Wedstrijd alternatieve vormen van energie voor leden en niet-leden van de K VIV

Transcriptie

1 Wedstrijd alternatieve vormen van energie voor leden en niet-leden van de K VIV Voorstel Wind 03 : Windturbines met flexibeler opbrengst door Eddy Thysman Tweede document met bijkomende informatie (Een nieuw soort windturbines met flexibeler opbrengst voor Vlaanderen en ver daarbuiten!) Augustus 2003 Inleiding : Als we nadenken over de opbrengst van windmolens, dan is een veel voorkomend probleem bij de keuze van de grootte van windmolens, de flexibiliteit van de wind. Inderdaad, stel nu dat we een plaats hebben waar we een windmolen willen bouwen. Gans het jaar door waait er bvb een matige wind. Die kunnen we gans het jaar door benutten dmv een kleine windmolen. Maar een gedeelte van het jaar waait er ook een steviger wind. Die zouden we kunnen benutten dmv een grotere windmolen. Zo komen we aan het probleem van de flexibiliteit van de wind : Bouwen we een kleinere windmolen, dan blijft veel waardevolle wind onbenut. Bouwen we een grotere, dan staat die een deel van het jaar er werkloos bij. Wat bouwen we nu? Wat we ook bouwen, een kleine windmolen of een grotere, het is duidelijk dat we er niet in zullen slagen om een volledige benutting van de wind te realiseren op die bepaalde plaats. We willen nu een windmolen ontwerpen die dit probleem van de flexibiliteit van de wind aanpakt. Een windmolen die zowel de matige wind (gans het jaar door) benut, maar ook de steviger wind (in een gedeelte van het jaar). Domein en toepassingsgebied : Een aanpak van het probleem van de flexibiliteit van de wind. Voor dit probleem is tot nu toe nog geen oplossing. We zullen een windmolen ontwerpen die zowel de matige wind (gans het jaar door) benut, maar ook de steviger wind (in een gedeelte van het jaar). Verschillen met bestaande systemen, sterke en zwakke punten zowel van het werkingsprincipe als van de technische uitvoering : 1

2 Zie figuur Wind : We ontwerpen een windmolen met op de hub E vooraan 3 rotorbladen A1 A2 A3 met een kleinere diameter (bvb 70m). Achteraan op de gondel C, voorzien we een hub D met 3 rotorbladen B1 B2 B3 met een grotere diameter (bvb 100m). De hoek verdraaiing tussen de rotoren van beide sets bedraagt 60. Alles op dezelfde centerlijn in het verlengde. Een onder hoek opstelling (vroeger door de asymmetrische opstelling) bvb 5 geheld is niet meer nodig. 2

3 De windrotorbladen B1 B2 B3 zitten wel anders op de hub D gemonteerd daar de wind nu daar van achter komt. Wat is nu het werkingsprincipe? Gans het jaar door waait er bvb een matige wind. Die kunnen we gans het jaar door benutten dmv de windrotoren A1 A2 A3 met kleinere diameter die vooraan gemonteerd zijn op de hub E. De achterop gelegen hub D met windrotoren B1 B2 B3 is dan NIET in werking en in de stand men 1 rotor loodrecht naar beneden verborgen achter de peiler. Zo creëert men de minste weerstand voor de rotoren vooraan. Maar een gedeelte van het jaar waait er ook een steviger wind. Die kunnen we nu benutten dmv de achterop de gondel gelegen hub D met windrotoren B1 B2 B3. Deze treedt dan in werking terwijl de voorop gelegen windrotoren A1 A2 A3 met kleinere diameter die gemonteerd zijn op de hub E ook in werking blijven. In deze periode draaien de rotoren vooraan maar ook achteraan. Wel met dezelfde rotatiesnelheid want de assen zijn gekoppeld dmv een koppeling. 3

4 Een 3D opstelling ziet men in figuur Wind Voor een 3D opstelling van 10 dergelijke windturbines volgens de meest economische driehoekvorm (!) opstelling zie figuur Wind : 4

