CZ201524A3

CZ201524A3 - Větrná turbína se svislou osou otáčení

Info

Publication number: CZ201524A3
Application number: CZ2015-24A
Authority: CZ
Inventors: Tadeusz Skowronski
Original assignee: Tadeusz Skowronski
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-08-24
Also published as: AT14629U1; CZ306150B6; PL124591U1; DE202016100140U1

Abstract

Větrná turbína se svislou osou otáčení k umístění na stožáru (9) má alespoň jeden válcovitý rotor (1) opatřený protáhlými tvarovanými lopatkami (2), propojený s rotorem elektrického generátoru a uložený ve věnci statoru (3) s protáhlými rozváděcími lopatkami (4). Její stator (3) je obklopen klecí ze svislých lišt (5) a límců (6), jejichž stěny se v distálním směru rozevírají, přičemž vodorovný řez konkávní stranou lopatky (2) rotoru (1) má tvar segmentu křivky s koncovými body (X), (Y) rozděleného na úseky, přičemž první úsek křivky vycházející z koncového bodu (X), odpovídajícího náporové hraně lopatky (2), je přímý a kolmý na spojnici koncových bodů (X), (Y), kde první úsek plynule přechází do druhého úseku o poloměru RI = A / 3,7 až 3,9, jenž přechází do třetího úseku se zakřivením o poloměru RII = A / 2,6 až 2,8 a ten přechází do čtvrtého úseku se zakřivením RIII = A / 0,48 až 0,52, kde A je délka přímé spojnice koncových bodů (X), (Y) křivky.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká větrné turbíny se svislou osou otáčení k umístění na stožáru, která má alespoň jeden válcovitý rotor opatřený protáhlými tvarovanými lopatkami, propojený s rotorem elektrického generátoru a uložený ve věnci statoru s protáhlými rozváděcími lopatkami.

Dosavadní stav techniky

Ze stavu techniky je znám velký počet typů větrných turbín se svislou osou otáčení. Např. Savoniova turbína využívá rozdílného koeficientu odporu proudícího média, působícího na vydutou a vypuklou plochu. Rotor běžné Savoniovy turbíny je tvořen dvojicí či trojicí lopatek polokruhovitého nebo ledvinovitého tvaru. Vnitřní okraje lopatek zasahují až za střed rotoru, a tak umožňují průtok média mezi jejich zadními stranami. Osa otáčení je kolmá na směr proudění. Savoniova turbína je poměrně jednoduchá na výrobu, má však malou účinnost. Nevýhodou ve dvoulopatkovém provedení je existence mrtvého úhlu.

Darrieova turbína pracuje na vztlakovém principu. Její účinnost se běžně uvádí v rozsahu 35^8 %, tedy o něco vyšší než u Savoniovy turbíny. Nevýhodou je problematická regulovatelnost a požadavek na vyšší rychlosti větru.

V US 7329965 se popisuje větrná turbína se svislou osou otáčení, která má rotor a stator opatřeny svislými profilovanými lopatkami, jejichž konfigurace má zvýšit výkon tím, že se zvýší průtoková rychlost a tlak vzduchu a omezí se zpětný tlak. Lopatky rotoru mají ve vodorovném řezu srpkovitý tvar, ke středu se rozšiřují a ke krajům zužují. Jejich konkávní i konvexní strana leží na kružnicích o různém průměru. Přitom koncové body profilu lopatky leží na radiále rotoru. Lopatky rotoru i statoru jsou nahoře a dole upevněny na soustředných mezikružích. Ukazuje se, že tento tvar a uspořádání lopatek rotoru nevede k maximálnímu využití energie větru protékajícího profilem turbíny.

Vynález si klade za úkol navrhnout větrnou turbínu obdobného typu, u které by při nižších výrobních nákladech bylo dosahováno vyššího výkonu uspořádáním pláště turbíny a novým tvarem lopatek.

