NL1017171C1

NL1017171C1 - Wind power method for generating electricity, uses kite to unwind cable in order to rotate drum

Info

Publication number: NL1017171C1
Application number: NL1017171A
Authority: NL
Inventors: Cornelis Eerkens
Original assignee: Cornelis Eerkens
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2002-07-25

Abstract

A kite flown in the wind is used to unwind a cable from a drum, the rotary force being used to generate electricity. Once the cable is unwound, wind pressure acting against the kite is removed by automatically positioning it so that it behaves like a flag, kite positioning being carried with the aid of a remote-controlled servo motor (3) mounted on the kite. The kite is allowed to fall by winding the cable around its drum using a drive force. The kite is then positioned with the servo motor so it can catch the wind again and rises up. An Independent claim is also included for the apparatus used to generate electricity by this method, the cable drum being provided with a means for transferring rotary force to a fly-wheel and/or generator during cable unwind, whilst an axle arrangement mounted in a fixed frame is used to free-wheel the drum in the opposite rotation direction during cable wind-up.

Description

Werkwijze en inrichting voor het opwekken van electriciteit met windenergie op grote hoogte.Method and device for generating electricity with wind energy at high altitude.

De aanvrage heeft betrekking op een inrichting en een werkwijze voor het genereren 5 van windenergie uit luchtlagen die hoger liggen dan die waar conventionele windmolens hun energie vandaan halen. In hogere luchtlagen zijn de horizontale luchtstromingen sterk en constant. In de buurt van de jetstream hebben zij veelal een stormkracht. Met een grote vlieger en een lichte kabel (bijvoorbeeld kabels van aramide vezels) kan volgens de hierna te beschrijven werkwijze windenergie van grote hoogte efficient worden omgezet in electriciteit.The application relates to a device and a method for generating wind energy from air layers that are higher than those from which conventional windmills get their energy. In higher air layers, the horizontal air flows are strong and constant. They often have a storm force in the vicinity of the jet stream. With a large kite and a light cable (for example, cables of aramid fibers), wind energy from a great height can be efficiently converted into electricity according to the method to be described below.

10 De uitvinding borduurt voort op een voorstel van Ir Joris W Eerkens gedaan aan LICENTEC in januari 1996 dat een gelijksoortige ontwikkeling beoogt van windenergiegewinning'fn'Tiogere luchtlagen. Op basis van vertrouwelijke en geregistreerde correspondentie alsmede schetsen van hem en Ir C Eerkens, uitvinder van de onderhavige uitvoering, zijn combinaties van een aantal mogelijkheden van het voorstel geregistreerd te Arnhem, d.d. 12-12-1995 bij de IS belastingdienst.10 The invention builds on a proposal from Ir Joris W Eerkens made to LICENTEC in January 1996 that aims at a similar development of wind power generation. On the basis of confidential and registered correspondence as well as sketches by him and Ir C Eerkens, inventor of the present implementation, combinations of a number of possibilities of the proposal were registered in Arnhem, 12-12-1995 at the IS tax authorities.

Dr Wubbo Okkels heeft later een laddermolen van vliegers uitgevonden en zijn ontwerp, neergelegd in octrooi NL 10.04508 en hij beoogt eveneens de energiegewinning op grotere hoogten. Echter in zijn benadering worden, als het ware, aan de lopende band vliegers opgelaten die inklapbaar zijn. Een reeks van door de wind uitgeklapte vliegers trekt een kabel 20 omhoog. Ze klappen in wanneer ze omlaag gaan. Via een poelie waarover de kabel met de reeks vliegers loopt wordt een generator aangedreven.Dr Wubbo Okkels later invented a ladder mill of kites and his design, laid down in patent NL 10.04508 and he also aims for energy extraction at higher altitudes. However, in his approach, flyers are lowered onto the conveyor belt that are foldable. A series of kites deployed by the wind pulls up a cable 20. They collapse when they go down. A generator is driven via a pulley over which the cable runs with the series of kites.

Met de werkwijze en de inrichting in het onderhavige ontwerp is een vliegerkracht-centrale voorzien die minder vatbaar is voor slijtage aan de onderdelen dan bij het ontwerp van de heer Okkels.With the method and the device in the present design, a kite power station is provided that is less susceptible to wear to the parts than in Mr Okkels' design.

