MD1151Z

MD1151Z - Wind energy conversion plant

Info

Publication number: MD1151Z
Application number: MDS20160137A
Authority: MD
Inventors: Виорел БОСТАН; Ион БОСТАН; Валериу ДУЛГЕРУ; Олег ЧОБАНУ; Раду ЧОБАНУ
Original assignee: Технический университет Молдовы
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2017-12-31
Also published as: MD1151Y

Abstract

The invention relates to renewable energy conversion systems, in particular to wind energy conversion devices.The wind energy conversion plant comprises a tower (1), in which at different heights H1=f(Vnom) and, respectively, H2=f(Vnom) are coaxially installed wind rotors (2) and (5) with opposite direction of rotation, the shafts of which are connected to the cylindrical parts of the rotor of an electric generator with permanent magnets (8). On the upper end of the tower (1) at the height H3=f(Vnom) are vertically installed Savonius-type (13) and Darrieus-type (15) rotors, which are connected to the rotors of an electric generator with permanent magnets (17).

Description

Invenţia se referă la sisteme de conversie a energiilor regenerabile, şi anume la instalaţii de conversie a energiei eoliene. The invention relates to renewable energy conversion systems, namely to wind energy conversion installations.

Este cunoscută soluţia tehnică, care include un turn, în care sunt instalate două rotoare eoliene, un generator de curent electric, un acumulator inerţial de energie, totodată în centrul concentratorului este instalată o ţeavă cilindrică de aspiraţie, iar în interiorul turnului este montat coaxial un con. Suprafaţa interioară a turnului şi suprafaţa exterioară a conului sunt conectate între ele prin pereţi despărţitori formând în ţeava cilindrică de aspiraţie canale de aer, care se îngustează de la extremităţi spre centru şi de jos în sus. Totodată, în ţeava cilindrică de aspiraţie sunt amplasate rotoare eoliene, care sunt instalate pe un arbore vertical, care transmite rotaţia de la rotor la arborele generatorului electric şi acumulatorul inerţial de energie. Pe partea de sus a pereţilor despărţitori sunt montate articulat clapete pentru direcţionarea curentului de aer [1]. The technical solution is known, which includes a tower, in which two wind turbines, an electric current generator, an inertial energy accumulator are installed, at the same time a cylindrical suction pipe is installed in the center of the concentrator, and a cone is coaxially mounted inside the tower. The inner surface of the tower and the outer surface of the cone are connected to each other by dividing walls, forming air channels in the cylindrical suction pipe, which narrow from the ends to the center and from the bottom up. At the same time, wind turbines are placed in the cylindrical suction pipe, which are installed on a vertical shaft, which transmits rotation from the rotor to the shaft of the electric generator and the inertial energy accumulator. On the upper part of the dividing walls, flaps are hingedly mounted for directing the air flow [1].

Dezavantajul soluţiei date constă în eficienţă de conversie şi productivitate redusă. The disadvantage of the given solution lies in low conversion efficiency and productivity.

De asemenea, este cunoscută o instalaţie de conversie a energiei eoliene, care conţine o ţeavă de aspiraţie, amplasată în interiorul difuzorului convergent şi deflectorului cu ferestre, şi o giruetă. Confuzorul este instalat pe acoperişul unei clădiri rezidenţiale cu pod. Capătul inferior al ţevii de aspiraţie este fixat şi comunică cu încăperea podului. Girueta se află pe deflector şi este legată cinematic cu uşile reglabile şi grilajul de protecţie, care este instalat pe ferestre. Motoarele eoliene sunt amplasate în interiorul deflectorului şi sunt instalate coaxial în interiorul ţevii de aspiraţie, totodată rotoarele eoliene sunt montate pe un arbore vertical, care este unit cu rotorul generatorului electric [2]. Also known is a wind energy conversion installation, which contains a suction pipe, located inside the converging diffuser and the deflector with windows, and a weather vane. The converging is installed on the roof of a residential building with an attic. The lower end of the suction pipe is fixed and communicates with the attic room. The weather vane is located on the deflector and is kinematically connected with the adjustable doors and the protective grille, which is installed on the windows. The wind engines are located inside the deflector and are installed coaxially inside the suction pipe, while the wind rotors are mounted on a vertical shaft, which is connected to the rotor of the electric generator [2].

Dezavantajul soluţiei date, de asemenea, constă în eficienţă de conversie şi productivitate redusă. The disadvantage of the given solution also lies in reduced conversion efficiency and productivity.

