RO129294B1

RO129294B1 - Wind turbine with horizontal rotor shaft placed in a wind tube and with an adjustable wind trap

Info

Publication number: RO129294B1
Application number: RO201200666A
Authority: RO
Inventors: Ioan Călimănescu; Liviu Constantin Stan
Original assignee: Ioan Călimănescu; Liviu Constantin Stan
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2021-08-30
Also published as: RO129294A2

Description

RO 129294 Β1RO 129294 Β1

Invenția se referă la un nou tip de turbină eoliană a cărei funcționare este optimizată prin atașarea unei capcane reglabile de vânt.The invention relates to a new type of wind turbine whose operation is optimized by attaching an adjustable wind trap.

Se cunosc soluții constructive diverse cu privire la turbinele eoliene.Various constructive solutions are known regarding wind turbines.

O turbină eoliană este o mașină care transformă energia vântului în energie de rotație prin intermediul unor rotori și care la rândul lor poate antrena unul sau mai multe generatoare de electricitate. în istorie se crede că prima turbină eoliană a fost inventată de către Heron din Alexandria (sec.1 e.n) dar există ipoteze cum că prima turbină eoliană ar fi apărut în Babilon în timpul lui Hamurabi (sec. 17 î.e.n). Primele experimente moderne de producere a electricității folosind rotori cu ax orizontal au avut loc în Balaklava (URSS) în 1931 antrenând un generator de 100 kW, apoi în Smith-Putnam în Vermont (SUA) în anul 1941 cu un generator de 1,25 MW. în timp, tehnologia turbinelor eoliene a evoluat la stadiul și dimensiunile actuale implicând turnuri gigantice de oțel, generatoare cu turație variabilă, palete din materiale compozite, rotori cu palete cu pas variabil etc. Era modernă a turbinelor eoliene a început în 1979 prin producția de serie a turbinelor de către producătorul danez Kuriant a tipurilor Vestas, Nordtank și Bonus cu puteri de 20-30 kW. între timp s-au construit turbine foarte mari ajungând până la 7 MW (Enercon E-126). Astăzi, în toată lumea, turbinele eoliene produc 194.400 MW din care în Europa se produc 48%. Sunt cunoscute multe brevete de invenție care privesc turbinele eoliene dată fiind dezvoltarea industriei specifice și accentului politic crescut pus pe energia regenerabilă.A wind turbine is a machine that converts wind energy into rotational energy through rotors and which in turn can drive one or more electricity generators. In history it is believed that the first wind turbine was invented by Heron of Alexandria (1st century AD) but there are hypotheses that the first wind turbine appeared in Babylon during the time of Hamurabi (17th century BC). The first modern experiments in the production of electricity using horizontal shaft rotors took place in Balaklava (USSR) in 1931 driving a 100 kW generator, then in Smith-Putnam in Vermont (USA) in 1941 with a 1.25 MW generator. . Over time, wind turbine technology has evolved to its current stage and dimensions involving giant steel towers, variable speed generators, composite blades, rotors with variable pitch blades, etc. The modern era of wind turbines began in 1979 with the series production of turbines by the Danish manufacturer Kuriant of the Vestas, Nordtank and Bonus types with powers of 20-30 kW. in the meantime, very large turbines have been built up to 7 MW (Enercon E-126). Today, worldwide, wind turbines produce 194,400 MW, of which 48% is produced in Europe. Many patents are known for wind turbines given the development of the specific industry and the increased political emphasis on renewable energy.

