MD4219C1

MD4219C1 - Turbină eoliană cu ax orizontal

Info

Publication number: MD4219C1
Application number: MDA20120073A
Authority: MD
Inventors: Ион БОСТАН; Валериу ДУЛГЕРУ; Виорел БОСТАН; Ион СОБОР; Анатол СОКИРЯНУ
Original assignee: Технический университет Молдовы
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2013-11-30
Also published as: MD4219B1

Abstract

Invenţia se referă la energetica eoliană, şi anume la turbine eoliene destinate pentru consumatorii individuali.Turbina eoliană cu ax orizontal conţine un turn (1), pe care sunt instalate un rotor (4) cu pale (5), amplasat pe un butuc într-o gondolă (2), precum şi un generator electric (6), arborele căruia este legat cu arborele rotorului (4) cu pale (5). De ambele părţi ale gondolei (2) este amplasată câte o roată vindroză (12), instalate pe un arbore comun şi legate cinematic cu turnul (1) printr-un angrenaj cu melc. Gondola (2) este instalată pe un platou (3) printr-o articulaţie cu osie (18). Platoul (3) este amplasat pe turn (1). În gondolă (2) este instalat un hidrocilindru (7), acţionat de o staţie hidraulică (8), legată cu un traductor de tensiune, instalat pe rotorul (4) generatorului electric (6). Ştocul (11) hidrocilindrului (7) este legat articulat cu gondola (2), iar carcasa hidrocilindrului (7) este legată articulat cu platoul (3).

Description

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

Este cunoscută o turbină eoliană, care include un arbore, pe care este fixat un ansamblu de spiţe simetrice cu poziţie unghiulară reglabilă. Între fiecare pereche de spiţe este montată câte o pânză din stofă elastică care formează o pală. Prin intermediul unei pârghii şi al unei bucşe instalate pe arbore spiţele simetrice sunt ghidate [1].

Dezavantajul turbinei eoliene cunoscute constă în aceea că asigurând o oarecare creştere a randamentului turbina totuşi posedă fiabilitate redusă şi construcţie complicată.

În calitate de cea mai apropiată soluţie este prezentată 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 legate cu un mecanism centrifugal de reglare a turaţiilor rotorului într-o gondolă instalată cu posibilitatea rotirii în jurul axei turnului, precum şi un generator electric, arborele căruia este legat direct cu arborele rotorului cu pale [2].

Dezavantajul turbinei eoliene cunoscute constă în aceea că la depăşirea de către viteza vântului a valorii nominale are loc schimbarea automată a unghiului de atac al palelor, micşorându-se turaţiile rotorului. De menţionat însă că construcţia turbinei este complicată şi fiabilitatea redusă.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în majorarea eficienţei de conversie, simplificarea construcţiei turbinei şi majorarea fiabilităţii.

Problema se soluţionează prin aceea că turbina eoliană cu ax orizontal include un turn, pe care sunt instalate un rotor cu pale, amplasat pe un butuc într-o gondolă, precum şi un generator electric, arborele căruia este legat cu arborele rotorului cu pale. De ambele părţi ale gondolei este amplasată câte o roată vindroză, instalate pe un arbore comun şi legate cinematic cu turnul printr-un angrenaj cu melc cu un raport de transmisie mare, cu posibilitatea rotirii gondolei în plan orizontal în jurul axei verticale O1-O1 a turnului pentru orientarea rotorului cu pale la direcţia vântului. Gondola este instalată pe un platou printr-o articulaţie cu osie cu posibilitatea rotirii în plan vertical în jurul axei O-O osiei, platoul fiind amplasat pe turn. În gondolă este instalat un hidrocilindru, acţionat de o staţie hidraulică, legată cu un traductor de tensiune, instalat pe rotorul generatorului electric. Ştocul hidrocilindrului este legat articulat cu gondola, iar carcasa hidrocilindrului este legată articulat cu platoul la o distanţă de la axa O-O osiei , unde: H este distanţa maximă pe verticală dintre centrele articulaţiilor de legătură a carcasei hidrocilindrului cu platoul şi, respectiv, a ştocului hidrocilindrului cu gondola;

βo - unghiul în plan vertical dintre axa hidrocilindrului şi linia, ce uneşte centrul articulaţiei de legătură a ştocului cu gondola şi centrul osiei;

αo - unghiul dintre axa hidrocilindrului şi orizontala, care trece prin articulaţia ce leagă carcasa hidrocilindrului cu platoul în poziţia iniţială, când axa gondolei este în poziţie orizontală.

