PL249239B1

PL249239B1 - A complex for generating and transmitting electricity, especially for the coastal zone of the sea and large water reservoirs.

Info

Publication number: PL249239B1
Application number: PL442274A
Authority: PL
Inventors: Jarosław Mikuła; Wojciech Grzegorzek; Daniel Adamecki; Grzegorz Głuszek; Stanisław Mikuła
Original assignee: Politechnika Slaska Im Wincent
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2026-03-16
Also published as: PL442274A1

Abstract

Siłownia wiatrowa posiadająca wiele jednostek autonomicznych zgrupowanych w system, z których każdy zawiera wieżę wyposażoną w wirnik charakteryzuje się tym, że ma co najmniej trzy jednostki autonomiczne połączone w strukturę równoległej charakterystyce, połączone ze sobą w jeden system generowania i przesyłu energii elektrycznej, z których każdy zawiera wieżę mającą budowę kratownic wykonanych z segmentów sprzęgniętych ze sobą stężeniami prętowymi (6), wyposażone są w wirnik (3) łożyskowany w łożyskach ślizgowych (5) z tocznym wspomaganiem rozruchu i wybiegu, osadzony trwale pionowo na obrotowej osi ułożyskowanej na wale (9) o pionowej osi obrotu, do którego osiowo zamocowane są górne i/lub dolne tarcze (12) o profilu aerodynamicznym, wypuklej powierzchni w postaci zwieńczenia, pomiędzy którymi osadzone są profilowe łopatki (11) w liczbie od 3 do 6, usytuowane pod kątem α = 10 ÷ 20° względem wirnika (3), zawierające w środkowej części wzmocnienia w postaci grzbietu łopatki, podpory wieży (1) są mocowane do fundamentów (2) za pomocą połączeń śrubowych.A wind turbine having a number of autonomous units grouped into a system, each of which includes a tower equipped with a rotor, is characterized in that it has at least three autonomous units connected in a structure with parallel characteristics, connected together into one system for generating and transmitting electricity, each of which includes a tower having a truss structure made of segments coupled with each other by rod bracings (6), equipped with a rotor (3) bearing in slide bearings (5) with rolling start-up and run-down support, mounted permanently vertically on a rotary axis mounted on a shaft (9) with a vertical axis of rotation, to which upper and/or lower discs (12) with an aerodynamic profile are axially attached, with a convex surface in the form of a crown, between which profile blades (11) are mounted, in number from 3 to 6, located at an angle α = 10 ÷ 20° with respect to the rotor (3), containing reinforcements in the form of a ridge in the central part blades, tower supports (1) are attached to the foundations (2) by means of bolted connections.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, zwłaszcza dla przybrzeżnej strefy morza i dużych zbiorników wodnych mający zastosowanie szczególnie do instalowania na morzu i w jego strefie przybrzeżnej, oraz na dużych jeziorach zwłaszcza tych, na których dominują wiatry o umiarkowanej prędkości.The subject of the invention is an assembly for generating and transmitting electrical energy, especially for the coastal zone of the sea and large water reservoirs, applicable in particular to installations at sea and in its coastal zone, and on large lakes, especially those where moderate wind speeds dominate.

Dotychczas znane są siłownie wiatrowe mające postać wysokich wież z wirnikami o poziomej osi obrotu oraz łopatkami najczęściej w liczbie trzech o długości sięgającej dziesiątków metrów.So far, wind turbines have been known in the form of tall towers with rotors with a horizontal axis of rotation and blades, usually three in number, reaching tens of meters in length.

