutzen, oder Wirkungsgrad (Cp) ist sehr gering, wenn man die vom Rotor und Generator entnommene Leistung (Pext) mit der verfügbaren Leistung (Pdisp) im momentanen Energiebereich des durch den beschriebenen Kreis verglichen wird der Rotor in seiner Interaktionsbewegung mit dem Luftstrom (W). Als Ergebnis wird ein als leistungskoeffizient bekannter Koeffizient (Cp) erhalten, wobei
Cp = Pext/Pdisp. (GI-1 )
-Im Allgemeinen liegt der Wirkungsgrad von Windkraftanlagen zwischen 12 und 40 % in Bezug auf die verfügbare Leistung (Pdisp) im Luftstrom.
- Die aerodynamisch besten Windkraftanlagen erreichen 45%, obwohl das Betz-Limit festlegt, dass der physikalisch erreichbare Höchstwert des Leistungsbeiwerts (Cp) des Rotors einer Windkraftanlage 0,593% beträgt. Von diesem Wert werden der Wirkungsgrad der Antriebsleistung und der Wirkungsgrad des elektrischen Generators abgezogen, der je nach Belastungsgrad variiert.
-Windturbinenrotoren sind so konstruiert, dass sie ihre maximale Effizienz bei einer bestimmten Geschwindigkeit (v) des Luftstroms (W) erreichen, so dass Windschwankungen die Effizienz von Windturbinen beeinflussen.
Gesamtwirkungsgrad einer Windkraftanlage (nach Paul Gipe)
(GL-1)
Pdis=0,5 x p x A x V3 (GI-2)
Es ist bekannt, dass die verfügbare Leistung proportional ist :
-Die Massendichte des Luftstroms - p
-Der Bereich, durch den der Luftstrom strömt - A.
Figure imgf000003_0001
-Die Geschwindigkeit des Luftstroms in Würfel. - V3 -Sonstige technisch-wirtschaftliche Mängel konventioneller Windenergieanlagen
- Wenn die Geschwindigkeit (v) des Luftstroms (w) weniger als 4 m/s oder mehr als 10,8 m/s beträgt, ist es oft notwendig, aufgrund geringer Leistungsverfügbarkeit (Pdisp) anzuhalten, oder in den Strömungsabriss einzutreten, welche in den Rotor, oder seinen Komponenten für die elektromechanische, oder hydraulische Bremssysteme eingebaut und erforderlich sind.
-Ökologisch negative Auswirkungen aufgrund der Notwendigkeit eines großen Volumens der Umwelt
Natürlich wird es aus Sicherheitsgründen für andere sozioökonomische Zwecke unbrauchbar.
-Sie verursachen unangenehme visuelle Auswirkungen und Umgebungsgeräusche.
-Die hohen Investitionskosten in dem Maße, variieren je nach Grad der Sicherheit aufgrund von Naturphänomenen, sowie Vibrationen, welche die Installation beschädigen können.
- Hohe finanzielle Kosten für Transport und Installation.
-Ihre Nutzung ist noch nicht entscheidend für die Energiesouveränität eines Landes, auch nicht für den Schutz und den Erhalt der Umwelt.
4-2 Die Erfindung (Siehe Abb. 1/18; 2/18; 3/18; 4/18; 5/18; 6/18; 7/18; 8/18; 9/18; 10 /18 ;11/18 ; 12/18 ; 13/18 ; 14/18 ; 15/18; 16/18; 17/18 und 18/18) sollen zukünftig sehr sicher und profitabel sein und gleichzeitig die Mängel und die oben genannten technischen Probleme beheben.
