MD660Z - Wind turbine - Google Patents

Wind turbine

Info

Publication number
MD660Z
MD660Z MDS20130047A MDS20130047A MD660Z MD 660 Z MD660 Z MD 660Z MD S20130047 A MDS20130047 A MD S20130047A MD S20130047 A MDS20130047 A MD S20130047A MD 660 Z MD660 Z MD 660Z
Authority
MD
Moldova
Prior art keywords
wind
rotor
blades
energy
tower
Prior art date
Application number
MDS20130047A
Other languages
Romanian (ro)
Russian (ru)
Inventor
Виорел БОСТАН
Ион СОБОР
Original Assignee
Технический университет Молдовы
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Технический университет Молдовы filed Critical Технический университет Молдовы
Priority to MDS20130047A priority Critical patent/MD660Z/en
Publication of MD660Y publication Critical patent/MD660Y/en
Publication of MD660Z publication Critical patent/MD660Z/en

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Wind Motors (AREA)

Abstract

The invention relates to wind-power engineering, namely to wind turbines designed for individual consumers.The wind turbine comprises a mast (8), on which is installed a rotor (1) with blades (2) with aerodynamic profile, placed in a gondola, mounted with the possibility of rotation around the mast (8) by means of tail-vane wheels (5), connected to a drive, formed of two worm gearings, an annular convergent diffuser (7), fixed to the blades (2) coaxially with the rotor (1), and a thermogenerator (9), mounted between the sections of the mast (8) and kinematically connected to the rotor (1) by means of a bevel gearing.

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali. The invention relates to wind energy, namely to wind turbines intended for individual consumers.

În domeniul sistemelor de conversie a energiei curenţilor atmosferici direct în energie termică s-au configurat trei direcţii de dezvoltare. In the field of energy conversion systems of atmospheric currents directly into thermal energy, three directions of development have been configured.

Prima direcţie se referă la soluţiile tehnice, prin care potenţialul energetic disponibil al curenţilor atmosferici se converteşte în energie electrică, iar aceasta ulterior se transformă în energie termică. Aceste sisteme de conversie a energiei eoliene în energie utilă se caracterizează prin pierderi suplimentare la transformarea energiei mecanice în energie electrică, apoi în energie termică şi, respectiv, prin costuri relativ sporite. The first direction refers to technical solutions, through which the available energy potential of the atmospheric currents is converted into electrical energy, and this is subsequently transformed into thermal energy. These systems for converting wind energy into useful energy are characterized by additional losses when transforming mechanical energy into electrical energy, then into thermal energy, and, respectively, by relatively increased costs.

A doua direcţie se referă la sistemele de conversie a energiei curenţilor atmosferici direct în energie termică, produsă în dispozitive speciale prin forţele de frecare internă a lichidului, spre exemplu prin injectarea lichidului sub presiune prin orificii de dimensiuni mici cu degajarea căldurii. The second direction refers to the systems for converting the energy of atmospheric currents directly into thermal energy, produced in special devices by the internal friction forces of the liquid, for example by injecting the liquid under pressure through small holes with the release of heat.

Dezavantajele acestor sisteme constau în fiabilitatea redusă şi costurile înalte ale dispozitivelor hidraulice de presiune înaltă. The disadvantages of these systems are the low reliability and high costs of high pressure hydraulic devices.

A treia direcţie se referă la dezvoltarea sistemelor tehnice de conversie a energiei eoliene direct în energie termică, produsă în generatoare termice cu curenţi turbionari, care transformă energia mecanică în energie termică. The third direction refers to the development of technical systems for converting wind energy directly into thermal energy, produced in thermal generators with eddy currents, which transform mechanical energy into thermal energy.

Această direcţie de dezvoltare se caracterizează prin lărgirea posibilităţilor de sporire a eficienţei conversiei potenţialului energetic eolian disponibil în energie utilă pentru un diapazon extins al vitezelor curenţilor de aer. Se consideră ideal, ca sistemul de conversie a energiei eoliene să funcţioneze eficient în întreaga gamă de variaţie a vitezei curenţilor de aer în localitatea de instalare a turbinei eoliene, spre exemplu, de la 3 până la 20…25 m/s. Totodată, în turbinele eoliene cu puterea de până la 30 kW, puterea nominală corespunde vitezei vântului de 10…12 m/s. This direction of development is characterized by widening the possibilities of increasing the efficiency of the conversion of the available wind energy potential into useful energy for an extended range of air current speeds. It is considered ideal that the wind energy conversion system works efficiently in the entire range of air current speed variation in the location of the wind turbine installation, for example, from 3 to 20...25 m/s. At the same time, in wind turbines with power up to 30 kW, the nominal power corresponds to the wind speed of 10...12 m/s.

În acest caz în turbinele eoliene cu trei pale, la viteza vântului de 20 m/s, factorul de suprasarcină a sistemului de conversie a energiei eoliene în energie electrică (cu generatoare electrice) ar trebui să crească de 5…6 ori. In this case, in wind turbines with three blades, at a wind speed of 20 m/s, the overload factor of the wind energy conversion system (with electric generators) should increase by 5...6 times.

În realitate, generatoarele electrice uzuale au un factor de suprasarcină de 1,2 …1,3. In reality, conventional electric generators have an overload factor of 1.2...1.3.

Rezultă că pentru viteze ale vântului mai mari decât cea nominală de 10…12 m/s trebuie să limităm puterea mecanică convertită în energie electrică, fapt ce conduce la scăderea bruscă a eficienţei conversiei energiei mecanice în energie electrică. It follows that for wind speeds higher than the nominal one of 10...12 m/s, we have to limit the mechanical power converted into electrical energy, a fact that leads to a sudden decrease in the efficiency of converting mechanical energy into electrical energy.

Pentru conversia energiei cinetice a curenţilor atmosferici direct în energie termică cu turbine eoliene relativ mici (până la 20…30 kW) sunt cunoscute soluţii tehnice bazate pe diferite dispozitive de transformare a energiei mecanice în energie termică. For the conversion of the kinetic energy of the atmospheric currents directly into thermal energy with relatively small wind turbines (up to 20...30 kW), technical solutions based on various devices for transforming mechanical energy into thermal energy are known.

Este cunoscut un sistem de încălzire cu acţionare eoliană, care include un turn, pe care este instalat un rotor cu pale, amplasat pe un butuc cu posibilitatea orientării lui la direcţia vântului cu ajutorul unei giruete, o pompă hidraulică volumetrică cu roţi dinţate, arborele conducător al căreia este legat coaxial cu arborele rotorului cu pale, un sistem hidraulic conectat la pompa hidraulică volumetrică cu roţi dinţate şi la un rezervor cu ulei prin conductele de aspiraţie şi refulare, dotat cu un dempfer cu orificiu cu diametrul mic. Rotorul cu pale, sub acţiunea curenţilor de aer, acţionează în mişcare de rotaţie arborele pompei cu roţi dinţate angrenate între ele, astfel încât uleiul din spaţiul interdental generează presiune în conducta de refulare. La curgerea uleiului prin dempferul cu orificiu cu diferenţă de presiune se degajă căldură cu evacuarea acesteia în rezervorul cu ulei, iar din rezervor - în sistemul de încălzire rezidenţial [1]. A wind-driven heating system is known, which includes a tower, on which a bladed rotor is installed, located on a hub with the possibility of orienting it to the direction of the wind with the help of a vane, a volumetric hydraulic pump with gear wheels, the driving shaft of which is connected coaxially with the blade rotor shaft, a hydraulic system connected to the volumetric hydraulic gear pump and to an oil reservoir through the suction and discharge pipes, equipped with a damper with a small diameter orifice. The rotor with blades, under the action of the air currents, rotates the pump shaft with gears meshed together, so that the oil in the interdental space generates pressure in the discharge pipe. When the oil flows through the orifice damper with a pressure difference, heat is released with its discharge into the oil tank, and from the tank - into the residential heating system [1].

Dezavantajul acestui sistem constă în fiabilitatea redusă a componentelor exploatate sub presiune înaltă. Totodată, sistemul hidraulic cu lungime considerabilă (egală cu înălţimea turnului), conectat la un capăt cu pompa cu roţi dinţate, iar la alt capăt cu rezervorul de ulei, se roteşte în jurul axei turnului odată cu orientarea rotorului cu pale la direcţia schimbătoare a vântului, fapt care necesită soluţii constructive complexe şi costisitoare. The disadvantage of this system is the reduced reliability of the components operated under high pressure. At the same time, the hydraulic system of considerable length (equal to the height of the tower), connected at one end with the gear pump and at the other end with the oil tank, rotates around the axis of the tower with the orientation of the bladed rotor to the changing direction of the wind , a fact that requires complex and expensive constructive solutions.

