PL248746B1 - Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest turbina wiatrowa elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu. Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, o obudowie o kształcie rurowym zaopatrzonym w dyfuzory będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniem wlotu i wylotu, charakteryzuje tym, że na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie (1) generatora (2) o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym zamontowane są łopaty (4) o kącie natarcia od 45° do 80°. Wlot części walcowej obudowy (1) zaopatrzony może być w ruchome czołowe osłony (7), których ruch wahadłowy do siebie i od siebie w zależności od wychylenia siłowników zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni wlotowej dyszy (3).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa elektrowni wiatrowej o poziomej osi obrotu.

Standardowa pozioma turbina powietrzna składa się z obudowy z dyfuzorami wykonanymi na krawędziach oraz z zamontowaną osią umieszczonych wewnątrz łopat, napędzających w dowolny sposób wirnik generatora. Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru najczęściej w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s.

Tematyka dotycząca turbin wiatrowych jest często poruszana w literaturze patentowej.

Z opisu zgłoszeniowego chińskiego wynalazku CN110159481 znana jest turbina wiatrowa składająca się z wału obrotowego głowicy, na którym zamocowane są spiralnie łopaty śrubowe, rozmieszczone w równych odległościach względem siebie.

Z kolei z innego chińskiego wzoru użytkowego CN205858572 znany jest układ wytwarzania energii z rurą spiralną o przepływie osiowym, który obejmuje: rurę spiralną, zespół prądotwórczy, którym jest śruba turbiny wodnej. Turbina ta ma wykorzystanie do pływów, mocowana jest w korycie rzeki lub kanale przepływu wiatrowego.

Następnie z brytyjskiego opisu wynalazku GB2216194 znane jest rozwiązanie, które składa się z szeregu tarcz wpiętych w wał główny i oddzielonych przekładkami, również wpuszczonymi w wał główny. Tarcze wirnika mają obrotowe łopatki, które są sprzężone w przeciwległe pary, tak że gdy tarcza wirnika się obraca, to obrotowa łopatka jest składana we wgłębienie, zaś przeciwna obrotowa łopatka zostaje wysunięta z wnęki.

Natomiast z niemieckiego opisu wzoru użytkowego DE202004004033 znana jest konstrukcja turbiny, która posiada cylinder powietrzny prostopadły do przepływu wiatru między wlotem a wylotem, z wirnikiem na tej samej osi, z łopatkami przechwytującymi wiatr jedna nad drugą między dwoma okrągłymi tarczami.

Następnie z opisu wynalazku amerykańskiego US2017194835 znana jest turbina napędzana wiatrem, która zawiera zespół stojana i zespół wirnika. Zespół stojana zawiera obudowę i magnetycznie przepuszczalny moduł umieszczony na obudowie. Zespół wirnika jest umieszc zony w obudowie obrotowo i zawiera element obrotowy oraz moduł magnetyczny umieszczony na elemencie obrotowym. Obrotowy element ma kolumnę i spiralne ostrze. Pomiędzy spiralnym ostrzem a obudową powstaje szczelina. Spiralne ostrze jest połączone z kolumną pod kątem linii śrubowej 21 - ~55 stopni. Spiralne ostrze jest skonfigurowane do obracania zespołu wirnika względem zespołu stojana przez wykorzystanie wiatru, tak że indukowany prąd jest generowany przez współpracę modułu przepuszczalnego magnetycznie i modułu magnetycznego.

Z kolei z polskich dokumentów patentowych PL219061B1 oraz PL231465B1 znane są turbiny wiatrowe, w których wlot części walcowej obudowy zaopatrzony jest w czołowe ruchome osłony, których ruch wahadłowy do siebie i od siebie w zależności od wychylenia siłowników zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni wylotowej dyszy.

Na szczególną uwagę zasługuje rumuński opis wynalazku RO125245A2, z którego znana jest turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu posiadająca obudowę o kształcie rurowym, zaopatrzona w dyfuzory wlotowy oraz wylotowy, będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniami wlotu i wylotu, w której na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie generatora o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym zamontowane są łopaty.

Przedmiotowy wynalazek różni się od rozwiązania powyższego tym, że obudowa turbiny zaopatrzona jest w czołowe ruchome osłony, których ruch wahadłowy do siebie i od siebie zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni dysz (konkretnie: powierzchni czołowego obszaru wlotu do turbiny), oraz tym, że kąt natarcia łopat wynosi od 45 do 80 stopni.

Z kolei z jeszcze innego wynalazku amerykańskiego US9887605B2 znana jest turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu z wirnikiem, na którym zamontowane są łopaty o kącie natarcia zawartym między 21 a 55 stopni.

