PL249239B1 - Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, zwłaszcza dla przybrzeżnej strefy morza i dużych zbiorników wodnych - Google Patents

Abstract

Siłownia wiatrowa posiadająca wiele jednostek autonomicznych zgrupowanych w system, z których każdy zawiera wieżę wyposażoną w wirnik charakteryzuje się tym, że ma co najmniej trzy jednostki autonomiczne połączone w strukturę równoległej charakterystyce, połączone ze sobą w jeden system generowania i przesyłu energii elektrycznej, z których każdy zawiera wieżę mającą budowę kratownic wykonanych z segmentów sprzęgniętych ze sobą stężeniami prętowymi (6), wyposażone są w wirnik (3) łożyskowany w łożyskach ślizgowych (5) z tocznym wspomaganiem rozruchu i wybiegu, osadzony trwale pionowo na obrotowej osi ułożyskowanej na wale (9) o pionowej osi obrotu, do którego osiowo zamocowane są górne i/lub dolne tarcze (12) o profilu aerodynamicznym, wypuklej powierzchni w postaci zwieńczenia, pomiędzy którymi osadzone są profilowe łopatki (11) w liczbie od 3 do 6, usytuowane pod kątem α = 10 ÷ 20° względem wirnika (3), zawierające w środkowej części wzmocnienia w postaci grzbietu łopatki, podpory wieży (1) są mocowane do fundamentów (2) za pomocą połączeń śrubowych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, zwłaszcza dla przybrzeżnej strefy morza i dużych zbiorników wodnych mający zastosowanie szczególnie do instalowania na morzu i w jego strefie przybrzeżnej, oraz na dużych jeziorach zwłaszcza tych, na których dominują wiatry o umiarkowanej prędkości.

Dotychczas znane są siłownie wiatrowe mające postać wysokich wież z wirnikami o poziomej osi obrotu oraz łopatkami najczęściej w liczbie trzech o długości sięgającej dziesiątków metrów.

Z literatury nie-patentowej, monografia Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. WNT, Warszawa 2006, znane są siłownie wiatrowe instalowane w postaci tzw. farm wiatrowych, mające postać bardzo złożonych i kosztownych instalacji; których montaż w szczególności na morzu jest utrudniony ze względu na konieczność stosowania pływających dźwigów o dużym wysięgu, pracujących przy ograniczonej wysokości fal morskich. Złożoność budowy powyższych siłowni wiatrowych wynika z wyposażania ich w specjalne systemy zmiany płaszczyzny obrotów wirnika, uzależnionych od zmian kierunku wiatru. Duża długość łopat wirnika powoduje, że jego prędkość obrotowa w typowych warunkach wietrznych jest niewielka, co wymusza stosowanie przekładni mechanicznych, najczęściej zębatych o wielu stopniach przełożenia, w celu dostosowania prędkości obrotowej wirnika do wymagań generatorów prądu. Duża liczba stopni przekładni powoduje, że spada jej sprawność mechaniczna, co pogarsza efektywność wykorzystania energii wiatru i wymusza chłodzenie przekładni. Jako że są to układy o dużej mocy jednostkowej, to w przypadku awarii następuje utrata dużej części ogólnej mocy systemu, co przyczynia się do znacznego obniżenia niezawodności zasilania w energię elektryczną. Wysokie słupy i długie łopaty wirników o znacznym wytężeniu wytrzymałościowym stwarzają duże zagrożenie bezpieczeństwa. Zmęczeniowe złamanie nawet pojedynczej łopaty unieruchamia całkowicie jednostkę. Ponadto istnieją problemy z recyklingiem zniszczonych i wycofanych z eksploatacji łopat, wytwarzanych z materiałów kompozytowych. Epoksydowe tworzywo łopat ulega łatwo elektryzowaniu się pod wpływem tarcia strumienia powietrza, co powoduje zagrożenie uderzenia pioruna i wywołanie pożaru wirnika.

Z amerykańskiego opisu patentowego US6294844 znana jest sztuczna wyspa z kratownicą, która jest unoszona na pływających platformach, gdzie jedna platforma jest zamocowana do dna i ma osadzone łożysko o pionowej osi obrotu dla innych platform pływających, przy czym na sztucznej wyspie z kratownicą umieszczone są siłownie wiatrowe elektrowni wiatrowej.