25 Het specifieke doel van de onderhavige uitvinding is te voorzien in een werkwijze en een inrichting die op efficiënte wijze windenergie kan omzetten in electrische stroom met generatoren die op het aardoppervlak worden aangedreven door de trekkracht van vliegers die door de wind omhooggetrokken worden.The specific purpose of the present invention is to provide a method and a device that can efficiently convert wind energy into electric current with generators driven on the earth's surface by the pull of kites pulled by the wind.

De werkwijze van de onderhavige uitvinding wordt gekenmerkt door een opéénvolging van 30 automatische procedures voor de opwekking van electriciteit in een vliegerkrachtcentrale die: een kabel van een omhooggaande vlieger laat afrollen van een trommel waardoor een vliegwiel wordt aangedreven de vlieger op zijn hoogste punt, wanneer de kabel is afgewikkeld, in vaanstand laat zetten door middel van een automatisch afgegeven radiografisch signaal dat een servo motor 35 activeert voor het verplaatsen van het (virtuele) aangrijppunt van de kabel aan de vlieger simultaan met het afwikkelen van de kabel van de eerste vlieger een tweede kabel van een tweede vlieger die afdaalt in vaanstand free-wheelend laat terugwikkelen op een tweede trommel door aandrijving van de trommel van de omhooggaande vlieger terwijl op de as van de tweede trommel is eveneens een tweede vliegwiel gemonteerd.The method of the present invention is characterized by a succession of automatic procedures for generating electricity in a pilot power station that: a cable from an ascending kite unrolls from a drum driving a flywheel to the kite at its highest point when the cable has been unwound, caused to be put into service by means of an automatically delivered radiographic signal that activates a servo motor 35 for moving the (virtual) point of engagement of the cable to the kite simultaneously with the unwinding of the cable from the first kite a second cable from a second kite that descends in the vane position free-wheeled, rewinds on a second drum by driving the drum of the upward kite while on the axis of the second drum a second flywheel is also mounted.

40 - een servomotor van de tweede vlieger activeert met een automatisch signaal waardoor hij uit zijn vaanstand wordt gebracht en weer in trekstand wordt geplaatst op het moment dat : .»«< 2 de eerste vlieger in vaanstand is gegaan, waarbij zal telkens de lengte van het afgewikkelde deel van de tweede kabel gelijk zal zijn aan de lengte van het teruggewikkelde deel van de eerste kabel en vice versa.40 - activates a servomotor of the second kite with an automatic signal, which brings it out of its vane position and puts it back into the pull position when the first kite has gone into vane position, whereby the length of each the unwound part of the second cable will be equal to the length of the rewound part of the first cable and vice versa.

Een verder kenmerk van deze vinding is dat draaïngs-energie wordt geleverd aan vliegwielen, 5 respectievelijk generatoren, bij het afwikkelen van de kabels van de trommels. Wanneer de kabels terugwikkelen, draaien de trommels free-wheelend in tegengestelde richting. (Het freewheelend mechanisme van trommel- en vliegwielas is te vergelijken met de aandrijving van een achterwiel van een fiets zonder terugtraprem.)A further feature of this invention is that rotational energy is supplied to flywheels, or generators, respectively, when unwinding the cables from the drums. When the cables rewind, the drums rotate free-wheeled in the opposite direction. (The freewheel mechanism of drum and flywheel axle can be compared with the drive of a rear wheel of a bicycle without coaster brake.)

Omdat er reeds vele verfijnde werkwijzen en inrichtingen van generatoren bestaan, is bij 10 deze vinding in het midden gelaten hoe de energie van vliegwielen wordt overgedragen op een generator. De veronderstelling Is echtër gerechtvaardigd om in de vliegwielen ankers te maken", zoals bij dynamo’s, die elektriciteit direct opwekken via electro magneten en draadspoelen op de draaiende ankers. Ook van de vliegwielen die in één en dezelfde richting blijven draaien, kan met de huidige kennis van de techniek verondersteld worden dat een variërende duwband 15 overbrenging (“variomatic”) tussen vliegwielen en afwikkelende trommels kan plaatsvinden.Because many sophisticated methods and devices of generators already exist, it has been left unclear in this invention how the energy from flywheels is transferred to a generator. The assumption Is really justified to make anchors in the flywheels ", as with dynamos, which generate electricity directly via electro magnets and wire coils on the rotating anchors. The flywheels that continue to rotate in one and the same direction can also with the current knowledge it is assumed from the art that a varying push belt transfer ("variomatic") can take place between flywheels and unwinding drums.