Sie sieht für die Problembehebung neuartige technische-konstruktive Gestaltung vor, die sie insbesondere dadurch auszeichnen, dass sie:
-Eine Luftstromkonzentratorvorrichtung (W) mit einem zylindrischen Aussehen (13), die konzentrisch angeordnet und in Bezug auf die vertikale Achse des Turms oder Masts (1 ) mittels des Innenlagers (3) richtig zentriert ist, dass wiederum die Stütze zentriert (12), in dem die Vorrichtung den Boden verbindet (13) und der Ringsektor (13-1 ) am unteren Ende befestigt ist (siehe Abb.14/18). Im oberen Teil ist die Vorrichtung (13) mittels der Scheibe (13-2) mit den Gleitschuhen (10) verbunden, so dass sich die vorgenannte Vorrichtung und ihre Komponenten in Bezug auf die vertikale Achse des Mastes (1 ) kreisförmig bewegen können (siehe RKB). Das Bauteil (13-1) im oberen Teil bleibt frei, was den zirkulierenden Durchgang der Scheibe (7) ermöglicht. Die Luftstromkonzentratorvorrichtung hat unabhängig von ihrer äußeren Konfiguration drei Bereiche im Inneren, die sehr wichtig für die Regelung und Steuerung des Betriebs die Windenergieanlagen sind. Diese Zonen sind:
.Die Luftstromeintrittsfläche (Ae)
.Der Bereich der gemeinsamen Zirkulation des Luftstroms (w) ist bereits mit dem Rotor (Ac) konzentriert.
.Luftaustrittsfläche (As) Jede Zone ist dadurch gekennzeichnet, dass sie senkrecht zur Richtung des Luftstroms (w) eine momentane energetische Fläche (A) hat, deren Abmessungen durch die Gleichungen bestimmt werden, die in Abhängigkeit vom Radius (R) und der Länge (H) des Rotors, nachfolgend beschrieben werden. Fortsetzung:
Ae= 2RH+A RH=RH (2+A ) (GI-3)
Ac = RH (GI-4)
AS > RH (GI-5)
A = Zunahme von (R) bestimmt durch die radiale Differenz der Außen- und Innendurchmesser (<t>) des Zylinders (13).
Die innere Konfiguration der Konzentratorvorrichtung (13) des Luftstroms (w) hat ein zylindrisches Aussehen, dessen Durchmesser (0) = (2R) und die Länge (H) des Rotors, aber die äußere Konfiguration hängt von den Eigenschaften der Schutzstruktur ab, berechnet gegen die Druck- und Schubkräfte des Luftstroms (w) sowie gegen Lärm, Vibrationen und andere Besonderheiten des Projekts. Wenn die Option ein Zylinder ist (wie in Abb. 1/18, 12/18 und 13/18 dargestellt), hat er den folgenden Außendurchmesser:
0ext=2(R + AR) wobei AR > 0,05 < 0, 1 R (GI-6)
Die Luftstromkonzentratorvorrichtung ist gemäß den gesetzlichen Anforderungen der Geometrie und Aerodynamik richtig berechnet und konstruiert, so dass sie die folgenden Funktionen erfüllt werden:
Lassen Sie 100 % des Luftstroms (W), der spontan ankommt und sich zur Windkraftanlage verteilt (siehe Abb. 12/18 und 13/18), durch die Zone und die positive Wechselwirkungszeit des Flügels (8.8-1 und 8-2) vom Rotor (siehe RRB), d. h. von 0° bis 240° Drehung des Flügels, der beim Zusammenwirken mit dem bereits konzentrierten Luftstrom (W) einen großen Teil seiner kinetischen Energie (Ecin) in Drehmoment (Mt) umwandelt.
Das Drehmoment wird summarisch von der Nabe (4) in eine mechanische Rotationskraft umgewandelt, die von dem Generatorsystem (19) in elektrische Leistung (Pext) umgewandelt wird.
Gemäß dem Arbeitsprogramm, das für den Betrieb der Windkraftanlage entwickelt wurde starten, oder stoppen sie die Bewegung des Rotors.
Verhindern vom Durchgang des Luftstroms (W) in entgegengesetzter Richtung zur Rotation des Flügels zwischen 245° und 315° (siehe RRB), was in Windkraftanlagen durch die autonome und synchronisierte Aktion der Komponenten erreicht wird (13-1) und Komponente (8-1) des Rotorblatts. Komponente (8-1) kehrt in ihre ursprüngliche Position bei einer Rotation von 332° zurück, die durch die Schubkraft des Luftstroms (w) erzwungen wird (siehe Abb.13/18).
In Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse (HWKA) wird durch Einfügen von Bauteil (8-1) und Bauteil (8) (siehe Abb. 17/18 und 18/18). -Ein Rotor mit vertikaler Rotationsachse in den Windkraftanlagen (VWKA), der aus 3 Hauptblättern und 3 komplementären Blättern besteht, die miteinander im Versatz stehen und aus den Komponenten (8,8-1 und 8-2) den komplementären Haupt- und Nebenkomponenten (8 und 8-2) bestehen. Das Bauteil (8-2) in der komplementären Schaufel hat Pendelfenster (8-3) Siehe Abb.13/18, die selbständig offen bleiben und sich nur zwischen 240° und 332° Drehung schließen. Die Komponenten (8) jedes Blattes sind radial am Umfang der Nabe (4) befestigt, deren innere Konstruktionsmerkmale durch die Form und die Abmessungen des Mastes (1 ) bestimmt werden.
Die Nabe (4) (Abb. 1/18) am oberen Ende endet in einem Hohlraum, der das Lager (2) aufnimmt, es auf den Mast (1 ) zentriert und auch die Verbindung der Scheibe (7) ermöglicht. Das untere und innere Ende der Nabe (4) ist extra so gestaltet, dass es mit dem Hauptzahnrad (5) des Getriebes in Eingriff steht, durch das die Rotationskraft übertragen wird, in der die kinetische Energie (Ecin) der Strömung umgewandelt wird. Luft (W), die vom Rotor angesaugt wird, damit die Generatoren sie in elektrische Leistung (Pext) umwandeln.
Die Scheiben (7 und 7-1) sind durch die Bauteile (8-2) miteinander verbunden, die in radialer Richtung ausgerichtet und mit den Bauteilen (8 und 8-1), die Rotorblätter bilden. Die Scheibe (7) hat an seiner oberen Seite die Kufen (10), die an dem kreisförmigen Balken (32) hängen und einen Teil des Gewichts der Segmente tragen, aus denen der Rotor besteht (siehe Abb. 5/18).
Bei den Windkraftanlagen (HWKA) ist die Rotationsachse horizontal und ihre Nabe (4) besteht aus 6 Blättern, die aus Komponenten (8 und 8-1 ) bestehen, die geeignet gestaltet sind, so dass das Bauteil (8-1) innen eingesetzt werden kann und die Komponente (8) nach 195° Drehung den Flügel einfügt.
Das Design des Rotor ist so ausgelegt, dass er eine massive Resistenz hat. Dies wird erreicht indem die fest miteinander verbundenen Bauteile (8) eine sternförmige Struktur bilden (siehe Abb. 10/18), die der Nabe (4) eine hohe mechanische Festigkeit verleiht, bei beide Windkraftanlagen (VWKA) und (HWKA) aufgrund der unterschiedlichen Leistungsverfügbarkeit (Pdisp) in der Eingangszone (Ae) gegenüber der Rotorinteraktionszone (Ac) mit bereits konzentriertem Luftstrom erforderlich.
Die technische Grundlage des Obigen ergibt sich aus dem Ergebnis der folgenden anschaulichen Beispiele:
1. - Die Beziehung zwischen (GI-3) und (GI-4), also Ae und Ac
Ae/Ac= (2RH+ARH )/RH= (RH (2+A))/RH=2+A=Ck (GI-7)
Der dimensionslose Ausdruck namens Konzentrationskoeffizient (Ck) ist sehr wichtig für das konstruktive Design, sowie für die Steuerung des Betriebs eines(VWKA) - (HWKA) und zusammen mit dem physikalischen Prinzip der Erhaltung von Masse und Energie sind es wichtige Aspekte zur Bestimmung der Geschwindigkeit (V1 ), mit der sich eine gegebene Masse (fvi) bewegt, wenn sie die Fläche (Ac) in der gleichen Zeiteinheit durchquert, die sie (Ae) mit (v) durchquert hat; Daher ergibt sich Folgendes: 2 - |w v 1 x RH = |viv(2RH+ ARH)— > v1 =v(2+ A ) (GI-8)
Daher ersetzt die Leistungsverfügbarkeit (Pdisp) in (Ae) jeder Windkraftanlage mit einem Rotor 0 = 10 m, H = 5 m, einer V von 6 m/s und p = 1 ,225 kg/ m3 diese Werte in der Formel (GL-2) Pdisp=0,5 x p x A x V3
3. Pdisp in Ae = 0,5 x 1 ,225 x 10 x5 x6 x6 x6 = 6,615 kw.
Und die Verfügbarkeit von (Pdisp) in (Ac) einer Windkraftanlage mit ähnlichen Eigenschaften, aber mit dem (VWKA) - (HWKA) -Design ist:
4. -Pdisp in Ac = 0,5 x 1 ,225 x 5 x 5 x 6 (2+0,05) x 6 (2+0,05) x 6 (2+0,05) = 28,4945 kw
Das letzte Ergebnis zeigt die Notwendigkeit eines Rotors mit hoher mechanischer Festigkeit und weist auch darauf hin, dass die meisten der in Abschnitt 4-1 beschriebenen Mängel und technischen Probleme durch die Verwendung eines richtig berechneten Luftstromkonzentrators für jede Windkraftanlage gelöst werden, durch die Bedingungen, wo es montiert wird.
