MD4213C1 - Turbină eoliană - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali.Turbina eoliană conţine un turn (1), pe care este instalat un rotor (3) cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă (2), instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului (1), precum şi un generator electric (4), arborele căruia este legat cu arborele rotorului (3) cu pale. Turbina eoliană este dotată cu două roţi-vindroză (11)cu pale cu profil aerodinamic. În interiorul gondolei (2) este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola (2) are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului (1). În zona centrală a rotorului (3) este amplasată coaxial o turbină multipală centrală (7) constituită dintr-un difuzor interior divergent (8), un difuzor exterior convergent (9) şi o coroană cu pale (10).

Description

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

În domeniul generării energiei electrice din surse eoliene regenerabile s-au configurat trei direcţii de dezvoltare în vederea îmbunătăţirii randamentului conversiei şi capacităţii specifice masă-energie generată.

Prima direcţie se referă la perfecţionarea formei palelor rotoarelor, care deja a condus la o eficienţă a conversiei apropiată de limitele teoretice descrise în teoria lui Betz.

A doua direcţie se referă la soluţiile tehnice inovative dezvoltate în cazul aerogeneratoarelor foarte mari cu diametrul rotoarelor mai mare de 80 m, la care suprafaţa măturată de pale este direct proporţională cu puterea generată.

A treia direcţie se referă la dezvoltarea metodelor de conversie şi soluţiilor tehnice de realizare a acestora, inclusiv a soluţiilor tehnice referitoare la extinderea diapazonului de viteze ale curenţilor de aer supuşi convertirii în energie utilă, în special a curenţilor de aer cu viteze reduse (extinderea limitei minimale a vitezei curenţilor de aer supuşi convertirii).

Această direcţie este importantă pentru dezvoltarea turbinelor eoliene cu puterea de până la 20 kW destinate pentru consumatori individuali dispersaţi.

Pentru utilizarea energiei cinetice a curenţilor de aer cu turbine eoliene relativ mici sunt cunoscute soluţii tehnice bazate pe diferite modalităţi de conversie a energiei eoliene în energie electrică sau mecanică.

Este cunoscută o turbină eoliană, care include un turn, pe care este instalat un rotor cu pale, amplasat pe un butuc cu posibilitatea rotirii în jurul axelor lor longitudinale şi legat cu un mecanism centrifugal de reglare a turaţiilor rotorului într-o gondolă, instalată cu posibilitatea rotirii în jurul axei turnului, în care este amplasat un generator electric, arborele căruia este legat direct cu arborele rotorului cu pale. La depăşirea valorii nominale a vitezei vântului are loc schimbarea automată a unghiului de atac al palelor, micşorându-se turaţiile rotorului [1].

Dezavantajele soluţiei cunoscute constau în aceea că construcţia turbinei este complicată şi posedă fiabilitate redusă, iar pentru construcţii cu puterea mai mare de 8…10 kW orientarea la direcţia curenţilor de aer devine problematică. În turbina eoliană cunoscută energia cinetică a curenţilor de aer, care curg prin zona centrală a rotorului aerodinamic, nu se converteşte în energie utilă. Totodată, în rotoarele aerodinamice se atestă fenomenul curgerii fluidului în direcţia lungimii palelor (longitudinală) de la capătul de încastrare spre vârful acestora. Acest fenomen influenţează negativ asupra eficienţei conversiei din cauza separării stratului limită al fluidului şi, în consecinţă, aceasta conduce la diminuarea randamentului conversiei în general.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în sporirea randamentului mecanic al conversiei şi diminuarea pragului de viteze mici ale curenţilor de aer la care începe conversia energiei cinetice a acestora în energie utilă.

Problema se rezolvă prin aceea că turbina eoliană 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. Turbina este dotată cu două roţi-vindroză cu pale cu profil aerodinamic amplasate simetric de o parte şi de alta a gondolei. În interiorul gondolei este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului. În zona centrală a rotorului este amplasată coaxial o turbină multipală centrală cu un diametru d=(0,1…0,15) din diametrul rotorului D, constituită dintr-un difuzor interior divergent, un difuzor exterior convergent şi o coroană cu pale, amplasată în zona amonte între aceştia, care au profil aerodinamic şi sunt înclinate faţă de planul suprafeţei baleiate a rotorului sub un unghi în aceeaşi direcţie ca şi înclinarea palelor rotorului.