- 2 Podstata vynálezu

Uvedený úkol plní větrná turbína se svislou osou otáčení podle vynálezu k umístění na stožáru, která má alespoň jeden válcovitý rotor opatřený protáhlými tvarovanými lopatkami, propojený s rotorem elektrického generátoru a uložený ve věnci statoru s protáhlými rozváděcími lopatkami. Její podstata spočívá v tom, že stator je obklopen klecí ze svislých lišt a límců, jejichž stěny se v distálním směru rozevírají, přičemž vodorovný řez konkávní stranou lopatky rotoru má tvar segmentu křivky s koncovými body X, Y rozděleného na úseky, přičemž první úsek křivky vycházející z koncového bodu X, odpovídajícího náporové hraně lopatky, je přímý a kolmý na spojnici koncových bodů X, Y, kde první úsek plynule přechází do druhého úseku o poloměru Rl = A / 3,7 až 3,9, jenž přechází do třetího úseku se zakřivením o poloměru Rll = A / 2,6 až 2,8 a ten přechází do čtvrtého úseku se zakřivením Rl11 = A / 0,48 až 0,52, kde A je délka přímé spojnice koncových bodů X, Y křivky.

Vodorovný řez rozváděči lopatkou statoru má s výhodou tvar segmentu kružnice o poloměru R = B /1,08 až 1,14, kde B je vzdálenost mezi koncovými body V, Z segmentu kružnice.

Ve výhodném provedení má turbína dva nad sebou uspořádané rotory s opačně situovanými lopatkami, přičemž horní rotor je upevněn na hřídeli uloženém v dutém hřídeli spodního rotoru a přičemž jeden z hřídelů je propojen s rotorovým dílem elektrického generátoru a druhý s otočnou klecí generátoru.

K dosažení vyššího výkonu může být turbína součástí větrné elektrárny tvořené konfigurací alespoň dvou turbín postavených ve vzájemném odstupu a propojených svislou konstrukcí.

Svislé konstrukce elektrárny mohou být osazeny solárními moduly.

Solární moduly mohou též být uspořádány na výklopné desce, která je uložena prostřednictvím konzoly na stožáru, přičemž konzola je vybavena pohony k otáčení kolem stožáru a kolem vodorovné osy.

Objasnění obrázků na výkresech

Vynález bude dále objasněn pomocí výkresů, na nichž obr. 1 představuje axonometrický pohled na výhodné provedení větrné turbíny podle vynálezu, obr. 2 je

- 3 půdorys provedení turbíny podle obr. 1, obr. 3 ozřejmuje geometrii rotorové lopatky, obr. 4 ozřejmuje geometrii rozváděči lopatky, na obr. 5 a obr. 6 jsou příkladné sestavy větrných turbín propojených svislými konstrukcemi, na obr. 7 jsou další sestavy turbín v půdorysu, obr. 8 je axonometrický pohled na provedení turbíny se dvěma rotory, obr. 9 představuje kombinaci větrné turbíny s výklopnou deskou osazenou solárními moduly, přičemž na obr. 10 je bokorys sestavy podle obr. 9, obr. 11 znázorňuje proudění vzduchu turbínou, obr. 12 a 13 ozřejmují koncentraci proudnic větru u sestavy dvou turbín při různých směrech větru.

Příklady uskutečnění vynálezu

Větrná turbína se svislou osou otáčení, jejíž základní provedení je na obr. 1 a 2, má válcovitý rotor 1 opatřený protáhlými tvarovanými lopatkami 2, který je propojen s rotorem elektrického generátoru. Rotoři je otočně uložen ve věnci statoru 3 opatřeném protáhlými rozváděcími lopatkami 4. Stator je obklopen klecí tvořenou svislými lištami 5 a límci 6, jejichž stěny se v distálním směru rozevírají v úhlu 45°. Tento systém zvyšuje objem vzduchu přiváděného do turbíny a zesiluje tlak působící na lopatky 2. Tato konstrukce spolu s dále popsaným tvarem lopatek umožňuje zvýšit produktivitu turbíny až o 30 %.

