SE531944C2 - Anordning för att reglera anfallsvinkeln i vindturbiner samt metod för att kontrollera denna - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 . Efl 944 2 turbinbladen rör sig generellt med lägre hastighet, vilket gör det möjligt att göra tystare vindturbiner; och den teoretiska maximala verkningsgraden är högre.

De drivande krafterna hos vindturbiner innefattar luftmotstånd och/ eller lyftkraft verkande på turbinbladen. Luftmotståndet härrör från den direkta anbläsningen av turbínbladets yta varvid rörelseenergi överförs till turbinbladet när luftens flödeshastíghet minskar. Lyftkraften uppstår vinkelrât mot rörelseriktningen hos en kropp med vingprofil, dvs. turbinbladet, när det rör sig genom ett luftflöde.

Riktningen och storleken av de kombinerade krafternas resultant kan kontrolleras genom att variera turbinbladets anfallsvinkel.

Vertikalaxlade vindturbiner kan indelas efter två huvudprinciper; luftmotståndsturbiner eller lyftkraftsturbiner. Luftmotståndsturbinerna drivs av luftmotståndet. En fördel med luftmotståndsturbiner är att de år sj älvstartande.

Rotationshastigheten, och därmed verkningsgraden, hos luftmotståndsturbinerna är emellertid begränsad, då den inte kanöverskrida vindhastigheten. Lyftkraftsturbinen använder lyftkraftens tangentíella komposant, varför'rotationshastigheten, och följaktligen verkningsgraden, är högre. Det är vanligt att lyftkraftsturbiner har dåliga självstartsegenskaper.

En vertikalaxlad vindturbin med turbinbladen fast monterade i drivaxeln medger enkla konstruktionslösriingar, om än med en snäv kraftgenererande sektor och en bredare bromsande sektor som begränsar verkningsgraden. Följaktligen förses vanligtvis vertikalaxlade turbiner med rörligt upphångda turbinblad. Därigenom kan turbinbladets anfallsvinkel varieras cyklískt för att vidga den kraftgenererande sektorn och därmed öka turbinbladets resulterande kraftgenerering.

Vertikalaxlade vindturbiner enligt känd teknik åstadkommer en cyklisk variation av anfallsvinkeln hos turbinbladet i syfte att förbättra verkningsgraden genom att en länk sammankopplar turbinbladet med en relativt drivaxelns längdriktning radiellt förskjuten excenterpunkt.

Härutöver kan den radiella förskjutningen av excenterpunkten justeras för att åstadkomma skiftande cyklisk variation beroende på vindriktningen. En sådan cyklisk variation förbättrar verkningsgraden påtagligt, åtminstone vid vissa luftflöden. Emellertid kommer inte anfallsvinkeln att vara idealisk i samtliga vinkellägen runt drivaxeln. 10 15 20 25 30 EBi S44 Redogörelse fór uppfinningen Det år uppenbart att kända utföranden har nackdelar med avseende på att erbjuda en vindturbin av vertikalaxlat slag som medger optimal anfallsvinkel oavsett vindriktning, vindhastighct och rotationshastigheten hos turbinbladen, Syftet med föreliggande uppfinning är att undvika nackdelarna hos känd teknik.

Detta åstadkommes genom anordningen för reglering av anfallsvinkeln, vindturbinen samt en metod för reglering av anfallsvinkeln så som de framställs i de oberoende kraven.

Enligt en aspekt tillhandahåller föreliggande uppfinning en anordning för reglering av anfallsvinkeln hos en vindturbin av vertikalaxlat slag. Vindturbinen innefattar ett turbinblad som är monterat för rotation kring en längsgående rotationsaxel i vindturbinen och rörligt upphängd kring en längsgående axel i turbinbladet.

Kamorgan och kamföljarorgan används för att styra turbinbladets anfallsvinkel enligt en förutbestämd cyklisk variation då turbinbladet roterar kring den längsgående axeln.

Kamorganet innefattar en kamyta med olika kamproñler i en riktning längs rotationsaxeln, vilka kamprofiler definierar olika förutbestärnda cykliska variationer av anfallsvinkeln. Den relativa positionen för samverkan mellan kamorganet och kamföljarorganet längs rotationsaxeln år variabel.

Enligt en annan aspekt tillhandahåller föreliggande uppfinning en vindturbin av vertikalaxlat slag där den beskrivna anordningcn för reglering av anfallsvinkeln innefattas.

Enligt ytterligare en aspekt tillhandahåller föreliggande uppfinning en metod för reglering av anfallsvinkeln hos ett turbinblad i en vindturbin av vertikalaxlat slag genom användandet av den beskrivna anordningen för reglering av anfallsvinkeln.

Metoden innefattar steget att flytta den relativa positionen för samverkan mellan kamorganet och kamföljarorganet längs den longitudinella rotationsaxeln hos anordningen för reglering av anfallsvirikeln. Företrâdesvis innefattat metoden därutöver stegen att vrida kamorganet för att justera för en förändring i vindriktningen, och att förflytta två halvor av kamanordningen relativt varandra i syfte att uppnå en kompensation för en förändring i luftströmmen i den halva av rotationsvarvet som befinner sig ned i vinden. lO 15 20 25 30 523 *l Elf-id 4 Uppfinningen möjliggör tillhandahållande av en anordning för reglering av anfallsvinkeln som medför vertikalaxlade vindturbiner med hög verkningsgrad.

En annan fördel med uppfinningen år att den tillhandahåller en anordning för reglering av anfallsvinkeln som erbjuder en enkel och pålitlig konstruktion av en vindturbin av vertikalaxlat slag med hög verlmingsgrad.

Ytterligare en fördel med uppfinningen är att den tillhandahåller en anordning för reglering av anfallsvinkeln som tillhandahåller förmågan till sjâlvstart tillika optimal verkningsgrad inom ett brett register av rotationshastigheter.