În calitate de cea mai apropiată soluţie este prezentată o turbină eoliană, care conţine un turn, pe care este instalat un rotor cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă, instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului, precum şi un generator electric, arborele căruia este legat cu arborele rotorului cu pale. Turbina este dotată cu două roţi-vindroză cu pale cu profil aerodinamic, amplasate simetric de o parte şi de alta a gondolei, în interiorul gondolei este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului. Pentru sporirea eficienţei conversiei energiei fluxului de aer cuprins de toată suprafaţa baleiată de către palele rotorului, inclusiv de zona adiacentă butucului, în zona centrală a rotorului este amplasată coaxial o turbină multipală centrală cu un diametru d=(0,1…0,15) din diametrul D al rotorului, constituită dintr-un difuzor interior divergent, un difuzor exterior convergent şi o coroană cu pale, amplasată în zona amonte între acestea, care au profil aerodinamic şi sunt înclinate faţă de planul suprafeţei baleiate a rotorului sub un unghi în aceeaşi direcţie ca şi înclinarea palelor rotorului. Turbina multipală centrală poate fi dotată suplimentar cu al doilea rând de pale, amplasat în zona aval a rotorului [2]. As the closest solution, a wind turbine is presented, which contains a tower, on which is installed a rotor with blades, located on a hub in a nacelle, installed with the possibility of rotation around the tower, as well as an electric generator, the shaft of which is connected with the blade rotor shaft. The turbine is equipped with two wind-wheels with blades with an aerodynamic profile, placed symmetrically on one side and the other of the nacelle, a hydraulic system is installed inside the nacelle, through which the nacelle has the possibility of tilting with respect to the axis of the tower. To increase the efficiency of the energy conversion of the air flow covered by the entire surface swept by the rotor blades, including the area adjacent to the hub, a central multi-blade turbine with a diameter d=(0.1...0.15) is coaxially located in the central area of the rotor from the diameter D of the rotor, consisting of a divergent inner diffuser, a convergent outer diffuser and a crown with blades, located in the upstream area between them, which have an aerodynamic profile and are inclined to the plane of the swept surface of the rotor at an angle in the same direction as well as the inclination of the rotor blades. The central multiblade turbine can be additionally equipped with a second row of blades, located downstream of the rotor [2].

Dezavantajele acestei turbine, în cazul utilizării energiei eoliene în vederea producerii energiei termice pentru încălzirea spaţiilor rezidenţiale şi alte necesităţi, constau în următoarele. The disadvantages of this turbine, in the case of using wind energy to produce thermal energy for heating residential spaces and other needs, consist of the following.

În primul rând, este relevantă problema legată de acumularea energiei utile produse şi folosirii ei în perioadele când viteza curenţilor de aer V < 3 m/s, care în cazul energiei termice tehnic se rezolvă mai simplu şi cu costuri mai reduse. Spre exemplu, raportul dintre costul unui acumulator electric (în cazul turbinelor eoliene cu generatoare electrice) şi al unui acumulator termic de aceeaşi capacitate (în cazul turbinelor eoliene cu conversia energiei eoliene direct în energie termică) este de 10 ori mai mare, iar durata de exploatare a acumulatorului termic este mai mare decât a celui electric. First of all, the problem related to the accumulation of useful energy produced and its use in periods when the speed of air currents V < 3 m/s is relevant, which in the case of thermal energy is technically solved more simply and with lower costs. For example, the ratio between the cost of an electric accumulator (in the case of wind turbines with electric generators) and a thermal accumulator of the same capacity (in the case of wind turbines with the conversion of wind energy directly into thermal energy) is 10 times higher, and the duration of operation of the thermal accumulator is higher than the electric one.

În al doilea rând, producerea energiei termice din energie electrică cu utilizarea acumulatoarelor electrice sau din energia electrică produsă direct de generatorul electric al turbinei eoliene se caracterizează prin costuri mai mari şi eficienţă mai redusă, determinată de transformarea dublă a energiei mecanice în energie termică. Secondly, the production of thermal energy from electricity with the use of electric accumulators or from the electricity produced directly by the electric generator of the wind turbine is characterized by higher costs and lower efficiency, determined by the double transformation of mechanical energy into thermal energy.

În al treilea rând, în turbinele eoliene cu generatoare electrice rotorul cu pale este proiectat astfel încât pentru diapazonul vitezelor curenţilor de aer cuprins între 3 m/s şi 10…12 m/s potenţialul energetic eolian disponibil se converteşte în energie utilă cu o eficienţă maximal posibilă, iar la vitezele curenţilor de aer mai mari de 10…12 m/s rotorul converteşte energia eoliană cu o eficienţă mult mai mică, deoarece trebuie limitată puterea mecanică prin rotirea rotorului sub un anumit unghi de la direcţia vântului sau prin schimbarea unghiului de atac al palelor aerodinamice, frânare etc. Astfel, la viteze de până la 12 m/s, eficienţa conversiei este determinată de profilul aerodinamic al palelor cu coeficientul de performanţă Cp. Proiectarea rotoarelor aerodinamice se efectuează ţinând cont de coeficientul Cp şi de factorul de suprasarcină a generatorului electric, care nu trebuie să depăşească 1,2…1,3 din sarcina nominală convertită la vitezele curenţilor de aer de 10…12 m/s. În acest caz, forma profilului aerodinamic al palelor trebuie să asigure autofrânare la viteze mari (V > 11…12 m/s), sau trebuie micşorată proiecţia suprafeţei baleiate de palele rotorului pe planul perpendicular pe direcţia curentului de aer, de exemplu prin înclinarea rotorului sub un anumit unghi faţă de axa turnului. Thirdly, in wind turbines with electric generators, the bladed rotor is designed so that for the range of air current speeds between 3 m/s and 10...12 m/s, the available wind energy potential is converted into useful energy with maximum efficiency possible, and at air current speeds higher than 10...12 m/s the rotor converts the wind energy with a much lower efficiency, because the mechanical power must be limited by rotating the rotor at a certain angle from the wind direction or by changing the angle of attack of aerodynamic blades, braking, etc. Thus, at speeds up to 12 m/s, the conversion efficiency is determined by the aerodynamic profile of the blades with the performance coefficient Cp. The design of the aerodynamic rotors is carried out taking into account the Cp coefficient and the overload factor of the electric generator, which must not exceed 1.2...1.3 of the nominal load converted to air current speeds of 10...12 m/s. In this case, the shape of the aerodynamic profile of the blades must ensure self-braking at high speeds (V > 11...12 m/s), or the projection of the surface swept by the rotor blades on the plane perpendicular to the direction of the air current must be reduced, for example by tilting the rotor at a certain angle to the axis of the tower.

Din aceste considerente rezultă că în turbinele eoliene cu generatoare electrice, pentru viteze ale curenţilor de aer mai mari decât cea nominală, trebuie limitată puterea eoliană disponibilă convertită în energie utilă, în consecinţă se diminuează brusc eficienţa conversiei potenţialului energetic eolian în energie electrică. Totodată, se reduce eficienţa transformării energiei electrice în energie termică. From these considerations, it follows that in wind turbines with electric generators, for speeds of air currents higher than the nominal one, the available wind power converted into useful energy must be limited, consequently the efficiency of the conversion of the wind energy potential into electricity decreases suddenly. At the same time, the efficiency of the transformation of electrical energy into thermal energy is reduced.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea eficienţei de conversie a potenţialului eolian disponibil (la viteze mai mari decât viteza nominală de 10…12 m/s) în energie termică şi diminuarea costului energiei. The problem that the invention solves consists in increasing the conversion efficiency of the available wind potential (at speeds higher than the nominal speed of 10...12 m/s) into thermal energy and reducing the cost of energy.

