DE102009013161A1 - Hub-airfoil system e.g. video system and camera system, for controlling e.g. wind energy, in wind turbine, has energy convertors and energy storing device arranged under base of base body in closed housing - Google Patents
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Abstract
Description
1. Die Erfindung1. The invention
Die Erfindung bezieht sich auf ein Hubflügelsystem zur Nutzung von Windenergie und anderen Strömungsenergien. Die Erfindung ist für alle Leistungsklassen geeignet. Der Schwerpunkt liegt jedoch bei der zuverlässigen Beherrschung von Leistungen im zweistelligen Megawattbereich, insbesondere offshore.The The invention relates to a lift wing system for use of wind energy and other flow energies. The invention is suitable for all performance classes. The focus lies however with the reliable mastery of achievements in the double-digit megawatt range, especially offshore.
2. Stand der Technik und Kritik des Standes der Technik2. State of the art and criticism of the state of the technique
In der Fachwelt besteht Konsens, dass der Trend bei zukünftigen Windenergieanlagen, ganz besonders offshore, aus zwingenden wirtschaftlichen Gründen zu höheren Anlagenleistungen geht. Sechs Megawatt bei Enercon und REpower sind zurzeit die Spitze des Standes der Technik. Anlagen bis 8 MW sind in Planung, 10 MW und mehr werden angedacht. Die Machbarkeit von Turbinen bis 20 Megawatt wird im größten europäischen Forschungsprogramm für Großturbinen ”Upwind” erörtert. Aus Sicht des Standes der Technik ist das noch „Stratosphäre”. Dabei ist eines sicher: einfaches Hochskalieren herkömmlicher Technik reicht für derart hohe Leistungsbereiche nicht aus. Die denkbare Strategie „Mehr Stahlt”, um alle Elemente und Aggregate robuster und steifer zu machen, verschiebt das Problem ein Stück, löst es aber nicht und gerät in Konflikt mit den hochrangigen Zielen „Weniger Gewicht” und „Reduktion der Kosten”. Dabei müssen immer die Gesamtkosten im Blick gehalten werden. Dazu gehören Forschungs-, Entwicklungs- und Testphasenkosten, Prüfkosten, Herstellungskosten, Transport- und Aufbaukosten, Betriebs- und Wartungskosten, Kosten von Nichtverfügbarkeiten bei Produktionsausfällen, Reparaturkosten, Versicherungskosten sowie, nicht zu vergessen, die Abbau- und Entsorgungskosten am Ende der Lebenszeit einer Anlage.In the experts agree that the trend for future Wind turbines, especially offshore, from compelling economic Reasons for higher plant performance. six Megawatts at Enercon and REpower are currently at the top of the stand of the technique. Systems up to 8 MW are planned, 10 MW and more being considered. The feasibility of turbines up to 20 megawatts will be in largest European research program for large turbines "Upwind" discussed. From the point of view of the state of the art this is still "stratosphere". One thing is certain: easy upscaling conventional Technology is not enough for such high output ranges out. The conceivable strategy "More steel", um making all elements and aggregates sturdier and stiffer, shifting the problem a piece, but it does not solve and is in conflict with the high-level objectives "Less Weight "and" cost reduction ". The overall costs must always be kept in mind. These include research, development and testing costs, Testing costs, production costs, transport and installation costs, Operating and maintenance costs, costs of unavailability in case of production losses, repair costs, insurance costs and, last but not least, the costs of dismantling and disposal the lifetime of a plant.
Ist das gegenwärtige Standardkonzept für Windenergieanlagen mit einer dreiflügeligen Turbine auf einem hohen Turm oder Mast für den zweistelligen Megawattbereich technisch und wirtschaftlich tragfähig genug? Nach Analysen des Autors sind die Anforderungen an den Triebstrang bei Leistungen im zweistelligen Megawattbereich durch innovative Lösungen durchaus beherrschbar, ohne Massen und Kosten überproportional in die Höhe zu treiben. Das eigentliche Problem liegt bei den Rotoren.is the current standard concept for wind turbines with a three-bladed turbine on a high tower or Mast for the double-digit megawatt range technical and economically viable enough? After analyzes by the author are the requirements for the powertrain for services in the double-digit megawatt range completely controllable by innovative solutions, without masses and disproportionately increase costs. The real problem is with the rotors.