Turbina multipală centrală poate fi dotată suplimentar cu o a doua coroană cu pale amplasată în zona aval a rotorului în spaţiul dintre nişte difuzoare divergent şi convergent.

Palele cu profil aerodinamic amplasate între difuzoarele divergent şi convergent şi palele rotorului pot fi amplasate formând o singură coroană.

Rotorul poate fi dotat cu un ecran cilindric cu diametrul d′=(0,08…0,1)D şi lăţimea axială 1=c+(0,13…0,15)d′, care înfăşoară palele rotorului, unde c este cota maximală a secţiunii palei în direcţia axei de rotaţie a rotorului amplasată la o distanţă egală cu raza ecranului cilindric.

Turbina eoliană, conform invenţiei, asigură următoarele avantaje.

Turbina eoliană cu pale cu profil aerodinamic dotată cu o turbină multipală centrală asigură conversia în energie utilă suplimentar a energiei cinetice a curenţilor de aer, care curg prin zona centrală a suprafeţei baleiate de către palele rotorului, fapt ce conduce la sporirea randamentului conversiei. Totodată, amplasarea coaxială a turbinei multipale centrale în zona centrală a rotorului aerodinamic, difuzorul convergent al căreia stopează curgerea fluidului în direcţia longitudinală a palelor, conduce la diminuarea esenţială a separării stratului limită la interacţiunea pală-fluid şi, respectiv, la eficientizarea conversiei energiei cinetice a curenţilor de aer în energie utilă. Acelaşi efect se obţine şi în cazul amplasării coaxiale cu rotorul aerodinamic a unui ecran cilindric cu diametrul d′=(0,08...0,l)D şi lăţimea axială l=c+(0,13...0,15)d′, în urma căreia randamentul conversiei creşte datorită diminuării fenomenului de desprindere a fluidului în stratul limită.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-10, care reprezintă:

fig.1, vederea generală a turbinei eoliene cu două roţi-vindroză dotată cu o turbină multipală centrală cu o coroană cu pale amplasată în zona amonte a rotorului;

fig.2, vederea constructiv-principială a turbinei eoliene cu roţi-vindroză dotată cu o turbină multipală centrală cu o coroană cu pale amplasată în zona amonte a rotorului;

fig.3, vederea constructiv-principială a turbinei eoliene cu roţi-vindroză dotată cu o turbină multipală centrală cu două coroane cu pale amplasate în zonele amonte şi aval ale rotorului;

fig.4, construcţia turbinei multipale centrale, a - nodul amplasat în zona amonte a rotorului aerodinamic, b - nodul amplasat în zona aval a rotorului aerodinamic;

fig.5, a - turbina multipală centrală cu două coroane cu pale în ansamblu cu palele rotorului, b - turbina multipală centrală cu pale amplasate într-o singură coroană cu palele rotorului aerodinamic în spaţiul dintre acestea, c - rotorul aerodinamic cu ecran cilindric coaxial pentru orientarea curgerii fluidului şi diminuarea impactului separării stratului limită asupra eficienţei conversiei;

fig.6, vederea generală a turbinei eoliene cu orientare electronică la direcţia curentului de aer, dotată cu turbină multipală centrală cu o coroană cu pale amplasate în zona amonte a rotorului aerodinamic;

fig.7, vederea constructiv-principială a turbinei eoliene cu orientare electronică, dotată cu turbină multipală centrală amplasată în zona amonte a rotorului aerodinamic;

fig.8, vederea constructiv-principială a turbinei eoliene cu orientare electronică, dotată cu turbină multipală centrală cu două coroane cu pale amplasate în zonele amonte şi aval ale rotorului aerodinamic;

fig.9, schema principială a mecanismului de curgere a fluidului în zona centrală a rotorului aerodinamic;

fig.10, schema principială a mecanismului de curgere a fluidului în zona centrală a rotorului aerodinamic dotat cu turbină multipală centrală.

Turbina eoliană (fig. 1) conţine un turn 1, o gondolă 2, un rotor 3 cu pale cu profil aerodinamic, arborele căruia este legat cu arborele unui generator electric 4 cu magneţi permanenţi. Gondola 2 este instalată în rulmenţi într-o carcasă 5 cu posibilitatea de a se înclina sub un anumit unghi faţă de planul orizontal, totodată carcasa 5 este instalată în rulmenţi pe arborele 6 fixat de turnul 1 cu posibilitatea de a se roti în jurul acestuia.