Problema se rezolvă prin aceea că turbina eoliană conţine un turn, pe care este instalat un rotor cu pale cu profil aerodinamic, amplasat într-o gondolă, montată cu posibilitatea rotirii ei în jurul turnului prin intermediul unor roţi-vindroză, cuplate la un mecanism de acţionare, format din două angrenaje cu melc, un difuzor inelar convergent, fixat de pale coaxial cu rotorul, şi un dispozitiv de transformare a energiei. În calitate de dispozitiv de transformare a energiei este utilizat un generator termic, montat între secţiile turnului şi legat cinematic cu rotorul printr-un angrenaj conic. Palele cu profil aerodinamic posedă un coeficient minim de performanţă aerodinamică mai mare de 0,1 la viteze ale fluxului de aer mai mari de 10…12 m/s. Forma profilului aerodinamic al palelor este executată astfel încât caracteristica lui de putere P(V) corelează cu caracteristica de putere a generatorului termic, iar unghiul de răsucire a profilului aerodinamic în secţiuni pe întreaga lungime a palelor constituie 1…3°. Diametrul gurii de aspiraţie a difuzorului d1=(0,1…0,12)D, unde D este diametrul exterior al rotorului, iar lăţimea axială a difuzorului l=a1+c+a2, unde: The problem is solved by the fact that the wind turbine contains a tower, on which a rotor with blades with an aerodynamic profile is installed, located in a gondola, mounted with the possibility of rotating it around the tower by means of wind-wheels, coupled to a mechanism of drive, consisting of two worm gears, a converging annular diffuser, fixed to the blades coaxial with the rotor, and an energy conversion device. A thermal generator is used as an energy transformation device, mounted between the sections of the tower and kinematically linked with the rotor through a bevel gear. Blades with an aerodynamic profile possess a minimum coefficient of aerodynamic performance greater than 0.1 at air flow speeds greater than 10...12 m/s. The shape of the aerodynamic profile of the blades is executed so that its power characteristic P(V) correlates with the power characteristic of the heat generator, and the twisting angle of the aerodynamic profile in sections along the entire length of the blades is 1...3°. The diameter of the suction mouth of the diffuser d1=(0.1...0.12)D, where D is the outside diameter of the rotor, and the axial width of the diffuser l=a1+c+a2, where:

a1=(0,05…0,1)d1; a1=(0.05...0.1)d1;

c este cota maximă a secţiunii palei în direcţia axei de rotaţie a rotorului, amplasată la o distanţă egală cu raza gurii de aspiraţie a difuzorului; c is the maximum height of the blade section in the direction of the axis of rotation of the rotor, located at a distance equal to the radius of the diffuser suction mouth;

a2 = (0,1…0,15)d1. a2 = (0.1...0.15)d1.

Turbina eoliană cu coeficient înalt de performanţă asigură următoarele avantaje. The wind turbine with a high coefficient of performance provides the following advantages.

Turbina eoliană asigură conversia eficientă a potenţialului eolian disponibil la viteze ale curenţilor de aer cuprinse între 10 şi 20 m/s, datorită formei profilului aerodinamic al palelor rotorului, caracterizat printr-un coeficient minim de performanţă mai mare de 0,1, şi corelării puterii mecanice dezvoltate cu coeficientul de suprasarcină a generatorului termic cu curenţi turbionari cuprins între 2 şi 3, fără a micşora suprafaţa baleiată de palele rotorului, de exemplu prin rotirea rotorului la un oarecare unghi de la 0 până la 45° în jurul axei turnului, sau prin varierea unghiului de atac al palelor, sau prin frânare aerodinamică prevăzută la proiectarea rotoarelor cu pale. The wind turbine ensures the efficient conversion of the available wind potential at air current speeds between 10 and 20 m/s, thanks to the shape of the aerodynamic profile of the rotor blades, characterized by a minimum coefficient of performance greater than 0.1, and the power correlation mechanical ones developed with the eddy current thermal generator overload coefficient between 2 and 3, without reducing the area swept by the rotor blades, for example by rotating the rotor at some angle from 0 to 45° around the tower axis, or by varying the angle of attack of the blades, or by aerodynamic braking provided in the design of rotors with blades.

Aceasta, precum şi specificul construcţiei palelor cu un unghi de răsucire a profilului aerodinamic în secţiuni pe întreaga lungime a palelor de 1…3°, permit sporirea eficienţei de conversie a potenţialului eolian disponibil în energie utilă, spre exemplu termică. Totodată, dotarea rotorului cu difuzorul inelar convergent cu diametrul gurii de aspiraţie d1 = (0,1…0,12)D şi lăţimea axială l=a1+c+a2 , amplasat coaxial cu rotorul, stopează curgerea curenţilor de aer în direcţia longitudinală a palelor, fapt ce esenţial diminuează separarea stratului limită la interacţiunea pală-fluid (la viteze mari V = 10…20 m/s) şi, respectiv, influenţa negativă a turbulenţei în zona adiacentă palelor. În consecinţă, sporeşte eficienţa conversiei energiei eoliene în energie utilă, sporeşte cantitatea de energie produsă anual şi scade costul acesteia. This, as well as the specifics of the construction of the blades with an angle of twisting of the aerodynamic profile in sections along the entire length of the blades of 1...3°, allow increasing the conversion efficiency of the available wind potential into useful energy, for example thermal. At the same time, equipping the rotor with the converging annular diffuser with the diameter of the suction mouth d1 = (0.1...0.12)D and the axial width l=a1+c+a2, located coaxially with the rotor, stops the flow of air currents in the longitudinal direction of blades, a fact that essentially reduces the separation of the boundary layer at the blade-fluid interaction (at high speeds V = 10...20 m/s) and, respectively, the negative influence of the turbulence in the area adjacent to the blades. Consequently, it increases the efficiency of converting wind energy into useful energy, increases the amount of energy produced annually and lowers its cost.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-13, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in fig. 1-13, which represent:

- fig. 1, vederea generală a turbinei eoliene cu coeficient de performanţă aerodinamică înalt; - fig. 1, general view of the wind turbine with high aerodynamic performance coefficient;

- fig. 2, vedere în secţiune a turbinei eoliene; - fig. 2, sectional view of the wind turbine;

- fig. 3, vederea generală a turbinei eoliene cu secţiunea axială a turnului; - fig. 3, general view of the wind turbine with the axial section of the tower;

- fig. 4, vederea generală a turbinei eoliene cu amplasarea roţilor-vindroză în zona aval a rotorului; - fig. 4, the general view of the wind turbine with the location of the wind-wheels in the area downstream of the rotor;

- fig. 5, rotor cu difuzor inelar convergent în secţiune (a) şi în 3D (b); - fig. 5, rotor with converging annular diffuser in section (a) and in 3D (b);

- fig. 6, puterea disponibilă a vântului şi puterea obţinută de turbină; - fig. 6, the available power of the wind and the power obtained by the turbine;

- fig. 7, coeficientul de performanţă funcţie de viteza specifică λ; - fig. 7, the performance coefficient as a function of the specific speed λ;

- fig. 8, familia de caracteristici n funcţie de (λ, V∞ - parametru); - fig. 8, the family of characteristics n depending on (λ, V∞ - parameter);

- fig. 9, familia de caracteristici P (V∞, λ - parametru); - fig. 9, the family of characteristics P (V∞, λ - parameter);

- fig. 10, familia de caracteristici P (n, V∞ - parametru); - fig. 10, the family of characteristics P (n, V∞ - parameter);

- fig. 11, caracteristicile de putere P(V) a turbinei cu diferite profiluri aerodinamice; - fig. 11, the power characteristics P(V) of the turbine with different aerodynamic profiles;

- fig. 12, distribuţia Weibull a vitezei vântului în amplasamentul turbinei; - fig. 12, the Weibull distribution of the wind speed in the turbine location;

- fig. 13, caracteristicile de putere P(V) a turbinei cu generator termic cu curenţi turbionari şi a turbinei cu generator electric. - fig. 13, the power characteristics P(V) of the eddy current thermal generator turbine and the electric generator turbine.

Turbina eoliană (fig. 1) conţine un turn 8, pe care este instalat un rotor 1 cu pale 2 cu profil aerodinamic, o gondolă constituită din corpurile 3 şi 4 asamblate demontabil, două roţi-vindroză 5 montate pe un ax 6, amplasate simetric pe de o parte şi alta a gondolei. De palele 2 coaxial cu rotorul 1 este fixat un difuzor inelar convergent 7. Între secţiile turnului 8 este montat un generator termic 9 cu curenţi turbionari. The wind turbine (fig. 1) contains a tower 8, on which is installed a rotor 1 with blades 2 with an aerodynamic profile, a nacelle consisting of bodies 3 and 4 assembled demountably, two wind rose wheels 5 mounted on an axis 6, located symmetrically on either side of the gondola. A converging annular diffuser 7 is attached to the blades 2 coaxial with the rotor 1. Between the sections of the tower 8, a thermal generator 9 with eddy currents is mounted.