Turbina eoliană conform invenţiei asigură următoarele avantaje:

- executarea mecanismului de orientare la direcţia vântului în formă de două roţi vindroză, amplasate de ambele părţi ale gondolei, legate cinematic cu turnul printr-un angrenaj cu melc în două trepte cu un raport de transmisie mare, asigură simplitate constructivă, cost relativ redus şi fiabilitate sporită datorită eliminării sistemelor electromecanice şi electronice, de asemenea, economie de energie electrică necesară pentru alimentarea motoarelor electrice la sistemele cu orientare electromecanică dirijate electronic;

- executarea mecanismului de scoatere a rotorului cu pale de sub acţiunea vântului la viteze mari ale vântului v>14 m/s în forma unui hidrocilindru, acţionat de o staţie hidraulică, care acţionează în funcţie de viteza vântului şi asigură protecţia turbinei eoliene de suprasarcini cu producerea în acelaşi timp a energiei electrice la putere nominală.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1-6, care reprezintă:

- fig.1, schema generală a turbinei eoliene;

- fig. 2, vederea frontală a gondolei cu roţi vindroză la diferite unghiuri de înclinare în plan vertical;

- fig. 3, vederea A din fig. 2;

- fig. 4, gondola în poziţie orizontală (rotorul este perpendicular curenţilor de aer);

- fig. 5, gondola în poziţie înclinată faţă de curenţii de aer;

- fig. 6, graficul funcţiei puterii generate de viteza vântului.

Turbina eoliană (fig. 1, 2) include un turn 1, o gondolă 2 instalată cu posibilitatea rotirii în jurul axei verticale O1-O1 a turnului pe un platou 3, un rotor 4 cu pale 5 hidrodinamice, arborele căruia este legat cu arborele generatorului electric 6 cu magneţi permanenţi. În gondola 2 este amplasat un hidrocilindru 7 acţionat de o staţie hidraulică 8. Carcasa 9 a hidrocilindrului 7 este legată cu platoul 3 prin intermediul unei articulaţii 10, iar ştocul 11 al hidrocilindrului 7 este legat cu gondola 2 şi formează un unghi αh între axa hidrocilindrului 7 şi axa orizontală paralelă cu axa gondolei 2. De ambele părţi ale gondolei 2 sunt instalate două roţi vindroză 12 cu pale 13 cu profil rectiliniu. Roţile vindroză 12 sunt instalate pe un arbore cu melc 14, care angrenează cu roata cu melc 15 a primei transmisii cu melc. Roata cu melc 15 este instalată fix pe arborele cu melc 16 care, la rândul său, angrenează cu roata cu melc 17, fixată rigid pe capătul superior al turnului 1. Totodată gondola 2 este legată prin intermediul osiei 18 cu turnul 1 cu posibilitatea rotirii în jurul axei O-O.

Turbina eoliană funcţionează în modul următor.

La o viteză a vântului v>3 m/s curenţii de aer interacţionează cu palele 5 aerodinamice ale rotorului 4, antrenându-l în mişcare de rotaţie, care este transmisă arborelui generatorului electric 6 cu magneţi permanenţi. La schimbarea direcţiei vântului, palele 13 ale roţilor vindroză 12 interacţionează cu curenţii de aer antrenând în mişcare de rotaţie roţile vindroză 12 şi arborele cu melc 14. Mişcarea de rotaţie a roţilor vindroză 12 este transmisă redusă în angrenajul cu melc, asigurând rotirea gondolei 2 în plan orizontal împreună cu rotorul 4 după direcţia vântului până când curenţii de aer nu vor mai acţiona perpendicular planului palelor 5 ale rotorului 4. În această poziţie palele 13 ale roţilor vindroză 12 nu vor mai reacţiona cu curenţii de aer şi rotirea gondolei 2 în plan orizontal va fi stopată până când vântul nu-şi va schimba direcţia (fig. 3).