Z opisu patentowego GB2425153A znana jest turbina wiatrowa składająca się z co najmniej jednego wirnika napędzanego wiatrem, sprzężonego z generatorem elektrycznym i podtrzymywanego przez kratową wieżę w postaci słupa energetycznego. Oś wirnika/wirników turbiny może być wyrównana z osią podłużną (pionową) wieży. Alternatywnie lub dodatkowo wirnik(i) turbiny mogą być umieszczone wewnątrz kratowej wieży. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie wirnika/wirników turbiny na zewnątrz wieży. Ponadto można zastosować kilka wirników, z których każdy wirnik może obracać się niezależnie i jest sprzężony z oddzielnym generatorem. Każdy wirnik turbiny może być sprzężony z dwoma generatorami, po jednym na każdym końcu osi obrotu. Łopatki wirnika turbiny mogą mieć kształt zakrzywiony lub płaski.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie konstrukcji siłowni wiatrowej o zdecydowanie zwiększonej niezawodności eksploatacyjnej i zmniejszonej wrażliwości na zakłócenia w działaniu w stosunku do znanego stanu techniki.

Cel ten osiągnięto przez deglomerację procesu wytwarzania energii elektrycznej w wielu jednostkach autonomicznych, połączonych w funkcjonalne grupy o równoległej strukturze niezawodnościowej jednostek i wyposażonych we wspólny tor regulacji i przesyłu do strefy lądowej wytwarzanej energii elektrycznej.

Siłownia wiatrowa posiada dużą liczbę jednakowych, autonomicznych jednostek zgrupowanych w jeden zespół. Każda jednostka autonomiczna jest wyposażona w indywidualny wirnik turbinowy z łopatkami skośnymi, osadzonymi w tarczach mocowanych na pionowych wałach, korzystnie rurowych, które napędzają indywidualne generatory prądu elektrycznego.

Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, zwłaszcza dla przybrzeżnej strefy morza i dużych zbiorników wodnych obejmujący wiele jednostek autonomicznych, z których każda wyposażona jest w wieżę o budowie kratownicowej osadzoną w fundamencie, na której zainstalowany jest wirnik osadzony na wale, współpracujący poprzez przekładnię z generatorem prądu elektrycznego mocowanym do podestu charakteryzuje się tym, że każda jednostka autonomiczna zawiera wieże o budowie kratownicowej, których sąsiadujące kratownice są ze sobą trwale połączone stężeniami prętowymi, przy czym każda wieża jest zamontowana do fundamentu za pomocą połączeń śrubowych, na wieży umiejscowiony jest wirnik turbinowy trwale zamontowany na wale, który stanowi integralną część wirnika turbinowego i obraca się razem z nim, przy czym do wału zamocowane są dolne i górne łopatki w liczbie od trzech do sześciu, nachylone pod kątem a = 10 + 20° względem dolnej i górnej tarczy, które są usytuowane prostopadle do wału z wyprofilowanymi na zewnątrz zwieńczeniami, pomiędzy którymi osadzone są łopatki zawierające w środkowej części wzmocnienia w postaci wyprofilowanego grzbietu łopatki wypełnionego metalową wkładką, natomiast generator prądu elektrycznego zintegrowany z przekładnią jest trwale zamocowany do podestu.

Korzystnie zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku ma wał i generator prądu elektrycznego zintegrowany z przekładnią, które są zabezpieczone osłoną teleskopową, która w dolnej części ma ustalone łożysko poprzeczne z panewką samosmarującą.

Korzystnie zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku ma łopatki wykonane ze stali nierdzewnej lub ze stopów lekkich.

Korzystnie zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku ma zwieńczenie wykonane z lekkiego tworzywa sztucznego.

Korzystnie w zespole generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku zwieńczenie posiada pierścienie rozporowe łączące dolną i górną tarczę z wałem.

Korzystnie w zespole generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku grzbiet łopatki jest usztywniony metalową wkładką mocowaną wewnątrz profilu łopatki za pomocą zgrzein, nitów lub klejenia.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przykładowe ukształtowanie zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej składającej się z kilku jednostek autonomicznych, połączonych ze sobą prętowymi stężeniami, Fig. 2 przedstawia przykładowe rozmieszczenia w grupach jednostek autonomicznych, Fig. 3 przedstawia pojedynczą jednostkę autonomiczną zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej, a Fig.4 przedstawia uformowanie wirnika o pionowej osi obrotu z dwoma tarczami odciążającymi łożyskowanie wzdłużne wału turbogeneratora każdej z jednostek autonomicznych zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej, zaś Fig. 5 przedstawia szczegółową budowę osłony generatora prądu elektrycznego.

