RS67871B1 - Vetroturbina - Google Patents

Description

[0001] Opis

[0003] Oblast tehnike

[0005] Predmetni pronalazak se generalno odnosi na vetroturbine, a posebno na vetroturbinu koja ima rotor koji obuhvata najmanje tri zakretne lopatice rotora i jedan ili više spojnih elemenata za lopatice koji povezuju susedne lopatice.

[0007] Stanje tehnike

[0009] Postoji stalna želja za generisanjem povećanih nivoa snage iz kopnenih i priobalnih vetroelektrana. Jedan od načina da se to postigne jeste da se moderne vetroturbine opreme većim lopaticama vetroturbina. Opremanje većih lopatica povećava površinu rotora, omogućavajući vetroturbini da prikupi više energije iz vetra. Međutim, lopatice vetroturbina doživljavaju različita opterećenja i naprezanja tokom upotrebe, a povećanje dužine lopatice vetroturbine povećava veličinu opterećenja koja lopatica mora da izdrži. Na primer, opterećenja u obliku klapni koja nastaju usled pritiska vetra na lopaticu i opterećenja na ivicama koja nastaju usled težine lopatice su veća kod većih lopatica.

[0010] Unutrašnji kraj lopatice vetroturbine sadrži koren lopatice na kojem je lopatica pričvršćena za glavčinu vetroturbine. Da bi izdržale povećano opterećenje tokom upotrebe, velike lopatice se obično proizvode korišćenjem više materijala blizu unutrašnjeg kraja i/ili povećanjem prečnika korena lopatice i/ili povećanjem debljine lopatice blizu unutrašnjeg kraja. Svako od ovih rešenja povećava krutost i čvrstoću unutrašnjeg kraja lopatice tako da može da podnese povećano opterećenje. Međutim, u praksi, svako od ovih rešenja takođe ima nedostatke i ograničenja.

[0011] [0004] Na primer, povećanje prečnika korena može otežati proizvodnju i transport lopatice, korišćenje više materijala blizu unutrašnjeg kraja povećava težinu i troškove lopatice, a povećanje debljine lopatice blizu unutrašnjeg kraja štetno je za aerodinamičke performanse lopatice. Na primer, profili aeroprofila sa povećanom debljinom i relativnom debljinom (tj. odnosom debljine i tetive) obično imaju loš odnos uzgona i otpora, i relativno nizak odnos klizanja pod operativnim uglovima napada, što takve delove lopatice čini osetljivijim na hrapavost površine. Delovi lopatice koji imaju veliku debljinu radi povećanih strukturnih performansi stoga obično hvataju manje energije od vetra i uzrokuju povećani otpor, što negativno utiče na ukupnu snagu koju vetroturbina može da proizvede.

[0012] US 2012/051914 A1 otkriva vetroturbinu sa 5 lopatica i kablovima raspoređenim između susednih lopatica.

[0013] Upravo na osnovu navedenog, predmetni pronalazak je osmišljen.

[0015] Suština pronalaska

[0017] U prvom aspektu ovog pronalaska, obezbeđena je vetroturbina koja obuhvata toranj, gondolu postavljenu na tornju i rotor postavljen na gondolu. Rotor obuhvata glavčinu i najmanje tri zakretne lopatice vetroturbine i koje su povezane sa glavčinom preko odgovarajućih mehanizama za nagib. Svaka lopatica se proteže od korena lopatice koji definiše radijalni položaj r=0 do vrha lopatice koji definiše radijalni položaj r=R. Svaka lopatica obuhvata stranu okrenutu ka vetru i stranu okrenutu ka zavetrini koje se spajaju na prednjoj i zadnjoj ivici kako bi definisale profil aeroprofila. Tetiva je rastojanje između prednje i zadnje ivice, a relativna debljina je odnos debljine i tetive. Profil aeroprofila ima debljinu koja je najveće rastojanje između strane okrenute vetru i strane uz vetrove ortogonalnih na tetivu. Svaka lopatica se sastoji od tačke povezivanja koja se nalazi na prvom radijalnom položaju (r1) između korena lopatice i vrha lopatice. Vetroturbina dalje obuhvata jedan ili više elemenata za spajanje lopatica povezanih između tačke povezivanja i odgovarajuće tačke povezivanja na susednoj lopatici. Debljina i/ili relativna debljina svake lopatice je u suštini konstantna ili ima lokalni minimum unutar unutrašnjeg dela lopatice između korena lopatice i tačke povezivanja.

[0018] U suštini konstantna debljina i/ili relativna debljina znači da se debljina i/ili relativna debljina lopatice ne menja za više od 1% na delu lopatice dužine najmanje 0,05R.

[0019] Unutrašnji deo svake lopatice poželjno se proteže dužinom najmanje od 0,05R. Poželjnije je da se unutrašnji deo proteže dužinom najmanje od 0,1R. Još poželjnije je da se unutrašnji deo proteže dužinom najmanje od 0,15R. Unutrašnji deo poželjno se proteže dužinom najviše od 0,35R. Poželjnije je da se unutrašnji deo proteže dužinom najviše od 0,2R. Unutrašnji deo dužine unutar ovih poželjnih opsega povoljno pruža aerodinamičku prednost bez negativnog uticaja na strukturne performanse lopatice.

[0020] U nekim primerima, vetroturbina može da obuhvata više elemenata za spajanje lopatica povezanih između tačke povezivanja i odgovarajuće tačke povezivanja na susednoj lopatici. Kao takav, deo opterećenja koje lopatica trpi tokom upotrebe može se preneti na više elemenata za spajanje lopatica, čime se smanjuje opterećenje u svakom elementu.

[0021] U ovom kontekstu, termin 'spojni element lopatice' treba tumačiti široko i obuhvatati bilo koju odgovarajuću vrstu zateznog elementa, uključujući fleksibilne i krute elemente. Kao takav, u nekim primerima element za povezivanje lopatice može da sadrži zatezni kabl. Poželjno je da element za povezivanje lopatice bude zatezni kabl za spajanje lopatice, a rotor može biti rotor sa osovinom. Na primer, u ovom kontekstu 'zatezni kabl' može biti pleteno ili položeno uže od metalnih žica (kao što su na primer čelične žice), polimernih vlakana (kao što su na primer polietilen, polipropilen, najlon, poliester, aramidna vlakna), neorganskih vlakana (kao što su na primer ugljenična vlakna) ili hibridnih užeta od takvih materijala. U nekim drugim primerima, element za povezivanje lopatice može da sadrži kompozitne elemente kao što je pultruzija ili metalna šipka, da navedemo samo nekoliko mogućih primera.

