EP2682692A1

EP2682692A1 - Snow machine

Info

Publication number: EP2682692A1
Application number: EP12174695.2A
Authority: EP
Inventors: Phillip Skacel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-08

Abstract

The machine has a vane wheel arranged in a common concentric axle and designed as wind wheels for current generation or ventilator for a nozzle system to produce snow. Electrical, mechanical or hydraulic rotor blades are designed as ventilator blades to generate snow or as drive blades. A housing (2) comprises an opening device (5) e.g. rotating, sliding or folding mechanism, where large surfaces of the housing are opened such that air with low resistance flows through the housing. A rotor (1) is arranged in the housing and connected with a generator or motor (4) over a rotor shaft (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Propellerkanone (Schneeerzeuger), die als Windkraftanlage genutzt werden kann, sowie eine Windkraftanlage, die zur Erzeugung von Schnee genutzt werden kann.The invention relates to a propeller gun (snow gun) that can be used as a wind turbine, and a wind turbine that can be used to generate snow.

State of the art in snow guns: Schneeerzeugung:Snowmaking:

Die Entstehung von Schnee ist bestens erforscht und dokumentiert. Natürlicher Schnee entsteht in der Atmosphäre durch unterkühlte, kleinste Flüssigkeitströpfchen in einer an Luftfeuchtigkeit ungesättigten Luft. An Kristallationskeimen verwandelt sich das flüssige Wassertröpfchen unter Abgabe von Verdunstungswärme in ein kristallines Gebilde. Ist die Luftfeuchtigkeit nicht gesättigt und sind genug kleinste, unterkühlte Wassertröpfchen, die an dem neu gebildeten Eiskristall andocken können, vorhanden, wird ein Kristallwachstum stattfinden. Bei ausreichender Verweilzeit in diesen Umweltbedingungen entstehen mehr oder weniger große sechseckige, dendritische Schneekristalle. In der natürlichen Umgebung beginnt dieser Kristallisationsprozeß normalerweise erst bei Temperaturen von unter -15°C bis -40°C, in Abhängigkeit der Luftfeuchte, Luftreinheit und dem Luftdruck.The formation of snow is well researched and documented. Natural snow is created in the atmosphere by supercooled, smallest liquid droplets in an air unsaturated in air humidity. At crystallization germs, the liquid water droplets transforms into a crystalline structure with the release of heat of evaporation. If the humidity is not saturated and there are enough tiny, supercooled water droplets that can dock on the newly formed ice crystal, crystal growth will occur. With sufficient residence time in these environmental conditions, more or less large hexagonal, dendritic snow crystals are formed. In the natural environment, this crystallization process usually begins only at temperatures below -15 ° C to -40 ° C, depending on the humidity, air purity and air pressure.

