NL8902534A - Windturbine. - Google Patents

Description

Windturbine.

Aanvraagster noemt als uitvinder: Ir W.H.J.K. Gribnau

De uitvinding heeft betrekking op een windturbine voor het met behulp van windenergie opwekken van elektrische energie, welke windturbine omvat een op een mast te monteren turbinerotor, die rond een rotoras draaibaar is met één of meer rotorbladen, en een met rotor en stator uitgeruste generator. Een dergelijke windturbine is uit de praktijk bekend bijvoorbeeld uit de brochure "Windturbine type WPS 30-3 for wind-farm application" uit 1987 van Holec.

Ten behoeve van de elektriciteitsvoorziening heeft men om verschillende redenen, waaronder milieu-aspecten en energieschaarste in dun bevolkte gebieden, sinds lange tijd reeds gebruik gemaakt van windenergie. De hierbij toegepaste windturbines worden in steeds grotere aantallen en omvang gebouwd. Een probleem hierbij wordt gevormd door de geringe energie-inhoud van het medium lucht. De vermogensopbrengst van een windturbine is namelijk direct afhankelijk van het windvangend oppervlak van de met één of meer bladen uitgeruste turbinerotor zodat men genoodzaakt is grote turbinerotoren toe te passen. Als gevolg van de hoge omtrekssnelheid van de uiteinden van dergelijke grote turbinerotoren wordt het maximaal haalbare toerental beperkt onder meer door materiaalaspecten, zoals sterkte, materiaalmoeheid e.d., de vorm en aantal van de rotorbladen, en milieu-aspecten zoals geluidsoverlast. Hierdoor zal het aan de turbinerotor beschikbare toerental een factor 10 tot 30 lager liggen dan bij een conventionele generator.

Omdat de vermogensopbrengst van een generator recht evenredig is met het toerental dienen er maatregelen te worden getroffen om het toerental te verhogen dan wel om de generator aan het lage toerental aan te passen. Hierdoor wordt de prijs per eenheid afgeleverd vermogen ongunstig beinvloed. Als vuistregel kan men stellen dat de prijs per eenheid afgeleverd vermogen gerelateerd is aan het gewicht van de installatie, d.w.z. hoe zwaarder de installatie hoe hoger de prijs van het afgeleverd vermogen. Om toch met conventionele sneldraaiende generatoren te kunnen werken en een redelijke vermogensopbrengst te verkrijgen zijn veel windturbines via tussenassen, tandwielkastover-brengingen, koppelingen en remmen gekoppeld met deze sneldraaiende generatoren. Hiermede wordt het lage toerental van de windturbine via een mechanische versnelling of omhoogomzetting aangepast aan het veel hogere toerental van de standaarddraaistroomgenerator. De genoemde tingscomponenten zijn meestal ondergebracht in een zware en omvangrijke gondel bovenop de mast voor de windturbines.

In het bijzonder bij windturbines voor grotere vermogens, bijvoorbeeld boven de 100 kW, is in de praktijk gebleken dat deze bij exploitatie sterk onderhevig zijn aan veel noodzakelijk onderhoud en ernstige defecten. Steeds duidelijker is de kwetsbaarheid gebleken van de genoemde conversietrein: turbinerotor, assen, tussenassen, koppelingen, tandwielkast, rem en generator. De complexiteit van de conversietrein maakt deze trein gevoelig voor de zware condities van het windturbine-bedrijf, zoals trillingen, resonanties, sterke kracht- en koppelvaria-ties.

Teneinde zonder omzetting via een gehele conversietrein bij lage toerentallen van windturbines toch eenzelfde opbrengst van vermogen te bereiken kan men ook de generator aanpassen. Dit kan men realiseren door bijvoorbeeld het aantal polen in de generator op te voeren. Dit leidt dan weer tot vergroting van de afmetingen van de generator. In de Duitse octrooipublikaties DE-A-3.629.872 en DE-A-3.638.129 zijn voorbeelden aangegeven van een windturbine, waarbij een generator met een groot aantal polen en derhalve grote diameter in de torenconstructie is geïntegreerd. Hierbij wordt deze generator rechtstreeks door de windturbine aangedreven. Het gaat hierbij om een generator van het synchrone type met permanentmagneten en op conventionele wijze als ronde rota-tiesymmetrische ringmachine opgebouwd. Een dergelijke machine heeft echter als nadelen de toepassing van dure magneten en de grote diameter van de stator, waarop zij als gevolge van de lage hoeksnelheid van de windturbine met hoog pooltal moeten worden ontworpen. ALs gevolg van de grote diameter en relatief kleine axiale lengte van de stator zijn deze machines duur en mechanisch kwetsbaar door gebrek aan voldoende rondstijfheid.