[0022] Unutrašnji deo može se protezati u radijalnom intervalu između r=0,2R i r=0,55R. Poželjno je da se unutrašnji deo proteže u radijalnom intervalu između r=0,3R i r=0,50R. Još poželjnije je da se unutrašnji deo proteže u radijalnom intervalu između r=0,35R i r=0,45R. Konfigurisanje lopatice sa unutrašnjim delom koji se nalazi u ovim radijalnim intervalima pruža poboljšane aerodinamičke performanse u takvom radijalnom intervalu u poređenju sa tipičnim lopaticama.

[0023] U nekim primerima, relativna debljina može biti između 0,15 i 0,50 duž unutrašnjeg dela svake lopatice. Poželjno je da relativna debljina bude između 0,18 i 0,4 duž unutrašnjeg dela svake lopatice. Još poželjnije je da relativna debljina bude između 0,20 i 0,36 duž unutrašnjeg dela svake lopatice. Relativna debljina unutar ovih poželjnih opsega pruža povoljan kompromis između čvrstoće lopatice i aerodinamičkih performansi.

[0024] [0014] Debljina svake lopatice poželjno se smanjuje krećući se od korena lopatice ka unutrašnjem delu. Debljina svake lopatice može se monotono smanjivati krećući se od korena lopatice ka unutrašnjem delu. Poželjno je da se debljina svake lopatice može strogo monotono smanjivati krećući se od korena lopatice ka unutrašnjem delu. Strogo monotono smanjenje znači da se debljina lopatice konstantno smanjuje krećući se od korena lopatice ka unutrašnjem delu. Kao takva, debljina lopatice može biti najveća u korenu lopatice. Shodno tome, koren lopatice može biti konfigurisan za strukturne performanse, a krećući se ka spolja od korena lopatice, lopatica može postati aerodinamički optimizovanija.

[0025] Relativna debljina svake lopatice može se smanjivati krećući se od korena lopatice prema unutrašnjem delu. Relativna debljina svake lopatice može se monotono smanjivati krećući se od korena lopatice prema unutrašnjem delu. Poželjno je da se relativna debljina svake lopatice može strogo monotono smanjivati krećući se od korena lopatice prema unutrašnjem delu. Strogo monotono smanjenje znači da se relativna debljina lopatice konstantno smanjuje krećući se od korena lopatice prema unutrašnjem delu. Kao takva, relativna debljina lopatice može biti najveća u korenu lopatice. Shodno tome, koren lopatice može biti konfigurisan za strukturne performanse, a krećući se prema spolja od korena lopatice prema unutrašnjem delu, lopatica može postati aerodinamički optimizovanija.

[0026] U nekim primerima, debljina svake lopatice može se povećati krećući se od unutrašnjeg dela do tačke povezivanja. Dodatno ili alternativno, relativna debljina svake lopatice može se povećati krećući se od unutrašnjeg dela do tačke povezivanja. Na primer, debljina lopatice može se povećati kako bi se obezbedio jak deo lopatice za spajanje element za povezivanje lopatice. Takvo povećanje debljine može slično prouzrokovati povećanje relativne debljine krećući se od unutrašnjeg dela do tačke povezivanja.

[0027] U nekim primerima, lokalni minimum može se nalaziti u radijalnom intervalu između 0,02R i 0,25R unutra od tačke povezivanja. Poželjno je da se lokalni minimum nalazi u radijalnom intervalu između 0,05R i 0,15R unutra od tačke povezivanja. Poželjnije je da se lokalni minimum nalazi u radijalnom intervalu između 0,05R i 0,1R unutra od tačke povezivanja. Kao takav, lokalni minimum je poželjno postavljen što dalje spolja kako bi se obezbedila najveća aerodinamička korist, jer se površina zahvata povećava sa radijalnim rastojanjem od r=0, ali je i dalje udaljena od tačke povezivanja tako da je lopatica dovoljno jaka na ili u blizini tačke povezivanja.

[0028] Tačka povezivanja svake lopatice može se nalaziti u radijalnom intervalu između r=0,20R i r=0,6R. Poželjno je da se tačka povezivanja svake lopatice nalazi u radijalnom intervalu između r=0,3R i r=0,55R. Poželjnije je da se tačka povezivanja svake lopatice nalazi u radijalnom intervalu između r=0,35R i r=0,50R. Lociranje tačke povezivanja unutar ovih opsega pomaže u prenosu povoljnog dela opterećenja sa lopatice na glavčinu preko spojnog elementa lopatice.

[0029] [0019] Relativna debljina svake lopatice na tački povezivanja može biti između 0,15 i 0,5. Poželjno je da relativna debljina svake lopatice na tački povezivanja bude između 0,20 i 0,40. Poželjnije je da relativna debljina svake lopatice na tački povezivanja bude između 0,24 i 0,36. Relativna debljina u ovim poželjnim opsezima može obezbediti čvrst deo lopatice za spajanje elementa za povezivanje lopatice bez značajnog ugrožavanja aerodinamičkih performansi lopatice.

[0030] Debljina i/ili relativna debljina lopatice može imati lokalni maksimum u blizini tačke povezivanja. Kao takva, lopatica može biti deblja / imati veću relativnu debljinu u blizini tačke povezivanja kako bi se povećala čvrstoća lopatice u blizini tačke povezivanja. Na primer, lokalni maksimum može biti unutar 0,2R od tačke povezivanja. Poželjno je da lokalni maksimum bude unutar 0,1R od tačke povezivanja. Još poželjnije je da lokalni maksimum bude unutar 0,05R od tačke povezivanja, uključujući i tačku povezivanja u nekim primerima.

