RO125330A2 - Turbină eoliană intubată cu ax vertical - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o turbină eoliană întubată, cu ax vertical, folosită pentru conversia energiei vântului cu viteză mică în energie electrică. Turbina conform invenţiei este montată într-un tronson (2) şi este fixată pe un suport (9) articulat prin intermediul unei articulaţii (12) de o structură (11) de bază, rigidizat cu nişte contravântuiri (10), fiind dotată cu nişte traductoare (14 şi 33), nişte concentratoare de energie constituite dintr-un tronson (1) de admisie şi tronsonul (2) amintit, nişte aparate (4) directoare, o suprafaţă (f) divergentă a tronsonului (2) amintit şi o secţiune (e) de evacuare, definită de nişte tronsoane (7 şi 8) de accelerare care reduc presiunea statică a aerului şi aduc un aport suplimentar de energie cinetică.

Description

|ORCiUL OL· STAT PENTRU INVENȚII Și MĂRC|( Cerere d® brevet de invenție

Ο^ρο^'Τ™-» .....

TURBINA EOLIANA INTUBATA CU AX VERTICAL

Invenția se refera la o turbina eoliana cu ax vertical care produce conversia energiei vîntului cu viteză mică în energie electrică.

Se cunoaște o turbina de vînt cu ax vertical (US 7116006 B2) cu tronson de admisie a aerului orinetabil după direcția vîntului, cu o turbină multietajată care are montată pe pale componentele unui generator electric și un tronson de evacuare a aerului din turbina orientabil, plasat sub tronsonul de admisie.

Se mai cunoaște o turbină de vînt cu ax vertical (4838757) care utilizează un rotor tip Savonius și palete deflectoare pentru dirijarea vîntului în turbină.

Se mai cunoaște o turbină de vînt (dezvoltată de INCREST-Romania) cu ax vertical cu rotor cu pale radiale plane și aparat director pentru dirijarea vîntului constituit din pale profilate poziționate în jurul rotorului pe toată circumferința.

Se mai cunoaște o turbină eolină cu ax vertical (US 7126335B2) cu pale profilate aerodinamic, de tip Darrieus, fixate radial de o structura verticală de susținere.

Se mai cunoaște o turbină eolină cu ax vertical (US 7132760 B2) cu pale profilate aerodinamic tip Darrieau, torsionate axial și un dispozitiv de pornire la viteze mici ale vântului de tip Savonius.

Se mai cunoaște o turbină eolină cu ax vertical (US 7258527 B2) cu rotor cu pale profilate aerodinamic care au posibilitatea de a-și regla poziția pe direcția majoră a vîntului.

Dezavantajele acestor tipuri de turbine sunt:

a) Pentru turbinele eoliene cu turbină întubată:

- sensul de curgere a aerului prin turbina eoliana este de sus în jos, cu dezavantajul major al neglijării componentei gravitaționale a curentului de aer cald;

- forma geometrică a tronsoanelor de admisie a aerului în turbină nu constituie concentratori de energie;

- orientarea tronsonului de admisie a aerului și a celui de evacuare din turbină se face cu un sistem de derivă care introduce instabilitate în funcționare;

-datorită utilizării derivei, turbina are nevoie de un sistem de frînare a rotorului turbinei atunci cînd viteză vîntului depășește viteze mari sau necesită supradimensionări constructive care conduc la ridicarea nejustificată a prețului de cost a energiei; sunt necesare dispozitive suplimentare pentru reglarea vitezei de intrare a aerului în tronsonul de admisie.

-datorită montării pe exteriorul rotorului de turbină a elementelor generatorului electric este necesară prelucrarea de precizie a reperelor turbinei în vederea asigurării jocurilor funcționale și a performanțelor electrice fapt ce ridică prețul de cost al turbinei eoliene. Prelucrările devin prohibitive pentru turbine cu dimensiuni mari.

b) Pentru turbinele eoliene cu ax verical și pale tip Savonius:

CONTABIL ȘEF Ec.

