BG67126B1

BG67126B1 - System for protection of horizontal axis wind turbine

Info

Publication number: BG67126B1
Application number: BG112187A
Authority: BG
Inventors: Илиян Манолов; Димитров Манолов Илиян
Original assignee: Димитров Манолов Илиян
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2020-08-17
Also published as: BG112187A

Abstract

The system has been designed to protect the wind turbine from strong winds causing damages such as broken blades, and over-charging the batteries when provided. The system includes a turbine (1) with a rotor (2) with propellers (3) mounted on a hub shaft (4) fixed to a carrier platform (5) with bearings to a rotation shaft (6) fixed on a tower (7) covered by a protective housing (8). A rotor orientation device for wind direction (9) is mounted on the carrier platform, triggered by a signal from a main controller (10) connected to a power supply and to a rotor speed sensor (11) and a wind direction sensor (12). Turbine connections to the main controller and consumption networks (17) are also provided. The orientation device for wind direction (9) is an electric motor (14) fixed to the carrier platform (5) having an output drive element (15) engaged with a gear (16) fixed to the rotation shaft (6). The main controller (10) has been programmed to actuate the motor (14) according to the sensor data and is connected to a voltage controller (13) fed to the consumption networks (17).

Description

Настоящото изобретение се отнася до система за защита на вятърна турбина е хоризонтална ос на въртене, предназначена да защитава вятърната турбина от повреда при силен вятър, на витлата от счупване, както и от свръх зареждане на акумулаторните батерии, в които се съхранява произведената от вятърната турбина енергия, когато са предвидени такива.The present invention relates to a wind turbine protection system is a horizontal axis of rotation designed to protect the wind turbine from damage in strong winds, the propellers from breakage, as well as from overcharging the batteries in which the wind turbine is stored. energy, when provided.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Познати са различни видове вятърни турбини, които извличат енергия от вятърния поток. Физичният принцип на тяхната работа е един и същ. Вятърната турбина, като първичен енергиен източник, е е ниска енергийна плътност и е задвижвана от природно явление, неподлежащо на контрол, каквото е вятърът. За да може да се получи по-ефективно електропроизводство от вятъра чрез вятърен електрогенератор, се прилагат различни конструкции и средства, които спомагат за усвояване на енергията и предоставят защита на вятърния електрогенератор от силни ветрове.Different types of wind turbines are known to extract energy from the wind flow. The physical principle of their work is the same. The wind turbine, as a primary energy source, is of low energy density and is driven by a natural phenomenon that cannot be controlled, such as wind. In order to be able to obtain more efficient electricity production from the wind through a wind generator, various constructions and means are applied, which help to absorb energy and provide protection of the wind generator from strong winds.

Известна е от WO 2010130057 А1 система за защита (контрол) на вятърна турбина е хоризонтална ос на въртене. Вятърната турбина включва ротор е витла, монтирани на вал е хоризонтална ос на въртене. Изброените елементи са монтирани към носеща платформа, монтирана чрез вал за завъртане върху вертикален носещ елемент - кула. Всички елементи, разположени върху носещата платформа са покрити със защитен корпус. Генерирането на електроенергия става като постъпателното движение на вятъра, чрез витлата, се превръща във въртеливо движение на ротора, чрез чието движение се активира електрогенератор, превръщащ механичната енергия на вятъра в електрическа. Системата за защита включва средство за ориентация на витлата спрямо вятъра, което се състои от електродвигател, фиксиран върху носещата платформа, който електродвигател има изходящ задвижващ елемент, представляващ зъбно колело, зацепено е неподвижно зъбно колело, разположено под външната повърхност на носещата платформа и фиксирано външно към вала за завъртане. Системата включва датчици за посока и скорост на вятъра или т. нар. анемометър, като подходящата скорост е предварително определена. Включени са и датчици за посока на вятъра и тензодатчици, определящи напрежението в структурата. Системата работи по следния начин: В зависимост от показанията за посоката на вятъра, се задава ъгъла на отклоняване на носещата платформа и съответно, на витлата на турбината, като се променя ъгъла на атака. За следене и контрол на работните параметри на турбината са предвидени бордов компютър и програмиращ се основен контролер, който получава данни за състоянието на различни променящи се параметри. При сравняването на отчетените данни със зададените, като гранична скорост на вятъра, гранична стойност на напрежение на тока, ограничение на тока, температурни граници, ограничение на скоростта на ротора и други оперативни параметри, ако някой от следените параметри е извън зададените граници, системата има възможност да спре работата на вятърната турбина, за да бъде тя инспектирана, да бъде ремонтирана или да бъде променен ъгъла на атака. Основната информация за задействане на системата е определената посока на вятъра, които данни се установяват от датчик за посока на вятъра, свързан към основния контролер.Known from WO 2010130057 A1 wind turbine protection (control) system is a horizontal axis of rotation. The wind turbine includes a rotor's propellers mounted on a shaft's horizontal axis of rotation. The listed elements are mounted to a supporting platform mounted by a rotating shaft on a vertical supporting element - a tower. All elements located on the supporting platform are covered with a protective housing. The generation of electricity takes place as the translational movement of the wind, through the propellers, is converted into a rotating movement of the rotor, through the movement of which an electric generator is activated, converting the mechanical energy of the wind into electricity. The protection system comprises means for orienting the propellers against the wind, which consists of an electric motor fixed on the support platform, which electric motor has an output drive element representing a gear, a fixed gear located below the outer surface of the supporting platform and fixed externally. to the swivel shaft. The system includes sensors for wind direction and speed or the so-called anemometer, the appropriate speed being determined in advance. Wind direction sensors and strain gauges that determine the stress in the structure are also included. The system works as follows: Depending on the wind direction readings, the deflection angle of the support platform and, accordingly, of the turbine propellers is set by changing the angle of attack. To monitor and control the operating parameters of the turbine, an on-board computer and a programmable main controller are provided, which receives data on the status of various changing parameters. When comparing the reported data with the set ones, such as wind speed limit, current voltage limit, current limit, temperature limits, rotor speed limit and other operating parameters, if any of the monitored parameters is outside the set limits, the system has possibility to stop the operation of the wind turbine so that it can be inspected, repaired or the angle of attack can be changed. The basic information for activating the system is the determined wind direction, which data is established by a wind direction sensor connected to the main controller.