O soluție este cunoscută din documentul JP 2000352373 A, care se referă la o unitate de producere a energiei ce are capacitatea de a capta energia eoliană și de a rezista la vânt puternic, având o axă de rotație aproximativ pe orizontală într-o manieră de a urma direcția vântului, iar la marginea axei de rotație sunt prevăzute niște lame rotor în formă de spirală. La periferia lamelor rotorului este prevăzut un tub exterior cu capetele deschise și coaxial cu axa de rotație. Pe partea de vânt a tubului exterior sunt prevăzute niște colectoare cu mecanisme de deschidere și închidere, iar pe partea inferioară este prevăzut un generator conectat mecanic la axa de rotație. Colectoarele sunt susținute de un cadru montat pe partea direcției vântului, în funcție de viteza vântului, colectoarele putând fi acționate de un motor și un mecanism de închidere, astfel încât colectoarele se pot deschide pentru a colecta fluxurile de vânt sau închide sub formă de con pentru a opri fluxurile de vânt.One solution is known from JP 2000352373 A, which refers to a power generation unit that has the ability to capture wind energy and withstand strong winds, having an axis of rotation approximately horizontally in a way to the wind direction followed, and spiral blades were provided at the edge of the axis of rotation. An outer tube with open ends and coaxial with the axis of rotation is provided at the periphery of the rotor blades. On the wind side of the outer tube there are some collectors with opening and closing mechanisms, and on the lower part there is a generator mechanically connected to the axis of rotation. The collectors are supported by a frame mounted on the side of the wind direction, depending on the wind speed, the collectors can be operated by a motor and a closing mechanism, so that the collectors can open to collect wind flows or close in a cone shape. stop wind flows.

Din documentul WO 2008134963 A1 este cunoscut un generator de energie eoliană împotriva vântului puternic ce include un suport, pe care este montat un capac de ghidare a vântului, un grup de pale, un carenaj al părții din spate și un dispozitiv de control automat, în care capacul de ghidare a vântului, grupul de pale și carenajul sunt asamblate pe un suport în formă de U. Un capăt al unei plăci de ghidare a vântului în formă de ventilator a capacului de ghidare a vântului este articulat cu un capăt al unui suport de placă printr-un știft, iar un alt capăt este prevăzut cu un cablu pentru a controla deschiderea și închiderea plăcii de ghidare. Fiecare capăt mobil al cablului este înfășurat pe fulia motorului printr-un inel fix pe placa de ghidare. Două capete ale unei pale sunt conectate cu un manșon al unui arbore central și cu un inel al transmisiei. Manșonul este asamblat pe un ax dispus într-un capac de sprijin al grupului de pale. Angrenajele sunt fixate la un capăt al arborelui fiecărui motor electric pe o margine a capacului de susținere și sunt blocate cu inelul de transmisie.WO 2008134963 A1 discloses a strong wind power generator which includes a support, on which is mounted a wind guide cover, a group of blades, a rear fairing and an automatic control device, in which the wind guide cover, the blade group and the fairing are assembled on a U-shaped support. One end of a fan-shaped wind guide plate of the wind guide cover is articulated with one end of a plate through a pin, and another end is provided with a cable to control the opening and closing of the guide plate. Each movable end of the cable is wound on the motor pulley through a fixed ring on the guide plate. Two ends of a blade are connected with a central shaft sleeve and a transmission ring. The sleeve is assembled on a shaft arranged in a support group of the blade group. The gears are fixed to one end of the shaft of each electric motor on one edge of the support cover and are locked with the transmission ring.

Documentul WO 2008154829 A1 dezvăluie un generator de energie de tip tunel eolian ce include o carcasă cu un colector de vânt reglabil, care este fixat pe o bază de tip placă rotativă și un stator, un rotor și o multitudine de pale montate în interiorul carcasei. Circumferința interioară a rotorului este conectată cu fiecare vârf de pală, rotorul menționat fiind montat în stator cu ajutorul unui rulment, iar o glisare pe circumferința exterioară a rotorului se rotește de-a lungul unui ghidaj pe o placă de sprijin de pe fiecare parte a carcasei.WO 2008154829 A1 discloses a wind tunnel type power generator which includes a housing with an adjustable wind collector, which is fixed on a turntable base and a stator, a rotor and a plurality of blades mounted inside the housing. The inner circumference of the rotor is connected to each blade tip, said rotor being mounted in the stator by means of a bearing, and a slide on the outer circumference of the rotor rotates along a guide on a support plate on each side of the housing .

