PL174752B1

PL174752B1 - Wind power plant

Info

Publication number: PL174752B1
Application number: PL94304734A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Turowski; Piotr Szymczak
Original assignee: Akad Rolnicza; Politechnika Szczecinska
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1998-09-30
Also published as: PL304734A1

Abstract

). Elektrowkiawintrowazwirnikiem silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu, znamienna tym, że posiada pierścień ferromagnetyczny (6) z nakładką (7) aluminiową lub miedzianą usytuowany w osi obrotu wirnika silnika wiatrowego i zamocowany na poziomych ramionach osadczych (4) skrzydeł napędowych (5) oraz zawiera co najmniej jeden induktor (8) prądnicy usytuowany bezpośrednio nad pierścieniem ferromagnetycznym, osadzonynawsporniku (9) przytwierdzonym nieruchomo do półosi (2) na wierzchołku masztu (1) elektrowni.). A wind turbine electric motor with a wind turbine rotor with a vertical axis of rotation, characterized in that it has a ferromagnetic ring (6) with an aluminum or copper overlay (7) located in the axis of rotation of the wind turbine rotor and mounted on horizontal mounting arms (4) of the drive blades (5) and contains at least one generator inductor (8) located directly above the ferromagnetic ring, mounted on a bracket (9) fixed to the half-axis (2) at the top of the mast (1) of the power plant.

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektrownia z wirnikiem silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu przeznaczona głównie do współpracy z siecią elektroenergetyczną.The subject of the invention is a power plant with a wind turbine with a vertical axis of rotation, intended mainly for cooperation with a power grid.

Znane elektrownie wiatrowe wyposażone w silnik wiatrowy o pionowej osi obrotu posiadają przekładnię zwiększającą obroty oraz prądnicę asynchroniczną wirującą, współpracującą z siecią elektroenergetyczną. Znane są również elektrownie wiatrowe, w których do wytwarzania energii elektrycznej zastosowano wirujące prądnice synchroniczne, lub prądnice prądu stałego, połączone przekładnią mechaniczną z wirnikiem silnika wiatrowego. Elektrownie te wykazują szereg wad i niedogodności, usunięcie lub ograniczenie których napotyka na znaczne przekszkody techniczne. Przekładnie mechaniczne stanowiące ważny i niezbędny ze względu na stosowanie prądnic wirujących podzespół są źródłem uciążliwych drgań mechanicznych. Są to zwykle przekładnie wielostopniowe, a więc często zawodne w działaniu, przez co zmniejszą one ogólną sprawność energetyczną całych urządzeń. Wszystkie znane elektrownie wiatrowe charakteryzują się stosunkowo dużym zużyciem materiałów i są drogie w budowie i eksploatacji.Known wind farms equipped with a wind turbine with a vertical axis of rotation have a gear increasing the speed and a rotating asynchronous generator, cooperating with the power grid. There are also wind farms in which to generate electricity, rotating synchronous generators or direct current generators, connected by a mechanical transmission to the wind turbine rotor, are used. These power plants suffer from a number of disadvantages and inconveniences, the removal or limitation of which is subject to significant technical damage. Mechanical gears, which are an important and necessary component due to the use of rotating generators, are a source of troublesome mechanical vibrations. These are usually multi-stage gears, and therefore often unreliable in operation, which will reduce the overall energy efficiency of the entire equipment. All known wind farms are characterized by a relatively high consumption of materials and are expensive to build and operate.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej elektrowni wiatrowej, w której zbędna staje się przekładnia mechaniczna przenosząca napęd z silnika wiatrowego na prądnicę elektryczną. Okazało się, że postawiony cel można zrealizować w relatywnie prosty sposób dokonując takiego zaprojektowania odpowiednich części wirnika silnika wiatrowego i elementów współpracujących, ażeby utworzyły one razem efektywnie działającą elektryczną prądnicę asynchroniczną liniową, nie wymagającą przekładni mechanicznej.The aim of the invention is to develop such a wind power plant in which the mechanical transmission transmitting the drive from the wind turbine to the electric generator becomes unnecessary. It turned out that the set goal can be achieved in a relatively simple manner by designing the relevant parts of the wind turbine rotor and associated elements so that they together form an efficiently operating electric linear asynchronous generator that does not require a mechanical transmission.