Z literatury nie-patentowej, monografia Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. WNT, Warszawa 2006, znane są siłownie wiatrowe instalowane w postaci tzw. farm wiatrowych, mające postać bardzo złożonych i kosztownych instalacji; których montaż w szczególności na morzu jest utrudniony ze względu na konieczność stosowania pływających dźwigów o dużym wysięgu, pracujących przy ograniczonej wysokości fal morskich. Złożoność budowy powyższych siłowni wiatrowych wynika z wyposażania ich w specjalne systemy zmiany płaszczyzny obrotów wirnika, uzależnionych od zmian kierunku wiatru. Duża długość łopat wirnika powoduje, że jego prędkość obrotowa w typowych warunkach wietrznych jest niewielka, co wymusza stosowanie przekładni mechanicznych, najczęściej zębatych o wielu stopniach przełożenia, w celu dostosowania prędkości obrotowej wirnika do wymagań generatorów prądu. Duża liczba stopni przekładni powoduje, że spada jej sprawność mechaniczna, co pogarsza efektywność wykorzystania energii wiatru i wymusza chłodzenie przekładni. Jako że są to układy o dużej mocy jednostkowej, to w przypadku awarii następuje utrata dużej części ogólnej mocy systemu, co przyczynia się do znacznego obniżenia niezawodności zasilania w energię elektryczną. Wysokie słupy i długie łopaty wirników o znacznym wytężeniu wytrzymałościowym stwarzają duże zagrożenie bezpieczeństwa. Zmęczeniowe złamanie nawet pojedynczej łopaty unieruchamia całkowicie jednostkę. Ponadto istnieją problemy z recyklingiem zniszczonych i wycofanych z eksploatacji łopat, wytwarzanych z materiałów kompozytowych. Epoksydowe tworzywo łopat ulega łatwo elektryzowaniu się pod wpływem tarcia strumienia powietrza, co powoduje zagrożenie uderzenia pioruna i wywołanie pożaru wirnika.From the non-patent literature, the monograph by Lubośny Z.: Wind turbines in the power system. WNT, Warsaw 2006, wind turbines installed as so-called wind farms are known. They are highly complex and expensive installations; their installation, particularly offshore, is difficult due to the need to use floating cranes with long reach, operating at limited wave heights. The complexity of these wind turbines stems from their use of special systems for changing the rotor rotation plane, which are dependent on changes in wind direction. The long length of the rotor blades causes its rotational speed to be low in typical wind conditions, which necessitates the use of mechanical gearboxes, usually toothed gears with multiple gear ratios, to adapt the rotor rotational speed to the requirements of the power generators. The large number of gearbox stages reduces its mechanical efficiency, which reduces the efficiency of wind energy utilization and requires gearbox cooling. Since these systems have a high specific power, in the event of a failure, a large portion of the system's overall power is lost, significantly reducing the reliability of the electricity supply. The high poles and long, highly stressed rotor blades pose a significant safety risk. Fatigue fracture of even a single blade completely disables the unit. Furthermore, recycling damaged and decommissioned blades made from composite materials is problematic. The epoxy material of the blades is easily electrified by friction in the airflow, creating a risk of lightning strikes and rotor fires.

Z amerykańskiego opisu patentowego US6294844 znana jest sztuczna wyspa z kratownicą, która jest unoszona na pływających platformach, gdzie jedna platforma jest zamocowana do dna i ma osadzone łożysko o pionowej osi obrotu dla innych platform pływających, przy czym na sztucznej wyspie z kratownicą umieszczone są siłownie wiatrowe elektrowni wiatrowej.The American patent description US6294844 describes an artificial island with a truss that is floated on floating platforms, where one platform is attached to the bottom and has a bearing with a vertical axis of rotation for other floating platforms, and wind turbines of a wind power plant are placed on the artificial island with a truss.

Z opisu patentowego GB2425153A znana jest turbina wiatrowa składająca się z co najmniej jednego wirnika napędzanego wiatrem, sprzężonego z generatorem elektrycznym i podtrzymywanego przez kratową wieżę w postaci słupa energetycznego. Oś wirnika/wirników turbiny może być wyrównana z osią podłużną (pionową) wieży. Alternatywnie lub dodatkowo wirnik(i) turbiny mogą być umieszczone wewnątrz kratowej wieży. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie wirnika/wirników turbiny na zewnątrz wieży. Ponadto można zastosować kilka wirników, z których każdy wirnik może obracać się niezależnie i jest sprzężony z oddzielnym generatorem. Każdy wirnik turbiny może być sprzężony z dwoma generatorami, po jednym na każdym końcu osi obrotu. Łopatki wirnika turbiny mogą mieć kształt zakrzywiony lub płaski.Patent GB2425153A discloses a wind turbine comprising at least one wind-driven rotor coupled to an electric generator and supported by a lattice tower in the form of a power pole. The axis of the turbine rotor(s) may be aligned with the longitudinal (vertical) axis of the tower. Alternatively, or additionally, the turbine rotor(s) may be located within the lattice tower. Another solution is to place the turbine rotor(s) outside the tower. Furthermore, multiple rotors may be used, each rotor capable of rotating independently and coupled to a separate generator. Each turbine rotor may be coupled to two generators, one at each end of the rotation axis. The turbine rotor blades may be curved or flat.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie konstrukcji siłowni wiatrowej o zdecydowanie zwiększonej niezawodności eksploatacyjnej i zmniejszonej wrażliwości na zakłócenia w działaniu w stosunku do znanego stanu techniki.The technical issue that requires a solution is to develop a wind turbine design with significantly increased operational reliability and reduced sensitivity to operational disruptions compared to the known state of the art.

