CZ290785B6

CZ290785B6 - Zařízení pro vyuľívání energie větru

Info

Publication number: CZ290785B6
Application number: CZ19984152A
Authority: CZ
Inventors: Franti©Ek Böhm
Original assignee: Obec Domanín
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2002-10-16
Also published as: WO2000036299A1; CZ415298A3; AU1258400A

Abstract

Za° zen pro vyu v n energie v tru sest v z alespo jedn v e, vrtule a strojovny, kde v (1), sklopn sm rem k zemi, je vytvo°ena ve tvaru dvouramenn p ky v²kyvn upevn n pomoc epu (9) na oto n obj mce (11) nosn ho sloupu (2) spojen ho se z kladnou (3). Na del m ramenu (4) dvouramenn p ky je um st na vrtule (5) a na krat m ramenu (6) je um st na strojovna (7). Osa v e (1) proch z v i ose epu (9) mimost°edn ve vzd lenosti (L). T i t (T) soustavy v e (1), nach zej c se ve vzty en poloze v e (1) p°ed osou epu (9) vzhledem ke sm ru v tru, je ve sklopen poloze v e (1) um st no nad a za osou epu (9) vzhledem ke sm ru v tru. Ve v²hodn m proveden dopln n m za° zen m pro ot en a tlumen ot en v e (1) sest v za° zen ze dvou v (1, 1') navz jem spojen²ch.\

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro využívání energie větru, zejména větrné elektrárny, sestávající z věže opatřené vrtulí a strojovnou.

Dosavadní stav techniky

Dosud známá zařízení pro využívání energie větru, např. větrné elektrárny, sestávají v převážné většině z pevné věže, vrtule a strojovny, otočně osazené na vrcholu věže a opatřené převodovým mechanismem a generátorem. Věž s rotorem klade proudícímu vzduchu odpor a je namáhána klopným momentem, který je eliminován rozměrným a hmotným základem, se kterým je těleso věže spojeno.

Podle patentu SU-A-1 773 286 je sklopný generátor s vrtulí umístěný na otočné hlavici zařízení na vrcholu pevného stožáru, a je uložený na kloubu. Generátor se při příliš silném větru mechanicky překlopí do svislé polohy (směrem vzhůru), když překoná tlak tlačné pružiny spojující jej s kormidlem. K navrácení do původní vodorovné polohy je potřeba vnějšího zásahu obsluhy. V zařízení vznikají při překlápění generátoru nežádoucí mechanické rázy a kmity, a jeho konstrukce je použitelná pouze u malých popř. středních výkonů.

Nevýhodou uspořádání strojovny na vrcholu pevného stožáru jsou značné materiálové nároky dílů věže a základu. Vysoká poloha hmoty strojovny na vrcholu tuhé věže má za následek sklon k rozkmitání celé konstrukce. Důsledkem uložení převodovky a generátorů v gondole na vrcholu věže je daleký dosah hlučnosti, neboť čím výše je zdroj hluku, tím dále je slyšitelný. Montáž tohoto provedení větrných elektráren je náročná na pomocná technická zařízení (vysokozdvižné jeřáby, helikoptéry apod.). Rovněž úkony obsluhy a údržby jsou značně náročné a namáhavé, což je také důsledek trvale vysoké polohy rotoru a strojovny.