-Ein Getriebe mit mehreren Ausgängen, das richtig berechnet und ausgelegt ist, so dass es durch die Komponenten (5; 5-1 und 20) siehe Abb. 15/18 die von der Buchse (4) erreichte Rotationskraft auf das System der erzeugenden Maschinen (19) überträgt, diese in elektrische Leistung (Pext) umwandeln, für die das Steuer- und Regelsystem in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v) des Luftstroms (W) einen, oder mehrere der 4 Synchrongeneratoren mit variabler Geschwindigkeit sowie einen mehrpoligen Ring einschaltet, die das System der Erzeugungsmaschinen (19) hochfahren.
— Ein Regelungs- und Steuerungssystem (SRC) (siehe Abb.16/18), das automatisch durch ein geeignet berechnetes Programm arbeitet, damit die Windkraftanlage bei jedem Wert des Luftstromgeschwindigkeitsbereichs (w) mit ihrer größten Effizienz arbeitet.
Die zuvor genannten technisch innovativen Aspekte ermöglichen es den (VWKA) - (HWKA) - Anlagen, unabhängig von ihrer Größe als Mini- oder Megaanlage, die im Luftstrom enthaltene kinetische Energie (W) mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Leistung umzuwandeln, selbst wenn die durchschnittliche Geschwindigkeit (v) des Luftstroms 3 m/s nicht überschreitet, ermöglichen sie es auch, hybride Installationen (Wind-Photovoltaik) zu entwerfen, die in jedem geografischen Gebiet mit einer Luftstromgeschwindigkeit von 1 ,4 m/s effizient arbeiten können.
4-3. Im Folgendem wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren (Fig 1/18 bis 18/18) näher erläubert . Es zeigen die Hauptkomponenten und ihre Wechselbeziehung in einer (VWKA) - (HWKA) Windanlage.
• Ein Turm, oder Mast (1 ) Siehe Abb. 1/16 bezüglich dessen die Lager (2) und (3) zentrieren die Rotornabe (4) sowie das Zahnrad (5). Das= er im Inneren einen Stütz- und Zentrierpunkt hat, ist in den Zeichnungen nicht dargestellt. Der Turm, oder Mast hat an seinem unteren Ende eine Platte (1-2), durch die er an der Stütze (6) befestigt ist, und am oberen Ende hat er die Buchse (1-1), an der die Traversen (23) die Strukturstütze bilden - der Rundbalken (32) und (33), an denen die Balken (10) hängen und auf deren oberen Teil die Abdeckung (24) sitzt.
• Eine Luftstromkonzentratorvorrichtung (siehe Abb.1/18; 7/18 und 8/18), bestehend aus dem Träger (12), auf dem die Vorrichtung (13) richtig montiert und befestigt ist, dem kreisförmigen Sektor (13 -1) das im geschlossenen Zustand die Bewegung des Bauteils (8-1) des Rotorblatts begrenzt und die Dämpfer (22), die den Austritt des Luftstroms regulieren (w). Die Vorrichtung zum Konzentrieren des Luftstroms ist in Bezug auf den Mast (1) und die Nabe (4), dank des Lagers (11) konzentrisch, da es richtig auf dem Träger (6) montiert ist, wobei die Vorrichtung unten ein kinematisches System von der Positionierung (Sp), bestehend aus dem Getriebemotor (15) und der gerillten Rolle (15-1) und dem Gummiband (15-2), durch das es in der signalisierten Position vom Regel- und Steuersystem (SRC) positioniert wird.