5 De gondel (nacelle) C zal natuurlijk anders ontworpen moeten worden. Zie figuur Wind : We zien daar de hoofdcomponenten. Voor de resterende onderdelen zoals hydraulisch systeem, het yaw mechanisme, elektronische controle eenheid, koelings eenheid, enz. zal men in de gondel C (nacelle) een plaatsje moeten zoeken, boven of opzij van de hoofdcomponenten. De windsnelheidsmeter en de windvaan kunnen bovenop de gondel gemonteerd worden. Op hub E komen de rotorbladen A1 A2 A3 toe. Deze hebben een kleinere diameter voor matige wind. Vanuit hub E vertrekt de traag draaiende as G in de gondel C. Deze as G is verbonden met de tandwielkast (gearbox) H1 die de snelheid vermeerdert. De sterkte van tandwielkast H1 en stroomgenerator K1 zijn ontworpen voor matige wind. Vandaar vertrekt de sneldraaiende as I. Dan is er de hoge snelheidsrem J1 die op de as zit. De as I loopt verder en gaat door de stroomgenerator K1. De as I loopt door tot een koppeling L. Deze koppeling grijpt enkel in als de hoekverdraaiing van 60 tussen beide sets rotorbladen vooraan en achteraan ingesteld is. Als men de koppeling L ontkoppelt dan laat dit ook toe één set rotorbladen stil te leggen en onderhoud te doen aan mechanische componenten van één zijde. Aan de andere kant van deze koppeling L hebben we de stroomgenerator K2. De as I loopt van de koppeling L doorheen de stroomgenerator K2 naar de hoge snelheidsrem J2. De as I loopt verder naar een andere tandwielkast H2. 5

6 Vandaar vertrekt de traag draaiende as G in de hub D verbonden met de rotorbladen B1 B2 B3. Deze hebben een grotere diameter voor steviger wind. De sterkte van tandwielkast H2 en stroomgenerator K2 zijn ontworpen voor steviger wind. Deze tweede set rotorbladen moeten wel anders op de hub D staan vermits de wind van achter komt. We merken op dat de set rotorbladen A1 A2 A3 vooraan en de set rotorbladen achteraan B1 B2 B3 bij stevige wind gekoppeld zijn via de doorlopende as I en de koppeling L, zodanig dat de ingestelde verdraaiing van 60 tussen de 2 rotorbladensets dan altijd behouden blijft! De rotorbladen B1 B2 B3 anders op de hub D zetten is niet echt een nieuwe component creëren daar het bestaande componenten zijn die iets anders opgesteld worden. Net zoals bij de rest van dit ontwerp trouwens. De enige nieuwe component is de aangepaste gondelopstelling en de koppeling L. Waar zeker nog verder over nagedacht kan worden is de volgorde van opstelling van de hubs : Ik heb eerst de hub geschikt voor matige wind geplaatst (omdat deze het ganse jaar in werking is) en daarachter de hub voor steviger wind. Een andere opstelling is ook mogelijk : Eerst de hub voor steviger wind en daarachter de hub voor matige wind. Zeer belangrijk : De korte afstand tussen beide sets rotorbladen en de hoekverdraaiing van 60 zorgen ervoor dat de verstoring van het windpatroon door de eerste set rotorbladen nog geen rol speelt voor de tweede set rotorbladen. Als bij de plaatsing van de verschillende mechanische onderdelen ontwerptechnisch de lengte van de gondel C te lang zou worden, dan bestaat het gevaar dat de verstoring van het windpatroon de tweede set rotorbladen toch zou bereiken! In dat geval moet men het ontwerp een beetje aanpassen en bepaalde onderdelen naast elkaar of boven elkaar ontwerpen en niet in het verlengde van elkaar. Op die manier kan men de lengte van de gondel C kort genoeg houden om ervoor te zorgen dat de verstoring van het windpatroon nog geen rol speelt bij de achterliggende set rotorbladen! Het zou dus kunnen zijn dat men een wat dikkere gondel C krijgt tussen beide sets rotorbladen. De gondels zullen in elk geval compacter van vorm worden, dan men nu gewoon is om te zien, omdat de lengte van de gondel nu wel degelijk een grote rol speelt! Mogelijks is de beste vorm voor de gondel ook de cilindervorm om zo min mogelijk het windpatroon te verstoren voor de achterliggende set rotorbladen. Een gedrongen cilinder met een zo kort mogelijke lengte. Dit is zeker nog beter dan de balkvorm en nog esthetisch ook! 6

7 Geen schaalvergroting! Geen nieuwe componenten! Becijfering of schatting van de efficiëntie en van de energetische impact : Is afhankelijk van de lengte van de periode dat er een steviger wind waait. Eerst moet men de volledige windgegevens hebben. 7