SK11052001A3

SK11052001A3 - Floating wind energy system

Info

Publication number: SK11052001A3
Application number: SK1105-2001A
Authority: SK
Inventors: Alexander Kaliský
Original assignee: Alexander Kaliský
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2003-02-04

Abstract

Riešenie problému sa týka premeny energie vetra na iné formy energie a to najmä v miestach so zvýšenými nárokmi na výšku stožiara a obmedzenými možnosťami na údržbu a ošetrovanie systémov. Plávajúci veternoenergetický systém má os veternej turbíny (1) v smere zakloneného stožiara (5), prúdenie vzduchu je však na ňu kolmé účinkom listov (3) a vodorovných listov (8). Priemer veternej turbíny (1) je relatívne menší, otáčky vyššie, prevodovka bezúdržbová a s nižším prevodovým stupňom, stožiar (5) je namáhaný prevažne ťahovo vztlakovoodporovými silami, takže principiálne pláva vo vzduchu. Potreba jeho veľkej dĺžky v horách, medzi budovami, v mori je ekonomicky zdôvodnená nízkym ohybovým namáhaním. Generátor energie (13) je v spodnej časti, namáhanie stožiara (5) váhou je únosné použitím kompozitov.The solution to the problem concerns the conversion of wind energy into other forms of energy, especially in places with increased demands on the mast height and limited possibilities for maintenance and care of the systems. The floating wind energy system has the axis of the wind turbine (1) in the direction of the tilted mast (5), but the air flow is perpendicular to it due to the effect of the blades (3) and horizontal blades (8). The diameter of the wind turbine (1) is relatively smaller, the speed is higher, the gearbox is maintenance-free and with a lower gear ratio, the mast (5) is stressed mainly by tensile and buoyancy resistance forces, so it basically floats in the air. The need for its large length in the mountains, between buildings, at sea is economically justified by low bending stress. The energy generator (13) is in the lower part, the stress on the mast (5) by weight is bearable by the use of composites.

Description

Vynález sa týka premeny energie vetra na iné formy energie, osobitne takých konštrukčných riešení, ktoré sú určené pre dosiaľ neobsadené lokality z dôvodu obtiažnosti osadenia stožiara a potreby jeho vyššieho rozmeru.The invention relates to the conversion of wind energy into other forms of energy, in particular to construction solutions which are intended for previously unoccupied sites because of the difficulty of fitting the mast and the need for a larger dimension thereof.

II

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Premena energie vetra na elektrickú energiu, prípadne na iné formy energie sa v súčasných známych systémoch uskutočňuje rôznymi konštrukčnými riešeniami. Konštrukčne bolo navrhnutých viac systémov ako sú jedno, dvoj, troj a viaclisté rotory s vodorovnou osou, rotory so zvislou osou - najmä Savoniova a Darrierova turbína. Umiestnenie turbín je riešené na stožiaroch s prípadným vzperovaním lanami, alebo bez do veterných stien, difuzorov, na aerostaty. V praxi sa v súčasnosti rozvinuli systémy dvoj a trojlistových rotorov s vodorovnou osou postavené na holých dutých stožiaroch. Rotory sú istené brzdami á natáčaním listov v čase nadmerného prúdenia vzduchu. Rotory po nadobudnutí nominálnych otáčok pri 10 až 14 m/s rýchlosti vetra otáčky dalej nezvyšujú. Natáčaním listov sa udržujú konštantné až do kritickej intenzity prúdenia pri cca 20 m/s, potom sa rotor zastavuje. Takéto systémy sa v súčasnosti budujú v oblastiach s vysokým výskytom vetrov nad 10 m/s vo výške okolo 50 m nad zemou. Rotory sú najúčinnejšie pri rýchlobežnosti okolo 7:1 (násobok obvodovej rýchlosti oproti rýchlosti vetra). Vhodné lokality pre uvedené veternoenergetické systémy sú najmä v prímorských oblastiach, ostrovoch. Po vyčerpaní najvhodnejších lokalít bude nevyhnutné uplatniť konštrukčné modifikácie, ktoré zúžia nákladovosť systémov a ich vhodnosť pre iné, aj ťažko prístupné miesta.The conversion of wind energy into electrical energy or other forms of energy in the current known systems is accomplished by various design solutions. More systems have been designed than single, double, triple and multi-blade rotors with horizontal axis, rotors with vertical axis - especially Savoni and Darrier turbines. Placing turbines is solved on poles with possible rope bracing, or without wind walls, diffusers, aerostats. In practice, systems of two- and three-blade rotors with horizontal axis based on bare hollow masts have been developed. The rotors are secured by brakes and turning of the blades during excessive air flow. The rotors do not further increase the speed after the nominal speed is obtained at 10-14 m / s wind speed. By rotating the blades, they are kept constant up to a critical flow rate at about 20 m / s, then the rotor stops. Such systems are currently being built in areas with high winds above 10 m / s at a height of about 50 m above the ground. Rotors are most effective at speeds of about 7: 1 (multiple of peripheral speed versus wind speed). Suitable sites for the above mentioned wind energy systems are especially in coastal areas, islands. Once the most suitable sites are exhausted, it will be necessary to apply design modifications that reduce the cost of the systems and their suitability for other, even hard to reach, locations.