Известната система изисква сложни и скъпи механизми за управление, множество датчици и сигнализиращи системи, които значително усложняват производството, затрудняват експлоатацията и като цяло, водят до оскъпяване на крайния продукт - енергията за потребление. Като цяло, известната автоматизирана система е инвестиционно и експлоатационно неприемлива.The known system requires complex and expensive control mechanisms, multiple sensors and signaling systems, which significantly complicate production, complicate operation and, in general, lead to higher prices for the final product - energy consumption. In general, the known automated system is investment and operationally unacceptable.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на настоящото изобретение е да се създаде система за защита на вятърна турбина е хоризонтална ос на въртене, която да е е повишена ефективност и която да е приложима, както за предпазване на вятърната турбина от вятър е висока скорост, така и за предпазване на акумулаторните батерии от презареждане, когато са предвидени такива, като подпомага ефективното усвояване на енергията от вятър, позволявайки на съоръжението да работи ефективно дори и при високи стойности на скоростта на вятъра, при които други съоръжения преустановяват своята работа, за повишаване на коефициентаIt is an object of the present invention to provide a wind turbine protection system which is a horizontal axis of rotation which is of increased efficiency and which is applicable both to protect the wind turbine from high speed wind and to protect the accumulator wind turbine. rechargeable batteries, where provided, supporting the efficient absorption of wind energy, allowing the equipment to operate efficiently even at high wind speeds at which other equipment ceases to operate, to increase the coefficient

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/15.09.2020 на полезно действие на вятърната турбина и да позволява по-ниски инвестиционни и експлоатационни разходи.Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 15.09.2020 on the useful operation of the wind turbine and to allow lower investment and operating costs.

Задачата е решена със система за защита на вятърна турбина с хоризонтална ос на въртене, която турбина има ротор с витла, монтирани на вал с главина с хоризонтална ос на въртене, фиксирани към носеща платформа. Носещата платформа е лагерувана към вал за завъртане, фиксиран върху кула, покрити със защитен корпус. Към носещата платформа е монтирано средство за ориентация на витлата спрямо вятъра чрез завъртане на носещата платформа, задействано по сигнал от програмиращ се основен контролер, свързан към захранване и към датчик за посока на вятъра. В системата са включени и необходимите връзки от вятърната турбина към основния контролер и към консуматори посредством контролер за напрежение. Средството за ориентация на витлата спрямо вятъра представлява електродвигател, фиксиран към носещата платформа, който електродвигател има изходящ задвижващ елемент, зацепен с неподвижно зъбно колело, фиксирано към вала за завъртане. Съгласно изобретението, средството за ориентация на витлата спрямо вятъра е разположено изцяло върху носещата платформа, а на ротора на турбината и свързан към основния контролер, е разположен датчик за обороти на ротора, въз основа на чийто данни основният контролер е програмиран за задействане на електродвигателя на средството за ориентация на витлата.The problem is solved with a system for protection of a wind turbine with a horizontal axis of rotation, which turbine has a rotor with propellers mounted on a shaft with a hub with a horizontal axis of rotation, fixed to a supporting platform. The bearing platform is mounted to a rotating shaft fixed on a tower covered with a protective housing. A means for orienting the propellers to the wind by rotating the support platform, actuated by a signal from a programmable main controller connected to the power supply and to a wind direction sensor, is mounted to the support platform. The system also includes the necessary connections from the wind turbine to the main controller and to consumers via a voltage controller. The means for orienting the propellers to the wind is an electric motor fixed to the support platform, which electric motor has an output drive element engaged with a fixed gear wheel fixed to the rotating shaft. According to the invention, the means for orienting the propellers to the wind is located entirely on the supporting platform, and on the turbine rotor and connected to the main controller, there is a rotor speed sensor, based on which the main controller is programmed to actuate the motor. propeller orientation means.

Второ изобретение на системата за защита, особено подходяща за турбини с малка мощност, а именно до 3kW и основана на същия принцип, включва вятърна турбина с хоризонтална ос на въртене, която вятърна турбина има ротор с витла, монтирани на вал с хоризонтална ос на въртене, фиксирани към носеща платформа, лагерувана към вал за завъртане, фиксиран върху кула, покрити със защитен корпус. При това, към носещата платформа е монтирано средство за ориентация на витлата спрямо вятъра, чрез преместване на носещата платформа, задействано по сигнал от основен контролер, свързан с поне един датчик, като са включени и необходимите връзки от вятърната турбина към основния контролер и към консуматори посредством контролер за напрежение. Средството за ориентация на витлата спрямо вятъра представлява електродвигател, фиксиран към носещата платформа, който електродвигател има изходящ задвижващ елемент, зацепен с неподвижно зъбно колело. Съгласно изобретението, към носещата платформа има опашен стабилизатор, включващ надлъжен носач, в края на който, чрез втулка е свързан вертикален вал за завъртане. Към вертикалния вал за завъртане е монтирана подвижна опашна част. Неподвижното зъбно колело е фиксирано към вертикалния вал за завъртане. При това датчикът е датчик за обороти на ротора, разположен на ротора на турбината, въз основа на данните на който датчик за обороти на ротора, основният контролер, е програмиран за задействане на електродвигателя на средството за ориентация на витлата.A second invention of the protection system, particularly suitable for low power turbines, namely up to 3 kW and based on the same principle, includes a wind turbine with a horizontal axis of rotation, which wind turbine has a rotor with propellers mounted on a shaft with a horizontal axis of rotation , fixed to a supporting platform, mounted to a rotating shaft, fixed on a tower, covered with a protective housing. In addition, a means for orienting the propellers to the wind is mounted to the support platform by moving the support platform, activated by a signal from a main controller connected to at least one sensor, including the necessary connections from the wind turbine to the main controller and consumers. via a voltage controller. The means for orienting the propellers to the wind is an electric motor fixed to the supporting platform, which electric motor has an outgoing drive element engaged with a fixed gear. According to the invention, there is a tail stabilizer to the supporting platform, comprising a longitudinal support, at the end of which a vertical rotating shaft is connected by a sleeve. A movable tail section is mounted to the vertical swivel shaft. The fixed gear is fixed to the vertical shaft for rotation. In this case, the sensor is a rotor speed sensor located on the turbine rotor, based on the data of which the rotor speed sensor, the main controller, is programmed to actuate the motor of the propeller orientation means.