Problema pe care o rezolvă invenţia propusă constă în realizarea unei instalaţii de conversie a energiei eoliene ce va asigura un grad mai înalt de captare a energiei curenţilor de aer. The problem solved by the proposed invention consists in creating a wind energy conversion installation that will ensure a higher degree of air current energy capture.

Instalaţia de conversie a energiei eoliene, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că include un turn, în care la înălţimea H1=f(Vnom) este instalat vertical un rotor eolian, palele aerodinamice ale căruia sunt instalate în butucul rotorului sub un unghi de atac -α=2…10° faţă de planul orizontal, la înălţimea H2=f(Vnom) este instalat coaxial cu primul un al doilea rotor eolian, palele aerodinamice ale căruia sunt instalate în butucul rotorului sub un unghi de atac +α=2…10° faţă de planul orizontal. Instalaţia mai conţine un generator electric cu magneţi permanenţi, care include un stator unit rigid cu turnul şi un rotor executat din două părţi cilindrice separate, una dintre care este unită cu arborele primului rotor eolian, iar a doua - cu arborele celui de al doilea rotor eolian. Pe capătul de sus al turnului la înălţimea H3=f(Vnom) sunt instalate un rotor de tip Savonius cu pale elicoidale, diametrul cărora este egal cu diametrul gurii turnului, şi un rotor de tip Darrieus cu pale elicoidale, care sunt respectiv uniţi cu prima şi cea de a doua parte cilindrică a rotorului celui de-al doilea generator electric cu magneţi permanenţi. The wind energy conversion installation, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by including a tower, in which at a height H1=f(Vnom) a wind rotor is vertically installed, the aerodynamic blades of which are installed in the rotor hub at an angle of attack -α=2…10° to the horizontal plane, at a height H2=f(Vnom) a second wind rotor is installed coaxially with the first, the aerodynamic blades of which are installed in the rotor hub at an angle of attack +α=2…10° to the horizontal plane. The installation also contains an electric generator with permanent magnets, which includes a stator rigidly connected to the tower and a rotor made of two separate cylindrical parts, one of which is connected to the shaft of the first wind rotor, and the second - to the shaft of the second wind rotor. On the upper end of the tower at height H3=f(Vnom) are installed a Savonius type rotor with helical blades, the diameter of which is equal to the diameter of the tower mouth, and a Darrieus type rotor with helical blades, which are respectively connected to the first and second cylindrical parts of the rotor of the second permanent magnet electric generator.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în aceea că în interiorul turnului sunt instalate la diferite înălţimi două rotoare eoliene, formând o distanţă între aceste rotoare, care asigură restabilirea vitezei nominale a curenţilor de aer legate, respectiv, cu cele două părţi cilindrice separate ale rotorului generatorului electric cu magneţi permanenţi, ce asigură majorarea eficienţei de conversie şi a cantităţii de energie produse într-o unitate de timp. Suplimentar pe capătul turnului şi în afara acestuia sunt instalate pe acelaşi ax vertical rotorul eolian de tip Savonius, care este acţionat de curenţii de aer generaţi de turn şi rotorul eolian de tip Darrieus cu pale elicoidale ce asigură majorarea eficienţei de conversie şi a cantităţii de energie produse de instalaţie. The technical result of the invention consists in that inside the tower two wind turbines are installed at different heights, forming a distance between these turbines, which ensures the restoration of the nominal speed of the air currents connected, respectively, with the two separate cylindrical parts of the rotor of the electric generator with permanent magnets, which ensures the increase in the conversion efficiency and the amount of energy produced in a unit of time. Additionally, on the end of the tower and outside it, the Savonius type wind turbine rotor, which is driven by the air currents generated by the tower, and the Darrieus type wind turbine rotor with helical blades, which ensures the increase in the conversion efficiency and the amount of energy produced by the installation, are installed on the same vertical axis.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 5, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1 - 5, which represent:

- fig. 1, vederea generală a instalaţiei de conversie a energiei eoliene; - Fig. 1, general view of the wind energy conversion installation;

- fig. 2, reprezentarea unghiului de atac al palelor primului rotor eolian; - Fig. 2, representation of the angle of attack of the blades of the first wind turbine;

- fig. 3, reprezentarea unghiului de atac al palelor celui de al doilea rotor eolian; - Fig. 3, representation of the angle of attack of the blades of the second wind turbine;

- fig. 4, vederea A din fig. 1; - Fig. 4, view A of Fig. 1;

- fig. 5, vederea generală a capătului de sus al turnului. - Fig. 5, general view of the top of the tower.