Turbina wiatrowa wedle przedmiotowego wynalazku ma inną budowę, bowiem przedmiotem wynalazku jest turbina o poziomej osi obrotu, o obudowie o kształcie rurowym zaopatrzonym w dyfuzory będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniami wlotu i wylotu.

Natomiast ze zgłoszenia wynalazku międzynarodowego WO2010151540B2 znana jest turbina wiatrowa o osi poziomej, z wirnikiem zewnętrznym, na którym zamontowane są łopaty o kącie natarcia zawartym między 50 a 75 stopni. Powyższe rozwiązanie nie dotyczy nachylenia wirników turbiny, ma także inną budowę niż rozwiązanie przedmiotowe. Znane rozwiązanie nie obejmuje tożsamego problemu technicznego, którym jest opracowanie turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu przeznaczonej dla terenów o silnych podmuchach wiatru, bowiem celem wynalazku jest duża odporność na duże podmuchy wiatru nawet do 100 km/h i większe.

Konstrukcja turbiny według wynalazku z zamykanym dyfuzorem wlotu wiatru, z generatorem w kształcie walca z łopatami o dużej powierzchni natarcia dla wiatru oraz kilkoma rzędami łopat daje dużą sprawność przy małej średnicy łopat, co jest istotne dla przydomowych turbin wiatrowych z powodu ograniczeń budowlanych. Jest idealna do stosowania w miejscach o małym natężeniu wiatru jak i w miejscach bardzo wietrznych, daje dużą sprawność energetyczną całej turbiny, zarazem zamykany dyfuzor zabezpiecza przed przeciążeniem turbiny. Zastosowanie zamykanego dyfuzora do regulacji obrotów turbiny jest bardzo istotne dla małych przydomowych turbin wiatrowych, bo w turbinach typowych przy silniejszym wietrze następuje efekt wycia - hałasu turbiny, co jest uciążliwe w przydomowej turbinie dla właściciela i sąsiadów. Taka turbina jest odporna na duże podmuchy wiatru nawet do 100 km/h i większych. Dzięki budowie generatora i umieszczonych na nim bezpośrednio małych, lekkich łopatach uzyskuje się dużą prędkość obrotową generatora, a przy tym turbina będzie generować znikome wibracje i drgania. Ponadto dzięki umieszczeniu łopat bezpośrednio na wirującym klasycznym generatorze w kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym, eliminuje się z konstrukcji przekładnie, hamulce i inne dodatki sterujące, a to zmniejsza znacznie straty energii oraz koszty produkcji. Dodatkowo dzięki zastosowaniu obudowy turbiny wiatr, który się do niej dostanie, musi przejść przez całą turbinę i ma miejsce maksymalne wykorzystanie jego energii kinetycznej. Przedstawione w niniejszym opisie turbiny można stosować w zestawach w nieograniczonej liczbie, ograniczeniem jest wytrzymałość mechaniczna materiałów. Turbiny te można stosować praktycznie w każdym terenie takim jak: w górach, w miejscach o dużych podmuchach wiatrów, na dachach wieżowców, blokach mieszkalnych, jak i przy domach jednorodzinnych, i każdym innym miejscu, gdzie nie można stosować typowych, klasycznych turbin wiatrowych.

Rozwiązanie według wynalazku zapewnia nową funkcjonalność, zapewnia także lepszą sprawność i produktywność względem istniejących dotychczas konstrukcji.

Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, posiadająca obudowę mającą kształt rurowy, zaopatrzoną w dyfuzory będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniami wlotu i wylotu, zaopatrzona w czołowe ruchome osłony, których ruch wahadłowy do siebie i od siebie zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni dysz, na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie generatora o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym ma zamontowane łopaty o kącie natarcia od 45° do 80° i charakteryzuje się tym, że generator w obudowie przymocowany jest za pomocą wsporników znajdujących się na końcach środkowej walcowej części rzeczonej obudowy, tak że wsporniki ustawione są w obudowie promieniowo, przy czym w obudowie przed i za łopatami zamontowane są niwelujące zawirowania kierownice utworzone z prostopadłych do siebie żeber.

Korzystnie, łopaty przymocowane są do generatora w równych odległościach od siebie oraz pomiędzy szczytem każdej łopaty a wewnętrzną ścianką obudowy znajduje się dystansowa szczelina. Korzystnie, łopaty to ukośne względem osi generatora stożkowe skrzydła o szerokiej podstawie i łezkowym, zwężającym się ku końcom aerodynamicznym przekroju poprzecznym.