[0031] U nekim primerima, debljina i/ili tetiva i/ili uvijanje lopatice mogu biti suštinski konstantni na ili blizu tačke povezivanja. Na primer, tačka povezivanja može biti locirana unutar radijalnog intervala dužine između 0,01R i 0,2R, poželjno između 0,01R i 0,1R, poželjnije između 0,01R i 0,05R, na primer između 0,03R i 0,05R, gde debljina i/ili tetiva i/ili uvijanje lopatice mogu biti suštinski konstantni. Na primer, tačka povezivanja može biti locirana na ili blizu spoja između dva modula lopatica modularne lopatice. Tipično, lopatice kontinuirano menjaju uvijanje duž svoje dužine. Međutim, u nekim primerima može biti povoljno da se blizu tačke povezivanja uvijanje održava konstantnim. Moduli lopatica mogu imati suštinski isti profil, tj. istu spoljašnju geometriju, na spoju kako bi se olakšalo povezivanje modula lopatica na povoljniji način. Shodno tome, debljina i/ili tetiva lopatica mogu biti suštinski konstantne na ili blizu tačke povezivanja.

[0032] Debljina svake lopatice može se monotono smanjivati krećući se od tačke povezivanja do vrha lopatice. Poželjno je da se debljina svake lopatice može strogo monotono smanjivati krećući se od tačke povezivanja do vrha lopatice. Dodatno ili alternativno, relativna debljina svake lopatice može se monotono smanjivati krećući se od tačke povezivanja do vrha lopatice. Poželjno je da se relativna debljina svake lopatice može strogo monotono smanjivati krećući se od tačke povezivanja do vrha lopatice. Kao takva, lopatica izvan tačke povezivanja je poželjno konfigurisana prvenstveno za aerodinamičke performanse pre strukturnih zahteva. Konkretno, tanji profili aeroprofila izvan tačke povezivanja su manje osetljivi na hrapavost površine, hvataju više energije iz vetra i tako generišu veći uzgon kako bi se povećala snaga koju proizvodi vetroturbina.

[0033] Relativna debljina svake lopatice može biti manja od 0,5, poželjno manja od 0,4, poželjnije manja od 0,36, za najmanje 60% ukupne dužine lopatice, poželjno najmanje 65% ukupne dužine lopatice, poželjnije najmanje 75% ukupne dužine lopatice.

[0034] Relativna debljina svake lopatice može biti manja od 0,5, poželjno manja od 0,4, poželjnije manja od 0,36, za dužinu od najmanje 0,05R između korena lopatice i tačke povezivanja, poželjno za dužinu od najmanje 0,1R između korena lopatice i tačke povezivanja, i poželjnije za dužinu od najmanje 0,2R između korena lopatice i tačke povezivanja.

[0035] Vetroturbina može dalje da obuhvata jedan ili više aero uređaja, kao što su generator vrtloga i/ili zaklopac za nosače i/ili zaštitna pregrada, postavljenih između korena lopatice i unutrašnjeg dela. U nekim primerima, vetroturbina može dodatno ili alternativno da obuhvata jedan ili više aero uređaja, kao što su generator vrtloga i/ili zaklopac za nosače i/ili zaštitna pregrada, postavljenih u blizini tačke povezivanja. Jedan ili svaki aero uređaj može pomoći u poboljšanju aerodinamičkih performansi i stvaranja uzgona debljih delova lopatice vetroturbine, kao što su unutrašnji deo i/ili u blizini tačke povezivanja.

[0036] U nekim primerima, svaka lopatica može imati ukupnu dužinu lopatice R od najmanje 70 m. Poželjno je da svaka lopatica ima ukupnu dužinu lopatice R od najmanje 80 m. Poželjnije je da svaka lopatica ima ukupnu dužinu lopatice R od najmanje 85 m. Obezbeđivanje spojnog elementa lopatice povezanog sa tačkom povezivanja na lopatici olakšava upotrebu dužih lopatica koje mogu da prikupe više energije iz vetra bez nedostataka vezanih za strukturne zahteve na ili blizu korena lopatice. Praktično govoreći, ovo u mnogim slučajevima može omogućiti duže lopatice slične težine i/ili lakše lopatice slične dužine kao lopatice iz stanja tehnike.

[0038] Kratak opis crteža

[0040] Primeri ovog pronalaska biće sada opisani samo kao neograničavajući primer, sa pozivanjem na prateće slike, na kojima:

[0042] Slika 1 je šematski prikaz vetroturbine koja obuhvata rotor sa više lopatica vetroturbine i element za povezivanje lopatice;

[0043] Slika 2 je pogled odozgo na lopaticu vetroturbine koja obuhvata tačku povezivanja za povezivanje elementa za povezivanje lopatice sa lopaticom;

[0044] Slika 3 je poprečni presek dela aeroprofila lopatice vetroturbine;

[0045] Slika 4 prikazuje šematsku raspodelu opterećenja lopatice prema pronalasku u poređenju sa tipičnom lopaticom iz stanja tehnike;

[0046] Slika 5 je šematski prikaz progresije debljine lopatice koja obuhvata lokalnu minimalnu debljinu unutar unutrašnjeg dela;

[0047] Slika 6 je šematski prikaz progresije debljine lopatice koja obuhvata suštinski konstantnu debljinu unutar unutrašnjeg dela;

[0048] Slika 7 je šematski prikaz relativne progresije debljine lopatice koja obuhvata lokalnu minimalnu relativnu debljinu unutar unutrašnjeg dela;

[0049] Slika 8 je šematski prikaz relativne progresije debljine lopatice koja obuhvata suštinski konstantnu relativnu debljinu unutar unutrašnjeg dela; i

[0050] Slika 9 je šematski prikaz vetroturbine koja obuhvata rotor sa elementom za prethodno zatezanje povezanim između elementa za povezivanje lopatice i dela glavčine.