De uitvinding beoogt de bovengenoemde problemen te ondervangen en een windturbine te verschaffen die een sterke eenvoudige constructie zonder conversietrein heeft en daardoor meer betrouwbaar en onder-houdsvriendelijk is en een hoge levensduur heeft.

Dit wordt bij een windturbine van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt dat de generator een sectormachine is, waarvan de stator een of meer discrete statorsectoren omvat en waarvan de rotor een continue doorlopende ringvorm heeft, die direct gekoppeld is aan de turbinerotor, waarbij de een of meer discrete statorsectoren zich slechts tegenover een klein deel van de ringvormige generatorrotor uitstrekken, waarvan de draaiende beweging voortdurend in êên richting gaat. Bij een voordelige uitvoering volgens de uitvinding is de sectormachine van het asynchrone type. De genoemde genera-torrotor kan als een dwars op het vlak van de turbinerotorbladen staande ring of als een in of evenwijdig aan het vlak van de turbinerotorbladen verlopende platte ring, d.w.z. open schijf, zijn uitgevoerd.

Volgens de uitvinding wordt een sectormachine gebruikt waarvan de een of meer discrete statorsectoren een compacte opbouw hebben en waarbij de rechtstreeks aan de turbinerotor gekoppelde generatorrotor kan worden gerealiseerd met een vrij kiesbare grote diameter. Hierdoor wordt een hoge omtrekssnelheid bij een lage hoeksnelheid, d.w.z. bij laag toerental, verkregen. Wanneer men de rotordiameter groter kiest kan de stator kleiner worden gekozen om toch eenzelfde hoeveelheid vermogen op te wekken. De uitvinding maakt gebruik van een sectormachine die van het asynchrone type kan zijn. Daarmee wordt een eenvoudige en robuuste ringvormige constructie van de generatorrotor mogelijk. Deze rotor kan van een relatief goedkoop elektrisch geleidend materiaal worden vervaardigd. Doordat de rotordiameter groot kan zijn kan met voordeel ook de luchtspleet in de uit twee statorhelften bestaande discrete statorsectoren groter worden.

Eveneens wordt het voordeel verkregen dat, doordat voor de generator een asynchrone machine wordt toegepast, die inherent robuust is, de normaal gebruikelijke opwekker(s), bekrachtigingssysteem, regelaar(s) en sleepringen resp. draaiende gelijkrichters ontbreken. Tevens kan deze asynchrone machine met voordeel als rem worden gebruikt door middel van gelijkstroom- of condensatorbekrachtiging op een of meer sta-torfasewikkelingen. Bij het initieel op gang brengen van bijvoorbeeld een verticale asturbine kan de asynchrone machine als motor de windturbine vanuit stilstand op toeren brengen. Verder heeft de asynchrone sectorgenerator van nature een grote slip waardoor het toerendynamische gedrag van de windmolen beter is. Ten behoeve van het wegnemen van rijp en/of ijs kan de generatorstator als rotor bij stilstand door middel van intermitterend resp. reverserend inschakelen worden opgewarmd.

Alhoewel bij de huidige stand van de techniek de synchrone sectormachine commercieel minder aantrekkelijk is vanwege de toepassing van duur magnetisch materiaal, moet niet worden uitgesloten dat toekomstige ontwikkelingen op het gebied van magnetische materialen dit nadeel kunnen opheffen waardoor ook het synchrone type met voordeel bij de uitvinding kan worden toegepast.

Als gevolg van de directe koppeling tussen turbinerotor en generator vervalt de mechanische versnelling of omhoogomzetting met bijbeho rende koppelingen en tussenassen. Hierdoor is de betrouwbaarheid van de windturbine sterk verbeterd zodat de toepassing van windenergie met behulp van deze windturbine voor het opwekken van elektrische energie commercieel aantrekkelijk is geworden.