Důležitým aspektem vynálezu je tvar lopatek 2 a rozváděčích lopatek 4. Jak je zřejmé z obr. 3, který představuje výhodnou geometrii lopatky 2 rotoru, má vodorovný řez lopatkou 2 tvar segmentu křivky s koncovými body X, Y rozděleného na úseky. Přitom první úsek křivky vycházející z koncového bodu X, odpovídajícího náporové hraně lopatky 2, je přímý a kolmý na spojnici koncových bodů X, Y, kde první úsek plynule přechází do druhého úseku o poloměru Rl = A / 3,7 až 3,9, jenž přechází do třetího úseku se zakřivením o poloměru Rll = A / 2,6 až 2,8 a ten přechází do čtvrtého úseku se zakřivením RIH = A / 0,48 až 0,52, kde A je délka přímé spojnice koncových bodů X, Y křivky.

Geometrie rozváděči lopatky 4 je odlišná. Vodorovný řez rozváděči lopatkou 4 statoru (3) má u příkladného provedení turbíny tvar segmentu kružnice o poloměru R = B /1,08 až 1,14, kde B je vzdálenost mezi koncovými body V, Z segmentu kružnice.

- 4 Takto proporcionálně stanovené tvary lopatek 2, 4 platí pro lopatky o různé šířce A resp. B, určené pro různé velikosti turbíny. Konfigurace lopatek 2, 4 o popsané geometrii spolu s klecí tvořenou límci 6 a svislými lištami 5 vytváří optimální podmínky pro koncentraci větrného proudění, průtok vzduchu turbínou a pro maximální využití energie větru, jak je zřejmé z obr. 11.

Základní konstrukce turbíny podle obr. 1 může sloužit jako prvek stavebnice. Příklad takové složené turbíny sestávající z pěti základních prvků je na obr. 5 a 6. Souosé rotory £ umístěné nad sebou jsou upevněny na jednom hřídeli propojeném s rotorem elektrického generátoru.

Z hlediska využití energie větru je výhodné, je-li turbína součástí větrné elektrárny tvořené konfigurací alespoň dvou turbín postavených ve vzájemném odstupu a propojených svislými konstrukcemi 7. Příklady takové konfigurace dvou resp. tří složených turbín jsou na obr. 5 a 6. Příklady dalších konfigurací zobrazených v půdorysu se nacházejí na obr. 7. Z obr. 12 a 13 je zřejmé, jak konfigurace dvou turbín propojených svislou konstrukcí 7 přispívá k využití proudu vzduchu. Provázání několika turbín svislými konstrukcemi 7 kromě toho posiluje jejich statiku. Svislá konstrukce 7 může být navíc osazena solárními moduly 8, jak je zřejmé z obr. 5 až 7.

Ze základní konstrukce turbíny podle obr. 1 a 2 je odvozeno další provedení podle obr. 8. V této sestavě dvou základních prvků mají dva nad sebou uspořádané rotory £ opačně situované lopatky 2. To znamená, že se rotory £ otáčejí v opačném smyslu. Horní rotor £ je upevněn na hřídeli uloženém v dutém hřídeli spodního rotoru £, přičemž jeden z hřídelů je propojen s rotorovým dílem elektrického generátoru a druhý s otočnou klecí generátoru. Rotor a otočná klec elektrického generátoru se tak otáčejí v opačném smyslu, což zvyšuje jejich relativní rychlost a tím i elektrický výkon. Turbína v tomto provedení se rozběhne již při velmi nízkých rychlostech větru kolem 0,5 ms¹. Její instalace je vhodná zejména v regionech s nízkou rychlostí větrů.

V dalším provedení je na stožáru 9 pod turbínou umístěna výklopná deska £0, která koncentruje proud vzduchu přiváděný na turbínu. Výklopná deska 10 je uložena na ocelové konzole 11 otočně uložené na stožáru 9 turbíny. Konzola 11 je vybavena pohony k otáčení výklopné desky 10 kolem stožáru 9 a kolem vodorovné osy.