Snaha o čo najvyšší výstupný výkon z pohľadu znižovania jednotkovej ceny agregátov a rozvodov elektrickej energie však u súčasných uvedených systémov naráža na rozpor v cene ostatných podskupín. Cena stožiaru a rotorových listov s rozmerom rastie viac než úmerne k výkonu. Hmotnosť vztiahnutá na 1 kW inštalovaného výkonu narastá približne úmerne s rozmerom. Narastá tiež cena prevodovky pri vyššom prevodovom pomere. K ďalším nevýhodám súčasného stavu patrí nedostatočná účinnosť zapríčinená indukčným odporom opísanej kruhovej plochy, takže prúdnice cez plochu majú najnižšiu hustotu a rýchlosť prúdenia - okolo plochy najvyššiu, straty na vysokom prevode, straty odporom v prípade veterných polí.However, the effort to achieve the highest output power from the point of view of decreasing the unit price of aggregates and electricity distribution in the present mentioned systems encounters a discrepancy in the price of other subgroups. The cost of a mast and rotor blades increases in size more than proportional to power. The weight per 1 kW of installed power increases approximately proportionally to the size. The price of the gearbox is also increasing at a higher gear ratio. Other disadvantages of the current state are the lack of efficiency caused by the inductive resistance of the described circular surface, so that the jets across the surface have the lowest density and flow velocity - around the surface, high transmission losses, resistance losses in wind fields.

Konštrukčná povaha súčasných systémov znižuje ekonomickú efektivitu prevádzky v horských podmienkach. Transport energie od malých a stredných jednotiek k sieti alebo odberu je neefektívny, veľké jednotky vzhľadom na horeuvedené a vzhľadom na rtärážovóšŕi vetra sa neuplatňujú. Náhle zmeny smeru vetra navyše nútia ^edihieriíÄvať ppvnosť rotorových listov a ich cenu. Umiestnenie na p^y^Jbfce plodiny 4 bp^e nôVhodŕlé vzhľadom na veľké momentové zaťaženie základg.The design nature of current systems reduces the economic efficiency of operation in mountainous conditions. The transport of energy from small to medium-sized units to the grid or offtake is inefficient, large units with respect to the above and with respect to windshield wind are not applicable. In addition, sudden changes in the wind direction force the rotor blades to be heavier and more expensive. Placement on the crop 4 of the crop is suitable due to the high torque load of the base.

tU r r rtU r r r

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Plávajúci veternoenergetický systém (ďalej len PVS) rieši niektoré nevýhody súčasných známych systémov tým, že veterná turbína so zhodným smerom svojej osi s osou stožiara sú v uhlovom záklone na smer okolitého vetra ale približne v smere koncentrovaného prúdenia, vzduchu cez prstenec. Stožiar je otočný okolo zvislej osi vo vežičke na stĺpe, obsahuje výstužné rameno (s protizávažím) a so vzperovým lanom. Na prstenci sú lúčovito prichytené listy s aerodynamickým profilom nábežnej hrany a so stabilizačnými plôškami, ktoré sú na listy uchytené pružným spojom a znižujú svoj uhol nastavenia so silou vetra. Listy sú lankami uchytené v spodnej čast stožiara a to prevažne na vzperovom lane alebo výstužnom ramene. Sústava listov stláča, koncentruje a usmerňuje vzduchové prúdenie do smeru osi prstenca a veternej turbíny v rozsahu slabých a nominálnych rýchlostí vetra, pri vyších rýchlostiach listy praporujú, chránená je tiež veterná turbína relatívne malých rozmerov známymi technickými spôsobmi. Generátor energie je v spodnej časti systému spojený s veternou turbínou spojovacím hriadeľom zhotoveným prevažne z kompozitných materiálov. Extrémne silný vietor navinie lanká praporujúcich listov vrtuľkou alebo servom v mieste uzla laniek a prípadne sklopí stožiar.The floating wind power system (PVS) solves some of the disadvantages of the current known systems in that the wind turbine with the same direction of its axis with the mast axis is angled to the direction of the surrounding wind but approximately in the direction of concentrated air flow through the ring. The mast is pivotable about a vertical axis in a turret on a column, it includes a reinforcing arm (with counterweight) and a rope. Blades with a leading edge aerodynamic profile and stabilizing pads are attached to the ring, which are attached to the blades by a flexible joint and reduce their angle of adjustment with the wind force. The blades are fastened to the lower part of the mast by means of ropes, mostly on a rope or reinforcing arm. The leaf system compresses, concentrates and directs the air flow towards the axis of the ring and the wind turbine over a range of low and nominal wind speeds, the leaves flag at higher speeds, and a relatively small size wind turbine is also protected by known technical methods. At the bottom of the system, the power generator is connected to a wind turbine by a connecting shaft made mainly of composite materials. Extremely strong wind winds the feathering blade cables with a propeller or servo at the cable node and eventually lowers the mast.

