NO813094L - Anordning for utnyttelse av vindenergi til produksjon av elektrisk energi. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår..utnyttelse av vindenergi for frem-stilling av elektrisk strøm med konstant frekvens.

Hovedproblemet som oppstår når det er ønskelig å utnytte vindenergi for å produsere elektrisk strøm kommer av de meget store variasjoner i vinden,- noe som er dårlig egnet til å tilfreds-stille et strømbehov som varierer etter et helt annet mønster. Forskjellige akkumuleringssystemer har vært foreslått og testet med brukbare resultater, men det forutsettes betingelser som ofte er meget begrensende og kostbare, både når det gjelder konstruk-sjonen og den praktiske bruk.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en anordning for produksjon av elektrisk strøm ved bruk av vindenergi, og anordningen omfatter en vindrotor og en drivkilde, hvilke begge er koblet til en elektrisk generator via en differensial, slik at generatoren under bruk går med hovedsakelig konstant hastighet.

Den foreliggende oppfinnelse angår også en fremgangsmåte for produksjon av elektrisk strøm med konstant frekvens ved bruk av vindenergi, idet en vindrotor er koblet til en drivkilde og til en elektrisk generator som drives med konstant hastighet ved hjelp av en mekanisme som summerer rotasjonshastighetene og omfatter en differensial som har holderen for planethjulet koblet til generatoren og sine aksel-halvdeler koblet en til drivkilden og den annen til vindrotoren.

Ved bruk av anordningen i henhold til oppfinnelsen er det mulig

å produsere strøm med en mer jevn karakteristikk, og innen visse grenser vil bidraget fra vindrotoren til den samlede strøm-, produksjon søke å avlaste hjelpe-drivkilden (som ikke er en vindrotor).

Den elektriske strøm som produseres av anordningen som omfatter drivkilden, vindrotoren og generatoren kan tilføres et strømnett i parallell med et elektrisk nett somer justert til konstant frekvens , eller den kan tilføres et lokalt nett som andre generatorer er koblet til. I det førstnevnte tilfelle bør de elektriske og mekaniske egenskaper til anordningen være slik at det er mulig å opprettholde en stabil kobling som ikke belaster nettet med reaktive belastninger. Ved bare å benytte vindenergi som energi-kilde (dvs. ved å koble en vindrotor direkte til en synkrongenerator eller induksjonsgenerator som er tilkoblet et nett) vil dette være mulig, men det ville ikke være mulig å utnytte vind-energien maksimalt innen et forut bestemt hastighetsområde, og den totale virkningsgrad til systemet ville være lav. Det kan tenkes mulig å løse dette problem ved bruk av slike innretninger som rotorer med innstillbare blader eller kompliserte regulerings-systemer, men slike innretninger medfører høye omkostninger både for anskaffelse og drift. Den foreliggende oppfinnelse muliggjør derimot bruken av vindrotorer med fast innstilte blader som er solide og pålitelige. Drivkilden kan være hvilken som helst passende drivkilde, avhengig av de tilgjengelige energikilder.

Når anordningen i henhold til oppfinnelsen er tilkoblet et større strømnett, foretrekkes en synkrongenerator som generator. I dette tilfellet vil strømnettet, sett fra et elektrisk synspunkt, oppføre seg som en ideell generator med konstant frekvens, i stand til å .oppta all den produserte strøm, idet den innbyrdes påvirkning mellom de roterende felter i stator og rotor bevirker et synkroniserende moment som setter som en nødvendig forutsetning for opprettholdelse av en stabil tilstand at omdreiningshastigheten til akselen til sykrongeneratoren utgjør en fast bestemt verdi (synkronhastigheten).

Karakteristikken til det synkroniserende moment er vanligvis

slik at det sikrer stabiliteten i en slik stabil tilstand etter at parallell tilkobling har skjedd. Dersom anordningen skal gi strøm til spredte brukere (f.eks. verksteder, bygninger eller gårdsbruk) gjennom et lokalt nett som ikke er koblet til andre generatorer, kan brukes andre typer elektriske generatorer,

f.eks. generatorer som ikke er synkrongeneratorer. Således kan f.eks. brukes induksjonsgenerator. I alle tilfeller vil produksjon av elektrisk strøm med konstand frekvens, når strømmen skal tilføre"s et isolert nett, kreve bruken av en frekvens re-gulerende innretning og at det finnes elektriske installasjoner som har lav prioritet (f.eks. installasjoner for vannpumping),

som kan kobles ut og inn om nødvendig.

