MD1616Z - Turbine eoliene cu ax vertical cu control al puterii - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la dispozitive de conversie a energiei eoliene în energie electrică, în special la turbinele eoliene cu ax vertical cu control al puterii. Turbina eoliană, conform invenţiei, conţine un turn-suport (1), pe o platformă (2) a căruia este instalat printr-un lagăr (3) un arbore rotitor vertical (4), un capăt al căruia este unit cu un generator cu magneţi permanenţi (5), iar celălalt capăt, prin intermediul unor bare (7) şi unor bare tubulare (10), este unit cu pale înclinate (8), conform primei realizări, sau cu pale verticale, conform celei de-a doua realizare. Partea de jos a palelor înclinate (8) sau palelor verticale este unită rigid prin intermediul barelor (7) cu o bucşă inferioară (6), fixată rigid pe arbore (4), iar partea de sus a palelor înclinate (8) sau palelor verticale este unită rigid prin intermediul barelor tubulare (10) cu o bucşă superioară (9), instalată pe arbore (4). În interiorul barelor tubulare (10) sunt amplasate elemente inerţiale (11), unite prin intermediul unor elemente elastice (12) cu bucşa superioară (9).

Description

Invenţia se referă la dispozitive de conversie a energiei eoliene în energie electrică, în special la turbinele eoliene cu ax vertical cu control al puterii.

Este cunoscută o turbină eoliană cu ax vertical, care include un turn, un ax principal tubular, un mecanism de frânare a turaţiei rotorului turbinei eoliene, bazat pe utilizarea unor bile centrifugale, discuri de frânare şi elemente elastice. La depăşirea turaţiei rotorului eolian a unei valori limite, bilele centrifugale se deplasează sub acţiunea forţelor centrifugale în direcţie radială spre exterior, acţionând asupra discului de frânare, deplasându-l până la contact cu cel de-al doilea disc de frânare [1].

Se cunoaşte, de asemenea, o turbină eoliană cu ax vertical, care conţine un turn vertical, pe care este instalat un arbore rotitor vertical, un capăt al căruia este unit cu un generator cu magneţi permanenţi, iar al doilea capăt, prin intermediul unor bare rotitoare, este unit cu pale cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac [2].

Aceste soluţii tehnice prezintă o serie de dezavantaje, cum ar fi complexitatea construcţiei, siguranţa redusă de protecţie a generatorului electric împotriva suprasarcinilor la viteze mari ale vântului.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea protecţiei generatorului electric de suprasarcini prin controlul automat al puterii şi majorarea fiabilităţii elementelor mecanice dinamice ale turbinei.

Turbina eoliană cu ax vertical cu control al puterii, conform primei realizări, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un turn-suport, pe o platformă a căruia este instalat printr-un lagăr un arbore rotitor vertical, un capăt al căruia este unit cu un generator cu magneţi permanenţi, iar celălalt capăt, prin intermediul unor bare şi unor bare tubulare, este unit cu pale înclinate cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac. Partea de jos a palelor este unită rigid prin intermediul barelor cu o bucşă inferioară, fixată rigid pe arbore, iar partea de sus a palelor este unită rigid prin intermediul barelor tubulare cu o bucşă superioară, instalată pe arbore. În interiorul barelor tubulare sunt amplasate elemente inerţiale, unite prin intermediul unor elemente elastice cu bucşa superioară, pe flanşa de sus, din partea de sus, a căreia este fixat un disc de fricţiune, iar pe partea de jos a unei flanşe a turnului-suport este fixat un alt disc de fricţiune, concentric cu discul de fricţiune al bucşei superioare.

Turbina eoliană cu ax vertical cu control al puterii, conform celei de-a doua realizare, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un turn-suport, pe o platformă a căruia este instalat printr-un lagăr un arbore rotitor vertical, un capăt al căruia este unit cu un generator cu magneţi permanenţi, iar celălalt capăt, prin intermediul unor bare şi unor bare tubulare, este unit cu pale verticale cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac. Partea de jos a palelor este unită rigid prin intermediul barelor cu o bucşă inferioară, fixată rigid pe arbore, iar partea de sus a palelor este unită rigid prin intermediul barelor tubulare cu o bucşă superioară, instalată pe arbore. În interiorul barelor tubulare sunt amplasate elemente inerţiale, unite prin intermediul unor elemente elastice cu bucşa superioară, pe flanşa de sus, din partea de jos, a căreia este fixat un disc de fricţiune, iar pe partea de sus a unei flanşe a turnului-suport este fixat un alt disc de fricţiune, concentric cu discul de fricţiune al bucşei superioare.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în protecţia generatorului electric de suprasarcini prin controlul automat al puterii şi fiabilitatea ridicată a elementelor mecanice dinamice ale turbinei.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 6, care reprezintă:

- fig. 1, vederea generală a turbinei eoliene cu ax vertical cu control al puterii, conform primei realizări (faza iniţială);

- fig. 2, vederea generală a turbinei eoliene, conform primei realizări (faza finală);

- fig. 3, secţiunea A-A din fig. 2;

- fig. 4, secţiunea B-B din fig. 3;

- fig. 5, vederea generală a turbinei eoliene, conform celei de-a doua realizare (faza iniţială);

- fig. 6, vederea generală a turbinei eoliene, conform celei de-a doua realizare (faza finală).

