NO781910L - Fremgangsmaate og anordning for utnyttelse av vindkraft - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for utnyttelse av vindkraft med høy virkningsgrad.

Det er kjent at vindenergi er kjennetegnet ved lav effektkonsentrasjon

og sterk variasjon med tiden. Effekten i vanlig vind er proposjonal med kuben av vindhastigheten og dette forhold betyr at hvis en setter effekten ved en vindhastighet på 16 km/time til verdien 1, vil en vind med hastighet på 160 km/time ha en effekt tilsvarende en verdi på 1000.

Ved frembringelse av elektrisk effekt på grunnlag av vindkraft vil denne sterke variasjon av tilgjengelig effekt være en ugunstig faktor av to grunner, nemlig: 1) ved de enkle systemer som anvendes for nærværende, kan oppfangnings-virkningsgraden for vindkraft i visse tilfeller være forholdsvis høy,

nemlig av størrelsesorden 40 % - .45 %, men dette vil bare være tilfelle innenfor et smalt område omkring en viss vindhastighet som betegnes som referansehastigheten, mens virkningsgraden vil falle raskt utenfor dette område, særlig ved høye vindhastigheter.

2) den således frembragte elektriske kraft vil ha en egenskap av såkalt

"overskuddskraft", hvilket vil si kraft som kan utnyttes når den er tilgjengelig, eller enn når den er påkrevet. Denne type kraft har liten verdi i den betydning at sådan overskuddskraft må tilbys brukere til lavere pris enn uttrykkelig bestilt kraft.

De vanligste vindgeneratorer er for tiden den type sem har konstant hastighet og gir konstant frekvens, med forkortet betegnelse CSCF. Ved de mest effektive av disse generatorer kan det ved hastigheter nær referansehastigheten fra en vindkraft av antatt verdi 100 oppnås en maksimal virkningsgrad på 40 % - 45 %, målt som mekanisk effekt på rotorakselen, og den tilsvarende virkningsgrad for anvendbar elektrisk kraft vil da ligge i området 34 % - 39 %. Da det imidlertid vil være driftsperioder hvorunder forholdene er langt fra optimale, vil den totale virkningsgrad målt over lengre tidsperioder være betraktelig lavere enn den som er angitt ovenfor, og omtrent bare en tredje del av denne, således at de tilsvarende verdier for den mekaniske effekt på rotorakselen vil være 26,7 % - 30 %, mens virkningsgraden for den anvendbare elektriske effekt vil være 22,7 % - 26 %.

For å overvinne denne ulempe er det konstruert noen få generatorer utført for variabel hastighet, men konstant frekvens, og som betegnes VSCF - generatorer. Den elektriske del av disse generatorer er noe komplisert,

da den primærstrøm som frembringes har variabel frekvens og således først må omformes til likestrøm for å drive en vekselsstrømgenerator ut-ført for å levere elektrisk effekt ved standardisert nettfrekvens. Disse omforminger medfører naturligvis tap. Som en sammenfatning kan det da angis at økningen i virkningsgrad med hensyn på elektrisk effekt i sådanne generatorer bare gir 10 % høyere virkningsgrad enn i de tidligere nevnte CSCF-generatorer. Forskning er naturligvis i gang på dette området over hele verden for å komme frem til mer tilfredstillende resultater. I Italia er det f.eks. konstruert en prøvegenerator med liten effekt og hvori det er anordnet en tannhjuloverføring innrettet for automatisk hastighetsfor-andring mellom vindrotoren og den elektriske generator (med konstant cmdreiningstall), og denne konstruksjon synes å tillate drift under optimale betingelser for mer enn en enkelt verdi av vindhastigheten.

Det er likeledes kjent at den effektvirkningsgrad som kan oppnås ved en vinddrevet skovlrotor alltid er en funksjon av det "lambda" -forhold som i drift foreligger mellom skovlenes periferihastighet (*) R (hvori OJ er rotorens vinkelhastighet og R er dens skovlradius) og vindhastigheten V.

For hver rotor foreligger det et sådant lambda-forhold hvorved virkningsgraden er maksimal.