Cel ten osiągnięto przez deglomerację procesu wytwarzania energii elektrycznej w wielu jednostkach autonomicznych, połączonych w funkcjonalne grupy o równoległej strukturze niezawodnościowej jednostek i wyposażonych we wspólny tor regulacji i przesyłu do strefy lądowej wytwarzanej energii elektrycznej.This goal was achieved by deglomerating the electricity generation process in many autonomous units, combined into functional groups with a parallel reliability structure of units and equipped with a common regulation and transmission path to the onshore zone of the generated electricity.

Siłownia wiatrowa posiada dużą liczbę jednakowych, autonomicznych jednostek zgrupowanych w jeden zespół. Każda jednostka autonomiczna jest wyposażona w indywidualny wirnik turbinowy z łopatkami skośnymi, osadzonymi w tarczach mocowanych na pionowych wałach, korzystnie rurowych, które napędzają indywidualne generatory prądu elektrycznego.A wind turbine turbine consists of a large number of identical, autonomous units grouped into a single unit. Each autonomous unit is equipped with an individual turbine rotor with skewed blades mounted in discs mounted on vertical shafts, preferably tubular, which drive individual electric generators.

Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, zwłaszcza dla przybrzeżnej strefy morza i dużych zbiorników wodnych obejmujący wiele jednostek autonomicznych, z których każda wyposażona jest w wieżę o budowie kratownicowej osadzoną w fundamencie, na której zainstalowany jest wirnik osadzony na wale, współpracujący poprzez przekładnię z generatorem prądu elektrycznego mocowanym do podestu charakteryzuje się tym, że każda jednostka autonomiczna zawiera wieże o budowie kratownicowej, których sąsiadujące kratownice są ze sobą trwale połączone stężeniami prętowymi, przy czym każda wieża jest zamontowana do fundamentu za pomocą połączeń śrubowych, na wieży umiejscowiony jest wirnik turbinowy trwale zamontowany na wale, który stanowi integralną część wirnika turbinowego i obraca się razem z nim, przy czym do wału zamocowane są dolne i górne łopatki w liczbie od trzech do sześciu, nachylone pod kątem a = 10 + 20° względem dolnej i górnej tarczy, które są usytuowane prostopadle do wału z wyprofilowanymi na zewnątrz zwieńczeniami, pomiędzy którymi osadzone są łopatki zawierające w środkowej części wzmocnienia w postaci wyprofilowanego grzbietu łopatki wypełnionego metalową wkładką, natomiast generator prądu elektrycznego zintegrowany z przekładnią jest trwale zamocowany do podestu.An assembly for generating and transmitting electricity, especially for the coastal zone of the sea and large water reservoirs, comprising a plurality of autonomous units, each of which is equipped with a tower of a lattice structure mounted in a foundation, on which a rotor mounted on a shaft is installed, cooperating through a gearbox with an electric current generator attached to a platform, is characterized in that each autonomous unit comprises towers of a lattice structure, the adjacent trusses of which are permanently connected to each other by means of rod bracings, wherein each tower is mounted to the foundation by means of bolted connections, on the tower there is a turbine rotor permanently mounted on a shaft, which constitutes an integral part of the turbine rotor and rotates together with it, wherein three to six lower and upper blades are attached to the shaft, inclined at an angle a = 10 + 20° with respect to the lower and upper disc, which are situated perpendicularly to the shaft with externally profiled fins, between which blades are mounted containing in the middle reinforcement part in the form of a profiled blade spine filled with a metal insert, while the electric current generator integrated with the gearbox is permanently attached to the platform.

Korzystnie zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku ma wał i generator prądu elektrycznego zintegrowany z przekładnią, które są zabezpieczone osłoną teleskopową, która w dolnej części ma ustalone łożysko poprzeczne z panewką samosmarującą.Preferably, the electrical energy generation and transmission unit according to the invention has a shaft and an electric current generator integrated with a transmission, which are protected by a telescopic cover, which in the lower part has a fixed cross-bearing with a self-lubricating bushing.

Korzystnie zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku ma łopatki wykonane ze stali nierdzewnej lub ze stopów lekkich.Preferably, the electrical energy generation and transmission assembly according to the invention has blades made of stainless steel or light alloys.

Korzystnie zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku ma zwieńczenie wykonane z lekkiego tworzywa sztucznego.Preferably, the electrical energy generation and transmission assembly according to the invention has a top made of lightweight plastic.