Okrem lúčovitých listov systém obsahuje v zadnej hornej časti vodorovné listy, ktoré vytvárajú indukčný tlak na zmenu smeru prúdenia a ktorých vztlak reguluje výslednú vztlakovú silu tak, aby smerovala v približnej osi stožiara.In addition to the bowed leaves, the system includes horizontal leaves at the rear of the top that create an inductive pressure to change the direction of flow and whose buoyancy controls the resulting buoyancy force to be directed in the approximate axis of the mast.

Vztlakové sily a spôsob záťaže stožiara umožňujú okrem plávania hornej časti systému vo vzduchu umiestniť systém na plávajúce bóje tým, že vežička je v prevedení bóje, resp. dvojboje na spoločnej osi a spodný stĺp môže byť nahradený kotveným lanom na dne aj s relatívne väčšou hĺbkou. Bója je tiež pod hladinou, takže nepodlieha vplyvu vín. Uhol záklonu stožiara teda nedrží jeho ohybová pevnosť ale pomer vztlaku a odporu. Náklady na materiálovo a technologicky málo náročné listy sú rentabilné vzhľadom na nižšie náklady relatívne malej veternej turbíny na menej stupňpvú prevodovku, menej nákladný stožiar a jeho kotvenie.The buoyancy forces and the mast load make it possible, in addition to the upper part of the system in the air, to place the system on the floating buoys in that the turret is in the buoy design, resp. the double pole on the common axis and the lower pole can be replaced by anchored rope on the bottom even with a relatively greater depth. The buoy is also below the surface, so it is not subject to the influence of wines. The mast tilt angle is therefore not held by its bending strength but by the ratio of lift and resistance. The cost of material and technology-intensive blades is cost-effective due to the lower costs of a relatively small wind turbine for a less geared gear, a less expensive mast and its anchoring.

Prehľad obrázkovImage overview

Na obr. 1 je čelný pohľad na PVS postavený na rovine.In FIG. 1 is a planar front view of a PVS.

Na obr. 2 je bočný pohľad na PVS vo vode bez použitia bójky so znázornením vo vduchu plávajúcej hornej časti systému.In FIG. 2 is a side view of the buoyant PVS in water with the airborne top of the system depicted.

