PL228585B1 - Dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa - Google Patents

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228585 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 417745 (51) Int.CI.

F03D 1/02 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 28.06.2016 (54)

Dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL
22.05.2017 BUP 11/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
	ANDRZEJ BIENIEK, Ochodze, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.04.2018 WUP 04/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Wiesława Surmiak

m oo m

oo

CM

CM

Ω.

PL 228 585 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa przeznaczona do wykorzystania na obszarach o małej lub średniej wietrzności.

Znana z opisu patentowego GB 2487302 „Dual rotor wind or water turbine”, turbina wiatrowa wyposażona jest w dwa wirniki tego samego rodzaju, aerodynamiczne lub reakcyjne z regulacją kąta nachylenia łopatek, usytuowane współosiowo względem siebie oraz połączone ze sobą przekładnią planetarną i współpracujące z jednym generatorem prądu. Wirniki umieszczone są w ten sposób, że drugi z nich znajduje się po zawietrznej stronie pierwszego i posiada mniejszą od niego średnicę zewnętrzną. Jeden lub oba wirniki mogą posiadać regulację kąta nachylenia łopatek do strumienia powietrza. Przekładnia planetarna posiada dwa wejścia i jedno wyjście. Pierwszy wirnik jest połączony z jednym z wejść przekładni w postaci koła zewnętrznego posiadającego zazębienie wewnętrzne, drugi wirnik połączony jest z drugim wejściem przekładni, którym jest jarzmo łączące koła planetarne przekładni. Wyjście przekładni, którym jest koło centralne połączone jest z generatorem prądu. Prędkość obrotowa na wyjściu z przekładni jest uzależniona od relacji pomiędzy prędkościami obrotowymi wejść przekładni tj. relacji pomiędzy prędkościami obrotowymi obu wirników. Znana z opisu patentowego CN 202055985 „Coaxial dual-wind wheel wind turbine”, turbina wiatrowa wyposażona jest w dwa wirniki tego samego rodzaju, aerodynamiczne lub reakcyjne z regulatorem prędkości obrotowej wirników usytuowanych współosiowo względem siebie i połączonych ze sobą przekładnią planetarną i połączone z generatorem prądu. Wirniki umieszczone są w ten sposób, że drugi z nich znajduje się po zawietrznej stronie pierwszego i posiada większą od niego średnicę zewnętrzną. Wirniki umieszczone są jeden za drugim w niewielkiej od siebie odległości. Przekładnia planetarna posiada dwa wejścia i jedno wyjście. Pierwszy wirnik jest połączony z kołem centralnym stanowiącym jedno z wejść, a drugi wirnik o większej średnicy połączony jest z kołem o zazębieniu wewnętrznym. Wyjście przekładni, które stanowi jarzmo łączące satelity połączone jest z generatorem prądu. Prędkość obrotowa na wyjściu z przekładni jest uzależniona od relacji pomiędzy prędkościami obrotowymi wejść przekładni, czyli relacji pomiędzy prędkościami obrotowymi obu wirników. Znan e elektrownie wiatrowe, na ogół posiadają sterowniki sterujące kątem nachylenia łopat wirnika oraz obrotową górną częścią masztu, na której zainstalowany jest wirnik, a bardzo często również generator prądu i ewentualnie układ przenoszący napęd z wirnika na generator. Sterowanie ustawieniem łopat i górnej części masztu opiera się na sygnałach pomiarowych prędkości i kierunku wiatru uzyskiwanych za pomocą urządzeń metrologicznych zainstalowanych w górnej obrotowej części masztu.

Znane turbiny wiatrowe z dwoma wirnikami tego samego rodzaju ogranicza zakres zastosowania takiej elektrowni głównie do obszarów o korzystnej charakterystyce wietrzności. Wirniki aerodynamiczne o niewielkiej liczbie łopat wykorzystujące zjawiska aerodynamiczne podczas opływu strugi wi atru rozpoczynają pracę przy prędkościach wiatru rzędu 3,5-4 m/s, co powoduje, że energia wiatru wiejącego z prędkością do ok. 4 m/s nie jest wykorzystana, co stanowi około 40% energii wiatru możliwej do wykorzystania w danej strefie.

