SK2412020U1 - Trough reinforced wind turbine - Google Patents

Abstract

The technical solution concerns the wind turbines, which are reinforced to increase power efficiency and can be used in all power categories. The trough around the axially arranged rotors (7) on a common shaft (4) comprises the beams (2) with the ribs (6) on which there are the belts (3), the operation of which simultaneously increases efficiency, solves regulation by changing wind intensity and direction and increases speed. The result is a significant reduction in the cost and weight of the system and the possibility of application for the production of hydrogen or for heating with underfloor heat storage.

Description

Technické riešenie sa týka veterno energetických systémov s výkonovo a účinnostne posilňovacími prvkami pre umiestnenie do prístupovo náročných oblastí.The technical solution concerns wind energy systems with power and efficiency reinforcement elements for placement in access-demanding areas.

Doterajší stav technikyPrior art

Veterno energetické systémy využívajú rôzne konštrukčné systémy turbín a stožiarov. Najrozšírenejšie sú trojlisté turbíny s horizontálnou osou otáčania - známe ako systémy typu HAWT. Turbíny s vertikálnou osou typu VAWT sa uplatňujú viac v kategórii malých a v kategórii mikro. Experimentálne systémy s difúzorom označované ako DAWT sú v štádiu skúšania. Žľabové alebo kanálové systémy s označením CHAWT využívajú danosť prírodných podmienok, neuplatňujú vlastné prvky na posilňovanie a reguláciu.Wind energy systems use various construction systems of turbines and masts. The most common are three-bladed turbines with a horizontal axis of rotation - known as HAWT-type systems. Vertical axis turbines of the VAWT type are used more in the small category and in the micro category. Experimental systems with a diffuser, referred to as DAWT, are in the testing phase. Gutter or channel systems marked CHAWT use the given natural conditions, they do not apply their own elements for strengthening and regulation.

Podstata technického riešeniaThe essence of the technical solution

Podstatou riešenia je využívanie žľabu okolo súosovo radených rotorov na spoločnom hriadeli tvorenom nosníkmi smerujúcimi pozdĺž osi žľabu, na ktorých sú prichytené rebrá a aspoň jedna dvojica pásov smerujúcich pozdĺž osi žľabu.The essence of the solution is the use of a chute around coaxially arranged rotors on a common shaft formed by beams running along the axis of the chute, on which the ribs and at least one pair of strips running along the axis of the chute are attached.

Rebrá sú na nosníkoch uchytené výkyvné voči nosníku a priečke a to pružným alebo aerodynamickým prítlakom. Pri vyššom vetre než je nominálny sa rebrá s pásmi odkláňajú od uhlového nastavenia a prepúšťajú prúdenie voľne. Hriadeľ rotorov pozdĺž celého žľabu je viackrát podopretý podporami, ktoré sú zavesené na nosníkoch. Na spodnom konci hriadeľa každého žľabu je generátor. Nosníky sú zavesené na výstužných lanách, ktoré určujú sklon osí žľabov v pokojovom stave v rozsahu od 45 do 60°. Približne v ťažisku je každý žľab prichytený v stredovej priečke s kolmo smerovanou oskou zasunutou otočné vo vrchole stĺpa, ktorý je pružný a pod vrcholom upnutý upínacími lanami, v strede stredovými lanami s voľnejším predpätím umožňujúc mierny náklon stĺpa dozadu pri nominálnom vetre a dopredu pri nadmernom vetre.The ribs are mounted on the beams pivotably relative to the beam and the crossbar by flexible or aerodynamic pressure. At higher winds than nominal, the ribs with belts deviate from the angular setting and allow the flow to flow freely. The rotor shaft along the entire trough is supported several times by supports which are suspended on beams. At the lower end of the shaft of each gutter is a generator. The beams are suspended on reinforcing ropes, which determine the inclination of the gutter axes at rest in the range from 45 to 60 °. Approximately at the center of gravity, each trough is clamped in a central partition with a vertically oriented axis inserted rotatably at the top of the column, which is flexible and clamped below the top by clamping ropes, in the middle by center ropes with looser preload allowing slight tilting of the column backwards .

Pre intenzívnejší priehyb a tým aj ochranu rotorov môžu byť na koncoch prídavné aerodynamické regulačné plochy - na spodku krídlo, na vrchu voľne rotujúce rotory s predklonenou osou. Početnosť rotorov je výrobne výhodné zabezpečovať z pásov vhodného materiálu, ktorý sa v strede prehne šikmým ohybom, čím vznikajú sklony listov. Na vnútornom obvode opačný ohyb určí vzpon, na vonkajšom obvode vznikne ohybom záporný vzpon. Rotor je technologicky výhodný a odolný aj účinkom odstredivej sily na malom polomere, ktorá v súčinnosti s malým priemerovým modulom exponenciálne znižujú špecifickú hmotnosť a cenu. Zároveň zvyšujú rozsah činnosti vo vysokom vetre a zníženom sklone osí rotorov.For more intensive deflection and thus also protection of the rotors, there can be additional aerodynamic control surfaces at the ends - a wing at the bottom, freely rotating rotors with a tilted axis at the top. It is advantageous to ensure the number of rotors from the strips of a suitable material, which is bent in the middle by an oblique bend, thus creating the inclinations of the blades. On the inner circumference, the opposite bend determines the strut, on the outer circumference, the bend creates a negative strut. The rotor is technologically advantageous and resistant also to the effect of centrifugal force on a small radius, which in conjunction with a small diameter modulus exponentially reduce the specific weight and cost. At the same time, they increase the range of activity in high winds and reduced inclination of the rotor axes.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of figures in the drawings