Voor het behalen van een maximaal rendement uit de krachtcentrale zal nog enig aëronautisch onderzoek gedaan moeten worden aan de uiteindelijke vorm van de vliegers. De vormgeving van gasgevulde ruimten in het vliegerlichaam, zoals kussenvleugels, al dan niet vergezeld van zeppelin constructies, zijn daarbij van belang. Ook voor de veiligheid en de 20 optimale werkwijze bij het positioneren van de stand van de vliegers uit vaanstand naar een stand met maximale kracht bij het stijgen zal nog perfectionerend onderzoek nodig zijn. Een alternatief bij het verplaatsen van het aanknooppunt van de kabel aan de vlieger voor het regelen van de stijgkracht beschreven in de onderhavig voorkeursvorm zal een radiografisch bestuurbaar hoogteroer zijn dat in combinatie met de servo-besturing van het aanknooppunt 25 van de kabel een verbeterde werkwijze kan opleveren.To achieve a maximum return from the power station, some aeronautical research will have to be done on the final form of the pilots. The design of gas-filled spaces in the kite body, such as cushion wings, whether or not accompanied by zeppelin constructions, are important here. Also for the safety and the optimal method for positioning the position of the kites from vane position to a position with maximum force at the ascent, still perfecting research will be needed. An alternative to moving the cable's node to the kite to control the ascending force described in the present preferred form will be a radio controlled elevator that, in combination with the servo control of the cable's node 25, can provide an improved method deliver.

Een batterij-accu-voeding voor de bediening van de servo-motor is voorzien aan het frame van de vlieger met een optie dat de batterij kan worden opgeladen door zonnecellen die zijn gevestigd op de bovenkant van de vlieger.A battery-battery power supply for operating the servo motor is provided on the frame of the kite with an option that the battery can be charged by solar cells located on the top of the kite.

Verder is voorzien dat een vliegerkrachtcentrale niet alléén een inrichting is met een 30 duo van twee identieke vliegers maar dat het ook tot de mogelijkheden behoort dat het een energie park kan zijn waarin meerdere vliegers kunnen bijdragen aan de levering van electriciteit. De plaatsing van een dergelijke vliegerkarchtcentrale op een drijvend platform in zee is daarbij niet ondenkbaar.It is further provided that a kite power station is not only a device with a pair of two identical kites, but that it is also possible that it can be an energy park in which several kites can contribute to the supply of electricity. The placement of such a kite power station on a floating platform in the sea is not unthinkable.

35 Aan de hand van de bijgevoegde tekening zal één voorkeursvorm voor de inrichting worden getoond. Hierin voorziet:One preferred form for the device will be shown with reference to the appended drawing. This provides:

Figuur 1 een onderaanzicht van een vlieger die is geconstrueerd met deltavleugels,Figure 1 is a bottom view of a kite constructed with delta wings,

Figuur 2 een zij-aanzicht van de vlieger van figuur 1 met daarop een zeppelin gemonteerd als optie om luchtwaardigheid blijvend te garanderen bij het dalen, 3Figure 2 is a side view of the kite of Figure 1 with a zeppelin mounted on it as an option to permanently guarantee airworthiness when descending, 3

Figuur 3 een zij-aanzicht van de vlieger van figuur 1 die door windkracht wordt opgetrokken en waarin de servomotor en het aanknooppunt van de kabel aan een stijgende vlieger wordt aangeduid,Figure 3 shows a side view of the kite of figure 1 which is pulled up by wind force and in which the servo motor and the connection point of the cable to a rising kite is indicated,

Figuur 4 een zij-aanzicht van de vlieger van figuur 3 waarin het aanknooppunt van de kabel aan 5 een dalende vlieger, wanneer de vlieger in zijn vaanstand is gezet, wordt aangegeven, enFigure 4 shows a side view of the kite of Figure 3, in which the connecting point of the cable is indicated to a falling kite when the kite is put in its vane position, and

Figuur 5 een ontwerptekening van een vliegerkrachtcentrale voor twee identieke vliegers waarin schematisch wordt aangegeven de frames, trommels, kabels en vliegwielen die gepositioneerd zijn op een, al dan niet drijvende, plaatfundering.Figure 5 is a design drawing of a kite power station for two identical kites, schematically showing the frames, drums, cables and flywheels that are positioned on a plate foundation, floating or not.