Turbina eoliană este dotată cu două roţi-vindroză 11 cu pale cu profil aerodinamic amplasate simetric pe un arbore comun 12 de o parte şi de alta a gondolei 2. Roţile-vindroză 11 sunt amplasate astfel încât profilurile aerodinamice ale palelor reprezintă o simetrie în oglindă. În interiorul gondolei 2 pe o platformă fixată de carcasa 5 este instalat un sistem hidraulic, care acţionează un hidrocilindru fixat la un capăt cu gondola 2, iar la altul, cu carcasa 5.

Pentru sporirea eficienţei conversiei energiei fluxului de aer cuprins de toată suprafaţa baleiată de către palele rotorului 3 (fig. 2), inclusiv din zona centrală adiacentă butucului, în această zona centrală a rotorului 3 cu pale este amplasată o turbină multipală centrală 7 constituită dintr-un difuzor interior divergent 8, un difuzor exterior convergent 9 şi o coroană cu pale 10 cu profil aerodinamic, amplasată în zona amonte între difuzoare.

Turbina multipală centrală 7 poate fi dotată cu două coroane de pale (fig. 3), a doua coroană de pale 15 fiind amplasată în zona aval a rotorului 3 în spaţiul dintre difuzoarele 13 şi 14.

Turbina centrală 7, constituită din difuzoarele 8 şi 9 şi o coroană cu pale 10 amplasată în zona amonte a rotorului 3 (fig. 2), iar în fig. 3, turbina centrală cu două coroane cu pale 10 şi 15 amplasate în spaţiul dintre difuzoarele 8 şi 9 şi, respectiv, difuzoarele 13 şi 14 reprezintă noduri constructive separate (vezi fig. 4 a, b), care se fixează demontabil în zonele amonte şi, respectiv, aval ale rotorului 3 (vezi fig. 5a).

Palele 10 cu profil aerodinamic (fig. 5 b) amplasate între difuzoarele divergent 8 şi convergent 9 şi palele rotorului 3 sunt amplasate formând o singură coroană.

De asemenea, rotorul eolian poate fi dotat cu un ecran cilindric cu diametrul d′=(0,08...0,l)D şi lăţimea axială l=c+(0,13...0,15)d′, care înfăşoară palele rotorului 3, unde c este cota maximă a secţiunii palei aerodinamice în direcţia axei de rotaţie a rotorului, amplasată la o distanţă egală cu raza ecranului cilindric.

Difuzoarele şi palele cu profil aerodinamic ale turbinei multipale centrale pot fi confecţionate din materiale compozite.

Turbina multipală centrală, inclusiv ecranul cilindric, de asemenea pot fi montate pe rotoarele aerodinamice ale turbinelor eoliene cu orientare electronică la direcţia curenţilor de aer (fig. 6).

În turbinele eoliene cu orientare electronică, ca şi în cele cu orientarea rotorului aerodinamic la direcţia fluxului de aer prin intermediul roţilor-vindroză, turbina multipală de asemenea poate fi cu o coroană cu pale 10 amplasate în zona amonte a rotorului 3 (fig. 7) sau cu două coroane cu pale (fig. 8), a doua coroană de pale 15 fiind amplasată în zona aval a rotorului 3.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor (fig. 2).

La o viteză a vântului v>2,5 m/s fluidul, interacţionând cu palele cu profil aerodinamic, antrenează rotorul 3 şi implicit arborele generatorului electric 4 într-o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară de rotaţie ω.

În cazul în care direcţia curentului de aer v este perpendiculară pe suprafaţa baleiată a rotorului 3 cu pale, roţile-vindroză 11 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 se schimbă şi formează un unghi oarecare cu axa de rotaţie O'-O' a rotorului 3 (şi, respectiv, cu planul de rotaţie al roţilor-vindroză 11.

Palele roţilor-vindroză 11 cu profil aerodinamic sunt amplasate astfel încât la schimbarea direcţiei vântului sub un anumit unghi forţele aerodinamice dezvoltate de pale impun roţilor-vindroză 11 o mişcare de rotaţie cu viteza unghiulară ωv în sensul sau în sens opus mişcării acelor de ceasornic. Mişcarea de rotaţie de la roţile-vindroză 11, prin intermediul lanţului cinematic de rotire a gondolei 2, se transmite carcasei 5, care împreună cu gondola 2 se vor roti în jurul axei turnului O-O cu viteza unghiulară ωg=ωvi1·i2 în sensul sau în sens opus mişcării acelor de ceasornic (în funcţie de direcţia schimbată a vântului). Rotirea gondolei 2 împreună cu rotorul 3 în jurul axei turnului O-O va dura până când planul de rotaţie a roţilor-vindroză 11 va coincide cu direcţia schimbată a vântului, iar planul de rotaţie a rotorului 3 se va poziţiona perpendicular pe direcţia acestuia.

