DE102023000242A1

DE102023000242A1 - Wind power plant with the designation: Windschuss The plant shown in the drawing '' Windschuss 0'' is to be built after the functional and performance test with the designation: ''Windschuss 250''. The number after the name stands for the average diameter of the turbine wheel, which changes depending on the type.

Info

Publication number: DE102023000242A1
Application number: DE102023000242.9A
Authority: DE
Inventors: Edelbert Schuster; Nicolas Schuster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-01-27
Filing date: 2023-01-27
Publication date: 2024-08-01

Abstract

Kern der Neuheit besteht darin, dass durch die konstruktive Kombination zweier Rohre, Einschnürungs-, Gleichrichter- und Zentrierringen, zwei Turbinenräder und einem Generater,alles zentrisch im gleichen Achsmittelpunkt gelagert, eine Turbine entsteht, die im Windkraft-Anlagenbau bisher unerreichtes Verhältnis zwischen verbauten Volumen und erzeugter Stromleistung darstelltThe core of the innovation is that the constructive combination of two tubes, constriction, rectifier and centering rings, two turbine wheels and a generator, all mounted centrally in the same axis center, creates a turbine that represents a previously unattainable ratio between installed volume and generated power output in wind power plant construction.

Description

Das Grundprinzip des Windschusses ist eine neuartige Gasturbine. Die Stromerzeugung findet im Inneren der Anlage statt und basiert auf einem Effekt der Aerodynamik. Sichtbare Rotorblätter gibt es nicht. Kern der Neuheit ist die, konstruktive Kombination von zwei Rohren, Einschnürungs-, Gleichrichter-, Zentrier-Kunststoffringen, zwei Turbinenräder und einem Generator, alles zentrisch im gleichen Achsmittelpunkt gelagert. Ein wesentlicher vorteilhafter Aspekt der patentrechtlich geschützten Neuheit ist der, dass sich die Windgeschwindigkeit durch die konstruktive Bauform mehrfach erhöhen lässt, denn die Windgeschwindigkeit geht bei der Berechnung der Windleistung im Kubik seines Wertes ein. Ein im Windkraft-Anlagenbau bisher unerreichtes günstiges Verhältnis zwischen verbauten Volumen und erzeugter Stromleistung und einen bisher unerreichten günstigen Leistungsbeiwert.The basic principle of the wind turbine is a new type of gas turbine. The power is generated inside the system and is based on an aerodynamic effect. There are no visible rotor blades. The core of the innovation is the structural combination of two pipes, constriction, rectifier and centering plastic rings, two turbine wheels and a generator, all mounted centrally at the same axis center. A key advantageous aspect of the patented innovation is that the wind speed can be increased several times due to the structural design, because the wind speed is included in the calculation of the wind power in the cubic value. A favorable ratio between installed volume and generated power output that has never been achieved before in wind turbine construction, and a favorable power coefficient that has never been achieved before.

Auf einem Volumen von ca. einem Kubikmeter, wird (im Kleinwindkraft-Anlagenbau bisher unerreicht) eine Nennleistung bis zu 6 KW erreicht. Da bei Sturm, dem Winddruck eine verschwindend geringe Windlast-Bezugs-Fläche, angeboten wird, kann diese Windkraft-Anlage aus statischen Gründen auf jedem Hausdach installiert werden. Aus optischen Gründen fällt sie weniger in Augenschein als ein üblicher Schornstein. Auf einem Flachdach oder auf einer Dachgaube, kann sie in aller Regel, von der Straßensicht her, fast unsichtbar montiert werden.A nominal output of up to 6 KW is achieved in a volume of around one cubic meter (unprecedented in small wind turbine construction). Since the wind pressure in a storm offers a negligible wind load reference area, this wind turbine can be installed on any roof for static reasons. For visual reasons, it is less noticeable than a normal chimney. On a flat roof or on a dormer window, it can usually be installed almost invisibly from the street.