Príklad uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Plávajúci veternoenergetický systém určený pre prevádzku na morskej hladine je navrhnutý ako jednotka s výšim výkonom. Veterná turbína 1. je preto vybavená aerodynamickými výstužnými lištami od hriadeľa po asi 1/3 listov. Prstenec 2 kužeľovitého tvaru a listy 3 sú z ľahkých kompozitných materiálov pretože váha hornej časti systému je dominantnou záťažou stožiara 5 z ľahkých kompozitov alebo zliatin. Listy 3 a vodorovné listy 8 majú škrupinovú nábežnú hranu a plochú zakrivenú nosnú časť. Na nich sú pripevnené odpružené tyčky stabilizačných plôch 9, ktoré listom 3 udávajú uhol nábehu. Pri silnom vetre sa prekoná napruženie tyčiek a uhol nábehu listov 3 sa znižuje až do spraporovania. Pri spraporovaní sa súčasne listy 3 a ich lanká 4 napínajú a sťahujú do uzla 11. aerodynamickým alebo elektrickým navijakom. Stožiar obsahuje nosnú časť, v ktorej je prenosový hriadeľ a výstužné rameno 12, z ktorého vychádza vzperové lano 10. Generátor energie 13 - elektrogenerátor je umiestnený čo najnižšie a to napr. pod hladinou v hermetickom boxe. Vežička 6 je riešená ako dvojdielna bója prepojená oskou s úchytom stožiara 5. Stĺp 7 je nahradený kotevným lanom kotveným na dne, pričom ložisko otáčania so zvislou osou je alebo na kotve, alebo na bóji. Hermetický box elektrogenerátora môže vytvárať súčasť objemu bóje ale s takým umiestnením strojovne, aby celkové ťažisko systému bolo pod vztlakovým ťažiskom bóje. Po zmontovaní sa teda celý veternoenergetický systém musí postaviť sám do vztlakovo-odporového uhla, v ktorom zotrváva v rozmedzí určitej tolerancie podlá rýchlosti vetra. Výška vín tieto odchýlky ovplyvní len minimálne, vzhľadom na úplné ponorenie bójí. Vztlakovo-odporový uhol záklonu je nastaviteľný veľkosťou a silou držania uhlu nábehu vodorovných listov 8. V oblastiach s rizikom extrémnych veterných podmienok je možný program s úplným sklopením stožiara 5 so zvinutými lankami 4 do uzla H a turbínou s listami chránenými podľa známych spôsobov.The floating wind power system designed to operate at sea level is designed as a unit of higher power. The wind turbine 1 is therefore provided with aerodynamic reinforcement bars from the shaft to about 1/3 of the blades. The cone-shaped ring 2 and the sheets 3 are made of light composite materials because the weight of the upper part of the system is the dominant load of the light composite or alloy mast. The sheets 3 and the horizontal sheets 8 have a shell leading edge and a flat curved support portion. Mounted thereon are the spring bars of the stabilizing surfaces 9, which give the sheet 3 an angle of attack. In strong winds, the springing of the rods is overcome and the leading angle of the leaves 3 decreases until sparging. In sputtering, the blades 3 and their cables 4 are simultaneously tensioned and contracted to the node 11 by an aerodynamic or electric winch. The mast comprises a support part with a transmission shaft and a reinforcing arm 12 from which the strut rope 10 emerges. The power generator 13 - the power generator is located as low as possible, e.g. below the surface in a hermetic box. The turret 6 is designed as a two-piece buoy interconnected by an axle with a mast grip 5. The column 7 is replaced by an anchor rope anchored at the bottom, where the pivot bearing with the vertical axis is on or on the anchor or on the buoy. The hermetic box of the generator may form part of the buoy volume but with engine room location such that the overall center of gravity of the system is below the buoyant buoyancy center. Thus, once assembled, the entire wind power system has to stand up to the buoyancy-resistance angle at which it remains within a certain tolerance depending on the wind speed. The height of the wine will affect these deviations only minimally due to the complete immersion of the buoys. The buoyancy-resistant tilt angle is adjustable by the magnitude and force of holding the angle of attack of the horizontal sheets 8. In areas at risk of extreme wind conditions, a program can be fully tilted by the mast 5 with coiled ropes 4 to the node H and a turbine with leaves protected according to known methods.

Iný príklad prevedenia je použitie bójí vo funkcii katamaránov nesúcich plávajúci veternoenergetický systém s programom na vietor priečnej vratnej plavby a s výrobou akumulovateľnej formy energie bez potreby kotvenia energetických systémov.Another example is the use of buoys as catamarans carrying a floating wind power system with a cross-wind program and producing a rechargeable form of energy without the need for anchoring power systems.

Iný príklad prevedenia sú horské veternoenergetické systémy s možnosťou úplnej ochrany systému včítane stožiara pri extrémnych podmienkach, ktoré sa v horách vyskytujú.Another example is mountain wind power systems with the possibility of complete protection of the system, including the mast under extreme conditions that occur in the mountains.

Claims

Claims pp 110 / -2007

1. A floating wind power system for converting wind energy into other forms by a wind turbine with the aid of wind-wheel surfaces and buoyancy elements, characterized in that the wind turbine (1) has an axis of rotation in the direction of the mast (5) having angular inclination in the wind direction , mounted in a turret (6) rotatable about a vertical axis of the column (7), around the wind turbine (1) is a conical or cylindrical ring (2) on which the leaves (3) with an aerodynamic profile of the leading edge and stabilizing surfaces (9) ), which are resilient in the angular grip, the blades (3) are attached by ropes (4) in the lower part of the mast and at least the front part of the blades (3) is fixed in the lower - front part of the mast on the strut (10) or reinforcing arm (12) ) in the node (11), the energy generator (13) connected to the wind turbine (1) being located at the bottom of the mast (5) or near the mast (7) or in the mast (7).

A floating wind power system according to claim 1, characterized in that the horizontal blades (8) are attached to the blades (3) at the rear of the system with a wind-to-wind angle consisting of flexible couplings or stabilizers.

3. A floating wind power system according to claim 1, characterized in that the tower (6) is a buoy below the surface of the water, and the mast (7) can alternatively be anchored to the bottom, the mast angle (swimming). parts of the sheets (3), horizontal sheets (8) and total drag.

A floating wind power system according to claim 1, characterized in that the node (11) of the leaf cable clamp (3) is equipped, depending on the capacity, with a direct or guided propeller of the cable winder (4) or a cable servo retractor (4).