[0052] Detaljan opis

[0054] Slika 1 prikazuje vetroturbinu 10 koja obuhvata toranj 12 i gondolu 14 postavljenu na toranj 12. Rotor 16 je montiran na gondolu 14, i rotor 16 se sastoji od glavčine 18 i više zakretnih lopatica 20 vetroturbine. U ovom primeru, vetroturbina 10 obuhvata tri zakretne lopatice 20. Lopatice 20 vetroturbine su povezane sa glavčinom 18 preko odgovarajućih mehanizama za nagib (nisu prikazani), pomoću kojih se lopatice 20 mogu rotirati u odnosu na glavčinu 18. Kao takav, nagib lopatica 20 vetroturbine može se kontrolisati u zavisnosti od relativne brzine vetra kako bi se osiguralo da lopatice 20 budu orijentisane sa povoljnim uglom napada za hvatanje energije iz vetra.

[0055] Pozivajući se dodatno na Sliku 2, svaka lopatica 20 se proteže od korena 22 lopatice do vrha 24 lopatice u smeru raspona (S). Lopatica 20 je ovde definisana bezdimenzionalno kao lopatica sa ukupnom dužinom R. Kao takva, koren 22 lopatice definiše radijalni položaj r=0, i vrh 24 lopatice definiše radijalni položaj r=R. U nekim primerima, ukupna dužina lopatice R može biti najmanje 70 m.

[0056] [0030] Pozivajući se sada na Sliku 3, koja prikazuje šematski poprečni presek lopatice 20, svaka lopatica 20 sadrži stranu okrenutu ka vetru 26 i stranu okrenutu prema zavetrini 28 koje se spajaju na prednjoj ivici 30 i zadnjoj ivici 32 lopatice 20 kako bi definisale profil aeroprofila. Profil aeroprofila generiše silu uzgona kada vetar duva na lopaticu 20, a sila uzgona pokreće rotor 16 da se rotira i pokreće generator (nije prikazan) za proizvodnju električne energije. Lopatica 20 obuhvata tetivu (Ch) koja je rastojanje između prednje i zadnje ivice 30. Dalje, lopatica 20 obuhvata debljinu (Th) koja je najveće rastojanje između strana 26, 28 oktrenutih ka vetru i ka zavetrini, ortogonalnih na tetivu (Ch). Relativna debljina lopatice 20 je odnos debljine (Th) i tetive (Ch) na datom radijalnom položaju r duž dužine R lopatice 20.

[0057] Kao što je prethodno navedeno u vezi sa pozadinom, deblji delovi lopatice 20, ili delovi sa velikom relativnom debljinom, obično imaju relativno nizak koeficijent klizanja (što je odnos koeficijenta uzgona i koeficijenta otpora) pod operativnim uglovima napada kada vetar duje na lopaticu 20. Kao takvi, na postojećim lopaticama vetroturbina, debeli profili aeroprofila blizu korena lopatice, koji su potrebni za podupiranje opterećenja koja lopatica trpi tokom upotrebe, osetljiviji su na hrapavost površine i obično ne doprinose mnogo snazi koju proizvodi vetroturbina. U stvari, takvi deblji delovi mogu izazvati otpor koji je štetan za aerodinamičke performanse lopatice.

[0058] Međutim, vetroturbina 10 ovog pronalaska povoljno olakšava upotrebu aerodinamički poboljšanih lopatica vetroturbine 20 koje mogu da prikupe više energije iz vetra, čime se poboljšava proizvodnja energije vetroturbine 10.

[0059] [0033] Ponovo se pozivajući na Slike 1 i 2, lopatice 20 vetroturbine 10 obuhvataju tačku 33 povezivanja koja se nalazi na prvom radijalnom položaju (r1) između korena 22 i lopatice vrha 24 lopatice. Vetroturbina 10 dalje obuhvata jedan ili više elemenata 34 za povezivanje lopatica povezanih između tačke 33 povezivanja i odgovarajuće tačke povezivanja na susednoj lopatici 20. Elementi 34 za povezivanje lopatica mogu biti kablovi 34 za povezivanje lopatica. Kao takav, rotor 16 montiran na gondolu 14 može se stoga nazvati rotorom 16 sa zateznim kablovima. Element 34 za povezivanje lopatica može biti povezan sa lopaticom 20 na tački 33 povezivanja na radijalnom položaju r1 preko rotirajuće spojnice (nije prikazana) tako da se lopatica 20 može naginjati, tj. rotirati, u odnosu na glavčinu 18 dok je povezana sa elementom 34 za povezivanje lopatica. Eementi 34 za povezivanje lopatica vetroturbine 20 mogu biti raspoređeni jedan pored drugog, na primer jedan pored drugog ili čak deliti neke strukturne elemente tačke 33 povezivanja. Na primer, dva elementa 34 za povezivanje lopatica (povezana sa različitim lopaticama 20 na njihovim suprotnim krajevima) mogu biti povezana sa istom tačkom 33 povezivanja jedne lopatice 20. Ovo ima prednost što kada se napetost primeni na elemente 34 za povezivanje, tada na lopaticu 20 utiče jedna kombinovana sila i stoga lopatica 20 neće biti izložena napetosti u dva različita smera elemenatom 34 za povezivanje. Štaviše, kada su tačke 33 povezivanja jedna pored druge ili se ista tačka 33 povezivanja koristi za oba elementa 34 za povezivanje lopatica, moguće je postaviti tačku(e) 33 povezivanja oba elementa 34 za povezivanje lopatica bliže ili čak na osi nagiba lopatice.

[0060] Svaki element 34 za povezivanje lopatice preuzima deo opterećenja koje lopatica 20 trpi tokom upotrebe i pruža dodatnu putanju opterećenja kojom se opterećenja prenose na glavčinu 18 i/ili između lopatica 20. Elementi 34 za povezivanje lopatica povezani između susednih lopatica 20 znače da lopatice 20 delimično 'nose' jedna drugu tako da se deo opterećenja može preneti između lopatica 20 pomoću elementa 34 za povezivanje. Dalje, elementi 34 za povezvanje lopatica olakšavaju prenos ili rasterećenje dela tereta na glavčinu 18. Element 34 za povezivanje lopatice pruža putanju opterećenja koja zaobilazi koren 22 lopatice i deo lopatice 20 između korena 22 lopatice i tačke 33 povezivanja na r1.