\ Victoria PREDESCU

¢--1008-00690

8 -09- 2008

-viteza specifică a turbinei (Ă) este mică și deși turbina pleacă la viteze mici ale vîntului, turația turbinei este mică și pentru a antrena un generator electric este necesară montarea unui multiplicator de turație care reduce randamentul general al turbinei.

-necesită sistem de frînare a rotorului la viteze mari ale vîntului și supredimensionări constructive;

-structura de susținere a turbinei și aparatului statoric necesită un consum ridicat de materiale și implicit un cost ridicat pentru energia produsă.

c) Pentru turbinele eoliene cu structură statorică de dirijare a vîntului în rotor apar suplimentar probleme de cost pentru realizarea acestora fără a rezolva problema valorii mici a coeficientului de viteză, (λ);

d) Pentru turbinele eoliene cu pale profilate aerodinamic tip Darrieus, problema majoră constă în viteza mare a vîntului la care încep să se rotească. Din acest motiv, necesită aparate suplimentare de demarare, necesită sistem de frînare a rotorului la viteze mai mari ale vîntului și supredimensionări constructive, nu au posibilitatea rglării turației rotorului în funcție de viteza vîntului iar structura de susținere a palelor este masivă și pentru dimensiuni mari a acestor tipuri de turbine ete necesară ancorarea suportului cu cabluri care afectează o suprafața mare de teren.

Problema pe care o rezolvă invenția constă în aceea că utilizează suprafețe concentratoare de energie în amonte și în aval de tronsonul turbinei multietajate, fapt ce conduce la crșerea vitezei aerului în canalizații, implicit la producerea unei energii electrice mai mari pentru o secțiune transversală mai mică a turbinei.

Turbina eoliană întubată cu ax vertical, conform invenției, înlătură dezavantajele de mai sus, prin acea că aerul intră în turbină printr-un tronson de admisie convergent care produce o accelerare pronunțată a curentului iar prin forma geometrică divergentă a tronsonului de evacuare a aerului combinată cu un ansamblu de suprafețe profilate produce o scădere a presiunii statice și ca urmare o creștere a debitului de aer care tranzitează o turbina întubată multietajată producînd mai multă energie.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- pornirea turbinei la viteze mici ale vîntului;

- putere mare produsă la viteze medii mici ale vîntului pentru o suprafață expusă mică;

- eliminarea sistemului de frînare la viteze mai mari ale vîntului cu posibilitatea reglării poziției tronsonului de admisie funție de viteza de intrare în acesta, menținînd o turație cvaziconstantă pentru turbina eoliană multietajată, utilizînd energia proprie produsă;

- protejarea turbinei la viteze foarte mari ale vîntului utilizînd un sistem propriu de orientare acționat de energia produsă;

- utilizarea unui generator electric sincron cu magneți permaneți care poate produce energie la turații mici și prin urmare eliminarea multiplicatoarelor de turație, implicit creșterea rangamentului global al turbinei;

CONTABIL ȘEF Ec.

\ Victoria PREDESCU

^-2 0 0 8 - 0 0 6 9 0

Ο 8 -09- 2008

- posibilitatea utilizării turbinei de vînt în regim insularizat sau mixt intr-o rețea de distribuție a energiei electrice;

- utilizarea materialelor compozite pentru fabricarea turbinei eoliene avînd drept consecință scăderea greutății componentelor dar și mărirea duratei de funcționare și reducerea prețului de cost a energiei produse;

-utilizarea turbinelor eoliene în zone protejate datorită faptului că factorul de confort este bun: nu ocupă suprafețe mari, nu poluează fonic și vizual.

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu figurile 1,2,3,4 care reprezintă:

figura 1 - o secțiune în plan veritical a turbinei eoliene întubată;

figura 2 - o secțiune transversala printr-o treapta de turbina multietajata a unei turbine eoliene intubată cu ax vertical;.

figura 3 - o secțiune prin sistemul de lăgăruire de a axului turbinei multietajate a unei turbine întubate cu ax vertical;

figura 4 - o secțiune prin sistemul de lăgăruire a tronsonului de admisie a aerului și a sistemului de orientare a unei tubine eoliene întubate cu ax verical.