• Ein Rotor, dessen Nabe (4) (siehe Abb.3/18) Träger und Mittelpunkt der Bauteile (7), (7-1), (8), (8-1) und (8-2) ist, bestehen aus 3 Hauptblättern und 3 komplementären Blättern. Die Nabe (4) über das Antriebskettenrad (5) und die anderen Komponenten des Getriebes übertragen die mechanische Rotationskraft auf das Generatormaschinensystem (19). Bei den Windkraftanlagen (VWKA) - (HWKA) hat die Nabe (4) nur die Bauteile (8 und 8-1) an den Flügeln. Siehe Abb. (17/18) und (18/18).
• Ein System von Stromerzeugungsmaschinen (19), bestehend aus 4 Synchrongeneratoren mit variabler Drehzahl und einem mehrpoligen Ring (siehe Abb. (15-18).
• Ein Regel- und Steuersystem (SRC) (siehe Abb. 16/18) bestehend aus mehreren Sensoren (14) zur Erfassung der Geschwindigkeit; die Richtung und andere Besonderheiten und Eigenschaften des Luftstroms (w) und der Prozessor (14-1) in Signale und Daten umwandelt, die erforderlich sind, damit die vorgenannten Systeme gemäß dem zuvor entworfenen Programm richtig funktionieren.
• Einen Maschinenraum (29) mit einer Tragstruktur (6), ausreichend berechnet und vorbereitet für die Montage der vorgenannten Systeme und Komponenten, sowie der elektromagnetischen Bremsen (18), die dazu bestimmt sind, die Vorrichtung zum Konzentrieren des Luftstroms (w) in der vom Steuer- und Befehlssystem (SRC) angezeichneten Position (’+’) festzuhalten.
4-4 Bedeutung der in Ziffer 4-3 genannten Ziffern:
Abb.1/18- Vorderansicht im Vertikalschnitt der (VWKA)-Anlage, bestehend aus einem 4- Segment-Rotor und seinen Hauptkomponenten.
Abb. 2/18 — Ansicht von oben auf die Anlage.
Abb. 3/18- Vorderansicht im Vertikalschnitt, die die Nabe (4) und die anderen Komponenten des Rotors zeigt.
Abb. 4/18 Ansicht von oben auf den Rotor im Schnitt (A-A). Es zeigt auch, wie sich der Luftstrom (w) mit einer Geschwindigkeit (v) größer als 0 m/s der Windkraftanlage nähert.
Abb. 5/18- Vorderansicht im Vertikalschnitt, die die Nabe (4) und die anderen Komponenten des Rotors zeigt und ableiten lässt, dass die Länge (H) des Rotors gleich der Summe der Segmente ist, aus denen er besteht.
Abb. 6/18- Ansicht von oben auf den Rotor im Schnitt (A-A) zeigt auch, wie der Luftstrom (w) mit Geschwindigkeit (v) größer 0 m/s beim Zusammenwirken mit den Rotorblättern nur noch 50% der Strömung ausmacht. Luft (w) strömt in positiver Richtung und die restlichen 50% in negativer Richtung (siehe RRB ).
Abb. 7/18 - Vorderansicht im Vertikalschnitt, die die Luftstromkonzentratorvorrichtung und ihre Hauptkomponenten (13) und (13-1) isoliert auf dem Träger (12) montiert zeigt. — Hinweis: Die Innenmaße des Konzentratorgeräts werden durch den Durchmesser und die Höhe des Rotors bestimmt. Abb. 8/18- Ansicht von oben (B-B), welche die Anordnung der Tore (22) im geschlossenen Zustand zeigt, aber auch die Konfiguration des Ringsektors (13-1), der den geschlossenen Zustand des Bauteils (8-1) des Rotorblattes begrenzt. Die grafische Darstellung dieser Ansicht zusammen mit denen der Abbildungen (7/18), (12/18) und (13/18) erleichtern das Verständnis dessen, was in Epigraph (4-2) bezüglich der Dimensionen des Momentanenergiebereichs ( Ae=HR (2+A), am Einlass der Luftstromkonzentratorvorrichtung geschieht.
Abb. 9/18 - Ansicht von oben (D-D) (siehe Abb. 1/18), die die Möglichkeit einer unabhängigen kreisförmigen Bewegung der Luftstromkonzentratorvorrichtung in Bezug auf den Rotor zeigt. (Siehe RKB)
Abb. 10/18- Ansicht von oben (E-E) Siehe (Abb. 1/18), zeigt die Möglichkeit einer unabhängigen kreisförmigen Bewegung (RKB) der Luftstromkonzentratorvorrichtung in Bezug auf den Rotor und den Moment, in dem die Komponente ( 8-1) des Rotorblattes beginnt mit den im Begrenzer (13-1) befindlichen Rollen (31) zusammenzuwirken.