[0061] U preferiranim primerima, tačka 33 povezivanja može biti smeštena u radijalnom intervalu lopatice 20 između r=0,35R i r=0,50R. Postavljanje tačke 33 povezivanja u ovom radijalnom intervalu može povoljno omogućiti elementu 34 za povezivanje lopatica da preuzme značajan deo opterećenja koja lopatica 20 trpi tokom upotrebe. U nekim primerima, vetroturbina 10 može dodatno da sadrži element 38 za prethodno zatezanje, kao što je kabl 38 za prethodno zatezanje, koji može biti podesiv da bi se povećala ili smanjila zategnutost u elementu 34 za povezivanje lopatice, čime se kontroliše koliko se opterećenja prenosi sa lopatice 20 na element 34 za povezivanje lopatica. Element 38 za prethodno zatezanje može biti povezan na jednom kraju sa jednim ili više elemenata 34 za povezivanje lopatica, a na drugom kraju sa glavčinom 18 kao što je prikazano na Slici 1, ili sa delom 36 glavčine kao što je prikazano na Slici 9.

[0062] [0036] Ukratko se pozivajući na Sliku 4, raspodela opterećenja prikazana šematski na Slici 4 pokazuje kako se opterećenja na lopatici 20, npr. opterećenja na zakrilcima i ivicama, smanjuju unutar tačke 33 povezivanja na r1, jer se deo opterećenja prenosi na element 34 za povezivanje lopatica u poređenju sa lopaticom 20 bez elemenata 34 za povezivanje lopatica. Obezbeđivanje da element 34 za povezivanje lopatice bude povezan sa lopaticom 20 na tački 33 povezivanja smanjuje opterećenja koja lopatica 20 trpi unutar tačke 33 povezivanja. Shodno tome, strukturni zahtevi lopatice 20 unutar tačke 33 povezivanja su niži u poređenju sa lopaticama iz stanja tehnike, i aerodinamičke performanse lopatice 20 se zbog toga mogu poboljšati jer se dizajn lopatice, uravnotežen između strukturnih performansi i aerodinamičkih performansi, može bezbedno pomeriti prema aerodinamičkim performansama.

[0063] Konkretno, i ponovo se pozivajući na Sliku 2, lopatica vetroturbine 20 obuhvata unutrašnji deo 40 između korena 22 lopatice i tačke 33 povezivanja u kojoj je lopatica 20 konfigurisana za poboljšane aerodinamičke performanse. Na primer, unutrašnji deo 40 može se protezati u radijalnom intervalu između r=0,2R i r=0,55R. U nekim primerima, unutrašnji deo 40 može se protezati dužinom najmanje od 0,05R, ali poželjno ne većom od 0,3R.

[0064] Unutrašnji deo 40 lopatice vetroturbine 20 biće sada opisan uz pomoć Slika 5 do 8. Pozivajući se prvo na Sliku 5, ali uz kontinuirano pozivanje i na prethodne slike, debljina (Th) lopatice 20 može imati lokalni minimum 42 unutar unutrašnjeg dela 40. To jest, debljina (Th) lopatice 20 može se smanjiti unutar unutrašnjeg dela 40 do tačke pregiba na lokalnom minimumu 42, nakon čega se debljina (Th) povećava. Na primer, debljina (Th) lopatice 20 može se smanjiti od korena 22 lopatice krećući se prema spolja do lokalnog minimuma 42, i povećati krećući se prema spolja od lokalnog minimuma 42 prema tački 33 povezivanja. Smanjenje debljine (Th) lopatice 20 na lokalni minimum 42 unutar unutrašnjeg dela 40 obezbeđuje poboljšane aerodinamičke performanse u odnosu na tipične lopatice koje imaju deblje aerodinamičke profile u uporedivom delu lopatice.

[0065] Poželjno je da se lokalni minimum 42 nalazi u radijalnom intervalu između 0,05R i 0,1R unutra od tačke 33 povezivanja na r1. Kao takav, lokalni minimum 42 je poželjno udaljen od tačke 33 povezivanja i debljina (Th) lopatice 20 nije ugrožena u blizini tačke 33 povezivanja kako bi se osiguralo da je lopatica 20 dovoljno jaka na tački 33 povezivanja. Poželjno je da unutrašnji deo 40 bude što bliže tački 33 povezivanja, tj. što dalje spolja, kako bi se povećala prednost aerodinamičkog unutrašnjeg dela 40 i tako povećala proizvodnja snage vetroturbine 10, a da je i dalje udaljen najmanje 0,02R, poželjno najmanje 0,05R unutra od tačke 33 povezivanja tako da je lopatica 20 dovoljno jaka na i blizu tačke 33 povezivanja.

[0066] [0040] Kao što je prikazano na Slici 6, u nekim primerima debljina (Th) lopatice 20 može biti suštinski konstantna u unutrašnjem delu 40. Takva konfiguracija može olakšati jednostavniju i/ili isplativiju proizvodnju lopatice vetroturbine 20. Dalje, u poređenju sa tipičnom lopaticom vetroturbine koja ne uključuje unutrašnji deo 40 koji ima suštinski konstantnu debljinu (Th), lopatica vetroturbine 20 povoljno koristi manje materijala za proizvodnju i može sadržati tanje profile aerodinamičnog profila bliže korenu 22 lopatice u radijalnom položaju r=0. Kao takva, konstantna debljina (Th) u unutrašnjem delu 40 rezultira lopaticom 20 koja ima poboljšane aerodinamičke performanse.

[0067] Kao što je prikazano na Slikama 5 i 6, debljina (Th) lopatice 20 se poželjno smanjuje krećući se od korena 22 lopatice prema unutrašnjem delu 40. Kao takav, koren 22 lopatice u radijalnom položaju r=0 poželjno ima najveću debljinu (Th). U poželjnim primerima, debljina (Th) lopatice 20 se strogo monotono smanjuje krećući se od korena 22 lopatice prema unutrašnjem delu 40. U takvoj konfiguraciji, profili lopatice brzo prelaze iz strukturnih profila na ili blizu korena 22 lopatice, u aerodinamički povoljnije profile blizu i u unutrašnjem delu 40.