Kontinuierliche Forschung und Entwicklung kann zwar Leistungs- und Ertragssteigerungen durch Erhöhung des aerodynamischen, des mechanischen, des elektrischen Wirkungsgrades sowie durch optimale Betriebsführung erzielen, Leistungssteigerungen in den angepeilten Größenordnungen jedoch erfordern eine erhebliche Vergrößerung der Winderntefläche. Folglich müssen die Rotordurchmesser wachsen. Dazu müssen die Blattlängen, die Blatttiefen, die Durchmesser der Blattwurzeln, der Durchmesser der Nabe und damit die Massen und die Kosten des Rotors wachsen. Die Druck-, Zug- und Biegebeanspruchungen alleine schon durch Schwer- und Fliehkraft steigen überproportional. Dazu kommen die dynamischen Lasten, Wechsellasten und Lastspitzen durch die größer werdenden Differenzen der Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen (mit Differenzwinkeln bis über 100°) zwischen der unteren und der oberen Zone der Rotorfläche sowie durch lokale Böen, dazu kommen Unwuchten. Zu alledem muss die Bahngeschwindigkeit der Blattspitzen unterhalb kritischer Grenzen gehalten werden. Deshalb muss bei wachsenden Radien die Drehzahl gesenkt werden. In der Fachwelt wird erörtert, ob man zur Kostenreduktion nicht wieder von drei auf zwei Rotorblätter rückbauen und das schlechtere Azimut-Drehverhalten in Kauf nehmen sollte. Es wird überlegt, ob man nicht von der relativ komplizierten Pitch-Regelung wieder auf die einfachere Stall-Regelung der Rotorblätter zurückgehen sollte. Die sich aus alldem ergebende Ertragsminderung wiederum müsste durch Erhöhung des Drehmoments kompensiert werden, was die Rotorblätter wegen der Vergrößerung der Blatttiefen wieder schwerer macht. Ein weiteres Problem ergibt sich aus Prüfung, Wartung und Instandhaltung der Rotorblätter. In Kenntnis der Probleme, die bereits die heutigen Rotorblätter insgesamt verursachen, wenn man die Gesamtszene betrachtet, so muss für die Zukunft mit gewaltigen Aufgaben gerechnet werden, die zu lösen sind. Die Lösungen werden teuer.continuous Although research and development can improve performance and earnings by increasing the aerodynamic, the mechanical, the electrical efficiency and optimal operation achieve performance improvements in the targeted dimensions however, they require a considerable increase the wind harvest area. Consequently, the rotor diameter must to grow. For this, the blade lengths, the blade depths, the diameters of the leaf roots, the diameter of the hub and thus the Masses and the cost of the rotor grow. The compressive, tensile and bending stresses alone by gravity and centrifugal force increase disproportionately. Added to this are the dynamic loads, alternating loads and load peaks by the increasing differences in wind speeds and wind directions (with differential angles up to more than 100 °) between the lower and the upper zone of the rotor surface as well as local gusts, in addition there are imbalances. For all that the web speed of the blade tips must be more critical below Limits are kept. Therefore, with growing radii the Speed can be lowered. In the professional world is discussed, whether to reduce costs again from three to two rotor blades dismantle and the poorer azimuth turning behavior in purchase should take. It is considered, if not from the relatively complicated Pitch control back to the simpler stall control of the rotor blades should go back. The result from all this yield reduction in turn would have to by increasing the torque be compensated, what the rotor blades because of the magnification makes the leaf depths heavier again. Another problem arises arising from testing, maintenance and servicing of the rotor blades. Knowing the problems already affecting today's rotor blades total, when looking at the overall scene, so must for the future will be faced with daunting tasks that solve are. The solutions are expensive.
Nach allen Erfahrungen mit großen technischen Problemen ist die Annahme vernünftig, dass Rotorblattprobleme, rein technisch betrachtet, in Zukunft gelöst werden können, wenn auch mit enormen Anstrengungen. Ein ganz anderes Problem ist jedoch die Wirtschaftlichkeit: Ab wie viel Megawatt Leistung ist eine Einzelanlage nicht mehr wirtschaftlich konkurrenzfähig gegen zwei Anlagen mit je der halben Leistung? Niemand kann heute diese Frage genau beantworten. Es gibt aber Indizien, die darauf hinweisen, dass das Konzept „Turbine”, also eine Anlage mit Rotor, früher an wirtschaftliche Grenzen stoßen wird, als befürchtet.To all experiences with major technical problems the assumption reasonable that rotor blade problems, purely technical considered, in the future can be solved, if also with enormous efforts. However, a completely different problem is the economy: From how many megawatts of power is a single investment no longer economically competitive against two plants with half the power? Nobody can answer that question exactly today answer. But there are indications that indicate that Concept "Turbine", ie a system with rotor, will soon reach economic limits, as feared.
Die Erfindung geht aus den erörterten Gründen vom Turbinenkonzept ab und setzt auf das im Kern schon uralte, vor mehreren tausend Jahren schon in Persien bekannte Konzept eines vom Wind auf und ab bewegten aerodynamischen Körpers, ein Konzept, das als simple „Schlagflügelpumpe” begann und nun entsprechend der Erfindung als Hubflügelsystem für Leistungen bis 20 Megawatt ausgelegt wird. Von großem Zusatznutzen ist dabei die robuste und zuverlässige hydraulische Umformung der hin und her gehenden Hubbewegung über einen Speicher in eine Drehbewegung mit konstanter Drehzahl zur Produktion an „Premiumstrom” als „Netzbetreibers Liebling”.The invention is based on the discussed reasons of the turbine concept and relies on the core already ancient, already several thousand years ago in Persia known concept of a wind up and down moving aerodynamic body, a concept that began as a simple "flapping pump" and now ent According to the invention is designed as a lift wing system for power up to 20 megawatts. Of great added benefit here is the robust and reliable hydraulic deformation of the reciprocating stroke movement via a memory into a rotary motion with a constant speed for production at "Premiumstrom" as "Netzbetreibers Liebling".
Im
Zuge der Recherchen wurde eine große Zahl einschlägiger
Patente und Gebrauchsmuster in Betracht gezogen und geprüft.
Sie reichen zurück bis ins 19. Jahrhundert. Es folgt eine
Auswahl der aufgefundenen und geprüften Patentdokumente,
die sich auf oszillierende aerodynamische Antriebe beziehen in zeitlicher Ordnung
nach Prioritätsdatum:
Unter den vorgeschlagenen Lösungen sind windgetriebene Flügel, die sich an Hebeln oder komplizierteren Trägersystemen auf und ab bewegen können. Die Anstellwinkel werden zwischen der Auf- und der Abbewegung meist mechanisch umgestellt. Unter diesen Vorschlägen ist keiner, der für Anwendungen im ein- oder gar zweistelligen Megawattbereich vorgesehen ist, oder auch nur entfernt geeignet wäre. Weder die Flügelsysteme noch vor allem die Trägersysteme werden den Anforderungen solch hoher Leistungen gerecht. Die vorgesehenen Trägersysteme sind allenfalls für Kleinwindanlagen nicht jedoch für Hubhöhen in der Größenordnung von 80 bis 200 m geeignet. Die Vorschläge nach Stand der Technik sind, bei allem Respekt, Spielzeuge gemessen am Anspruch der Aufgabenstellung, die der Erfindung zugrunde liegt.Under the proposed solutions are wind-driven wings, which are attached to levers or more complicated carrier systems can move up and down. The angles of attack are between the up and the down movement mostly changed mechanically. Under these Suggestions is none for applications in the one or even two-digit megawatt range is provided, or even remotely would be suitable. Neither the wing systems especially the carrier systems are the requirements such high performances. The intended carrier systems are at best for small wind turbines but not for Lifting heights of the order of 80 up to 200 m. The proposals of the prior art are, with all due respect, toys measured by the demands of the task, which is the basis of the invention.