Olika utföringsformer av uppfinningen definieras ide beroende patentkraven.

Ytterligare syften, fördelar och nya särdrag hos uppfinningen kommer att framgå i den följande detaljerade beskrivningen av uppfinningen tillsammans med åtföljande ritningar och patentkrav.

Figurbeskrivning Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan i anslutning till de bifogade ritningarna, ivilka Fig. l är en schematisk illustration av en vertikalaxlad vindturbin, Fig. 2 är en schematisk tvärsnittsvy av ett turbinblad som visar de aerodynamiska krafter genererade på turbinbladet under rotation kring den längsgående rotationsaxeln, Fig. 3 är en schematisk illustration av en anordning för reglering av anfallsvinkeln hos ett turbinblad med en länk kopplad till en exeentrisk punkt vilken är radiellt iörskjuten från rotationsaxeln, Fig. 4 år en schematisk illustration av en anordning för reglering av anfallsvinkeln hos ett turbinblad i enlighet med Fig. 3, varvid den excentiiska punkten sammanfaller med rotationsaxeln, Fig. 5 är en schematisk illustration av en anordning för reglering av anfallsvinkeln hos ett turbinblad som innefattar ett asymmetriskt kamorgan för låga rotationshastigheter enligt föreliggande uppfinning, Fig. 6 är en schematisk illustration av en anordning för reglering av anfallsvinkeln hos ett turbinblad som innefattar ett symmetrisk eller nästan symmetrisk kamorgan för höga rotationshastigheter enligt föreliggande uppfinning, Fig. 7 är en tvårsnittsvy av ett kamorgan som är delat i två halvor enligt föreliggande uppfinning, 10 15 20 25 30 35 'ššfllffi Fig. 8 är en schematisk illustration av en anordning för reglering av anfallsvinkeln för a) relativt låg vindhastighet och låg rotationshastighet; b) som a), men vid en annan vindriktning varvid karnanordningen följaktligen är roterad; och c) relativt hög vindhastighet och hög rotatíonshastighet, enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 9 âr en schematisk illustration av en vertikalaxlad vindturbin bestående av en kontrollanordning för reglering av anfallsvinkeln och fyra turbinblad, vari stötstänger följer kamorganets yta för att reglera turbinbladens anfallsvinklar, enligt föreliggande uppfinning Fig. 10 är en schematisk illustration av ett kamorgan enlighet föreliggande uppfinning, Fig. 11 är ett blockschema över ett system för reglering av anfallsvinkeln enligt föreliggande uppfinning, och Fig. 12 är ett schematiskt diagram över en metod enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utfóringsfonner Fig la illustrerar schematiskt ett vanligt utförande aven vertikalaxlad vindturbin 1 10 enligt känd teknik. Den visade vertikalaxlade víndturbinen 110 innefattande två turbinblad 1 11 med tvärsnitt i form av en vingprofil, anordnade i ett karuselliknande arrangemang runt en längsgående axel 114 hos en vertikal drivaxel 113 med hjälp av horisontella stödarmar 115. Den vertikala drivaxeln 1 13 är normalt roterbart monterad på en stödjande struktur innefattande en generator och / eller en växellåda i marknivån. Vanligtvis löper drivaxeln 113 inuti ett torn. I ett grundläggande utförande är turbínbladen 111 fast monterade på stödarmania 115.

Fig. lb illustrerar schematiskt ett vektordíagram av luftströmrnar och krafter som påverkar turbinbladet 1 11 vid en viss vinkelposition, af, relativt rådande vind, VW.

Turbinbladet 1 1 1 är anordnat på en bärarm 115 med en längd L, vilken är monterad på drivaxeln 113. Turbinbladet 111, vilket i Fig lb är orienterat i tangentens riktning, är utformat som en vingprofil med en avrundad framkant följd av en avsmalnande spetsig bakkant. Når turbinbladet 1 1 1 roterar runt drivaxelns 113 längsgående axel uppstår ytterligare en luftström, Vr, i motsatt riktning gentemot turbinbladets rörelseriktning på grund av rotationen. Vindkomponenten, Vd, vid en vinkel orm, så som den upplevs av turbinbladet 111 bestäms av VW och V, , och varierar när ou förändras. Följaktligen uppstår en lyftkraft, Fm, som påverkar turbínbladet 1 1 1. Den användbara radiella kraftkornposanten, Fu, av Fm bestämmer den drivande kraften.

Relationen mellan den luftström som härrör från vinden och den luftström som 10 15 20 25 30 B44 härrör från rotationen varierar. Som en konsekvens av detta måste turbinbladets 111 anfallsvinkel ap, kontrolleras noggrant för att förbättra den drivande kraften.

En komplicerande faktor är att vindhastigheten minskar i den sektor som genomlöps av. turbinbladet 11 1 och som är belägen nedströms, då vinden har lämnat av energi under turbinbladets rörelse genom den sektor som är belägen uppströms, vilket reducerar luftflödet genom turbinen. Således upplevs en lägre vindhastighet i den nedströms belägna sektorn än i den uppströms belägna sektorn. Detta fenomen benämns fortsättningsvis nedströmsreduktion.