Der Wind-Druck erzeugt an den Turbinenschaufeln eine Kraft. Durch die Kraft entsteht an den Turbinenrädern Rotation, die für den Antrieb des Generators genutzt wird. Das Windvolumen das am schräg geschnittenen Eingangsrohr ankommt wird durch eine besondere Gestaltung der Strömungskörper bzw. Gleichrichter in eine Kreisringfläche eingeengt. die sich zwischen Generatordurchmesser und Innenrohrdurchmesser bildet. Durch die Querschnittsänderung des Außen-Rohres zum Kreisring-Querschnitt an den Turbinenschaufeln, bleibt der Volumenstrom zwar konstant, die Strömungsgeschwindigkeit aber um das mehr als 3 fache beschleunigt. (siehe Kontinuitätsgesetz). Durch die besondere Gestaltung der Turbinenschaufeln und der Tatsache dass der Wind nicht nach außen (wie bei einem üblichen Windrad) entweichen kann, wird Strömungsgeschwindigkeit fast verlustfrei auf die Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenräder übertragen.The wind pressure generates a force on the turbine blades. This force causes the turbine wheels to rotate, which is used to drive the generator. The volume of wind that arrives at the diagonally cut inlet pipe is narrowed into a circular ring area by a special design of the flow bodies or rectifiers, which forms between the generator diameter and the inner pipe diameter. Due to the change in the cross-section of the outer pipe to the circular ring cross-section on the turbine blades, the volume flow remains constant, but the flow speed is accelerated by more than three times (see continuity law). Due to the special design of the turbine blades and the fact that the wind cannot escape to the outside (as with a normal wind turbine), the flow speed is transferred to the peripheral speed of the turbine wheels with almost no loss.

Der Wind-Volumenstrom wird sowohl am Generator-Eingang wie auch am -Ausgang durch ein rotierendes Turbinenrad geleitet. Das zweite Turbinenrad hilft mit, den Schlupf möglichst klein und somit die Umdrehungsanzahl zum durchgeströmten Wind-Volumenstrom nahezu proportional zu halten.The wind volume flow is guided through a rotating turbine wheel at both the generator input and output. The second turbine wheel helps to keep the slip as small as possible and thus the number of revolutions almost proportional to the wind volume flow.

Durch die exzentrische Lagerung des Außenrohres und zwei Windfahnen wird seine Achse immer parallel zum Wind gedreht. Somit nimmt das Außenrohr den Wind permanent aus allen Richtungen axial, bzw. frontal, auf. Durch diese spezielle Lagerung des Außenrohres und Drehpunkt-Anordnung, kann es sich um die eigene Achse drehen, ohne dass eine Windnachführung benötigt wirdDue to the eccentric bearing of the outer tube and two wind vanes, its axis is always rotated parallel to the wind. The outer tube thus constantly absorbs the wind from all directions axially or frontally. Due to this special bearing of the outer tube and pivot point arrangement, it can rotate on its own axis without the need for wind tracking

Das sich mit der Windrichtung mitdrehende Kabel, das aus dem Generator spritzwassergeschützt austritt, wird an den sich mitdrehenden Eingang eines speziellen Schleifringes angeschlossen. Dieses, in aller Regel, drei-adrige Kabel, dreht sich mit dem kompletten System, je nach Windverhältnis hin- und her. Im Extremfall mehr als 360 Grad. Am feststehenden Teil des Schleifringes wird ein weiterführendes festverlegtes Kabel angeschlossen, das, den vom Windschuss gelieferten Strom über entsprechende Laderegler an die Verbraucher bzw. an den Verwendungszweck überträgt.The cable, which rotates with the direction of the wind and exits the generator in a splash-proof manner, is connected to the rotating input of a special slip ring. This cable, which is usually three-core, rotates back and forth with the entire system depending on the wind conditions. In extreme cases, more than 360 degrees. A further, permanently installed cable is connected to the fixed part of the slip ring, which transmits the power supplied by the wind turbine to the consumers or the intended use via the appropriate charge controller.