Wieże (1) zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej, zmontowane z prętów wykonanych z profili walcowanych i połączonych śrubami, są zakotwione w indywidualnych dla każdej jednostki, zatopionych na dnie fundamentach (2), korzystnie z prefabrykowanych fundamentów pierścieniowych. Na szczycie każdej z wież (1) jest zainstalowany podest turbiny (7), zabezpieczony dookólną barierką. Na pionowych wałach (9), zawieszonych na specjalnych wzdłużno-poprzecznych łożyskach ślizgowych (5), zamontowane są wirniki turbinowe (3), korzystnie wyposażone w skośne łopatki (11) i tarcze (12) o aerodynamicznym profilu bocznym. Wszystkie wieże (1) jednostek autonomicznych tworzących grupę są ze sobą mocno połączone zastrzałowymi stężeniami (6) w postaci prętów z profili walcowanych. Dzięki temu połączeniu grupa wież stanowi sztywną, wytrzymałą konstrukcję przestrzenną o pełnej odporności na napór fal morskich i wiatru, niezależnie od ich kierunku i intensywności. Dolne końce pionowych wałów (9) są sprzęgnięte poprzez rozłączne sprzęgła z generatorami prądu elektrycznego. Dla dostosowania prędkości obrotowej wałów do wymagań generatorów zostały użyte opcjonalnie przekładnie mechaniczne o odpowiednim przełożeniu. Fig. 2 przedstawia wybrane przykłady sposobu rozmieszczenia wież w danej grupie, w sposób zapewniający dostęp obsługi do każdej z wież. Wieże (1) zespołu generowania i przesyłu energii elektrycznej mogą liczyć przykładowo 3, 4 lub 6 podpór w zależności od wymaganej wysokości wieży (1), głębokości morza i rozmiarów wirników turbinowych. Przykładowe rozmieszczenie wież (1) obejmuje 4, 6, 8 lub 9 wież stanowiących grupę jednostek wzajemnie połączonych fizycznie i funkcjonalnie w jeden system wytwarzania, regulacji i przesyłu energii elektrycznej do strefy lądowej. Dostęp obsługi do podestów turbin (7) i podestów generatorów prądu elektrycznego (10) dla potrzeb bieżącej obsługi odbywa się za pomocą drabin z obręczowymi zabezpieczeniami (8) z poziomu małych jednostek pływających, w tym np. łodzi motorowych. Dogodne do użytku położenie drabinki przedstawiono na fig. 3, stanowiącej przykład wieży z jej pełnym wyposażeniem technicznym.

Podpory wieży (1) są mocowane do zakotwionych fundamentów (2) przy zastosowaniu połączeń śrubowych (20). Do podestu turbiny (7) i podestu generatora prądu elektrycznego (10) obsługa ma dostęp przez właz (17) z użyciem drabiny inspekcyjnej (13) z obręczowym zabezpieczeniem (8). Wał (9) i generator prądu (4), korzystnie zintegrowany z przekładnią, są zabezpieczone specjalną osłoną teleskopową (15), w której części dolnej ustalone jest proste łożysko poprzeczne (14), korzystnie z panewką samosmarującą. Dolna część osłony teleskopowej (15) jest mocowana do podestu generatora prądu elektrycznego (10).

Szczegół osłony teleskopowej (15) generatora prądu (4) przedstawia fig. 5. Osłona teleskopowa (15) wykonana z tworzywa sztucznego zabezpiecza wał (9) i generator prądu (4) zintegrowany z przekładnią przed niekorzystnym wpływem warunków atmosferycznych. Wytwarzany przez generator prądu (4) prąd elektryczny jest przesyłany z wieży (1) kablem (16) mocowanym uchwytami (18) i chronionym w miejscach newralgicznych osłonami (19). Kable elektryczne wszystkich jednostek autonomicznych stanowiących grupę są połączone razem i poprowadzone po dnie morskim w jeden wspólny tor regulacji i przesyłu energii do strefy lądowej.

Przykładową budowę wirnika turbinowego o pionowej osi obrotu przedstawia fig. 4. Między dwoma jednakowymi, sztywnymi tarczami (12) mocowane są profilowe łopatki (11); korzystnie w liczbie od 3 do 6. W środkowej części łopatek (11), wykonanych korzystnie ze stali nierdzewnej lub ze stopów lekkich, znajdują się wzmocnienia w postaci wyprofilowanego grzbietu, który dodatkowo może być usztywniony wkładką (22) połączoną z grzbietem łopatki (11a) zgrzeinami punktowymi, nitami lub klejem. Grzbiet łopatki (11 a), poza funkcją wzmocnienia i usztywnienia powoduje, że bierna strona łopatek zyskuje korzystny aerodynamiczny kształt, co zmniejsza opory ruchu, gdy łopatki w części swojej drogi ruchu wykonują ruch pod wiatr.