Bei der Erzeugung von "Maschinenschnee" bzw. bei der Beschneiung von Schipisten will man bereits bei möglichst "hohen" Temperaturen, d. h. bei Temperaturen knapp unter dem Gefrierpunkt, mit der Schneeproduktion beginnen. Dabei wird das "natürliche Verfahren" folgendermaßen modifiziert: Damit bei möglichst hohen Temperaturen (knapp an den Gefrierpunkt) geschneit werden kann, wird mittels Druckluft und einer Düse eine expandierte Luftwolke erzeugt. Diese expandierende Luft kühlt sich durch Expansion ab (Joule-Thomson-Effekt). Die Abkühlung ist umso stärker, je größer das Druckgefälle ist. Normalerweise wird der Druckunterschied mit Kompressoren erzeugt, kann aber auch mit Hilfe der Strömungstechnik (Diffusor, Lavaldüsen, Venturikanal, etc.) erzeugt werden.
In diese kalte, sich ausdehnende Luftwolke werden möglichst kleine Wassertröpfchen (übliche Größe < 0,05 mm Durchmesser) injiziert. Da die Temperatur in der Luftwolke unter -15°C liegt und durch die Ausdehnung ein ungesättigter Zustand vorliegt, findet das Wassertröpfchen genau diese Bedingungen vor, die nötig sind, um zu kristallisieren. Die Moleküle im Wassertröpfchen verlieren an Energie und bilden ein Kristallgitter. Es entstehen kleinste plättchenförmige Eiskristalle, sogenannte Eismoleküle (auch Nukleide genannt). Diese Eismoleküle dienen als Kristallkatalysatoren. Berühren sich Nukleid und Wassertröpfchen, bzw. injiziert man dieses Eisnukleid in ein unterkühltes, in der Größe um ein vielfaches größeres Wassertröpfchen, und sind die Luftfeuchte und Lufttemperatur im Umfeld des Tröpfchens gering genug, kippen die Moleküle des großen Tropfen unter Abgabe von Wärme in ein Kristallgitter und es entsteht ein plattenähnlicher Schneekristall. Damit dieser Schneekristall ausreichend "durchfrieren" kann, muss er ausreichend lange in der kalten und ungesättigten Umgebungsluft verweilen. Durch Abkühlung und Verdunstung wird das Wassertröpfchen allmählich durchfrieren und vollständig in einen Schneekristall umgewandelt.In the production of "machine snow" or in the snowmaking of ski slopes one wants to start snow production at temperatures as high as possible, ie at temperatures just below the freezing point. The "natural process" is modified as follows: In order to be able to snow at temperatures as high as possible (just below the freezing point), an expanded air cloud is generated by means of compressed air and a nozzle. This expanding air cools down through expansion (Joule-Thomson effect). The cooling is the stronger, the greater the pressure gradient. Normally, the pressure difference is generated by compressors, but can also be generated with the help of the flow technique (diffuser, Laval nozzles, venturi, etc.).
As small as possible water droplets (usual size <0.05 mm diameter) are injected into this cold, expanding air cloud. Since the temperature in the air cloud is below -15 ° C and due to the expansion is an unsaturated state, the water droplet finds exactly these conditions, which are necessary to crystallize. The molecules in the water droplet lose their energy and form a crystal lattice. It produces the smallest platelet-shaped ice crystals, called ice molecules (also called nucleides). These ice molecules serve as crystal catalysts. When water and water droplets touch each other, or when this ice-silk garment is injected into a supercooled water droplet that is several times larger in size, and the air humidity and air temperature in the vicinity of the droplet are low enough, the molecules of the large droplet will dump in and release heat Crystal lattice and it creates a plate-like snow crystal. In order for this snow crystal to "freeze through" sufficiently, it must remain in the cold and unsaturated ambient air for a sufficiently long time. By Cooling and evaporation will gradually freeze the water droplet and completely transform it into a snow crystal.

Für die technische Pistenbeschneiung haben sich zwei Arten von Apparaten, die die o. beschriebenen Verfahren verwirklichen, durchgesetzt:For technical snowmaking, two types of apparatus that implement the methods described above have become established:

1. Propellermaschinen:1. Propeller machines:

Diese Maschinen bestehen im wesentlichem aus einem mehr oder weniger zylindrischen Rohr, an dessen einen Ende ein Ventilator Luft ansaugt. Am anderen Ende befindet sich ein Düsensystem mit Nukleatordüsen (Mischdüsen, die die Eismoleküle erzeugen) und Wasserdüsen, aus denen größere Wassertröpfchen austreten. In dieses Wassertröpfchen werden die Nukleide injiziert und es entstehen Schneekristalle. Der Ventilator erzeugt einen ausreichend starken Luftstrom, der die Wassertröpfchen, bzw. Eiskristalle weit genug auswirft, damit die Verweilzeit groß genug wird und die Tröpfchen , bzw. Kristalle durchfrieren können. Ein Kompressor, der an der Propellermaschine aufgebaut ist, erzeugt an der Maschine, die für die Herstellung der Eisnukleide notwendige komprimierte Luft.These machines consist essentially of a more or less cylindrical tube, at one end of a fan sucks air. At the other end is a nozzle system with nucleator nozzles (mixing nozzles that create the ice molecules) and water jets from which larger water droplets emerge. Into this water droplet the nucleides are injected and snow crystals are formed. The fan generates a sufficiently strong stream of air, which ejects the water droplets or ice crystals far enough so that the residence time becomes large enough and the droplets or crystals can freeze through. A compressor, which is built on the propeller machine, produces at the machine, the compressed air necessary for the production of the ice-cloth.