Istota dwuwirnikowej elektrowni wiatrowej według wynalazku polega na tym, że posiada wirnik reakcyjny i wolnoobrotowy generator prądu, który zintegrowany jest z obudową i z jarzmem przekładni planetarnej. Wirniki: reakcyjny i aerodynamiczny zaopatrzone są w hamulce: pierwszy i drugi. Korzystnie jest, gdy średnica wirnika reakcyjnego jest mniejsza od średnicy wirnika aerodynamicznego. Korzystnie jest, gdy wirnik reakcyjny posiada 18-48 łopat, a wirnik aerodynamiczny posiada trzy łopaty. Korzystnie jest, gdy wirnik reakcyjny posiada regulator samonastawny kąta pochylenia łopat o zakresie 0-60°. Korzystnie jest również, gdy wirnik reakcyjny połączony jest z kołem zewnętrznym przekładni planetarnej, a wirnik aerodynamiczny z kołem centralnym przekładni planetarnej.

Dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa według wynalazku umożliwia wykorzystanie nawet małej i średniej prędkości wiatru do wytwarzania energii elektrycznej. Działanie elektrowni według wynalazku możliwe jest nie tylko w obszarach o korzystnej wietrzności, ale również w przypadku obszarów, gdzie statystyczny rozkład częstości średniej prędkości wiatru wskazuje na to, że najczęściej występuje wiatr o niewielkich prędkościach 1-5 m/s. Zastosowanie wirnika reakcyjnego o znacznej liczbie łopat działającego na zasadzie wykorzystania siły naporu wiatru pozwala na wykorzystanie energii wiatru już od jego prędkości wynoszącej około 1,5 m/s. Zastosowanie wirników o różnej charakterystyce prędkościowej: reakcyjnego i aerodynamicznego pozwala na efektywne wykorzystanie, zarówno energii wiatru wiejącego z małą, średnią, jak i dużą prędkością, ponieważ wirnik reakcyjny osiąga dużą efektywność przy małych i średnich prędkościach wiatru, zaś wirnik aerodynamiczny osiąga najlepszą efektywność

PL 228 585 B1 przy średnich i dużych prędkościach wiatru. Mniejsza średnica wirnika reakcyjnego od średnicy wirnika aerodynamicznego umożliwia zwiększenie jego prędkości obrotowej, a tym samym zmniejszenie ilorazu prędkości obrotowych wirników do wartości mniejszej niż 3,75, co wpływa na zmniejszenie masy i gabarytów przekładni planetarnej.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat dwuwirnikowej elektrowni wiatrowej. Dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa według wynalazku posiada wirnik reakcyjny W1 i wirnik aerodynamiczny W2, na wałach których usytuowane są hamulce, odpowiednio: pierwszy H1 i drugi H2. Wirnik reakcyjny W1 połączony jest z wirnikiem aerodynamiczny W2 i z wolnoobrotowym generatorem prądu Gp za pomocą przekładni planetarnej, a hamulce: pierwszy H1 i drugi H2 sterowane są za pomocą sterownika St. Wirnik reakcyjny W1 posiada 18-48 łopat, a wirnik aerodynamiczny W2 posiada trzy łopaty. Średnica wirnika reakcyjnego W1 jest mniejsza od średnicy wirnika aerodynamicznego W2.

Wirnik reakcyjny W1 posiada regulator samonastawny kąta pochylenia łopat zakresie 0-60°. Wirnik reakcyjny W1 połączony jest z kołem zewnętrznym przekładni planetarnej, a wirnik aerodynamiczny W2 z kołem centralnym przekładni planetarnej. Wolnoobrotowy generator prądu Gp zintegrowany jest z obudową i z jarzmem przekładni planetarnej Pp łączącym jej koła planetarne. Wirniki: reakcyjny W1 i wirnik aerodynamiczny W2 usytuowane są współosiowo na przeciwległych stronach obrotowej części masztu.