5. Die Aufgaben, die der Erfindung zu Grunde liegen5. The tasks of the invention Basically lying
Der Erfindung liegen die folgenden Aufgaben zu Grunde: Es soll eine technische Vorrichtung für die Nutzung der Strömungsenergie eines fluiden Mediums, vorrangig des Windes, geschaffen werden, die folgenden Eigenschaften hat:
- 1. Sie soll im hohen Megawattbereich arbeiten können und ein Potenzial bis 20 MW oder mehr haben.
- 2. Sie soll einen hohen Erntegrad sowie einen hohen aerodynamischen, mechanischen und elektrischen Wirkungsgrad haben.
- 3. Sie soll sogar bei Sturm sicher arbeiten können.
- 4. Sie soll besonders netzfreundlich sein. Sie soll „Premiumstrom” liefern, d. h. Strom mit präziser Sinusform, mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung.
- 5. Sie soll zuverlässig vor Blitz-, Hagelschlag oder Sandstürmen geschützt werden können.
- 6. Sie soll ein geringes Masse/Leistungs-Verhältnis haben.
- 7. Sie soll einen niedrigen, breit aufgestellten und standsicheren Grundkörper (z. B. Mast) haben und dauerhaft sicher gegründet werden können.
- 8. Sie soll robust, zuverlässig, wartungsarm und langlebig sein.
- 9. Sie soll besonders wartungs- und reparaturfreundlich sein.
- 10. Sie soll dem Servicepersonal die Arbeit leicht machen.
- 11. Sie soll leicht und zu niedrigen Kosten versicherbar sein.
- 12. Die Kosten pro kWh sollen über die gesamte Lebenszeit kleiner sein als bei den fortschrittlichsten Anlagen nach Stand der Technik.
- 1. It should be able to work in the high megawatt range and have a potential of up to 20 MW or more.
- 2. It should have a high degree of harvesting and high aerodynamic, mechanical and electrical efficiency.
- 3. It should be able to work safely even during storms.
- 4. It should be particularly network friendly. It is intended to deliver "premium current", ie current with precise sinusoidal shape, with constant frequency and constant voltage.
- 5. It should be able to be reliably protected against lightning, hailstorm or sandstorms.
- 6. It should have a low mass / performance ratio.
- 7. It should have a low, broad and stable basic body (eg mast) and can be permanently established safely.
- 8. It should be robust, reliable, low maintenance and durable.
- 9. It should be particularly maintenance and repair friendly.
- 10. It should make the service staff's work easy.
- 11. It should be easy to insure and at low cost.
- 12. The costs per kWh should be smaller over the entire lifetime than with the most advanced state-of-the-art systems.
6. Die erfindungsgemäße Lösung6. The inventive solution
Eine Vorrichtung entsprechend der Erfindung ist in Anspruch 1 detailliert beschrieben und besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten:
- 1. einem kurzen, gedrungenen kreis- oder polygonförmigen,
durch seinen großen Durchmesser überaus standfesten
Grundkörper
1 , z. B. mit einer Gitterstruktur; - 2. einem Hubflügelsystem
2 , das aus einem oder aus mehreren waagerecht übereinander gestaffelten, miteinander verbundenen Flügeln besteht, die eine Auf- und Abwärtsbewegung innerhalb eines Hubbereichs von ca. 80–200 Metern vollführen können; - 3. einem Falt-Hub-Gerüst
3 , welches das Hubflügelsystem2 mit dem Grundkörper1 verbindet und das vorzugsweise mit einer Parallelogramm-Faltkinematik ”over-the-center” arbeitet; - 4. sowie aus vorzugsweise hydraulischen Energiewandlern
4 ,5 und6 , welche die vom Falt-Hub-Gerüst3 übertragene Hub-Energie über einen Kurz- oder Langzeitspeicher (z. B. Gasdruckspeicher) in eine Drehbewegung mit konstanter Drehzahl z. B. zur Produktion von „Premiumstrom” umwandeln.
- 1. a short, squat circular or polygonal, extremely stable by its large diameter body
1 , z. B. with a grid structure; - 2. a lift wing system
2 consisting of one or more horizontally stacked interconnected wings capable of moving up and down within a range of approximately 80-200 meters; - 3. a folding hub scaffolding
3 which is the lift wing system2 with the main body1 connects and which preferably works with a parallelogram folding kinematics "over-the-center"; - 4. as well as preferably hydraulic energy converters
4 .5 and6 which are the ones from the folding hub scaffolding3 transferred stroke energy via a short or long-term memory (eg gas pressure accumulator) in a rotary motion at a constant speed z. B. for the production of "premium stream" convert.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein so ausgeführtes Hubflügelkonzept dem Turbinenkonzept aus folgenden Gründen fundamental überlegen ist:
- – Ein
Hubflügelsystem, das sich parallel zu sich selbst im Wind
auf und ab bewegt, überstreicht aus rein geometrischen
Gründen in einem „Arbeitstakt” eine über
27% größere Erntefläche als der Rotor
einer Windturbine gleicher Größe. Zur Begründung
soll ein Flügelsystem aus drei waagerechten, übereinander
gestaffelten Flügeln mit einer dreiflügeligen
Turbine verglichen werden. Jeder Flügel soll die Länge
1 und eine Hubhöhe von 2 haben. Der Vergleichsrotor soll
einen Radius von r = 1 haben. Der Durchmesser von d = 2 entspricht
dann genau der Hubhöhe. Beide Konzepte sind also direkt
vergleichbar. Die von einem Rotorblatt bei einem „Arbeitstakt” (=
einer vollen Umdrehung) überstrichene kreisförmige
Erntefläche (π·r2)
beträgt π·12 = π.