RO 129294 Β1RO 129294 Β1

Colectorul de vânt reglabil constă dintr-un deflector de vânt care este articulat în jurul unei 1 plăci de legătură și al unui cilindru hidraulic, placa de conectare fiind fixată pe o parte a plăcii de sprijin a carcasei. Un capăt al corpului cilindrului hidraulic este articulat pe placa de 3 conectare cu ajutorul unui ax, un cap de piston al cilindrului hidraulic este articulat pe deflectorul de vânt, iar cilindrul hidraulic conduce deflectorul de vânt să se învârtă în jurul unui 5 arbore articulat.The adjustable wind manifold consists of a wind deflector which is articulated around a connecting plate and a hydraulic cylinder, the connecting plate being fixed on one side of the support plate of the housing. One end of the hydraulic cylinder body is articulated on the connecting plate 3 by means of a shaft, a piston head of the hydraulic cylinder is articulated on the wind deflector, and the hydraulic cylinder drives the wind deflector to rotate around an articulated shaft.

Există, de pildă, documentul US 3944839 A /‘Turbină eoliană cu rotori multipli” 7 (F. Carter, 16.03.76), la care generatorul de electricitate este antrenat de către mai mulți rotori cu axele orizontale care transmit rotația la un arbore vertical care la rândul său 9 antrenează un generator de electricitate.There is, for example, the document US 3944839 A / 'Wind turbine with multiple rotors ”7 (F. Carter, 16.03.76), in which the electricity generator is driven by several rotors with horizontal axes that transmit the rotation to a vertical shaft. which in turn 9 drives an electricity generator.

Există, de asemenea, patentul US 4065225 A, “Turbină eoliană cu rotori cu ax 11 orizontal în serie” (W. Allison, 27.12.77), la care turbina are mai mulți rotori puși pe același ax orizontal, rotorii fiind dispuși la ambele capete ale axului și având generatorul de electri- 13 citate la mijloc, și la care adaptarea eficienței turbinei în funcție de viteza vântului se face prin plasarea automatizată mai mult sau mai puțin oblică a axului față de direcția vântului. 15There is also US patent 4065225 A, “Wind turbine with rotors with 11 horizontal axis in series” (W. Allison, 27.12.77), in which the turbine has several rotors placed on the same horizontal axis, the rotors being arranged at both ends of the shaft and having the generator of electricity in the middle, and at which the adaptation of the turbine efficiency according to the wind speed is made by the automated placement more or less oblique to the axis with respect to the wind direction. 15

Este cunoscut brevetul US 6504260 B1, “Turbină eoliană cu rotori in serie” (Y.U.S. Patent No. 6,342,060 B1, "Rotor Wind Turbine in Series" (Y.

Debleser, 07.07.2003), plasați pe același ax și care se învârt în sens opus, la care primul 17 rotor este așezat în față pe axul orizontal, iar al doilea în spate și care se învârt în sens opus datorită paletelor așezate invers, energia electrică fiind obținută de la două generatoare 19 acționate independent de către fiecare din rotorii cu palete.Debleser, 07.07.2003), placed on the same axis and rotating in the opposite direction, in which the first 17 rotor is placed in front on the horizontal axis, and the second in the back and rotating in the opposite direction due to the blades placed inversely, the energy electric being obtained from two generators 19 operated independently by each of the vane rotors.

Există, de asemenea, patentul US 6945747 A1 “Turbină eoliană duală”(\N. Miller, 21There is also US Patent 6945747 A1 “Dual Wind Turbine” (\ N. Miller, 21

20.09.2005), la care doi rotori cu diametre diferite, cu axele unul în altul și amplasați de aceeași parte, fiecare antrenând independent câte un generator de curent electric. 2320.09.2005), in which two rotors with different diameters, with axes in each other and placed on the same side, each independently driving an electric current generator. 2. 3

O invenție care s-a bucurat de un oarecare succes în aplicare practică mai ales înAn invention that has enjoyed some success in practical application especially in

SUA, este documentul US 7063501 A1, “Turbină eoliană cu rotori multipli având 25 generatorul în contragreutate” (Douglas Spriggs Selsam, 20.06.2006), la care un ax orizontal susține o serie de turbine mici și care este așezat puțin oblic față de direcția 27 vântului, astfel încât flecare rotor este antrenat de un curent de aer nealterat de rotorul din față. Generatorul printr-un sistem de pârghii servește la echilibrarea statică a sistemului și 29 orientarea corectă față de direcția vântului.USA, is the document US 7063501 A1, “Multi-rotor wind turbine with 25 counterweight generator” (Douglas Spriggs Selsam, 20.06.2006), in which a horizontal shaft supports a series of small turbines and which is placed slightly oblique to the direction 27 wind, so that each rotor is driven by a current of air unaltered by the front rotor. The generator through a system of levers serves the static balancing of the system and the correct orientation towards the wind direction.