Korzystnie w zespole generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku zwieńczenie posiada pierścienie rozporowe łączące dolną i górną tarczę z wałem.Preferably, in the assembly for generating and transmitting electrical energy, according to the invention, the top has spacer rings connecting the lower and upper discs with the shaft.

Korzystnie w zespole generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku grzbiet łopatki jest usztywniony metalową wkładką mocowaną wewnątrz profilu łopatki za pomocą zgrzein, nitów lub klejenia.Preferably, in the electrical energy generation and transmission assembly, according to the invention, the blade spine is stiffened with a metal insert fastened inside the blade profile by means of welds, rivets or gluing.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przykładowe ukształtowanie zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej składającej się z kilku jednostek autonomicznych, połączonych ze sobą prętowymi stężeniami, Fig. 2 przedstawia przykładowe rozmieszczenia w grupach jednostek autonomicznych, Fig. 3 przedstawia pojedynczą jednostkę autonomiczną zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej, a Fig.4 przedstawia uformowanie wirnika o pionowej osi obrotu z dwoma tarczami odciążającymi łożyskowanie wzdłużne wału turbogeneratora każdej z jednostek autonomicznych zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej, zaś Fig. 5 przedstawia szczegółową budowę osłony generatora prądu elektrycznego.The subject of the invention in an example embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows an exemplary configuration of an electric energy generation and transmission assembly consisting of several autonomous units connected with each other by rod bracings, Fig. 2 shows exemplary arrangements of autonomous units in groups, Fig. 3 shows a single autonomous unit of an electric energy generation and transmission assembly, and Fig. 4 shows the configuration of a rotor with a vertical axis of rotation with two discs relieving the axial bearing of the turbogenerator shaft of each of the autonomous units of the electric energy generation and transmission assembly, while Fig. 5 shows a detailed structure of the electric current generator cover.

Wieże (1) zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej, zmontowane z prętów wykonanych z profili walcowanych i połączonych śrubami, są zakotwione w indywidualnych dla każdej jednostki, zatopionych na dnie fundamentach (2), korzystnie z prefabrykowanych fundamentów pierścieniowych. Na szczycie każdej z wież (1) jest zainstalowany podest turbiny (7), zabezpieczony dookólną barierką. Na pionowych wałach (9), zawieszonych na specjalnych wzdłużno-poprzecznych łożyskach ślizgowych (5), zamontowane są wirniki turbinowe (3), korzystnie wyposażone w skośne łopatki (11) i tarcze (12) o aerodynamicznym profilu bocznym. Wszystkie wieże (1) jednostek autonomicznych tworzących grupę są ze sobą mocno połączone zastrzałowymi stężeniami (6) w postaci prętów z profili walcowanych. Dzięki temu połączeniu grupa wież stanowi sztywną, wytrzymałą konstrukcję przestrzenną o pełnej odporności na napór fal morskich i wiatru, niezależnie od ich kierunku i intensywności. Dolne końce pionowych wałów (9) są sprzęgnięte poprzez rozłączne sprzęgła z generatorami prądu elektrycznego. Dla dostosowania prędkości obrotowej wałów do wymagań generatorów zostały użyte opcjonalnie przekładnie mechaniczne o odpowiednim przełożeniu. Fig. 2 przedstawia wybrane przykłady sposobu rozmieszczenia wież w danej grupie, w sposób zapewniający dostęp obsługi do każdej z wież. Wieże (1) zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej mogą liczyć przykładowo 3, 4 lub 6 podpór w zależności od wymaganej wysokości wieży (1), głębokości morza i rozmiarów wirników turbinowych. Przykładowe rozmieszczenie wież (1) obejmuje 4, 6, 8 lub 9 wież stanowiących grupę jednostek wzajemnie połączonych fizycznie i funkcjonalnie w jeden system wytwarzania, regulacji i przesyłu energii elektrycznej do strefy lądowej. Dostęp obsługi do podestów turbin (7) i podestów generatorów prądu elektrycznego (10) dla potrzeb bieżącej obsługi odbywa się za pomocą drabin z obręczowymi zabezpieczeniami (8) z poziomu małych jednostek pływających, w tym np. łodzi motorowych. Dogodne do użytku położenie drabinki przedstawiono na fig. 3, stanowiącej przykład wieży z jej pełnym wyposażeniem technicznym.The towers (1) of the electricity generation and transmission unit, assembled from rolled profile bars connected with bolts, are anchored to individual, submerged foundations (2) for each unit, preferably prefabricated ring foundations. A turbine platform (7) is installed at the top of each tower (1), secured by a 360-degree railing. Turbine rotors (3), preferably equipped with inclined blades (11) and discs (12) with an aerodynamic lateral profile, are mounted on vertical shafts (9), suspended from special longitudinal-transverse slide bearings (5). All towers (1) of the autonomous units comprising the group are firmly connected by braced braces (6) made of rolled profile bars. This connection ensures that the group of towers forms a rigid, durable spatial structure with full resistance to sea wave and wind pressure, regardless of their direction and intensity. The lower ends of the vertical shafts (9) are coupled to the electric generators via detachable clutches. Optional mechanical gears with appropriate ratios are used to adjust the shaft rotational speed to the generator requirements. Fig. 2 shows selected examples of tower arrangement in a given group, ensuring service access to each tower. The towers (1) of the electricity generation and transmission unit may have, for example, 3, 4, or 6 supports, depending on the required tower height (1), sea depth, and turbine rotor size. An example arrangement of towers (1) includes 4, 6, 8, or 9 towers constituting a group of units interconnected physically and functionally into a single system for generating, regulating, and transmitting electricity to the onshore zone. Service access to the turbine platforms (7) and the electric generator platforms (10) for ongoing maintenance is provided via ladders with hoop protection (8) from small vessels, including motorboats. A convenient position for the ladder is shown in Fig. 3, which is an example of a tower with its full technical equipment.