Korzystnie, łopaty to ukośne względem osi generatora śmigła, o wąskiej podstawie i łezkowym, zwężającym się ku końcom aerodynamicznym przekroju poprzecznym.

Korzystnie, wlot części walcowej obudowy zaopatrzony jest w ruchome czołowe osłony, których ustawienie pod zadanym kątem względem osi generatora, do siebie i od siebie w zależności od wychylenia siłowników mocowanych do obudowy i krawędzi osłon zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni czołowej wlotowej dyszy kanału przepływu powietrza przez generator z łopatami.

Korzystnie, ruchome osłony przymocowane są zawiasami do krawędzi górnej i dolnej mocowanej na wlotowej dyszy czworokątnej ramy.

Rozwiązanie wedle wynalazku pozwala na usprawnienie wydajności turbiny, redukując wewnętrzne opory i zawirowania, zwiększenie wydajności przy nawet małej prędkości przepływu oraz zwiększenie wytrzymałości przy dużych prędkościach przepływu.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym na Fig. 1 przedstawiono turbinę w przekroju poprzecznym z łopatami w kształcie śmigieł - skrzydeł, Fig. 2 - uwidoczniono przekrój podłużny przez turbinę z łopatami o kształcie śruby okrętowej, Fig. 3 - zaprezentowano turbinę w przekroju podłużnym o kształcie śrubowym - ślimakowym, Fig. 4 - uwidoczniono przekrój poprzeczny przez turbinę, Fig. 5 - przedstawiono przekrój podłużny przez turbinę, uwidaczniając rozmieszczenie osiowe generatora, Fig. 6 - uwidoczniono kierownice wiatru, Fig. 7 i 8 - zaprezentowano turbinę w przekroju z boku z otwartym i zamkniętym czołowym zamykanym dyfuzorem oraz przekrój podłużny przez turbinę z łopatami, Fig. 9 i 10 - zaprezentowano turbinę w widoku od frontu z otwartym i zamkniętym dyfuzorem wlotu wiatru oraz uwidoczniono przekrój poprzeczny przez turbinę.

Turbina wiatrowa w zależności od miejsca zastosowania i potrzeby posiada moc od 3000 W (3 kW) do 30000 (30 kW) lub więcej, prąd wyjściowy z turbiny sterowany jest elektronicznie regulatorem napięcia w zakresach 24 V lub 48 V lub 96 V lub więcej w zależności od miejsca zastosowania i potrzeb, średnica turbiny wynosi od 40 cm do 400 cm lub więcej w zależności od miejsca zastosowania i potrzeb. Łopaty oraz obudowa wykonane są z włókna szklanego, metalu lub tworzyw sztucznych. W rozwiązaniu oś generatora będąca jednocześnie osią wirnika jest ustawiona równolegle do kierunku wiatru.

Przykład 1

Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, o obudowie 1 o kształcie rurowym jest zaopatrzona w dyfuzory 3 będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniami wlotu i wylotu. Na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie 1 generatora 2 o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym zamontowane są łopaty 4 o kącie natarcia od 60°. Generator 2 w obudowie 1 przymocowany jest za pomocą wsporników 6 znajdujących się na końcach środkowej walcowej części dyfuzora 3, tak że wsporniki 6 ustawione są w obudowie 1 promieniowo. Łopaty 4 przymocowane są do generatora 2 w równych odległościach od siebie. Pomiędzy szczytem każdej łopaty 4 a wewnętrzną ścianką obudowy 1 znajduje się dystansowa szczelina. Łopaty 4 mają kształt śmigieł. W obudowie 1 przed i za łopatami 4 zamontowane są niwelujące zawirowania kierownice 5 utworzone z prostopadłych do siebie żeber. Ten rodzaj łopat 4 stosowany jest do turbin o większej mocy i średnicy obudowy.

Przykład 2

Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, o obudowie 1 o kształcie rurowym, jest zaopatrzona w dyfuzory 3 będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniami wlotu i wylotu. Na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie 1 generatora 2 o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym zamontowane są łopaty 4 o kącie natarcia od 60°. Generator 2 w obudowie 1 przymocowany jest za pomocą wsporników 6 znajdujących się na końcach środkowej walcowej części dyfuzora 3, tak że wsporniki 6 ustawione są w obudowie 1 promieniowo. Łopaty 4 przymocowane są do generatora 2 w równych odległościach od siebie. Pomiędzy szczytem każdej łopaty 4 a wewnętrzną ścianką obudowy 1 znajduje się dystansowa szczelina. Łopaty 4 mają kształt ukośnych skrzydeł. W obudowie 1 przed i za łopatami 4 zamontowane są niwelujące zawirowania kierownice 5 utworzone z prostopadłych do siebie żeber. Łopaty 4 mają ustalony kąt natarcia, tak że ich powierzchnie owijają się na wirującej tulei zewnętrznej generatora, a przy tym na tej tulei uplasowane są dwie łopaty ustawione względem siebie ukośnie. Liczba łopat 4 jest zależna od wielkości turbiny. Dzięki swojej budowie stosuje się je w miejscach największych podmuchów wiatru oraz w urządzeniach z wymuszonym przepływem wiatru o prędkości 100 km/h lub więcej.

