RO129793A2 - Sistem de creştere a eficienţei turbinelor savonius cu ax vertical - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem de creştere a eficienţei turbinelor Savonius cu ax vertical, destinat a fi aplicat în domeniul producerii de energie electrică din energie eoliană, prin utilizarea turbinelor Savonius cu ax vertical. Sistemul conform invenţiei este constituit dintr-o turbină de un diametru (), cu nişte pale () şi nişte capace () inferioare, respectiv, superioare, pe care sunt montate câte un rulment (), un ax () al turbinei, două sectoare () cilindrice, identice, de diametru echivalent (), o legătură () fixă, un servomotor () comandat de un modul () de detecţie electronică a direcţiei vântului, care, prin intermediul unui cuplaj (), orientează după vânt concomitent sectoarele () cilindrice, şi un cuplaj () fixat rigid pe un ax (), care antrenează un generator () electric, sistemul permiţând înlocuirea modulului () de detecţie electronică a direcţiei vântului cu o coadă () de vânt, iar sectoarele () cilindrice sunt identice, cu unghiuri () opuse la vârf şi cuprinse în intervalul 45...90°, vârful lor coincizând cu axul de rotaţie al turbinei, având ca efect creşterea turaţiei axului () turbinei, respectiv, creşterea randamentului energetic de conversie din energie eoliană în energie electrică.

Description

SISTEM DE CREȘTERE A EFICIENTEI TURBINELOR SAVONIUS CU AX VERTICAL

Invenția se refera la un sistem de creștere a eficientei turbinelor Savonius cu ax vertical, destinata a fi aplicata in domeniul producerii de energie electrica din energie eoliana, prin utilizarea turbinelor tip Savonius, cu ax vertical.

Este cunoscut faptul ca turbinele eoliene cunosc o utilizare larga in procesul de obținere de energie electrica prin metode ecologice. In timp ce pentru producerea de electricitate in cantitati mari sunt folosite turbinele eoliene cu ax orizontal, pentru producerea de energie electrica in scop domestic, pentru locuințe individuale, sunt preferate turbinele cu ax vertical.

In literatura de brevete de invenții, întâlnim o gama relativ extinsa de soluții tehnice care vizeaza utilizarea turbinelor eoliene, inclusiv cele de tip Savonius.

Astfel, in documentul RO 123379, este prezentata o turbina eoliana tip Savonius, cu ax vertical, prevăzută cu un sistem de reglaj al palelor.

In documentul US 20080085179 Al, sunt expuse un aparat si o metoda de conversie a energiei eoliene. Construcția are la baza combinația dintre un cadru si o axă verticală, cel puțin o turbina eoliana aferenta cadrului care permite rotirea in raport cu această axă, cel puțin un deflector orientat către cadru pentru a colecta masa de aer incidența si a o redirectiona către turbină.

In cererea de brevet de invenție US2010213720 Al, este prezentat un sistem dual, turbina-generator, cu ax vertical, compus din doua rotoare cu axele paralele si coplanare, dispuse in același plan fata de frontul eolian. Fiecare rotor are prevăzut cate un carenaj, dispuse simetric, cu rolul de reducere al turbulentelor de aer din spatele frontului masei de aer care intra in turbine, inclusiv rolul de creștere a vitezei fluxului de aer.

In documentul US 20120211992 Al este prezentata o turbina eoliena, cu posibilitate de stocare a energiei, care cuprinde un rotor cu ax vertical rotativ, cel puțin un rulment, iar paletele multiple ale rotorului sunt dispuse simetric axului vertical. Fiecare pala are forma unei cutii cu patru laturi solide, care permite deschiderea suprafețelor frontale lor si pătrunderea masei de aer prin intermediul unor flapsuri cu unghi reglabil.

In brevetul de invenție US 8262337 B2 este dezvăluit un rotor tip Savonius, care poate utiliza atat un flux de aer, dar de fluid, cum ar fi de exemplu cel al curentilor submarini sau al mareelor. Rotorul este pasiv ventilat si are un inel de sprijin, precum si un cadru de sprijin spațial plasat pe un alt inel de sprijin de baza. Construcția are la baza elemente modulare care permit montarea cu ușurința la

^2013-00254-2 6 Ό3- 20ÎJ fata locului a turbinei. O cutie de viteze, inclusiv ansamblurile planetare la priza de putere sunt situate pe perimetrul inelului de bază.