Med hänvisning till Fig. 2, i ett alternativt utförande av den vertikalaxlade vindturbinen 110 i enlighet med känd teknik är turbinbladen 111 rörligt upphängda på bärarmaina 1 15 (ej visade) vilket tillåter variation av anfallsvinkeln runt en längsgående vridaxel 1 12 hos turbinbladet 1 1 1, vilken i princip är parallell med den längsgående axeln 114 hos drivaxeln 113. Stänger 104 âr i en ände rörligt upphängda i en pivåpunkt 1 18 placerad mellan turbinbladens 111 framkant 116 och den längsgående vridaxeln 112 och i den andra änden fäst i en perifer punkt 107 på en cirkelformad profil 103 som är anordnad kring drivaxeln 113 på ett sådant sätt att stängerna 104 pekar radiellt ut från centrumpunkten 108 hos den cirkelformade profilen 103. Centrumpunkten hos den cirkulära profilen 103, dvs. motsvarande den excentriska punkten 108 ovan, är radiellt fórskjuten från drivaxelns 113 längsgående axel 1 14. Därigenom påverkar stängerna 104 vid rotation turbinbladens 111 anfallsvinkel ap beroende på den relativa positioneringen av den perifera punkten 107 på den cirkulära profilen 103 jämfört med drivaxelns 1 13 längsgående rotationsaxel, vilket förbättrar verkningsgraden hos vindturbinen 110. Den radiella förskjutningen och vinkelpositionen hos excenterpunkten 108 kan ändras för att erhålla olika cykliska variationer beroende på vindens styrka och riktning.

I en ideal vertikalaxlad vindturbin 110 bidrar varje turbínblad 1 1 1 med maximal tangentiell kraft i varje vinkelposition a, runt drivaxelns 113 längsgående axel 1 14, förutom i de lägen då turbinbladen rör sig perfekt nedströms eller uppströms relativt vindriktningen. Denna maximala tangentiella kraft uppnås vid en viss anfallsvinkel ap hos turbinbladet 111 relativt vindriktningen, vilken kan härledas om de aerodynarniska egenskaperna hos turbinbladet, víndriktningen, vindhastigheten, turbinbladens 1 1 1 rotationshastighet samt vissa egenskaper hos konstruktionen såsom diametern och antalet turbinblad 1 11 hos vindturbinen 1 10 år kända. Kända utföranden av anordningar för reglering av anfallsvinkeln för vindturbinen 110, 10 15 20 25 30 35 53% 51114 såsom det ovan beskrivna alternativa utförandet, erbjuder en god förbättring av verkningsgraden hos vindturbinen 110, även om det inte fullt ut optimerar anfallsvinkeln vid olika flödesförhållanden. Till exempel är en variation av anfallsvinkeln i enlighet med Fig. 3 vid låga och medelhöga rotationshastígheter önskvärd, medan en variation enligt Fig. 4 är önskvärd för högre hastigheter. l Fig. 3 har turbinbladens 111 anfallsvinkel omvända tecken vid passage genom nedvindssektorn järnfört med uppströmssektorn, medan turbínbladen 111 i Fig. 4 konstant står i tangentens riktning. Vinden, Vw, indikeras med en pil.

I Fig. 5 visas en utföringsform av föreliggande uppfinning som är en anordning för reglering av anfallsvínkeln 201 för en vindturbin 210 av vertikalaxlat slag.

Vindturbinen 210 innefattar ett turbinblad 21 1 som dels är anordnat för rotation kring en längsgående rotationsaxel 214 hos vindturbinens 210 l och dels rörligt upphängd för vridning kring en längsgående vridaxel 212 hos turbinbladet 2 1 1.

Anordningen för reglering anfallsvinkeln 201 innefattar ett kamorgan 203 och ett kamföljarorgan 204 anordnade att reglera turbinbladets 211 anfallsvinkel ap i enlighet med en förutbestämd cyklisk variation när turbinbladet 211 roterar runt den längsgående rotationsaxeln 214. Hämtöver innefattar kamorganet 203 en kamyta 205 med flera kamprofiler 206, vilka definierar olika förutbestämda cykliska variationer av turbinbladets 2 11 anfallsvinkel up, längs den längsgående rotationsaxeln 214. f ett exempel illustreras schematiskt i Fig. 5 en tvärsnittsvy av en av kamprofilerna, vilken är asymmetrisk för att tillhandahålla korrekt anfallsvinkel för turbinbladet i varje givet vinkelläge. Vinden, VV, indikeras med en pil. Den relativa punkten för samverkan mellan kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 längs den längsgående rotationsaxeln 214 är variabel.

Således kan en passande kamproñl användas för att uppnå en lämpligt cykliskt variation för det rådande flödesförhållande för den luft som påverkar turbinbladet 21 1. Detta luftilöde bestäms av vindhastigheten, vindriktningen och rotationshastigheten hos turbinbladet 2 11 runt den längsgående rotationsaxeln 2 14. Relationen mellan vindhastigheten och rotationshastigheten är väsentligen järnförbar med begreppet löptal (tip speed ratio), vilket används i samband med horisontalaxlade vindturbíner. Dessutom kan kamprofilen 206 utformas för att kompensera för nedvindsreduktionen.

Fig. 6 illustrerar en utföringsform av en anordning för reglering av anfallsvinkeln 20 1 för en vindturbin 210 av vertikalaxlat slag i enlighet med föreliggande uppfinning. Vindturbinen 2 10 innefattar ett turbinblad 2 1 1 vilket är rörligt 10 15 20 25 30 511V! Såå upphängt på en bärarm 215 som är anordnad på en drivaxel 213 vilken delar rotationsaxel med vindturbinens 210 längsgående rotationsaxel 214. Turbinbladet 211 är dels anordnat för rotation kring den längsgående rotationsaxeln 214 hos anordningen för reglering av anfallsvinkeln 201 och dels rörligt upphängd i en rotationspunkt 218, vilken definierar rotationscentrum för rotation kring en längsgående vridaxel hos turbinbladet 211. I en utföringsform sammanfaller anfallsvinkelns rotationsaxel 214 med turbinbladets aerodynamiska centrumpunkt. Anordningen för reglering av anfallsvinkeln 20 1 innefattar vidare ett karnorgan 203 och ett kamföljarorgan 204 anordnade för att styra turbinbladets 211 anfallsvinkel enligt en förutbestämd cykliskt variation när turbinbladet 211 roterar kring den längsgående rotationsaxeln 214. Härutöver innefattar kamorganet 203 en kamyta med olika kamprofiler 206 placerade längs den längsgående rotationsaxeln 2 14, vilka definierar olika förutbestämda cykliska variationer av turbinbladets 211 anfallsvinkel. Exempelvis illustrerar i Fig 6 schematiskt en tvärsnittsvy av en av kamprofilerna som är symmetriskt.