Na obr. je bočný pohľad na systém s vyznačením bodkočiarkovanej osi žľabu v stave nadmerného vetra a čiarkovanej osi stĺpa, obrázok ďalej obsahuje rez žľabom s profilmi nosníkov a pásov a bočný pohľad na rotor.In FIG. is a side view of the system showing the dotted axis of the gutter in the state of excessive wind and the dashed axis of the column, the figure further contains a section of the gutter with profiles of beams and strips and a side view of the rotor.

Príklady uskutočneniaExamples of embodiments

Malá žľabovo posilňovaná veterná turbína určená pre autonómne potreby rodinného domu. Výška stĺpu 8 sa určí podľa lokality napr. na 20 m s vystužením upínacími lanami 9 a stredovými lanami 10, ktoiých voľnejšie predpätie umožňuje priehyb stĺpa 8 na účel optimálneho sklonu žľabu podľa režimu činnosti. Dvojica žľabov je zavesená jednak na priečke 12, ktorej oska je vsunutá do rúrky na vrchole stĺpa s možnosťou natáčania do smeru vetra, jednak na výstužných lanách 13 vedúcich zo stĺpika upraveného v strede stredovej priečky 12. Tretina dĺžky žľabov je pod stĺpikom. Pozdĺž celého žľabu sú na hriadeli 4 rozmiestnené rotory metrového priemeru. Nosníky 2 sú profily z dutinkových materiálov priebežne prepojené priečkami 15 a krížne lanami. Na nich sú upevnené závesy podpôr 5, ktoré priebežne podopierajú hriadeľ 4, na spodnom konci ktorého sú generátory lis prevodovkami. Na nosníky 2 sú prichytené rebrá 6, na ktoiých dvojice predných a zadných pásov 3, ktoré svojím vztlakom uiýchľujú a smerujú prúd vzduchu s vyšším uhlom nábehu na rotory 7. Vzduch vytekajúci za rotorom sa mieša s vodorovným prúdením a väčšina jeho kinetickej je znovu využitá s pozitívnym vplyvom na účinnosť premeny energie vetra a špecifické parametre veterného systému. Druhou funkciou žľabu je analógová regulácia ochrany rotorov 7 a smerovanie do vetra. Pri silnom vetre vztlak pásov 3 prekonáva pružný element, ktoiý tlačí rebro 6 na doraz nastaveného uhlu nábehu pásovA small gutter-reinforced wind turbine designed for the autonomous needs of a family house. The height of the column 8 is determined according to the location e.g. to 20 m with reinforcement by clamping ropes 9 and central ropes 10, which loosely prestressed allows deflection of the column 8 for the purpose of optimal inclination of the trough according to the mode of operation. The pair of gutters are suspended on a crossbar 12, the axis of which is inserted into a tube at the top of the column with the possibility of winding, and on reinforcing ropes 13 leading from a post arranged in the middle of the central crossbar 12. One third of the gutter length is below the post. Along the entire trough, there are 4 meters of rotors of meter diameter on the shaft. The beams 2 are profiles made of hollow materials continuously connected by partitions 15 and cross ropes. Mounted on them are hinges of supports 5, which continuously support the shaft 4, at the lower end of which the generators are gearboxes. On the beams 2 are attached ribs 6, on which pairs of front and rear belts 3, which with their buoyancy accelerate and direct the air flow with a higher angle of attack to the rotors 7. The air flowing behind the rotor mixes with horizontal flow and most of its kinetic is reused with positive impact on the efficiency of wind energy conversion and specific parameters of the wind system. The second function of the chute is the analog control of the rotor protection 7 and the direction to the wind. In strong winds, the buoyancy of the belts 3 overcomes the elastic element, which pushes the rib 6 to the stop of the set angle of attack of the belts.