Durch die geringen Massen der Turbinenräder, wird dem Winddruck, des gleichgerichteten und beschleunigten Wind-Volumenstromes, nur ein ganz geringes Trägheitsmoment entgegengesetzt, wodurch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Turbinenrades sich unwesentlich gegenüber der Windgeschwindigkeit verringert. Der Generator dreht sich dadurch schon bei Windstärke 1 (leichter Zug) oder 1 m/s und erzeugt Strom. Bekannte Windräder drehen sich erst bei 2,5 m/s, da diese große Massen bewegen müssen. Eine Verringerung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Turbinenrades und damit seiner Drehzahl entsteht durch den Druckverlust am Eingang des Gerätes, Dieser Druckverlust wird durch Verengung (Fläche am Eingang zur Kreisring-Querschnittsfläche an den Turbinenschaufeln) und dem Drehmoment des Generator-Rotors verursacht. Durch eine Versuchsreihe mit verschieden der Windgeschwindigkeit wird dieser Druck-bzw. Drehzahlverlust ermittelt und tabellarisch als mechanischer Wirkungsgrad dargestellt.Due to the low mass of the turbine wheels, only a very small moment of inertia is opposed to the wind pressure of the rectified and accelerated wind volume flow, whereby the rotational speed of the turbine wheel is reduced insignificantly compared to the wind speed. The generator therefore rotates at wind force 1 (light draft) or 1 m/s and generates electricity. Known wind turbines only rotate at 2.5 m/s because they have to move large masses. A reduction in the rotational speed of the turbine wheel and thus its speed is caused by the pressure loss at the inlet of the device. This pressure loss is caused by constriction (area at the inlet to the circular ring cross-sectional area on the turbine blades) and the torque of the generator rotor. This pressure or speed loss is determined through a series of tests with different wind speeds and presented in a table as mechanical efficiency.

Vorteile von WindschussAdvantages of Wind Shot

Starke Windböen verursachen am Gerät keine Probleme, da dem Winddruck unwesentliche Flächen entgegen gesetzt werden. aufwändige verstellbare Rotorblätter entfallen.

□ Auch bei Sturm muss die Anlage nicht stillgelegt werden (andere Anlagen werden bei 24 m/s - 27 m/s gestoppt)
□ Ausdauernde, ununterbrochene Stromertrag bei leichtem Wind bis starkem Sturm
□ Die Anlage ist robust, zeigt kaum Verschleiß, ist wartungsfrei Durch modernste Regler die ohne Überlast-Heizwiderstände auskommen, kann die GeneratorDrehzahl auf ihr max, zulässiges Maß elektrisch gebremst werden. Dadurch wird auch bei Orkan-Windgeschwindigkeiten seine max. zulässige Drehzahl nicht überschritten und es wird weiter Strom produziert.
□ Einsatz von Permanentmagnetgeneratoren bzw. Synchrongeneratoren brauchen keine bestimmte Drehzahl und haben eine lange Lebensdauer bei hoher Drehzahl
□ Hohe Betriebszeiten
□ Nahezu geräuschfreier Betrieb, durch Isolierung zwischen Innen- und Außenrohr
□ Es gibt keinen dynamischen Schattenwurf, wie von Windrädern bekannt.
□ Äußerst geringes Start-Drehmoment und damit gute elektromechanische Umsetzung der Bewegungsenergie
□ Es sind keine besonderen Fundamente notwendig, eine übliche Dachbefestigung (ähnlich Photovoltaik-Modulen) genügt in den meisten Fällen. Einfache Installation als Boden, vorzugsweise Flachdach, auch Schrägdach-Dach- und selten Wand-Konsolenmontage Die in der Zeichnung „Windschuss 0“ dargestellte Form, kommt bei Flachdächern zur Anwendung. Die Betonplatten werden auf die Dachfläche einzementiert.
□ Der Einsatz modernster Verbundwerkstoffe ermöglicht eine ultraleichtgewichtige
□ Bauweise bei höchster Festigkeit sowie UV-Beständigkeit und damit hohe Wirkungsgrade
□ Modulare und hochflexible Bauweise (Gleichteil-Baukasten-Prinzip).