De olika kamprofiler 206 som illustreras i Fig. 5 och Fig. 6 ger olika variation av anfallsvinkeln. Den asymmetriska kamproñlen 206 som illustreras i Fig. 5 kan åstadkomma en passande variation av anfallsvinkeln vid relativt låga vindhastigheter. En kamprofil med dessa egenskaper benämns i denna ansökan som lågfartsproñl. Den symmetriska kamprofilen 206 som visas i Fig. 6 kan å andra sidan åstadkomma en cyklisk variation av anfallsvinkeln som passar höga vindhastigheter. En kamproñl med dessa egenskaper benämns i denna ansökan som högfartsprofil. Vid höga rotationshastigheter dominerar den luftström som år hänförlig till rotationen och följaktligen är turbinbladen 21 1 lämpligtvis huvudsakligen inriktade i tangentens riktning.

Företrädesvis innefattar kamanordningen 203 även en profil för medelhöga hastigheter vilken är avsedd att ge passande variation av anfallsvinkeln vid medelhöga vindstyrkor. Genom att använda ett flertal olika karnproñler 206 kan anordningen för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning justera den cykliska variationen av anfallsvinkeln för att åstadkomma en mycket effektiv víndturbin 210 under ett stort antal luftflödesförhällanden.

Generellt är kamprofilens form beroende av förhållandet mellan vindhastigheten och rotationshastigheten liksom av storleken på vindhastigheten och rotatíonshastigheten, dvs. olika anfallsvinklar om och vindkomponenter Vd. Således 10 20 25 30 531 S411 år kamprofilen 206 anpassad för olika förhållanden mellan vindhastighet och rotationshastigheter.

I en utföringsform av en anordning för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar kamanordningen en sj älvstartsproñl.

Genom en sådan kamprofil 206 tillhandahålls en cyklisk variation av anfallsvinkeln hos turbinbladet 2 1 1 så att luftmotståndet exempelvis påverkar turbinbladet 21 1 maximalt under turbinbladets 2 11 rörelse med luftströmmen i nedströmssektorn 230 och så att luftrnotståndet minimeras under turbinbladets 21 1 rörelse i uppströmssektorn 23 1.

Följaktligen vrids turbinbladet 211 så att det exponerar en stor yta mot vinden, dvs. den flata sidan, i nedströmssektom 230, och så att det vrids i huvudsakligen tangentiell riktning i uppströrnssektorn 231. Denna kamprofil 206 används framför allt för att initiera rotation hos turbinbladet 2 1 1 och vid låg rotationshastighet. När turbinbladen uppnår en viss rotationshastighet kan den relativa punkten för samverkan mellan kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 ändras till en annan kamprofil 206 för att uppnå en variation av anfallsvinkeln där den potentiella lyftkraften nyttiggörs vid varje given vinkelposition hos turbinbladet 2 1 1. Genom att använda självstartsprofilen enligt denna utföringsforrn förstärker den förutbestämda variationen av anfallsvinkeln luftmotståndets påverkan på turbinbladet i en sektor av rotationscykeln medan luftrnotståndets påverkan minimeras i en annan sektor i syfte att initiera och bibehålla en roterande rörelse hos turbinbladet vid låga rotationshastigheter. I en utfóringsform av detta slag innefattar kamorganet 203 en kamprofil 204 som tillhandahåller en variation av anfallsvinkeln anpassad för att rikta en flat sida av turbinbladet 2 1 1 mot vinden i nedströrnssektorn 230 och för att rikta en framkant av turbinbladet 21 1 mot vindens huvudsakliga riktning i uppströmssektorn 231.

I en utföringsform av en anordning för reglering av anfallsvinkeln 20 1 i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar kamanordningen 203 en kamprofil 206 anpassad för effektbegränsnirig. En generator i en vindturbin 2 10 har vanligtvis en verkningsgrad som år påtagligt maximal vid en viss rotationshastighet för drivaxeln 213. Vidare ökar den genererade effekten snabbt med ökande rotationshastighet.

Vanligtvis är vindturbiner 210 dimensionerade för en maximal vindhastighet som kan vara lägre ån de faktiska vindhastigheter som vindturbinen 2 10 utsätts för.

Följaktligen kan generatorsystemet inte hantera de höga effekterna vid för höga 10 15 20 25 30 53'l Häll 10 hastigheter och härutöver föreligger risk fór strukturell kollaps hos vindturbinen på grund av de stora krafter som påverkar vindturbinens konstruktion. Kamprofilen 206 i denna utföringsform reglerar anfallsvinkeln så att den drivande kraften inte längre optimeras för högsta möjliga effektuttag, utan för att begränsa rotationshastigheten för att bibehålla mârkeffekten och/ eller begränsa rotationshastigheten för undvíkande av överbelastning och / eller för att begränsa de krafter som verkar på vindturbinens konstruktion. l Fig 7 visas en utföringsfonn av en anordning för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning där kamorganet 203 innefattar en karnorgan 203 som är delat i en första och en andra halva 225, 226 vilket gör den lämplig för kompensation av nedvindsreduktionen. Den första och den andra halvan 225, 226 är rörliga oberoende av varandra längs den längsgående rotationsaxeln 214.

Följaktligen kan kamprofilen 206 inte bara förändras genom att förändra det relativa läget för samverkan mellan kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 längs den längsgående rotationsaxeln 214, utan även genom att förändra den relativa inbördes positionen mellan den första och andra halvan 225, 226. Således kan den första halvan 225 användas för kontroll av anfallsvinkeln i sektorn belägen upp mot vinden 23 1 och den andra halvan 226 kan användas för kontroll av anfallsvinkeln i nedvindssektorn. Anpassningen till nedvindsreduktionen kan ske med hjälp av den andra halvan 226 oberoende av den variation av anfallsvinkeln som åstadkoms av den första halvan 225. Kamorganet 203 bör vara rörligt anordnat kring den längsgående rotationsaxeln 214 för att möjliggöra anpassning av kamanordningens 203 vinkelposition kring den längsgående rotationsaxeln 214.