Drei Rotorblätter überstreichen dann in einem „Arbeitstakt” eine
Erntefläche von 3π. Das Flügelsystem
mit drei Flügeln der Länge 1 überstreicht
bei einem „Arbeitstakt” (= einmal auf und einmal
ab) zweimal eine Fläche von 2·1, also die Gesamtfläche
3·2·2 = 12. 12 dividiert durch 3π ergibt
1,273239... Dies ist ein Mehr von über 27%, was zu beweisen
war. Tatsächlich ist der Vergleich noch etwas ungünstiger
für den Rotor, denn bei einem Rotorradius von 1 hat ein
Rotorblatt eine Länge kleiner als 1, da der Nabenbereich, der
ja keinen Auftrieb beisteuert, abgezogen werden muss. Dies verschiebt
das Größenverhältnis der Ernteflächen
noch einmal zusätzlich zu Gunsten des Flügelsystems.
Das Hubflügelsystem
2 ist ferner nur halb so breit wie der Rotor eines vergleichbaren Turbinensystems, da es beim Auf und Ab dieselbe Fläche (von 2·1) zweimal überstreicht. - – Ein Hubflügelsystem, das sich parallel zu sich selbst und mit stets optimal eingestelltem Anstellwinkel sowie optimierter mehrteiliger Kontur im Wind auf und ab bewegt, hat einen höhe ren Auftrieb und damit Energieertrag als ein rotierendes Blatt einer Windturbine. Das Flügelsystem wird über seine gesamte Länge und immer ungestört mit derselben hohen Windgeschwindigkeit angeströmt. Der Flügel ist in seiner Mitte an einem von unten schräg nach vorne hoch ragenden Tragsporn angebracht, der den Auftrieb im Mittelbereich nahezu ungestört lässt. Die Rotorblätter der Windturbine hingegen haben keinen Vortrieb im Nabenbereich und durchlaufen dreimal pro Umdrehung die aerodynamisch gestörte Zone vor dem Turm.
- – Das Hubflügelsystem ist erheblich robuster als ein Rotor. Jeder der drei Flügel aus dem obigen Beispiel mit der Länge 1 hat einen stabilen Holm als „Rückgrat”. Dieser erstreckt sich in jedem Flügel durchgehend von der einen bis zur anderen Flügelspitze. Das Flügelsystem wird in seiner Mitte von einem Tragsporn gehalten. Die Biegelänge eines Flügels ist also ½ und damit nur halb so groß wie die Biegelänge eines nur an einem Ende mit der Nabe befestigten Rotorblatts mit der Länge 1. Weiterhin demonstriert jedes Flugzeug, dass ein Flügel Windgeschwindigkeiten weit oberhalb der Orkanstärke im Dauerbetrieb unbeschadet aushalten kann. Ein Rotor hingegen muss schon ab etwa 25 m/sec (= 90 km/h) in Neutralstellung gebracht und abgeschaltet werden.
- – Ein Hubflügelsystem kann mit wenig Zusatzaufwand in weiten Grenzen durch zusätzliche Flügel erweitert werden. Entsprechend erhöhen sich Leistung und Energieertrag des Systems. Der Rotor einer Turbine hingegen kann grundsätzlich nicht auf vier, fünf oder mehr Rotorblätter erweitert werden.
- – Ein Flügel des Hubflügelsystems
kann in leicht transportierbare und gut handhabbare Segmente unterteilt werden.
Die Verbindungsflansche dieser Segmente können als aerodynamische
Zäune genutzt werden. Jedes einzelne Segment
25 ist durch je ein eigenes hochzugfestes und schlagzähes Zugmittel26 (z. B. ein Kevlarseil), das im Inneren des Flügels verläuft, mit dem Tragsporn31 fest verbunden. Im unwahrscheinlichen Fall eines Flügelbruchs können die Teile nicht wegfliegen. Dieses Sicherheitsmittel ist vergleichbar den Sicherheitsseilen, mit denen die Räder von Formel-1 Rennwagen gesichert werden. - – Ein ”over-the-center” arbeitendes
Falt-Hub-Gerüst
3 mit Rhombus- oder vorzugsweise Parallelogramm-Kinematik ist ein sehr effektives, robustes, technisch reifes und im Kranbau seit vielen Jahrzehnten erfolgreiches Mittel, um eine Last schnell über große Höhenunterschiede zu bewegen. Für Jedermann augenfällig und erlebbar ist das in der rhombischen Version bei der wohlbekannten „Nürnberger Schere”. - – Für die Energiewandlung von der hin und her gehenden Bewegung über die Kurz- oder Langzeitspeicherung zur Drehbewegung, die dann durch Generatoren (z. B. Permanentmagnet-Synchrongeneratoren) mit konstanter Drehzahl, ohne Umrichter und deren Verluste, in netzfreundlichen elektrischen Premiumstrom umgewandelt wird, ist die Industrie-Hydraulik das ideale Mittel. Sie hat seit vielen Jahrzehnten weltweit in millionenfachen Anwendungen auch unter widrigsten Einsatzbedingungen z. B. in der Bagger-, Hubzeug- und Krantechnik sowie in der Flugzeugtechnik (z. B. Einfahren, Ausfahren und Fixieren der großen Fahrgestel le) ihre enorme Robustheit und Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt.
- – Ein herausragender Vorteil des Hubflügelkonzepts gegenüber dem Turbinenkonzept besteht darin, dass alle schweren Aggregate, die Hydraulik wie auch die Generatoren, nicht in 80 bis 160 m Höhe sondern direkt unten am Boden oder nahe der Meeresoberfläche in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sind.
- – Das Falt-Hub-Konzept eröffnet überaus
vorteilhafte Möglichkeiten, wirtschaftlich erhebliche Schadensquellen
zu eliminieren und die wirtschaftlich kritischen Servicekosten drastisch
zu senken, was besonders offshore große Auswirkungen hat.