Componentele turbinei eoliene sunt expuse curenților de aer din toate direcțiile datorită poziționării acesteia la o înălțime H (20....40m) fapt ce reduce efectul de sol care influențează viteza medie a vîntului. O parte a debitului de aer Qt, care solicită structura turbinei eoliene pătrunde în secțiunea circulară a de diametrul Da a tronsonului de admisie 1, respectiv debitul Qi. Datorită formei geometrice a tronsonului de admisie 1, curentul de aer este dirijat spre tronsonul turbinei întubate, 2. Turbina 3, este multietajată Nt fiind numărul de trepte. Numărul maxim de trepte se stabilește printr-un calcul de optim economic la Nt_max=3. Pentru a mări randamentul turbinei sunt prevăzute aparate directoare, 4 care au un număr egal cu Nt-1. Fiecare treaptă de turbină are un număr de palete Nb profilate aerodinamic. Datorită profilului ales, la trecerea curentului de aer prin turbina 3, se produc forțe aerodinamice pe suprafețele paletelor, respectiv se dezvoltă un cuplu în rotorul turbinei. Cuplul din rotorul turbinei 3 se transmite la un generator electric 5, de tip sincron cu magneți permanenți care generează energie electrică la turații scăzute. Generatorul electric 5 se montează în carcasa suportului 9 utilizînd șuruburile 26. Cablurile electrice de la generator coboară prin interiorul suportului 9 pînă la sistemul de automatizare și control 6 care gestionează energia electrică produsă. Pentru asigurarea răcirii generatorului electric 5 în timpul funcționării, sunt prevăzute în carcasă fantele n iar pentru a asigura scurgerea apei provenite din curentul de aer care tranzitează tronsonul de admisie 1, sunt prevăzute găuri de scurgere r.

Aerul este evacuat din tronsonul turbinei prin secțiunea eliptică e cu dimensiunea minimă l_e. Evacuarea aerului din tronsonul turbinei întubate, 2, se efectuiază printr-o suprafață divergentă, f care controlează stratul limită avînd drept consecință creșterea puterii turbinei prin efectul de recuperare al dîrei ideale (nevîscoasă) care produce o presiune statică mai mică dacît presiunea

CONTABIL ȘEF Ec.

\ Victoria PREDESCU

(¾ Ο Ο 8 - Ο Ο 6 9 Ο - Ο 8 -09- 2008 atmosferică în secțiunea de ieșire și prin conversia energiei cinetice în presiune, în porțiunea din spate a difuzorului. Secțiunea de evacuare din tronsonul turbinei întubate 2, notată e, este delimitată de suprafețele sferice c și d ale tronsoanelor de accelerare 7 și 8. Datorită acestei configurații a secțiunii de evacuare e, un debit de aer produs de vînt Qs, care o traversează produce un efect de ejecție în tronsonul turbinei întubate 2. Acest fapt conduce la creșterea debitului de aer tranzitat prin turbina 3, respectiv la creșterea vitezei aerului prin aceasta. Debitul total evacuat din turbină este Qe.

Toate componentele turbinei eoliene sunt montate pe un suport 9, fixat de structura de bază 11 printr-o articulație 12 și rigidizat cu contravîntuirile 10. Pentru a permite accesul aerului în turbina 3, tronsonul de admisie 1 este orientabil după direcția vîntului, datorită sistemului de orientare 13 și a traductorului 14 care sesizează direcția majoră și intensitatea vîntului. Profilul și numărul de pale N_b ale turbinei întubate 3, este calculat în raport cu performanțele generatorului electric 5. Secțiunea de curgere a aerului în tronsonul turbinei întubate 2 este definită de diametrele: D_t si D_c, respectiv diametrul tronsonului turbinei întubate 2 și al diametrului interior al turbinei 3 pe care se fixează palele. între exteriorul turbinei 3 și diametrul D_t este un joc j ales tehnologic pentru a permite rotirea turbinei fără frecări accidentale.