В допълнение и при двете изобретения, основани на идентичен изобретателски замисъл, контролерът за напрежение е датчик за заредено състояние на налични акумулаторни батерии, като основният контролер е програмиран за задействане на електродвигателя на средството за ориентация на витлата и по данни от този датчик, когато той отчита липса на консуматори, т. е. при заредени батерии, ако са използвани такива.In addition, in both inventions based on the same inventive concept, the voltage controller is a charge sensor for available batteries, the main controller being programmed to actuate the propeller orientation motor and data from that sensor when it reports no consumers, ie when batteries are charged, if used.

Предимствата на настоящото изобретение се състоят в това, че системата за защита има повишена ефективност и е универсално приложима, както за предпазване от вятър с висока скорост, така и за предпазване на акумулаторните батерии от презареждане, когато са предвидени такива. Системата подпомага ефективното и максимално усвояване на енергията от вятър чрез създадената възможност за плавно регулиране на промяната на разположението на витлата спрямо посоката на вятъра и повишава коефициента на полезно действие на вятърната турбина при ниски скорости на вятъра, като дава възможност на съоръжението да работи ефективно дори и при високи стойности на скоростта на вятъра. Увеличава производителността при всички работни скорости на вятъра без специални допълнителни около роторни механични средства и автоматично и в реално време осигурява защита на самото съоръжение, както и на електрозахранването на консуматорите, работещи с различни видове електрически напрежения. Осигурен е по-лесен достъп за контрол, поддръжка и ремонт, както и избягване на замърсявания от околната среда и предотвратяване от замръзване при образуване на лед в зимния сезон. Системата работи със самостоятелни консуматори и/или с такива, свързани с конThe advantages of the present invention are that the protection system has increased efficiency and is universally applicable both for protection against high-speed wind and for protection of rechargeable batteries, where such are provided. The system supports the efficient and maximum absorption of wind energy by creating the ability to smoothly adjust the change in the location of the propellers relative to the wind direction and increases the efficiency of the wind turbine at low wind speeds, enabling the facility to operate efficiently even and at high wind speed values. Increases productivity at all operating wind speeds without special additional rotary mechanical means and automatically and in real time provides protection of the equipment itself, as well as the power supply to consumers operating with different types of electrical voltages. Easier access is provided for control, maintenance and repair, as well as avoidance of environmental pollution and prevention of freezing during ice formation in the winter season. The system works with individual consumers and / or with those connected to a horse

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/15.09.2020 венционална и/или интелигентна обществена електрическа мрежа, като инвестиционните разходи за изграждането и инсталирането й са по-ниски от известните от състоянието на техниката. Намалени са и експлоатационните разходи.Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 15.09.2020 ventional and / or intelligent public electricity network, as the investment costs for its construction and installation are lower than those known from the state of the art. Operating costs are also reduced.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

Фигура 1 представлява блок-схема на система за защита на вятърна турбина, съгласно изобретението; Фигура 2 - блок-схема на системата за защита, при вариант на изпълнение с акумулаторни батерии; Фигура 3 - обща схема по надлъжен вертикален разрез на система за защита на вятърна турбина, съгласно изобретението;Figure 1 is a block diagram of a wind turbine protection system according to the invention; Figure 2 - block diagram of the protection system, in a variant with rechargeable batteries; Figure 3 is a general longitudinal sectional diagram of a wind turbine protection system according to the invention;

Фигура 4 - поглед по А-А от фигура 3;Figure 4 is an AA view of Figure 3;

Фигура 5 - обща схема по надлъжен вертикален разрез, съгласно един вариант на изпълнение на изобретението;Figure 5 is a general longitudinal sectional diagram according to an embodiment of the invention;

Фигура 6 - поглед по Б-Б от фигура 5;Figure 6 is a BB view of Figure 5;

Фигура 7 - обща схема на система за защита на вятърна турбина, съгласно изобретението, за предпочитане приложима за ниска мощност (под 3 kW).Figure 7 is a general diagram of a wind turbine protection system according to the invention, preferably applicable for low power (less than 3 kW).

