MD660Z - Turbină eoliană - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali.Turbina eoliană 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), precum şi un generator termic (9), montat între secţiile turnului (8) şi legat cinematic cu rotorul (1) printr-un angrenaj conic.

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali.

În domeniul sistemelor de conversie a energiei curenţilor atmosferici direct în energie termică s-au configurat trei direcţii de dezvoltare.

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.

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.

Dezavantajele acestor sisteme constau în fiabilitatea redusă şi costurile înalte ale dispozitivelor hidraulice de presiune înaltă.

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.

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.

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.

În realitate, generatoarele electrice uzuale au un factor de suprasarcină de 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.

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.

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].

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.

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].

Dezavantajele acestei turbine, în cazul utilizării energiei eoliene în vederea producerii energiei termice pentru încălzirea spaţiilor rezidenţiale şi alte necesităţi, constau în următoarele.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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;

a2 = (0,1…0,15)d1.

Turbina eoliană cu coeficient înalt de performanţă asigură următoarele avantaje.

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.

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.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-13, care reprezintă:

- fig. 1, vederea generală a turbinei eoliene cu coeficient de performanţă aerodinamică înalt;

- fig. 2, vedere în secţiune a turbinei eoliene;

- fig. 3, vederea generală a turbinei eoliene cu secţiunea axială a turnului;

- fig. 4, vederea generală a turbinei eoliene cu amplasarea roţilor-vindroză în zona aval a rotorului;

- fig. 5, rotor cu difuzor inelar convergent în secţiune (a) şi în 3D (b);

- fig. 6, puterea disponibilă a vântului şi puterea obţinută de turbină;

- fig. 7, coeficientul de performanţă funcţie de viteza specifică λ;

- fig. 8, familia de caracteristici n funcţie de (λ, V∞ - parametru);

- fig. 9, familia de caracteristici P (V∞, λ - parametru);

- fig. 10, familia de caracteristici P (n, V∞ - parametru);

- fig. 11, caracteristicile de putere P(V) a turbinei cu diferite profiluri aerodinamice;

- fig. 12, distribuţia Weibull a vitezei vântului în amplasamentul turbinei;

- fig. 13, caracteristicile de putere P(V) a turbinei cu generator termic cu curenţi turbionari şi a turbinei cu generator electric.

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.

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.

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.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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).

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:

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)

unde: k - coeficientul de asigurare a inerţiei orientării turbinei la direcţia vântului (k > 1);

nr - frecvenţa de rotaţie a rotorului cu pale aerodinamice la direcţia vântului, min-1;

i1, i2 - rapoartele de transmisie a angrenajelor cu melc;

θ (t) - unghiul dintre extremele de schimbare a direcţiei rafalei de vânt, grade unghiulare;

t - durata de schimbare a direcţiei rafalei de vânt, 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)

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;

i1, i2 - rapoartele de transmisie ale angrenajelor cu melc;

ηΣ - randamentul mecanic sumar al lanţului cinematic (angrenaje cu melc, perechi de rulmenţi).

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.

Scopul invenţiei este sporirea eficienţei de conversie a energiei prin majorarea cantităţii de energie utilă obţinută din potenţialul eolian disponibil, determinat de formula:

Pw = 0,5ρAV3, (3)

unde: ρ este densitatea aerului, kg/m3;

A - suprafaţa baleiată de palele rotorului, m2;

V - viteza vântului, 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).

Pentru argumentarea realizării scopului invenţiei prin soluţiile tehnice propuse analizăm caracteristicile de putere P(V) a unui rotor aerodinamic cu diametrul de 8 m.

În acest scop:

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

(4)

unde: ω este viteza unghiulară de rotaţie a rotorului, s -1;

R - raza rotorului, m;

V - viteza vântului, m/s.

Valorile numerice Cp(λ) ale profilurilor aerodinamice comparate sunt prezentate în tab.1, iar interpretarea grafică - în fig. 7.

Tabelul 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

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:

. (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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

Tabelul 2

Valorile numerice ale funcţiei densitate de probabilitate a vitezei vântului, F(V), pentru 12 luni

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

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

pentru profilul 1 şi

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.

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).

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.

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.

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:

Energie termică ETP1 = 45814,8 kWh sau 164,9 GJ,

Energie electrică EEP2 = 38351,3 kWh sau 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.

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.

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).

1. US 4366779 A 1983.01.04

2. MD 4213 B1 2013.03.31

Claims (1)

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:

   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);

   a2 = (0,1…0,15)d1.