Podpory wieży (1) są mocowane do zakotwionych fundamentów (2) przy zastosowaniu połączeń śrubowych (20). Do podestu turbiny (7) i podestu generatora prądu elektrycznego (10) obsługa ma dostęp przez właz (17) z użyciem drabiny inspekcyjnej (13) z obręczowym zabezpieczeniem (8). Wał (9) i generator prądu (4), korzystnie zintegrowany z przekładnią, są zabezpieczone specjalną osłoną teleskopową (15), w której części dolnej ustalone jest proste łożysko poprzeczne (14), korzystnie z panewką samosmarującą. Dolna część osłony teleskopowej (15) jest mocowana do podestu generatora prądu elektrycznego (10).The tower supports (1) are attached to the anchored foundations (2) using bolted connections (20). The turbine platform (7) and the electric generator platform (10) are accessible to the operator through a hatch (17) using an inspection ladder (13) with a hoop protection (8). The shaft (9) and the electric generator (4), preferably integrated with the gearbox, are protected by a special telescopic cover (15), in the lower part of which a simple journal bearing (14), preferably with a self-lubricating bushing, is mounted. The lower part of the telescopic cover (15) is attached to the electric generator platform (10).

Szczegół osłony teleskopowej (15) generatora prądu (4) przedstawia fig. 5. Osłona teleskopowa (15) wykonana z tworzywa sztucznego zabezpiecza wał (9) i generator prądu (4) zintegrowany z przekładnią przed niekorzystnym wpływem warunków atmosferycznych. Wytwarzany przez generator prądu (4) prąd elektryczny jest przesyłany z wieży (1) kablem (16) mocowanym uchwytami (18) i chronionym w miejscach newralgicznych osłonami (19). Kable elektryczne wszystkich jednostek autonomicznych stanowiących grupę są połączone razem i poprowadzone po dnie morskim w jeden wspólny tor regulacji i przesyłu energii do strefy lądowej.A detail of the telescopic cover (15) of the power generator (4) is shown in Fig. 5. The telescopic cover (15) made of plastic protects the shaft (9) and the power generator (4) integrated with the gearbox against adverse weather conditions. The electric current generated by the power generator (4) is transmitted from the tower (1) via a cable (16) secured with brackets (18) and protected in critical areas by covers (19). The electric cables of all autonomous units constituting the group are connected together and routed along the seabed into a single common power regulation and transmission path to the land zone.

