NL2003104C2 - Buisvormige mantel, alsmede windturbine voorzien van een dergelijke mantel. - Google Patents

Description

P88776NL00

Titel: Buisvormige mantel, alsmede windturbine voorzien van een dergelijke mantel.

De uitvinding heeft betrekking op energieopwekking met behulp van een kleinschalige windturbine voor gebruik in een bewoonde omgeving, zoals bijvoorbeeld in een tuin van een eengezinswoning, op een dak van een gebouw, of dergelijke.

5 Onder een dergelijke kleinschalige windturbine wordt hier verstaan een windturbine van het horizontale as type waarvan de diameter van de rotor in de grootte-orde van circa 0,5 meter tot circa 2,5 meter bedraagt, en doorgaans ergens tussen circa 1,0 meter en 1,5 meter ligt. Diameters groter dan circa 2,5 meter zijn voor het beoogde gebruik in een 10 bewoonde omgeving meestal ongeschikt.

Een bezwaar van kleinschalige conventionele windturbines met horizontale as is, dat ze als gevolg van de geringe afmetingen van de rotor onvoldoende energie opwekken in verhouding tot de vervaardigingskosten van de windturbine. De energie-opbrengst van een windturbine neemt 15 namelijk progressief af bij afnemende diameter van de rotor.

Uit de praktijk zijn pogingen bekend om een horizontale as windturbine uit te rusten met een buisvormige mantel. Deze mantel is coaxiaal met de horizontale rotatieas gefixeerd ten opzichte van een gondelbehuizing van de windturbine zodanig dat de rotorbladen binnen de 20 mantel kunnen roteren met enige speling tussen de tippen van de rotorbladen en de binnenzijde van de mantel. Met een der gelijke mantel kunnen zodanige veranderingen in de luchtstroming rondom de rotor teweeg gebracht worden dat de opbrengst van de windturbine sterk toeneemt in vergelijking met een conventionele horizontale as windturbine 25 die niet voorzien is van een dergelijke mantel. Bedoelde vergelijking is gemaakt in het geval dat de diameter van de rotor van de conventionele turbine gelijk is aan de maximale mantelbuitendiameter van de turbine met mantel.

2

Ondanks genoemde pogingen worden dergelijke turbines met mantel echter in de praktijk slechts zeer zelden toegepast.

5 In meer onbewoonde omgevingen is het immers veel aantrekkelijker om, in plaats van windturbines met mantels, turbines met (zeer) grote rotoren toe te passen om aldus een zeer hoge opbrengst te verkrijgen. Mantels voor dergelijke grotere rotoren zouden te immens zijn voor praktische toepassing.

10 In bewoonde omgevingen blijken de bekende kleinere turbines met mantels nadelen te hebben. Zo produceren ze veel geluid, hetgeen vanzelfsprekend ongewenst is in bewoonde omgevingen.

Maar de bekende turbines met mantel hebben nog meer nadelen. Vaak is de constructie van de mantel zwak, waardoor deze gemakkelijk kan 15 vervormen of beschadigen. Indien de mantel sterker uitgevoerd zou worden, zou deze zwaarder worden, waardoor tevens een sterkere mastconstructie nodig zou zijn. De vervaardigingskosten van de windturbine zouden dan te hoog worden in verhouding tot de energie-opbrengst van de turbine. Bovendien draait een te zware mantel slecht mee met veranderende 20 windrichtingen, hetgeen de energie-opbrengst van de turbine nog verder vermindert.

Het is een doel van de uitvinding om een oplossing te verschaffen volgens welke een kleinschalige windturbine stil en betrouwbaar is en een gunstige verhouding heeft tussen zijn energie-opbrengst en zijn 25 vervaardigingskosten.