Figuur 1 toont een vlieger met deltavleugels 1 die verbonden zijn aan een middenframe 10 2 waarop een servomotor 3 is gemonteerd. Met een radiografisch signaal kan het aanknooppunt 5 van de kabel 6 mënjëfiulp van deze servomotor verplaatst worden. Het aanknooppunt dat vast zit aan het ophangkoord 4 kan namelijk naar het kopeinde of naar het staarteinde worden getrokken door de servo-motor waardoor de vlieger in vaanstand of in trekstand wordt gepositioneerd met respectievelijk een daarbij behorende daling of stijging van 15 de vlieger.Figure 1 shows a kite with delta wings 1 that are connected to a middle frame 10 on which a servomotor 3 is mounted. With a radiographic signal, the connection point 5 of the cable 6 can be moved from this servomotor. Namely, the connecting point that is attached to the suspension cord 4 can be pulled to the head end or to the tail end by the servo motor, whereby the kite is positioned in the vane or pull position with a corresponding drop or rise of the kite.

Figuur 2 toont een zij-aanzicht van de vlieger waarin bollingen van de vleugels niet zijn getekend ten behoeve van de uitleg. Het frame 2 in dit aanzicht ligt in één vlak met de vleugels en is getekend met een rechte lijn. Aan dit frame is aan het kopeinde een koordgeleider 7 bevestigd en aan het staarteinde een koordgeleider 8 bevestigd die tezamen met het 20 aanknooppunt 5 het ophangkoord 4 een driehoek vormen. De uiteinden van het ophangkoord zijn aan elkaar verbonden en werken op commando samen met de servomotor 3 die de uiteinden van het ophangkoord in de richting van de kop of staart trekken waardoor het aanknooppunt een andere plaats gaat innemen (en daardoor ook het aangrijppunt aan de vlieger) met als gevolg dat de hoeken van de driehoek worden versteld resulterende in een 25 gewijzigde hoek tussen het vliegeroppervlak en het aardoppervlak al naar gelang vaanstand (dalen) of trekstand (stijgen).Figure 2 shows a side view of the kite in which bulges of the wings are not drawn for the purpose of explanation. The frame 2 in this view lies in one plane with the wings and is drawn with a straight line. A cord guide 7 is attached to this frame at the head end and a cord guide 8 is attached to the tail end which together with the connection point 5 the suspension cord 4 forms a triangle. The ends of the suspension cord are connected to each other and co-operate on command with the servomotor 3 which pulls the ends of the suspension cord in the direction of the head or tail, so that the connection point takes on a different place (and therefore also the point of application to the kite) ) with the result that the angles of the triangle are adjusted, resulting in a changed angle between the kite surface and the earth's surface depending on the vane position (descent) or tensile position (rise).

Om de luchtwaardigheid van de vlieger te kunnen verbeteren is in figuur 2 nog een optie getoond van een zeppelin 9 die met verbindingen 10 is vastgemaakt aan het middenframe.In order to improve the airworthiness of the kite, an option of a zeppelin 9 which is fastened to the middle frame with connections 10 is shown in figure 2.

Figuur 3 toont een zij-aanzicht van een stijgende vlieger zonder zeppelin in trekstand 30 waarbij trekkracht wordt uitgeoefend zodat kabel 6a van een trommel wordt afgewikkeld ter verkrijging van rotatie-energie benodigd voor het opwekken van electriciteit in een generator.Figure 3 shows a side view of a soaring kite without a zeppelin in tensile position 30 where tensile force is exerted so that cable 6a is unwound from a drum to obtain rotational energy required for generating electricity in a generator.