Viteza specifică a turbinei eoliene: \ co*7?

A=-—=2,7 unde ω este viteza unghiulară a turbinei; R =Dt/2, este raza turbinei; 1% * oo este viteza vîntului la infinit.

Performanțele configurației alcătuită din: tronson de admisie 1, tronsonul turbinei întubate 2, turbină 3, suprafața de evacuare f secțiunea de evacuare e, se poate aprecia cu un factor de concentrare energetică a ansamblului: __(P1~P2)V₁ O) < η _Λ , ι-ΤΓ7—7- = 7777(-) -1,8....2,0 unde:

0,593

C_D = p/ este factorul de sarcină a turbinei (discului) ; pi, p₂ sunt presiunile din amonte /2^1 respectiv din avalul turbinei 3; p-densitatea aerului; Vi-viteza aerului în secțiunea transversală a turbinei.

în ce privește efectul reducerii presiunii la ieșirea din suprafața de evacuare e, s-a obținut pentru coeficientul de presiune statică:

Cpd = 77¾ = -0.65.....-0,70 /2 P ^00

Pentru a obține acești parametri funcționali trebuiesc respectați următorii coeficienți adimensionali:

C_b=l_e/D_b=0,15..0,18 și

C_c=D_g*R_g/D_s*R_s=0,7..1.

Axul turbinei 3, reper 15, poziționat pe vericală antrenează generatorul electric 5 prin intermediul cuplajului elastic 16. Lăgăruirea axului 15 constă în două lagăre de rostolire 17 și 18

CONTABIL ȘEF Ec.

\ Victoria PREDESCU κΛ 4 //o β>=2 0 0 8 - 0 0 6 9 0

8 -09- 2008 care preiau sarcini radiale și abateri de poziție a alezajelor lagărelor și un lagăr axial de rostogolire cu role sferice 19 care preia sarcinile axiale dezvoltate de forțele de greutate. Lagărele sunt montate în alezajele prevăzute în structura tronsonului turbinei întubate 2. Pentru a proteja lagărele de apă, murdărie și pentru a le asigura ungerea, sunt prevăzute simeringurile 20 și 21. Capacul 22 permite montarea lagărului de rostogolire 18 și a simeringului 21. Capacul 23 permite montarea axului turbinei 15 și are rolul de a prelua sarcini axiale dezvoltate de forțele aerodinamice din turbina 3 în situațiile accidentale cînd acestea ar depăși greutatea turbinei. Forțele axiale se închid prin axul turbinei 15, rulmenții 17 care pot prelua și sarcini axiale importante în capacul 23 și șuruburile 24. Șuruburile 25 asigură fixarea capacului 22 și al carcasei rulmentului 18. Fixarea palelor turbinei 3 se face cu coliere pe suprafața canelată k a arborelui 15. Tronsonul de admisie 1 este o construcție de mari dimensiuni care se orientează după direcția vîntului iar lăgăruirea acestuia va trebui să preia eventulalele abateri de poziție a lagărelor 27, 28 montate pe suportul 9. în acest sens lagărul superior 27 este are la bază un contact între o suprafață cilindică și una sferică m iar lagărul cu rostogolire inferior 28 are de asemenea o așezare pe suprafața sferică q. Suprafețele de contact m (sferic pe cilindric) și q (sferic) permit preluarea abaterilor de poziționare a lagărelor tronsonului de admisie 1. Coroana superioară a lagărului 28 este prevăzută cu dantură evolventică, p care este în contact cu un pinion 29, lăgaruit cu rulmenții 30 în carcasa sistemului de orientare, 13. Pinionul este antrenat de un motor electric 32 prin cuplajul elastic 31. Comenzile de pornire oprire pentru motor sunt date sistemul de comandă și control 6 în conformitate cu situația de funcționare: curentă sau de avarie. în situație de funcționare curentă, energia necesară antrenării motorului electric 32 este generată de turbina eoliană iar în situație de funcționare în regim de avarie, energia electrică este furnizată de bateriile care intră în componența sistemului de comandă și control, 6. în mod curent sistemul de orientare funcționează numai atunci cînd direcția vîntului se modifică major (la unghiuri mai mari 10°). Direcția vîntului sesizată de traductorul 33 este transmisă sistemului de control și comandă 6 al turbinei care deblochează sistemul de orientare și comandă rotirea motorului 32 pînă la o poziție care coincide cu direcția vîntului. în situația în care viteza vîntului depășește cu o anumită valoare viteza nominală de funcționare a turbinei 3, traductorul 33 comandă deblocarea sistemului de orientare și rotește tronsonul de admisie 1 pînă la atingerea unei viteze de intrare a aerului egală cu o viteza nominala de funcționare stabilită de proiectant. Cînd viteza vîntului depășește viteza de 40 m/s, traductorul 14 comandă deblocarea sistemului de orientare și rotește tronsonul de admisie 1 cu sețiunea de intrare a, cu 180° în raport cu direcția vîntului asigurînd protecția turbinei eoliene la suprasarcini.

