MD4212C1 - Turbină eoliană cu roţi-vindroză aerodinamice - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali.Turbina eoliană cu roţi-vindroză aerodinamice conţine un turn (1), pe care este instalat un rotor (3) cu pale (4), amplasat pe un butuc într-o gondolă (2), instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului (1), precum şi un generator electric (5), arborele căruia este legat cu arborele rotorului (3) cu pale (4). În interiorul gondolei (2) este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola (2) are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului (1).De o parte şi de alta a gondolei (2) sunt instalate două roţi-vindroză (9), palelecărora sunt executate cu profil aerodinamic asimetric, amplasat faţă de planul de rotaţie a roţilor-vindroză (9) sub un unghi.

Description

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali.

Este cunoscută o turbină eoliană, care include un turn, pe care este instalat un rotor cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă, instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului, precum şi un generator electric, arborele căruia este legat direct cu arborele rotorului cu pale.

Dezavantajele turbinei cunoscute constau în aceea că la depăşirea valorii nominale a vitezei vântului are loc schimbarea automată a unghiului de atac al palelor, micşorându-se turaţiile rotorului, precum şi în aceea că construcţia este complicată şi posedă o fiabilitate redusă [1].

Problema pe care o rezolvă invenţia este sporirea eficienţei conversiei energiei eoliene în energie utilă la vânturi cu rafale cu direcţia schimbătoare în scurt timp.

Problema se rezolvă prin aceea că turbina eoliană cu roţi-vindroză aerodinamice conţine un turn, pe care este instalat un rotor cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă, instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului, precum şi un generator electric, arborele căruia este legat cu arborele rotorului cu pale. În interiorul gondolei este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului. De o parte şi de alta a gondolei sunt instalate două roţi-vindroză, palele cărora sunt executate cu profil aerodinamic asimetric, amplasat faţă de planul de rotaţie a roţilor-vindroză sub un unghi θ = (8…28)°, care este egal cu unghiul θ(t) de variaţie a extremelor direcţiei vântului, dependent de viteza nominală a vântului şi diametrul roţii-vindroză, conform formulei:

Va.r. - viteza vântului la înălţimea axului rotorului;

σ1 = 0,16(0,75 Va.r.+ 5,6) - deviaţia standard a vitezei longitudinale a vântului la înălţimea axului rotorului;

D - diametrul roţii-vindroză;

Λ1 - parametrul scalei de turbulenţă;

T = 6 s - durata schimbării direcţiei extremale a vântului;

t - durata schimbării direcţiei rafalei de vânt.

Roţile-vindroză sunt legate cinematic cu rotorul, astfel încât acesta se poziţionează perpendicular pe direcţia schimbată a fluxului de aer, iar profilurile palelor roţilor-vindroză sunt executate cu simetrie în oglindă.

Roţile-vindroză pot fi plasate simetric faţă de axa longitudinală a gondolei la o distanţă l>D, iar diametrul gondolei constituie d=(0,4÷0,6)D.

Roţile-vindroză pot fi amplasate în zona amonte a rotorului.

Roţile-vindroză pot fi amplasate în zona aval a rotorului, fiind dotate cu nişte ecrane circulare cu lăţimea b ≤ lsinθ(t).

Turbina eoliană cu roţi-vindroză conform invenţiei asigură următoarele avantaje.

Palele roţilor-vindroză dotate cu profil aerodinamic asimetric amplasat faţă de planul de rotaţie a roţilor-vindroză sub un unghi θ = (8…28)° dependent de viteza vântului şi diametrul roţii-vindroză asigură majorarea forţelor aerodinamice aplicate asupra palelor şi sporirea frecvenţei de rotaţie a roţii-vindroză şi a momentului de torsiune transmis arborelui acesteia, fapt ce conduce la sporirea operativităţii şi sensibilităţii orientării rotorului la direcţia schimbată a vântului şi implicit la sporirea eficienţei conversiei.