Bei Gewitter, Eisregen, Hagelschlag, Sandsturm etc. oder aber für
Wartungs- oder Reparaturarbeiten wird das Falt-Hub-Gerüst
3 mittels der sowieso schon vorhandenen Hydraulik um eine waagerechte Achse herab geschwenkt. Dort befindet sich ein Schutzgehäuse8 , welches über das Hubflügelsystem2 gefahren oder geschwenkt oder geklappt oder über diesem entfaltet wird. Das Schutzgehäuse8 befindet sich auf einer Fläche am Erdboden oder auf einer Plattform nahe der Meeresoberfläche oder auf Deck eines Schiffes oder Pontons zum Schutz des Hubflügelsystems2 und zur Gewährleistung optimaler Arbeitsbedingungen für das Servicepersonal.
- - A lift wing system that moves up and down in the wind parallel to itself, sweeps over purely geometrical reasons in a "power stroke" over 27% larger harvesting area than the rotor of a wind turbine of the same size. To justify a wing system of three horizontal, staggered wings is compared with a three-bladed turbine. Each wing should have the length 1 and a lifting height of 2. The comparison rotor should have a radius of r = 1. The diameter of d = 2 then corresponds exactly to the lifting height. Both concepts are therefore directly comparable. The circular crop area (π · r 2 ) swept by a rotor blade at a "working cycle" (= one full revolution) is π · 1 2 = π. Three rotor blades then cover a harvesting area of 3π in a "work cycle". The wing system with three wings of length 1 passes twice over an area of 2x1 in a "work cycle" (= once up and down), so the total area is 3 · 2 · 2 = 12. 12 divided by 3π yields 1.273239. .. This is a more of over 27%, which was to prove. In fact, the comparison is a little less favorable for the rotor, because with a rotor radius of 1, a rotor blade has a length less than 1, since the hub area, which indeed contributes no buoyancy, must be deducted. This shifts the size ratio of the harvested areas once again in favor of the wing system. The lift wing system
2 Further, it is only half as wide as the rotor of a comparable turbine system, since it sweeps twice over the same area (2 x 1) during up and down. - - A lift wing system that moves up and down parallel to itself and with always optimally adjusted angle and optimized multi-part contour in the wind, has a higher ren buoyancy and thus energy output as a rotating blade of a wind turbine. The wing system is flown over its entire length and always undisturbed with the same high wind speed. The wing is mounted in its center on a cantilever from the bottom upwards projecting spur that leaves the buoyancy in the central area almost undisturbed. The rotor blades of the wind turbine, however, have no propulsion in the hub area and go through three times per revolution, the aerodynamically disturbed zone in front of the tower.
- - The lift wing system is considerably more robust than a rotor. Each of the three wings from the above example with the length 1 has a stable spar as a "backbone". This extends in each wing continuously from one to the other wing tip. The wing system is held in its center by a support spur. The bending length of a wing is thus ½, and thus only half as large as the bending length of only one end attached to the hub rotor blade of length 1. Furthermore, each aircraft demonstrates that a wing can withstand wind speeds far above the hurricane force in continuous operation unscathed. On the other hand, a rotor must be brought into neutral position from about 25 m / sec (= 90 km / h) and switched off.
- - A Hubflügelsystem can be extended with little additional effort within wide limits by additional wings. Accordingly, the performance and energy yield of the system increase. The rotor of a turbine, however, can not be extended to four, five or more rotor blades.
- - One wing of the Hubflügelsystems can be divided into easily transportable and easy to handle segments. The connecting flanges of these segments can be used as aerodynamic fences. Every single segment
25 is by its own high-tensile and impact-resistant traction26 (eg a kevlar rope), which runs inside the wing, with the supporting spur31 firmly connected. In the unlikely event of a wing fracture, the parts can not fly away. This safety device is similar to the safety ropes that secure the wheels of Formula 1 racing cars. - - An over-the-center folding-lift scaffolding
3 with rhombus or preferably parallelogram kinematics is a very effective, robust, technically mature and successful in crane construction for many decades means to move a load quickly over large height differences. This rhombic version of the well-known "Nuremberg Scissors" is obvious and tangible for everyone. - - For the energy conversion of the reciprocating movement on the short or long term storage for rotary motion, which then by generators (eg permanent magnet synchronous generators) with constant speed, without converters and their losses, is converted into mains-friendly premium electric power, industrial hydraulics is the ideal medium. For many decades, it has been used in millions of applications worldwide, even under the most adverse operating conditions. B. in the excavator, Hubzeug- and crane technology and in aircraft technology (eg., Retracting, extending and fixing the large Fahrgestel le) their enormous robustness and reliability demonstrated.
- - An outstanding advantage of the Hubflügel concept compared to the turbine concept is that all heavy aggregates, the hydraulics as well as the generators, are not located in 80 to 160 m altitude but directly below the ground or near the sea surface in a closed housing.
- - The Fold-Hub concept offers highly advantageous opportunities to eliminate economically significant sources of damage and to drastically reduce the cost of service costs, which has a particularly large impact offshore. In the event of thunderstorms, freezing rain, hailstorms, sandstorms, etc., or for maintenance or repair work, the folding-hub scaffolding will be used
3 pivoted down by a horizontal axis by means of the already existing hydraulics. There is a protective housing8th , which about the Hubflügelsystem2 driven or pivoted or folded or unfolded over this. The protective housing8th Located on a surface on the ground or on a platform near the sea surface or on the deck of a ship or pontoon to protect the lift wing system2 and to ensure optimal working conditions for service personnel.