Arborele principal 10 (fig. 2) al rotorului 1 este instalat în rulmenţi în corpul gondolei şi este dotat la extremitatea opusă rotorului 1 cu un angrenaj conic 11. Corpul 4 al gondolei reprezintă o construcţie spaţială, care include o bucşă 12 cu axă ce se intersectează perpendicular cu axa comună a corpurilor 3 şi 4 ale gondolei şi o bucşă 13 cu axă amplasată perpendicular pe axa bucşei 12. În interiorul bucşei 12 a corpului 4 în rulmenţi este amplasat un arbore tubular 14, fixat imobil de turnul 8. Pe arborele tubular 14 este amplasată o roată cu melc 15, angrenată cu melcul arborelui 16, pe capătul căruia este montată o roată cu melc 17, angrenată cu melcul 18 al arborelui comun 19 al roţilor-vindroză 5. The main shaft 10 (fig. 2) of the rotor 1 is installed in bearings in the nacelle body and is equipped at the end opposite the rotor 1 with a bevel gear 11. The nacelle body 4 is a spatial construction, which includes a bushing 12 with an axis that intersects perpendicularly with the common axis of the bodies 3 and 4 of the nacelle and a bushing 13 with the axis located perpendicular to the axis of the bushing 12. Inside the bushing 12 of the body 4 in the bearings is placed a hollow shaft 14, immovably fixed to the tower 8. On the hollow shaft 14, a worm wheel 15 is located, meshed with the worm of the shaft 16, on the end of which is mounted a worm wheel 17, meshed with the worm 18 of the common shaft 19 of the flywheels 5.

În cavitatea interioară a arborelui tubular 14 în rulmenţi este montat un arbore 20, pe un capăt al căruia este montat un angrenaj conic 21, iar pe capătul opus este montat un cuplaj dinţat cu angrenaj cilindric intern 22 (fig. 3). Arborele conducător al generatorului termic 9, prin intermediul altui cuplaj dinţat, cu angrenaj cilindric intern 23, al unui arbore de torsiune 24 cu cuplajul 22, este legat cinematic cu arborele 20 (fig. 2), iar prin intermediul angrenajelor conice 11 şi 21 şi al arborelui principal 10 - cu rotorul 1 al turbinei eoliene. A shaft 20 is mounted in the inner cavity of the hollow shaft 14 in the bearings, on one end of which a bevel gear 21 is mounted, and on the opposite end a toothed coupling with an internal cylindrical gear 22 is mounted (fig. 3). The driving shaft of the thermal generator 9, by means of another toothed coupling, with internal cylindrical gear 23, of a torsion shaft 24 with the coupling 22, is kinematically linked with the shaft 20 (fig. 2), and by means of bevel gears 11 and 21 and of the main shaft 10 - with the rotor 1 of the wind turbine.

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

La o viteză a vântului mai mare de 2,5…3 m/s curenţii de aer, interacţionând cu palele 2 cu profil aerodinamic (fig. 3), antrenează rotorul 1 şi arborele principal 10 (fig. 2) într-o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară ωr, iar prin intermediul angrenajelor conice 11 şi 21, al arborelui 20, arborelui de torsiune 24 cu cuplajele dinţate cu angrenaj intern 22 şi 23, mişcarea de rotaţie şi momentul de torsiune se transmit arborelui conducător al generatorului termic 9 cu curenţi turbionari. At a wind speed greater than 2.5...3 m/s, the air currents, interacting with the blades 2 with an aerodynamic profile (fig. 3), drive the rotor 1 and the main shaft 10 (fig. 2) in a movement of rotation with the angular speed ωr, and by means of the bevel gears 11 and 21, of the shaft 20, the torsion shaft 24 with the toothed couplings with internal gear 22 and 23, the rotational movement and the torque are transmitted to the driving shaft of the thermal generator 9 with currents whirlwinds.

Turbina eoliană cu pale cu profil aerodinamic, dotată cu un difuzor convergent 7, fixat de palele 2, stopează curgerea fluidului în direcţia longitudinală a palelor, fapt ce conduce la diminuarea esenţială a separării stratului limită la interacţiunea pală-fluid şi, respectiv, la eficientizarea conversiei energiei cinetice a curenţilor de aer în energie utilă la viteze mari ale vântului. The wind turbine with blades with an aerodynamic profile, equipped with a convergent diffuser 7, fixed to the blades 2, stops the flow of the fluid in the longitudinal direction of the blades, which leads to the essential reduction of the separation of the boundary layer at the blade-fluid interaction and, respectively, to the efficiency converting the kinetic energy of air currents into useful energy at high wind speeds.

Orientarea rotorului 1 cu pale 2 la direcţia curenţilor de aer se efectuează prin intermediul roţilor-vindroză 5, legate cu rotorul printr-un lanţ cinematic. The orientation of the rotor 1 with blades 2 in the direction of the air currents is carried out by means of the wind-wheels 5, connected with the rotor by a kinematic chain.

În cazul în care direcţia vântului este perpendiculară pe suprafaţa baleiată a rotorului 1 cu palele 2, roţile-vindroză 5 (fig. 4) având profiluri asimetrice (oglindă) nu se rotesc sub acţiunea fluxului de aer. Roţile-vindroză 5 încep să se rotească într-o direcţie sau alta doar în cazul în care direcţia vântului (V1, V2) se schimbă şi formează un oarecare unghi θ(t) cu axa de rotaţie a rotorului 1. If the wind direction is perpendicular to the swept surface of the rotor 1 with the blades 2, the wind-wheels 5 (fig. 4) having asymmetric profiles (mirror) do not rotate under the action of the air flow. The wind-wheels 5 start to rotate in one direction or another only if the wind direction (V1, V2) changes and forms some angle θ(t) with the axis of rotation of the rotor 1.

Palele roţilor-vindroză 5 cu profil aerodinamic sunt amplasate astfel încât la schimbarea direcţiei vântului (spre exemplu V1) sub un anumit unghi θ(t) forţele aerodinamice dezvoltate de pale impun roţilor-vindroză 5 o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară ωV1 în sensul mişcării acelor de ceasornic. Mişcarea de rotaţie de la roţile-vindroză 5, prin intermediul angrenajelor cu melc (fig. 2) cu ambii melci de stânga, sau ambii de dreapta, se transmite corpului 4 al gondolei, care împreună cu rotorul 1 (fig. 4) se vor roti în jurul axei turnului cu viteza unghiulară ωg = ωV1/i1·i2 în sens opus mişcării acelor de ceasornic. Rotirea rotorului 1 (în sens opus mişcării acelor de ceasornic) în jurul axei turnului va dura până când planul de rotaţie a roţilor-vindroză 5 va coincide cu direcţia vântului V1, iar planul de rotaţie a rotorului 1 se va poziţiona perpendicular pe direcţia vântului. The blades of the wind-wheels 5 with an aerodynamic profile are placed so that when the wind direction changes (for example V1) under a certain angle θ(t), the aerodynamic forces developed by the blades impose on the wind-wheels 5 a rotational movement with the angular speed ωV1 in the direction of movement clock hands. The rotation movement from the wind-wheels 5, by means of the worm gears (fig. 2) with both left or both right-hand screws, is transmitted to the body 4 of the nacelle, which together with the rotor 1 (fig. 4) will rotate around the axis of the tower with the angular velocity ωg = ωV1/i1·i2 in the opposite direction of the clockwise movement. The rotation of the rotor 1 (counter-clockwise) around the axis of the tower will last until the plane of rotation of the wind-wheels 5 coincides with the direction of the wind V1, and the plane of rotation of the rotor 1 will be positioned perpendicular to the direction of the wind.

Palele roţilor-vindroză 5 sunt amplasate astfel încât la schimbarea direcţiei fluxului de aer V2 (fig. 4 ) forţele aerodinamice impun roţilor-vindroză 5 o mişcare de rotaţie în sens opus mişcării acelor de ceasornic, iar rotorului 1 - o mişcare de rotaţie în jurul axei turnului în sensul mişcării acelor de ceasornic, orientându-l astfel la direcţia fluxului de aer V2 (sau în sens opus în raport cu cazul direcţiei fluxului de aer cu V1). The vanes of the wind-wheels 5 are placed so that when the direction of the air flow V2 (fig. 4) is changed, the aerodynamic forces impose on the wind-wheels 5 a rotational movement in the opposite direction of the clockwise movement, and on the rotor 1 - a rotational movement around the axis of the tower clockwise, thus orienting it to the direction of the air flow V2 (or in the opposite direction in relation to the case of the direction of the air flow with V1).

