MD1553Z

MD1553Z - Horizontal axis wind turbine with automatic power control

Info

Publication number: MD1553Z
Application number: MDS20200067A
Authority: MD
Inventors: Виорел БОСТАН; Валериу ДУЛГЕРУ; Александру ТОАКЭ
Original assignee: Технический университет Молдовы
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2022-02-28
Also published as: MD1553Y

Abstract

The invention relates to wind-power engineering, namely to horizontal axis wind turbines, and can be used for converting wind energy into electric energy, with automatic power control.The wind turbine, according to the invention, comprises a tower (1), on which is installed a nacelle (2), in which is mounted a rotor (3) with three blades (4) with aerodynamic profile and an electric generator (5). On the aerodynamic surface of the blade (4), in the zone with the maximum aerodynamic effect (I), is hinged at least one adjustable peripheral flap, one end of which is connected by a hinged to the surface of the blade (4). The flap is connected by a hinge to one end of the lever, the opposite end of which is rigidly attached to one end of the other lever and connected by a hinge to the support structure of the blade (4), and on the free end of the lever is fixed an inertial element. The lever is connected by an elastic element to the support structure of the blade (4).

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene cu ax orizontal, şi poate fi utilizată pentru transformarea energiei eoliene în energia electrică, cu control automat al puterii. The invention relates to wind energy, namely to horizontal axis wind turbines, and can be used to transform wind energy into electrical energy, with automatic power control.

Este cunoscută pala turbinei eoliene cu ax orizontal cu control automat al puterii, pe suprafaţa căreia sunt prevăzute clapete reglabile, poziţia cărora este reglată printr-un mecanism de acţionare, care include un motor electric, un arbore, amplasat în interiorul palei de-a lungul ei şi unit printr-o rolă sau rigid cu elemente de pivotare a clapetelor [1]. The horizontal axis wind turbine blade with automatic power control is known, on the surface of which adjustable flaps are provided, the position of which is regulated by an actuating mechanism, which includes an electric motor, a shaft, located inside the blade along it and joined by a roller or rigidly with flap pivoting elements [1].

Dezavantajul acestei soluţii constă în construcţia complicată, cauzată de mecanismul de acţionare a clapetelor şi de controlul momentului, în care mecanismul de acţionare a clapetelor trebuie să fie pus în acţiune. The disadvantage of this solution lies in the complicated construction caused by the flap actuator mechanism and the control of the moment at which the flap actuator mechanism must be put into action.

Cea mai apropiată soluţie este turbina eoliană, cu ax orizontal, care conţine un turn, o nacelă, un rotor cu trei pale cu profil aerodinamic, pe suprafeţele cărora sunt prevăzute clapete reglabile cu mecanisme de acţionare, cu ajutorul cărora pot fi modificate proprietăţile aerodinamice ale palei [2]. The closest solution is the horizontal axis wind turbine, which contains a tower, a nacelle, a three-blade rotor with an aerodynamic profile, on the surfaces of which are provided adjustable flaps with actuating mechanisms, with the help of which the aerodynamic properties of the blade can be modified [2].

Dezavantajul acestei soluţii constă în construcţia complicată, cauzată de mecanismele de acţionare a clapetelor flexibile. The disadvantage of this solution lies in the complicated construction, caused by the flexible flap actuation mechanisms.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în simplificarea construcţiei şi majorarea fiabilităţii turbinei eoliene. The problem that the invention solves consists in simplifying the construction and increasing the reliability of the wind turbine.

Turbina eoliană cu ax orizontal cu control automat al puterii, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un turn, pe care este instalată o nacelă, în care este montat un rotor cu trei pale cu profil aerodinamic şi un generator electric. Pe suprafaţa aerodinamică a palei, în zona cu efect aerodinamic maxim, este fixată articulat cel puţin o clapetă periferică reglabilă, un capăt al căreia este unit printr-o articulaţie cu suprafaţa palei, totodată clapeta, cu partea din mijloc a ei, din interior, este unită printr-o articulaţie cu un capăt al unei pârghii, capătul opus al căreia este fixat rigid cu un capăt al altei pârghii şi unit printr-o articulaţie cu structura de rezistenţă a palei, iar pe capătul liber al pârghiei este fixat un element inerţial. Pârghia, cu partea laterală a ei, din mijloc, este unită printr-un element elastic cu structura de rezistenţă a palei. The horizontal axis wind turbine with automatic power control, according to the invention, eliminates the above-mentioned disadvantages by containing a tower, on which a nacelle is installed, in which a three-bladed rotor with an aerodynamic profile and an electric generator are mounted. On the aerodynamic surface of the blade, in the area with maximum aerodynamic effect, at least one adjustable peripheral flap is hingedly fixed, one end of which is connected by a hinge to the blade surface, at the same time the flap, with its middle part, from the inside, is connected by a hinge to one end of a lever, the opposite end of which is rigidly fixed with one end of another lever and connected by a hinge to the blade resistance structure, and an inertial element is fixed to the free end of the lever. The lever, with its side part, in the middle, is connected by an elastic element to the blade resistance structure.