Pentru asigurarea vitezei constante de rotire a rotorului 4 gondola 2 se va roti în jurul axei O-O (fig. 4, 5). La o viteză a vântului v<14 m/s axa comună a gondolei 2, generatorului electric 6 şi a rotorului 4 cu pale hidrodinamice 5 se află în poziţie orizontală (fig. 4). La creşterea vitezei vântului v>14 m/s gondola 2 cu rotorul 4 şi generatorul electric 6 se vor roti în jurul axei O-O la unghiurile θ1, θ2, θ3, …θn (fig. 2) în funcţie de valoarea vitezei vântului, care este controlată de un traductor de tensiune instalat pe rotorul generatorului electric. La viteze ale vântului v>14 m/s puterea generală (tensiunea la bornele generatorului electric) scade (fig. 6, curba 1). În acest caz se porneşte staţia hidraulică 8, acţionând hidrocilindrul 7, care asigură rotirea gondolei 2 în jurul axei O-O, fapt ce asigură reducerea turaţiei rotorului 4 până la cea nominală. Gondola este menţinută în poziţia respectivă θ1, θ2, θ3, …θn (fig. 2) până când viteza vântului nu se va mai schimba (mări sau micşora).

Astfel, schimbarea poziţiei unghiulare a gondolei 2 (rotorului 4) în plan vertical asigură:

- o viteză relativ constantă a rotorului, egală cu viteza nominală la viteze ale vântului v>14 m/s;

- producerea energiei electrice şi în domeniul vitezelor mari ale vântului v>14 m/s, spre deosebire de alte turbine, când la viteze ce depăşesc viteza nominală sunt stopate.

1. RU 2359151 C1 2009.06.20

2. RU 2235902 C1 2004.09.10

Claims

Turbină eoliană cu ax orizontal, care include un turn (1), pe care sunt instalate un rotor (4) cu pale (5), amplasat pe un butuc într-o gondolă (2), precum şi un generator electric (6), arborele căruia este legat cu arborele rotorului (4) cu pale (5), caracterizată prin aceea că de ambele părţi ale gondolei (2) este amplasată câte o roată vindroză (12), instalate pe un arbore comun şi legate cinematic cu turnul (1) printr-un angrenaj cu melc cu un raport de transmisie mare, cu posibilitatea rotirii gondolei (2) în plan orizontal în jurul axei verticale O1-O1 a turnului (1) pentru orientarea rotorului (4) cu pale (5) la direcţia vântului, totodată gondola (2) este instalată pe un platou (3) printr-o articulaţie cu osie (18) cu posibilitatea rotirii în plan vertical în jurul axei O-O osiei (18), platoul fiind amplasat pe turn (1); în gondolă (2) este instalat un hidrocilindru (7), acţionat de o staţie hidraulică (8), legată cu un traductor de tensiune, instalat pe rotorul (4) generatorului electric (6); ştocul (11) hidrocilindrului (7) este legat articulat cu gondola (2), iar carcasa hidrocilindrului (7) este legată articulat cu platoul (3) la o distanţă de la axa O-O osiei (18)

, unde: H este distanţa maximă pe verticală dintre centrele articulaţiilor de legătură a carcasei hidrocilindrului (7) cu platoul (3) şi, respectiv, a ştocului (11) hidrocilindrului (7) cu gondola (2);

βo - unghiul în plan vertical dintre axa hidrocilindrului (7) şi linia ce uneşte centrul articulaţiei de legătură a ştocului (11) cu gondola (2) şi centrul osiei (18);

αo - unghiul dintre axa hidrocilindrului (7) şi orizontala care trece prin articulaţia ce leagă carcasa hidrocilindrului (7) cu platoul (3) în poziţia iniţială, când axa gondolei (2) este în poziţie orizontală.