Plasarea roţilor-vindroză în zona amonte a rotorului poziţionate simetric faţă de axa longitudinală a gondolei la o distanţă l > D, conduce la diminuarea influenţei negative a efectelor de turbulenţă, provocate de rotorul cu pale şi gondolă, ce acţionează asupra palelor roţii-vindroză.

În turbina eoliană cu roţi-vindroză amplasate în zona aval a rotorului cu pale, acestea sunt dotate cu nişte ecrane circulare cu lăţimea b ≤ lsinθ(t), care protejează roţile-vindroză de influenţa turbulenţei provocate de rotorul cu pale şi sporeşte sensibilitatea orientării turbinei la direcţia vântului.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-8, care reprezintă:

fig.1, vederea generală a turbinei eoliene cu amplasarea roţilor-vindroză cu profil aerodinamic al palelor în zona amonte a rotorului;

fig. 2, schema cinematică a mecanismului de orientare a turbinei eoliene cu roţi-vindroză cu profil aerodinamic al palelor, amplasate în zona amonte a rotorului;

fig. 3, schema principală a mecanismului de orientare a turbinei eoliene după direcţia vântului;

fig. 4, turbina eoliană la schimbarea direcţiei vântului în timp, pentru Va.r. = 25 m/s;

fig. 5, schema principală a mecanismului de înclinare a axei rotorului faţă de planul orizontal;

fig. 6, schema forţelor aerodinamice în roata-vindroză cu profil asimetric;

fig. 7, vederea generală a turbinei eoliene cu amplasarea roţilor-vindroză cu profil aerodinamic al palelor în zona aval a rotorului;

fig. 8, schema principală a turbinei eoliene cu roţi-vindroză amplasate în zona aval a rotorului.

Turbina eoliană (fig. 1) conţine un turn 1, pe care este instalat un rotor 3 cu pale 4, amplasat pe un butuc într-o gondolă 2, instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului 1, precum şi un generator electric 5, arborele căruia este legat cu arborele rotorului 3 cu pale 4. Gondola 2 este instalată în rulmenţi într-o carcasă 6 cu posibilitatea de a se înclina sub un anumit unghi faţă de planul orizontal, iar carcasa 6 este instalată în rulmenţi pe arborele 7 fixat de turnul 1 cu posibilitatea de a se roti în jurul acestuia.

În zona amonte a rotorului 3 pe un arbore comun 8 (fig. 2), instalat în sprijini cu rulmenţi 16 fixate de carcasa 6, sunt instalate două roţi-vindroză 9 cu pale cu profil aerodinamic amplasate simetric pe de o parte şi alta a gondolei 2. Roţile-vindroză 9 sunt amplasate astfel încât profilurile aerodinamice ale palelor reprezintă o simetrie în oglindă. Arborele 8 (fig. 2) este dotat cu un angrenaj cu melc 10 de stânga (cu suprafaţa elicoidală de stânga) angrenat cu o roată cu melc 11, instalată pe un arbore condus 12 al altui angrenaj cu melc de dreapta (cu suprafaţa elicoidală de dreapta) şi o roată cu melc 13, instalată pe carcasa 6 cu rulmenţi 14 montaţi pe arborele 7 fixat de turn. În interiorul gondolei 2, pe o platformă fixată de carcasa 6 este instalată o staţie hidraulică, care antrenează un hidrocilindru 15 fixat la un capăt, prin intermediul articulaţiei 17, cu gondola 2, iar la altul, prin intermediul articulaţiei 18, cu carcasa 6. Gondola 2 este instalată în rulmenţi pe sprijinele 19 fixate imobil de carcasa 6.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor.

La o viteză a vântului V > 3 m/s fluidul, interacţionând cu palele 4 cu profil aerodinamic (fig. 3, a), antrenează rotorul 3 şi implicit arborele generatorului electric 5 cu magneţi permanenţi într-o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară de rotaţie ω.