Примерни изпълнения на изобретениетоEmbodiments of the invention

Системата за защита на вятърна турбина с хоризонтална ос на въртене включва турбина 1 с ротор 2 с витла 3, монтирани на вал с главина 4 с хоризонтална ос на въртене и фиксирани към носеща платформа 5. Носещата платформа 5 е лагерувана към вал за завъртане 6, фиксиран върху кула 7. Турбината 1 и носещата я платформа 5 са покрити със защитен корпус 8. Към носещата платформа 5 е монтирано средство 9 за ориентация на витлата 3 спрямо вятъра чрез завъртане на носещата платформа, задействано по сигнал от програмиращ се контролер 10, наричан нататък „основен контролер 10“, свързан към захранване и към поне един датчик. Включени са и необходимите връзки от вятърната турбина към контролера 10 и към консумиращи мрежи 17 чрез контролер за напрежение 13. Средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра е разположено изцяло върху носещата платформа 15, както е показано на фигури 3 и 4 и представлява електродвигател 14, фиксиран върху носещата платформа 5, който електродвигател 14 има изходящ задвижващ елемент 15, зацепен със зъбно колело 16, фиксирано към вала за завъртане 6. При това, на ротора 2 на турбината 1 е разположен датчик за обороти на ротора 11, а втори датчик за посока на вятъра 12 е разположен върху защитния корпус 8. Основният контролер 10 е програмиран за задействане на електродвигателя 14, въз основа на данните от датчика за обороти на ротора 11, като датчикът за посока на вятъра 12 е спомагателен и служи за избор на посоката на завъртане на носещата платформа 5. Основният контролер 10 е свързан и с контролер за напрежение 13, подавано към консумиращите мрежи 17 и/или към акумулаторни батерии 19, наричани по-нататък общо „консуматори“ (фигура! и фигура 2). Основният контролер 10 има функция за защита на турбина 1 от силен вятър, като той сравнява отчетените данни от датчика за обороти на ротора 11 и ако те не са в предварително зададените граници, подава сигнал към средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра и по-точно, подава захранване за задвижване на електродвигателя 14. Подаденият сигнал задейства електродвигателя 14 и той, чрез изходящия си задвижващ елемент 15 и зацепеното с него зъбно колело 16, завърта носещата платформа 5 около вала за завъртане 6. Така, при завъртането на носещата платформа 5, се променя разположението на витлата 3 на ротора 2. Едновременно, основният контролер 10 отчита и посоката на вятъра, за определяне на ъгъла на завъртане на носещата платформа 5 спрямо посоката на вятъра. Контролерът за напрежение 13 има функция за поддържане на еднакво и непроменящо се напрежение към инвертор 18, като поема променливите стойности на напрежение от турбината 1 на входа си и ги свежда до еднаква стойност на изхода си за да осигури безпроблемната работа на инвертора 18 след него. Инверторът 18 е свързан с консумиращите мрежи 17, включително електропреносни мрежи и други конфигурации в зависимост от предназначението на работа на вятърния генератор и условията на надеждност на системата, в която е свързан, което познато техническо решение е използвано като илюстративно за пълнота на конкретния пример. Възможно е и контролерът за напрежение 13 да е вграден в основния контролер 10, което е възприето в практиката изпълнение, но е подходящо за ползване и в настоящото изобретение наред с възможността да бъде самостоятелен уред.The protection system of a wind turbine with a horizontal axis of rotation includes a turbine 1 with a rotor 2 with propellers 3 mounted on a shaft with a hub 4 with a horizontal axis of rotation and fixed to a support platform 5. The support platform 5 is mounted to a shaft 6, fixed on a tower 7. The turbine 1 and its supporting platform 5 are covered with a protective housing 8. A means 9 is mounted to the supporting platform 5 for orientation of the propellers 3 to the wind by rotating the supporting platform, activated by a signal from a programmable controller 10 hereinafter "main controller 10", connected to a power supply and to at least one sensor. Also included are the necessary connections from the wind turbine to the controller 10 and to the consumer networks 17 via a voltage controller 13. The means 9 for orienting the propellers to the wind is located entirely on the support platform 15, as shown in Figures 3 and 4 and is an electric motor 14. fixed on the support platform 5, which electric motor 14 has an output drive element 15 engaged with a gear 16 fixed to the rotating shaft 6. In this case, a rotor speed sensor 11 and a second sensor are arranged on the rotor 2 of the turbine 1. for wind direction 12 is located on the protective housing 8. The main controller 10 is programmed to actuate the motor 14, based on the data from the rotor speed sensor 11, the wind direction sensor 12 being auxiliary and used to select the direction of rotation of the supporting platform 5. The main controller 10 is also connected to a voltage controller 13 supplied to the consuming networks 17 and / or to the battery ba teries 19, hereinafter referred to as "consumers" (figure! and Figure 2). The main controller 10 has a function for protection of turbine 1 from strong wind, as it compares the read data from the rotor speed sensor 11 and if they are not within the predetermined limits, sends a signal to the means 9 for orientation of the propellers to the wind and more. precisely, it supplies power to drive the motor 14. The applied signal activates the motor 14 and it, through its output drive element 15 and the gear 16 engaged with it, rotates the bearing platform 5 around the rotating shaft 6. Thus, when rotating the bearing platform 5 , the position of the propellers 3 of the rotor 2 is changed. At the same time, the main controller 10 also takes into account the wind direction, in order to determine the angle of rotation of the bearing platform 5 with respect to the wind direction. The voltage controller 13 has a function to maintain a uniform and constant voltage to the inverter 18 by taking the variable voltage values from the turbine 1 at its input and reducing them to the same value at its output to ensure trouble-free operation of the inverter 18 thereafter. The inverter 18 is connected to the consumption networks 17, including power networks and other configurations depending on the purpose of operation of the wind generator and the conditions of reliability of the system in which it is connected, which known technical solution is used as illustrative for the completeness of the example. It is also possible for the voltage controller 13 to be integrated in the main controller 10, which is a practice in practice, but is suitable for use in the present invention as well as the possibility of being a stand-alone device.

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/15.09.2020Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 15.09.2020

Съгласно един предпочитан пример за изпълнение електродвигателят 14 е роторен 141 с редуктор, а изходящият задвижващ елемент 15 е зъбно колело 151.According to a preferred embodiment, the motor 14 is a rotor 141 with a reducer, and the output drive element 15 is a gear 151.