In documentul EP 0247139 Al este dezvăluit un sistem de turbina eoliana cu rotor tip Savonius si un dispozitiv de placă deflectoare, cu rol de mărire a puterii de conversie si de asemenea, de optimizare a capacitatii de auto-pomire si a fineții de operare.

Invenția descrie, de asemenea, un nou rotor Savonius cu eficientă mai mare decât la rotoarele existente de tip Savonius. Datorita combinației rotor-deflector, prezenta invenție permite de asemenea, un control facil, automat, al vitezei, inclusiv oprirea voluntara a rotorului.

In brevetul european EP 2236819 Al este prezentata o turbina de vânt cu ax vertical, care conține o pluralitate de pale, dispuse la unghiuri egale, fata de centrul axei de rotatie . Aceasta soluție permite asigurarea unui coeficient de portanta de cel puțin, 1,0. Palele au o anumita configurație aerodinamica, sub forma de picătură prelinsa.

In documentul EP 2410173 A2 este dezvăluită o turbine de vânt cu axa vertical, care cuprinde un rotor prevăzut cu mai multe lamele conectate la axul vertical, astfel incat sa asigure conversia energiei cinetice a vântului in mișcare de rotatie a axului vertical, cat si un carenaj care incadreaza rotorul, cel puțin parțial.

Aceste soluții au in general dezavantajul ca sunt costisitoare, gradul de complexitate constructiva fiind relativ ridicat, necesitând proiectarea cu fidelitate si exactitate ale unor elemente componente, cum ar fi de exemplu configurația unor anumite forme de pale.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția consta in realizarea unui sistem de creștere a eficientei turbinelor Savonius cu ax vertical, de o complexitate relativ redusa, care poate fi aplicat in mod facil in utilizări domestice si care permite creșterea randamentului de conversie a energiei eoliene in energie mecanica de rotatie, respectiv, in energie electrica prin intermediul generatoarelor electrice.

Sistemul de creștere a eficientei turbinelor de tip Savonius, conform invenției revendicate consta in atașarea la o turbina in sine cunoscuta, a unor segmente sub forma de arce cilindrice, diametral opuse, dispuse pe un diametru superior si concentrice cu rotorul turbinei, avand ca efect creșterea vitezei de trecere a masei de aer prin turbina, respectiv creșterea vitezei de rotatie a acesteia. Sistemul de creștere a eficientei turbinelor Savonius, permite orientarea după vânt atat prin mijloace electronice specializate, dar si mecanice, de tip coada de vânt.

Invenția are următoarele avantaje:

O

.:.-2 0 1 5 - 0 0 2 5 4 = =

6 ’Μ- 2013

-permite orientarea după vânt atat electronic, cu dispozitive specializate, dar si convențional, mecanic, prin intermediul unei cozi de vânt;

- inaltimea de amplasare fata de sol este relativ mica, specifica turbinelor tip Savonius;

-simplitate si robustețe constructiva;

- se integrează ușor in peisaj si nu necesita un spațiu mare alocat;

- reprezintă o soluție extrem de fiabila, care nu presupune o mentenanta anevoioasa ,

-reprezintă o soluție solida pentru aplicațiile domestice.

In continuare se da un exemplu de realizare a sistemului de creștere a eficientei turbinelor de tip Savonius, in legătură cu figurile 1-9, unde :

-fig. 1 -vedere in perspectiva a unei turbine tip Savonius cu 8 pale ;

-fig.2-sectiunea A-A transversala prin turbina ;

-fig.3-reprezentarea schematica a forțelor de acționare pe palele turbinei;

-fig.4-reprezinta o vedere parțiala in perspectiva a turbinei asamblata cu sectoarele cilindrice de creștere a eficientei energetice ;

-fig. 5-secțiunea parțiala B-B prin turbina asamblata cu sectoarele cilindrice ;

-fig.6- o vedere parțiala in perspeciva a sistemului echipat, fara turbina ;

-fig. 7- o vedere de sus pentru explicarea traiectoriei curentilor de aer din turbina fara coada de vânt; -fig. 8- o vedere parțiala in perspectiva a sistemului echipat cu coada de vânt si fara turbina;

-fig.9- o vedere de sus pentru explicitarea traiectoria curentilor de aer din turbina echipata cu coada de vânt.