Conform măsurărilor pe durata unui an s-a constatat că rafalele de vânt într-o perioadă de timp t de până la 10 s îşi schimbă direcţia pe extreme de la 0° până la 28° (pentru viteza la axul rotorului V = 25 m/s). According to the measurements during one year, it was found that wind gusts in a time period t of up to 10 s change their direction on extremes from 0° to 28° (for the speed at the rotor axis V = 25 m/s) .

Pentru ca roţile-vindroză 5 să se poziţioneze în zona aval sub acţiunea fluxului de aer şi pentru a asigura orientarea operativă a rotorului turbinei eoliene la direcţia vântului, este necesar ca la schimbarea într-un anumit interval de timp a direcţiei vântului lanţul cinematic „vindroză- angrenajele cu melc-turn” să satisfacă următoarele cerinţe cinematice: In order for the wind vane wheels 5 to be positioned in the downstream area under the action of the air flow and to ensure the operative orientation of the wind turbine rotor to the direction of the wind, it is necessary that when the wind direction changes in a certain time interval the "wind vane" kinematic chain - worm-turn gears" to satisfy the following kinematic requirements:

1. Roţile-vindroză 5 să dezvolte o frecvenţă a turaţiilor nV, necesară pentru a orienta rotorul 1 cu palele 2 la direcţia vântului în timp de până la 10 s cu o oarecare inerţie (întârziere), pentru a exclude efectele dinamice (provocate de schimbarea rapidă a direcţiei vântului), conform relaţiei: 1. The wind-wheels 5 to develop a frequency of revolutions nV, necessary to orient the rotor 1 with the blades 2 to the direction of the wind for up to 10 s with some inertia (delay), to exclude dynamic effects (caused by the change speed of the wind direction), according to the relationship:

, (1) , (1)

unde: k - coeficientul de asigurare a inerţiei orientării turbinei la direcţia vântului (k > 1); where: k - the coefficient to ensure the inertia of the turbine orientation to the direction of the wind (k > 1);

nr - frecvenţa de rotaţie a rotorului cu pale aerodinamice la direcţia vântului, min-1; no - rotation frequency of the rotor with aerodynamic blades in the direction of the wind, min-1;

i1, i2 - rapoartele de transmisie a angrenajelor cu melc; i1, i2 - transmission ratios of worm gears;

θ (t) - unghiul dintre extremele de schimbare a direcţiei rafalei de vânt, grade unghiulare; θ (t) - the angle between the extremes of change in the direction of the wind gust, angular degrees;

t - durata de schimbare a direcţiei rafalei de vânt, s. t - duration of change of wind gust direction, s.

2. Roţile-vindroză 5 să dezvolte un moment de torsiune Tν, necesar pentru a învinge momentul reactiv Tr (la arborele tubular 14, fig. 2, în jurul căruia se roteşte gondola), dezvoltat la interacţiunea rafalelor de vânt cu rotorul în rotaţie, determinat din relaţia: 2. The wind-wheels 5 to develop a torsion moment Tν, necessary to overcome the reactive moment Tr (at the tubular shaft 14, fig. 2, around which the gondola rotates), developed during the interaction of wind gusts with the rotating rotor, determined from the relationship:

(2) (2)

unde: Tr - momentul reactiv (la arborele tubular 14, fig. 2, în jurul căruia se roteşte gondola), dezvoltat la interacţiunea rafalelor de vânt cu rotorul în rotaţie; where: Tr - the reactive moment (at the tubular shaft 14, fig. 2, around which the gondola rotates), developed during the interaction of wind gusts with the rotating rotor;

i1, i2 - rapoartele de transmisie ale angrenajelor cu melc; i1, i2 - transmission ratios of worm gears;

ηΣ - randamentul mecanic sumar al lanţului cinematic (angrenaje cu melc, perechi de rulmenţi). ηΣ - the summary mechanical efficiency of the kinematic chain (worm gears, pairs of bearings).

Conform cercetărilor, la interacţiunea fluidului cu pala cu profil aerodinamic fluidul, interacţionând cu butucul rotorului 1, curge în direcţia longitudinală a palelor 2 în funcţie de viteza fluidului. Curgerea în această zonă se caracterizează prin turbulenţe şi apariţia vârtejurilor favorizând separarea stratului limită, fenomene care influenţează negativ asupra eficienţei conversiei energiei cinetice a acestuia. Influenţa negativă a acestor fenomene se amplifică odată cu creşterea vitezei fluidului. Pentru diminuarea influenţei negative a acestor efecte asupra eficienţei conversiei, rotorul 1 (fig. 5) este dotat cu difuzorul inelar convergent 7. According to research, when the fluid interacts with the airfoil blade, the fluid, interacting with the hub of the rotor 1, flows in the longitudinal direction of the blades 2 depending on the speed of the fluid. The flow in this area is characterized by turbulence and the appearance of eddies favoring the separation of the boundary layer, phenomena that negatively influence the efficiency of its kinetic energy conversion. The negative influence of these phenomena amplifies with the increase of the fluid speed. To reduce the negative influence of these effects on the conversion efficiency, the rotor 1 (fig. 5) is equipped with the converging annular diffuser 7.

Scopul invenţiei este sporirea eficienţei de conversie a energiei prin majorarea cantităţii de energie utilă obţinută din potenţialul eolian disponibil, determinat de formula: The purpose of the invention is to increase the energy conversion efficiency by increasing the amount of useful energy obtained from the available wind potential, determined by the formula:

Pw = 0,5ρAV3, (3) Pw = 0.5ρAV3, (3)

unde: ρ este densitatea aerului, kg/m3; where: ρ is the air density, kg/m3;

A - suprafaţa baleiată de palele rotorului, m2; A - the surface swept by the rotor blades, m2;

V - viteza vântului, m/s. V - wind speed, m/s.

Puterea obţinută din potenţialul eolian disponibil de o turbină eoliană ideală este limitată de limita Betz şi depinde de coeficientul de performanţă Cp al rotorului cu pale cu profil aerodinamic. În fig. 6 este prezentată puterea obţinută de o turbină eoliană ideală, apreciată conform formulei P = 0,5Cp ρAV3, din potenţialul eolian disponibil calculat la diferite viteze ale vântului conform formulei (3). The power obtained from the available wind potential of an ideal wind turbine is limited by the Betz limit and depends on the coefficient of performance Cp of the airfoil rotor. In fig. 6 shows the power obtained by an ideal wind turbine, estimated according to the formula P = 0.5Cp ρAV3, from the available wind potential calculated at different wind speeds according to formula (3).

Pentru argumentarea realizării scopului invenţiei prin soluţiile tehnice propuse analizăm caracteristicile de putere P(V) a unui rotor aerodinamic cu diametrul de 8 m. To argue the achievement of the purpose of the invention through the proposed technical solutions, we analyze the power characteristics P(V) of an aerodynamic rotor with a diameter of 8 m.

În acest scop: To this end:

1. Efectuăm analiza comparativă pentru două complete de pale cu două profiluri aerodinamice cu diferiţi coeficienţi de performanţă Cp(λ), unde λ este viteza specifică determinată prin formula 1. We perform the comparative analysis for two sets of blades with two airfoils with different performance coefficients Cp(λ), where λ is the specific speed determined by the formula

(4) (4)

unde: ω este viteza unghiulară de rotaţie a rotorului, s -1; where: ω is the angular speed of rotation of the rotor, s -1;

R - raza rotorului, m; R - rotor radius, m;

V - viteza vântului, m/s. V - wind speed, m/s.

Valorile numerice Cp(λ) ale profilurilor aerodinamice comparate sunt prezentate în tab.1, iar interpretarea grafică - în fig. 7. The numerical values Cp(λ) of the compared aerodynamic profiles are shown in table 1, and the graphic interpretation - in fig. 7.