Indiferent de soluțiile constructive brevetate și adoptate în practică, turbinele eoliene 31 au o problemă genetică, și anume dependența eficienței turbinei de viteza vântului.Regardless of the patented construction solutions adopted in practice, wind turbines 31 have a genetic problem, namely the dependence of turbine efficiency on wind speed.

Problema tehnică pe care o rezolvă dispozitivul constă în optimizarea turbinei în 33 funcție de viteza vântului.The technical problem that the device solves is the optimization of the turbine according to the wind speed.

Invenția propusă rezolvă sau ameliorează în anumite limite, dependența eficienței 35 turbinei eoliene de viteza vântului prin plasarea rotorului cu ax orizontal într-un tub de vânt care la intrare are montată o capcană de vânt reglabilă. 37 în fig. 1.. .4 sunt date câteva detalii tehnice relative la dispozitivul propus prin invenție.The proposed invention solves or improves within certain limits, the dependence of the efficiency of the wind turbine on the wind speed by placing the rotor with horizontal axis in a wind tube which has an adjustable wind trap mounted at the inlet. 37 in FIG. 1 .. .4 are given some technical details relating to the device proposed by the invention.

în fig. 1 se prezintă o vedere izometrică a turbinei eoliene la care se identifică 1-tubul 39 de vânt; 2-inel mobil de comandă deschidere capcană de vânt; 3-pârghie de acționare palete capcană de vânt; 4-palete capcană de vânt; 5-suport lagăr față ax rotor; 6-șurub de acționare 41 inel mobil de comandă; 7-motor electric acționare inel mobil de comandă; 8-ansamblu reductor și angrenaj pentru antrenarea șurubului 6; 9-generator electric. 43 în fig. 2 se prezintă o secțiune izometrică prin turbina eoliană la care suplimentar se pot vedea: 10-rotor cu ax orizontal; 11-lăgăruire spate rotor; 12-lăgăruire față ax rotor. 45 în fig. 3 se prezintă o vedere izometrică de detaliu a acționării capcanei de vânt 4.in fig. 1 shows an isometric view of the wind turbine at which the wind tube 39 is identified; 2-ring mobile control opening wind trap; 3-lever operating wind trap blades; 4-vane trap vanes; 5-bearing rotor shaft front bearing; 6-screw drive 41 mobile control ring; 7-electric motor drive mobile control ring; 8-gear reducer and gear for driving the screw 6; 9-electric generator. 43 in FIG. 2 shows an isometric section through the wind turbine in which additionally can be seen: 10-rotor with horizontal axis; 11-bearing rear rotor; 12-bearing front rotor shaft. 45 in FIG. 3 shows a detailed isometric view of the operation of the wind trap 4.

în fig. 4 se prezintă o variantă posibilă de rotor 10 cu eficiență ridicată. 47in fig. 4 shows a possible variant of a rotor 10 with high efficiency. 47

RO 129294 Β1 în fig. 5 se prezintă o analiză numerică comparativă a presiunii totale dezvoltate în tubul de vânt dacă paletele capcanei de presiune fac 45° cu orizontala (fig. 5-a) și 25° cu orizontala (fig. 5-b).RO 129294 Β1 in fig. 5 presents a comparative numerical analysis of the total pressure developed in the wind tube if the blades of the pressure trap are 45 ° with the horizontal (fig. 5-a) and 25 ° with the horizontal (fig. 5-b).

în fig. 6 se prezintă o analiză numerică comparativă a vitezei aerului dezvoltate în tubul de vânt dacă paletele capcanei de presiune fac 45° cu orizontala (fig. 6-a) și 25° cu orizontala (fig. 6-b).in fig. 6 presents a comparative numerical analysis of the air velocity developed in the wind tube if the blades of the pressure trap are 45 ° with the horizontal (fig. 6-a) and 25 ° with the horizontal (fig. 6-b).