I en utföringsform av anordningen för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar karnanordningen 203 en kamprofil 206 för överstegring, vilken genererar en anfallsvinkel om 90°, dvs. turbinbladet 21 1 vrids så att en av dess flata sidor står vinkelrätt mot den luftström, Vr, som härrör från turbinbladets 211 rotation runt den längsgående rotatíonsaxeln 214.

I en utföringsforrn av anordningen för reglering av anfallsvinkeln 20 l i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar kamorganet 203 en kamprofil 206 för mjuk flöjling, vilken avskiljer turbinbladet 2 l 1 från styrning av anfallsvinkeln. I detta läge genererar vindturbinen ingen effekt. Detta kan exempelvis uppnås genom att flytta kamorganet 203 längs den längsgående rotatíonsaxeln 214 till ett läge där kanifóljarorganet 204 inte längre är i kontakt med kamorganet 205. 10 15 20 25 30 531 Elllll lvl I en utföringsform av anordningen för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar kamorganet 203 en kamprofil 206 för aktivt kontrollerad flöjling, vilken styr turbinbladets 21 1 anfallsvínkel så att turbinbladet ställs parallellt med vinden, Vw, med vingprofilens framkant hela tiden riktad mot vinden. Vindturbinen roterar inte under aktivt kontrollerad flöjling.

Fig. 8a-c illustrerar schematiskt en utföringsform av anordningen för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning, där ett karnorgan 206 är rörligt anordnat kring den längsgående rotationsaxeln 214. Detta kan utnyttjas för att reglera variationen av anfallsvinkeln hos turbinbladet 211 för olika vindriktningar. Fig. Sa illustrerar schematiskt ett kamföljarorgan 204 i en anordning för reglering av anfallsvinkeln 20 1 positionerad på en asymmetrisk karnprofil 206 på ett kamorgan 203 för noggrann anpassning av cyklisk variation av anfallsvinkeln vid en rådande låg vindhastighet vars riktning indikeras av pilen i Fig. Sa. Fig. 8b illustrerar en förändring av den cykliska variationen av anfallsvinkeln föranledd av en förändring i vindríktningen, men med oförändrad vindhastighet, genom att vinkelpositionen hos det rörligt upphängda kamorganet 203 runt den längsgående rotationsaxeln 214 förändras. Fig. 8c illustrerar ytterligare en förändring av den cykliska variationen av anfallsvinkeln föranledd av högre vindhastighet. Kamföljarorganets 204 position har reglerats för att följa den i den väsentligen symmetriska kamprofilen 206, vilken drar nytta av den ökande potentiella lyftkraften.

Hittills har anordningen för reglering av anfallsvinkeln 201 beskrivits såsom anpassad för ett enda turbinblad 2 1 1. Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ett enbladigt utförande av vindturbinen 210. Fig. 9 visar en vy i perspektiv av en vertikalaxlad vindturbin 210 bestående av fyra turbinblad 2 11. Varje turbinblad 2 1 1 är rörligt upphängt på bärarmar 2 15 för rotation runt en längsgående vridaxel 2 12. Anfallsvinkelns axel 2 12 sammanfaller företrädesvis med turbinbladets aerodynamiska centrum. Bärannen 215 år monterad på drivaxeln 213, vilken delar längsgående rotationsaxeln 214 med vindturbinen 10. En utföringsform av en anordning för reglering av anfallsvinkeln 201 för denna vindturbin 210 innefattar ett kamorgan 203 och ett kamföljarorgan 204 anordnat att ställa turbinbladens 21 1 anfallsvinkel i överensstämmelse med en förutbestämd cyklisk variation när turbinbladen 211 roterar runt den längsgående rotationsaxeln 214. lO 15 20 25 30 35 5733! Sill! 12 Hårutöver innefattar kamorganet 203 en kamyta 205 med olika kamprofiler 206 längs den längsgående rotationsaxeln 214, vilka definierar olika förutbestämd cyklisk variation av turbinbladens 211 anfallsvinkel. Exempelvis innefattar kamfölj arorganet 204 stötstänger, var och en rörligt inlåst vid turbinbladet 21 1 i en rotationspunkt 2 18 vid sidan av den längsgående vridaxel 212, till exempel mellan vingprofilens framkant 216 och den längsgående vridaxel 212. Den andra änden av stötstången 204 följer en kamprofil 206 på kamorganet 203. I denna utföringsform år stötstångerna fixerade i vertikalled, dvs. relativt bärarmarna 215 och drivaxeln 2 13.

Karnorganet 203 kan förflyttas längs den längsgående rotationsaxeln 214 för att skifta den relativa punkten för samverkan mellan kamorganet 203 och kamfólj arorganet 204, och därigenom växla mellan olika kamprofiler 206. Härutöver kan kamanordningerl 206 vridas runt den längsgående rotationsaxeln 2 14 för att reglera den cykliska variationen av anfallsvinkeln för olika vindriktningar. Det skall också förstås att den relativa punkten för samverkan mellan kamorganet 203 och kamiöljarorganet 204 längs den längsgående rotationsaxeln 2 14 även kan förändras genom att kamorganet 203 är fixerad och karnfóljarorganet 204 är rörlig i vertikalled eller genom att både kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 är rörliga i vertikalled.