Utfra de data som foreligger i den tekniske faglitteratur, er det f.eks. kjent at en 4-bladers horisontal rotor gjør det mulig å oppnå en effektvirkningsgrad nær 45 % for = 9. Virkningsgraden ligger videre over 40 % for kcmpromissverdier mellom 6 og 12, men faller raskt utenfor dette området og blir ca. 35 % for Å = 14, 27 % for A = 16 og omtrent 20 % for

A = 17, for at vindkraften skal kunne utnyttes på best mulig måte er det således viktig at verdien av Å alltid bibeholdes i nærheten av optimal-verdien.

Det er således et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et vindkraftanlegg som gjør det mulig å opprettholde verdien av A konstant i nærheten av dens optimal verdi, uavhengig av vindhastigheten, f.eks. innenfor hele området fra 10 km/time til 100 km/time.

Dette oppnås ved kontinuerlig innstilling, som en funksjon av vindhastigheten, både det dreimoment som motsetter seg rotorens rotasjon (motstands-moment) og verdien av den mekaniske effekt sem utvinnes fra anlegget.

Videre anvendes den frembragte mekaniske effekt til å drive pumper med

frem- og tilbakegående bevegelse for pumping av vann. Sådant vann under trykk anvendes direkte for å drive en vannturbin som er koblet til en vekselstrømgenerator.. Overskudd vann overføres til en overliggende tank, hvorfra vann under trykk tas ut i tilfelle behovet for elektrisk kraft overskrider den effekt som er direkte tilgjengelig. Dette anlegg kan f.eks. omfatte en stenpelpumpe, fortrinnsvis av dobbeltvirkende type, hvis stempel, som drives av en skovlrotor under påvirkning av vinden, har varierende stempelslag i avhengighet av rotorens cmdreiningstall.

Foreliggende oppfinnelsesgjenstand vil nå bli nærmere forklart under henvisning til den eneste figur på den vedføyde tegning, som skjematisk viser et ikke-begrensende utførelseseksempel for et anlegg i henhold til oppfinnelsen.

Et løpehjul 1 er ved hjelp av passende koblingsforbindelse forbundet med anleggets vinddrevne skovlrotor og er utført med et radialt føringsspor 2, hvori det er anordnet en glider 3 for radial glidebevegelse. På glideren 3 er ytterenden 4 av en forbindelsesstang 5 dreibart opplagret, og denne stang er i sin tur tilsluttet stempelstangen 6 for stempelet 7, sem er anordnet for frem- og tilbakegående bevegelse i en sylinder 8. Glideren 3 og således ytterenden 4 av forbindelsesstangen 5 kan forskyves fra midten av svinghjulet (hvilket tilsvarer en slaglengde lik 0 for stempelet)

til hjulets omkrets ( som tilsvarer maksimal slaglengde for stempelet).

Denne forskyvning innstilles som en funksjon av rotorens omdreinings-

tall pr. tidsenhet, som i sin tur er en funksjon av vindhastigheten.

Som antydet ovenfor, bør forholdet mellom rotorens periferihastighet og vindhastigheten ikke være gjenstand for store variasjoner, hvis høy virkningsgrad skal opprettholdes. Det er også tidligere nevnt at den effekt som foreligger i vindbevegelsen er proporsjonal med tredje potens av vindhastigheten. For å holde rotorens periferihastighet omtrent proporsjonal med hastigheten, således at lambda-forholdet er tilnærmet konstant, er det derfor nødvendig å absorbere den effektvariasjon som finner sted etter som vindhastigheten varieres.

I det anlegg i henhold til oppfinnelsen som er beskrevet ovenfor er dette oppnådd. Når vindhastigheten økes, vil faktisk rotorens omdreiningstall ha en tendens til å øke i en grad som overskrider den nødvendige økning for å holde lambda-forholdet konstant. Den ovenfor angitte regulering-innretning i henhold til oppfinnelsen vil imidlertid tre i virksomhet og medføre at glideren forskyves mot løpe hjulets omkrets, således at stempel-slaget økes, hvilket fører til en økning av pumpet vannmengde og således tilsvarende økning av opptatt effekt. Mellom rotoren og løpehjulet vil det også være mulig å anordne et hastighetsforandrende tannhjuldrev av kjent utførelse, som et tillegg til den regulering som oppnås ved variasjon av stillingen av forbindelsesstangens ytterende på løpehjulet.