Capătul clapetei poate fi fixat articulat pe suprafaţa aerodinamică a palei din partea bordului de atac sau din partea bordului de fugă ale acesteia. The end of the flap can be hingedly fixed to the aerodynamic surface of the blade on the leading edge or trailing edge side thereof.

Particularităţile invenţiei permit înlocuirea mecanismelor de acţionare cu elementele inerţiale simple, care conduc la simplificarea construcţiei. Totodată, elementele inerţiale se activează automat în momentul în care viteza vântului şi, respectiv, turaţia rotorului, depăşeşte valoarea limită, fapt ce majorează fiabilitatea palelor prin evitarea suprasolicitării lor la viteze mari ale vântului. The particularities of the invention allow the replacement of the drive mechanisms with simple inertial elements, which lead to the simplification of the construction. At the same time, the inertial elements are automatically activated when the wind speed and, respectively, the rotor speed, exceed the limit value, which increases the reliability of the blades by avoiding their overloading at high wind speeds.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în fiabilitatea ridicată şi construcţia simplă a turbinei eoliene cu ax orizontal cu control automat al puterii. The technical result of the invention consists in the high reliability and simple construction of the horizontal axis wind turbine with automatic power control.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-7, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1-7, which represent:

- fig. 1, vederea generală a turbinei eoliene cu ax orizontal; - Fig. 1, general view of the horizontal axis wind turbine;

- fig. 2, pala cu clapetă periferică reglabilă în regim închis, capătul căreia este fixat din partea bordului de atac al palei, vederea I din fig. 1, în secţiune; - Fig. 2, blade with peripheral flap adjustable in closed mode, the end of which is fixed on the leading edge of the blade, view I of Fig. 1, in section;

- fig. 3 pala cu clapetă periferică reglabilă în regim deschis, capătul căreia este fixat din partea bordului de atac al palei, vederea I din fig. 1, în secţiune; - Fig. 3 blade with peripheral flap adjustable in open mode, the end of which is fixed on the leading edge of the blade, view I in Fig. 1, in section;

- fig. 4, vederea A din fig. 3; - Fig. 4, view A of Fig. 3;

- fig. 5, pala cu clapetă periferică reglabilă în regim închis, capătul căreia este fixat din partea bordului de fugă al palei, vederea I din fig. 1, în secţiune; - Fig. 5, blade with peripheral flap adjustable in closed mode, the end of which is fixed on the trailing edge of the blade, view I of Fig. 1, in section;

- fig. 6, pala cu clapetă periferică reglabilă în regim deschis, capătul căreia este fixat din partea bordului de fugă al palei, vederea I din fig. 1, în secţiune; - Fig. 6, blade with peripheral flap adjustable in open mode, the end of which is fixed on the trailing edge of the blade, view I of Fig. 1, in section;

- fig. 7, vederea B din fig. 6. - fig. 7, view B of fig. 6.

Turbina eoliană cu ax orizontal cu control automat al puterii (fig. 1-7) conţine turnul 1, pe care este instalată nacela 2 cu posibilitatea rotirii în jurul axei turnului 1. În nacela 2 este montat, cu posibilitatea rotirii în jurul axei sale, rotorul 3 cu trei pale 4 cu profil aerodinamic şi generatorul electric 5. Pe suprafaţa aerodinamică a palei 4, în zona cu efect aerodinamic maxim, este fixată articulat cel puţin o clapetă periferică 6 reglabilă, un capăt al căreia este unit prin articulaţia 7 cu suprafaţa palei 4, din partea bordului de atac (fig. 2, 3, 4), sau din partea bordului de fugă (fig. 5, 6, 7), iar al doilea capăt este liber. Clapeta periferică 6, cu partea din mijloc a ei, din interior, este unită prin articulaţia 8 cu un capăt al pârghiei 9, capatul opus al căreia este fixat rigid cu un capăt al pârghiei 10 şi unit prin articulaţia 11 cu structura de rezistenţă a palei 4. Pe capătul liber al pârghiei 10 este fixat elementul inerţial 12. Pârghia 10, cu partea laterală a ei, din mijloc, este unită prin elementul elastic 13 cu structura de rezistenţă a palei 4. The horizontal axis wind turbine with automatic power control (fig. 1-7) contains the tower 1, on which the nacelle 2 is installed with the possibility of rotation around the axis of the tower 1. In the nacelle 2, the rotor 3 with three blades 4 with an aerodynamic profile and the electric generator 5 are mounted, with the possibility of rotation around its axis. On the aerodynamic surface of the blade 4, in the area with maximum aerodynamic effect, at least one adjustable peripheral flap 6 is hingedly fixed, one end of which is connected by the joint 7 to the surface of the blade 4, from the leading edge side (fig. 2, 3, 4), or from the trailing edge side (fig. 5, 6, 7), and the second end is free. The peripheral flap 6, with its middle part, from the inside, is connected through the joint 8 to one end of the lever 9, the opposite end of which is rigidly fixed to one end of the lever 10 and connected through the joint 11 to the resistance structure of the blade 4. On the free end of the lever 10, the inertial element 12 is fixed. The lever 10, with its lateral part, from the middle, is connected through the elastic element 13 to the resistance structure of the blade 4.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor. The wind turbine operates in the following way.