Protejarea generatorului electric 4 de suprasarcini în intervalul vitezelor 14…22,5 m/s se realizează prin micşorarea suprafeţei baleiate de către palele rotorului 3, proiectată pe planul perpendicular direcţiei fluxului de aer.

Micşorarea acestei suprafeţe se realizează prin înclinarea sub un anumit unghi faţă de axa de rotaţie O'-O' a rotorului 3 cu pale faţă de planul orizontal prin intermediul, spre exemplu, a unui sistem hidraulic.

În cazul în care vitezele curentului de aer nu depăşesc 14 m/s, axa O'-O' a gondolei 2 şi rotorului 3 se află în plan orizontal, iar când viteza fluxului de aer depăşeşte 14 m/s, prin intermediul unui traductor de tensiune a curentului electric, motorul electric al staţiei hidraulice se conectează la un acumulator electric (individual) şi, acţionând un hidrocilindru, axa O'-O' a gondolei 2 şi rotorului 3 cu pale aerodinamice se înclină sub un anumit unghi faţă de planul orizontal. În acest caz suprafaţa baleiată de către palele rotorului 3, proiectată pe planul perpendicular pe direcţia fluxului de aer v se micşorează şi, respectiv, se micşorează frecvenţa rotaţiilor generatorului electric 4 şi puterea generată de acesta.

În turbinele eoliene cu orientare electronică prezentate în fig. 6-8, rotorul 3 aerodinamic se orientează la direcţia curenţilor de aer urmărită de o giruetă prin intermediul unui bloc electronic de comandă a electromotorului mecanismului de acţionare a gondolei 2, rotind-o spre direcţia vântului. Când viteza curenţilor de aer depăşeşte o anumită valoare, controlată în timp prin intermediul unui anemometru conectat la un bloc electronic, se conectează electromotorul mecanismului de acţionare a gondolei 2, rotind-o în jurul axei turnului 1 la un anumit unghi faţă de direcţia curenţilor de aer. Astfel, se micşorează aria suprafeţei baleiată de palele rotorului 3 aerodinamic (proiectată pe planul perpendicular pe direcţia curenţilor de aer) şi, respectiv, se micşorează frecvenţa de rotaţie a acestuia şi corespunzător puterea generată la bornele generatorului. La o viteză a curenţilor de aer mai mare decât viteza admisibilă (v>22,5 m/s) rotorul aerodinamic se roteşte în jurul turnului 1 astfel încât planul lui de rotaţie se suprapune (coincide) cu direcţia curenţilor de aer.

Eficienţa conversiei energiei cinetice a curenţilor de aer în energie utilă depinde de mai mulţi factori, printre care prioritar putem menţiona forma profilului palei rotorului aerodinamic.

Cercetările efectuate în domeniul perfecţionării formei aerodinamice a palelor deja au condus la obţinerea unei eficienţe a conversiei apropiată de limitele descrise în teoria lui Betz.

Anumite rezerve în asigurarea randamentului maximal al conversiei se pot datora soluţiilor tehnice adoptate la stadiul de proiectare a rotoarelor aerodinamice în ansamblu.

Spre exemplu, pentru a micşora rezistenţa aerodinamică la interacţiunea frontală a curenţilor de aer cu butucul rotorului, în zona centrală a acestuia, de regulă, se amplasează un difuzor divergent 8 (fig. 9).

Prin această soluţie tehnică inevitabilă rezistenţa aerodinamică frontală la butucul rotorului aerodinamic se diminuează. În acelaşi timp, amplasarea difuzorului divergent 8 conduce la modificarea direcţiei de curgere a curenţilor de aer în zona centrală a rotorului aerodinamic.

În acest caz, se atestă apariţia în zona adiacentă a butucului a fenomenului curgerii parţiale a fluidului în direcţia longitudinală a palelor, fapt care conduce la separarea fluidului în stratul limită pe o anumită lungime a palelor.

