SE521083C2 - Sätt att skydda vindturbiner som ej kan flöjlas, såsom Savoniusturbiner, mot höga vindhastigheter - Google Patents

Description

521 085 2 utgångspunkt från denna dimensionering, en lägre tillåten maximigräns för vindhas- tigheten beräknas för drift av generatom, och att rotom styres till att automatiskt stoppas vid överskridande av denna gräns. Ett ytterligare syftemål är att även skydda rotor och generator mot överbelastningar orsakade av uppkommande fel i till turbi- nen hörande utrustning eller i elektriskt distributionsnät eller annat belastningsobjekt, till vilket turbinen är ansluten.

Slutligen är det ännu ett syftemål att åstadkomma att generatom kopplas till det nämnda elektriska nätet endast då vindhastigheten minst är tillräcklig för att täcka generatoms egna tomgångsförluster och samtidigt ge en låg startström, vilket medger minskad storlek på säkringen och elabonnemanget.

Närmare bestämt uppnås, tillsammans med ovannämnda sätt att dimensionera turbinema, dessa syftemål därigenom att turbinema förses med en bromsanordning och en reläkedja som är så utförd att den automatiskt aktiverar bromsen och stoppar rotom samt frånkopplar generatom från nät eller annat belastningsobjekt så snart ett förvalt värde på vindstyrkan överskrídes eller något av de ovannämnda felen uppstår, samt även övervakar och styr inkopplingen av generatom till nätet/belastnings- objektet med hänsyn till nämnda minsta tillräckliga vindhastighet.

Ritningar Uppfinningen beskrives närmare i det följande under hänvisning till bifogade ritningar.

F ig. 1 är en schematisk sidovy av en vertikal turbin enligt uppfinningen med tillhörande ramverk och övrig utrustning.

Fig. 2 är en schematisk vy uppifrån av turbinen och ramverket.

F ig. 3 är ett schema av en skyddsreläkedja som ingår i uppfinningen.

Beskrivning av ett utföringsexemgel enligt uppfinningen I rítningsfigurema betecknas turbinen med 1, dess rotor med 2 och ett denna uppbärande ramverk med 3. Till ramverket hör stag 3a. Rotom har rotorblad 2a, 2b , som i två motstående ändar är hopsvetsade med gavlar 9a, 9b och med en axel 4, vid vilken även gaviarna är fastsvetsade. Axein 4 är med lager 5, 6 lagrad upptill och nedtill i ramverket 3. En elgenerator 7 drivs av axeln 4, lämpligen via en utväxlings- Lfl 521 083 transmission såsom en kuggväxel 8 med kugghiul 8a, 8b. Generatorn bör företrädes- vis vara en växelströmsgenerator av asynkron typ . som är driftsäker och även auto- matiskt reglerar försläpningen mot nätfrekvensen.

En bromsanordnidng 10 är anordnad att kunna ingripa med företrädesvis den nedre gaveln 9a och innefattar ett bromsorgan l 1 monterat i en ände 12a av en bromsarm 12, som är svängbar kring en horisontell axel 13. En pistong 14 påverkas av en kraftig fjäder 15 för att trycka ned motsatt ände l2b av bromsarmen och därvid trycka bromsorganet 1 1 i änden l2a till bromsande anliggniiig mot gaveln 9a, och av en pneumatisk kolv 16 för att mot verkan av ljäderkrafien utföra en rörelse i motsatt riktning för frånkoppliiig av bronisorgziiiel. Kolvcn 16 är zinorditad i en trycklufley- linder 17, som via en luftledning 18 trycksättes av en kompressor 19 med en tillhö- rande tryckluftstank 20.

Trycksättning resp. avluftning av cylindem 17 sker via en elmagnetstyrd pneu- matisk ventil 21, som i turbinens driftsläge är öppen för lufttillförsel till cylindem och sluten för avluftning. En vindhastighetsmätare 22 ger vid otillåtet hög vindhas- tighet, exempelvis 20 m/s, impuls till ventilen för avbrott av lufttillförseln och ut- släpp av luft ur cylindem 17. Fjädem 15 trycker härvid bromsorganet 1 1 på armen 12 till bromsande läge. Med hjälp av en ställskruv 23 kan utsläppshastigheten på luften finregleras för erhållande av en mjuk inbromsning.

De ovarmämnda arrangemangen av den elmagnetstyrda pneumatiska ventilen 21 och vindhastighetsmätaren 22 ingår i en reläkedia 34 som visas i fig. 3. Förutom att ventilen 21 aktiverar bromsanordningen 10 vid för hög vindhastighet så som ovan beskrivits, gör den samma sak även då reläkedjan 34 av annan orsak brytes. Vidare gäller för reläkedjan 34 att alla brytare i densamma måste vara i tilläge för att en kontaktor 24 som ansluter elgeneratorn 7 till ett befintligt elektriskt distributionsnät skall vara inkopplad. 1 reläkedjan 34 ingår även en varvtalsvakt 26, ett tidrelä 27, ett bimetallrelä 28 och ett spänningsrelä 29. Vidare tillkommer en för hand manövrerad brytare 30, som är tillslagen vid drift av turbinen och öppnad vid service eller när man av annat skäl inte vill ha turbinen i drift. l tig. 3 visas även en elcentral 31 och en elmätare 32 för ett förelströmfišrsörjning från generatorn 7 anslutet hus eller annan lokal förbrukare, och med 33 betecknas de ingående elledningarna till nämnda förbrukare.