Daartoe verschaft de uitvinding een buisvormige mantel voor een windturbine met horizontale rotatieas, welke windturbine een gondelbehuizing, een op de gondelbehuizing aangebrachte naaf en tenminste één aan de naaf bevestigd rotorblad omvat, waarbij de 30 gondelbehuizing is ingericht om draaibaar naar de windrichting op een mast 3 aangebracht te zijn, de naaf om de horizontale rotatieas roteerbaar is ten opzichte van de gondelbehuizing en het tenminste ene rotorblad zich met zijn lengterichting tenminste in radiale richting ten opzichte van de horizontale rotatieas uitstrekt, en waarbij de mantel is ingericht om in 5 bedrijfstoestand coaxiaal met de horizontale rotatieas gefixeerd te zijn ten opzichte van de gondelbehuizing zodanig dat het tenminste ene rotorblad binnen de mantel kan roteren met enige speling tussen een tip van het tenminste ene rotorblad en de binnenzijde van de mantel, met het kenmerk, dat de mantel gevormd wordt door een omhulsel uit een kunststof 10 materiaal, welk omhulsel een holle kern heeft die gevuld is met een schuimmateriaal, en waarbij de mantel inwendig versterkt is met tenminste één zich in omtreksrichting van de mantel uitstrekkende wapeningsring.

Specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn neergelegd in de bijgaande afhankelijke conclusies.

15 Door toepassing van de buisvormige mantel rondom het tenminste ene rotorblad levert een kleinschalige windturbine een behoorlijke energieopbrengst. De combinatie van het kunststof omhulsel en de daarbinnen gelegen kern van schuimmateriaal heeft een verrassend sterke geluiddempende werking tot gevolg. Dit wordt toegeschreven aan het feit 20 dat het belangrijkste aandeel in de geluidsproductie van een rotorblad in de tipzone van het rotorblad ontstaat, alwaar de locale omtreksnelheid van het rotorblad het grootst is. Deze grootste geluidsproductie wordt zogezegd in de kiem gesmoord door de geluiddempende combinatie van het kunststofmateriaal en het schuimmateriaal in de mantel, die steeds op zeer 25 korte afstand van de tip van het rotorblad die tip afschermt van de omgeving.

Reeds op grond van, ten eerste, de relatief hoge energie-opbrengst bij een kleinschalige windturbine, en, ten tweede, de lage geluidsproductie, is de turbine met een dergelijke mantel in eerste aanleg geschikt voor 30 gebruik in een bewoonde omgeving.

4

Door toepassing van de tenminste ene wapeningsring, die bijvoorbeeld van (roestvast) staal kan zijn, wordt de mantel sterk en vormbehoudend, terwijl het totale gewicht van de mantel beperkt blijft. Het genoemde vormbehoud treedt niet alleen op bij extreme 5 weersomstandigheden of bij botsingen met objecten, maar ook bij sterke temperatuurwisselingen, zoals dag/nacht verschillen of zomer/winter verschillen. Doordat namelijk de wapeningsring is ingebed in het kunststofmateriaal en/of in het schuimmateriaal, wordt de uitzetting en krimp van de mantel in hoofdzaak bepaald door de lineaire 10 uitzettingscoëfficiënt van de wapeningsring, welke uitzettingscoëfficiënt vele malen kleiner is dan de lineaire uitzettingscoëfficiënt van het kunststof materiaal. Genoemd vormbehoud van de mantel voorkomt dat de mantel door vervorming de luchtstroming zou bederven, wat een nadelige invloed zou hebben op de energie-opbrengst, of dat de mantel door vervorming zelfs 15 in contact zou komen met de tippen van de rotorbladen.

Het lage gewicht van de mantel maakt een eenvoudige mastconstructie mogelijk. Een zware mantel zou de windturbine namelijk meer topzwaar maken, dat wil zeggen dat het zwaartepunt van de turbine dichter bij de top van de windturbine zou komen te liggen. Een meer 20 topzware windturbine zou een sterkere mastconstructie vereisen, die de vervaardigingskosten van de windturbine beduidend zou verhogen. Ook heeft de lageringsconstructie die toegepast wordt voor het realiseren van de draaibaarheid tussen de gondelbehuizing en de (doorgaans verticaal geplaatste) mast meer te lijden van een zware mantel. Het lage gewicht van 25 de mantel heeft voorts een lage massatraagheid van de mantel tot gevolg, waardoor de mantel gemakkelijk meedraait met een veranderende windrichting, wat een additionele gunstige invloed heeft op de energieopbrengst van de windturbine.