La viteze ale vântului până la cea nominală (de exemplu sub 11-12 m/s) palele 4 au clapetele periferice 6 în stare închisă, fapt ce asigură palei 4 un profil aerodinamic optim în zona respectivă şi efect aerodinamic maxim. În cazul, în care viteza vântului depăşeşte valoarea nominală (de exemplu 15-25 m/s), turaţia rotorului 3 se măreşte, forţele de inerţie ale elementelor inerţiale 12 se măresc, şi prin intermediul pârghiilor 9 şi 10 înving forţa de elasticitate a elementelor elastice 13, deschizând clapetele periferice 6, care modifică profilul aerodinamic al palei 4, diminuând eficienţa de conversie, ceea ce conduce la reducerea turaţiei rotorului 3, astfel protejând palele 4 de suprasarcini mecanice şi de distrugere. De asemenea, apare o anumită componentă a forţei de rezistenţă la interacţiunea clapetelor periferice 6, aflate în stare deschisă, cu curenţii de aer, care conduce la reducerea turaţiilor rotorului 3. În momentul, în care turaţia rotorului 3 revine la limitele valorilor nominale, elementele inerţiale 12 revin la poziţia iniţială, închizând clapetele periferice 6. At wind speeds up to the nominal one (for example below 11-12 m/s) the blades 4 have the peripheral flaps 6 in the closed state, which ensures the blades 4 an optimal aerodynamic profile in the respective area and maximum aerodynamic effect. In the case where the wind speed exceeds the nominal value (for example 15-25 m/s), the rotor speed 3 increases, the inertia forces of the inertial elements 12 increase, and by means of levers 9 and 10 they overcome the elastic force of the elastic elements 13, opening the peripheral flaps 6, which modify the aerodynamic profile of the blade 4, decreasing the conversion efficiency, which leads to a reduction in the rotor speed 3, thus protecting the blades 4 from mechanical overloads and destruction. Also, a certain component of the resistance force appears when the peripheral flaps 6, in the open state, interact with the air currents, which leads to a reduction in the rotor speed 3. At the moment when the rotor speed 3 returns to the nominal value limits, the inertial elements 12 return to their initial position, closing the peripheral flaps 6.

Invenţia propusă asigură procesele de frânare mecanic şi aerodinamic ale rotorului turbinei eoliene cu ax orizontal, fiind relativ simplă în vederea controlului puterii turbinei eoliene în cazul depăşirii vitezei nominale a vântului. The proposed invention ensures the mechanical and aerodynamic braking processes of the horizontal axis wind turbine rotor, being relatively simple in order to control the wind turbine power in case the nominal wind speed is exceeded.

1. US 2012269632 A1 2012.10.25 1. US 2012269632 A1 2012.10.25

2. US 7293959 B2 2007.11.13 2. US 7293959 B2 2007.11.13

Claims

1. Horizontal axis wind turbine with automatic power control, comprising a tower (1), on which a nacelle (2) is installed, in which a rotor (3) with three blades (4) with an aerodynamic profile and an electric generator (5) is mounted; on the aerodynamic surface of the blade (4), in the area with maximum aerodynamic effect (I), at least one adjustable peripheral flap (6) is hingedly fixed, one end of which is connected by a hinge (7) to the blade surface (4), at the same time the flap (6), with its middle part, from the inside, is connected by a hinge (8) to one end of a lever (9), the opposite end of which is rigidly fixed to one end of another lever (10) and connected by a hinge (11) to the resistance structure of the blade (4), and an inertial element (12) is fixed to the free end of the lever (10); the lever (10), with its lateral part, in the middle, is connected by an elastic element (13) to the resistance structure of the blade (4).

2. Wind turbine according to claim 1, wherein the end of the flap (6) is hingedly fixed to the aerodynamic surface of the blade (4) on the leading edge side or the trailing edge side thereof.