8. Ausgestaltungen der Erfindung8. embodiments of the invention
Die Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung sind in 17 Ansprüchen formuliert. Im Folgenden eine Auswahl der wichtigsten dargestellt:
- Anspruch 2. ist eine Variante der Erfindung, bei der das Hubflügelsystem
2 an seinen seitlichen Enden mit senkrecht stehenden Winglets21 ausgerüstet ist. Die Winglets sind zum Wind hin leicht pfeilförmig angeordnet. Sie sichern so die Azimutausrichtung des Hubflügelsystems2 nach Lee auch bei geringer Exzentrizität des Windangriffsschwerpunktes. Wenn das Hubflügelsystemen2 mehrere Flügel hat, verbinden die Winglets die äußeren Enden der Flügel und erhöhen so die Stabilität des ganzen Systems. - Anspruch 3. Ein ernst zu nehmendes Problem bei großen
Windenergieanlagen ist ihre wachsende Höhe. Die Rotorspitze
der zurzeit höchsten Anlage ragt über 200 m hoch.
Zwar erhöht sich dadurch der Ertrag, aber die Kollisionsgefahr
mit Flugzeugen wird erhöht, Vogelschwärme werden
irritiert, Einschläge von Blitzen werden wahrscheinlicher
und deren Folgen werden verschlimmert. Eine erfindungsgemäßes
Hubflügelsystem
2 hat nach diesen Kriterien große Vorteile. Das Hubflügelsystem2 kann mit einem kleinen Radarsystem ausgerüstet werden, welches bei jedem Hub oder in bestimmten Hubintervallen den umgebenden Luftraum überwacht und bei Annäherung eines Flugobjekts oder eines Vogelschwarms automatisch die Höhe der Hubbewegung so anpasst, dass keine Kollision geschehen kann. Das System ist ferner auch als Wetterradar ausgelegt, das sich nähernde Gewitter oder Hagelfronten feststellen kann. In einem solchen Fall kann die gesamte Windenergieanlage, auch vollautomatisch, um die Schwenkvorrichtung32 herunter geschwenkt und unter dem Schutzgehäuse8 in Sicherheit gebracht werden. Das Hubflügelsystem2 kann auch in ein Flugüberwachungs-, Seeüberwachungs- oder in ein Wetterdatennetzwerk einbezogen werden. - Anspruch 11. ist eine Anwendung der Erfindung zur Nutzung von
Schwachwind. Wenn die Windgeschwindigkeit so gering ist, dass das
Hubflügelsystem
2 nur langsam oder gar nicht angehoben werden kann, so wird die Arbeitsweise des ersten Energiewandlers4 in der Hubphase umgekehrt. Er arbeitet jetzt als Hydraulikmotor und unterstützt oder bewirkt aktiv den Aufwärtshub des Hubflügelsystems2 . Der Abwärtshub wird dann durch Wind und Gewicht gemeinsam getrieben. Ab einer gewissen Mindestwindgeschwindigkeit ist dann die Gesamtenergiebilanz positiv genug, um wirtschaftlich sinnvoll genutzt werden zu können. - Anspruch 12. ist eine Ausgestaltung der Erfindung durch ein
Verfahren zur Optimierung des Energieertrags in einem Windpark mit
vielen solchen Anlagen. Weil das Hubflügelsystem
2 nur halb so breit ist wie eine vergleichbare Turbine, können Hubflügelsysteme2 viel dichter nebeneinander aufgestellt werden als Turbinen. Ein weiterer fundamentaler Vorteil eines Hubflüge/systems2 liegt in Folgendem: In einem Windpark mit Windturbinen nach Stand der Technik stören die in Windrichtung vorderen Anlagen die hinter ihnen stehenden Anlagen durch ihre Wirbelschleppe aus energiearmem und turbulentem Wind. Deshalb müssen die Turbinen in Hauptwindrichtung große Abstände voneinander haben. Trotzdem ist der Gesamtertrag des Windparks kleiner als die Summe der Erträge, welche die Anlagen einzeln stehend erbringen würden. Die Hubbewegung jeder erfindungsgemäßen Anlage in einem Windpark hingegen kann so gesteuert werden, dass sie gegenüber der Hubbewegung der Anlage, die in Windrichtung vor ihr liegt, phasenverschoben arbeitet. Anlagen, die in Windrichtung hintereinander liegen, arbeiten durch eine so synchronisierte Steuerung wie eine durchlaufende Welle von Auf- und Abbewegungen. Die Wirbelzone einer Anlage trifft auf diese Weise lediglich in der oberen und unteren Randzone kurz die hinter ihr liegenden Anlagen. Die bringt jedoch keinen Ertragsverlust, weil in diesen Zonen sowieso die Anstellwinkel der Flügel umgekehrt werden. - Anspruch 16. ist eine Anwendung der Erfindung, bei der jeder
Flügel des Hubflügelsystems
2 durch einen waagerecht rotierenden zylinderförmigen Flettner-Rotor22 ersetzt wird. Dieser rotiert im Aufwärtshub so, dass sich die Oberseite mit dem Wind und die Unterseite gegen den Wind bewegen. Im Abwärtshub rotiert er in Gegenrichtung. Ein Flettner-Rotor ist ein rotierender Zylinder. Wenn er vom Wind senkrecht zu seiner Längsachse angeströmt wird, entwickelt sich eine Kraft senkrecht zur Windrichtung und senkrecht zur Längsachse des Rotors in Richtung der Seite, auf der die Luft in Drehrichtung des Rotors strömt. Die Rotation kann vorteilhafter Weise durch den Wind selbst erzeugt werden. Dazu verfügt jeder zylinderförmige Flettner-Rotor22 vorzugsweise an beiden Enden über zwei Paare von Savonius-Rotoren23 und/oder Darrieus- Rotoren24 mit waagerechten Achsen und einer Mehrzahl von vorzugsweise spiraligen Rotorblättern. Ein Paar ist für die Aufwärtsrotation zuständig. Das andere Paar hat Blattwinkel mit gegenteiliger Steigung und ist für die Abwärtsrotation zuständig. Das jeweils inaktive Paar wird durch ein Paar von Abdeckungen in Form von axial verschieblichen Zylindermänteln überdeckt und dadurch inaktiviert. Die Abdeckungen werden zu diesem Zweck durch Mittel nach Stand der Technik hin und her geschoben. Die Rotoren können noch zusätzlich temporär durch einen Elektroantrieb unterstützt werden.