Voorts is een groot voordeel van de uitvinding dat ook de mantel 30 zelf met relatief geringe kosten vervaardigd kan worden. De mantel kan 5 bijvoorbeeld zeer betrouwbaar vervaardigd worden met behulp van het relatief goedkope rotatiegieten, waarbij de tenminste ene wapeningsring, voorafgaand aan het rotatiegieten, voorgefabriceerd in een malconstructie van het rotatiegietproces kan worden gebracht. Het vullen van de holle kern 5 met het schuimmateriaal kan bijvoorbeeld geschieden tijdens de afkoelfase van het rotatiegietproces. De gondelbehuizing en/of de (verticale) as die op de (verticale) mast van de windturbine dient te worden aangebracht, kunnen (desgewenst eveneens met wapeningselementen) eenvoudigweg geïntegreerd met de mantel meegegoten worden in het rotatiegietproces. De 10 verschillende wapeningselementen van de verschillende delen kunnen desgewenst onderling verbonden zijn, waardoor de verhouding tussen het totale gewicht van de wapeningselementen en de sterkte van de uiteindelijke constructie nog verder verbeterd wordt.

De bovengenoemde aspecten dragen in combinatie met elkaar 15 aanzienlijk bij aan een gunstige verhouding tussen de energie-opbrengst en de vervaardigingskosten van de windturbine. Hierdoor wordt de terugverdientijd van de windturbine aanzienlijk verkort en draagt de uitvinding er aan bij dat de samenleving meer gebruik kan gaan maken van energieopwekking met behulp van kleinschalige windturbines in bewoonde 20 omgevingen, zoals bijvoorbeeld in een tuin van een eengezinswoning, op een dak van een gebouw, of dergelijke.

Diverse soorten kunststof materiaal kunnen worden gebruikt voor het omhulsel van de mantel. Bijvoorbeeld is kunststof materiaal uit de polyethyleen-familie bijzonder geschikt voor de mantel. Materiaal uit de 25 polyethyleen-familie heeft een lange levensduur, is slagvast, goed recyclebaar en in hoge mate chemisch resistent. Bovendien gaat dit materiaal ijsafzetting op de mantel tegen. Het materiaal uit de polyethyleen-familie materiaal is bovendien zeer geschikt voor toepassing in het genoemde rotatiegietproces. Ook het schuimmateriaal in de holle kern 30 kan van diverse soorten zijn. Bijvoorbeeld zijn diverse schuimmaterialen 6 bekend in het vakgebied van het rotatiegieten, welke schuimmaterialen in de handel verkrijgbaar zijn en niet alleen zeer geschikt zijn voor toepassing in het genoemde rotatiegietproces, maar ook zeer geschikt zijn voor het verkrijgen van een goede constructieve sterkte van de mantel en van een 5 effectief geluiddempend effect.

Bij voorkeur is de tenminste ene wapeningsring voorzien van perforaties. Dit draagt bij aan een laag gewicht van de mantel. Voorts biedt dit het voordeel dat het schuimmateriaal in de holle kern en/of het kunststof materiaal van het omhulsel van de mantel zich door die perforaties 10 kan/kunnen uitstrekken, waardoor een zeer hechte inbedding van de tenminste ene wapeningsring verkregen wordt.