Przykładową budowę wirnika turbinowego o pionowej osi obrotu przedstawia fig. 4. Między dwoma jednakowymi, sztywnymi tarczami (12) mocowane są profilowe łopatki (11); korzystnie w liczbie od 3 do 6. W środkowej części łopatek (11), wykonanych korzystnie ze stali nierdzewnej lub ze stopów lekkich, znajdują się wzmocnienia w postaci wyprofilowanego grzbietu, który dodatkowo może być usztywniony wkładką (22) połączoną z grzbietem łopatki (11a) zgrzeinami punktowymi, nitami lub klejem. Grzbiet łopatki (11 a), poza funkcją wzmocnienia i usztywnienia powoduje, że bierna strona łopatek zyskuje korzystny aerodynamiczny kształt, co zmniejsza opory ruchu, gdy łopatki w części swojej drogi ruchu wykonują ruch pod wiatr.An example construction of a turbine rotor with a vertical axis of rotation is shown in Fig. 4. Profiled blades (11) are mounted between two identical, rigid discs (12); preferably 3 to 6 in number. In the central part of the blades (11), preferably made of stainless steel or light alloys, there is reinforcement in the form of a profiled spine, which can be additionally stiffened with an insert (22) connected to the blade spine (11a) by spot welds, rivets or glue. The blade spine (11a), in addition to its strengthening and stiffening function, causes the passive side of the blades to gain a favorable aerodynamic shape, which reduces motion resistance when the blades move against the wind in part of their travel.

Wkładka (22) może być płaska (Fig. 4) lub korzystniej trójkątna w przekroju, co spowoduje bardziej aerodynamiczny kształt łopatki po stronie biernej. Łopatki (11) względem osi obrotu wirnika turbinowego (3) są usytuowane pod kątem a o wartości 10 + 20°. Służy to zwiększeniu równomierności ruchu obrotowego wirnika (3). Napór wiatru w postaci ciśnienia działającego na skośne łopatki powoduje, że siła naporu N rozkłada się na składową poziomą naporu R tworzącą moment obrotowy oraz składową pionową naporu Pw1 dającą siłę wzdłużną skierowaną do góry. Powoduje to, że podczas pracy wirnika turbinowego (3) odciążane jest częściowo łożysko wzdłużno-poprzeczne (5) od działania siły ciężkości wirnika turbinowego (3) i wału (9). Dodatkowe odciążenie wzdłużne łożyska (5) uzyskiwane jest dzięki wypukłemu ku górze zwieńczeniu (12a) tarcz (12). Wypukłe zwieńczenie (12a) wykonane np. z termoplastycznego tworzywa sztucznego nadaje tarczom (12) korzystny aerodynamiczny boczny kształt. Przepływ wiatru w strefie tarcz (12) tworzy siły nośne Pw1 i Pw2 zgodnie z prawem Bernoulliego (por. fig. 4). Górne zwieńczenie (12a) służy dodatkowo ochronie połączenia wirnika turbinowego (3) z wałem (9) za pomocą pierścienia rozporowego (21) przed niekorzystnym wpływem atmosferycznym. Dwa pierścienie rozporowe (21) łączące obie tarcze (12) górną i dolną z wałem (9), zapewniają mocne, bezluzowe połączenie, dobrze przenoszące moment obrotowy i siły wzdłużne. Są też bardzo dogodne do montażu i demontażu wirnika turbinowego (3) na wale (9). Wał (9) podczas prac montażowych wirnika turbinowego (3) jest dogodnie zawieszany na specjalnym łożysku wzdłużno-poprzecznym (5). Łożysko wzdłużno-poprzeczne (5) o ślizgowym smarowaniu hydrodynamicznym w trakcie rozruchu i podczas wybiegu, gdy prędkość obrotowa nie zapewnia pełnego smarowania płynnego, jest wspomagane dodatkowym łożyskiem tocznym. Powoduje to, że opory ruchu w trakcie rozruchu są wydatnie zmniejszone, dzięki czemu wirnik zaczyna pracę już przy małej prędkości wiatru. Zmniejszenie oporów ruchu przy rozruchu i podczas pełnej pracy jest dodatkowo wspomagane dzięki odciążającemu działaniu sił Pw1, Pw2 i Pw3. Służy to zdecydowanej poprawie sprawności energetycznej siłowni i pełniejszemu wykorzystaniu energii wiatru.The insert (22) may be flat (Fig. 4) or, more preferably, triangular in cross-section, which will result in a more aerodynamic blade shape on the passive side. The blades (11) are positioned at an angle a of 10 + 20° relative to the axis of rotation of the turbine rotor (3). This serves to increase the uniformity of the rotor's (3) rotational motion. The wind pressure in the form of pressure acting on the oblique blades causes the thrust force N to be divided into a horizontal thrust component R, which creates a torque, and a vertical thrust component Pw1, which produces an upward longitudinal force. This causes the axial-lateral bearing (5) to be partially relieved from the gravity force of the turbine rotor (3) and shaft (9) during operation. Additional longitudinal relief of the bearing (5) is achieved by the upwardly convex top (12a) of the discs (12). A convex crown (12a), made of, for example, thermoplastic, gives the discs (12) a favorable aerodynamic lateral shape. The wind flow in the area of the discs (12) creates lift forces Pw1 and Pw2 in accordance with Bernoulli's principle (see Fig. 4). The upper crown (12a) additionally serves to protect the connection of the turbine rotor (3) to the shaft (9) by means of a spacer ring (21) from unfavorable weather influences. Two spacer rings (21) connecting both the upper and lower discs (12) to the shaft (9) ensure a strong, backlash-free connection that effectively transmits torque and longitudinal forces. They are also very convenient for mounting and dismounting the turbine rotor (3) on the shaft (9). The shaft (9) is conveniently suspended on a special axial-radial bearing (5) during assembly work on the turbine rotor (3). The hydrodynamically lubricated thrust-bearing (5) is supported by an additional rolling bearing during start-up and coast-down, when the rotational speed does not provide full liquid lubrication. This significantly reduces starting resistance, allowing the rotor to start operating even at low wind speeds. This reduction in starting resistance and during full operation is further enhanced by the relieving effects of forces Pw1, Pw2, and Pw3. This significantly improves the turbine's energy efficiency and allows for more complete utilization of wind energy.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest duża niezawodność dzięki zastosowaniu wielu jednostek autonomicznych połączonych równolegle, wysoka sprawność energetyczna umożliwiająca pełniejsze wykorzystanie wiatru, łatwość montażu, obniżone koszty budowy oraz ułatwiona obsługa w toku eksploatacji. Wysoka sprawność energetyczna jest efektem optymalnego ukształtowania łopatek wirnika, w tym zwłaszcza zmniejszenia oporów ruchu łopatek po stronie biernej, gdy łopatki w części swojej drogi mchu wykonują ruch pod wiatr, zminimalizowania strat energii w łożyskowaniach wałów w całym zakresie prędkości obrotowej, możliwości pracy wirników nawet przy zmniejszonej prędkości wiatru i odciążającej łożyskowania funkcji wypukłych ku górze zwieńczeń tarcz nośnych wirników. Łącznie służy to zwiększeniu efektywności wykorzystania energii wiatru, a więc wzrostowi sprawności energetycznej siłowni.The advantages of the solution according to the invention include high reliability thanks to the use of multiple autonomous units connected in parallel, high energy efficiency enabling fuller utilization of wind power, ease of installation, reduced construction costs, and simplified maintenance during operation. This high energy efficiency is a result of the optimal shape of the rotor blades, particularly the reduction of the blades' motion resistance on the passive side when the blades move against the wind during part of their travel, minimization of energy losses in the shaft bearings throughout the entire speed range, the ability of the rotors to operate even at reduced wind speeds, and the load-reducing function of the upwardly convex tops of the rotor support discs. Together, this serves to increase the efficiency of wind energy utilization, and thus the energy efficiency of the turbine.