Istota wynalazku polega na tym, że elektrownia wiatrowa z wirnikiem silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu posiada pierścień ferromagnetyczny z nakładką aluminiową, Iub miedzianą, usytuowany w osi obrotu wirnika i zamocowany na poziomych ramionach osadczych skrzydeł wirnika oraz zawiera co najmniej jeden uzwojony induktor prądnicy usytuowany bezpośrednio nad pierścieniem ferromagnetycznym, osadzony na wsporniku przytwierdzonym nieruchomo do półosi na wierzchołku masztu. Induktor przymocowany jest do wspornika przesuwnie wzdłuż jego długości. Stosunek średnicy wirnika silnika wiatrowego do średnicy zewnętrznej pierścienia ferromagnetycznego za174 752 warty jest w granicach 2 * 7. Do wspornika przymocowany jest również zespół hamulca ciernego współpracujący z pierścieniem ferromagnetycznym.The essence of the invention consists in the fact that a wind turbine with a wind turbine with a vertical axis of rotation has a ferromagnetic ring with an aluminum or copper cap, located in the axis of rotation of the rotor and fixed on the horizontal mounting arms of the rotor blades, and includes at least one wound inductor of a generator located directly above the ferromagnetic ring, mounted on a bracket fixed motionlessly to the axle shaft at the top of the mast. The inductor is attached to the bracket slid along its length. The ratio of the rotor diameter of the wind turbine to the outer diameter of the ferromagnetic ring za174 752 is 2 * 7. Also attached to the bracket is a friction brake unit cooperating with the ferromagnetic ring.

Elektrownia wiatrowa według wynalazku wykazuje szereg korzystnych skutków technicznych, z których najważniejszym jest wyeliminowanie potrzeby stosowania przekładni mechanicznej, nieodzownej w dotychczasowych konstrukcjach posługujących się prądnicami wirującymi dla przetwarzania energii mechanicznej silnika wiatrowego na energię elektryczną. Daje to możliwość istotnego odchudzania całego urządzenia, bowiem masa przekładni mechanicznych w znanych budowanych elektrowniach wiatrowych stanowi około 30% ogólnej masy zespołu wiatrowo-elektrycznego. Utworzenie prądnicy asynchronicznej liniowej bezpośrednio na elementach silnika wiatrowego ogromnie upraszcza całą konstrukcję i ułatwia obsługę. Przesuwne zamocowanie induktora na wsporniku umożliwia optymalne wykorzystanie energii wiatru przy jego różnych prędkościach poprzez zmianę położenia induktora na większy lub mniejszy promień. Znaczne uproszczenie konstrukcji elektrowni zwiększa jej niezawodność działania i zmniejsza poziom drgań mechanicznych. Zainstalowanie na wsporniku zespołu hamulca ciernego współpracującego z pierścieniem ferromagnetycznym umożliwia przyhamowanie w razie potrzeby lub całkowite zatrzymanie wirnika, np. na okres remontów.The wind power plant according to the invention shows a number of advantageous technical effects, the most important of which is the elimination of the need to use a mechanical transmission, indispensable in the current constructions using rotating generators for converting the mechanical energy of the wind turbine into electricity. This makes it possible to significantly reduce the weight of the entire device, because the weight of mechanical gears in known constructed wind farms constitutes about 30% of the total weight of the wind-electric unit. Creating a linear asynchronous generator directly on the wind turbine components greatly simplifies the overall structure and facilitates service. Sliding mounting of the inductor on the support allows optimal use of wind energy at its various speeds by changing the position of the inductor to a larger or smaller radius. The significant simplification of the power plant structure increases its operational reliability and reduces the level of mechanical vibrations. Installing the friction brake unit cooperating with the ferromagnetic ring on the bracket enables braking if necessary or complete stopping of the rotor, e.g. for repairs.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku schematycznym w widoku bocznym.The subject of the invention is illustrated in a schematic drawing in a side view in an exemplary embodiment.

Na kratownicowym maszcie 1 zakończonym na wierzchołku pionową półosią 2 wykonaną z rury stalowej zamocowana jest obrotowo głowica 3, do której przytwierdzone są przykładowo dwa ramiona osadcze 4 pionowych skrzydeł napędowych 5 osadzonych na końcach ramion. Skrzydła napędowe mają typowy symetryczny profil aerodynamiczny. Głowica 3, ramiona osadcze 4, oraz skrzydła napędowe 5 stanowią wirnik silnika wiatrowego o pionowej osi obrotu, o średnicy D.A head 3 is rotatably mounted on a lattice-shaped mast 1 with a vertical shaft 2 at its apex, made of a steel tube, to which, for example, two mounting arms 4 of vertical driving wings 5 are attached, mounted at the ends of the arms. The propeller wings have a typical symmetrical aerodynamic profile. The head 3, mounting arms 4, and drive wings 5 constitute a rotor of a wind turbine with a vertical axis of rotation, diameter D.