Instalaţia de conversie a energiei eoliene include turnul 1 (fig. 1), în care la înălţimea H1, stabilită în funcţie de viteza nominală a curenţilor de aer H1=f(Vnom), este instalat vertical rotorul eolian cu ax orizontal 2, palele 3 (fig. 2) ale căruia sunt instalate în butucul 4, sub un unghi de atac -α=2…10°, faţă de planul orizontal al rotorului eolian 2. La înălţimea H2, stabilită în funcţie de viteza nominală a curenţilor de aer H2=f(Vnom), este instalat vertical rotorul eolian cu ax orizontal 5, palele 6 (fig. 3) ale căruia sunt instalate în butucul 7, sub un unghi de atac +α=2…10° faţă de planul orizontal al rotorul eolian 5. Generatorul electric cu magneţi permanenţi 8 include un stator 9 (fig. 4) unit rigid cu turnul 1 şi un rotor executat din două părţi cilindrice 10 şi 11 unite cu arborele rotoarelor eoliene 2 şi, respectiv, 5. Pe capătul de sus al turnului 1 (fig. 5), la înălţimea H3, stabilită în funcţie de viteza nominală a curenţilor de aer, sunt instalate suplimentar un rotor eolian cu ax vertical de tip Savonius 13 cu pale elicoidale 14 şi un rotor eolian cu ax vertical de tip Darrieus 15 cu pale elicoidale 16. Generatorul electric cu magneţi permanenţi 17 include un stator 18 unit rigid cu turnul 1 şi părţile cilindrice 19 şi 20 ale rotorului, care sunt unite cu arborele rotorului eolian de tip Savonius 13 şi, respectiv, cu arborele rotorului eolian de tip Darrieus 15. The wind energy conversion installation includes the tower 1 (Fig. 1), in which at the height H1, established depending on the nominal speed of the air currents H1=f(Vnom), the wind rotor with a horizontal axis 2 is vertically installed, the blades 3 (Fig. 2) of which are installed in the hub 4, under an angle of attack -α=2…10°, with respect to the horizontal plane of the wind rotor 2. At the height H2, established depending on the nominal speed of the air currents H2=f(Vnom), the wind rotor with a horizontal axis 5 is vertically installed, the blades 6 (Fig. 3) of which are installed in the hub 7, under an angle of attack +α=2…10° with respect to the horizontal plane of the wind rotor 5. The permanent magnet electric generator 8 includes a stator 9 (Fig. 4) rigidly connected to the tower 1 and a rotor made of two cylindrical parts 10 and 11 connected to the shafts of the wind turbines 2 and 5, respectively. On the upper end of the tower 1 (fig. 5), at the height H3, established depending on the nominal speed of the air currents, a Savonius type vertical axis wind turbine 13 with helical blades 14 and a Darrieus type vertical axis wind turbine 15 with helical blades 16 are additionally installed. The permanent magnet electric generator 17 includes a stator 18 rigidly connected to the tower 1 and the cylindrical parts 19 and 20 of the rotor, which are connected to the shaft of the Savonius type wind turbine 13 and, respectively, to the shaft of the Darrieus type wind turbine 15.

Instalaţia funcţionează în felul următor. The installation works as follows.

Curenţii de aer acţionează asupra palelor aerodinamice 3 ale rotorului eolian 2, antrenându-l în mişcare de rotaţie într-o direcţie, care este transmisă părţii cilindrice 10 a rotorului generatorului electric cu magneţi permanenţi 8. Curenţii de aer cedează aproximativ 35% din energie rotorului 2, totodată până la înălţimea H2 curenţii de aer ating viteza nominală Vnom, care acţionează palele aerodinamice 6 ale celui de al doilea rotor eolian 5. The air currents act on the aerodynamic blades 3 of the wind rotor 2, driving it into rotation in one direction, which is transmitted to the cylindrical part 10 of the rotor of the permanent magnet electric generator 8. The air currents give up approximately 35% of the energy to the rotor 2, at the same time up to the height H2 the air currents reach the nominal speed Vnom, which actuates the aerodynamic blades 6 of the second wind rotor 5.