De uitvinding zal aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin dezelfde onderdelen in de verschillende figuren met dezelfde verwijzings-cijfers zijn aangeduid, en waarin: fig. la tot le uitvoeringsvoorbeelden tonen van een windturbine volgens de uitvinding van het horizontale-astype met één statorsector; fig. 2a tot 2d uitvoeringsvoorbeelden tonen van een windturbine volgens de uitvinding van het horizontale-astype met twee stator-sectoren; en fig. 3a en 3b uitvoeringsvoorbeelden tonen van een windturbine volgens de uitvinding van het verticale-astype met ten minste twee sta-torsectoren.

Bij de in fig. 1 aangegeven uitvoeringsvoorbeelden is op een tur-binemast of toren 8 via een as 2 de windturbinerotor 1 bevestigd. Bij deze windturbine van het horizontale-astype is bijvoorbeeld nabij of aan het uiteinde van de rotorbladen de generatorrotor 6 aangebracht in de vorm van een ring. In fig. la is deze ring onder een in het algemeen rechte hoek ten opzichte van het vlak van de rotorbladen of -wieken 1 aangebracht. In fig. lb is de ring als een platte ring, d.w.z. een open schijf, aan het uiteinde van de bladen in hetzelfde vlak daarvan aangebracht. De met 4 in het algemeen aangeduide generator heeft behalve de genoemde rotor 6 een of meer discrete statorsectoren die elk uit twee statorhelften 5 zijn opgebouwd. Deze statorhelften 5 zijn met behulp van een U-vormige houder of z.g. stoel 7 aan het draai- of kruibare deel 9 van de mast 8 bevestigd. Met 3 is een lagering van dit kruibare deel van de mast 8 aangeduid. Met 15 is een in de mast geïntegreerde hijsinrichting aangegeven.

Daar in de fig. la en lb de ringvormige rotor 6 aan het einde van de turbinerotor 1 is bevestigd zal deze rotor een hoge omtreks- of omloopsnelheid hebben en kan worden volstaan met één discrete statorsector. Het is duidelijk dat de U-vormige houder 7 van de statorsector(en) met bijbehorende statorhelften en luchtspleet in de constructie aangepast is aan de resp. horizontale en verticale stand van de ring volgens fig. la en lb. In fig. lc is een vooraanzicht gegeven van een mogelijke uitvoeringsvorm met een uit zes bladen bestaande turbinerotor en een aan de uiteinden van de bladen aangebrachte platte ring, d.w.z.

open schijf, als generatorrotor en een enkele discrete statorsector van de generator.

De fig. ld en le geven weer een andere uitvoeringsvorm weer waarin de ringvormige generatorrotor 6 stijf is gekoppeld aan de as 2 van de turbinerotor 1 met een daartoe geëigende draaischijf 10 van open constructie. Hierbij is de diameter van de generatorrotor kleiner dan de diameter van de turbinerotor. Ook hier is de omtreksnelheid van de generatorrotor 6 voldoende om weer gebruik te maken van een enkele in een U~vormige houder 7 opgenomen statorsector. Bij dit voorbeeld kan ook een hijspunt 11 worden toegepast, en kan in de bovengelegen houder 16 een rem zijn opgenomen.

In de fig. 2a en 2b zijn uitvoeringsvoorbeelden gegeven van een windturbine van het horizontale-astype waarbij ten opzichte van de fig. la tot lc de generatorrotor 6 met een kleinere diameter ten opzichte van de omtrek van de turbinerotor 1 is geplaatst. Omdat hierbij de omtreksnelheid of lineaire omloopsnelheid lager is dan bij de voorbeelden uit fig. la tot lc worden hier twee in U-vormige houders ondergebrachte, discrete statorsectoren toegepast. Wanneer nodig kunnen meer sectoren worden aangebracht. In fig. 2a is de generatorring rechtstreeks bevestigd aan de rotorbladen 1. In fig. 2b is de platte ring van de generatorrotor 6 weer op een aparte open schijfconstructie rechtstreeks aan de as van de rotorturbine gekoppeld. In de fig. 2c en 2d is resp. een zijaanzicht en een vooraanzicht gegeven van een uitvoe-ringsvariant van de generatorrotor 6 die weer via een open schijfvormige constructie 10 afzonderlijk op de as 2 van de turbinerotor is bevestigd. Met 11 is weer een hijspunt aangegeven.