Strong gusts of wind do not cause any problems for the device, as the wind pressure is counteracted by insignificant surfaces. Complex adjustable rotor blades are not required.

□ Even in storms, the plant does not have to be shut down (other plants are stopped at 24 m/s - 27 m/s)
□ Sustained, uninterrupted power production in light winds to strong storms
□ The system is robust, shows hardly any wear and is maintenance-free. Thanks to the latest controllers that do not require overload heating resistors, The generator speed can be electrically braked to its maximum permissible level. This means that even at hurricane wind speeds, the maximum permissible speed is not exceeded and electricity continues to be produced.
□ Use of permanent magnet generators or synchronous generators do not require a specific speed and have a long service life at high speed
□ High operating times
□ Almost noise-free operation due to insulation between inner and outer tube
□ There is no dynamic shadow, as is known from wind turbines.
□ Extremely low starting torque and thus good electromechanical conversion of kinetic energy
□ No special foundations are necessary, a standard roof mounting (similar to photovoltaic modules) is sufficient in most cases. Simple installation as a floor, preferably flat roof, also pitched roof-roof and rarely wall-console mounting. The form shown in the drawing "Windschuss 0" is used for flat roofs. The concrete slabs are cemented onto the roof surface.
□ The use of state-of-the-art composite materials enables ultra-lightweight
□ Construction with maximum strength and UV resistance and thus high efficiency
□ Modular and highly flexible design (common parts modular principle).

Claims

The core of the innovation is that the structural combination of two tubes, constriction, rectifier and centering rings, two turbine wheels and a generator, all mounted centrally in the same axis center, creates a turbine that represents a previously unattainable ratio between installed volume and generated power output in wind power plant construction

is characterized by the fact that a turbine wheel manufactured in 3D printing has a new, unusual shape in wind power plant construction. The innovative design of the turbine wheel blades and the pipe constriction prevents the wind from flowing outwards centrifugally. This means that the full wind power and thus the linear wind speed are transferred into rotational speed with almost no slip.

is characterized by the fact that the constriction, rectifier, centering and flow bodies made of plastic, produced in the 3D printer, depending on the specified area ratio and structural design, make it possible to increase the wind speed and thus the rotation speed or the power output of the generator, which depends on the speed, in such a way that a favorable efficiency is achieved that has never been achieved before for wind turbines.

is characterized by the fact that the rectifier, centering and flow body rings are designed in such a way that the accelerated wind volume flow is rectified. This eliminates any wind eddies, twist and asymmetry that may be present.

is characterized by the fact that the axis of the outer tube is mounted eccentrically in a new type of pivot bearing. If the outer tube is positioned sideways or perpendicular to the wind direction when wind occurs, it is always rotated parallel to the wind by the different surfaces on the outer tube and the wind vanes. The wind is thus permanently absorbed axially from all directions without the need for motorized wind tracking.

is characterized by the fact that the cable that rotates with the system, which exits the generator in a splash-proof manner, is guided out of the turbine in the center of the rotary bearing and is connected to the rotating input of a special slip ring. This means that the cable can rotate more than 360 degrees in extreme cases and the current can be continued on the fixed part of the slip ring through a permanently installed cable.

is characterized by the fact that Protection claim 1 until Protection claim 4 The system described is used as a wind power generator in electric cars. This wind turbine, installed in the front trunk (freed up engine compartment) of an electric vehicle, can recover part of the electricity consumed in the battery by driving while driving and when parked by absorbing the wind through the previously common radiator grille and special funnel that guides the wind to the turbine, thus significantly extending the electricity refueling intervals.