Figuur 4 toont, ter vergelijking, een identieke vlieger als in figuur 3 waarin de vaanstand wordt getoond van een dalende vlieger waarin het vlak van de deltavleugels 2 nagenoeg horizontaal zijn gepositioneerd door de verandering van de plaats van aanknooppunt 5 in de 35 driehoek van het ophangkoord. In deze vaanstand wordt er praktisch geen trekkracht meer uitgeoefend door de vlieger waardoor kabel 6b zonder grote krachtsinspanning kan worden teruggewikkeld op trommel 14b.Figure 4 shows, for comparison, an identical kite as in Figure 3 showing the vane position of a descending kite in which the plane of the delta wings 2 are positioned substantially horizontally by the change of the location of the node 5 in the triangle of the suspension cord . In this vane position, practically no tensile force is exerted by the kite, as a result of which cable 6b can be wound back onto drum 14b without great effort.

Figuur 5 tenslotte toont een veréénvoudigde uitvoeringsvorm van onderdelen die van belang zijn voor het werken met een vliegerkrachtcentrale. Daarin wordt een ontwerp voor twee 40 identieke vliegers getoond die beurtelings door stijgkracht energie opwekken wanneer de kabel 4 afwikkelt en dus ook beurtelings bij het afdalen geen energie opwekken wanneer de kabel wordt teruggewikkeld, wanneer vliegers in vaanstand zijn gepositioneerd.Finally, Figure 5 shows a simplified embodiment of parts that are important for working with a pilot power station. Therein is shown a design for two 40 identical kites that alternately generate energy as the cable 4 unwinds as a result of rising force and therefore also do not generate energy alternately during the descent when the cable is wound back when kites are positioned in vane position.

Daarin wordt specifiek de verankeringsfundering 11 getoond, welke een betonplaat kan zijn op het land of een verankerd vlot in het water, waarop basisframes 12 zijn gemonteerd die de 5 assen 13 van trommels 14, getande randwielen 15 en vliegwielen 16 dragen en vasthouden.Therein is shown specifically the anchoring foundation 11, which can be a concrete slab on the land or an anchored raft in the water, on which base frames 12 are mounted that carry and hold the 5 axes 13 of drums 14, toothed rim wheels 15 and fly wheels 16.

In deze uitvoeringsvorm wikkelt kabel 6a af van trommel 14a waardoor rotatie ontstaat en via zijn as daarmee vliegwiel 16a aandrijft om de opwekking van electriciteit mogelijk te maken. De trommel 14a waaraan vastzit op zijn rand het getande randwiel 15a drijft gedurende het afwikkelen niet alléén het vliegwiel 16a met zijn as, maar eveneens, via het getande randwiel 10 15a een tweede getand randwiel 15b dat bewerkstelligt dat kabel 6b van de tweede vlieger in vaanstand wordt teruggewikkeld op trommel-'RB7 Gedurende het terugwikkelen kan het vliegwiel 16b evenwel free-wheelend blijven draaien in tegengestelde richting van trommel 14b en mag - wanneer dat energetisch voordelig blijkt te zijn door een hier niet getoonde asoverbrenging - meedraaien in samenwerking met vliegwiel 16a.In this embodiment, cable 6a unwinds from drum 14a, causing rotation and thereby driving flywheel 16a via its axis to enable the generation of electricity. The drum 14a attached to its edge drives the toothed edge wheel 15a during unwinding not only the flywheel 16a with its axis, but also, via the toothed edge wheel 15a, a second toothed edge wheel 15b which causes cable 6b of the second kite to be in the vane position is wound back on drum -RB7 During the rewinding, however, the flywheel 16b can continue to rotate free-wheeled in the opposite direction of drum 14b and may - if that proves to be energetically advantageous through an axle transmission (not shown here) - rotate in conjunction with flywheel 16a.

15 Het zal duidelijk zijn dat vliegwiel 16a zal gaan free-wheelen wanneer kabel 6a wordt teruggewikkeld en dat kabel 6b dan weer afwikkelt vanwege zijn vlieger die in trekstand is geplaatst en dat dit “ge-jo-jo" tot in het oneindige kan blijven doorgaan.It will be clear that flywheel 16a will start free-wheeling when cable 6a is wound back and that cable 6b then unwinds again because of its kite placed in the pull position and that this "yo-yo-yo" can continue indefinitely .