Z německého patentu DE-A-2 916 878 je známa větrná elektrárna s věží ve tvaru dvouramenné páky s vrtulí na jednom konci a strojovnou na druhém konci, která je výkyvné upevněná pomocí čepu na otočné části nosného sloupu spojeného se základnou. Rotační pohyb je regulován pomocí větrné směrovky. Mezi věží a otočnou objímkou je uspořádán hydraulický válec, zvedající věž do pracovní polohy. Věž i s vrtulí se sklápí při nadměrné intenzitě větru směrem k zemi, a automaticky se vrací zpět do původní polohy. Nevýhoda řešení podle DE-A-2 916 878 spočívá v tom, že těžiště soustavy je v ose věže a pohybuje se po kružnici v konstantní vzdálenosti (poloměru) od osy čepu. Odpor takto uložené věže proti sklápění je konstantní v celém rozsahu, a sklápění začíná již při malých rychlostech větru, čímž dochází k nežádoucímu zmenšování průtočné plochy vrtule a ke snižování výkonu. Věž není možno nastavit do zcela svislé polohy (brání tomu spojovací čep). Přitom právě ve zcela svislé poloze je průtočná plocha vrtule a využitelný výkon elektrárny největší. Rotační pohyb věže regulovaný pomocí větrné směrovky je trhavý, a v důsledku stranové lability není možné provedení se dvěma spřaženými věžemi, které je z důvodu úspory zastavěné plochy nejvýhodnější pro stavbu tzv. větrných farem, tedy shluků větrných elektráren na jednom místě.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje zařízení pro využívání energie větru podle vynálezu. Toto zařízení sestává známým způsobem z alespoň jedné věže sklopné směrem k zemi, vytvořené ve tvaru dvouramenné páky, výkyvné upevněné pomocí čepu na otočné části nosného sloupu spojeného se základnou. Na delším rameni dvouramenné páky je opět známým způsobem umístěna vrtule, na kratším rameni je strojovna, a mezi věží a otočnou částí nosného sloupu je uspořádána tlumicí a zdvihová jednotka.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že osa věže prochází vůči ose čepu výkyvného upevnění mimoběžně, a těžiště soustavy věže, nacházející se ve vztyčené poloze věže před osou čepu

- 1 CZ 290785 B6 vzhledem ke směru větru, je ve sklopené poloze věže umístěno nad a za osou čepu vzhledem ke směru větru.

Toto uspořádání má výhodu v tom, že těžiště soustavy je uloženo mimostředně, tzn. že se při pohybu věže nenachází v konstantní vzdálenosti (poloměru) od osy společného čepu nosného sloupu a věže. Ve vztyčené poloze věže, kdy je těžiště před osou čepu ve větší vzdálenosti, je potřeba ke sklopení věže větší klopný moment, a úhel sklonu věže není přímo úměrný rychlosti větru. Počátek sklápění věže tedy nenastává již při malých rychlostech větru, ale až po dosažení kritické „škodlivé“ rychlosti. Věž je tím udržována mnohem delší dobu ve vztyčené poloze, a tím je dosaženo optimálního využití výkonu zařízení. Příznivý účinek mimoběžného uložení osy čepu se také projevuje na optimalizaci výkonu, neboť umožňuje postavit věž do zcela svislé polohy, kdy je zaručeno maximální využití průtočné plochy vrtule.

Další výhoda mimostředného uložení těžiště se projevuje ve sklopené poloze věže, kdy se těžiště nachází nad osou čepu, a ve vztahu ke směru větru je již za touto osou. Poloha těžiště vysoko nad osou klopení udržuje věž v labilní poloze, což umožňuje automatický, snadný a plynulý návrat věže do vztyčené pracovní polohy ihned po poklesu intenzity větru pod kritickou „škodlivou“ rychlost.

Ve výhodném provedení je otočná objímka nosného sloupu opatřena zařízením pro otáčení věže a současné tlumení otáčení věže, sestávajícím z ozubeného kola, uspořádaného pod otočnou objímkou nosného sloupu, s nímž zabírá pastorek pohonu. Pohon otáčení věže je regulován zařízením pro měření rychlosti větru, umístěným v horní části věže. Zařízení pro otáčení věže umožňuje plynulé, stabilní a tlumené otáčení na rozdíl od dříve používané větrné směrovky, která otáčela věží trhavě v závislosti na poryvech větru. Plynulá regulace otáčení jednak přispívá k optimálnímu využití energie větru, a jednak stranově stabilizuje celou soustavu.

Další výhodné provedení vynálezu využívající této stranové stability je představováno uspořádáním sestávajícím ze dvou věží uspořádaných s výhodou do tvaru písmene „V“, navzájem spojených a upevněných společně na otočné objímce nosného sloupu, přičemž obě vrtule jsou propojeny se společnou výstupní hřídelí. Výhoda dvouvěžového (dvouvrtulového) uspořádání zařízení spočívá v kratší dráze rušení a zpomalování proudu vzduchu, oproti jedné vrtuli o stejné ploše. Tato výhoda se využívá při výstavbě tzv. „větrných farem“, tzn. shluků větrných elektráren, kdy na stejné rozloze je možno osadit při respektování pravidel o vzájemné vzdálenosti elektráren s ohledem na rušení proudu vzduchu větší počet dvouvěžových než jednověžových elektráren. To je samozřejmě žádoucí, aby bylo možno ideálně využít větrný potenciál v konkrétní lokalitě.