Bij voorkeur is de mantel zodanig gevormd dat de mantel zich, tenminste over een axiaal gedeelte van de mantel dat zich gezien in windturbinebedrijf van de windturbine uitstrekt tot het luchtuittrede-eind 15 van de mantel, verwijdt in de richting van dat luchtuittrede-eind. Dit heeft een gunstig effect op de energie-opbrengst van de windturbine. Dit gunstige effect houdt verband met het feit dat in het nabije zog van de windturbine de luchtstroming zich in hoofdzaak verbreedt in stroomafwaartse richting, als gevolg van het door de windturbine onttrekken van energie uit de wind. 20 In een voorkeursuitvoeringsvorm is de mantel aan zijn buitenzijde voorzien van een zonnepaneelconstructie. Diverse soorten van dergelijke zonnepaneelconstructies kunnen worden toegepast. Bijvoorbeeld kunnen deze verdiept in de buitenzijde van de mantel zijn aangebracht om de luchtstroming rondom de mantel niet te bederven. Ook kunnen zeer dunne 25 zonnepanelen worden toegepast, bijvoorbeeld in de vorm van zonnepanelen van flexibel doekmateriaal.

In het geval dat een windturbine een mantel heeft die aan zijn buitenzijde voorzien is van een dergelijke zonnepaneelconstructie, is de windturbine bij voorkeur voorzien van middelen om de met behulp van de 30 zonnepaneelconstructie opgewekte energie aan te wenden voor het 7 aandrijven van de horizontale rotatieas voor het op gang brengen en/of anderszins ondersteunen van het windturbinebedrijf van de windturbine.

Dit levert bijvoorbeeld voordeel op wanneer de windkracht nog onvoldoende is om de rotor van de windmolen vanuit stilstand op gang te brengen. In een 5 dergelijke situatie is doorgaans iets meer windkracht nodig dan de windkracht die nodig is om een eenmaal op gang zijnde rotor draaiende te houden. De door de zonnepaneelconstructie opgewekte extra energie komt dan goed van pas voor het op gang brengen van de rotor. Vanzelfsprekend kan de door de zonnepaneelconstructie opgewekte energie, wanneer deze 10 niet nodig is voor het ondersteunen van het windturbinebedrijf van de windturbine, op diverse andere wijzen benut worden.

In het volgende wordt de uitvinding nader toegelicht met verwijzing naar de schematische figuren in de bij gevoegde tekening.

Fig. 1 toont in perspectief een voorbeeld van een uitvoeringsvorm 15 van een buisvormige mantel volgens de uitvinding, toegepast in een windturbine met horizontale rotatieas.

Fig. 2 toont een langsdoorsnede van de in Fig. 1 getoonde mantel.

Fig. 3 toont een deel van de langsdoorsnede van Fig. 2 in meer detail.

20 Fig. 4 toont in perspectief onder meer een in de mantel van Fig. 1 toegepaste wapeningsring.

Verwezen wordt eerst naar de in Fig. 1 getoonde windturbine 1 met horizontale rotatieas 3.

De turbine 1 omvat een gondelbehuizing 4, een op de 25 gondelbehuizing 4 aangebrachte naaf 5 en een aantal aan de naaf bevestigde rotorbladen 6. Voor de eenvoud van de tekening zijn slechts twee dergelijke rotorbladen 6 getoond. Volgens de uitvinding kan de turbine voorzien zijn van een willekeurig aantal rotorbladen, zoals één, twee, drie, vier, vijf, enzovoort. Elk rotorblad 6 strekt zich met zijn lengterichting 30 tenminste in radiale richting uit ten opzichte van de horizontale rotatieas 3.

8

De naaf 5 is roteerbaar ten opzichte van de gondelbehuizing 4 om de horizontale rotatieas 3. De gondelbehuizing 4 is draaibaar naar de windrichting 15 op een verticaal geplaatste mast 7 aangebracht. Deze draaibaarheid is in Fig. 1 aangeduid met de dubbele pijl 19. In het getoonde 5 voorbeeld is deze draaibaarheid gerealiseerd doordat de gondelbehuizing 4 gefixeerd verbonden is met een verticale as 17 die door middel van een lageringsconstructie 18 op de mast 7 is aangebracht zodanig dat de as 17 kan draaien ten opzichte van de mast 7.