Самата конструкция на електрическия роторен двигател 141 и редуктора му са конструирани и позиционирани върху носещата платформа 5, съгласно обичайните знания на специалистите в областта. Основната особеност е, че фиксираното към вала за завъртане 6 зъбно колело 16, е от вид, съответстващ на зацепеното с него зъбно колело 151, като по този начин е създадена възможност за завъртане около оста на вала за завъртане 6 на носещата платформа 5 и, съответно чрез нея, на витлата 3 на вятърната турбина 1, на ъгъл произволно определен от измерените характеристики и зададените на основния контролер 10 параметри, а именно за поддържане на оборотите на ротора в определените граници. Завъртането на носещата платформа 5 е възможно в границите от 0° до 360°. Така е постигнато плавно регулиране на промяната на разположението на витлата спрямо посоката на вятъра и повишаване на коефициента на полезно действие на вятърната турбина при ниски скорости на вятъра, както и му дава възможност да работи и при високи скорости на вятъра следейки зададените обороти да не бъдат превишавани.The construction of the electric rotor motor 141 and its reducer are constructed and positioned on the support platform 5, according to the usual knowledge of those skilled in the art. The main feature is that the gear 16 fixed to the pivot shaft 6 is of a type corresponding to the gear 151 engaged therewith, thus making it possible to rotate about the axis of the pivot shaft 6 of the support platform 5 and, respectively through it, on the propellers 3 of the wind turbine 1, at an angle arbitrarily determined by the measured characteristics and the parameters set on the main controller 10, namely to maintain the rotor speed within the specified limits. The rotation of the support platform 5 is possible in the range from 0 ° to 360 °. Thus, a smooth adjustment of the change in the location of the propellers relative to the wind direction and increasing the efficiency of the wind turbine at low wind speeds, as well as allows it to work at high wind speeds, ensuring that the set speed is not exceeded.

Съгласно друг вариант на изпълнение, електродвигателят 14 е линеен 142, а изходящият задвижващ елемент 15 е зъбна рейка 152, както е показано на фигури 5 и 6.According to another embodiment, the motor 14 is linear 142 and the output drive element 15 is a toothed rack 152, as shown in Figures 5 and 6.

Предвиден е и вариант на изпълнение на системата за защита, в случай че има включени и акумулаторни батерии 19, обикновено разположени след контролера за напрежение 13 и преди инвертора 18. При този вариант на изпълнение, основният контролер 10 е програмиран да следи и контролера за напрежение 13, който едновременно е и датчик за индикация на зареденото състояние на акумулаторните батерии 19. Така, съгласно изобретението, е предвидена реакция при отчитане на заредени батерии и липса на консумация от тях, а именно за спиране на турбината 1 чрез завъртане на носещата платформа 5 от средството 9 за ориентация на витлата, до спиране на въртенето на витлата 3.An embodiment of the protection system is also provided in case there are also accumulators 19 included, usually located after the voltage controller 13 and before the inverter 18. In this embodiment, the main controller 10 is programmed to monitor the voltage controller as well. 13, which is at the same time a sensor for indicating the charged state of the accumulator batteries 19. Thus, according to the invention, a reaction is provided when reading charged batteries and no consumption of them, namely to stop the turbine 1 by rotating the support platform 5 from the propeller orientation means 9 to the stop of the propeller rotation 3.

Системата за защита на турбината 1, съгласно настоящия пример за изпълнение, е изградена на база два датчика - датчик за оборотите на ротора 11 на турбината 1, който е основен и датчик за посока на вятъра 12, който е известен от състоянието на техниката и при настоящето изобретение се използва като спомагателен. Системата е приложима за защита на вятърни турбини, без значение от мощността им, като е подходяща и за двата конструктивни типа - за вятърни турбини с мощност до 3 kW и за вятърни турбини с мощност над 3 kW.The protection system of the turbine 1, according to the present embodiment, is based on two sensors - a sensor for the speed of the rotor 11 of the turbine 1, which is the main and a wind direction sensor 12, which is known from the prior art and the present invention is used as an adjunct. The system is applicable for protection of wind turbines, regardless of their power, and is suitable for both construction types - for wind turbines with power up to 3 kW and for wind turbines with power over 3 kW.

Действието на системата за защита се осъществява, както е представено на приложените фигура 1 и фигура 2 чрез блок-схема на системата за защита на вятърна турбина с хоризонтална ос на въртене, съгласно изобретението.The operation of the protection system is carried out as shown in the attached figures 1 and figure 2 by a block diagram of the protection system of a wind turbine with a horizontal axis of rotation according to the invention.

Действието на системата за защита при това изобретение се състои в следното.The operation of the protection system of this invention is as follows.

Витлата 3 на турбината 1 се завъртат от вятъра и предават въртеливо движение на ротора 2 на турбината 1 посредством вала с главина 4, чрез което се генерира електрическа енергия. От датчика за оборотите на ротора 11 постъпва информация в основния контролер 10. От датчика за посока на вятъра 12 постъпва информация също в основния контролер 10, където се извършва сравнение на информацията от двата датчика 11, 12 с предварително зададените параметри за оборотите и се отчита дали има промяна на посоката на вятъра. Основният контролер 10 установява дали оборотите са в предвидения оптимален режим или са извън него. В случай, че оборотите на ротора са в предвидения оптимален режим и посоката на вятъра не се е променила, основният контролер 10 не задейства средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра и работата на турбината 1 продължава в оптимален режим. При друг случай, когато оборотите на ротора, съгласно данните от датчика за обороти на ротора 11, са твърде високи, чрез сигнал на основния контролер 10, вземайки предвид посоката на вятъра, определена от датчика за посока на вятъра 12, се включва средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра, като се осъществява завъртане на носещата платформа 5 в посока, в която ъгълът на атака на вятъра към витлата 3 се променя така, че да се намалят оборотите на ротора 2 в предвидените граници и я стопира на нея, като основният контролер 10 задава команда за спиране на електродвигателя 14 и носещата платформа 5 застава в достигнатата позиция. Предвиден е и случай, в който при недостатъчна сила на вятъра или при ниски обороти на ротора 2 на турбината 1, които за определено време са недостатъчниThe propellers 3 of the turbine 1 are rotated by the wind and transmit a rotational motion of the rotor 2 of the turbine 1 by means of the shaft with a hub 4, through which electricity is generated. From the speed sensor of the rotor 11 information is sent to the main controller 10. From the wind direction sensor 12 information is also sent to the main controller 10, where the information from the two sensors 11, 12 is compared with the preset speed parameters and read whether there is a change in wind direction. The main controller 10 determines whether the speed is in the intended optimal mode or outside it. In case the rotor speed is in the provided optimal mode and the wind direction has not changed, the main controller 10 does not actuate the means 9 for orientation of the propellers to the wind and the operation of the turbine 1 continues in optimal mode. In another case, when the rotor speed, according to the data from the rotor speed sensor 11, is too high, by means of a signal of the main controller 10, taking into account the wind direction determined by the wind direction sensor 12, the means 9 for orientation of the propellers relative to the wind, rotating the bearing platform 5 in a direction in which the angle of attack of the wind to the propellers 3 changes so as to reduce the speed of the rotor 2 within the specified limits and stops it on it, as the main controller 10 issues a command to stop the motor 14 and the supporting platform 5 stands in the reached position. There is also a case in which in case of insufficient wind force or at low speed of the rotor 2 of the turbine 1, which for a certain time are insufficient