- Claim 2. is a variant of the invention, in which the Hubflügelsystem
2 at its lateral ends with vertical winglets21 equipped. The winglets are slightly arrow-shaped towards the wind. They thus ensure the azimuth orientation of the Hubflügelsystems2 to Lee even with low eccentricity of the wind attack center of gravity. If the lift wing systems2 has several wings, the winglets connect the outer ends of the wings, thus increasing the stability of the whole system. - Claim 3. A serious problem with large wind turbines is their growing height. The rotor tip of what is currently the tallest plant rises above 200 m. Although this increases the yield, but the risk of collision with aircraft is increased, bird swarms are irritated, impacts of lightning are likely and the consequences are aggravated. An inventive Hubflügelsystem
2 has great advantages according to these criteria. The lift wing system2 can be equipped with a small radar system, which monitors the surrounding airspace at each stroke or in certain stroke intervals and automatically adjusts the height of the stroke movement when approaching a flying object or a bird swarm so that no collision can happen. The system is also designed as a weather radar that can detect approaching thunderstorms or hail fronts. In such a case, the entire wind turbine, even fully automatically, to the pivoting device32 swung down and under the protective housing8th be brought to safety. The lift wing system2 can also be included in an air traffic control, maritime surveillance or weather data network. - Claim 11 is an application of the invention for the use of light wind. When the wind speed is so low that the lift wing system
2 can be raised only slowly or not at all, so does the operation of the first energy converter4 reversed in the lifting phase. He now works as a hydraulic motor and actively supports or causes the upstroke of the lift wing system2 , The downstroke is then driven together by wind and weight. From a certain minimum wind speed then the total energy balance is positive enough to be used economically useful. - Claim 12 is an embodiment of the invention by a method for optimizing the energy yield in a wind farm with many such facilities. Because the lift wing system
2 only half as wide as a comparable turbine, can lift wing systems2 be placed much closer together than turbines. Another fundamental advantage of a Hubflüge / system2 The following is true: in a wind park with state-of-the-art wind turbines, the wind turbines disrupt the turbines behind them with their turbulence from low-energy and turbulent winds. Therefore, the turbines in the main wind direction must have large distances from each other. Nevertheless, the total yield of the wind farm is smaller than the sum of the yields that the plants would provide individually. The lifting movement of each system according to the invention in a wind farm, however, can be controlled so that it operates out of phase with respect to the lifting movement of the system, which lies in front of her in the wind direction. Wind turbines one behind the other work through a synchronized control as a continuous wave of up and down movements. The vortex zone of a system meets in this way only briefly in the upper and lower marginal zone lying behind her plants. However, this brings no yield loss, because in these zones anyway the angles of attack of the wings are reversed. - Claim 16. is an application of the invention, wherein each wing of the Hubflügelsystems
2 by a horizontally rotating cylindrical Flettner rotor22 is replaced. This rotates in the upstroke so that the top moves with the wind and the bottom against the wind. In the downhill he rotates in the opposite direction. A Flettner rotor is a rotating cylinder. When it is flowed by the wind perpendicular to its longitudinal axis, a force develops perpendicular to the wind direction and perpendicular to the longitudinal axis of the rotor in the direction of the side on which the air flows in the direction of rotation of the rotor. The rotation can be advantageously generated by the wind itself. Each cylinder has a Flettner rotor22 preferably at both ends via two pairs of Savonius rotors23 and / or Darrieus rotors24 with horizontal axes and a plurality of preferably spiral rotor blades. One pair is responsible for the upward rotation. The other pair has pitch angles of opposite pitch and is responsible for downward rotation. The respective inactive pair is covered by a pair of covers in the form of axially displaceable cylinder shrouds and thereby inactivated. The covers are pushed back and forth by means of the prior art for this purpose. The rotors can additionally be supported temporarily by an electric drive.
7. Die Vorteile der Erfindung7. The advantages of the invention
Die Erfindung hat eine große Zahl von Vorteilen:
- 1. Die Erfindung hat das Potenzial, technisch zuverlässig und vor allem wirtschaftlich erfolgreich in den zweistelligen Leistungsbereich bis 20 Megawatt vorzustoßen.
- 2. Das Hubflügelsystem hat bei vergleichbaren Abmessungen eine um mehr als 27% größere Erntefläche als eine Windturbine.
- 3. Hubflügel haben einen höheren aerodynamischen Wirkungsgrad und deshalb einen höheren Erntegrad als Rotorblätter gleicher Gesamtlänge.
- 4. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt, gemessen an der Größenordnung, vergleichsweise geringe Entwicklungskosten, denn ihre drei Kernkomponenten sind, jede für sich, Stand der Technik. In jedem dieser Bereiche existiert bereits die volle Kompetenz in der einschlägigen Industrie: – Das Hubflügelsystem unterscheidet sich nur gering von Flugzeugtragflächen und kann von jedem Flugzeugbauer entwickelt und produziert werden. – Das Falt-Hub-Gerüst profitiert von der hohen Kompetenz, sowie von den bereits vorhandenen Komponenten bei der Kranbauindustrie. – Die Energiewandler sind allenfalls geringfügig angepasste Standardkomponenten aus dem Sortiment der Hydraulikindustrie.
- 5. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung produziert ohne Umrichterverluste besonders netzfreundlichen elektrischen Strom, der als „Premiumstrom” bezeichnet wird. Es ist Strom mit präziser Sinusform, mit konstanter Frequenz und konstanter Spannung.
- 6. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann sogar bei Sturm arbeiten. Bei einem Flugzeug hält eine Tragfläche Windgeschwindigkeiten aus, die weit über Sturmstärke liegen.
- 7. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zuverlässig, wartungsarm und langlebig.