Conform cercetărilor, zona separării fluidului în stratul limită se plasează pe suprafaţa dorsală a palelor (fig. 9) şi se extinde până la un anumit diametru d dependent de viteza fluidului, forma difuzorului divergent 8 şi forma palei la piciorul ei de fixare în butuc. Curgerea fluidului în această zonă se caracterizează prin turbulenţe şi apariţia vârtejurilor, factori care influenţează negativ asupra eficienţei conversiei energiei cinetice a fluidului cuprins în suprafaţa baleiată cu diametrul d.

Pentru sporirea eficienţei conversiei energiei cinetice a curenţilor de aer cuprinşi în toată suprafaţa baleiată de către palele rotorului 3 aerodinamic conform invenţiei în zona centrală a rotorului se montează o turbină multipală centrală constituită dintr-un difuzor interior divergent 8, un difuzor convergent 9 şi două coroane cu pale 10 şi 15 cu profil aerodinamic (fig. 10), amplasate sub un anumit unghi de atac. Coroana cu pale 10 este amplasată în zona amonte a rotorului, iar coroana cu pale 15 în zona aval a acestuia. Curenţii de aer, curgând prin zona inelară cuprinsă între diametrul exterior D al rotorului şi diametrul d al gurii difuzorului convergent 9, interacţionează cu palele rotorului 3, posedând o energie cinetică determinată de viteza v a vântului.

În acelaşi timp, în spaţiul inelar format între suprafeţele profilate ale difuzoarelor convergent şi divergent viteza de curgere a fluidului creşte. Astfel, palele cu profil aerodinamic ale coroanelor, interacţionând cu curenţii de aer cu o viteză majorată, dezvoltă forţe aerodinamice portante caracteristice vitezelor mai mari ale vântului decât cele care acţionează asupra palelor rotorului 3. Aceasta conduce la sporirea eficienţei conversiei prin contribuţia turbinei multipale centrale.

Totodată, difuzorul exterior convergent 9 al turbinei multipale centrale 7 stopează curgerea fluidului în direcţia longitudinală a palelor rotorului 3 aerodinamic, fapt care conduce la diminuarea impactului separării fluidului în stratul limită şi, respectiv, sporeşte eficienţa conversiei energiei cinetice a curenţilor de aer în ansamblu. Unghiurile de înclinare (de atac) ale palelor celor două coroane şi ale turbinei multipale centrale 7 se aleg diferenţiat pentru fiecare coroană, astfel încât acestea să dezvolte forţe aerodinamice portante maximale la frecvenţa nominală de rotaţie a rotorului 3.

1. RU 2235902 C1 2004.09.10

Claims (4)

1. Turbină eoliană, care conţine un turn (1), pe care este instalat un rotor (3) cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă (2), instalată cu posibilitatea rotirii în jurul turnului (1), precum şi un generator electric (4), arborele căruia este legat cu arborele rotorului (3) cu pale, caracterizată prin aceea că este dotată cu două roţi-vindroză (11) cu pale cu profil aerodinamic amplasate simetric de o parte şi de alta a gondolei (2), în interiorul gondolei (2) este instalat un sistem hidraulic, prin intermediul căruia gondola (2) are posibilitatea de înclinare faţă de axa turnului (1), în zona centrală a rotorului (3) este amplasată coaxial o turbină multipală centrală (7) cu un diametru d=(0,1…0,15) din diametrul rotorului D, constituită dintr-un difuzor interior divergent (8), un difuzor exterior convergent (9) şi o coroană cu pale (10), amplasată în zona amonte între aceştia, care au profil aerodinamic şi sunt înclinate faţă de planul suprafeţei baleiate a rotorului (3) sub un unghi în aceeaşi direcţie ca şi înclinarea palelor rotorului (3).

2. Turbină, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că turbina multipală centrală (7) este dotată suplimentar cu o a doua coroană (15) cu pale amplasată în zona aval a rotorului (3) în spaţiul dintre nişte difuzoare divergent (13) şi convergent (14).

3. Turbină, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că palele (10) cu profil aerodinamic amplasate între difuzoarele divergent (8) şi convergent (9) şi palele rotorului (3) sunt amplasate formând o singură coroană.

4. Turbină, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că rotorul (3) este dotat cu un ecran cilindric cu diametrul d′=(0,08…0,1)D şi lăţimea axială 1=c+(0,13…0,15)d′, care înfăşoară palele rotorului (3), unde c este cota maximală a secţiunii palei în direcţia axei de rotaţie a rotorului (3) amplasată la o distanţă egală cu raza ecranului cilindric.