Tabelul 1 Table 1

λ 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Cp Profilul 1 0,050 0,180 0,340 0,350 0,345 0,32 0,275 0,212 0,125 Profilul 2 0,050 0,180 0,340 0,350 0,325 0,28 0,215 0,140 0,050 λ 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Cp Profile 1 0.050 0.180 0.340 0.350 0.345 0.32 0.275 0.212 0.125 Profile 2 0.050 0.180 0.340 0.350 0.325 0.28 0 .215 0.140 0.050

2. Conform definiţiei din literatura de specialitate, caracteristica Cp(λ) se descrie ca varierea puterii mecanice dezvoltate de turbină în funcţie de viteza de rotaţie a rotorului aerodinamic cu condiţia că viteza vântului este constantă. Luând în consideraţie că ω = πn/30, din (4) obţinem viteza de rotaţie n: 2. According to the definition in the specialized literature, the characteristic Cp(λ) is described as the variation of the mechanical power developed by the turbine depending on the speed of rotation of the aerodynamic rotor, provided that the wind speed is constant. Considering that ω = πn/30, from (4) we obtain the rotation speed n:

. (5) . (5)

3. Din formula (5) calculăm familia de caracteristici n = F(λ, V) (pentru profilul aerodinamic 1), în care viteza vântului este considerată ca parametru, cu prezentarea rezultatelor în fig. 8. 3. From formula (5) we calculate the family of characteristics n = F(λ, V) (for airfoil 1), in which the wind speed is considered as a parameter, with the presentation of the results in fig. 8.

4. Pentru aceleaşi valori ale vitezei specifice λ din fig. 7 şi cu formula P = 0,5Cp(λ)ρπR2V3 calculăm puterea mecanică în funcţie de viteza vântului, viteza specifică λ şi coeficientul de performanţă Cp, care se consideră parametru. Rezultatele sunt prezentate în fig. 9. 4. For the same values of the specific speed λ from fig. 7 and with the formula P = 0.5Cp(λ)ρπR2V3 we calculate the mechanical power depending on the wind speed, the specific speed λ and the performance coefficient Cp, which is considered a parameter. The results are presented in fig. 9.

5. Pentru diferite viteze constante ale vântului V şi gama de variaţie a vitezei specifice λ din fig. 8 determinăm valorile corespunzătoare ale vitezei de rotaţie n, iar din fig. 9 - puterea mecanică P, astfel obţinem familia de caracteristici P(n, V), prezentate în fig. 10. 5. For different constant wind speeds V and the range of variation of the specific speed λ from fig. 8 we determine the corresponding values of the rotation speed n, and from fig. 9 - the mechanical power P, thus we obtain the family of characteristics P(n, V), shown in fig. 10.

6. În baza datelor obţinute din funcţiile prezentate în fig. 10 şi fig. 8 construim caracteristica de putere P(V) pentru profilul 1, prezentat în fig. 11. De exemplu: pentru V = 4 m/s şi λ = 4 din fig. 8 obţinem n = 38,2 tur/min. Din fig. 10, pentru V = 4 m/s şi n = 38,2 tur/min obţinem P = 0,35 kW. Analogic: pentru V = 8 m/s şi λ = 8 din fig. 8 obţinem n = 153 tur/min. Din fig. 10, pentru V = 8 m/s şi n = 153 tur/min obţinem P = 5,53 kW ş.a.m.d. Analogic se determină caracteristica de putere P(V) pentru profilul 2, prezentată în fig. 11 cu linie întreruptă. 6. Based on the data obtained from the functions presented in fig. 10 and fig. 8 we construct the power characteristic P(V) for profile 1, shown in fig. 11. For example: for V = 4 m/s and λ = 4 from fig. 8 we get n = 38.2 rev/min. From fig. 10, for V = 4 m/s and n = 38.2 rev/min we obtain P = 0.35 kW. Analogously: for V = 8 m/s and λ = 8 from fig. 8 we get n = 153 rev/min. From fig. 10, for V = 8 m/s and n = 153 rev/min we obtain P = 5.53 kW and so on. Analogously, the power characteristic P(V) is determined for profile 2, shown in fig. 11 with dashed line.

În fig. 11 suprafaţa cuprinsă între cele două curbe reprezintă puterea mecanică suplimentar obţinută din potenţialul eolian cu pale cu profil aerodinamic 1 cu coeficient de performanţă majorat, prezentat în fig. 7. In fig. 11, the surface between the two curves represents the additional mechanical power obtained from the wind potential with blades with aerodynamic profile 1 with increased performance coefficient, shown in fig. 7.

Majorarea energiei obţinute şi, respectiv, a eficienţei conversiei se realizează prin micşorarea unghiului de răsucire a profilurilor aerodinamice în limitele φ = (1…3)° (fig. 4) în raport cu planul de rotaţie a palelor rotorului. Energia mecanică obţinută se converteşte în energie utilă, de exemplu termică, cu ajutorul generatorului termic cu curenţi turbionari, care are un coeficient de suprasarcină cuprins între 2 şi 3. Efectul tehnico-economic al implementării invenţiei se prezintă prin calculul energiei termice, care poate fi produsă pe parcursul unui an: Increasing the obtained energy and, respectively, the conversion efficiency is achieved by reducing the twisting angle of the aerodynamic profiles within the limits of φ = (1...3)° (fig. 4) in relation to the plane of rotation of the rotor blades. The obtained mechanical energy is converted into useful energy, for example thermal, with the help of the eddy current thermal generator, which has an overload coefficient between 2 and 3. The technical-economic effect of the implementation of the invention is presented by calculating the thermal energy, which can be produced during a year:

1. În aceleaşi condiţii de vânt, folosind turbina eoliană cu profilul aerodinamic 1 şi un generator termic cu curenţi turbionari în comparaţie cu turbina eoliană cu profilul aerodinamic 2. 1. Under the same wind conditions, using wind turbine with airfoil 1 and an eddy current heat generator compared to wind turbine with airfoil 2.

2. În aceleaşi condiţii de vânt, folosind turbina eoliană cu profilul aerodinamic 1 şi un generator termic cu curenţi turbionari în comparaţie cu energia produsă folosind turbina eoliană cu profilul aerodinamic 2 şi un generator electric. 2. Under the same wind conditions, using wind turbine with airfoil 1 and an eddy current thermal generator compared to the energy produced using wind turbine with airfoil 2 and an electric generator.

Pentru calculul producerii anuale de energie termică sunt necesare următoarele date iniţiale: caracteristicile de putere a turbinei eoliene P(V) cu profiluri diferite, fig. 11 şi distribuţia Weibull a vitezei vântului, măsurată în localitatea respectivă pe o perioadă de 12 luni, fig. 12. For the calculation of the annual thermal energy production, the following initial data are required: the power characteristics of the wind turbine P(V) with different profiles, fig. 11 and the Weibull distribution of the wind speed, measured in the respective locality over a period of 12 months, fig. 12.

Diferenţa dintre caracteristicile P(V) intervine pentru viteze ale vântului mai mari decât viteza nominală, în cazul dat, mai mari de 10 m/s. Distribuţia Weibull a vitezei vântului a fost obţinută ca rezultat al procesării datelor, obţinute pe o perioadă de 12 luni şi prezintă funcţia densitate de probabilitate a vitezei vântului pe întreaga perioadă de măsurări. Din fig. 11 şi 12 rezultă că gama de viteze lucrative ale vântului este cuprinsă între 3 şi 18 m/s. Această gamă de viteze se împarte în intervale, de exemplu egale cu 1 m/s, şi pentru fiecare interval se determină ponderea (funcţia densitate de probabilitate) vitezei respective pentru întreaga perioadă de măsurări, în cazul nostru - 8760 ore. De exemplu, ponderea vitezei de 8 m/s este egală cu 0,118 sau 0,118x8760=1033,7 h/an. The difference between the P(V) characteristics occurs for wind speeds higher than the nominal speed, in the given case, higher than 10 m/s. The Weibull distribution of the wind speed was obtained as a result of the data processing, obtained over a period of 12 months and presents the probability density function of the wind speed over the entire period of measurements. From fig. 11 and 12 show that the range of profitable wind speeds is between 3 and 18 m/s. This range of speeds is divided into intervals, for example equal to 1 m/s, and for each interval the weight (probability density function) of the respective speed is determined for the entire measurement period, in our case - 8760 hours. For example, the speed weight of 8 m/s is equal to 0.118 or 0.118x8760=1033.7 h/year.

Tabelul 2 Table 2

Valorile numerice ale funcţiei densitate de probabilitate a vitezei vântului, F(V), pentru 12 luni Numerical values of the wind speed probability density function, F(V), for 12 months

Viteza vântului, m/s 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Funcţia, F(V) 0,065 0,098 0,117 0,128 0,128 0,118 0,095 0,070 0,045 0,028 0,016 0,012 0,007 0,005 0,003 0,00 Wind speed, m/s 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Function, F(V) 0.065 0.098 0.117 0.128 0.128 0.118 0.095 0.070 0.045 0.028 0.016 0 .012 0.007 0.005 0.003 0.00

Pentru ambele profiluri s-a calculat cantitatea de energie termică care ar putea fi produsă pe o perioadă de un an în condiţii identice de vânt. Formulele de calcul al producerii energiei termice For both profiles, the amount of thermal energy that could be produced over a period of one year under identical wind conditions was calculated. Formulas for calculating thermal energy production

pentru profilul 1 şi for profile 1 and

pentru profilul 2, unde valorile P1(V) corespund caracteristicii profilului 1, iar P2(V) - profilului 2 din fig. 11. Astfel, turbina eoliană cu profilul aerodinamic 1 va produce cu 9,4% mai multă energie. for profile 2, where the P1(V) values correspond to the characteristic of profile 1, and P2(V) - to profile 2 from fig. 11. Thus, the wind turbine with airfoil 1 will produce 9.4% more energy.