[0068] Kretanjem prema spoljašnjem delu od unutrašnjeg dela 40 prema tački 33 povezivanja na r1, u nekim primerima debljina (Th) lopatice 20 može se povećati. Na primer, Slika 5 prikazuje kako debljina (Th) lopatice vetroturbine 20 može imati lokalni maksimum 44 u blizini tačke 33 povezivanja. Debljina (Th) lopatice vetroturbine 20 stoga se može povećati na ili blizu tačke 33 povezivanja kako bi se obezbedio deblji, jači deo lopatice 20 na mestu na kojem je element 34 za povezivanje lopatice povezan. Iako nije prikazano na Slici 6, biće jasno da lopatica vetroturbine 20 koja ima suštinski konstantnu debljinu (Th) u unutrašnjem delu 40 takođe može imati lokalni maksimum debljine (Th) kao što je gore opisano.

[0069] Pozivajući se još uvek na Slike 5 i 6, u nekim primerima, debljina (Th) lopatice 20 može se smanjivati strogo monotono krećući se od tačke 33 povezivanja do vrha 24 lopatice. Shodno tome, profili aerodinamičkog profila lopatice 20, krećući se od tačke 33 povezivanja na r1 do vrha 24, mogu biti konfigurisani za poboljšane aerodinamičke performanse kako bi se prikupila energija iz upadnog vetra. Konkretno, spolja od tačke 33 povezivanja, lopatica 20 može imati smanjene strukturne/nosive zahteve, tako da se relativno tanki profili aerodinamičkih profila sa povoljnim aerodinamičkim karakteristikama mogu koristiti spolja od tačke 33 povezivanja.

[0070] Pozivajući se sada na Sliku 7, u nekim primerima relativna debljina lopatice 20, tj. odnos debljine (Th) i tetive (Ch), može imati lokalni minimum 46 unutar unutrašnjeg dela 40. Kao što je prethodno opisano, smanjenje relativne debljine pruža povoljniji profil aerodinamičkih profila koji može da prikupi više energije iz vetra kako bi se povećala ukupna snaga koju proizvodi vetroturbina 10. Lokalna minimalna relativna debljina 46 pruža aerodinamički povoljan profil lopatice u unutrašnjem delu 40 u poređenju sa tipičnim lopaticama koje su zahtevale debele i aerodinamički štetne profile u takvom unutrašnjem području kako bi se oduprle opterećenjima savijanja.

[0071] Kao što je prikazano na Slici 8, u nekim primerima relativna debljina lopatice 20 može biti suštinski konstantna u unutrašnjem delu 40. Suštinski konstantna relativna debljina može biti rezultat suštinski konstantne debljine (Th) i suštinski konstantne tetive (Ch) u unutrašnjem delu 40. Alternativno, suštinski konstantna relativna debljina može biti rezultat povećanja ili smanjenja debljine (Th) i tetive (Ch) lopatice 20 suštinski iste brzine.

[0072] Proizvodnja lopatice 20 koja ima suštinski konstantnu relativnu debljinu u unutrašnjem delu 40 može biti pojednostavljena u poređenju sa proizvodnjom tipične lopatice vetroturbine. Dalje, u poređenju sa tipičnom lopaticom vetroturbine koja ne uključuje unutrašnji deo 40 koji ima suštinski konstantnu relativnu debljinu, lopatica vetroturbine 20 može da sadrži profile aerodinamički povoljnije relativne debljine bliže korenu 22 lopatice, tj. na većem delu ukupne dužine R lopatice 20. Kao takva, konstantna relativna debljina u unutrašnjem delu 40 rezultira lopaticom 20 koja ima poboljšane aerodinamičke performanse.

[0073] Kao što je prikazano na Slikama 7 i 8, relativna debljina lopatice 20 može biti između 0,2 i 0,36 u unutrašnjem delu 40 u najpoželjnijim primerima. U poređenju sa postojećim lopaticama, lopatica 20 sa smanjenom relativnom debljinom u unutrašnjem delu 40 kao što je prikazano na Slikama 7 i 8 može generisati veći uzgon od upadnog vetra i tako generisati više snage.

[0074] Dalje, kao što je prikazano na Slikama 7 i 8, relativna debljina lopatice 20 se poželjno smanjuje krećući se od korena 22 lopatice prema unutrašnjem delu 40. Kao takav, koren 22 lopatice u radijalnom položaju r=0 poželjno ima najveću relativnu debljinu. Na primer, lopatica 20 može imati relativnu debljinu od 1 u korenu 22 lopatice u primerima gde koren 22 lopatice obuhvata kružni profil. U poželjnim primerima, relativna debljina lopatice 20 može se strogo monotono smanjivati krećući se od korena 22 lopatice prema unutrašnjem delu 40. Kao takva, lopatica 20 može postati aerodinamički optimizovanija krećući se od korena 22 lopatice prema unutrašnjem delu 40.

[0075] [0049] Spolja od unutrašnjeg dela 40, tj. krećući se od unutrašnjeg dela 40 do tačke 33 povezivanja, relativna debljina lopatice 20 može se povećati, kao što je prikazano na Slici 7. Na primer, relativna debljina lopatice 20 može imati lokalni maksimum 48 u blizini tačke 33 povezivanja. U nekim primerima, relativna debljina može se povećati zbog povećane debljine (Th) na ili blizu tačke 33 povezivanja kako bi se obezbedio jači deo lopatice 20 na mestu na kojem je pričvršćen element 34 za povezivanje lopatice, kao što je prethodno opisano. U nekim primerima, relativna debljina lopatice 20 može biti između 0,15 i 0,5 na tački 33 povezivanja. Relativna debljina u ovom opsegu može pružiti povoljan kompromis između čvrstoće lopatice i aerodinamičkih performansi na tački 33 povezivanja. Iako nije prikazano na Slici 8, biće jasno da lopatica vetroturbine 20 koja ima suštinski konstantnu relativnu debljinu u unutrašnjem delu 40 takođe može imati lokalnu maksimalnu relativnu debljinu 48 kao što je gore opisano.