2020

Claims

A method for generating electricity with the aid of wind energy, characterized by: - having a kite pull up by wind force, wherein a cable unrolls from a drum, whereby rotation energy is generated for electricity generation; Allowing wind force to be released on the kite due to kite positioning in vane position with an automatic engagement of a servomotor 10 attached to the kite using remote control when the cable is unwound; lowering the kite into the vane position by winding the cable onto its drum due to a drive; - restoring the wind force on the kite by positioning in the tensile position due to the automatic remote control of the servo motor, whereby the kite rises again from its lowest position after falling from its lowest position.

A method according to claim 1, characterized by: having a free-wheeling drum with a rewind cable from a kite fly into a vane position by a unwinding second drum with a cable from a second kite that rises due to wind force; 20. having the vane position position of the ascending kite automatically at the moment that its highest point has been reached, to take place simultaneously with the automatic setting of the trailing position of the descending kite at its lowest point.

3. Method as claimed in claims 1 and 2, characterized by: drum shaft which drives a flywheel when unwinding the cable while the flywheel will start free-rolling when rewinding the cable on the drum.

Method according to claims 1-3, characterized by: flywheel equipped with wire coils for generating electricity with electromagnets or also driving a generator with its shaft.

5. Device for generating electricity by wind power, consisting of a kite operating in operation with a cable unwinding from a drum to generate a large amount of rotational energy when the kite rises and rewinding said cable on that drum by a drive which requires a small amount of rotational energy when the kite drops, characterized in that the kite is provided with means that automatically position the point of engagement of the cable on the kite by a radio remote control servo motor attached to the frame in a tensile position whereby the kite is raised by wind force jerking and which automatically places said engagement point in the vane position when the kite descends due to the rewinding of the cable on its drum and characterized in that the drum of the cable is provided with means for transferring rotating energy to a flywheel and / or generator and those b During the rewinding process, it is rewinded by freewheeling due to a drive and which, in operation, cooperates with a coordinate system that is anchored in a founded frame.

Apparatus for generating electricity by wind power according to claim 5, wherein the kite accommodates enclosed spaces in the frame, fuselage and wings, characterized in that an amount of weight of the kite and its attributes is carried in the air by a gas that fills said spaces and which has a density lower than air in the immediate vicinity of the kite.

Device for generating electricity by wind power as claimed in claim 5 or 6, characterized in that means for displacing the (virtual) point of contact of the cable 10 on the kite consist of a suspension cord which has a connecting point of the cable and two Röörö conductors. forming a triangle and one end of which is guided by a rope guide eye or pulley mounted to the head of the kite frame and the other end of which is guided by a rope guide eye or pulley mounted at the tail end of the frame of the kite is mounted while in operation both ends co-operate with a servo motor which, by radiographic activation of an automatic switch, simultaneously moves said ends in the direction of the tail, thereby pulling the junction point forward thereby moving the cable engagement point to the vane position position or said vane position ends simultaneously in the direction of the head t causing the engagement point of the cable to move to the pull position.

Device for generating electricity by wind power according to claims 5-7, characterized in that there are means for automatically adjusting the pull position and / or vane position of the kite by radiographic servo control of an aileron that cooperates with the kite and that offers the possibility of a combined control in conjunction with the displacement of the cable's node in the suspension cord according to claim 7 and characterized in that a computer-controlled or non-computerized program for locating the node and aileron position is used for obtaining optimum pulling power.

9. Apparatus for generating electricity by wind power as claimed in claims 5-8, characterized in that means are also switches which in operation activate radio remote control from the servomotor to the kite so that the radio signal 30 for placement in vane position is activated by a switch when the last wrap of the drum goes and the radiographic signal for placing in the pull position is obtained by a switch that is activated when all the wraps on the drum have been rewound.

Device for generating electricity by wind power according to claims 5-9, characterized in that the electric current for activating the servomotors is supplied by battery batteries that are charged in daylight by an electric supply of photovoltaic solar cells which mounted on the top of the kite.

11. Wind power generation device according to claims 5-10, characterized in that it cooperates in operation with a second identical device with a second kite that rises when the kite of the first device drops while the cable drums of both kites driving one another in turn with a toothed or non-toothed wheel transmission for rewinding the cables.

12. Wind power generation device according to claim 11, characterized in that to prevent collisions between the kites and their cables, a permanent steering correction is given to the kites so that they divert during operation so that they do not join each other's shipping routes yo-yo -and have an option with the characteristic that each kite operates in its own airspace between specific height limits.