În cazul producerii energiei electrice caracteristica P2(V) diferă de cea prezentată în fig. 11. Coeficientul de suprasarcină a generatorului electric este de 1,2…1,3. Pentru viteze ale vântului mai mari decât cea nominală trebuie luate măsuri cu scopul limitării puterii dezvoltate de turbină. Rotorul turbinei este scos din direcţia vântului sau se modifică unghiul de atac al palei. Ca exemplu, în fig. 13 se prezintă coeficientul de putere al turbinei cu profil aerodinamic 2 cu puterea de 10 kW şi dotată cu generator electric (caracteristica este furnizată de producător). In the case of electricity production, the P2(V) characteristic differs from that shown in fig. 11. The overload coefficient of the electric generator is 1.2...1.3. For wind speeds higher than the nominal one, measures must be taken to limit the power developed by the turbine. The turbine rotor is moved out of the wind direction or the angle of attack of the blade is changed. As an example, in fig. 13 shows the power coefficient of the turbine with aerodynamic profile 2 with a power of 10 kW and equipped with an electric generator (the characteristic is provided by the manufacturer).

Pentru comparaţie se prezintă caracteristica de putere a turbinei cu profil aerodinamic 1 şi dotată cu generator termic cu curenţi turbionari, care are coeficientul de suprasarcină mai mare decât 2. Constatăm că pentru viteze ale vântului mai mari de 10 m/s (viteza nominală) trebuie să limităm puterea întorcând rotorul din direcţia vântului. Puterea se limitează până la 12,5 kW (coeficientul de suprasarcină este egal cu 25%). Dacă viteza vântului continuă să crească şi depăşeşte 16 m/s, planul rotorului va fi paralel cu vectorul vitezei vântului şi puterea dezvoltată va fi egală cu zero. Astfel se exclud suprasarcinile electrice şi mecanice ale generatorului electric. For comparison, we present the power characteristic of the turbine with airfoil 1 and equipped with an eddy current heat generator, which has an overload coefficient higher than 2. We find that for wind speeds higher than 10 m/s (nominal speed) to limit the power by turning the rotor away from the wind. Power is limited to 12.5 kW (the overload factor is equal to 25%). If the wind speed continues to increase and exceeds 16 m/s, the rotor plane will be parallel to the wind speed vector and the developed power will be zero. Thus, electrical and mechanical overloads of the electrical generator are excluded.

În cazul utilizării profilului 1 şi a generatorului termic cu curenţi turbionari nu este necesară limitarea puterii, deoarece ultimul posedă un coeficient de suprasarcină cuprins între 2 şi 3. Planul rotorului se menţine perpendicular pe vectorul vitezei vântului. Cu creşterea vitezei vântului va creşte şi puterea dezvoltată de turbină şi, pentru profilul în cauză, puterea va atinge valoarea maximală egală cu 26 kW, apoi va scădea din cauza frânării aerodinamice. In the case of using profile 1 and the eddy current thermal generator, it is not necessary to limit the power, because the latter has an overload coefficient between 2 and 3. The rotor plane is maintained perpendicular to the wind speed vector. As the wind speed increases, the power developed by the turbine will also increase and, for the profile in question, the power will reach the maximum value equal to 26 kW, then it will decrease due to aerodynamic braking.

Cu ajutorul caracteristicilor din fig. 13 şi al formulelor de mai sus s-au calculat cantităţile de energie termică şi electrică, care ar putea fi produse pe perioada de un an: With the help of the characteristics in fig. 13 and the formulas above, the quantities of thermal and electrical energy, which could be produced over the period of one year, were calculated:

Energie termică ETP1 = 45814,8 kWh sau 164,9 GJ, Thermal energy ETP1 = 45814.8 kWh or 164.9 GJ,

Energie electrică EEP2 = 38351,3 kWh sau 138,1 GJ. Electric energy EEP2 = 38351.3 kWh or 138.1 GJ.

În cazul utilizării turbinei cu profil aerodinamic 1 şi a generatorului termic cu curenţi turbionari cantitatea de energie este cu 19,4% mai mare decât în cazul utilizării turbinei cu profil aerodinamic 2 şi a generatorului electric. In the case of using the turbine with aerodynamic profile 1 and the thermal generator with eddy currents, the amount of energy is 19.4% higher than in the case of using the turbine with aerodynamic profile 2 and the electric generator.

Deci, o turbină eoliană cu profil aerodinamic cu coeficient înalt de performanţă aerodinamică Cp(λ) (realizată prin soluţiile tehnice propuse în invenţie), destinată transformării energiei disponibile a potenţialului eolian în energie termică produsă de un generator termic cu curenţi turbionari, în comparaţie cu o turbină eoliană cu generator electric şi profil aerodinamic compatibil cu acesta din considerente de limitare a puterii dezvoltate, generează energie utilă pe perioada de un an cu 7463 kWh şi, respectiv, cu 26,8 GJ mai mult. So, a wind turbine with an aerodynamic profile with a high coefficient of aerodynamic performance Cp(λ) (realized by the technical solutions proposed in the invention), intended to transform the available energy of the wind potential into thermal energy produced by an eddy current thermal generator, compared to a wind turbine with an electric generator and an aerodynamic profile compatible with it for reasons of limiting the developed power, generates useful energy for the period of one year with 7463 kWh and, respectively, with 26.8 GJ more.

Totodată în turbina eoliană, conform invenţiei, sistemul electronic de orientare a rotorului tripal la direcţia variabilă a fluxului de aer este înlocuit cu un sistem mecanic dotat cu roţi-vindroză aerodinamice. Această soluţie conduce la diminuarea costului de producere cu (25…30)% şi asigură creşterea fiabilităţii în exploatare. De asemenea, este de menţionat că generatorul termic cu curenţi turbionari, în comparaţie cu generatorul electric, constructiv este mai simplu, costul de producere este mai redus, iar fiabilitatea creşte datorită coeficientului de suprasarcină egal cu 2…3 (1,2…1,3 - pentru generatorul electric). At the same time, in the wind turbine, according to the invention, the electronic system for orienting the tripartite rotor to the variable direction of the air flow is replaced by a mechanical system equipped with aerodynamic wind-wheels. This solution leads to the reduction of the production cost by (25...30)% and ensures the increase of reliability in operation. It should also be mentioned that the thermal generator with eddy currents, compared to the electric generator, is constructively simpler, the production cost is lower, and the reliability increases due to the overload coefficient equal to 2...3 (1,2...1, 3 - for the electric generator).

1. US 4366779 A 1983.01.04 1. US 4366779 A 1983.01.04

2. MD 4213 B1 2013.03.31 2. MD 4213 B1 2013.03.31

Claims (1)