Asa cum se vede din fig. 1, o turbina Savonius este constituita in principal din niște pale 1 identice, in cazul de fata opt la număr, dispuse pe un același diametru, simetric fata de axa de rotatie si doua capace circulare dispuse concentric in planuri paralele, unul superior 2 si unul inferior 2’, intre care sunt fixate palele 1. Este cunoscut faptul ca in general, palele unei turbine Savonius au o forma dreptunghiulara, arcuita. Asa cum se vede in fig. 3, fluxul de aer generat de vântul 3, actioneaza asupra palelor 1, forța 4 generata de vânt pe o pala 1 fiind maxima când proiecția suprafeței unei pale pe suprafața frontala a fluxului de aer este maxima.

Conform fig. 4, turbina Savonius, constituita din palele 1 si capacele 2 si 2’este montata pe axul de rotatie 5 al turbinei, in același timp cu sectoarele cilindrice 6 si 7, sectoare care pot avea fiecare un unghi a cuprins intre 45 si 90°, aceste unghiuri fiind de regula opuse la vârf, vârful lor coincizand cu

Λ- 2 Ο 1 3 - Ο Ο 2 5 4 - ² 6 -J3- 2013 axa de rotatie a turbinei. Unghiul a, din punct de vedere aerodinamic este dependent de diametrul d si inaltimea H ale turbinei Savonius.

Diametrul D comun, corespunzător celor doua sectoare cilindrice 6 si 7 este in mod evident puțin superior diametrului exterior d al turbinei Savonius.

Sistemul de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius are la baza ideea micșorării forțelor 4 care actioneaza asupra palelor 1 care se mișca contrar vântului 3, prin adaugarea sectorului cilindric 6. Pentru o creștere suplimentara a interacțiunii asupra palelor 1 active, respectiv cele care sunt împinse de vânt, sistemul are prevăzut un alt sector 7 cilindric, similar sectorului 6, care dirijează curentul de aer, mentinandu-1 in contact util cu palele 1.

Sistemul de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius, conține un element 8 de legătură, fix, pe care este fixat un rulment 11 axial inferior, prin care se montează axul 5 de rotatie al turbinei si care are rolul de susținere a ansamblului turbinei, inclusiv cadrul 15 format din niște tije care susține la rândul sau coada 16 de vânt.

Sistemul, conform invenției, poate fi orientat după vânt prin doua moduri;

fie prin intermediul unui modul 17 de detecție a direcției vântului, care comanda ulterior acționarea servomotorului 10, ca in fig. 6;

fie mecanic, printr-o coada 16 de vânt, fixata prin intermediul cadrului 15, rigid in raport cu cele doua sectoare 6 si 7 cilindrice, ca in fig. 8.

Atunci când sistemul este acționat prin primul mod, servomotorul 10, antrenează in rotatie sectoarele 6 si 7 cilindrice in jurul axului 5 al turbinei prin intermediul cuplajului 9. Acest cuplaj 9 permite atat orientarea sectoarelor 6 si 7 cilindrice, cat si rotirea libera a turbinei, respectiv rotirea libera a axului 5, lagaruit prin intermediul unor rulmenți 11 in cele doua capace 2 si 2’ superior si inferior ale turbinei.

In cele de-al doilea mod de acționare, cadrul 15 format din tije si care susține coada 16 de vânt, este fixat centrat si rigid, prin mijloace cunoscute, de suprafața inferioara, respectiv superioara a celor doua sectoare 6 si 7 cilindrice.

Asa cum este ilustrat in fig. 7, curentii de aer care spala suprafața exterioara a sectorului 6 cilindric, creaza o turbulenta cu efect benefic asupra palelor 1, in sensul ca aduce un supliment de energie in procesul de antrenare al turbinei Savonius.

Transformarea energiei eoliene de rotatie in energie electrica se face, in funcție de dimensiunile turbinei, prin intermediul unui cuplaj 12, fixat rigid prin metode cunoscute pe axul 5 de rotatie, . ''r a’m «^{r a} Națio n aZa*·^ _a consilierilor m ,,‘ncustriaia r_q \ V'⁰'

Ing. BROJBOIU ADRIAN

1067

C\- 2 O 1 3 - Γ O 2 5 4 - 2 6 rW- 2013

cuplajul 12 antrenând generatorul 13 de electricitate. Cuplajul 12 poate fi de exemplu cu roti dintate sau cu fulii si curele de transmisie.

Asa cum se vede in fig. 6 si fig. 8, întreg ansamblul turbinei este susținut de un al treilea rulment 11, plasat la baza.