În cazul în care direcţia vântului este perpendiculară pe suprafaţa baleiată a rotorului 3 cu palele 4 (fig. 3, b), roţile-vindroză 9 având profiluri asimetrice (oglindă) nu se rotesc sub acţiunea fluxului de aer. Ele încep să se rotească într-o direcţie sau alta doar în cazul în care direcţia vântului (V1, V2) se schimbă şi formează un unghi oarecare θ(t) cu axa de rotaţie a rotorului 3.

Palele roţilor-vindroză 9 cu profil aerodinamic sunt amplasate astfel încât la schimbarea direcţiei vântului (spre exemplu V1) sub un anumit unghi θ(t) (fig. 3, b) forţele aerodinamice dezvoltate de pale impun roţilor-vindroză 9 o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară ωV în sensul mişcării acelor de ceasornic. Mişcarea de rotaţie de la roţile-vindroză 9, prin intermediul celor două angrenaje cu melc (fig. 2), unul fiind de stânga, iar altul de dreapta, se transmite carcasei 6, care împreună cu gondola 2 (fig. 3, b) se vor roti în jurul axei turnului O-O cu viteza unghiulară ωg = ωV1/i1·i2 în sens opus mişcării acelor de ceasornic. Rotirea gondolei 2 (în sens opus mişcării acelor de ceasornic) împreună cu rotorul 3 în jurul axei turnului O-O va dura până când planul de rotaţie a roţilor-vindroză 9 va coincide cu direcţia vântului V1, iar planul de rotaţie a rotorului 3 se va poziţiona perpendicular pe direcţia vântului.

Palele cu profil aerodinamic al roţilor-vindroză 9 sunt amplasate astfel încât la schimbarea direcţiei vântului V2 (fig. 3, b) forţele aerodinamice impun roţilor-vindroză 9 o mişcare de rotaţie în sens opus mişcării acelor de ceasornic, iar rotorului 3 o mişcare de rotaţie în jurul axei turnului O-O în sensul mişcării acelor de ceasornic, orientându-l astfel după direcţia fluxului de aer V2 (sau în sens opus în raport cu cazul direcţiei vântului V1).

Conform măsurărilor pe durata unui an s-a constatat că rafalele de vânt într-o perioadă de timp t de până la 10 s îşi schimbă direcţia pe extreme de la 0° până la 28°, conform funcţiei prezentate în fig. 4 (pentru viteza la axul rotorului Va.r. = 25 m/s).

Pentru ca roţile-vindroză 9 să se poziţioneze în zona amonte sub acţiunea fluxului de aer şi pentru a asigura orientarea operativă a rotorului turbinei eoliene după direcţia vântului este necesar ca la schimbarea într-un anumit interval de timp a direcţiei vântului lanţul cinematic „vindroză - angrenajele cu melc - turn” să satisfacă următoarele cerinţe:

1. Roţile-vindroză 9 să dezvolte o frecvenţă a turaţiilor nV necesară pentru a orienta rotorul cu pale după direcţia vântului timp de până la 10 s cu o oarecare inerţie (întârziere), pentru a exclude efectele dinamice (provocate de schimbarea rapidă a direcţiei vântului), conform relaţiei:

,

unde: k este coeficientul de asigurare a inerţiei orientării turbinei după direcţia vântului (k>1);

nr - frecvenţa turaţiilor rotorului cu pale aerodinamice după direcţia vântului, min-1;

i1,i2 - rapoarte de transmisie ale angrenajelor cu melc;

θ(t) - unghiul dintre extremele de schimbare a direcţiei rafalei de vânt, grade unghiulare;

t - timpul de schimbare a direcţiei rafalei de vânt, s.