Eficiența unei turbine eoliene depinde de viteza vântului și ca atare optimizarea construcției astfel încât eficiența turbinei să fie relativ constantă chiar dacă viteza vântului variază între anumite limite, reprezintă o prioritate pentru oricare constructor de turbine eoliene.The efficiency of a wind turbine depends on the wind speed and as such optimizing the construction so that the efficiency of the turbine is relatively constant even if the wind speed varies within certain limits, is a priority for any wind turbine manufacturer.

Turbina eoliană propusă are rotorul cu ax orizontal 10 plasat în interiorul tubului de vânt 1, și care este susținut de către lăgăruirile 11 și 12. La capătul dinspre ieșirea din tubul de vânt 1 se află generatorul de curent electric 9 coaxial cu axul rotorului 10.The proposed wind turbine has the rotor with horizontal axis 10 placed inside the wind tube 1, and which is supported by bearings 11 and 12. At the end from the outlet of the wind tube 1 is the electric current generator 9 coaxial with the axis of the rotor 10.

La partea din față a tubului de vânt 1 se află capcana de vânt 4 alcătuită din palete suprapuse care se pot înclina față de planul lor orizontal acționând ca petalele unei flori care se deschide mai mult sau mai puțin în direcția vântului. Cu cât capcana de vânt este mai deschisă cu atât fluxul de aer care ajunge la intrarea tubului de vânt 1 este mai mare și astfel presiunea în zonă crește concomitent cu creșterea vitezei fluxului de aer prin tubul de vânt 1. Dacă, de pildă, se plasează un senzor de presiune la intrarea în tubul de vânt 1 și un altul de viteză a fluidului tubului de vânt 1, atunci cu ajutorul unor algoritmi simpli și automatizare simplă se poate face ca turația rotorului 10 să fie menținută constantă pentru variația în anumite limite a vitezei vântului. Acest sistem de automatizare poate comanda deschiderea capcanei de vânt 5 prin acțiunea motoarelor electrice 7 care prin intermediul ansamblului reductor-angrenaj 8, face ca șuruburile 6 de acționare a inelului mobil să facă inelul mobil 2 să se miște de-a lungul axei tubului de vânt 1, astfel încât prin intermediul pârghiilor 3, paletele 4 ale capcanei de vânt să fie acționate simultan determinând astfel deschiderea sau închiderea capcanei de vânt. Rotorul 10 poate avea forma din fig.4 sau poate fi un șir de rotori cu palete normale amplasate coaxial în interiorul tubului de vânt 1 sau oricare altă soluție imaginabilă. Rotorul 10 așa cum este dat în fig. 4 după analizele noastre prezintă eficiența cea mai ridicată dacă este optimizat din punct de vedere al construcției, în funcție de căderea de presiune și viteza aerului în tubul de presiune.At the front of the wind tube 1 is the wind trap 4 made up of overlapping blades that can tilt towards their horizontal plane acting like the petals of a flower that opens more or less in the wind direction. The lighter the wind trap, the greater the flow of air that reaches the inlet of the wind tube 1, and thus the pressure in the area increases as the speed of the air flow through the wind tube 1 increases. If, for example, it is placed a pressure sensor at the inlet of the wind tube 1 and another of the fluid velocity of the wind tube 1, then with the help of simple algorithms and simple automation it is possible to keep the rotor speed 10 constant for the variation in certain speed limits the wind. This automation system can control the opening of the wind trap 5 by the action of electric motors 7 which, by means of the gearbox-gear assembly 8, causes the movable ring actuating screws 6 to make the movable ring 2 move along the axis of the wind tube. 1, so that by means of the levers 3, the vanes 4 of the wind trap are actuated simultaneously, thus causing the wind trap to open or close. The rotor 10 may be in the shape of Fig. 4 or may be a row of rotors with normal vanes coaxially placed inside the wind tube 1 or any other imaginable solution. The rotor 10 as shown in FIG. 4 according to our analyzes shows the highest efficiency if it is optimized in terms of construction, depending on the pressure drop and the air velocity in the pressure tube.