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/15.09.2020 за генериране на подходящо количество електроенергия, системата за защита, чрез сигнал на основния контролер 10, завърта витлата 3 в положение, в което се преустановява работата на турбината 1 и/или задейства електромеханична спирачка. Вятърната турбина 1 може да стартира добиването на електроенергия от вятъра отново при благоприятни за това условия. За целта се проверява, през определен интервал от време, силата на вятъра чрез задействане на средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра, съответно на показанията на датчика за посока на вятъра 12, и отчитайки оборотите на ротора 2 в този момент чрез датчика за обороти на ротора 11.3а установяване наличие на благоприятни условия за работа, може да бъде използвана и връзка с метеорологична станция, която да подаде сигнал към основния контролер 10 за това. При посочените варианти на изпълнение, задвижващият елемент 15, ако е използван роторен електродвигател 141, е зъбното колело 151 или, при използване на линеен електродвигател 142 - зъбната рейка 152.Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 15.09.2020 for generating an appropriate amount of electricity, the protection system, by signal of the main controller 10, rotates the propellers 3 in a position in which the operation of the turbine 1 is stopped and / or the electromechanical brake is applied . The wind turbine 1 can start the generation of electricity from the wind again under favorable conditions. For this purpose, the wind force is checked, at a certain interval of time, by actuating the means 9 for orienting the propellers to the wind, respectively to the readings of the wind direction sensor 12, and reading the rotor speed 2 at that moment by the speed sensor. of the rotor 11.3a to establish the presence of favorable operating conditions, a connection to a meteorological station may be used to signal this to the main controller 10. In these embodiments, the drive member 15, if a rotary motor 141 is used, is the gear 151 or, when using a linear motor 142, the rack 152.

Едновременно основният контролер 10 следи и данните от включения контролер за напрежение 13.At the same time, the main controller 10 monitors the data from the switched voltage controller 13.

Ако има и условие за съхранение на произведената от вятъра енергия и след контролера за напрежение 13 има включени акумулаторни батерии 19, данните от контролера на напрежение 13, се използват от основния контролер 10 за сработване на системата за защита. Контролерът за напрежение 13 в този случай се използва единствено и само като датчик за заредено състояние на акумулаторните батерии 19, и при условие, че към основния контролер 10 постъпи информация за напълно заредени акумулаторни батерии 19 и липса на консумация от тях, турбината 1 се позиционира така, че да не усвоява повече енергия от вятъра, като се задейства електродвигателя 14 и носещата платформа 5 се завърта до спиране на въртенето на витлата 3. Това спомага за удължаване на експлоатационния живот на вятърната турбина. Като вариант е възможно основният контролер 10 да подаде команда за спиране на работата на вятърната турбина и чрез задействане на спирачка.If there is a condition for storage of the energy produced by the wind and after the voltage controller 13 batteries are included 19, the data from the voltage controller 13 are used by the main controller 10 to activate the protection system. The voltage controller 13 in this case is used only as a sensor for the charged state of the batteries 19, and provided that the main controller 10 receives information about fully charged batteries 19 and no consumption of them, the turbine 1 is positioned so that it does not absorb more energy from the wind by starting the electric motor 14 and the bearing platform 5 is rotated until the rotation of the propellers 3 stops. This helps to prolong the service life of the wind turbine. Alternatively, it is possible for the main controller 10 to issue a command to stop the operation of the wind turbine and by applying a brake.

Въпреки че описаната по-горе система за защита на вятърна турбина с хоризонтална ос на въртене може да бъде прилагана за всички видове турбини, независимо от мощността им, е създадена и система за защита, базирана на идентичен изобретателски замисъл, която е приложима за турбини с малка мощност - до 3 kW и която изисква още по-ниски разходи за инсталиране и експлоатация.Although the horizontal wind turbine protection system described above with a horizontal axis of rotation can be applied to all types of turbines, regardless of their power, a protection system based on an identical inventive concept has been created, which is applicable to turbines with low power - up to 3 kW and which requires even lower costs for installation and operation.