Turbina eoliană întubată poate funcționa în sistem „insularizat” sau in regim mixt: pentru consum propriu și/sau cuplată cu o rețea de distribuție a enetgiei electrice.

CONTABIL ȘEF

Ec.

' Victoria PREDESCU

Claims (8)

8 -09- 2008 REVENDICARE

1. Turbina eoliană întubată cu ax vertical montată pe un suport (9), articulat pe o structură de bază (11) prin intermediul unei articulații (12), rigidizat cu contravîntuirile (10), dotată cu traductori (14) și (33), caracterizată prin aceea că, este prevăzută cu o turbină 3, concentrator de energie constituit dintr-un tronson de admisie (1), tronsonul turbinei întubate (2), aparate directoare (4), suprafața divergentă (f) a tronsonului turbinei întubate (2) și secțiunea de evacuare (e), definită de tronsoanele de accelerare (7) și (8) care reduc presiunea statică a aerului din turbina 3 și aduc un aport suplimentar de energie cinetică.

2. Turbină eoliană întubată conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, numărul de palete (Nb) coroborat cu numărul de trepte de turbină, (N_t) și respectarea raportului adimensional D_t/D_c=5,5...6 conduc la viteza specifică a turbinei: λ = 2,7...3,0

3 Turbină eoliană întubată conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, profilul, configurația și coeficienții adimensionali Cb=0,15..0,18 și C_c=0,7...1 care asigură raportul de concentrare a energiei: r=l,8....2,0, coeficientul de presiune dinamică:C_Pd= -0,65..-0,70, pentru un raport adimensional caracteristic tronsonului de admisie, D_a/Db=l,5..2.

4. Turbină eoliană întubată conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, reglarea vitezei vîntului la intrare în tronsonul de admisie (1) ca și protecția turbinei la viteze mari ale vîntului se face prin sistemul de orientare (13) alimentat cu energia proprie.

5. Turbină eoliană întubată conform revendicării I, caracterizată prin aceea că, tronsonul de admisie (1) are un sistem de lăgăruire alcătuit la un capăt dintr-un lagăr (27) cu suprafețe de contact sferic/cilindric (m) și la celălat capăt de un lagăr de rostogolire (28) cu așezare pe suprafață sferică (n).

6. Turbină eoliană întubată conform revendicării I, caracterizată prin aceea că, generatorul electric (5) este poziționat în imediata apropiere a turbinei, priză directă cu axul turbinei (3), pe verticală și la înălțime, construcție compactă și izolată de intemperii.

7. Turbină eoliană întubată conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, concepția modulară a ansamblului turbinei eoliene permite montarea la sol a componentelor pe suportul (9), ridicarea la poziție verticală prin basculare în jurul articulației (12) care permite montajul general în zone geografice izolate, cu echipamente de ridicat simple și ieftine.

8. Turbină eoliană întubată conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, poate funcționa în regim insularizat sau în regim mixt cu o rețea de distribuție a energiei electrice.

CONTABIL ȘEF Ec.

\ Victoria PREDESCU