PL217317B1 - Wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy, posiadająca turbinę wiatrową i napędzany nią generator elektryczny.

Energia wiatru najczęściej wykorzystywana jest w zgrupowaniach siłowni energetycznych z turbinami wiatrowymi o poziomej osi obrotu wirników śmigłowych. Moc tych siłowni ograniczona jest do kilku MW, co wynika z bardzo dużych wymiarów i ciężaru łopat śmigła oraz generatora wraz z multiplikatorem, zabudowanych w obrotowej głowicy wieżowej konstrukcji wsporczej. Analiza aerodynamiczna dużych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotów wirnika śmigłowego wykazuje sprawność przetwarzania energii wiatru na energię mechaniczną na poziomie poniżej 20%. Głównym powodem tak niskiej sprawności są znaczne wymiary wirnika. Przykładowo, znana siłownia wiatrowa „The Britannia” ₂ ma śmigło o średnicy 150 m, zakreślające przy obrocie okrąg o powierzchni 17662 m². Strumień powietrza przepływający przez taki wirnik składa się z około 20 charakterystycznych stref o powierzch₂ niach przekroju poprzecznego rzędu 800 do 1000 m². Strumienie powietrza w tych strefach różnią się kierunkiem, prędkością, również temperaturą i gęstością powietrza. Podczas ruchu obrotowego poszczególne łopaty wirnika śmigłowego rozpatrywane jako całość oraz w zakresach różnych odcinków promieniowych przemieszczają się w środowiskach o innych parametrach - co istotnie rzutuje na wielkości sił parcia wiatru. Zróżnicowanie to jest szczególnie widoczne przy prędkościach wiatru mniejszych od 10 m/sek.

Znane jest z opisu międzynarodowego zgłoszenia wynalazku WO2009099344 rozwiązanie turbiny wiatrowej z wirnikiem o pionowej osi obrotu łożyskowanym na jednosłupowej konstrukcji wsporczej. Wirnik wyposażany jest w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu. Łopaty połączone są w strefie ich środków ciężkości z wspornikami poziomej ramy wirnika. Każda z łopat ma skrzydło górne i dolne, promieniowo i pod kątem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne skrzydeł mają symetryczny lub wklęsło- wypukły profil aerodynamiczny o malejących w kierunku obu końców długościach cięciw i grubościach profilu. Wzdłużne profilowanie skrzydeł spełnia warunek by długości cięciw profilu na obu końcach skrzydeł i w strefie środkowej były odwrotnie proporcjonalne do promieni ich położenia względem osi obrotu wirnika. Rozwiązanie zapewnia równomierny pobór energii wiatru na długości skrzydeł, poprawia wyważenie i zmniejsza naprężenia ściskające w zewnętrznych warstwach.

Znane są również wiatrowe siłownie energetyczne dużej mocy, w których turbina wiatrowa o pionowej osi obrotów napędza generator pierścieniowy ze stojanem i wirnikiem ukształtowanych w postaci pierścieni o dużej średnicy. Przykładowo, rozwiązanie wiatrowej siłowni energetycznej przedstawione w opisie patentowym US4168439 ma turbinę wiatrową, której rama wirnika o kształcie pierścienia podparta jest na rolkach łożyskowych. Pierścień ramy wirnika jednocześnie stanowi wirnik generatora, który z zewnątrz objęty jest przez pierścień stojana. Na górnej powierzchni pierścienia ramy wirnika zamocowane są jednoskrzydłowe łopaty, promieniowo i pod kątem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Przekroje poprzeczne łopat mają symetryczny profil aerodynamiczny o malejących w kierunku końca długościach cięciw i grubościach profilu. Przy dużych wymiarach występuje niekorzystne sumowanie się oddziaływań; ciężaru jednostronnych, nachylonych łopat, sił odśrodkowych i sił aerodynamicznych - obciążeń, które odbierane są przez pierścieniową ramę wirnika. Podczas ruchu w kierunku pod wiatr siły aerodynamiczne i bezwładności mają jednakowy zwrot, natomiast podczas ruchu z wiatrem mają zwrot przeciwny. W wyniku wytwarzane jest niesymetryczne obciążenie pulsujące pierścieniowej ramy wirnika w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej, deformujące wirnik z niekorzystnym skutkiem w sprawności połączenia obrotowego i skuteczności indukcji elektrycznej generatora.

Siłownia energetyczna według niniejszego wynalazku ma podobnie jak w znanych rozwiązaniach turbinę wiatrową z wirnikiem o pionowej osi obrotu, łożyskowanym na konstrukcji wsporczej i wyposażonym w co najmniej dwie łopaty, symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu. Łopaty są sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika a każda z łopat ma skrzydło górne i dolne, promieniowo i pod katem odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Istota wynalazku polega na tym, że rama wirnika łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym za pomocą wózków kołowych promieniowo-poosiowych. Pierścień oporowy, o wymiarze średnicy zewnętrznej w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania łopat do ramy, podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów wieżowych o wysokości większej od długości skrzydła dolnego łopaty.

PL 217 317 B1

Konstrukcja siłowni według takiego rozwiązania zasadniczo nie ma ograniczeń w zakresie wytwarzanej mocy elektrycznej. Dla prędkości wiatru w zakresie od 4 do 30 m/s osiąga sprawność przetwarzania energii wiatru w energię elektryczna powyżej 60%. Praca turbiny wiatrowej jest stabilna, w poziomej ramie wirnika występują prawie wyłącznie naprężenia rozciągające a wyższa częstość drgań własnych łopat uodparnia wirnik na porywy wiatru.

Korzystnym jest rozwiązanie, w którym turbina ma łopaty połączone z ramą wirnika na co najmniej dwóch średnicach zamocowania, a pierścień oporowy ma średnicę zewnętrzną mniejszą od najmniejszej z średnic zamocowania łopat do ramy.