2. Roţile-vindroză 9 să dezvolte un moment de torsiune T, necesar pentru a învinge momentul reactiv Tr (la arborele 7, fig. 3, a, în jurul căruia se roteşte gondola), dezvoltat la interacţiunea rafalelor de vânt cu rotorul aerodinamic în rotaţie, determinat din relaţia:

unde: Tr este momentul reactiv (la arborele 7, în jurul căruia se roteşte gondola) dezvoltat la interacţiunea rafalelor de vânt cu rotorul aerodinamic în rotaţie;

i1, i2 - rapoarte de transmisie ale angrenajelor cu melc;

ηΣ - randamentul mecanic sumar al lanţului cinematic (angrenaje cu melc, perechi de rulmenţi).

3. Transmisiile lanţului cinematic de orientare a rotorului turbinei după direcţia vântului trebuie să asigure rotirea acestuia în sens opus mişcării acelor de ceasornic când direcţia fluxului de aer s-a schimbat conform V1, şi în sensul mişcării acelor de ceasornic când direcţia fluxului de aer s-a schimbat conform V2.

Viteza vântului conform cerinţelor de proiectare a turbinelor eoliene de putere mică de până la 20 kW variază de la 3 m/s până la 22,5 m/s. Odată cu creşterea vitezei fluxului de aer până la V = 14 m/s creşte şi viteza unghiulară ω a arborilor rotorului 3 şi generatorului electric 5 (fig. 5, a) şi, respectiv, puterea energiei convertite la bornele acestuia în limitele admisibile.

În scopul protejării generatorului electric 5 de suprasarcini în intervalul vitezelor (14…22,5) m/s este necesar de a micşora suprafaţa baleiată de către palele 4 ale rotorului 3 proiectată pe planul perpendicular direcţiei fluxului de aer.

În soluţia tehnică propusă micşorarea acestei suprafeţe se realizează prin înclinarea sub un anumit unghi γ a axei O′-O′ rotorului 3 faţă de planul orizontal, prin intermediul, spre exemplu, a unui sistem hidraulic, menţinând astfel mai operativ (în scurt timp) frecvenţa de rotaţie a generatorului electric 5 în limitele admisibile, respectiv şi tensiunea curentului electric la bornele acestuia (fig. 5, b).

În cazul în care vitezele fluxului de aer nu depăşesc 14 m/s, axa O′-O′ rotorului 3 şi a gondolei 2 se află în plan orizontal, iar când viteza vântului depăşeşte 14 m/s, prin intermediul unui traductor de tensiune a curentului electric, motorul electric al staţiei hidraulice 20 (fig.5, b) se conectează la un acumulator electric (individual) şi, acţionând hidrocilindrul 15, axa O′-O′ a rotorului 3 se înclină sub un anumit unghi γ faţă de planul orizontal. În acest caz suprafaţa baleiată de către palele rotorului 3 proiectată pe planul perpendicular pe direcţia vântului (V) se micşorează şi, respectiv, se micşorează frecvenţa rotaţiilor generatorului electric 5 şi puterea generată de acesta.

Roţile-vindroză 9 cu profil rectiliniu al palelor se caracterizează prin frecvenţe de turaţii şi momente de torsiune reduse, dependente de presiunea fluxului de aer exercitată pe suprafaţa paletelor şi de dimensiunile diametrale ale acestora.

Din aceste considerente, la utilizarea roţilor-vindroză 9 cu profil rectiliniu al palelor timpul de orientare a rotorului după direcţia vântului este mult mai mare (180° în aproximativ 30 min.) decât durata unei rafale de vânt. Aceasta conduce la diminuarea randamentului conversiei energiei eoliene în energie utilă.

În invenţia propusă, roţile-vindroză 9 dotate cu pale cu profil aerodinamic din familia NACA (fig. 6) la aceleaşi viteze ale fluxului de aer, datorită forţelor aerodinamice dezvoltă turaţii mult mai mari, asigurând astfel o orientare a rotorului după direcţia vântului mult mai operativă.

De asemenea este de menţionat că momentul de torsiune la arborele 8 al roţilor-vindroză 9 se formează prin acţiunea asupra palelor a presiunii p exercitate de fluxul de aer şi complementar prin acţiunea forţelor aerodinamice portante FL, datorate profilului aerodinamic al acestora.