Eine Steuereinheit mit Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Windrichtung, Windstärke, Wassertemperatur und Wasserdruck regelt das Wasser/Luftverhältnis, sowie Start- und Stopfunktion und dgl.A control unit with sensors for temperature, humidity, wind direction, wind force, water temperature and water pressure regulates the water / air ratio, as well as start and stop function and the like.

Die Propellmaschinen werden auf stationären Türmen, oder mobilen Trag- oder Fahrgestellen aufgebaut.The propeller machines are built on stationary towers, or mobile trolleys or chassis.

2. Schneilanzen:2. Snow lances:

Auf einem senkrechten Rohr befinden sich eine Anzahl von Düsen, die aus Luft- bzw. Nukleatordüsen (dies sind Luft/Wasser-Mischdüsen) und Wasserdüsen bestehen.
Die Düsen sind so angeordnet, dass der Strahl der Nukleatordüse in den Strahl der Wasserdüse gerichtet ist und somit die Nukleide in die Wassertröpfchen injiziert werden. Die Kristallisation der Wassertröpfchen beginnt unmittelbar nachdem sich beide Strahlwolken vermischt haben. Durch die große Fallhöhe können die Kristalle ausfrieren.
Durch das gruppenweise zu- und wegschalten der Wasserdüsen, kann das Luft-/Wassergemisch geregelt werden. Ein Kompressor (an der Lanze oder ein Zentralkompressor) liefert die benötigte Druckluft.On a vertical pipe are a number of nozzles consisting of air or nucleator nozzles (these are air / water mixing nozzles) and water nozzles.
The nozzles are arranged so that the jet of the nucleator nozzle is directed into the jet of the water nozzle and thus the nuclei are injected into the water droplets. The crystallization of the water droplets begins immediately after both spray clouds have mixed. Due to the large drop height, the crystals can freeze out.
By switching on and off the water nozzles in groups, the air / water mixture can be regulated. A compressor (on the lance or a central compressor) supplies the required compressed air.

State of the art in wind turbines

Es gibt viele verschiedene Arten von Windkraftanlagen. Wir beschäftigen uns nur mit Windkraftanlagen (WKA) mit horizontaler Achse.There are many different types of wind turbines. We deal only with wind turbines (WKA) with horizontal axis.

Herzstück einer WKA ist der Rotor zur Wandlung der Windenergie in mechanische Rotationsenergie. Heute dominieren Luvläufer, bei denen der Rotor in Windrichtung vor dem Turm läuft. Schnellläufige Rotoren für stromerzeugende WKA werden in der Mehrzahl mit drei Flügeln gebaut. Es gibt aber auch Anlagen mit abweichender Rotorzahl. Als Beispiel seien hier 2-Flügler wegen der geringeren Kosten in der Herstellung angeführt.The heart of a wind turbine is the rotor for converting wind energy into mechanical rotational energy. Today, windstorms dominate, with the rotor running in wind direction in front of the tower. High-speed rotors for electricity generating power plants are built in the majority with three wings. But there are also systems with different rotor number. As an example, 2-wing aircraft are mentioned here because of the lower production costs.

Es gibt WKA mit konstanter und variabler Drehzahl. Vorteil der drehzahlvariablen WKA ist, dass man über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten im aerodynamisch optimalen Bereich fahren kann. Allerdings benötigen diese für die frequenzkonstante Netzeinspeisung einen erheblichen Aufwand für elektrische Konverter.There are wind turbines with constant and variable speed. The advantage of variable-speed wind turbines is that you can drive over a wide range of wind speeds in the aerodynamically optimal range. However, these require a considerable effort for electrical converter for the constant-frequency network feed.