Lfl 521 085 Varvtalsvakten 26 bryter reläkediari 34 vid ett varvtal som mer än tillåtligt överstiger det som ger synkront generatorvarvtal, detta lör att lörhindra att rotom 2 kommer upp i rusningsvarvtal vid fel på transmissioneri 8 mellan denna och elgenera- tom 7.

Tidreläet 27 fördröjer inkopplingen av kontaktorn 24 till dess rotom 2 kommer upp i det varvtal som ger synkront eller något högre varvtal för elgeneratom 7, vilket ju tar en viss tid från start av rotom. Härigenom undvikes startströmstryck på elnätet och användning av en onödigt stor arbetsbrytare och säkring före kontaktom 24.

Bimetallreläet 28 bryter ur kontaktorn 24 vid överbelastning på elgeneratom 7.

Detta relä liksom även varvtalsvakten 26 skall företrädesvis kunna återställas endast manuellt efter utlösning.

Spänningsreläet 29 övervakar att alla faser på elnätet 25 har spänning och bry- ter kretsen om så ej är fallet, så att driftläge lör elgeneratorn 7 inte kan uppnås förrän elnätet åter är i drift.

Den skyddsverkan som erhålles enligt ovan är sammanfattningsvis att turbinro- tom 2 bromsas till stillestånd och elgeneratom 7 bortkopplas från elnätet 25 såväl vid för hög vindhastighet som vid fel på transmissioneri 8, kortslutningar eller andra fel på elgeneratom, elavbrott på nätet eller fel i ett belastningsobjekt som leder till över- ström.

Som nämnt i det föregående måste alla de ovan angivna brytarna och reläema sluta kretsen vid normal drift av turbinen. Så snart ett relä i kedjan 34 bryter kopplas kontaktom 24 ifrån och turbinrotorn 2 bromsas till stillestånd. Med detta övervak- nings- och skyddssystem blir det möjligt att bygga en turbin av det slag som avses i denna ansökning med optimal och riktig dimensionering för en så hög effekt under bibehållande av driftsäkerhet, att den kan användas för en ekonomisk, och mot pro- pellerturbiner konkurrenskraftig, elproduktion. Uppfinningens skyddsmetod och an- ordning kan tillämpas på alla vertikala vindturbincr.

En turbin enligt uppfinningen kan göras användbar och lönsam upp till relativt stora effekter, som åtminstone väl täcker behovet for fritidshus, villor och bondgårdar m.m. Den kan även placeras på bostadshus i tätorter, då den på liknande sätt som skorstenar kan anpassas till stadsbiiden exempelvis genom målning i lämplig färg, och därvid utgöra ett roterande konstverk eller reklampelare, som producerar elener- 1.0 521 083 gi. Turbinen kan inkopplas direkt på fastighetens lågspäiida elcentral, varvid en stor besparing i form av nätavgift och energiskatt samt rnervärdeskatt erhålles lör den enskilde användaren.

Genom att rotom i en turbín av Savoniustyp enligt uppfinningen har låg perife- rihastighet kan turbinen uppställas i eller nära bebyggelse, som ovan angivits, utan att bullerstömingar uppstår. Andra fördelar med denna typ av turbín är att den har lågt startmoment och startar redan vid en vindhastighet av l-Z m/s samt att rotorn roterar åt samma håll oberoende av vindriktningen. Man behöver alltså inte som vid propel- lerturbiner med vissa intervall återställa elledningama till nolläget och behöver inte arrangera strömavdraget med hjälp av släpringar och borstar. som slits och kräver service och underhåll.

Det ovan beskrivna utföringsexemplet kan varieras irioni ranien för uppfin- ningen. Detta gäller såväl bromsanordningens lO utförande som valet oeh arrange- manget av komponenter i reläkedjan. Likaså kan turbinens l utförande varieras. I utföringsexemplet visas två rotorblad 2:1. 2b, i l80° vinkel mot varandra, men ett annat tänkbart och vanligen förekommande utförande är exempelvis att anordna tre rotorblad i 120° vinkel mot varandra.