W porównaniu do farm wiatrowych znanych ze stanu techniki rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie lepszego wykorzystania zajmowanego terenu, dając większą gęstość uzyskiwanej mocy licząc na km² terenu. Ponadto zespoły generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku mogą być instalowane w miejscu, gdzie ze względu bezpieczeństwa żeglugowego nie można instalować znanych ze stanu techniki farm wiatrowych. Instalowane mogą być w przybrzeżnej strefie morza, na dużych jeziorach oraz na lądzie, gdzie istnieją prawne ograniczenia ze względów bezpieczeństwa i uciążliwości dla ludności, gdyż cechują się zdecydowanie mniejszą hałaśliwością i ograniczonym zagrożeniem dla dużych ptaków. Ich wykorzystanie pozwala na uzyskanie dużych efektów technicznych, ekonomicznych i środowiskowych.Compared to prior art wind farms, the solution proposed by the invention allows for better utilization of the occupied area, providing higher power density per ^square kilometer. Furthermore, the electricity generation and transmission units proposed by the invention can be installed in locations where, for navigational safety reasons, prior art wind farms cannot be installed. They can be installed in coastal areas, on large lakes, or on land where legal restrictions exist for safety and public nuisance reasons, as they are characterized by significantly lower noise levels and a limited risk to large birds. Their use allows for significant technical, economic, and environmental benefits.