Om kamföljarorganet 204, såsom stötstångerna i den ovan beskrivna utfóringsforinen, är löst ansatt mot kanriytan 205 är det nödvändigt med en kvarhållande kraft i riktning från karnföljarorganets 204 mot den längsgående rotationsaxeln. Den kvarhållande kraften kan exempelvis genereras av en ijåderanordning eller av en vikt som placeras på motsatt sida om den längsgående vridaxeln 2 12 relativt rotationspunkten 218. I det senare fallet genereras en radiellt utåtriktad centrifiigalkraft som verkar på rotorbladets 2 1 1 bakre del och följaktligen en inåtriktad radiell kraft som verkar längs stötstången. Istället för, eller som ett komplement till, att använda en vikt kan den längsgående axeln 212 placeras framför eller bakom turbinblaclets 2 1 1 aerodynamiska centrum.

Fig. 10 illustrerar schematiskt ett kamorgan 203 i en anordning för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning. Kamanordningen 203 har en karriyta 205 bestående av olika kamprofiler 206 i en riktning längs den längsgående rotatíonsaxeln 214. Var och en av kamprofilerna 206 representerar en förutbestämd cyklisk variation av anfallsvinkeln. I en utföringsform av föreliggande uppfinning kan kamanordningen beskrivas som en asymmetrisk cylinder anpassad för placering runt drivaxeln 213, dvs. en vindturbins 210 längsgående rotationsaxel 10 15 '20 25 30 531 344 13 2 14. Den asymmetriska cylinderns 203 yta 205 innefattar ett flertal kamproñler 206 anordnade i en sekvens i en riktning längs den längsgående rotationsaxeln 214. Kaniorganet 203 är anordnat att kunna vridas kring den längsgående rotationsaxeln 2 14 för anpassning till olika flödesrik:tningar och för att vara. flyttbar relativt turbinbladen i en riktning längs den längsgående rotationsaxeln 214 för anpassning till olika flödesförhållanden.

Fig. 10 visar ett visst antal diskreta kamprofiler, men antalet kamprofiler 206 som kan användas är i princip obegränsat. Kamytan 205 kan ha en kontinuerligt varierande profil i längsled. I en utföringsform av anordningen för reglering av anfallsvinkeln i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar kamorganet kontinuerliga övergångsområden 209 mellan kamprolilerna 206. Härigenom kan Övergångarna mellan kamprofilerna ske smidigt och dessutom kan den faktiska kamprofilen 206 som kamföljarorganet 204 följer finjusteras genom att använda en relativ punkt för samverkan mellan kamanordningen 203 och kamföljaranordningen 204 belägen i övergångsområdet 209.

Med hänvisning till Fig. 1 1 , i en utfóringsform av föreliggande innefattar anordningen för reglering av anfallsvinkeln 20 1 ett styrsystem. Företrädesvis inhämtar styrsystemet information om rådande flödesförhållanden, såsom vindhastighet, vindhastighet och rotationshastighet. Styrsystemet är anpassat att lagra information om egenskaper om, dvs. det specifika utförandet av, den aktuella vindturbinens 210 och dess ingående delar, såsom turbinbladens 21 1 profil, bârarmainas 215 längd, generatorns egenskaper etc. Härutöver kan eventuella begränsningar för vindturbinen utgöra indata för styrsystemet.

Ett exempel på en sådan begränsning är maximal rotationshastighet, vilken i enlighet med förklaring ovan inte bör överskridas. Ett annat exempel är en gräns för vindhastigheten vid vilken turbinbladens anfallsvinkel skall ändras för att åtminstone inte låta rotationshastigheten öka ytterligare. Punkten för relativ samverkan mellan kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 och kamorganets 203 vinkelposition kring den längsgående rotationsaxeln 1214 kan vid varje tidpunkt härledas av styrsystemet eller ett system kopplat till styrsystemet. Punkten för relativ samverkan liksom vinkelpositionen runt den längsgående rotationsaxeln kan ställas av exempelvis ett drivdon som förflyttar kamorganet 203. För utföringsformen där kamorganet 203 är delat i en första och en andra del 225226 är den relativa punkten för de två halvoma 225226 kontrollerad genom att flytta halvorna relativt 10 15 20 25 30 53'l 5144 14 ' varandra. Detta kan användas för den ovan nämnda nedvindsreduktionen.

Vinkelregleringen för kamorganet 203 föranlett av förändringar i vindriktningen kan uppnås genom passiva anordningar.

En utföringsform av föreliggande uppfinning är en vertikalaxlad vindturbin 210 innefattande en anordning för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med uppfinningen. Vindturbinen 210 innefattar åtminstone ett första turbinblad 11 1, helst med ett tvärsnitt utformat som en vingprofil, anordnat i ett karuselliknande arrangemang runt en längsgående rotationsaxel 214.

En utföringsform av Vindturbinen 2 10 enligt föreliggande uppfinning innefattar åtminstone ett flertal turbinblad 21 1, vars tvärsnitt är utformade som vingprofiler, anordnade i ett karuselliknande arrangemang kring en vertikal drivaxel 213 med hjälp av horisontella bärarmar 215. Den vertikala drivaxeln 213 är upprättstående från och roterbart anordnad på en bärande struktur 220 som innefattar en generator och / eller en växellåda i markplanet. Turbinbladens 21 1 anfallsvinkel styrs av en anordning för reglering av anfallsvinkeln 201 i enlighet med föreliggande uppfinning.

Anordningen för kontroll av anfallsvinkeln styrs av ett styrsystem tillhörande vindturbinens 2 10.

I en utfóringsform av föreliggande uppfinning är drivaxeln och dess längsgående rotationsaxel anpassad för att anordnas horisontellt. Följaktligen är även turbinbladen 211 horisontellt anordnade.