Abb. 11/18- Ansicht von oben einer (VWKA)-Anlage, ohne Abdeckung, oder Dach (24), die die Anordnung der Traversen (23) in Bezug auf den Turm, oder Mast (1) zeigt, sowie die Position der kreisförmigen Balken (32 und 33) und wie die Kufen (10) und (10-1) daran hängen.
Abb.12/18- Vergrößerte und vereinfachte Darstellung von Abb. 10/18 zeigt folgendes: wie sich die Komponente (8-1) des Rotorblatts bei Erreichen von 230° Rotation zu öffnen beginnt, erzwungen durch den Begrenzungsringsektor (13-1)
.Da die Tore (22) alle geschlossen sind, bewegt sich der Rotor nicht, das heißt es gibt kein (RRB).
.das es keine Bewegung des Rotors gibt und die Geschwindigkeit des Luftstroms (W) größer ist als 0 m/s werden die zwei Zonen mit unterschiedlichem atmosphärischen Druck erzeugt, eine (+++) an der Vorderseite der Windkraftanlage und eine weitere ( — ) an der Rückseite.
Abb. 13/18- Zeigt, wie beim Öffnen eines der Tore (22) die Bewegung (RRB) des Rotors beginnt und wie das Bauteil (8-1) bis zu einer Drehung von 332° geöffnet bleibt, wenn es durch den Schub des angetriebenen Luftstroms (w), kehrt es in seine geschlossene Stellung ein. Darüber hinaus zeigt diese Abbildung, wie 100 % des Luftstroms, der konzentriert die Windkraftanlage erreicht, nur durch eine Hälfte des Rotors strömt. Dies hat einen außerordentlichen Einfluss auf den positiven Wert des Leistungsfaktors (Cp) jeder Windanlage, die eine Luftstromkonzentratorvorrichtung haben kann.
Abb. 14/18- Zeigt, wie die Komponenten der Luftstromkonzentratorvorrichtung in ihrem unteren Teil gemäß Abschnitt (CC) angeordnet sind (siehe Abb. 7/18).
Abb. 15/18- Zeigt, wie die Stromerzeugungsmaschinen (19) im Maschinenraum (29) gemäß Abschnitt (F-F) angeordnet sind (siehe Abb. 7-18)
Abb. 16/18- Zeigt das Schema des Regelungs- und Steuerungssystems einer (VWKA)- Windanlage.
Abb. 17/18 - Vorderansicht und Vertikalschnitt der (VWKA)-Anlage, bestehend aus einem 4- Segment-Rotor und seinen Hauptkomponenten.
Abb. 18/18 - Seitenansicht der (HWKA)-Installation im seitlichen Kern ( L - L ) 4.5- Referenzliste und Abkürzungen
• Turm oder Mast • (1)
• Nabe mit Platte • (1-1) mechanisches Kettenblatt • (1-2)
Lager • (2)
Lager • (3)
Rotornabe • (4)
Hauptantriebsrad • (5)
Kettenrad • (5-1)
Unterstützung für die Montage der
/laschinen • (6)
Obere Rotorscheibe • (7)
Untere Zwischenscheibe vom Rotor • (7-1)
Zentraler Bestandteil der Flügel • (8)
Zwischenkomponente der • (8-1) ilätter (im eine HWKA ist das Bauteil einsteckbar.)