V posledním výhodném provedení je zařízení podle vynálezu opatřeno posuvným zařízením pro přesun tlumicí a zdvihové jednotky s věží s výchozí horizontální polohy do vztyčené pracovní polohy. Posuvné zařízení je s výhodou tvořeno pohybovým šroubem s maticí, která je upevněna v posuvné patce spojené s tlumicí a zdvihovou jednotkou. Toto zařízení umožňuje zkrácení chodu pístu hydraulického válce, popř. umožňuje vztyčeni věže i u zařízení, která nejsou hydraulikou vybavena.

Přehled obrázků na výkresech

Zařízení podle vynálezu bude blíže objasněno pomocí výkresů, na nichž znázorňují obr. 1 jednověžovou větrnou elektrárnu zakrytované příhradové konstrukce ve vzpřímené pracovní poloze, obr. 2 zobrazuje tutéž větrnou elektrárnu ve sklopené poloze, obě zobrazení v bočním pohledu. Obr. 3 znázorňuje schéma tlumicí a zdvihové jednotky tvořené tlakovým ústrojím se škrticími ventily pro obousměrný chod pístu s diferenciálním nastavením hodnot škrcení, obr. 4 znázorňuje posuvné zařízení tvořené pohybovým šroubem ve vertikálním řezu, obr. 5 znázorňuje totéž posuvné zařízení v půdorysu, obr. 6 znázorňuje dvouvěžovou větrnou elektrárnu se stabilizací horizontální polohy strojovny v bočním pohledu, obr. 7 tutéž elektrárnu v pohledu ve směru větru. Obr. 8 znázorňuje větrnou elektrárnu s věží z trubek naplněných tlakových médiem v bočním pohledu, a obr. 9 znázorňuje jednověžovou větrnou elektrárnu s uložením věže na bocích otočné objímky nosného sloupu. Obr. 10 znázorňuje schematicky polohu těžiště soustavy

-2CZ 290785 B6 jednověžové elektrárny ve vztyčené poloze, obr. 11 polohu těžiště při sklápění, obr. 12 polohu těžiště ve sklopené poloze u země.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 a obr. 2 je znázorněno zařízení podle vynálezu s jednou věží 1 ocelové příhradové konstrukce, která je pomocí čepu 9 uložena ve vidlici 10 otočné objímky 11 nosného sloupu 2. Nosný sloup 2 je spojen se základnou 3 pomocí profilových nosníků 23 a betonových patek 24. Věž 1 tvoří dvouramennou páku, přičemž na delším ramenu 4 je umístěna vrtule 5, a na kratším ramenu 6 je strojovna 7 s pomocným závažím 25. Mezi věží 1 a otočnou objímkou 11 je uspořádána pneumatická tlumicí a zdvihová jednotka 8. Nosný sloup 2 je dutý, a procházejí jím kabely od sběracích kroužků a kabely od různých snímačů a pro ovládání pomocných elementů. Otočná objímka 11 je uložena na nosném sloupu 2 na příslušných axiálních a radiálních ložiskách, která zachycují působící síly a umožňují otáčení věže i do směru větru. Pod otočnou objímkou 11 nosného sloupu 2 je ozubené kolo 26, do něhož zabírá pastorek 27 mechanismu pro otáčení věže 1 a současné tlumení otáčení věže 1. U menších zařízení může být natáčení věže 1 s vrtulí 5 do optimální polohy vůči větru samočinné, v důsledku závětmého umístění vrtule 5. Pro zvedání věže 1 z výchozí horizontální polohy do vztyčené pracovní polohy je tlumicí a zdvihová jednotka 8 tvořena podle obr. 3 tlakovým ústrojím, např. vzduchovým, sestávajícím z válce 13, pístu 14, kompresoru 15, škrticích ventilů 27, 27' a čtyřcestného ventilu 33. Podle obr. 4 a 5 je posuvné zařízení 12 tvořeno pohybovým šroubem 16 s maticí 17, která je upevněna v posuvné patce 18, s níž je spojen jeden konec tlumicí a zdvihové jednotky 8. Posuvná patka 18 je vedena v prizmatickém vedení na pevné části posuvného zařízení 12 spojené s otočnou objímkou 11. Pohybový šroub 16 je spojen prostřednictvím převodovky 28 s elektromotorem 29. Obr. 6 a obr. 7 představuje příklad provedení dvouvěžové větrné elektrárny, kde věže 1 a 1', opět příhradové konstrukce, jsou navzájem spojeny v podpěrném bodě, upevněny společně na vidlici 10 otočné objímky 11 nosného sloupu 2, a spojeny se společnou tlumicí a zdvihovou jednotkou 8. Delší ramena 4 a 4' jsou spojena výztuhou 30. Strojovna 7 je prostřednictvím otočných závěsů 19 zavěšena na kratších ramenech 6, 6' věží 1,1', a pomocí stabilizační tyče 20 je spojena s otočnou objímkou 11 nosného sloupu 2. Na obr. 8 je znázorněn příklad provedení zařízení podle vynálezu, kde věž 1 je tvořena třemi soustředně uloženými trubkami 21, opatřenými výztuhou 31, a vnitřní prostor trubek 21 je naplněn kapalinou 22 pro přenos tlakové energie od vrtule 5 do strojovny 7. V uvedeném příkladu provedení je nosný sloup 2 upevněn na jediném centrálním základovém bloku 32.