În fig. 6 sunt prezentate forţele, care acţionează asupra palei la interacţiunea acesteia cu fluxul de aer. Palele cu profil aerodinamic sunt amplasate astfel încât coarda lor formează cu planul de rotaţie al roţilor-vindroză 9 unghiul θ. Unghiul θ este egal cu unghiul θ(t) de variaţie a extremelor direcţiei vântului, care cuprinde intervalul valoric 8°…28° dependent de viteza vântului şi diametrul roţii-vindroză, conform formulei:

Fluxul de aer exercită presiunea p asupra palelor plasate în zona superioară axei O-O de rotaţie a roţilor-vindroză 9 (conform desenului) şi penetrează palele plasate în zona inferioară a axului de rotaţie a acestora.

În acest caz, datorită diferenţei proiecţiei suprafeţelor palelor de pe ambele părţi ale axei O-O roţilor-vindroză 9 pe planul perpendicular direcţiei vântului, roţile-vindroză 9 se vor roti în sau împotriva sensului mişcării acelor de ceasornic (în funcţie de schimbarea direcţiei vântului) cu momentul de torsiune aplicat Tapl=Ft·d/2 la axa roţilor-vindroză 9. Forţa aerodinamică portantă FL se determină din formula:

unde CL este coeficientul de portanţă, care este funcţie de forma profilului aerodinamic al palei, unghiul de atac şi numărul lui Reynolds, ρ - densitatea aerului, Vref - viteza de referinţă a vântului, Aproiecţie - aria proiecţiei palelor pe planul ortogonal direcţiei vântului. Frecvenţa de rotaţie n şi puterea P depind de viteza de referinţă şi sunt în relaţie cu momentul la mecanismul de acţionare TM:

unde η este randamentul mecanismului de acţionare calculat prin formula:

η = 0,6 + 0,000005·P.

Timpul de orientare a rotorului după direcţia vântului este comparabil cu durata rafalei de vânt, iar momentul la arborele 8 al roţilor-vindroză 9 creşte. Datorită acestor avantaje utilizarea roţilor-vindroză 9 cu pale cu profil aerodinamic asigură sporirea operativităţii orientării rotorului eolian la direcţia schimbătoare a vântului şi respectiv a eficienţei conversiei energiei eoliene în energie utilă.

Pentru turbine eoliene cu diametrul rotorului aerodinamic de până la 10 m, caracterizate prin momente reactive Tr relativ mici, roţile-vindroză 9 (fig. 7) pot fi amplasate în zona aval a rotorului 3. Principiul de funcţionare a turbinei cu roţile-vindroză 9 amplasate în zona aval a rotorului 3 este similar cu cel al turbinei prezentate în fig. 1.

În turbina eoliană prezentată în fig. 8, a rotorul 3 se orientează la direcţia vântului în modul următor. La interacţiunea fluxului de aer, spre exemplu, cu viteza V1 palele cu profil aerodinamic se vor roti cu viteza unghiulară ωV împotriva sensului mişcării acelor de ceasornic, iar prin intermediul lanţului cinematic, spre exemplu, cu două angrenaje cu melc cu ambii melci de dreapta, gondola 2 se va roti în jurul axei O-O în sensul mişcării acelor de ceasornic. Rotirea gondolei 2 va dura până când axa rotorului 3 va coincide cu direcţia de curgere a fluxului de aer.

Protecţia generatorului electric 5 de suprasarcină la viteze mari ale vântului se asigură ca şi în turbina eoliană cu roţile-vindroză 9 amplasate în zona amonte a rotorului. Unghiul de înclinare γ a gondolei 2 depinde de tensiunea curentului electric generată la bornele generatorului, în funcţie de viteza fluxului de aer.