Wkładka (22) może być płaska (Fig. 4) lub korzystniej trójkątna w przekroju, co spowoduje bardziej aerodynamiczny kształt łopatki po stronie biernej. Łopatki (11) względem osi obrotu wirnika turbinowego (3) są usytuowane pod kątem a o wartości 10 + 20°. Służy to zwiększeniu równomierności ruchu obrotowego wirnika (3). Napór wiatru w postaci ciśnienia działającego na skośne łopatki powoduje, że siła naporu N rozkłada się na składową poziomą naporu R tworzącą moment obrotowy oraz składową pionową naporu Pw1 dającą siłę wzdłużną skierowaną do góry. Powoduje to, że podczas pracy wirnika turbinowego (3) odciążane jest częściowo łożysko wzdłużno-poprzeczne (5) od działania siły ciężkości wirnika turbinowego (3) i wału (9). Dodatkowe odciążenie wzdłużne łożyska (5) uzyskiwane jest dzięki wypukłemu ku górze zwieńczeniu (12a) tarcz (12). Wypukłe zwieńczenie (12a) wykonane np. z termoplastycznego tworzywa sztucznego nadaje tarczom (12) korzystny aerodynamiczny boczny kształt. Przepływ wiatru w strefie tarcz (12) tworzy siły nośne Pw1 i Pw2 zgodnie z prawem Bernoulliego (por. fig. 4). Górne zwieńczenie (12a) służy dodatkowo ochronie połączenia wirnika turbinowego (3) z wałem (9) za pomocą pierścienia rozporowego (21) przed niekorzystnym wpływem atmosferycznym. Dwa pierścienie rozporowe (21) łączące obie tarcze (12) górną i dolną z wałem (9), zapewniają mocne, bezluzowe połączenie, dobrze przenoszące moment obrotowy i siły wzdłużne. Są też bardzo dogodne do montażu i demontażu wirnika turbinowego (3) na wale (9). Wał (9) podczas prac montażowych wirnika turbinowego (3) jest dogodnie zawieszany na specjalnym łożysku wzdłużno-poprzecznym (5). Łożysko wzdłużno-poprzeczne (5) o ślizgowym smarowaniu hydrodynamicznym w trakcie rozruchu i podczas wybiegu, gdy prędkość obrotowa nie zapewnia pełnego smarowania płynnego, jest wspomagane dodatkowym łożyskiem tocznym. Powoduje to, że opory ruchu w trakcie rozruchu są wydatnie zmniejszone, dzięki czemu wirnik zaczyna pracę już przy małej prędkości wiatru. Zmniejszenie oporów ruchu przy rozruchu i podczas pełnej pracy jest dodatkowo wspomagane dzięki odciążającemu działaniu sił Pw1, Pw2 i Pw3. Służy to zdecydowanej poprawie sprawności energetycznej siłowni i pełniejszemu wykorzystaniu energii wiatru.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest duża niezawodność dzięki zastosowaniu wielu jednostek autonomicznych połączonych równolegle, wysoka sprawność energetyczna umożliwiająca pełniejsze wykorzystanie wiatru, łatwość montażu, obniżone koszty budowy oraz ułatwiona obsługa w toku eksploatacji. Wysoka sprawność energetyczna jest efektem optymalnego ukształtowania łopatek wirnika, w tym zwłaszcza zmniejszenia oporów ruchu łopatek po stronie biernej, gdy łopatki w części swojej drogi mchu wykonują ruch pod wiatr, zminimalizowania strat energii w łożyskowaniach wałów w całym zakresie prędkości obrotowej, możliwości pracy wirników nawet przy zmniejszonej prędkości wiatru i odciążającej łożyskowania funkcji wypukłych ku górze zwieńczeń tarcz nośnych wirników. Łącznie służy to zwiększeniu efektywności wykorzystania energii wiatru, a więc wzrostowi sprawności energetycznej siłowni.

W porównaniu do farm wiatrowych znanych ze stanu techniki rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie lepszego wykorzystania zajmowanego terenu, dając większą gęstość uzyskiwanej mocy licząc na km² terenu. Ponadto zespoły generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku mogą być instalowane w miejscu, gdzie ze względu bezpieczeństwa żeglugowego nie można instalować znanych ze stanu techniki farm wiatrowych. Instalowane mogą być w przybrzeżnej strefie morza, na dużych jeziorach oraz na lądzie, gdzie istnieją prawne ograniczenia ze względów bezpieczeństwa i uciążliwości dla ludności, gdyż cechują się zdecydowanie mniejszą hałaśliwością i ograniczonym zagrożeniem dla dużych ptaków. Ich wykorzystanie pozwala na uzyskanie dużych efektów technicznych, ekonomicznych i środowiskowych.