Zur Leistungsbegrenzung werden zwei unterschiedliche Konzepte genutzt. Das einfachere Konzept begrenzt die Leistung durch Strömungsabriss (Stall-Effekt) am Rotorblatt. Das zweite verwendete Konzept beruht auf einer Verstellung des Rotorblattes um seine Längsachse (Pitch).
Die Profile der Rotorblätter werden überwiegend aus GFK bzw. CFK laminiert. Es werden meist unterschiedliche Profile im Außen- bzw. Innenbereich eingesetzt. Auf den Flügeln applizierte Strömungselemente sorgen für definierte Strömungszustände trotz schwankender Windgeschwindigkeiten.To limit the power , two different concepts are used. The simpler concept limits the performance by stalling (stall effect) on the rotor blade. The second concept used is based on an adjustment of the rotor blade about its longitudinal axis (pitch).
The profiles of the rotor blades are predominantly laminated from GFK or CFK. There are usually used different profiles in the outdoor or indoor. Flow elements applied to the wings ensure defined flow states despite fluctuating wind speeds.

Für den Antrieb der Blattwinkelverstellung stehen mechanische, hydraulische oder elektrische Systeme zur Verfügung.To drive the blade angle adjustment mechanical, hydraulic or electrical systems are available.

Bei der Anordnung der Komponenten im Triebstrang gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten und zwar die integrierte und die aufgelöste Bauform. Als Mischform gibt es teilintegrierte Bauformen. Als Getriebe werden hauptsächlich Stirnradgetriebe, Planetengetriebe (ab 500 kW) und neuerdings auch hydrodynamische Wandler eingesetzt. Die Kupplung zwischen Hauptwelle und Getriebe ist wegen der enormen Drehmomente eine starre Kupplung. Es sind zwei unabhängige Bremssysteme vorgeschrieben, wovon mindestens eines aerodynamisch wirken muss (Stall: verdrehbare Blattspitzen; Pitch: Verdrehung des gesamten Rotorblattes). Als zweites Bremssystem sind mechanische Scheibenbremsen üblich.
Von Bedeutung für den Generator, ist in erster Linie die Polzahl, aus der die geforderten Betriebsdrehzahlen resultieren. Bei netzgeführten Asynchron-Generatoren sind 4-, 6- oder 8-polige Bauarten gebräuchlich.In the arrangement of the components in the drive train, there are basically two options, namely the integrated and the resolved design. As a mixed form, there are partially integrated designs. As G etriebe mainly spur gear, planetary gear (from 500 kW) and recently also hydrodynamic converter are used. The coupling between main shaft and gearbox is a rigid coupling because of the enormous torque. Two independent braking systems are required, of which at least one must be aerodynamic (stable: rotatable blade tips, pitch: rotation of the entire rotor blade). As a second brake system mechanical disc brakes are common.
Of importance to the generator, is primarily the number of poles, resulting in the required operating speeds. For mains-controlled asynchronous generators , 4-, 6- or 8-pole designs are common.

Für die Windnachführung von Horizontalachsenanlagen können als passive Systeme selbständiger Nachlauf von Leeläufern und Windfahnen bei Luvläufern unterschieden werden, als aktive Systeme z.B. Seitenrad und Giermotoren (auch Azimutmotoren genannt). Zur gezielten Wärmeabfuhr werden spezielle Lüftersysteme dimensioniert. Es existieren meist noch separate Kühlaggregate für einzelne Komponenten (Getriebe, Generator,...). Ebenso gibt es Heizungen, um bei Kälte eine einwandfreie Funktionstüchtigkeit zu gewährleisten (Getriebeöl, Schaltschränke, Rotorblattheizung, ...). Als Blitzschutz befinden sich meist Rezeptoren auf den Rotorblättern, um den Blitz gezielt einzufangen, und somit eine gezielte Ableitung der Ströme zu gewährleisten. Es befinden sich unterschiedliche Sensoren auf der WKA, um meist folgende Größen laufend zu erfassen:

Windgeschwindigkeit und -richtung
Drehzahl des Rotors und des Generators
Temperaturen
Öldruck
Pitch- und Azimutwinkel
Elektrische Größen
Vibrationen und Gondelschwingung

For the wind tracking of horizontal axis systems can be distinguished as passive systems independent caster of Leeläufern and wind vanes in Luvläufern, as active systems such as side wheel and yaw motors (also called azimuth). For targeted heat dissipation dimensioned special fan systems. There are usually still separate cooling units for individual components (gear, generator, ...). There are also heaters to ensure proper functioning in the cold (transmission oil, control cabinets, rotor blade heating , ...). As lightning protection are usually receptors on the rotor blades to capture the lightning targeted, and thus to ensure a targeted dissipation of the currents. There are different sensors on the wind turbine in order to record the following variables:

Wind speed and direction
Speed of the rotor and the generator
temperatures
oil pressure
Pitch and azimuth angle
Electric sizes
Vibrations and gondola vibration

task

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Propellermaschine während der inaktiven Zeit als Windkraftanlage zu nutzen, bzw. eine Windkraftanlage für ca. 400-500 Stunden als Propellerkanone zu nutzen. Da Schneekanonen hauptsächlich im alpinen Gelände aufgestellt sind, wo erfahrungsgemäß günstigere Windverhältnisse herrschen als im Tal, und die Infrastruktur für Strom, Anbindung zur Einspeisung des erzeugten Stroms usw. bereits vorhanden ist, bietet sich diese Lösung an.The invention has for its object to use a propeller machine during the inactive time as a wind turbine, or to use a wind turbine for about 400-500 hours as a propeller gun. Since snow cannons are mainly installed in alpine terrain, where experience has shown that wind conditions are better than in the valley, and the infrastructure for electricity, connection to the feed of the electricity generated, etc. already exists, this solution is appropriate.

Inventive solution

In einer Vorrichtung wird ein Rotor (1) in einem Gehäuse (2) untergebracht. In Achsrichtung befindet sich eine Wasserzerstäubungseinheit (3) (ein Düsenring mit mehreren Düsen für Nukleatoren und Düsen für Wasser oder eine Düsengruppe mit Wasser- u. Nukleatordüsen). Der Rotor (1) ist über eine Rotorwelle (9) mit einem Generator/ Motor (4) verbunden, der die Drehbewegung des Rotors in elektrische Energie umwandelt. Der Anstellwinkel der Rotorblätter kann so verändert werden (Pitch-Regelung), dass die Rotorblätter sowohl als Ventilator als auch als Windrad verwendet werden können. Bei der Stromerzeugung wirkt der Rotor als Windrad. Damit der Staudruck im Gehäuse minimiert wird, ist das Gehäuse mit einer Öffnungsvorrichtung(5) (Dreh-, Schiebe-, Klappmechanismus) ausgerüstet. Durch diese Vorrichtung werden große Flächen des Gehäuses (2) geöffnet. Damit wird gewährleistet, dass der Luftstrom mit wenig Widerstand durch das Gehäuse (2) strömen kann.
Zur Ausrichtung des Rotors in den Wind, sind Windmesseinrichtungen (6) für Richtung und Stärke vorzusehen, die ein aktives Nachführsystem (Azimutmotor)(7) steuern.In one device, a rotor (1) is housed in a housing (2). In the axial direction there is a water atomizing unit (3) (a nozzle ring with several nozzles for nucleators and nozzles for water or a nozzle group with water and nucleator nozzles). The rotor (1) is connected via a rotor shaft (9) with a generator / motor (4), which converts the rotational movement of the rotor into electrical energy. The angle of attack of the rotor blades can be changed (pitch control) so that the rotor blades can be used both as a fan and as a wind turbine. When generating electricity, the rotor acts as a wind turbine. In order to minimize the dynamic pressure in the housing, the housing is equipped with an opening device (5) (rotating, sliding, folding mechanism). By this device, large areas of the housing (2) are opened. This ensures that the air flow with little resistance through the housing (2) can flow.
For orientation of the rotor in the wind, direction and strength wind measuring devices (6) are to be provided which control an active tracking system (azimuth motor) (7).