Oppfinnelsen vil fremgå klarere av den følgende beskrivelse, under henvisning til de vedføyde tegninger. Figur 1 viser skjematisk en anordning i henhold til oppfinnelsen. Figur 5 viser skjematisk en servoinnretning som kan brukes i forbindelse med oppfinnelsen. Figur 2 A, 2 B, 3 A, 3 B, 4 A, 4 B og 4 C er grafiske fremstil-linger som er forklart i den følgende tekst. Figur 1 viser den mekaniske sammenkobling av tre komponenter, nemlig en synkrongenerator 2, en drivkilde 4 og en vindrotor 1, ved hjelp av en differensial 3 som har en planethjul-holder i tanngrep med en konisk pinion på akselen til generatoren 2. De to planethjul i differensialen 3 er fritt lagret på holderen,

og de solhjul i differensialen 3 er fast forbundet med hver sin aksel, den ene tilkoblet drivkilden 4 og den annen vindrotoren 1. Ved en slik sammenkobling virker differensialen 3 som en innretning som summerer omdreiningshastighetene, slik at ved en passende variasjon av rotasjonen på grunn av drivkilden 4 er det mulig å tillate variasjoner i rotasjonshastigheten til vindrotoren 1 ved å overføre til synkrongeneratoren 2 en effekt som er lik summen av de momentane effekter dannet av drivkilden 4

og vindrotoren 1, med konstant omdreiningshastighet.

Figur 2 A og 2 B viser variasjonen av dreiemomentet Z og effekten Y dannet av vindrotoren ( som har blader med fast stilling )

som en funksjon av vindhastigheten, og således omdreiningshastigheten W til rotoren. I figur 2 B er dessuten stiplet en linje som forbinder punktene som representerer maksimal effekt fra vindrotoren.

Figur 3 A og 3 B viser variasjonen av de samme parametre, dvs. dreiemomentet Z og effekten Y for en bestemt type drivkilde (nemlig en forbrenningsmotor) som funksjon av omdreiningshastigheten X til motoren, for forskjellige verdier av drivstofftil-førselen til motoren.

Ved hjelp av bredden til det parti av karakteristikk-kurven som kan finnes for en forbrenningsmotor er det mulig, for hver vind-hastighet å oppnå en stabil tilstand for anordningen, slik at omdreiningshastigheten tilsvarer maksimal mekanisk effekt fra akselen til vindrotoren. Dette resultat kan oppnås ved at drivstoff tilførselen til energikilden 4 servostyres slik at motoren inntar en omdreiningshastighet X som i hvert tilfelle er den verdi som samsvarer med en ønsket verdi for omdreiningshastigheten W til rotoren.

Nærmere bestemt, på bakgrunn av at det ved tilkobling til et elektrisk nett med en bestemt frekvens for hver stabile tilstand under driften av anordningen må være en konstant k (der k = X + W), er det mulig å oppnå den nødvendige karakteristikk for driften av en servoinnretning for regulering av drivkilden 4. For hver verdi av vindhastigheten er det en helt bestemt verdi av W (f.eks. W<*>)

til hvilken det finnes en tilsvarende verdi for maksimal effekt Y som avgis fra vindrotoren (figur 4 B). Under slike betingelser m gir akselen til vindrotoren et bestem;t dreiemoment Z<*>(figur 4 A) .

Den likevekt som dannes på grunn av differensialen sikrer at drivkilden 4 avgir et dreiemoment som er lik Z*• . Når drivkilden 4 f.eks. er en dieselmotor, er det mulig, ut fra en bestemt kom-binasjon av karakteristiske kurver, som regel å finne en slik kurve til hvilken det finnes en bestemt verdi (f,eks.Ct<*>) for tilførselsmengden pr. tidsenhet (motorhastighet) som gir et dreiemoment lik Z<*>, dvs. at omdreiningshastigheten til drivkilden er X<*>( der X<*>= K - W<*>) (figur 4 B) .