Som tidligere angitt, er den-'•reguleringsinnretning som er beskrevet oven-

for bare å betrakte som et utførelseseksempel, som på ingen måte begrenser den måte hvorpå foreliggende oppfinnelsesgjenstand kan bringes til utførelse. Oppfinnelsens grunnleggende ide kan således bringes til praktisk utførelse ved hjelp av en hvilken som helst pumpeinnretning som tillater den pumpede vannmengde, og således den absorberte effekt,å variere som en funksjon av den vinddrevne rotors omdreiningstall pr. tidsenhet. Som et eksempel kan det antas at det anvendes en 4-blads rotor som driver en pumpe med frem- og tilbakegående bevegelse av den art som er beskrevet ovenfor, samt at det tas sikte på å utnytte vindhastigheter fra 10 km/time til 100 km/time. Det vil da være mulig: 1) å arbeide ved en lavere vindhastighet ved sådant omdreiningstall n at X = 6 ved et stempelslag på 1 cm for stempelet.

2) å arbeide med en vindstyrke på 100 km/time med et omdreiningstall lik

20 n, hvilket tilsvarer A. = 12 og et stempelslag på 50 cm.

3) for mellomliggende verdier av vindhastigheten å oppnå verdier av mellom 6 og 12 samt stempelslag mellom 1 og 50 cm.

Uavhengig av vindsituasjonen innenfor det ovenfor angitte område, vil det således være mulig å arbeide under sådanne forhold åt det oppnås virknings-grader som er meget nær den maksimalt oppnåelige verdi for den effekt som kan tas ut av rotorakselen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for utnyttelse av vindkraft med høy virkningsgrad, karakterisert ved at forholdet mellom periferihastigheten for en vinddrevet skovlrotor og den foreliggende :vindhastighet holdes tilnærmet konstant og nær forholdets optimale verdi ved at den mekaniske forbindelse mellom et svinghjul koblet til rotoren og en eller flere stempelpumper er utført slik at stempelslaglengden for nevnte pumper varieres som en funksjon av antallet omdreininger pr. tidsenhet for skovl-rotoren.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte frem- og tilbakegående stempelpumper er av dobbeltvirkende type.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav.1 eller 2, karakterisert ved at den tilsiktede variasjon av stempel-pumpenes slaglengde som en funksjon av antallet omdreininger pr. tidsenhet for skovlh julet, ..oppnås ved anordning av et førings spor i det svinghjul som er koblet til rotoren, idet en glider anordnes radialt bevegelig i nevnte spor og ytterenden av en forbindelsesstang er svingbart opplagret på glideren, samt nevnte stang er tilsluttet stempelstangen for vedkommende stempelpumpe, således at glideren og den tilsluttede ytterende av stempel stangen kan forskyves fra midten av svinghjulet (tilsvarende et minste stempelslag) til hjulets periferi (tilsvarende et største stempelslag) og vise versa, idet nevnte forskyvning innstilles som en funksjon av antallet rotorcmdreininger pr. tidsenhet.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at det vann som pumpes av den f rem-og tilbakegående stempelpumpe anvendes direkte for påvirkning av en vannturbin tilkoblet en vekselstrømgenerator med konstant omdreiningstall, idet overskuddsvann overføres til en overliggende tank hvorfra vann under trykk kan tas ut når behovet for elektrisk kraft overskrider den effekt som er direkte tilgjengelig ved et visst tidspunkt.

5. Anlegg for utførelse av den fremgangsmåte som er angitt i krav 1-4, karakterisert ved at det omfatter en eller flere frem-og tilbakegående,stempelpumper som er utført slik at pumpet vannmengde og således opptatt effekt kan varieres-som en funksjon av antallet omdreininger pr. tidsenhet for en vinddrevet rotor.