Der Rotor (1) erzeugt bei genügend Windgeschwindigkeit ein ausreichend großes Drehmoment, damit über die Rotorwelle (9) der Generator (4) angetrieben werden kann. Dieser erzeugt einen ungeregelten, elektrischen Strom, der in einem Konverter zu einem einspeisbaren Strom umgewandelt wird.The rotor (1) generates sufficient torque at sufficient wind speed, so that the generator (4) can be driven via the rotor shaft (9). This generates an unregulated electrical current, which is converted in a converter to a feedable current.

Bei der Schneeerzeugung werden die Rotorblätter als Ventilator genutzt. Dabei können die Rotorblätter soweit verstellt werden, dass sie als Ventilatorblätter verwendet werden können. Entweder fungiert der Generator als Motor oder es wird ein zusätzlicher Hilfsmotor (8) an der Welle angebracht. Optional kann die Drehgeschwindigkeit und somit die Wurfweite des Ventilators gesteuert werden. Damit der Luftstrom des Ventilators gebündelt wird, und damit eine größere Wurfweite erzielt wird, werden die Öffnungen des Gehäuses (2) geschlossen und somit eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Der Luftstrom umströmt die Wasser- und Nukleatordüsen und beschleunigt diese bzw. reißt die Wasser- und Eiskristalle mit. Ist die Feuchtkugel- und Wassertemperatur ausreichend niedrig, werden Schneekristalle entstehen. Durch die Fallhöhe und Wurfweite sind die Wassertropfen bzw. Kristallkeime ausreichend lange in der Luft, dass es durch Verdunstung zu einer ausreichenden Kristallisation der Teilchen kommen kann. Die Schneeproduktion entspricht der Schneeerzeugung mittels einer herkömmlichen Propeller-Schneemaschine. Das Nachführsystem kann bei Bedarf als Schwenkung genutzt werden, um so eine größere Fläche zu beschneien.When snow is generated, the rotor blades are used as fans. The rotor blades can be adjusted so far that they can be used as fan blades. Either the generator acts as a motor or an additional auxiliary motor (8) is attached to the shaft. Optionally, the rotation speed and thus the throw of the fan can be controlled. Thus, the air flow of the fan is bundled, and thus a greater throw distance is achieved, the openings of the housing (2) are closed and thus achieved an increase in the flow velocity. The air flow flows around the water and nucleator nozzles and accelerates them or entrains the water and ice crystals. If the wet bulb and water temperature is sufficiently low, snow crystals will form. Due to the drop height and throw, the water droplets or crystal nuclei are sufficiently long in the air that it can come to a sufficient crystallization of the particles by evaporation. The snow production corresponds to the snow production by means of a conventional propeller snow machine. If necessary, the tracking system can be used as a swivel to snow a larger area.

Die Vorteile liegen darin, dass man mit einer Einheit sowohl Schnee, als auch Strom erzeugen kann und somit eine ganzjährige Nutzung der Maschine vorliegt.The advantages are that you can produce both snow and electricity with one unit and thus there is a year-round use of the machine.

Claims

Device that can be used both as a wind turbine (WKA) and as a snow gun, characterized in that on a common, more or less concentric axis an impeller is placed, both as a wind turbine for power generation and as a fan for a nozzle system for Production of snow can be used.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the rotor blades can be electrically or mechanically or hydraulically adjusted so far that they can be used both as fan blades for snow production and as drive blades of a WKA.

Device according to claim 1, characterized in that the housing is equipped with an opening device - designed as a rotary, sliding or folding mechanism - whereby large areas of the housing can be opened so that the air flow can flow through the housing with little resistance.