Turbina eoliană cu ax vertical cu control al puterii (fig. 1-4), conform primei realizări, conţine turnul-suport 1, pe platforma 2 a căruia este instalat prin lagărul 3 arborele rotitor vertical 4, un capăt al căruia este unit cu generatorul cu magneţi permanenţi 5, iar celălalt capăt, prin intermediul barelor 7 şi barelor tubulare 10, este unit cu palele înclinate 8 cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac. Partea de jos a palelor 8 este unită rigid prin intermediul barelor 7 cu bucşa inferioară 6, fixată rigid pe arborele 4, iar partea de sus a palelor 8 este unită rigid prin intermediul barelor tubulare 10 cu bucşa superioară 9, instalată pe arborele 4. În interiorul barelor tubulare 10 sunt amplasate elementele inerţiale 11, unite prin intermediul elementelor elastice 12 cu bucşa superioară 9, pe flanşa de sus, din partea de sus, a căreia este fixat discul de fricţiune 13, iar pe partea de jos a flanşei 14 a turnului-suport 1 este fixat discul de fricţiune 15, concentric cu discul de fricţiune 13 al bucşei superioare 9.

Turbina eoliană cu ax vertical cu control al puterii (fig. 5, 6), conform celei de-a doua realizare, conţine turnul-suport 1, pe platforma 2 a căruia este instalat prin lagărul 3 arborele rotitor vertical 4, un capăt al căruia este unit cu generatorul cu magneţi permanenţi 5, iar celălalt capăt, prin intermediul barelor 7 şi barelor tubulare 10, este unit cu palele verticale 16 cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac. Partea de jos a palelor 16 este unită rigid prin intermediul barelor 7 cu bucşa inferioară 6, fixată rigid pe arborele 4, iar partea de sus a palelor 16 este unită rigid prin intermediul barelor tubulare 10 cu bucşa superioară 9, instalată pe arborele 4. În interiorul barelor tubulare 10 sunt amplasate elementele inerţiale 11, unite prin intermediul elementelor elastice 12 cu bucşa superioară 9, pe flanşa de sus, din partea de jos, a căreia este fixat discul de fricţiune 17, iar pe partea de sus a flanşei 14 a turnului-suport 1 este fixat discul de fricţiune 18, concentric cu discul de fricţiune 17 al bucşei superioare 9.

Turbina eoliană cu ax vertical cu control al puterii, conform primei realizări, funcţionează în modul următor.

La viteza nominală a vântului (până la v=10 m/s), la interacţiunea palelor înclinate 8 cu profil aerodinamic determinat (conform rezultatelor cercetărilor, la un anumit unghi elicoidal de instalare a palelor 8 cu profil aerodinamic determinat, eficienţa de conversie a energiei eoliene în energie electrică este maximă) apar forţe de ridicare, sub acţiunea sumară a cărora (de la toate palele 8) arborele rotitor 4 va fi antrenat în mişcare de rotaţie, care se va transmite generatorului 5, care va produce energie electrică. La depăşirea vitezei vântului (v=10…20 m/s) turaţia arborelui 4 va creşte, atingând n=200-400 min-1. În rezultat, elementele inerţiale 11 vor învinge forţa de elasticitate a elementelor elastice 12, şi sub acţiunea forţelor centrifuge, se vor deplasa în interiorul barelor tubulare 10 spre exteriorul arborelui 4. În acest caz, momentul de inerţie a arborelui 4 se măreşte, transformându-se într-un volant relativ, care va conduce la un anumit grad de uniformizare a rotirii arborelui 4. Totodată, acest moment de inerţie, graţie unui anumit grad de flexibilitate a palelor 8, va conduce la rotirea relativă a bucşei superioare 9 în raport cu arborele 4, ce va conduce la îndreptarea palelor 8 şi, drept rezultat, modificarea unghiului de atac al palelor 8 cu profilul aerodinamic şi deplasarea flanşei de sus a bucşei superioare 9 în sus, apropiindu-se de discul de fricţiune 15 fixat pe flanşa 14 a turnului-suport 1. Datorită varierii unghiului de atac al palelor 8 cu profil aerodinamic, eficienţa de conversie se va reduce, reducându-se şi cantitatea de energie electrică produsă de generatorul 5, astfel, ultimul fiind protejat de suprasarcini.