- 5 Výklopná deska 10 je osazena solárními moduly 8. Poloha výklopné desky 10 se může nastavit jak vzhledem ke směru větru, tak i vzhledem k poloze slunce. Pohony jsou ovládány řídicí jednotkou, která je vybavena čidlem pro směr větru a v paměti má uloženu polohu slunce během dne a během roku. Polohu výklopné desky nastaví tak, aby součet energie produkované turbínou a solárními moduly byl maximální. V případě velmi silného větru nastaví výklopnou desku 10 do vodorovné polohy. Konfigurace turbíny s výklopnou deskou 10 je zřejmá z obr. 9 - v čelním pohledu a z obr. 10 - v bokorysu. Dodatečná instalace výklopné desky 10 se solárními moduly 8 na stožár 9 turbíny zvyšuje množství vzduchu, které turbína zpracovává a tím i elektrický výkon turbíny.

Větrná turbína podle vynálezu umožňuje lépe využít energii větru, jednak optimálním tvarem lopatek, jednak tím, že přivádí k lopatkám větší objem vzduchu, než odpovídá profilu statoru. Tím se zvyšuje rychlost otáčení rotoru a efektivita využití energie větru. Turbína je velmi tichá s hlučností cca 35 dB a proto vhodná k instalaci v blízkosti budov, případně na střechách obytných domů. Funguje i při rychlostech větru menších než 1 ms¹. Konstrukce turbíny jakožto stavebního prvku umožňuje stavbu větrné elektrárny kombinující různé vertikální a horizontální sestavy a tím zřízení libovolného instalovaného výkonu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Větrná turbína se svislou osou otáčení k umístění na stožáru (9), která má alespoň jeden válcovitý rotor (1) opatřený protáhlými tvarovanými lopatkami (2), propojený s rotorem elektrického generátoru a uložený ve věnci statoru (3) s protáhlými rozváděcími lopatkami (4), vyznačující se tím, že stator (3) je obklopen klecí ze svislých lišt (5) a límců (6), jejichž stěny se v distálním směru rozevírají, přičemž vodorovný řez konkávní stranou lopatky (2) rotoru (1) má tvar segmentu křivky s koncovými body (X), (Y) rozděleného na úseky, přičemž první úsek křivky vycházející z koncového bodu (X), odpovídajícího náporové hraně lopatky (2), je přímý a kolmý na spojnici koncových bodů (X), (Y), kde první úsek plynule přechází do druhého úseku o poloměru Rl = A / 3,7 až 3,9, jenž přechází do třetího úseku se zakřivením o poloměru Rll = A / 2,6 až 2,8 a ten přechází do čtvrtého úseku se zakřivením Rill = A / 0,48 až 0,52, kde A je délka přímé spojnice koncových bodů (X), (Y) křivky.
2. Větrná turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodorovný řez rozváděči lopatkou (4) statoru (3) má tvar segmentu kružnice o poloměru R = B /1,08 až 1,14, kde B je vzdálenost mezi koncovými body (V), (Z) segmentu kružnice.
3. Větrná turbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že má dva nad sebou uspořádané rotory (1) s opačně situovanými lopatkami (2), přičemž horní rotor (1) je upevněn na hřídeli uloženém v dutém hřídeli spodního rotoru (1) a přičemž jeden z hřídelů je propojen s rotorovým dílem elektrického generátoru a druhý s otočnou klecí generátoru.
4. Větrná elektrárna, vyznačující se tím, že je tvořena konfigurací alespoň dvou turbín podle některého z nároků 1 až 3, postavených ve vzájemném odstupu a propojených svislou konstrukcí (7).
5. Věterná elektrárna podle nároku 4, vyznačující se tím, že svislé konstrukce (7) jsou osazeny solárními moduly (8).
6. Větrná elektrárna podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že solární moduly (8) jsou uspořádány na výklopné desce (10), která je uložena prostřednictvím konzoly (11) na stožáru (9), přičemž konzola (11) je vybavena pohony k otáčení kolem stožáru (9) a kolem vodorovné osy.