Turbină eoliană, care conţine un turn (8), pe care este instalat un rotor (1) cu pale (2) cu profil aerodinamic, amplasat într-o gondolă, montată cu posibilitatea rotirii ei în jurul turnului (8) prin intermediul unor roţi-vindroză (5), cuplate la un mecanism de acţionare, format din două angrenaje cu melc, un difuzor (7) inelar convergent, fixat de pale (2) coaxial cu rotorul (1), şi un dispozitiv de transformare a energiei, caracterizată prin aceea că în calitate de dispozitiv de transformare a energiei este utilizat un generator termic (9), montat între secţiile turnului (8) şi legat cinematic cu rotorul (1) printr-un angrenaj conic (11) şi (21); palele (2) cu profil aerodinamic posedă un coeficient minim de performanţă aerodinamică mai mare de 0,1 la vitezele fluxului de aer mai mari de 10…12 m/s, totodată forma profilului aerodinamic al palelor (2) este executată astfel încât caracteristica lui de putere corelează cu caracteristica de putere a generatorului termic (9), iar unghiul de răsucire a profilului aerodinamic în secţiuni pe întreaga lungime a palelor (2) constituie 1…3°; diametrul gurii de aspiraţie a difuzorului (7) constituie d1=(0,1…0,12)D, unde D este diametrul exterior al rotorului (1), iar lăţimea axială a difuzorului (7) este egală cu l=a1+c+a2, unde:Wind turbine, which contains a tower (8), on which is installed a rotor (1) with blades (2) with an aerodynamic profile, located in a nacelle, mounted with the possibility of rotating it around the tower (8) by means of wheels -windrose (5), coupled to an actuation mechanism, consisting of two worm gears, a converging annular diffuser (7), fixed to blades (2) coaxial with the rotor (1), and an energy conversion device, characterized in that a thermal generator (9) is used as an energy conversion device, mounted between the sections of the tower (8) and kinematically linked with the rotor (1) through a bevel gear (11) and (21); the blades (2) with an aerodynamic profile have a minimum coefficient of aerodynamic performance greater than 0.1 at air flow speeds greater than 10...12 m/s, at the same time the shape of the aerodynamic profile of the blades (2) is executed so that its characteristic of power correlates with the power characteristic of the thermal generator (9), and the twist angle of the aerodynamic profile in sections along the entire length of the blades (2) is 1...3°; the diameter of the suction mouth of the diffuser (7) is d1=(0.1...0.12)D, where D is the outer diameter of the rotor (1), and the axial width of the diffuser (7) is equal to l=a1+c +a2, where: a1=(0,05…0,1)d1;a1=(0.05...0.1)d1; c este cota maximă a secţiunii palei în direcţia axei de rotaţie a rotorului (1), amplasată la o distanţă egală cu raza gurii de aspiraţie a difuzorului (7);c is the maximum height of the blade section in the direction of the axis of rotation of the rotor (1), located at a distance equal to the radius of the suction mouth of the diffuser (7); a2 = (0,1…0,15)d1.a2 = (0.1...0.15)d1.
MDS20130047A 2013-03-12 2013-03-12 Wind turbine MD660Z (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
MDS20130047A MD660Z (en) 2013-03-12 2013-03-12 Wind turbine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
MDS20130047A MD660Z (en) 2013-03-12 2013-03-12 Wind turbine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
MD660Y MD660Y (en) 2013-07-31
MD660Z true MD660Z (en) 2014-02-28

Family

ID=48875343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
MDS20130047A MD660Z (en) 2013-03-12 2013-03-12 Wind turbine

Country Status (1)

Country Link
MD (1) MD660Z (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MD681Z (en) * 2013-02-14 2014-04-30 Технический университет Молдовы Wind turbine
MD1126Z (en) * 2016-09-12 2017-09-30 Технический университет Молдовы Wind turbine (embodiments)

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4366779A (en) * 1978-01-16 1983-01-04 Knecht John E Wind driven heating system
RU2148186C1 (en) * 1998-08-05 2000-04-27 Ягодин Андрей Евгеньевич Windmill with overload protective gear
RU2161266C2 (en) * 1998-06-09 2000-12-27 ОАО "Тульский завод "Арсенал" Windwheel
RU25915U1 (en) * 2002-06-14 2002-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное машиностроительное конструкторское бюро "Радуга" им. А.Я. Березняка" CENTRIFUGAL REGULATOR OF ANGLE OF TURN OF THE BLADES OF A WIND POWER INSTALLATION
RU2235902C1 (en) * 2003-02-18 2004-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное машиностроительное конструкторское бюро "Радуга" им. А.Я. Березняка" Windwheel of horizontal-axial-type wind power generating plant
MD2643C2 (en) * 2001-12-14 2005-09-30 Технический университет Молдовы Wind turbine
MD2727G2 (en) * 2001-08-08 2005-10-31 Валерий ЛУКА Wind-driven electric plant
MD2917F1 (en) * 2004-05-18 2005-11-30 Алексей КОРЧИМАР Wind-driven electric plant
RU2272173C1 (en) * 2004-06-02 2006-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "СТРОЙИНЖИНИРИНГ СМ" Compact aerodynamic-type revolution governor for wind-power plant
MD3518C2 (en) * 2004-04-22 2008-09-30 Ион АРСЕНЕ Windmill (variants)
MD3817C2 (en) * 2007-05-11 2009-10-31 Технический университет Молдовы Wind turbine with vertical axle (variants)
RU2458247C2 (en) * 2010-03-25 2012-08-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный аграрный университет" Wind-driven power plant
MD4213B1 (en) * 2012-11-27 2013-03-31 Univ Tehnica Moldovei Wind turbine
  • 2013

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4366779A (en) * 1978-01-16 1983-01-04 Knecht John E Wind driven heating system
RU2161266C2 (en) * 1998-06-09 2000-12-27 ОАО "Тульский завод "Арсенал" Windwheel
RU2148186C1 (en) * 1998-08-05 2000-04-27 Ягодин Андрей Евгеньевич Windmill with overload protective gear
MD2727G2 (en) * 2001-08-08 2005-10-31 Валерий ЛУКА Wind-driven electric plant
MD2643C2 (en) * 2001-12-14 2005-09-30 Технический университет Молдовы Wind turbine
RU25915U1 (en) * 2002-06-14 2002-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное машиностроительное конструкторское бюро "Радуга" им. А.Я. Березняка" CENTRIFUGAL REGULATOR OF ANGLE OF TURN OF THE BLADES OF A WIND POWER INSTALLATION
RU2235902C1 (en) * 2003-02-18 2004-09-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственное машиностроительное конструкторское бюро "Радуга" им. А.Я. Березняка" Windwheel of horizontal-axial-type wind power generating plant
MD3518C2 (en) * 2004-04-22 2008-09-30 Ион АРСЕНЕ Windmill (variants)
MD2917F1 (en) * 2004-05-18 2005-11-30 Алексей КОРЧИМАР Wind-driven electric plant
RU2272173C1 (en) * 2004-06-02 2006-03-20 Общество с ограниченной ответственностью "СТРОЙИНЖИНИРИНГ СМ" Compact aerodynamic-type revolution governor for wind-power plant
MD3817C2 (en) * 2007-05-11 2009-10-31 Технический университет Молдовы Wind turbine with vertical axle (variants)
RU2458247C2 (en) * 2010-03-25 2012-08-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Оренбургский государственный аграрный университет" Wind-driven power plant
MD4213B1 (en) * 2012-11-27 2013-03-31 Univ Tehnica Moldovei Wind turbine

Also Published As

Publication number Publication date
MD660Y (en) 2013-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Singh et al. Blade design and performance testing of a small wind turbine rotor for low wind speed applications
Schubel et al. Wind turbine blade design review
Sengupta et al. Studies of some high solidity symmetrical and unsymmetrical blade H-Darrieus rotors with respect to starting characteristics, dynamic performances and flow physics in low wind streams
Sharma et al. Performance measurement of a three-bladed combined Darrieus-Savonius rotor
Rassoulinejad-Mousavi et al. Experimental study of a combined three bucket H-rotor with savonius wind turbine
CN103277246B (en) Vertical-axis wind turbine with double wind wheels capable of rotating coaxially and oppositely
Liang et al. Blade pitch control of straight-bladed vertical axis wind turbine
Ragheb Wind energy conversion theory, Betz equation
CN103987958A (en) Horizontal shaft wind power generator using an airfoil blade having the same width and thickness
JP2013534592A (en) Vertical axis windmill
Raut et al. Simulation of micro wind turbine blade in Q-Blade
Kumar et al. Hybrid kinetic turbine rotors: A review
MD660Z (en) Wind turbine
MD4213C1 (en) Wind turbine
CN103216381A (en) Vane of wind generating set
CN205277683U (en) Ladder magnus type rotor blade and wind energy conversion system
Ponakala et al. Design and simulation of small wind turbine blades in Q-Blade
MD4212C1 (en) Aerodynamic wind turbine wheel turbine
Nishizawa An experimental study of the shapes of rotor for horizontal-axis small wind turbines
Park et al. A novel vertical axis wind turbine for distributed & utility deployment
CN202811227U (en) Fluid speed increasing pipeline for wind power generation
CN203248313U (en) Novel wind driven generator
Mayeed et al. Optimization of the wind turbine designs for areas with low wind speeds
Satankar et al. Modeling and aerodynamic analysis of small scale, mixed airfoil HAWT blade: A Review
Sun Performance Prediction and Enhancement of the New Floating Vertical Axis Wind Turbine (VAWT)

Legal Events

Date Code Title Description
FG9Y Short term patent issued
KA4Y Short-term patent lapsed due to non-payment of fees (with right of restoration)