Claims (10)

10 15 20 25 L» 1D 521 083 Patentkrav

1. Sätt att skydda en ej flöjlingsbar vindturbin, såsom en Savoniusturbin, (1) inne- fattande en rotor (2), en av denna medelst en transmission (8) driven elgenerator (7) och ett de nämnda enhetema (2, 7, 8) uppbärande ramverk 3, till vilket kan höra stag 3a, mot överbelastning vid höga vindhastigheter samt mot andra fel som kan upp- komma vid drift av turbinen (1), t.ex. rusningsvaw på rotom (2), fel i ett elnät (25), till vilket turbinen är ansluten, m.m., kännetecknat av att ramverket (3) och rotom (2) dimensioneras för att vid stillestånd av rotom hålla för högsta på turbinens (1) uppställningsplats förekommande vindhastighet, att rotom (2), elgeneratom (7) och transmissionen (8) dimensiloneras för att vid drift av rotom hålla för en förvald högsta vindhastighet som är lägre än den nämnda högsta förekommande, och att turbinen förses med en bromsanordning (10) samt övervaknings- och brytarorgan (21-24, 26- 30) som bildar en under drifi av turbinen (1) obruten reläkedja (34), vilken brytes och aktiverar bromsanordningen (10) för inbromsning av rotom (2) till stillestånd och bortkopplar elgeneratom (7) från elnätet (25), då nämnda förvalda högsta vindhastig- het överskrides eller fel av ovannämnda slag uppstår.

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att i anslutning till turbinen (1) en vind- hastighetsmätare (22) är anordnad i reläkedjan (34) för att vid överskridande av nämnda förvalda vindhastighet ge impuls till aktivering av bromsanordningen (10) och bortkoppling av elgeneratom (7) från elnätet (25).

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att åtminstone en varvtalsvakt (26) är anordnad i reläkedjan (34) för att avkänna van/talet på rotom (2) och/eller elgene- ratom (7) och vid en förvald grad av överskridande av ett varvtal som motsvarar syn- kront varvtal på elgeneratom (7) aktivera bromsanordningen (10) samt bortkoppla elgeneratom (7) från elnätet (25).

4. Sätt enligt krav 3, kännetecknat av att varvtalsvakten (26) är anordnad att en- dast kunna återställas manuellt efter att ha utlöst inbromsning av turbinen (1) och bortkoppling av elgeneratom (7). Uï lO 5210-83

5. Sätt enligt något av kraven l-4, kännetecknat av att ett relä, såsom ett bime- tallrelä eller lindningsskyddsrelä (28), är anordnat i reläkedjan (34) för att aktivera bromsanordningen (10) och bortkoppla elgeneratorn (7) från elnätet (25) vid överbe- lastning av elgeneratom (7).

6. Sätt enligt krav 5, kännetecknat av att reläet (28) är anordnat att endast kunna återställas manuellt efter att ha utlöst inbromsning av turbinen (I) och bortkoppling av elgeneratom (7).

7. Sätt enligt något avikraven I-6, kännetecknat av att clgeneratorn (7) är anslu- ten till elnätet (25) med hjälp av en kontaktor (24) som inkopplas till reläkedjan (34) med hjälp av ett tidrelä (27), som vid start av turbinen (l) fördröjer nämnda inkopp- ling till dess turbinrotom (2) kommit upp i ett varvtal som ger synkront eller något högre varvtal på elgeneratom ( 7).

8. Sätt enligt något av kraven l-7, kännetecknat av att ett spänningsrelä (29) är anordnat i reläkedjan (34) för övervakning av att alla faser på elnätet (25) har spän- ning och för att, om så ej är fallet, aktivera bortkoppling av elgeneratom (7) från elnä- tet (25) samt, om detta sker när turbinen (l) är i drift, även aktivera inbromsning av denna med bromsanordningen (10).

9. Sätt enligt något av kraven l-8, kännetecknat av att bromsanordningen ( lO) innefattar ett mot en gavel (9a) på rotorn (2) ansättbart bromsorgan (1 l) och ett bromsorganet påverkande krafldon (l4-l7). såsom en pneumatisk cylinder (17) för- sedd med en enkelverkande kolv (l6), som påverkar en pistong (14) i en riktning, och en kraftig fjäder (15), som påverkar pistongen (14) i en motsatt riktning, samt en i reläkedjan (34) anordnad, företrädesvis elektromagnetiskt styrd ventil (2l), vilken styr tillförsel resp. utsläpp av tryckmedium till kraftdoriet (I4-l7), så att detta kan trycka bromsorganet (l 0) mot resp. föra detsamma ifrån gaveln (9a).

10. Sätt enligt krav 9, kännetecknat av att ett inställningsorgan (23) är anordnat i anslutning till ventilen (2l) för reglering av utsläppshastigltctett vid utsläpp av 521 083- tryckmedium, varigenom kolvens (16) motkraft mot fjädem (15) successivt avtar i önskad takt och fiädem kan anordnas att med på lämpligt sätt successivt ökande kraft trycka bromsorganet (l I) mot gaveln (9a) lör För erhållande av en mjuk inbromsning av rotom (2).