- 8. Alles was schwer ist, befindet sich unten am Boden oder offshore nahe der Wasseroberfläche in einem geschlossenen Gehäuse und ist deshalb besonders wartungs- und reparaturfreundlich. Dem Servicepersonal wird die Arbeit besonders leicht gemacht. Die Servicekosten sind weit geringer als bei Windturbinen nach Stand der Technik.
- 9. Auch alle Wartungsarbeiten am Hubflügelsystem werden unten am Boden oder offshore auf einer Serviceplattform nahe der Wasseroberfläche oder auf einem Serviceschiff in einem geschlossenen Schutzgehäuse gemacht. Das Hubflügelsystem kann dazu herunter geschwenkt und im Schutzgehäuse geborgen werden. Auf diese Weise kann es auch zuverlässig gegen Blitz- oder Hagelschlag geschützt werden, sogar vollautomatisch.
- 10. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist einfach und zu niedrigen Kosten versicherbar.
- 11. Die Kosten pro kWh sind über die gesamte Lebenszeit hin geringer als bei den fortschrittlichsten Windturbinen nach Stand der Technik.
- 1. The invention has the potential to advance technically reliable and above all economically successful in the double-digit power range up to 20 megawatts.
- 2. The lift wing system has more than 27% larger harvesting area than comparable wind turbines with comparable dimensions.
- 3. Lifting wings have a higher aerodynamic efficiency and therefore a higher harvesting degree than rotor blades of the same overall length.
- 4. A device according to the invention requires, compared to the order of magnitude, comparatively low development costs, because their three core components are, each on its own, state of the art. In each of these areas already exists the full competence in the relevant industry: - The Hubflügelsystem differs only slightly from aircraft wings and can be developed and produced by any aircraft manufacturer. - The folding-hub scaffolding benefits from the high level of expertise and components already available in the crane construction industry. - The energy converters are at most slightly adapted standard components from the range of the hydraulic industry.
- 5. A device according to the invention produces, without converter losses, particularly grid-friendly electrical current, which is referred to as "premium current". It is current with precise sinusoidal shape, with constant frequency and constant voltage.
- 6. A device according to the invention can even work in storm. In an airplane, an airfoil can withstand wind speeds far beyond storm strength.
- 7. A device according to the invention is reliable, low maintenance and durable.
- 8. Anything that is heavy is located at the bottom of the ground or offshore near the water surface in a closed housing and is therefore very easy to maintain and repair. The service staff is the work very easy. The service costs are far lower than with prior art wind turbines.
- 9. All maintenance on the lift wing system will also be done down to the ground or offshore on a service platform near the water surface or on a service ship in a closed protective housing. The lift wing system can be swung down and retrieved in the protective housing. In this way, it can also be reliably protected against lightning or hailstorms, even fully automatically.
- 10. A device according to the invention is simple and insurable at low cost.
- 11. Cost per kWh is lower over the lifetime than in the most advanced state-of-the-art wind turbines.
9. Anwendungsbereiche der Erfindung9. Areas of application of the invention
Die Erfindung dient vorrangig der Energiegewinnung aus Wind aber auch aus Gezeiten- und anderen Meeresströmungen. Sie ist für alle Leistungsklassen geeignet. Der Schwerpunkt liegt jedoch bei der zuverlässigen Beherrschung von Leistungen im zweistelligen Megawattbereich und der Erzeugung an Premiumstrom, d. h. Strom mit präziser Sinusschwingung, konstanter Spannung und konstanter Frequenz.The Invention is primarily the energy from wind but also from tidal and other ocean currents. She is for all performance classes suitable. However, the focus is on Reliable mastery of double-digit benefits Megawatt range and generation of premium electricity, d. H. Electricity with precise sine wave, constant voltage and constant Frequency.
- 11
- Grundkörper oder in Anspruch 14 Pylonbody or claim 14 pylon
- 1111
- Azimutlageryaw bearings
- 1212
- Zugmitteltraction means
- 22
- HubflügelsystemHubflügelsystem
- 2121
- Wingletswinglets
- 2222
- Flettner-RotorenFlettner rotors
- 2323
- Savonius-RotorSavonius rotor
- 2424
- Darrieus-RotorDarrieus rotor
- 2525
- Flügelsegmentwing segment
- 2626
- Zugmittel zum Festhalten eines einzelnen Flügelsegments am Tragsporn im Falle eines Flügelbruchstraction means for holding a single wing segment on the support spur in case of a wing fracture
- 33
- Falt-Hub-GerüstFolding lifting scaffold
- 3030
- mehrteilige Teleskopvorrichtung statt Falt-Hub-Gerüst (nach Anspruch 6.)multipart Telescopic device instead of folding hub scaffolding (according to claim 6.)
- 3131
-
Tragsporn
am oberen Ende des Falt-Hub-Gerüsts, der das Hubflügelsystem
2 trägtSupport spur at the top of the folding-hub scaffolding, which is the Hubflügelsystem2 wearing - 3232
- Schwenkvorrichtung, mit der das gesamte Falt-Hub-Gerüst nach unten geschwenkt werden kannSwivel device, with the entire Falt-Hub scaffolding swung down can be
- 3333
- tribologisch und reibungsoptimierte Speziallagertribological and friction-optimized special bearings
- 44
- erster Energiewandlerfirst energy converters
- 4141
-
Liftsystem
mit dem der erste Energiewandler
4 zur Basis des Grundkörpers herunter gefahren werden kannLift system with the first energy converter4 can be driven down to the base of the body - 55
- Energiespeicherenergy storage
- 66
- zweiter Energiewandlersecond energy converters
- 77
- dritter Energiewandler (z. B. ein oder mehrere Generatoren für Premiumstrom)third Energy converter (eg one or more generators for Premium Power)
- 88th
- Schutzgehäusehousing
Erläuterungen zu den ZeichnungenExplanations to the drawings
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Claims (17)
Priority Applications (1)
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