Aplicarea industrială a invenției nu presupune modificări ale tehnologiilor de fabricație existente cu câștiguri importante în materie de reducere a dependenței eficienței turbinei eoliene de viteza vântului prin plasarea rotorului cu ax orizontal într-un tub de vânt care la intrare are montată o capcană de vânt reglabilă.The industrial application of the invention does not involve modifications to existing manufacturing technologies with significant gains in reducing the dependence of the wind turbine on the speed of the wind turbine by placing the horizontal shaft rotor in a wind tube with an adjustable wind trap at the inlet.

Spre exemplificare se poate vedea în fig. 5 distribuția valorilor calculate ale presiunii totale dacă viteza vântului s-a presupus a fi 15 m/sec, și dacă paletele capcanei de vânt fac 45° cu orizontala (fig. 5-a) și 25° cu orizontala (fig. 5-b). La 45° cu orizontala la intrarea în tubul de vânt se atinge un maxim de 10e3 Pa (r), iar la ieșire 5,75e2 Pa (r), pe când la 25° cu orizontala la intrarea în tubul de vânt se atinge un maxim de 3e2 Pa (r), iar la ieșire 2,5e2 Pa (r). Așa cum era de așteptat diferența de presiune dintre intrarea-ieșirea din tubul de vânt 1, pentru capcana de vânt 4 deschisă cu o diferență de 20°, este de 8 ori mai mare (425 Pa față de 50 Pa diferență de presiune), ceea ce va face ca rotorul 10 să funcționeze mai bine cu capcana de vânt 4 deschisă la aceeași viteză a vântului.For example, it can be seen in fig. 5 distribution of the calculated values of the total pressure if the wind speed was assumed to be 15 m / sec, and if the vanes of the wind trap are 45 ° with the horizontal (fig. 5-a) and 25 ° with the horizontal (fig. 5-b). At 45 ° with the horizontal at the entrance to the wind tube a maximum of 10e3 Pa (r) is reached, and at the output 5.75e2 Pa (r), while at 25 ° with the horizontal at the entrance to the wind tube a maximum is reached of 3e2 Pa (r), and at the output 2,5e2 Pa (r). As expected, the pressure difference between the inlet-outlet of the wind tube 1, for the open wind trap 4 with a difference of 20 °, is 8 times higher (425 Pa compared to 50 Pa pressure difference), which which will make the rotor 10 work better with the wind trap 4 open at the same wind speed.

De asemenea, spre exemplificare se poate vedeaîn fig.6 distribuția valorilor calculate ale vitezei aerului în tubul de vânt 1, dacă viteza vântului s-a presupus a fi 15 m/sec, și dacă paletele capcanei de vânt fac 45° cu orizontala (fig. 6-a) și 25° cu orizontala (fig. 6-b). La 45° cu orizontala la ieșirea din tubul de vânt se atinge un maxim de 45 m/sec pe când la 25° cu orizontala la ieșirea din tubul de vânt se atinge un maxim de 22 m/sec. Așa cum era de așteptat la 45° cu orizontala viteza fluxului de aer din tubul de vânt este dublă față de cea cu capcana de vânt cu paletele la 25° cu orizontala.Also, for example, we can see in fig.6 the distribution of the calculated values of the air speed in the wind tube 1, if the wind speed was assumed to be 15 m / sec, and if the vanes of the wind trap make 45 ° with the horizontal (fig. 6 -a) and 25 ° with the horizontal (fig. 6-b). At 45 ° with the horizontal at the exit of the wind tube a maximum of 45 m / sec is reached while at 25 ° with the horizontal at the exit of the wind tube a maximum of 22 m / sec is reached. As expected at 45 ° with the horizontal the speed of the air flow in the wind tube is double that with the wind trap with the blades at 25 ° with the horizontal.

Claims

RO 129294 Β1

Claim 1

Wind turbine consisting of a rotor (10) with a horizontal axis placed inside a 3 wind tube (1), being supported in some bearings (11,12) and having a spiral shape, at the end from the exit of the tube (1) , coaxial with the axis of the rotor (10), there is an electric current generator (9) 5, at the front of the tube (1) a wind trap (4) is mounted and an electric motor (7) operates a trap ( 4) of wind, characterized in that a ring (2) movable 7 sliding on the tube (1), driven by the motor (7), by means of an assembly (8) gear reducer and a screw (6), drives levers (3) which in turn control 9 the opening or closing of the wind trap blades (4).