In de fig. 3a en 3b zijn twee uitvoeringsvoorbeelden gegeven van een windturbine van het verticale-astype met twee of meer bijbehorende turbinebladen van bekende vorm. Deze bladen zijn aan de turbinebus 12 bevestigd. De rond de as 2 aan de mast 8 draaiende rotorbladen 1 zijn aan de onderzijde vast bevestigd aan een open horizontaal meedraaiende rotorblad- ondersteuningsconstructie 14. In fig. 3a is de ringvormige generatorrotor uitgevoerd als een aan het uiteinde van de rotorblad-ondersteuningsconstructie 14 aan een omgebogen rand 13 aangebrachte platte ring of open schijf 6. In fig. 3b is deze ringvormige generatorrotor uitgevoerd als een verticaal omlaag uitstekende ring. De hierbij toegepaste statorsectoren verlopen in het geval van fig. 3a horizontaal en in het geval van fig. 3b verticaal.

Claims (10)

1. Windturbine voor het met behulp van windenergie opwekken van elektrische energie, omvattende een op een mast te monteren turbine-rotor, die rond een rotoras draaibaar is met een of meer rotorbladen, en een met rotor en stator uitgeruste generator, met het kenmerk, dat de generator een sectormachine is, waarvan de stator een of meer discrete statorsectoren omvat en waarvan de rotor een continue doorlopende ringvorm heeft, die direct gekoppeld is aan de turbinerotor, waarbij de een of meer discrete statorsectoren zich slechts tegenover een klein deel van de ringvormige generatorrotor uitstrekken waarvan de draaiende beweging voortdurend in êên richting gaat.

2. Windturbine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de sectormachine van het asynchrone type is.

3· Windturbine volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat een of meer discrete statorsectoren elk uit twee statorhelften bestaan die aan de benen van een U-vormige, aan de mast gemonteerde houder zijn bevestigd en tussen hen een luchtspleet definiëren, en dat de aan de turbinerotor gekoppelde ringvormige generatorrotor dezelfde hoeksnelheid heeft als de turbinerotor en hierbij telkens in de luchtspleet tussen de twee statorhelften van elke discrete statorsector passeert.

4. Windturbine volgens conclusie 3, waarbij deze windturbine van het horizontale-astype is, met het kenmerk, dat de generatorrotor een dwars op het in hoofdzaak verticale vlak van de rotorbladen uitstaande ring vormt, en dat de U-vormige houder van elke discrete statorsector in het in hoofdzaak horizontale vlak om de ring grijpt.

5. Windturbine volgens conclusie 3, waarbij deze windturbine van het horizontale-astype is, met het kenmerk, dat de generatorrotor een in het in hoofdzaak verticale vlak verlopende platte ring vormt, en dat de U-vormige houder van elke discrete statorsector in het in hoofdzaak verticale vlak om de platte ring grijpt.

6. Windturbine volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de ringvormige generatorrotor aan of nabij het einde van de rotorbladen is aangebracht.

7. Windturbine volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de ringvormige generatorrotor op de turbinerotoras op afstand van de tur-binerotor is gemonteerd en een ringvorm heeft met een in het algemeen kleinere diameter dan de diameter van de turbinebladen.

8. Windturbine volgens conclusie 3, waarbij deze windturbine van het verticale-astype is, en waarbij de turbinebladen een vanaf de top van de turbinerotor zijwaarts en naar beneden uitstrekkende, op zich bekende vorm hebben, waarbij de uiteinden van de turbinebladen door een in het algemeen open rotorblad-ondersteuningsconstructie met de as van de turbinerotor zijn verbonden, met het kenmerk, dat de ringvormige generatorrotor aan of nabij de omtrek van de rotorblad- ondersteunings-constructie aan de onderzijde daarvan is bevestigd.

9. Windturbine volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de ringvormige generatorrotor als een ring vanaf de rotor-ondersteuningscon-structie naar beneden uitsteekt en dat ïï-vormige houder van elke discrete statorsector in het verticale vlak om de ring grijpt.

10. Windturbine volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de ringvormige generatorrotor aan een omgebogen rand van de rotorblad-onder-steuningsconstructie als een evenwijdig daaraan verlopende platte ring is uitgevoerd en dat de U-vormige houder van elke discrete statorsector in het horizontale vlak om de platte ring grijpt.