La creşterea în continuare a vitezei vântului (v=20…40 m/s) elementele inerţiale 11 vor ocupa poziţia extremă în exterior, momentul de inerţie al arborelui 4 va fi maxim şi, deci, momentul dinamic de volant, tot va atinge cota maximă, fapt ce va conduce la rotirea relativă în continuare a bucşei superioare 9 faţă de arborele 4, deformarea palelor 8 în limitele gradului de flexibilitate, îndreptarea palelor 8 înclinate şi, drept rezultat, deplasarea bucşei superioare 9 în sus, până la contactul discului de fricţiune 13 cu discul de fricţiune 15, astfel realizându-se frânarea arborelui 4 şi reducerea turaţiei. Aceasta conduce la protecţia elementelor mecanice dinamice ale turbinei eoliene de distrugere mecanică, un moment important în contextul că turbinele eoliene cu ax vertical sunt urbane sau suburbane. După ce viteza vântului scade, palele 8 revin la poziţia iniţială înclinată, realizând deconectarea discurilor de fricţiune 13 şi 15, şi revenirea la unghiul de atac optim al palelor 8 cu profilul aerodinamic. În cazul creşterii din nou a vitezei vântului, procesul se repetă.

Principiul de funcţionare a turbinei eoliene cu ax vertical cu control al puterii, conform celei de-a doua realizare, este similar cu cel din prima realizare. În acest caz, deoarece există profiluri aerodinamice destinate palelor arborelor rotitoare turbinelor cu ax vertical pentru pale verticale (drepte), palele verticale 16 asigură eficienţă optimă de conversie a energiei eoliene în energie electrică (mecanică) la viteza nominală a vântului. În cazul când viteza vântului creşte (v=10-20 m/s) palele 16, în limitele gradului de flexibilitate, pe care-l posedă, se vor înclina, bucşa superioară 9 se va roti în raport cu arborele 4, iar flanşa de sus a bucşei superioare 9 cu discul de fricţiune 17 se va deplasa în jos, reducând eficienţa de conversie. La creşterea în continuare a vitezei vântului (v=20…40 m/s), procesul cu elementele inerţiale 11 se repetă asemănător primei realizări, iar bucşa superioară 9 cu discul de fricţiune 17 se va deplasa în jos până la contactul discurilor de fricţiune 17 şi 18.

Soluţia tehnică propusă asigură controlul puterii şi protecţia elementelor mecanice dinamice de suprasarcini prin procesul de frânare aerodinamică şi mecanică prin soluţii constructive relativ simple.

1. CN 101363402 A 2009.02.11

2. KR 101555922 B1 2015.09.30

Claims (2)

1. Turbină eoliană cu ax vertical cu control al puterii, care conţine un turn-suport (1), pe o platformă (2) a căruia este instalat printr-un lagăr (3) un arbore rotitor vertical (4), un capăt al căruia este unit cu un generator cu magneţi permanenţi (5), iar celălalt capăt, prin intermediul unor bare (7) şi unor bare tubulare (10), este unit cu pale înclinate (8) cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac; partea de jos a palelor (8) este unită rigid prin intermediul barelor (7) cu o bucşă inferioară (6), fixată rigid pe arbore (4), iar partea de sus a palelor (8) este unită rigid prin intermediul barelor tubulare (10) cu o bucşă superioară (9), instalată pe arbore (4), totodată în interiorul barelor tubulare (10) sunt amplasate elemente inerţiale (11), unite prin intermediul unor elemente elastice (12) cu bucşa superioară (9), pe flanşa de sus, din partea de sus, a căreia este fixat un disc de fricţiune (13), iar pe partea de jos a unei flanşe (14) a turnului-suport (1) este fixat un alt disc de fricţiune (15), concentric cu discul de fricţiune (13) al bucşei superioare (9).

2. Turbină eoliană cu ax vertical cu control al puterii, care conţine un turn-suport (1), pe o platformă (2) a căruia este instalat printr-un lagăr (3) un arbore rotitor vertical (4), un capăt al căruia este unit cu un generator cu magneţi permanenţi (5), iar celălalt capăt, prin intermediul unor bare (7) şi unor bare tubulare (10), este unit cu pale verticale (16) cu profil aerodinamic, executate cu posibilitatea varierii unghiului de atac; partea de jos a palelor (16) este unită rigid prin intermediul barelor (7) cu o bucşă inferioară (6), fixată rigid pe arbore (4), iar partea de sus a palelor (16) este unită rigid prin intermediul barelor tubulare (10) cu o bucşă superioară (9), instalată pe arbore (4), totodată în interiorul barelor tubulare (10) sunt amplasate elemente inerţiale (11), unite prin intermediul unor elemente elastice (12) cu bucşa superioară (9), pe flanşa de sus, din partea de jos, a căreia este fixat un disc de fricţiune (17), iar pe partea de sus a unei flanşe (14) a turnului-suport (1) este fixat un alt disc de fricţiune (18), concentric cu discul de fricţiune (17) al bucşei superioare (9).