Med hänvisning till Fig. 12, föreliggande uppfinning tillhandahåller en metod för kontroll av anfallsvinkeln hos ett turbinblad 21 1 i en vindturbin av det vertikalaxlade slaget. Vindturbinen innefattar ett turbinblad 21 1 som dels år anordnat för rotation kring vindturbinens 210 längsgående rotationsaxel 214, och dels är rörligt upphängd så att turbinbladets 211 anfallsvinkeln ändras vid rotation kring en längsgående vridaxel 212. Anordningen för reglering av anfallsvinkeln innefattar ett kamorgan 203 och ett kamföljarorgan 204 anordnade att reglera turbinbladets 211 anfallsvínkel enligt en förutbestämd cyklisk variation när turbinbladet 211 roterar kring en längsgående rotationsaxel 214.

Metoden innefattar steget ändrande av en relativ position för samverkan mellan kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 längs en längsgående rotatíonsaxel 214 för att åstadkomma olika kamprofiler 206, vilka definierar olika förutbestämd cyklisk variation av anfallsvinkeln. Anfallsfinkeln kan' kontrolleras för att uppnå exempelvis effektiv kraftgenerering hos en vindturbin. Förändringar av den förutbestärnda 10 15 20 25 30 53'l 9-44 15 variationen av anfallsvinkeln föranleds typiskt av förändringar i vindhastighet, vindriktning och/ eller rotationshastighet hos turbinbladen 211.

En utföringsforrn av metoden i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar steget uridande av kamorganet 203 för att anpassa vinkelpositionen för kamorganet efter olika vindriktningar. Denna vridning kan åstadkommas av ett passivt arrangemang eller kontrolleras av ett styrsystem.

I en utföringsform av metoden i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar metoden steget flyttande av en första och en andra halva 225226 av kamorganet relativt varandra längs den längsgående rotationsaxeln 2 14 fór att åstadkomma olika karnprofiler 206, där kamprofilerna 206 definierar olika förutbestämd cykliska variation av anfallsvinkeln.

Steget flyttande av den första och andra halvan kan innefatta steget orienterande av kamorganet 203 i en vinkelposition kring den längsgående rotationsaxeln så att den första och den andra halvan 225,226 bestämmer den förutbestämda cykliska variationen i en uppvindssektor 231 respektive en nedvindssektor. Härigenom kan kompensation för den tidigare beskrivna nedvindsreduktionen åstadkommas.

En utföringsform av metoden i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar steget överuakande av åtminstone vindhastigheten. Utifrån denna övervakning kan den relativa punkten for samverkan mellan kamorganet 203 och kamföljarorganet 204 flyttas för att uppnå den variation av anfallsvinkeln som ger exempelvis den bästa verkningsgraden. Därutöver kan även rotationshastigheten hos turbinbladen runt den längsgående axeln 214 övervakas. Därigenom kan indata förbättras för bestämning av vilken kamprofil som bäst bör användas. Vindriktningen kan också övervakas och justeringar kan göras baserat på denna mätning, även om justeringen av vinkelpositionen hos kamorganet í förhållande till vindriktningen kan utföras passivt.

En utföringsform av en metod i enlighet med föreliggande uppfinning innefattar steget bearbetande av indata avseende vindhastighet, vindriktning och / eller rotationshastighet hos turbinbladen 2 l l runt den längsgående rotationsaxeln 2 14 i ett styrsystem. Styrsystemet justerar sedan anordningen för reglering av anfallsvinkeln 20 l för att uppnå fórdelaktig variation av anfallsvinkeln i överensstämmelse med instruktioner eller inställningar i styrsystemet.

Instruktionerna kan till exempel innefatta information om särskilda begränsningar 10 15 20 BEN Eläfl 16 av vind- och/ eller rotationshastigheter för att uppnå högsta verkningsgrad eller säkerhetsbetingade åtgärder.

Karnföljarorganet 204 har exempliiierats av stötstänger vilka verkar på en rotationspunkt 2 18 på turbinbladen 211, vilket innebär en enkel mekanisk konstruktion. Den föreliggande uppfinningen är emellertid inte begränsad till detta.

Karnföljarorganet kan tillexempel utgöras av hydrauliska anordningar, fjädrande anordningar etc. Även om alla utiöringsforrner har beskrivits i termer av en vertikalaxlad vindturbin skall det förstås att vindturbinens drivaxel även kan orienteras horisontellt, vinkelrät mot vindriktningen. Dessutom kan föreliggande uppfinning användas i andra flödesmedia än luft.

Turbinbladen 211 hos den vertikalaxlade vindturbinen 210 som den beskrivits ovan är i regel raka och har en homogen tvårsnittsgeometri. Föreliggande uppfinning är emellertid inte begränsad Lill detta. Vindturbinen 2 lO kan exempelvis vara av Darrieustyp eller annat utförande. Även om uppfinningen har beskrivits i enlighet med vad som för närvarande bedöms vara de mest praktiska och önskvärda utföringsformerna, skall det förstås att uppfinningen inte skall begränsas till de utföringsfonner som här uppvisats.