Korzystnym jest również, gdy generator elektryczny stanowią: zamocowany na pierścieniu centrującym stojan liniowy lub wielobiegunowy oraz wirnik generatora połączony z ramą wirnika.

Przekazanie mocy mechanicznej turbiny wiatrowej może być również korzystnie dokonane w rozwiązaniu siłowni z generatorem elektrycznym posadowionym na podłożu i napędzanym przez przegubowy wał pionowy, górnym końcem zamocowany przez przegub do ramy wirnika w osi obrotu.

Wynalazek przybliżony jest opisem dwóch przykładowych rozwiązań wiatrowych siłowni pokazanych w ujęciu schematycznym na rysunkach. Figury 1 i 2 rysunku przedstawiają pierwszą siłownię w widok z boku i z góry. Fig. 3 i 4 siłownię według drugiego wykonania wynalazku w analogicznych rzutach a fig. 5 - przekrój poprzeczny według linii X-X z fig. 2.

Siłownia z fig. 1 i 2 posiada turbinę wiatrową i napędzany nią generator elektryczny G. Wirnik W turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu ma poziomą ramę 3, utworzoną z pięciu pylonów promieniowo rozstawionych według kąta środkowego 72°. Pylony są sztywno połączone ze sobą końcami w osi obrotu wirnika. Na drugich, zewnętrznych końcach pylonów zamocowane są łopaty 5. Długość pylonu ramy wirnika 3 wyznacza średnicę zamocowania Dł łopat 5. Każda z pięciu łopat 5 ma skrzydło górne 5a i dolne 5b promieniowo i pod kątem a odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika. Rama wirnika 3 łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym 2 za pomocą wózków kołowych 4 promieniowo-poosiowych, co przedstawia fig. 5 rysunku. Pierścień oporowy 2 ma średnicę zewnętrzną Dp równą 0,7 średnicy zamocowania Dł1 łopat 5 i jest podparty na konstrukcji wsporczej złożonej z trzech słupów wieżowych 1, rozstawionych co 120°, o wysokości H większej od długości I2 skrzydła dolnego 5b łopaty 5. Generator elektryczny G jest prądnicą bezwałową, którą stanowią; zamocowany na pierścieniu centrującym 2 wielobiegunowy stojan 6 oraz połączony z ramą wirnika 3 wirnik generatora 7.

Na fig. 3 i 4 pokazana jest siłownia, której turbina wiatrowa ma wirnik W z ośmioma łopatami 5 połączonymi z ramą wirnika 3 na dwóch średnicach zamocowania Dł1 i Dł2, po cztery na każdej średnicy. Rama 3 utworzona jest przez sztywne połączenie w jednej, poziomej płaszczyźnie: czterech promieniowo-prostopadłych pylonów o kształcie równoramiennego krzyża oraz nałożenie na niego kwadratu z prostopadłych do pylonów belek. Łopaty 5 zamocowane są na czterech końcach pylonów krzyża i w czterech narożach kwadratu. Pierścień oporowy 2 ma średnicę zewnętrzną Dp mniejszą od mniejszej średnicy zamocowania Dł1 i łopat 5, korzystnie równą długości boku kwadratu. Podparty jest na czterech słupach wieżowych 1. W tym wykonaniu siłownia ma wirnikowy generator elektryczny G, który posadowiony jest na podłożu i napędzany od turbiny wiatrowej przez pionowy wał 8 Cardana, sprzęgło i przekładnię multiplikatora.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wiatrowa siłownia energetyczna dużej mocy, posiadająca turbinę wiatrową i napędzany przez nią generator elektryczny (G), oraz w której turbina wiatrowa ma wirnik (W) łożyskowany według pionowej osi obrotu na konstrukcji wsporczej, wyposażony w co najmniej dwie, zasadniczo pionowo ukierunkowane łopaty (5), symetrycznie rozmieszczone na obwodzie trajektorii ruchu oraz sztywno połączone w strefie ich środków ciężkości z poziomą ramą wirnika (3), przy czym każda z łopat (5) ma skrzydło górne (5a) i dolne (5b) promieniowo i pod kątem (a) odchylone na zewnątrz od osi obrotu wirnika (W), znamienna tym, że rama wirnika (3) łożyskowana jest na poziomym pierścieniu oporowym (2) za pomocą wózków kołowych (4) promieniowo-poosiowych, przy czym pierścień oporowy (2) o wymiarze średnicy zewnętrznej (Dp) w zakresie od 0,1 do 0,9 średnicy zamocowania (Dł) łopat (5) podparty jest na konstrukcji wsporczej złożonej z co najmniej trzech słupów wieżowych (1), o wysokości (H) większej od długości (I2) skrzydła dolnego (5b) łopaty (5).

   PL 217 317 B1
2. 2. Siłownia według zastrz. 1, znamienna tym, że łopaty (5) połączone są z ramą wirnika (3) na co najmniej dwóch średnicach zamocowania (Dł1, Dł2) a pierścień oporowy (2) ma średnicę zewnętrzną (Dp) mniejszą od najmniejszej z średnic zamocowania (Dł1).
3. 3. Siłownia według zastrz.1 albo 2, znamienna tym, że generator elektryczny (G) stanowią: stojan (6) liniowy lub wielobiegunowy, zamocowany na pierścieniu centrującym (2) oraz wirnik generatora (7) połączony z ramą wirnika (3).
4. 4. Siłownia według zastrz.1 albo 2, znamienna tym, że generator elektryczny (G) posadowiony jest na podłożu i napędzany przez przegubowy wał pionowy (8), górnym końcem zamocowany do ramy wirnika (3) w osi obrotu.