Direcţia de rotaţie a rotorului eolian 5 este inversă direcţiei de rotaţie a rotorului eolian 2 datorită instalării palelor 6 din butucul 7 al rotorului eolian 5 sub unghiul de atac +α, iar a palelor 3 din butucul 4 al rotorului eolian 2 sub unghiul de atac -α. Mişcarea de rotaţie a rotorului eolian 5 este transmisă părţii cilindrice 11, iar a rotorului eolian 2 - părţii cilindrice 10 a rotorului generatorului 8. Astfel se va mări cantitatea de energie electrică produsă de generatorul 8. Curenţii de aer care trec prin rotorul eolian 5 cedează aproximativ 35% din energie. La înălţimea H3 curenţii de aer ating viteza nominală cu care acţionează asupra palelor elicoidale 14 cu elice de dreapta ale rotorului de tip Savonius 13, antrenându-l în mişcare de rotaţie într-o direcţie. Această mişcare de rotaţie a rotorului de tip Savonius 13 este transmisă părţii cilindrice 19 a rotorului generatorului electric cu magneţi permanenţi 17. Curenţii de aer laterali din afara turnului 1 acţionează asupra palelor aerodinamice elicoidale 16 cu elice de stânga, antrenând rotorul eolian de tip Darrieus 15 în mişcare de rotaţie în direcţie inversă direcţiei rotorului eolian de tip Savonius 13. The direction of rotation of the wind rotor 5 is opposite to the direction of rotation of the wind rotor 2 due to the installation of the blades 6 in the hub 7 of the wind rotor 5 under the angle of attack +α, and the blades 3 in the hub 4 of the wind rotor 2 under the angle of attack -α. The rotational movement of the wind rotor 5 is transmitted to the cylindrical part 11, and of the wind rotor 2 - to the cylindrical part 10 of the rotor of the generator 8. This will increase the amount of electrical energy produced by the generator 8. The air currents passing through the wind rotor 5 give up approximately 35% of the energy. At the height H3 the air currents reach the nominal speed with which they act on the helical blades 14 with right-handed propellers of the Savonius-type rotor 13, driving it into rotational movement in one direction. This rotational movement of the Savonius rotor 13 is transmitted to the cylindrical part 19 of the rotor of the permanent magnet electric generator 17. The lateral air currents outside the tower 1 act on the helical aerodynamic blades 16 with left-handed propellers, driving the Darrieus wind rotor 15 in rotational movement in the opposite direction to the direction of the Savonius wind rotor 13.

Ca rezultat rotoarele eoliene cu ax vertical instalate la înălţimea H3 pe capătul de sus al turnului 1 vor produce energie electrică suplimentară atât prin conversia energiei curenţilor de aer din interiorul turnului 1, cât şi din afara lui. As a result, the vertical axis wind turbines installed at height H3 on the top of tower 1 will produce additional electricity by converting the energy of air currents both inside and outside tower 1.

Astfel, soluţia tehnică complexă propusă asigură majorarea eficienţei de conversie a energiei curenţilor de aer din interiorul turnului 1, care trec prin trei trepte de conversie amplasate la diferite înălţimi, şi anume a rotoarelor eoliene 2, 5 şi de tip Savonius 13, amplasaţi, respectiv, la înălţimile H1, H2, H3, ceea ce contribuie la majorarea productivităţii instalaţiei. Thus, the proposed complex technical solution ensures an increase in the energy conversion efficiency of the air currents inside tower 1, which pass through three conversion stages located at different heights, namely wind rotors 2, 5 and Savonius type 13, located, respectively, at heights H1, H2, H3, which contributes to increasing the productivity of the installation.

1. RU 2060353 C1 1996.05.20 1. RU 2060353 C1 1996.05.20

2. RU 2038511 C1 1995.06.27 2. RU 2038511 C1 1995.06.27

Claims

Wind energy conversion installation, which includes a tower, in which wind rotors are installed at different heights, characterized in that in the tower at a height H1=f(Vnom) a wind rotor is vertically installed, the aerodynamic blades of which are installed in the rotor hub at an angle of attack -α=2…10° to the horizontal plane; at a height H2=f(Vnom) of the tower a second wind rotor is installed coaxially with the first, the aerodynamic blades of which are installed in the rotor hub at an angle of attack +α=2…10° to the horizontal plane; an electric generator with permanent magnets, which includes a stator rigidly connected to the tower and a rotor made of two separate cylindrical parts, one of which is connected to the shaft of the first wind rotor, and the second - to the shaft of the second wind rotor; on the upper end of the tower at height H3=f(Vnom) a Savonius-type rotor with helical blades, the diameter of which is equal to the diameter of the tower mouth, and a Darrieus-type rotor with helical blades, which are respectively connected to the first and second cylindrical parts of the rotor of the second permanent magnet electric generator, are installed.