^Det er således mulig å danne en linje, punkt for punkt, slik som vist i figur 4C, langs hvilken det for hver verdi av X = X<*>det finnes en tilhørende verdi Cl =Ct<*>for tilførselsmengden pr. tidsenhet (motorhastigheten) til drivkilden (operasjonskarakteristikk til servoinnretningen).

En utførelsesform av servoinnretningen som brukes i forbindelse med oppfinnelsen er vist i figur 5, idet tilfelle at drivkilden

4 er en dieselmotor. Innretningen består av en tachometerinn-retning 5, en innsprøytningsanordning 6 for drivstoff og en inn-sprøytnings-styreinnretning 7. Dersom det er ønskelig å utnytte et størst mulig område for vind-hastighet, fra den svakeste vind til den sterkeste vind, ville det være nødvendig, i det førstnevnte av de to beskrevne tilfeller, å bruke en drivkilde som har en effekt som tilsvarer den største effekt fra vindrotoren, og i dette tilfellet ville ved svak vind effekten fra drivkildens 4 være større enn effekten fra vindrotoren 1. Dette er langtfra ønskelig, fordi produksjon av elektrisk strøm skjer med høyere virkningsgrad i kraftsta-sjoner som er store. Ved imidlertid å avpasse utnyttelsesområdet på en gunstig måte (ved å avlaste vindrotoren ved meget svak vind og ved å belaste vindrotoren sterkere ved sterk vind) er det mulig å oppnå en gjennomsnittlig utnyttelse av de to energikilder på 30 % eller mindre fra drivkilden 4 og resten fra vindrotoren 1. Dette medfører dannelsen av en gjennomsnittlig effekt som er

tre ganger så stor som den avgitte effekt fra drivkilden, og innsparingene i forhold til konvensjonelle energikilder er inn-lysende .

Når anordningen er koblet til et lokalt strømnett, må både vindrotoren og drivkilden ha en nominell effektytelse som tilsvarer den største effekt som kreves i det lokale strømnett.

Servoenheten bevirker at effekt fra drivkilden kan benyttes i større eller mindre grad, avhengig av effekten som frembringes av vindrotoren. En energibalanse mellom den produserte og ab-sorberte energi ( en betingelse som er vesentlig for å opprettholde stabil tilstand) kan, som ovenfor nevnt, oppnås ved å variere behovet til lavt prioriterte brukere ved hjelp av en reguleringsenhet som vil holde omdreiningshastigheten til den elektriske generator konstant.

Claims (5)

1. Anordning for produksjon av elektrisk strøm ved bruk av vindenergi, karakterisert ved at den omfatter en vindrotor og en drivkilde som begge er tilkoblet en elektrisk generator via en differensial, slik at under bruk løper generatoren med hovedsakelig konstant hastighet.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at drivkilden er en forbrenningsmotor.

3. Anordning somangitt i krav 2, karakterisert ved midler for å bestemme omdreiningshastigheten til motoren og midler for å variere drivstoff-tilførselen til motoren i avhengighet av den bestemte hastighet.

4. Fremgangsmåte for å produsere elektrisk strøm med konstant frekvens ved bruk av vindenergi, karakterisert ved at en vindrotor er koblet til en drivkilde og til en elektrisk generator som holdes på konstant omdreiningshastighet ved hjelp av en mekanisme for summering av omdreiningshastighetene, omfattende en differensial som har sin planethjul-holder tilkoblet generatoren og sine to aksel-halvdeler tilkoblet den ene til drivkilden og den annen til vindrotoren.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at det for styring av omdreiningshastigheten til vindrotoren og omdreiningshastigheten til drivkilden anvendes en omdreiningsmåler tilkoblet akselen til drivkilden og til drivstofftilførselen til drivkilden, slik at drivstofftilførselen kan justeres som en funksjon av omdreiningshastigheten til vindrotoren, hvorved vindrotoren arbeider med maksimal virkningsgrad.