De turbine 1 omvat voorts een buisvormige mantel 2 die coaxiaal 10 met de horizontale rotatieas 3 gefixeerd is ten opzichte van de gondelbehuizing 4 zodanig dat de rotorbladen 6 binnen de mantel 2 kunnen roteren met enige speling tussen de tippen van de rotorbladen 6 en de binnenzijde van de mantel 2. De mantel 2 is dus niet roteerbaar rondom de horizontale rotatieas 3.

15 Verwezen wordt nu naar de Figuren 2 t/m 4 waarin de mantel 2 in meer detail getoond is. De mantel 2 wordt gevormd door een omhulsel 8 uit een kunststof materiaal, zoals bijvoorbeeld materiaal uit de polyethyleen-familie. De laag kunststofmateriaal die het omhulsel vormt kan bijvoorbeeld een dikte hebben in de grootte-orde van circa 3 a 6 millimeter. Het omhulsel 20 8 heeft een holle kern die gevuld is met een schuimmateriaal 9. De mantel 2 is inwendig versterkt met de zich in omtreksrichting van de mantel 2 uitstrekkende wapeningsring 10, bijvoorbeeld van (roestvast) staal.

De wapeningsring 10 is voorzien van perforaties 11 die getoond zijn in de Figuren 3 en 4. In Fig. 3 is getoond dat het schuimmateriaal 9 zich 25 door deze perforaties 11 uitstrekt, waardoor een zeer hechte inbedding van de wapeningsring 10 verkregen wordt.

In Fig. 2 is te zien dat de mantel 2 zich, tenminste over een axiaal gedeelte van de mantel dat zich gezien in windturbinebedrijf van de windturbine 1 uitstrekt tot het luchtuittrede-eind 12 van de mantel, 30 verwijdt in de richting van dat luchtuittrede-eind 12. Dit heeft een gunstig 9 effect op de energie-opbrengst van de windturbine. Dit gunstige effect houdt verband met het feit dat in het nabije zog van de windturbine de luchtstroming zich in hoofdzaak verbreedt in stroomafwaartse richting, als gevolg van het door de windturbine onttrekken van energie uit de wind.

5 Genoemde zich in stroomafwaartse richting verwijdende luchtstroming in het nabije zog is in Figuren 1 en 2 aangeduid met een aantal pijlen 25 die korter getekend zijn dan de pijlen 15 om daarmee op schematische wijze aan te geven dat energie uit de aanstromende wind onttrokken is.

De mantel 2 kan vervaardigd zijn met behulp van rotatiegieten, 10 waarbij voorafgaand aan het rotatiegieten de wapeningsring 10 voorgefabriceerd in een bij het rotatiegieten gebruikte malconstructie gebracht is. De gondelbehuizing 4 en de verticale as 17 die op de mast 7 van de windturbine 1 is aangebracht, kunnen met hun in Fig. 4 getoonde additionele wapeningselementen 20, 21 en 22 eenvoudigweg geïntegreerd 15 met de mantel 2 meegegoten worden in het rotatiegietproces. De verschillende wapeningselementen 10, 20, 21 en 22 van de verschillende delen zijn in het getoonde voorbeeld onderling verbonden, waardoor een gunstige verhouding mogelijk is tussen het totale gewicht van de wapeningselementen en de sterkte van de uiteindelijke constructie.

20 In het getoonde voorbeeld is de mantel 2 aan zijn buitenzijde voorzien van een zonnepaneelconstructie 14 om de met behulp van de zonnepaneelconstructie 14 opgewekte energie aan te wenden voor het aandrijven van de horizontale rotatieas 3 voor het op gang brengen en/of anderszins ondersteunen van het windturbinebedrijf van de windturbine 1. 25 Opgemerkt wordt dat de bovengenoemde voorbeelden van uitvoeringsvormen de uitvinding niet beperken en dat binnen de reikwijdte van de bijgaande conclusies diverse alternatieven mogelijk zijn.