W rozwiązaniu według wynalazku zwiększenie niezawodności uzyskano przez deglomerację wytwarzania energii, polegającej na jednoczesnym wytwarzaniu energii w dużej liczbie mniejszych jednostek autonomicznych połączonych ze sobą w jeden system generowania i przesyłu energii elektrycznej. Liczne jednostki autonomiczne są połączone równolegle w strukturę charakteryzującą się wysoką niezawodnością eksploatacyjną. Równoległa struktura niezawodnościowa złożona z wielu jednakowych, powtarzalnych i autonomicznych jednostek ze swej istoty cechuje się bardzo małą podatnością na zakłócenia, co zapewnia jej wysoką ogólną zdatność eksploatacyjną.In the solution proposed by the invention, increased reliability is achieved through deglomeration of energy generation, which involves simultaneous energy generation in a large number of smaller autonomous units interconnected into a single electricity generation and transmission system. Numerous autonomous units are connected in parallel to form a structure characterized by high operational reliability. A parallel reliability structure composed of many identical, repeatable, and autonomous units is inherently characterized by very low susceptibility to disruptions, ensuring high overall operational reliability.

Wieże są zbudowane ze stalowych walcowanych kształtowników na wzór słupów energetycznych wysokiego napięcia. Łączone są na miejscu instalowania połączeniami śrubowymi, co ułatwia ich montaż, późniejszy demontaż i modyfikację oraz ewentualną rozbudowę, nawet w toku trwającej eksploatacji siłowni. Wieże te zestawione w grupy są instalowane blisko siebie z łatwym dostępem do każdej z nich, nawet z niewielkich jednostek pływających, w tym np. łodzi motorowych. Posadowienie wież na dnie morskim polega na mocowaniu ich połączeniem śrubowym do żelbetowych prefabrykowanych fundamentów, wykonywanych korzystnie w kształcie pierścieniowym, zatopionych w morzu w strefie przybrzeżnej.The towers are constructed from rolled steel sections, modeled after high-voltage power lines. They are connected on-site with bolted connections, facilitating assembly, subsequent disassembly, modification, and potential expansion, even during the plant's operation. These towers are grouped together and installed close together, providing easy access to each of them, even from small vessels, including motorboats. The towers are mounted on the seabed using bolted connections to prefabricated reinforced concrete foundations, preferably in a ring shape, immersed in the sea near the shore.

Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku może mieć postać układu punktowego w formie zestawu wielu modułów podstawowych siłowni, usytuowanych jeden nad drugim na jednej pionowej osi obrotowej konstrukcji nośnej, albo postać układu liniowego w formie zestawu wielu modułów podstawowych siłowni usytuowanych w linii jeden obok drugiego.The electrical energy generation and transmission unit according to the invention may have the form of a point system in the form of a set of many basic power plant modules, located one above the other on one vertical axis of rotation of the supporting structure, or a linear system in the form of a set of many basic power plant modules located in a line one next to the other.

Claims

Patent claims

1. An assembly for generating and transmitting electric energy, especially for the coastal zone of the sea and large water reservoirs, comprising a plurality of autonomous units, each of which is equipped with a tower of a lattice structure mounted in a foundation, on which a rotor mounted on a shaft is installed, cooperating through a gear with an electric current generator attached to a platform, characterized in that each autonomous unit comprises towers (1) of a lattice structure, the adjacent trusses of which are permanently connected with each other by means of rod braces (6), wherein each tower (1) is mounted to the foundation (2) by means of bolted connections (20), a turbine rotor (3) is located on the tower (1), permanently mounted on a shaft (9), which constitutes an integral part of the turbine rotor (3) and rotates together with it, wherein three to six lower and upper blades (11) are attached to the shaft (9), inclined at an angle a = 10 + 20° with respect to the lower and upper disc (12), which are situated perpendicularly to the shaft (9) with externally profiled finials (12a), between which blades (11) are mounted, containing in the central part reinforcements in the form of a profiled blade spine (11a) filled with a metal insert (22), while the electric current generator (4) integrated with the gearbox is permanently attached to the platform (10).

2. An assembly for generating and transmitting electric energy, according to claim 1, characterized in that the shaft (9) and the electric current generator (4) integrated with the transmission are protected by a telescopic cover (15), which in its lower part has a fixed cross-bearing (14) with a self-lubricating bushing.

3. An assembly for generating and transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the blades (11) are made of stainless steel or light alloys.

4. An assembly for generating and transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the top (12a) is made of a light plastic material.

5. An assembly for generating and transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the top (12a) has spacer rings (21) connecting the lower and upper discs (12) with the shaft (9).

6. An assembly for generating and transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the blade back (11a) is stiffened with a metal insert (22) fastened inside the blade profile by means of welds, rivets or gluing.