SK 241-2020 U1SK 241-2020 U1

3. Ich odporová zložka klesá len na profilový odpor. Spodná časť žľabu ostáva zatvorená, prípadne krídlo 14 a predklon voľných rotorov 1 vytvárajú moment síl, ktoré predklonia os žľabov a stĺpa 8 proti vetru. Uhol nábehu do rotorov 7 tak klesne bez ohybu stĺpa na asi 30°, s ohybom menej, takže systém je funkčný až do lýchlosti vetra 40 m/s. Pri vyšších rýchlostiach sa zapína brzda hriadeľa 4 a znižuje záklon osi žľabu. Vý5 slednica vektorového súčtu síl od všetkých prvkov je znázornená ako PO (sila otvoreného stavu). Pri nominálnom vetre je to vektor PN (sila normálu) a uhol je optimálny pre nárast účinnosti. Tretím účelom žľabu je nárast otáčok v súčinnosti s malým modulom priemeru rotorov 7 a pozitívnym vplyvom na životnosť a nákladovosť prevodovky, prípadne jej odstránenie. Vysoká účinnosť, nízka hmotnosť, lacná regulácia a otáčky znižujú špecifické náklady na veternú turbínu o 50 % a tým umožňujú širšie využitie aj malých a mikro kate10 górií.3. Their resistance component decreases only to the profile resistance. The lower part of the gutter remains closed, or the wing 14 and the inclination of the free rotors 1 create a moment of forces which bias the axes of the gutters and the column 8 against the wind. The angle of attack into the rotors 7 thus drops without bending the column to about 30 °, with a bending less, so that the system is functional up to a wind speed of 40 m / s. At higher speeds, the shaft brake 4 is applied and the inclination of the chute axis is reduced. The resultant of the vector sum of forces from all elements is shown as PO (open state force). At nominal wind, it is the PN (normal force) vector and the angle is optimal for the increase in efficiency. The third purpose of the chute is to increase the speed in conjunction with a small modulus of diameter of the rotors 7 and a positive effect on the life and cost of the gearbox, or its removal. High efficiency, low weight, cheap control and speed reduce the specific cost of a wind turbine by 50% and thus allow wider use of small and micro categories.

Iným príkladom využitia je výkonná žľabovo posilňovaná veterná turbína na výrobu vodíka. Cena elektrickej energie na výrobu vodíka musí byť cca 20 € za MWh, čo bez nepotrebných rozvodov je u horeuvedeného systému možné. Vodík tak možno ekonomicky produkovať aj v odľahlých miestach, na horách alebo moriach. Nízka hmotnosť systému a nízkorozmemé diely umožňujú montáž a prevádzkovanie na každom ve15 terne výhodnom mieste.Another example of use is a powerful trough-reinforced wind turbine for hydrogen production. The price of electricity for the production of hydrogen must be about 20 € per MWh, which is possible with the above system without unnecessary distribution. Hydrogen can thus be economically produced even in remote places, in the mountains or at sea. The low weight of the system and the low-size parts allow installation and operation in any very convenient location.

Claims (3)

1. Žľabovo posilňovaná veterná turbína, ktorá je zložená z množiny súosovo ako aj paralelne radených rotorov na jednom stĺpe, vyznačujúca sa tým, že na bokoch každej sústavy súosovo rade5 ných rotorov (7) na spoločnom hriadeli (4) sú nosníky (2) žľabu, ktoiý je tvorený pozdĺž osi aspoň dvojicou pásov (3) na rebrách (6), výkyvné prichytených na nosníku (2) s predpätým uhlom nábehu na priečkach (15) žľabu pmžným alebo aerodynamickým elementom, pričom hriadeľ (4) je viackrát priebežne podopretý podporami (5), na spodnom konci ukončený generátorom (11) a nosníky (2) sú zavesené na výstužných lanách (13) určujúcich základný uhol sklonu žľabu 45° až 60° a stredovej priečke (12), ktorej oska je otočná v pruž10 nom stĺpe (8) s upínacími lanami (9) a stredovými lanami (10).A trough-reinforced wind turbine, which consists of a plurality of coaxially as well as parallel rotors on one column, characterized in that on the sides of each set of coaxially arranged rotors (7) on a common shaft (4) there are trough beams (2). , which is formed along the axis by at least a pair of belts (3) on the ribs (6) pivotally attached to the beam (2) with a prestressed angle of attack on the gutter partitions (15) by a possible or aerodynamic element, the shaft (4) being supported several times continuously by supports (5), terminated at the lower end by a generator (11) and the beams (2) are suspended on reinforcing ropes (13) defining a basic angle of inclination of 45 ° to 60 ° and a central partition (12) whose axis is rotatable in a spring column (8) with clamping ropes (9) and center ropes (10). 2. Žľabovo posilňovaná veterná turbína podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že v spodnej časti žľabu obsahuje krídlo (14) a vo vrchnej časti žľabu voľné rotory (1) s osou rotácie predklonenou voči hriadeľu (4) na reguláciu aerodynamických vlastností.Trough-reinforced wind turbine according to claim 1, characterized in that in the lower part of the trough it comprises a wing (14) and in the upper part of the trough free rotors (1) with an axis of rotation inclined to the shaft (4) to control aerodynamic properties. 3. Žľabovo posilňovaná veterná turbína podľa nárokov la 2, vyznačujúca sa tým, že 15 rotor (7) má v strede šikmý ohyb listov a na obvode dva opačne smerované ohyby.The trough-reinforced wind turbine according to claims 1 and 2, characterized in that the rotor (7) has an oblique bend of the blades in the middle and two oppositely bent bends on the circumference.