Zo kunnen meer dan één wapeningsringen in de mantel zijn ingebed, bijvoorbeeld wapeningsringen die axiaal en/of radiaal op afstand 10 van elkaar liggen. Dergelijke wapeningsringen zijn dan bij voorkeur onderling verbonden door middel van additioneel wapeningsmateriaal.

Voorts kan de toegangsopening van de mantel aan het tegenover het luchtuittrede-eind gelegen luchtintrede-eind van de mantel voorzien zijn 5 van een aan de mantel bevestigd rooster dat dient voor het weren van vogels of rondvliegende objecten.

Andere varianten of modificaties zijn echter ook mogelijk. Deze en soortgelijke alternatieven worden geacht binnen het kader te vallen van de uitvinding zoals gedefinieerd in de bijgevoegde conclusies.

10 In de bijgaande conclusies dient het woord “een” niet te worden gezien als beperkt tot “slechts één”. Het woord “een” sluit een veelvoud, dat wil zeggen de betekenis “tenminste één”, derhalve niet uit.

Claims (7)

1. Buisvormige mantel voor een windturbine (1) met horizontale rotatieas (3), welke windturbine een gondelbehuizing (4), een op de gondelbehuizing aangebrachte naaf (5) en tenminste één aan de naaf bevestigd rotorblad (6) omvat, waarbij de gondelbehuizing is ingericht om 5 draaibaar naar de windrichting op een mast (7) aangebracht te zijn, de naaf om de horizontale rotatieas roteerbaar is ten opzichte van de gondelbehuizing en het tenminste ene rotorblad zich met zijn lengterichting tenminste in radiale richting ten opzichte van de horizontale rotatieas uitstrekt, en waarbij de mantel is ingericht om in bedrijfstoestand coaxiaal 10 met de horizontale rotatieas gefixeerd te zijn ten opzichte van de gondelbehuizing zodanig dat het tenminste ene rotorblad binnen de mantel kan roteren met enige speling tussen een tip van het tenminste ene rotorblad en de binnenzijde van de mantel, met het kenmerk, dat de mantel (2) gevormd wordt door een omhulsel (8) uit een kunststof materiaal, 15 welk omhulsel een holle kern heeft die gevuld is met een schuimmateriaal (9), en waarbij de mantel inwendig versterkt is met tenminste één zich in omtreksrichting van de mantel uitstrekkende wapeningsring (10).

2. Buisvormige mantel volgens conclusie 1, waarbij de mantel (2) 20 vervaardigd is met behulp van rotatiegieten en waarbij, voorafgaand aan het rotatiegieten, de tenminste ene wapeningsring (10) voorgefabriceerd in een bij het rotatiegieten gebruikte malconstructie gebracht is.

3. Buisvormige mantel volgens conclusie 1 of 2, waarbij de tenminste 25 ene wapeningsring (10) voorzien is van perforaties (11).

4. Buisvormige mantel volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de mantel (2) zich, tenminste over een axiaal gedeelte van de mantel dat zich gezien in windturbinebedrijf van de windturbine (1) uitstrekt tot het luchtuittrede-eind (12) van de mantel, verwijdt in de 5 richting van dat luchtuittrede-eind (12).

5. Buisvormige mantel volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de mantel (2) aan zijn buitenzijde voorzien is van een zonnepaneelconstructie (14). 10

6. Windturbine met horizontale rotatieas (3), voorzien van een buisvormige mantel (2) volgens een der voorgaande conclusies.

7. Windturbine volgens conclusie 6, waarbij de mantel (2) aan zijn 15 buitenzijde voorzien is van een zonnepaneelconstructie (14), en waarbij de windturbine (1) voorzien is van middelen om de met behulp van de zonnepaneelconstructie opgewekte energie aan te wenden voor het aandrijven van de horizontale rotatieas (3) voor het op gang brengen en/of anderszins ondersteunen van het windturbinebedrijf van de windturbine. 20