W rozwiązaniu według wynalazku zwiększenie niezawodności uzyskano przez deglomerację wytwarzania energii, polegającej na jednoczesnym wytwarzaniu energii w dużej liczbie mniejszych jednostek autonomicznych połączonych ze sobą w jeden system generowania i przesyłu energii elektrycznej. Liczne jednostki autonomiczne są połączone równolegle w strukturę charakteryzującą się wysoką niezawodnością eksploatacyjną. Równoległa struktura niezawodnościowa złożona z wielu jednakowych, powtarzalnych i autonomicznych jednostek ze swej istoty cechuje się bardzo małą podatnością na zakłócenia, co zapewnia jej wysoką ogólną zdatność eksploatacyjną.

Wieże są zbudowane ze stalowych walcowanych kształtowników na wzór słupów energetycznych wysokiego napięcia. Łączone są na miejscu instalowania połączeniami śrubowymi, co ułatwia ich montaż, późniejszy demontaż i modyfikację oraz ewentualną rozbudowę, nawet w toku trwającej eksploatacji siłowni. Wieże te zestawione w grupy są instalowane blisko siebie z łatwym dostępem do każdej z nich, nawet z niewielkich jednostek pływających, w tym np. łodzi motorowych. Posadowienie wież na dnie morskim polega na mocowaniu ich połączeniem śrubowym do żelbetowych prefabrykowanych fundamentów, wykonywanych korzystnie w kształcie pierścieniowym, zatopionych w morzu w strefie przybrzeżnej.

Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według wynalazku może mieć postać układu punktowego w formie zestawu wielu modułów podstawowych siłowni, usytuowanych jeden nad drugim na jednej pionowej osi obrotowej konstrukcji nośnej, albo postać układu liniowego w formie zestawu wielu modułów podstawowych siłowni usytuowanych w linii jeden obok drugiego.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, zwłaszcza dla przybrzeżnej strefy morza i dużych zbiorników wodnych obejmujący wiele jednostek autonomicznych, z których każda wyposażona jest w wieżę o budowie kratownicowej osadzoną w fundamencie, na której zainstalowany jest wirnik osadzony na wale, współpracujący poprzez przekładnię z generatorem prądu elektrycznego mocowanym do podestu znamienny tym, że każda jednostka autonomiczna zawiera wieże (1) o budowie kratownicowej, których sąsiadujące kratownice są ze sobą trwale połączone stężeniami prętowymi (6), przy czym każda wieża (1) jest zamontowana do fundamentu (2) za pomocą połączeń śrubowych (20), na wieży (1) umiejscowiony jest wirnik turbinowy (3), trwale zamontowany na wale (9), który stanowi integralną część wirnika turbinowego (3) i obraca się razem z nim, przy czym do wału (9) zamocowane są dolne i górne łopatki (11) w liczbie od trzech do sześciu, nachylone pod kątem a = 10 + 20° względem dolnej i górnej tarczy (12), które są usytuowane prostopadle do wału (9) z wyprofilowanymi na zewnątrz zwieńczeniami (12a), pomiędzy którymi osadzone są łopatki (11) zawierające w środkowej części wzmocnienia w postaci wyprofilowanego grzbietu łopatki (11a) wypełnionego metalową wkładką (22), natomiast generator prądu elektrycznego (4) zintegrowany z przekładnią jest trwale zamocowany do podestu (10).
2. 2. Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według zastrz. 1 znamienny tym, że wał (9) i generator prądu elektrycznego (4) zintegrowany z przekładnią są zabezpieczone osłoną teleskopową (15), która w dolnej części ma ustalone łożysko poprzeczne (14) z panewką samosmarującą.
3. 3. Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według zastrz. 1 znamienny tym, że łopatki (11) są wykonane ze stali nierdzewnej lub ze stopów lekkich.
4. 4. Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według zastrz. 1 znamienny tym, że zwieńczenie (12a) jest wykonane z lekkiego tworzywa sztucznego.
5. 5. Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według zastrz. 1 znamienny tym, że zwieńczenie (12a) posiada pierścienie rozporowe (21) łączące dolną i górną tarczę (12) z wałem (9).
6. 6. Zespół generowania i przesyłu energii elektrycznej, według zastrz. 1 znamienny tym, że grzbiet łopatki (11a) jest usztywniony metalową wkładką (22) mocowaną wewnątrz profilu łopatki za pomocą zgrzein, nitów lub klejenia.