[0076] Kao što je prikazano na relativnim progresijama debljine na Slikama 7 i 8, u nekim primerima, relativna debljina lopatice 20 može se strogo monotono smanjivati krećući se od tačke 33 povezivanja na r1 do vrha 24 lopatice. Kao takva, izvan tačka 33 povezivanja, lopatica 20 može biti konfigurisana sa profilima aerodinamičnog profila koji nude poboljšane aerodinamičke performanse generisanjem većeg uzgona.

[0077] Relativna debljina lopatice 20 je poželjno manja od 0,36 za dužinu od najmanje 0,05R između korena 22 lopatice i tačke 33 povezivanja. Kao takvo, obezbeđivanje dodatne putanje opterećenja u obliku elementa 34 za povezivanje lopatica povoljno olakšava upotrebu znatno tanke lopatice vetroturbine 20 koja je konfigurisana za poboljšane aerodinamičke performanse. Konkretno, rotor 16 koji obuhvata elemente 34 za povezivanje lopatica omogućava upotrebu lopatica vetroturbine 20 sa profilima aerodinamičkih profila dizajniranih prvenstveno za aerodinamičke performanse umesto strukturnih performansi na većoj dužini ili delu lopatice 20.

[0078] Treba razumeti da progresija debljine prikazana kao primer na Slici 5 može opisivati istu lopaticu 20 kao i relativne progresije debljine na Slikama 6 ili 7 u nekim primerima. Slično tome, treba razumeti da progresija debljine prikazana kao primer na Slici 6 može opisivati istu lopaticu 20 kao i relativne progresije debljine na Slici 7 ili 8 u nekim primerima. Detaljan opis svake različite konfiguracije nije dat radi sažetosti, ali treba razumeti da je odgovarajući opis dat gore u vezi sa svakom od progresija debljine i relativne debljine podjednako primenljiv u primerima koji obuhvataju gore navedene kombinacije.

[0079] [0053] Radi daljeg poboljšanja aerodinamičkih performansi lopatice 20, u nekim primerima lopatica 20 može da obuhvati jedan ili više aero uređaja 50 raspoređenih između korena 22 lopatice i unutrašnjeg dela 40, kao što je šematski prikazano na Slici 2. Aero uređaji 50 mogu pomoći u kompenzaciji smanjenih aerodinamičkih performansi u delu lopatice 20 koji ima veću debljinu (Th) i/ili relativnu debljinu blizu korena 22 lopatice. Na primer, takvi aero uređaji 50 mogu da uključuju jedan ili više generatora vrtloga, zakrilca na nosilici ili pregradu za zaustavljanje. U nekim primerima, lopatica 20 može dodatno ili alternativno da obuhvata aero uređaje 50 u blizini tačke 33 povezivanja kako bi se manipulisao protokom vazduha preko lopatice 20 blizu tačke 33 povezivanja tako da se efekat otpora ili turbulencija izazvana tačkom 33 povezivanja minimizira.

[0080] Treba razumeti da su gornji opis i prateće slike dati samo kao primer ovog pronalaska. Stoga su moguće mnoge alternative specifičnim primerima opisanim gore, a da se ne odstupa od obima pronalaska kako je definisano u priloženim patentnim zahtevima.

[0081] Na primer, vetroturbina 10 prikazana kao primer na Slici 1 obuhvata element 34 za povezivanje lopatica povezan između tačke 33 povezivanja lopatice 20 i odgovarajuće tačke 33 povezivanja na susednoj lopatici 20, i može da sadrži element 38 za prethodno zatezanje povezan između elementa 34 za povezivanje lopatica i glavčine 18. Međutim, kao što je prikazano na Slici 9, u nekim primerima vetroturbina 10 može dodatno ili alternativno da obuhvata element 38 za prethodno zatezanje povezan između jednog ili više elemenata 34 za povezivanje lopatica i tačke 52 povezivanja na delu 36 glavčine povezanom sa glavčinom 18. Na primer, deo 36 glavčine može se protezati od glavčine 18 u smeru uz vetar. Kao takvo, povezivanje elementa 38 za prethodno zatezanje sa delom 36 glavčine, kao što je prikazano na Slici 9, može prouzrokovati da zategnutost u elementu 34 za povezivanje lopatica i elementu 38 za prethodno zatezanje povuče lopaticu 20 uz vetar i dalje od tornja 12, čime se povećava rastojanje do tornja 12 i smanjuje rizik od udara dugih lopatica 20 u toranj 12 u uslovima jakog vetra.

[0082] Dalje, iako nije prikazano na pratećim slikama, debljina (Th) i/ili tetiva (Ch) lopatice 20 mogu biti suštinski konstantne na ili blizu tačke 33 povezivanja. Takva konfiguracija može olakšati jednostavniji proces proizvodnje lopatice 20. Pored toga, takva konfiguracija može olakšati obezbeđivanje lopatice 20 kao modularnog lopatice koja obuhvata dva ili više modula lopatice (nisu prikazani). Takva konfiguracija može omogućiti proizvodnju lopatice sa podesivom dužinom zamenom samo manjeg modula lopatice. Moduli lopatice mogu biti spojeni na spoju u delu lopatice 20 koji ima suštinski konstantnu debljinu (Th) i/ili tetivu (Ch), što olakšava proizvodnju modula lopatice i poravnanje modula prilikom sklapanja lopatice 20. Tačka 33 povezivanja za povezivanje elementa 34 za povezivanje lopatice sa lopaticom 20 može biti predviđena na spoju u nekim preferiranim primerima. Pogodno je što modularna lopatica 20 može biti ojačana na spoju između modula lopatica, i povezivanje elementa 34 za povezivanje lopatica na spoju može stoga osigurati da je element 34 za povezivanje lopatica povezan sa čvrstim delom lopatice 20.

[0083] [0057] Treba napomenuti da u svim ovde opisanim primerima, element 34 za povezivanje lopatica obezbeđuje dodatnu putanju opterećenja za deo opterećenja lopatice kako bi se zaobišao unutrašnji deo 40 i koren 22 lopatice. Kao takve, sve ovde opisane konfiguracije olakšavaju obezbeđivanje lopatice vetroturbine 20 koja ima debljinu (Th) i/ili relativnu debljinu koja je suštinski konstantna ili ima lokalni minimum 42, 46 unutar unutrašnjeg dela 40, jer je potrebno da unutrašnji deo 40 lopatice 20 preuzme i prenese manje opterećenja. Upotreba zakretnog rotora 16 koji obuhvata elemente 34 za povezivanje lopatica stoga olakšava upotrebu aerodinamički optimizovanijih lopatica 20 vetroturbine, što pomaže u povećanju godišnje proizvodnje energije (AEP) vetroturbine 10.