Системата за защита на вятърни турбини с ниска мощност включва турбина 1 с ротор 2 с витла 3, монтирани на вал с главина 4 с хоризонтална ос на въртене, фиксирани към носеща платформа 5. Носещата платформа 5 е лагерувана към вал за завъртане 6, фиксиран върху кула 7. Турбината 1 и носещата платформа 5 са покрити със защитен корпус 8. Към носещата платформа 5 е монтирано средство 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра, чрез завъртане на носещата платформа 5, задействано по сигнал от основен контролер 10, свързан с поне един датчик, като са включени и необходимите връзки от вятърната турбина към програмиращия се контролер и към консуматори посредством контролер за напрежение 13. Средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра представлява електродвигател 14, фиксиран към носещата платформа 5, който електродвигател 14 има изходящ задвижващ елемент 15, зацепен с неподвижно зъбно колело 16. Съгласно изобретението, носещата платформа 5 има опашен стабилизатор 20, включващ надлъжен носач 21, в края на който чрез втулка 24 е свързан вертикален вал за завъртане 22, към който е монтирана подвижна опашна част 23. При това неподвижното зъбно колело 16 е фиксирано към вертикалния вал за завъртане 22, т. е. неподвижността му се отнася спрямо този вертикален вал за завъртане 22. Предвиденият свързан към основния контролер 10 датчик е датчик за обороти на ротора 11, разположен на ротора 2 на турбината. Основният контролер 10, е програмиран за задействане на електродвигателя 14 на средството 9 за ориентация на витлата въз основа на данните от датчика за обороти на ротора 11.The low power wind turbine protection system includes a turbine 1 with a rotor 2 with propellers 3 mounted on a shaft with a hub 4 with a horizontal axis of rotation, fixed to a support platform 5. The support platform 5 is mounted to a rotating shaft 6 fixed on tower 7. The turbine 1 and the support platform 5 are covered with a protective housing 8. To the support platform 5 is mounted a means 9 for orientation of the propellers to the wind by rotating the support platform 5, activated by a signal from a main controller 10 connected to at least one sensor, including the necessary connections from the wind turbine to the programmable controller and to consumers via a voltage controller 13. The means 9 for orientation of the propellers to the wind is an electric motor 14 fixed to the support platform 5, which electric motor 14 has an output drive element 15 engaged with a fixed gear 16. According to the invention, the support platform 5 has a tail stabilizer 20 comprising a longitudinal nose h 21, at the end of which a vertical rotating shaft 22 is connected by a sleeve 24, to which a movable tail part 23 is mounted. In this case, the fixed gear 16 is fixed to the vertical rotating shaft 22, ie its immobility refers relative to this vertical shaft for rotation 22. The provided sensor connected to the main controller 10 is a speed sensor of the rotor 11 located on the rotor 2 of the turbine. The main controller 10 is programmed to actuate the motor 14 of the propeller orientation means 9 based on the data from the rotor speed sensor 11.

Съгласно показания пример за изпълнение, средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра представлява линеен електродвигател 142, фиксиран към носещата платформа 5 и към надлъжния носач 21 на опашния стабилизатор 20. Електродвигателят 142 има изходящ задвижващ елемент 15 -зъбна рейка 152, зацепена със зъбно колело 16, фиксирано към подвижната опашна част 23 на опашния стабилизатор 20 чрез втулка 24, обхващаща вертикалния вал за завъртане 22. Датчикът за обороти на ротора 11 при това изобретение е единствен необходим датчик за осъществяване на работата на системата за защита.According to the exemplary embodiment shown, the means 9 for orienting the propellers to the wind is a linear motor 142 fixed to the support platform 5 and to the longitudinal carrier 21 of the tail stabilizer 20. The motor 142 has an output drive element 15 - a gear rack 152 engaged with a gear 16, fixed to the movable tail portion 23 of the tail stabilizer 20 by a sleeve 24 enclosing the vertical rotation shaft 22. The rotor speed sensor 11 in this invention is the only sensor needed to carry out the operation of the protection system.

Съответно, основният контролер 10 е свързан и с контролер за напрежение 13, подавано към конAccordingly, the main controller 10 is also connected to a voltage controller 13 supplied to the horse

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/15.09.2020 сумиращите мрежи 17, свързан директно или чрез инвертор 18 към консумиращите мрежи 17. Възможни са и други конфигурации на енергийна система в зависимост от предназначението на работа на вятърната турбина като част от нея и условията на надеждност на съответната енергийна система, в която е свързана.Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 15.09.2020 summing networks 17, connected directly or through an inverter 18 to the consuming networks 17. Other configurations of the power system are possible depending on the purpose of operation of the wind turbine as part of it and the conditions of the reliability of the respective energy system in which it is connected.

Действието на системата за защита при второто изобретение се състои в следното.The operation of the protection system of the second invention is as follows.

Витлата 3 на турбината 1 се завъртат от вятъра и предават въртеливо движение на ротора 2 посредством вала с главина 4, чрез което се генерира електрическа енергия. От датчика за обороти на ротора 11 постъпва информация в основния контролер 10, където се извършва сравнение на информацията от датчика за обороти на ротора lie предварително зададените параметри за оборотите. Основният контролер 10 установява дали оборотите са в предвидения оптимален режим или са извън него. В случай, че оборотите на ротора 2 са в предвидения оптимален режим, основният контролер 10 не задейства средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра чрез завъртане на носещата платформа и работата на вятърната турбина 1 продължава в оптимален режим. При твърде високи обороти на ротора, чрез сигнал на основния контролер 10, се включва средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра, при което подвижната опашна част 23 се отклонява на зададен ъгъл, с център вертикалния вал за завъртане 22, като се осъществява завъртане на носещата платформа 5 в посока, в която ъгълът на атака на вятъра към витлата 3 се променя така, че да се намалят оборотите на ротора в предвидените граници. Ако оборотите на ротора 2 са ниски и за определено време, са недостатъчни за генериране на подходящо количество електроенергия, системата за защита, чрез сигнал на основния контролер 10, завърта носещата платформа 5 и, съответно чрез нея, витлата 3 в положение, в което се преустановява работата на турбината 1 и/или задейства електромеханична спирачка. Вятърната турбина може да стартира добиването на електроенергия от вятъра отново, като се проверява през определен интервал от време силата на вятъра чрез задействане на средството 9 за ориентация на витлата, при отчитане на оборотите на ротора 2 в този момент чрез датчика за обороти на ротора 11 или чрез връзка с метрологична станция, която да подаде сигнал към основния контролер 10 за налични благоприятни за работата на вятърната турбина условия.The propellers 3 of the turbine 1 are rotated by the wind and transmit rotational motion to the rotor 2 by means of the hub with a hub 4, through which electricity is generated. From the rotor speed sensor 11 information is fed to the main controller 10, where a comparison of the information from the rotor speed sensor is performed with the predetermined speed parameters. The main controller 10 determines whether the speed is in the intended optimal mode or outside it. In case the rotor speed 2 is in the provided optimal mode, the main controller 10 does not actuate the means 9 for orientation of the propellers to the wind by rotating the bearing platform and the operation of the wind turbine 1 continues in optimal mode. At too high rotor speeds, by means of a signal of the main controller 10, the means 9 for orientation of the propellers to the wind is switched on, whereby the movable tail part 23 deviates at a set angle, with the center of the vertical shaft 22, rotating the bearing platform 5 in a direction in which the angle of attack of the wind to the propellers 3 is changed so as to reduce the speed of the rotor within the prescribed limits. If the speed of the rotor 2 is low and for a certain time is insufficient to generate an adequate amount of electricity, the protection system, by signal of the main controller 10, rotates the bearing platform 5 and, accordingly, the propellers 3 in a position in which stops operation of turbine 1 and / or applies an electromechanical brake. The wind turbine can start the production of electricity from the wind again, checking at a certain interval of time the wind force by activating the means 9 for orientation of the propellers, taking into account the speed of the rotor 2 at this time through the rotor speed sensor 11 or by connecting to a metrological station to signal to the main controller 10 for conditions favorable to the operation of the wind turbine.