W obszarach o niekorzystnej wietrzności, wirnik reakcyjny W1 ustawiony jest od strony napierającej strugi wiatru, zaś wirnik aerodynamiczny W2 po jego stronie zawietrznej. Ustawienie górnej części masztu jest realizowane przez znane stosowane systemy regulacji ustawienia wirników do kierunku wiatru. W przypadku prędkości wiatru wynoszącej do około 5 m/s obracany jest tylko wirnik reakcyjny W1, ponieważ jego prędkość startowa wynosi około 1,5 m/s, natomiast wirnik aerodynamiczny W2 jest zablokowany za pomocą hamulca drugiego H2. Po przekroczeniu prędkości wiatru wynoszącej około 5 m/s następuje wyłączenie hamulca drugiego H2 wirnika aerodynamicznego W2, a w konsekwencji, równoczesne obracanie się obu wirników: reakcyjnego W1 i aerodynamicznego W2. Dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa według wynalazku sterowana jest sterownikiem St, w zasadzie poprzez hamulce: pierwszy H1 i drugi H2, a przy wirnikach: reakcyjnym W1 i aerodynamicznym W2 posiadających możliwość zmiany kąta nachylenia łopat również przez regulację tego kąta. W przypadku zastosowania wirników o nieregulowanym kącie nachylenia łopat, regulacja jest bardzo uproszczona i opiera się tylko na zaciskaniu hamulców: pierwszego H1 i drugiego H2, głównie w oparciu o informację o prędkości wiatru oraz relację pomiędzy prędkościami obrotowymi obu wirników: reakcyjnego W1 i aerodynamicznego W2. Natomiast sterowanie hamulcami: pierwszym H1 i drugim H2 oraz dodatkowo kątem pochylenia łopat opiera się o algorytmy i mapy sterujące zawarte w sterowniku St. Przekroczenie prędkości wiatru mogącego powodować uszkodzenie wirników, w przypadku zastosowania wirników z regulowanym kątem nachylenia łopat, powinno skutkować ustawieniem się łopat wirnika reakcyjnego W1 na wartości 0° w kierunku wiatru oraz jego zablokowaniem za pomocą hamulca H1. Równocześnie wirnik aerodynamiczny W2 powinien zostać zablokowany hamulcem H2, a w przypadku zastosowania regulacji położenia, jego łopaty powinny uzyskać położenie odpowiadające możliwie najmniejszemu kątowi w stosunku do kierunku wiatru.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Dwuwirnikowa elektrownia wiatrowa z wirnikiem aerodynamicznym, której wirniki i generator połączone są za pomocą przekładni planetarnej i wyposażona w sterownik, znamienna tym, że posiada wirnik reakcyjny (W1) i wolnoobrotowy generator prądu (Gp), który zintegrowany jest z obudową i z jarzmem przekładni planetarnej (Pp), przy czym wirniki: reakcyjny (W1) i aerodynamiczny (W2) zaopatrzone są w hamulce: pierwszy (H1) i drugi (H2).
2. 2. Dwuwirnikowa elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że średnica wirnika reakcyjnego (W1) jest mniejsza od średnicy wirnika aerodynamicznego (W2).
3. 3. Dwuwirnikowa elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że wirnik reakcyjny (W1) posiada 18-48 łopat, a wirnik aerodynamiczny (W2) posiada trzy łopaty.
4. 4. Dwuwirnikowa elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że wirnik reakcyjny (W1) posiada regulator samonastawny kąta pochylenia łopat o zakresie 0-60°.
5. 5. Dwuwirnikowa elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że wirnik reakcyjny (W1) połączony jest z kołem zewnętrznym przekładni planetarnej (Pp), a wirnik aerodynamiczny (W2) z kołem centralnym przekładni planetarnej (Pp).