Außenteil der Blätter • (8-2)
Scharnier (bei eine HWKA ist es eine Verbindungsstange) • (9)
Kufen • (10)
Lager • (11)
Unterstützung für Luftstromkonzentratorgeräte • (12)
Luftstromkonzentrator • (13)
Geschlossener Zustand begrenzender Ringsektor von (8-1) • (13-1)
Obere Platte des Luftstromkonzentrators • (13-2)
Luftstromsensorparameter • (14)
Prozessor • (14-1)
Getriebemotor • (15)
Rillenwalze • (15-1) Kreisförmiger Balken mit Gummiband an der Unterseite des Luftstromkonzentrators • (15-2)
Geräusch- und vibrationshemmendes Material • (16)
Luftstromregler • (17)
Elektromagnetische Bremse • (18)
Generator mit variabler Drehzahl und • (19) mehrpoliger Ring
Kupplung • (20)
Gewicht (Gegengewicht) • (21)
Tor • (22)
Traversen • (23)
Dach • (24)
Spannbügel • (25)
Spanner • (26)
Wasserabfluss • (27)
Batteriebank • (28)
Maschinenraum • (29)
Tür • (30)
Vertikalrille • (31)
Rundbalken • (32 und 33)
Niederspannungsleitung • (34)
Transformator • (35)
Hochspannungsleitung • (36)
Stromnetz • (37)
Gleichrichter • (38)
Wechselrichter • (39)
Hochdruckzone ( +++)
Niederdruckzone ( — ) Abkürzungen
WKA - Windkraftanlage
HWKA - Horizontale Windkraftanlage
VWKA - Vertikale Windkraftanlage
Eoin- Kinetische Energie
P — Leistung-sfähigkeit- (Kw)
Cp — Leistungskoeffizient % v — Geschwindigkeit (m/s)
W — Strömungsgeschwindigkeit (m/s) 1 — Azimutwinkel
A — Umdrehungen pro Minute (U/min)
Mt- Moment des Drehmoments (Nm)
0 — Durchmesser (m)
R — Radius (m)
H-Länge (m)
SWK: Luftstromkonzentrator
SMC: Befehls- und Kontrollsystem
Pext - entnommene Leistung (Kw)
Pdisp: Verfügbare Leistung (Kw)
Ae: Luftstromeintrittsfläche m2
Ac — Interaktionszone des Luftstroms mit Rotor
As — Luftstrom-Austrittsfläche m2
A Wachstum
AR>0,05<0,1R
(2+A) = Konzentrationskoeffizient
Abb. — Abbildung
|vi — Masse des Luftstroms (Kg) p - Massenstromdichte von Luft
Gl- Gleichung

Claims

5- ANSPRÜCHE
I. Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse (1 -18) oder horizontaler Rotationsachse (1-17) und Luftstromkonzentrator (13) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusammengesetzt ist aus:
- Einer konzentrator Vorrichtung (13), die den Luftstrom konzentriert, der die Windkraftanlage erreicht.
- Ein Rotor (4) mit 3 Hauptblättern(8,8-1 ,8-2) und 3 komplementären Blättern (8,8-2)
- Ein Stromerzeugungssystem (19), das mit 4 Stromerzeugungsmaschinen ausgestattet ist.
II. Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse (1-18) oder horizontaler Rotationsachse (1-17) und Luftstromkonzentrator (13) nach Anspruch I dadurch gekennzeichnet der Luftstromkonzentrator (siehe Abb. 7/18, 8/18, 9/18, 10/18; 12/18, 13/18; 14/18,15/18 und (17/18) ordnungsgemäß montiert und mittels des Lagers (11 ) in Bezug auf den Turm oder Mast (1 ) zentriert und mittels der Kufen (10) an dem kreisförmigen Träger (33) aufgehängt ist. Das besagte Gerät besteht aus:
-Einem Begrenzer (13-1) der Schließbewegung des Bauteils (8-1 ) des Rotorblattes zwischen 230° und 332° Drehung nach (RRB)
- Eine Gruppe von Toren (22), durch die der Durchgang des konzentrierten Luftstroms (W) durch das Innere der Windkraftanlage reguliert oder gestoppt wird.
- Ein kinematisches Positionierungssystem, bestehend aus dem Getriebemotor- (15) und dem Zahnrad (15-1), das auf der Basis montiert ist - Träger (6) und in geeigneter Weise mit dem Gummiband (15-2) gekoppelt ist, durch das die Sätze SWK an der Wert des Azimutwinkels ('+’) in Bezug auf die Luftstromrichtung, der vom SRC gefordert wird.
- Ein Satz elektromagnetischer Bremsen (18), die die Bremswirkung des Getriebemotors im Stillstand ergänzen (15).
Der oben erwähnte Satz von Komponenten ermöglicht es der Konzentratorvorrichtung (13), 100 % des Luftstroms (w), der die Windkraftanlage erreicht, durch die positive Wechselwirkungszone des Rotors zu leiten, wo die Blätter und die Nabe in Kraftdrehmechanik umgewandelt werden, ein Großteil der im Luftstrom (W) enthaltenen kinetischen Energie bereits konzentriert; was den Wirkungsgrad der Rotorarbeit mindestens verdoppelt.
III. Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse (1-18) oder horizontaler Rotationsachse (1- 17) und Luftstromkonzentrator (13) nach Anspruch I, ein aus mehreren Segmenten zusammengesetzter vertikaler Rotor (4) (siehe Abb. 3/18, 4/18, 5/18, 6/18 und 17/18), die einen Rotor(4) mit 4 Segmenten zeigen, die zusammengefügt die Nabe (4) bilden, die richtig durchzentriert ist, die Lager (2) und (3) im Turm oder Mast (1)
Der Rotor(4) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente, aus denen er besteht, aus 3 Hauptblättern (8, 8/1 , 8/2) und 3 komplementären Blättern (8,8/2) aufgebaut ist, welche an der Scheibe (7) oben befestigt sind, die an dem kreisförmigen Träger (32) mittels Kufen hängen Die Hauptblätter bestehen aus dem Teil (8), der die Nabe (4) verbindet, und den Teilen (8-1) und (8-2), die durch den Gelenkmechanismus (9) miteinander verbunden sind, und wiederum dem Teil (8-2) an seinem oberen Ende an der Scheibe (7) und an seinem unteren Ende an der Scheibe (7-1) befestigt. Die Blätter wandeln bei Wechselwirkung mit dem konzentrierten Luftstrom (W) eine größere Teil der kinetischen Energie in ein Drehmoment um, das es zusammen mit der Nabe (4) in eine mechanische Rotationskraft umwandelt und über das Hauptkettenrad (5) überträgt sowie die anderen Komponenten des Getriebes an das System der Stromerzeugungsmaschinen (19), die ihn wiederum in elektrische Leistung (Pext) umwandeln.
Die komplementären Blättern bestehen nur aus den Teilen (8) und (8-2). Diese Blätter werden zwischen die Hauptblätter eingefügt, um:
• um den konstruktiven Aufbau des Rotors zu verstärken, dass er im Betrieb mindestens 2- bis 3-mal höheren Belastungen ausgesetzt ist als der Rotor einer normalen klassischen Windkraftanlage.
• zusammen mit dem Begrenzer (13-1) Abb. (12/18) und (13/18) wird garantiert, dass innerhalb der Windkraftanlage eine Hochdruckzone entsteht, die das Anfahren, der Windkraftanlage des Rotors mit sehr geringer Windgeschwindigkeit erleichtert.
Die komplementären Blätter bieten dem Luftstrom im Bereich der formschlüssigen Wechselwirkung des Rotors mit dem Luftstrom praktisch keinen Widerstand, da das Bauteil (8- 2) Pendelfenster (8-3) aufweist, die verbleiben offen zwischen 0 ° und 330 ° Rotordrehung Siehe RRB
IV. Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse (1-18) oder horizontaler Rotationsachse (1- 17) und Luftstromkonzentrator (13) nach Anspruch I und Anspruch III dadurch gekennzeichnet ein Rotor (4) mit 6 Blätterrn mit Gleitelementen es besteht aus.
Der Rotor ist dadurch gekennzeichnet, dass die ihn bildenden Segmente aus 6 Blättern aufgebaut sind, die aus den Teilen (8) bestehen, die an der Nabe (4) befestigt sind, und den Teilen (8-1), die während der Drehbewegung an der Nabe im Inneren der Komponenten gleiten können (8) Wenn die Blätter mit dem konzentrierten Luftstrom (W) Zusammenwirken, wandeln sie einen Teil der kinetischen Energie in ein Drehmoment um, das sie zusammen mit der Nabe (4) in Rotation umwandeln in mechanische Kraft und überträgt sie über das Hauptkettenrad (5) und die anderen Komponenten des Getriebes auf das System der Stromerzeugungsmaschinen (19), die sie wiederum in elektrische Leistung (Pext) umwandeln.
Es folgen 12 Seiten mit Zeichnungen
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DE2800551A1 (de) * 1978-01-07 1979-07-12 Kiehn Paul Wind- oder wasser-turbinen-anlage
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EP3677771A1 (de) * 2019-01-07 2020-07-08 Dirk Petersen Vertikale windenergieanlage

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