[0084] Dalje, zakretni rotor 16, kao što su oni ovde opisani, koji obuhvata elemente 34 za povezivanje lopatica, može da sadrži lopatice 20 koje su do 20% lakše u poređenju sa tipičnim lopaticama uporedive veličine. Iz toga sledi da rotor 16 koji obuhvata elemente 34 za povezivanje lopatica i ima istu težinu kao standardni rotor može da obuhvata duže lopatice 20. Stoga, u nekim primerima rotor 16 kako je ovde opisan može biti montiran na postojeću turbinu 10 kako bi se poboljšala potencijalna proizvodnja snage turbine 10 bez povećanja opterećenja na glavnom ležaju i/ili bez povećanja dimenzija korena lopatice i glavčine.

[0085] Opis koji je ovde dat služi da prikaže više mogućih primera ovog pronalaska. Karakteristike koje su opisane u vezi sa bilo kojim od gore navedenih primera mogu se lako kombinovati sa bilo kojim drugim karakteristikama opisanim u vezi sa različitim primerima, bez odstupanja od obima pronalaska kako je definisano u priloženim patentnim zahtevima.

Claims (15)

1. Patentni zahtevi

1. Vetroturbina (10) koja obuhvata toranj, gondolu postavljenu na toranj i rotor postavljen na gondolu,

pri čemu rotor (16) obuhvata glavčinu i najmanje tri zakretne lopatice vetroturbine povezane sa glavčinom preko odgovarajućih mehanizama za promenu ugla nagiba, svaka lopatica (20) se proteže od korena (22) lopatice koji definiše radijalni položaj r=0 do vrha lopatice koji definiše radijlani položaj r=R;

svaka lopatica obuhvata stranu okrenutu ka vetru i stranu okrenutu ka zavetrini koje se spajaju na prednjoj ivici (30) i zadnjoj ivici (32) da definišu profil aeroprofila, pri čemu je tetiva rastojanje između prednje i zadnje ivice, i relativna debljina je odnos debljine i tetive, pri čemu profil aeroprofila ima debljinu koja je najveće rastojanje između strane okrenute prema vetru i strane okrenute prema zavetrini ortogonalnih na tetivu;

svaka lopatica obuhvata tačku (33) povezivanja koja se nalazi na prvom radijalnom položaju (r1) između korena lopatice i vrha lopatice, i pri čemu vetroturbina dodatno obuhvata jedan ili više elemenata (34) za povezivanje lopatica povezanih između tačke povezivanja i odgovarajuće tačke povezivanja na susednoj lopatici,

naznačena time što je debljina i/ili relativna debljina svake lopatice suštinski konstantna ili ima lokalni minimum unutar unutrašnjeg dela lopatice između korena lopatice i tačke povezivanja.

2. Vetroturbina prema patentnom zahtevu 1, pri čemu se unutrašnji deo proteže u radijalnom intervalu između r=0,2R i r=0,55R, poželjno između r=0,3R i r=0,50R, poželjnije između r=0,35R i r=0,45R.

3. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu je kroz čitav unutrašnji deo svake lopatice relativna debljina između 0,15 i 0,50, poželjno između 0,18 i 0,4, poželjnije između 0,20 i 0,36.

4. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu se debljina i/ili relativna debljina svake lopatice smanjuje krećući se od korena lopatice prema unutrašnjem delu.

5. Vetroturbina prema patentnom zahtevu 4, pri čemu se debljina i/ili relativna debljina svake lopatice smanjuje strogo monotono krećući se od korena lopatice prema unutrašnjem delu.

6. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu se debljina i/ili relativna debljina svake lopatice povećava krećući se od unutrašnjeg dela do tačke povezivanja.

7. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu se lokalni minimum nalazi u radijalnom intervalu između 0,02R i 0,25R, poželjno između 0,05R i 0,15R, poželjnije između 0,05R i 0,1R, unutra od tačke povezivanja.

8. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu se tačka povezivanja svake lopatice nalazi u radijalnom intervalu između r=0,20R i r=0,6R, poželjno između r=0,3R i r=0,55R, poželjnije između r=0,35R i r=0,50R.

9. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu je relativna debljina svake lopatice na tački povezivanja između 0,15 i 0,5, poželjno između 0,20 i 0,40, još poželjnije između 0,24 i 0,36.

10. Lopatica vetroturbine prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu debljina i/ili relativna debljina lopatice ima lokalni maksimum u blizini tačke povezivanja.

11. Vetroturbina prema bilo kom od patentnih zahteva 1 do 10, pri čemu je debljina i/ili tetiva i/ili ugao uvijanja lopatice suštinski konstantna na ili blizu tačke povezivanja (r1).

12. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu se debljina i/ili relativna debljina svake lopatice smanjuje strogo monotono krećući se od tačke povezivanja do vrha lopatice.

13. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu je relativna debljina svake lopatice manja od 0,5, poželjno manja od 0,4, još poželjnije manja od 0,36, za dužinu od najmanje 0,05R između korena lopatice i tačke povezivanja, poželjno za dužinu od najmanje 0,1R

između korena lopatice i tačke povezivanja, još poželjnije za dužinu od najmanje 0,2R između korena lopatice i tačke povezivanja.

14. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, koja dodatno obuhvata jedan ili više aero uređaja, kao što su generatori vrtloga i/ili zakrilca na nosačima i/ili zaštitne pregrade, raspoređene između korena lopatice i unutrašnjeg dela i/ili u blizini tačke povezivanja.

15. Vetroturbina prema bilo kom prethodnom patentnom zahtevu, pri čemu svaka lopatica ima ukupnu dužinu lopatice R od najmanje 70 m, poželjno najmanje 80 m, još poželjnije najmanje 85 m.