Na ramionach osadczych 4 zamocowany jest od góry biegnący dookoła głowicy 3 pierścień ferromagnetyczny 6 z nakładką aluminiową 7 o promieniu zewnętrznym r_x. Zamiast nakładki aluminiowej może być stosowana nakładka miedziana. Bezpośrednio ponad nakładką pierścienia ferromagnetycznego usytuowany jest induktor 8 prądnicy asynchronicznej liniowej mający postać uzwojonej płytki, stanowiącej część pierwotną prądnicy wytwarzającej pole magnetyczne biegnące. Induktor ten osadzony jest na wsporniku 9 przytwierdzonym nieruchomo do półosi 2. Induktor przymocowany jest do wspornika przesuwnie wzdłuż jego długości po promieniu r_x, tak by w zależności od prędkości wiatru mógł znajdować się bliżej lub dalej od osi obrotu wirnika.Mounted on the mounting arms 4 from above is a ferromagnetic ring 6 running around the head 3 with an aluminum cap 7 with an external radius r _x . A copper cover can be used instead of the aluminum cover. Directly above the ferromagnetic ring cap there is the inductor 8 of a linear asynchronous generator in the form of a wound plate constituting the primary part of the generator generating the traveling magnetic field. This inductor is mounted on a support 9 fixedly fixed to the shaft 2. The inductor is attached to the support slidably along its length along the radius r _x , so that, depending on the wind speed, it can be closer or further from the rotor rotation axis.

Dla uzyskania prawidłowej i efektywnej pracy elektrowni stosunek średnicy D wirnika silnika wiatrowego do średnicy zewnętrznej 2r_x nakładki 7 pierścienia ferromagnetycznego 6 winien mieścić się w granicach 2 * 7. Podany przedział stosunku średnic wynika z optymalnej koordynacji charakterystyk mechanicznych silnika wiatrowego i prądnicy dla minimalnej użytecznej prędkości wiatru wynoszącej 3 m/s i znamionowej obliczonej prędkości wiatru wynoszącej 8 m/s.To obtain correct and effective operation of the power plant, the ratio of the diameter D of the wind turbine rotor to the outer diameter 2r _x cap 7 of the ferromagnetic ring 6 should be within 2 * 7. The given range of the ratio of diameters results from the optimal coordination of the mechanical characteristics of the wind turbine and generator for the minimum useful speed wind speed of 3 m / s and rated calculated wind speed of 8 m / s.

Na wsporniku 9 zamocowany jest również zespół hamulca ciernego 10 współpracujący z pierścieniem ferromagnetycznym po wewnętrznej stronie w stosunku do aluminiowej nakładki 7.Also mounted on the support 9 is a friction brake unit 10 cooperating with a ferromagnetic ring on the inside with respect to the aluminum cap 7.

Elektrownia według wynalazku przeznaczona jest do współpracy z siecią elektroenergetyczną. Załączenie jej do pracy równoległej z siecią następuje po osiągnięciu przez wirnik silnika wiatrowego takiej prędkości kątowej, przy której prędkość liniowa pierścienia ferromagnetycznego 6 jest większa od prędkości poruszania się strumienia magnetycznego wytwarzanego przez induktor 8 prądnicy. Wzrost prędkości wiatru powoduje wzrost mocy oddawanej do sieci elektroenergetycznej; a zmieniając położenie induktora na nakładce pierścienia ferromagnetycznego wzdłuż promienia r_x uzyskuje się optymalizację wykorzystania energii wiatru.The power plant according to the invention is designed to cooperate with the power grid. It is connected to work in parallel with the grid after the wind turbine rotor reaches the angular speed at which the linear speed of the ferromagnetic ring 6 is greater than the speed of the magnetic flux generated by the inductor 8 of the generator. The increase in wind speed causes an increase in the power supplied to the power grid; and by changing the position of the inductor on the cap of the ferromagnetic ring along the radius r _x , optimization of the use of wind energy is achieved.

174 752174 752

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 złPublishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies. Price PLN 2.00

Claims

Patent claims

1. A wind power plant with a wind turbine with a vertical axis of rotation, characterized by a ferromagnetic ring (6) with an aluminum or copper cap (7) located in the axis of rotation of the wind turbine rotor and mounted on the horizontal mounting arms (4) of the propulsion wings ( 5) and includes at least one generator inductor (8) located directly above the ferromagnetic ring, mounted on a bracket (9) fixed to the axle shaft (2) on the top of the mast (1) of the power plant.

2. A wind farm according to claim The method of claim 1, characterized in that the ratio of the diameter (D) of the wind turbine rotor to the outer diameter (2 _× ) of the ferromagnetic ring (6) is in the range 2 to 7.

3. Power plant according to claim 2. The generator as claimed in claim 2, characterized in that the generator inductor (8) is mounted on the support (9) slidably along its length.

4. Power plant according to claim 3. A friction brake unit (10) cooperating with a ferromagnetic ring (6) is attached to the bracket (9).