Cu ajutorul acestui sistem de creștere a eficientei, o astfel de turbina Savonius poate sa funcționeze si la deplasări ale vântului sub 3m/s, iar funcționarea in orice alt regim generează mai multa electricitate in comparație cu o turbina identica, dar fara acest sistem.

Asa cum s-a menționat anterior, in fig. 8 este prezentata o alta modalitate de orientare a sistemului de creștere a eficientei turbinei, care nu mai utilizează un sistem electronic de determinare a direcției vântului, ci folosește o coada de orientare după vânt, similara celor folosite la centralele eoliene cu ax orizontal. Astfel, printr-un sistem 14 de prindere fix, de exemplu cu surub-piulita, cadrul 15 format de tije si care susține coada 16 de vânt se ataseaza rigid, superior si inferior, de sectoare 6 si 7 cilindrice.

De remarcat ca amplasarea cozii 16 de vânt, fata de axul 5 al turbinei se calculează in funcție de dimensiunea turbinei, respectiv in funcție de diametrul d si de inaltimea H, astfel incat aceasta sa se afle in afara turbioanele produse de rotirea palelor 1 ale turbinei.

In fig. 9 sunt reprezentati schematic curentii de aer care străbat turbina si modul de amplasare al cozii 16, astfel incat funcționarea aceasteia sa nu fie afectata de turbioanele rezultate.

Se observa fluxul curentilor de aer in jurul turbinei atunci când tijele 15 sunt corect dimensionate, astfel incat fluxul curentilor de aer in zona de contact cu coada 16 de vânt sa fie lamelar si sa asigure poziționarea corecta a sistemului de creștere a eficientei turbinei Savonius.

Un incovenient al acestei variante a sistemului, conform invenției, consta in faptul ca trebuie asigurat un spațiu mai mare in jurul turbinei, la fel ca in cazul unei turbine cu ax orizontal, dar are avantajul ca este mai economic, prin eliminarea costurilor cu sistemul electronic de detecție a direcției vântului, prezentat in prima varianta.

q a [fi θ ^{r 3} Națio a consihertiof _f industria

Ing. BROJBOIU ADRIAN b 1067

Claims (5)

1. REVENDICĂRI

   1. Sistem de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius cu ax vertical, caracterizat prin aceea ca, este constituit dintr-o turbina de diametru (d) prevăzută cu niște pale (1) si capacele inferioare si superioare (2) si (2’) pe care sunt montate cate un rulment (11), un ax (5) al turbinei, doua sectoare (6) si (7) cilindrice, identice, de diametru echivalent (D), o legătură fixa (8), un servomotor (10) comandat de un modul (17) de detecție electronica a direcției vântului, care prin intermediul unui cuplaj (9) orientează după vânt concomitent sectoarele (6) si (7) cilindrice si un cuplaj (12), fixat rigid pe axul (5), care antrenează generatorul (13) electric.
2. 2. Sistem de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius cu ax vertical, caracterizat prin aceea ca, este constituit dintr-o turbina de diametru (d) prevăzută cu mste pale (1) si capacele inferioare si superioare (2) si (2’) pe care sunt montate cate un rulment (11), un ax (5) al turbinei, doua sectoare (6) si (7) cilindrice, identice, de diametru echivalent (D), pe care sunt fixate rigid, superior si inferior un cadru (15) de tije care susține o coada (16) de vânt, care prin intermediul unui cuplaj (9) orientează după vânt concomitent sectoarele (6) si (7) cilindrice si un cuplaj (12) fixat rigid pe axul (5), care antrenează generatorul (13).
3. 3. Sistem de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius cu ax vertical, conform revendicărilor I si 2, caracterizat prin aceea ca, sectoarele (6) si (7) cilindrice sunt identice, cu unghiuri (a) opuse la vârf si cuprinse intre 45-90°, vârful lor coincizand cu axul de rotatie al turbinei.
4. 4. Sistem de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius cu ax vertical, conform revendicărilor 1-3, caracterizat prin aceea ca, unghiul (a) este variabil, in funcție de diametrul (d) si inaltimea (H) a turbinei.
5. 5. Sistem de creștere a eficientei energetice a turbinei de tip Savonius cu ax vertical, conform revendicam 2, caracterizat prin aceea ca, amplasarea cozii (16) de vânt se face la o distanta fata de axul (5) al turbinei, in afara curentilor de aer turbionari formați la ieșirea din turbina.