Avantajul major al turbinei eoliene cu amplasarea roţilor-vindroză 9 (fig. 8, a, b) în zona aval a rotorului 3 constă în excluderea efectului de umbrire de către turnul 1 a palei 4 (fig. 8, b), care traversează zona inferioară a suprafeţei baleiate de către rotorul 3. Totodată această configuraţie se caracterizează negativ prin faptul că roţile-vindroză 9, amplasate în zona aval a rotorului 3, sunt influenţate de posibile perturbaţii turbulente provocate de către rotorul 3 cu pale 4 aerodinamice în rotaţie şi gondola 2. Pentru a realiza avantajul major menţionat şi a diminua impactul negativ al perturbaţiilor turbulente, roţile-vindroză 9 sunt dotate cu un ecran circular 21 (fig. 8, a), amplasat la periferia palelor, cu lăţimea:

b ≤ lsinθ(t),

unde roţile-vindroză 9 sunt plasate simetric faţă de axa longitudinală a gondolei 2 la o distanţă l>D, diametrul gondolei constituie d=(0,4÷0,6)D, iar D este diametrul exterior al roţii-vindroză.

Pentru orientarea corectă a rotorului aerodinamic după direcţia fluxului prin intermediul roţilor-vindroză 9 cu pale cu profiluri poziţionate cu simetrie în oglindă, în turbina eoliană prezentată în fig. 7 cu amplasarea acestora în zona aval a rotorului, cele două angrenaje cu melc ale lanţului cinematic de orientare sunt dotate cu melci analogici (ambii de stânga sau ambii de dreapta), iar în turbina eoliană prezentată în fig. 1 cu roţile-vindroză 9 amplasate în zona amonte a rotorului angrenajele cu melc trebuie să fie dotate cu melci diferiţi, unul de stânga şi altul de dreapta.

1. RU 2235902 C1 2004.09.10

Claims (4)

1. Turbină eoliană cu roţi-vindroză aerodinamice, care conţine un turn (1), pe care este instalat un rotor (3) cu pale (4), amplasat pe un butuc într-o gondolă (2), instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului (1), precum şi un generator electric (5), arborele căruia este legat cu arborele rotorului (3) cu pale (4), caracterizată prin aceea că în interiorul gondolei (2) este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola (2) are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului (1); de o parte şi de alta a gondolei (2) sunt instalate două roţi-vindroză (9), palele cărora sunt executate cu profil aerodinamic asimetric, amplasat faţă de planul de rotaţie a roţilor-vindroză (9) sub un unghi θ = (8…28)°, care este egal cu unghiul θ(t) de variaţie a extremelor direcţiei vântului, dependent de viteza nominală a vântului şi diametrul roţii-vindroză (9), conform formulei:

Va.r. - viteza vântului la înălţimea axului rotorului; σ1 = 0,16(0,75 Va.r.+ 5,6) - deviaţia standard a vitezei longitudinale a vântului la înălţimea axului rotorului; D - diametrul roţii-vindroză; Λ1 - parametrul scalei de turbulenţă; T = 6 s - durata schimbării direcţiei extremale a vântului; t - durata schimbării direcţiei rafalei de vânt, totodată, roţile-vindroză (9) sunt legate cinematic cu rotorul (3), astfel încât acesta se poziţionează perpendicular pe direcţia schimbată a fluxului de aer, iar profilurile palelor roţilor-vindroză (9) sunt executate cu simetrie în oglindă.

2. Turbină, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că roţile-vindroză (9) sunt plasate simetric faţă de axa longitudinală a gondolei (2) la o distanţă l>D, iar diametrul gondolei constituie d=(0,4÷0,6)D.

3. Turbină, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că roţile-vindroză (9) sunt amplasate în zona amonte a rotorului (3).

4. Turbină, conform revendicărilor 1 şi 2, caracterizată prin aceea că roţile-vindroză (9) sunt amplasate în zona aval a rotorului (3), fiind dotate cu nişte ecrane circulare cu lăţimea b ≤ lsinθ(t).