V jiném výhodném příkladu provedení je jednověžová větrná elektrárna uvedena na obr. 9, kde je provedeno uložení věže 1 na bocích otočné objímky 11 nosného sloupu 2. Toto řešení přináší výhodu snížení polohy věže 1 v horizontální poloze, a také možnost použití návětmé vrtule.

Funkce zařízení pro využívání energie větru podle vynálezu je znázorněna na obr. 10, 11, 12. Osa věže 1 prochází vůči ose čepu 9 mimoběžně ve vzdálenosti L, a těžiště T soustavy věže 1, nacházející se ve vztyčené poloze věže 1 před osou čepu 9 vzhledem ke směru větru vzdálenosti +R, je ve sklopené poloze věže 1 umístěno nad a za osou čepu 9 vzhledem ke směru větru ve vzdálenosti -R. Poloha těžiště T ovlivňuje popsaným způsobem průběh klopného momentu při sklápění věže 1 a při jejím navrácení do pracovní vztyčené polohy.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro využívání energie větru podle vynálezu lze využít např. jako větrnou elektrárnu, a to pro stavbu jak na pevnině, tak např. na odstavených mořských vrtných plošinách.

Claims

1. Zařízení pro využívání energie větru, sestávající z alespoň jedné věže sklopné směrem k zemi, vytvořené ve tvaru dvouramenné páky, výkyvné upevněné na otočné části nosného sloupu spojeného se základnou, přičemž na delším rameni dvouramenné páky je vrtule a na kratším rameni strojovna, a mezi věží a otočnou částí nosného sloupu je uspořádána tlumicí a zdvihová jednotka, vyznačující se tím, že osa věže (1) prochází vůči ose čepu (9) mimoběžně ve vzdálenosti (L) a těžiště (T) soustavy věže (1), nacházející se ve vztyčené poloze věže (1) před osou čepu (9) vzhledem ke směru větru, je ve sklopené poloze věže (1) umístěno nad a za osou čepu (9) vzhledem ke směru větru.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřeno zařízením pro otáčení věže (1) a současné tlumení otáčení věže (1), sestávajícím z ozubeného kola (26), uspořádaného pod otočnou objímkou (11) nosného sloupu (2), s nímž zabírá pastorek (27) pohonu.

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že sestává ze dvou věží (1, 1'), uspořádaných s výhodou do tvaru písmene „V“, navzájem spojených a upevněných společně na otočné objímce (11) nosného sloupu (2), přičemž obě vrtule (5, 5') jsou propojeny se společnou výstupní hřídelí.

4. Zařízení podle alespoň jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že je opatřeno posuvným zařízením (12) pro přesun tlumicí a zdvihové jednotky (8) svěží (1) z výchozí horizontální polohy do vztyčené pracovní polohy.

5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že posuvné zařízení (12) je tvořeno pohybovým šroubem (16) s maticí (17), která je upevněna v posuvné patce (18) spojené s tlumicí a zdvihovou jednotkou (8).