Uppfinningen är tvärtom avsedd att täcka olika modifikationer och likvärdiga arrangemang inom ramarna för bifogade patentkrav.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 531 944 n i PATENTKRAV Anordning fór reglering av anfallsvinkeln (20 1) i en vindturbin (210) av det vertikalaxlade slaget, där: - vindturbinen (210) innefattar ett turbinblad (211) anordnat att rotera kring en längsgående rotationsaxel (2 14) hos vindturbinen (210) och roterbart upphängt för vridning kring en längsgående vridaxel (2 12) hos turbinbladet (2 11), varvid anordningen för reglering av anfallsvinkeln (201) innefattar ett karnorgan (203) och ett kamföljarorgan (204) anordnade fór att reglera turbinbladets (21 1) anfallsvinkel (up) i enlighet med en förutbestämd cyklisk variation när turbinbladet (211) roterar kring den längsgående rotationsaxeln (214), - kamorganet (203) innefattar en kamyta (205) med olika kamproñler (206) placerade i en riktning längs den längsgående rotationsaxeln (214), varvid de olika kamprofilerna definierar olika förbestårnd cyklisk variation av anfallsvinkeln; och - den relativa punkten för samverkan mellan kamorganet (203) och kamföljarorganet (204) i riktningen längs den längsgående rotationsaxeln (214) år varierbar; kännetecknad av att kamytan (205) innefattar ett kontinuerligt övergångsområde (209) mellan karnprofilerna (206). Anordning för reglering av anfallsvinkeln (20 1) enligt krav l, varvid kamorganet (203) är rörligt upphängt for vridning kring den längsgående rotationsaxeln (214) för justering av kamorganets (203) vinkelposition kring den längsgående rotationsaxeln (2 14). Anordning för reglering av anfallsvinkeln (20 l) enligt krav l eller 2, varvid kamorganet (203) innefattar en sjålvstartsprofil. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt något av föregående krav, varvid karnorganet (203) innefattar en högfartsprofil. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (20 1) enligt något av föregående krav, varvid kamorganet (203) innefattar en profil för medelhöga hastigheter. 10 15 20 25 10. 11. 12. 13. 14. 15. 530 9114 lift Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt något av föregående krav, varvid kamorganet (203) innefattar en profil för överstegring. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt något av föregående krav, varvid kamorganet (203) innefattar en profil för mjuk flöjling. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (20 1) enligt något av föregående krav, varvid kamorganet (203) innefattar en profil för aktivt kontrollerad flöjling. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt krav 1, varvid kamorganet (203) innefattar en kamproñl (206) vilken tillhandahåller en cyklisk variation av anfallsvinkeln anpassad att vända en flat sida av turbinbladet (211) mot vinden i nedströmssektorn (230) och att vända turbinbladets (211) framkant huvudsakligen mot vinden i uppvindssektorn (231). Anordning för reglering av anfallsvinkeln (20 1) enligt krav 1 , varvid karnföljarorganet (204) innefattar en stötstång. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt krav 10, varvid stötstången är roterbart anordnad på turbinbladet (211) på ett avstånd från den längsgående vridaxeln (212). Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt krav 1, varvid den förbeståmda cykliska variationen kan finjusteras genom att anordna kamföljarorganet (204) på den kontinuerliga övergången (209). Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt krav 1 eller 2, varvid kamorganet (203) är flyttbart längs den längsgående rotationsaxeln (214), och kamföljarorganet (204) år fixerad i den längsgående riktningen. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt krav 1 eller 2, varvid anordningen för reglering av anfallsvinkeln innefattar ett styrsystem för kontroll av anfallsvinkeln. Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt något av föregående krav, varvid kamorganet (203) är delat i en första och en andra halva (225,226) vilka är rörliga relativt varandra längs den längsgående rotationsaxeln för att möjliggöra variation av det förutbestämda cykliska VariatiOnCII- 10 15 20 25 30 16. 17. 18. 19. 20. 531 944 ltl Anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt krav 15, varvid den första halvan (225) är anpassad för att kontrollera anfallsvinkeln i uppvindssektorn (231) och den andra halvan är anpassad för att kontrollera anfallsvinkeln i nedvindssektorn (230). En vindturbin av det vertikalaxlade slaget, innefattande en anordning för reglering av anfallsvinkeln (201) enligt något av föregående krav. Metod för att kontrollera en anordning för reglering av anfallsvinkeln enligt krav 1, varvid: - vindturbinen (210) innefattar ett turbinblad (21 1) anordnat att rotera kring en längsgående rotationsaxel (214) hos vindturbinen (210) och roterbart upphängt för vridning kring en längsgående vridaxel (212) hos turbinbladet (211) - anordningen för reglering av anfallsvinkeln (201) innefattar ett kamorgan (203) och ett kamföljarorgan (204) anordnade för att reglera turbinbladets (21 1) anfallsvinkel (up) i enlighet med en förutbestämd cyklisk variation när turbinbladet (211) roterar kring den längsgående rotationsaxeln (214), - kamorganet (203) innefattar en kamyta (205) med olika kamproñler (206) placerade i en riktning längs den längsgående rotationsaxeln (214), varvid de olika kamprofilerna definierar olika förbestämd cyklisk variation av anfallsvinkeln; och - den relativa punkten för samverkan mellan kamorganet (203) och kamföljarorganet (204) i riktningen längs den längsgående rotatíonsaxeln (214) är varierbar kännetecknad av stegen: - ändrande av en relativ punkt för samverkan mellan kamorganet (203) och karnföljarorganet (204) längs den längsgående rotationsaxel (2 14) för att åstadkomma olika kamprofiler (206); och - flyttande av en första och en andra halva (225,226) av kamorganet 203 relativt varandra längs den längsgående rotationsaxeln (2 14) för att erhålla olika kamprofiler (206). Metod för att kontrollera anfallsvinkeln enligt krav 18, vidare innefattande steget vridande av kamorganet (203) för att justera karnorganets vinkelposition för olika vindriktningar. Metod för att kontrollera anfallsvinkeln enligt krav 18 eller 19, varvid kamytan (205) innefattar ett kontinuerligt övergångsområde (209) mellan karnprofilerna 10 21. 22. 533! H44 (206) och steget ändrande vidare innefattar användande av det kontinuerliga övergångsområdet (209) får att erhålla olika kamproñler (206). Metod för att kontrollera anfallsvinkeln enligt krav 18 eller 19, varvid steget flyttande av den första och den andra halvan innefattar steget orienterande av kamorganet (203) i en vinkelposition kring den längsgående rotationsaxeln (214) så att den första och andra halvan (225226) bestämmer den förutbestämda variationen av anfallsvinkeln i en uppvindssektor (231) respektive en nedvindssektor (230). Metod för att kontrollera anfallsvinkeln enligt något av krav 18-20, vidare innefattande steget övervakande av åtminstone víndhastigheten och som en av detta steg föranledd åtgärd utföra åtminstone steget ändrande.