Използване в промишленосттаUse in industry

Програмата на основния контролер 10 се състои в следене на постъпващите данни от датчика за обороти на ротора 11 и тяхното използване за контрол над средството 9 за ориентация на витлата спрямо вятъра. Основният контролер 10 е програмиран да активира средството 9 за ориентация на витлата 3 спрямо вятъра след преминаване на определени обороти или за поддържането им, които обороти са отчетени от датчика за следене на оборотите 11 на ротора 2 на турбината 1 и чиито гранични стойности са зададени в логиката на процесора му. Посоката на вятъра се отчита чрез датчика за посока на вятъра 12 и така основният контролер 10 има информация на каква позиция трябва да бъдат ориентирани витлата 3 с помощта на позициониране на носещата платформа 5, за да може турбината 1 да се върти с максимално позволените и зададени в основния контролер 10 обороти. Така системата за защита спомага и за усвояване винаги на оптимално количество енергия от вятъра във всеки един момент и повишава коефициента на полезно действие на вятърната турбина, оборудвана с нея.The program of the main controller 10 consists in monitoring the incoming data from the rotor speed sensor 11 and their use to control the means 9 for orientation of the propellers to the wind. The main controller 10 is programmed to activate the means 9 for orienting the propellers 3 to the wind after passing certain speeds or for maintaining them, which speeds are read by the speed monitoring sensor 11 of the rotor 2 of the turbine 1 and whose limit values are set in the logic of its processor. The wind direction is read by the wind direction sensor 12 and so the main controller 10 has information on what position the propellers 3 should be oriented by positioning the support platform 5 so that the turbine 1 can rotate with the maximum allowed and set in the main controller 10 revolutions. Thus, the protection system also helps to always absorb the optimal amount of wind energy at any time and increases the efficiency of the wind turbine equipped with it.

Описания на издадени патенти за изобретенияDescriptions of granted patents for inventions

Claims

Patent claims

A wind turbine protection system with a horizontal axis of rotation, which wind turbine comprises a turbine with a rotor with propellers mounted on a shaft with a horizontal axis of rotation hub fixed to a support platform mounted on a rotating shaft fixed to a tower, covered with a protective housing, in which a means for orienting the propellers to the wind is mounted to the supporting platform by rotating the supporting platform, activated by a signal from a main controller connected to the power supply and to a wind direction sensor, including the necessary connections from the wind turbine to the main controller and to consumers by a voltage controller, wherein the means for orienting the propellers to the wind is an electric motor fixed to the support platform, which electric motor has an output drive element engaged with a fixed gear fixed to the rotary shaft. with the means (9) for orienting the propellers to the wind is located entirely on the supporting platform (5), and on the rotor (2) of the turbine and connected to the main controller (10), there is a sensor for rotation of the rotor (11), based on which the main controller (10) is programmed to actuate of the electric motor (14) of the propeller orientation means (9).

Wind turbine protection system according to claim 1, characterized in that the voltage controller (13) is a charge status sensor of available accumulators (19), the main controller (10) being programmed to actuate the motor. 14) of the propeller orientation means (9) and according to data from this sensor.

3. Horizontal axis of rotation wind turbine protection system, which wind turbine comprises a rotor with propellers mounted on a shaft with a horizontal axis of rotation fixed to a support platform mounted on a rotating shaft fixed to a tower covered with a protective housing , wherein a means for orienting the propellers to the wind is mounted to the support platform by rotating the support platform, activated by a signal from a main controller connected to the power supply and to at least one sensor, including the necessary connections from the wind turbine to the main controller and to consumers by means of a voltage controller, and the means for orienting the propellers to the wind is an electric motor fixed to the supporting platform, which electric motor has an output drive element engaged with a fixed gear, characterized in that the supporting platform (5) has tail stabilizer (20), including a longitudinal carrier (21), at the end of which, by a sleeve (24) is connected a vertical rotating shaft (22) to which a movable tail part (23) is mounted, and the fixed gear (16) is fixed to the vertical rotating shaft (22), wherein the sensor is a rotor speed sensor (11), located on the rotor (2) of the turbine (1), based on the data of which the rotor speed sensor (11), the main controller (10), is programmed to actuate the motor (14) of the means (9) for orientation of propellers.

Wind turbine protection system according to claim 2, characterized in that the voltage controller (13) is a charge status sensor of available accumulators (19), the main controller (10) being programmed to actuate the motor (14). ) of the propeller orientation means (9) and according to data from this sensor.