Przykład 3

Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, o obudowie o kształcie rurowym zaopatrzona w dyfuzory 3 będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniem wlotu i wylotu, posiada na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie 1 generatora 2 o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym zamontowane łopaty 4 o kącie natarcia 60°. Generator 2 w obudowie 1 przymocowany jest za pomocą wsporników 6 znajdujących się na końcach środkowej walcowej części rzeczonej obudowy 1, tak że wsporniki 6 ustawione są w obudowie 1 promieniowo. Łopaty 4 przymocowane są do generatora 2 w równych odległościach od siebie oraz pomiędzy szczytem każdej łopaty 4 a wewnętrzną ścianką obudowy 1 znajduje się dystansowa szczelina.

Łopaty 4 to ukośne skrzydła lub łopaty 4 mają kształt śmigieł, lub łopaty 4 mają kształt śrubowy. W obudowie 1 przed i za łopatami 4 zamontowane są niwelujące zawirowania kierownice 5 mające kształt rozmieszczonych prostopadle żeber. Wlot części walcowej obudowy 1 zaopatrzony jest w osłony 7 z zamykanym dyfuzorem wlotu wiatru, których ruch wahadłowy do siebie i od siebie w zależności od wychylenia siłowników zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni wlotowej dyszy 3. Osłony 7 z zamykanym dyfuzorem wlotu wiatru przymocowane są zawiasami do krawędzi górnej i dolnej mocowanej na wlotowej dyszy 3 czworokątnej ramy 8.

W zależności od prędkości wiatru otwór wlotowy dyszy 3 będzie otwierany i zamykany za pomocą osłon z zamykanym dyfuzorem wlotu wiatru 7 poruszanych siłownikami elektrycznymi zasilanymi przez turbinę i sterowanymi za pomocą sterownika, w zależności od siły i kierunku wiatru. Wlot na zamknięciu nie jest całkiem zamknięty, aby turbina mogła działać nawet przy największym wietrze. Ograniczeniu ulega powierzchnia przekroju wlotowego dyszy 3. Dzięki zastosowaniu tego rozwiązania turbina może być stosowana w każdych warunkach terenowych.

Dzięki zastosowaniu łopat o dużej powierzchni pracującej i kilku rzędów łopat, turbina może pracować przy słabym wietrze i szybciej będzie osiągać maksymalną moc przy stosunkowo małej średnicy obudowy - rozpiętości łopat.

Przedstawione w przykładach wykonania turbiny, dzięki swojej budowie i zabezpieczeniom konstrukcyjnym, odporne są na ekstremalne prędkości wiatru i ekstremalne warunki pogodowe, nie ma też potrzeby zatrzymywania turbiny w czasie silnego wiania wiatru, powyżej 35 m/s, dzięki możliwości zastosowania na wlocie siatki są bardziej ekologiczne oraz bardziej bezpieczne dla ptaków i nietoperzy. Obudowa wyposażona jest we wlot powietrza z jednej strony i wylot z drugiej. Średnica i długość generatora jest i jego zewnętrznej obudowy jest zależna od wielkości całej turbiny i miejsca jej zastosowania.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu, posiadająca obudowę mającą kształt rurowy, zaopatrzoną w dyfuzory będące krawędziowymi stożkowymi poszerzeniami wlotu i wylotu, zaopatrzona w czołowe ruchome osłony, których ruch wahadłowy do siebie i od siebie zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni dysz, gdzie na pobocznicy zamontowanego osiowo w obudowie (1) generatora (2) o kształcie walca z wirnikiem zewnętrznym zamontowane są łopaty (4) o kącie natarcia od 45° do 80°, znamienna tym, że generator (2) w obudowie (1) przymocowany jest za pomocą wsporników (6) znajdujących się na końcach środkowej walcowej części rzeczonej obudowy (1), tak że wsporniki (6) ustawione są w obudowie (1) promieniowo, przy czym w obudowie (1) przed i za łopatami (4) zamontowane są niwelujące zawirowania kierownice (5) utworzone z prostopadłych do siebie żeber.

2. Turbina, według zastrz. 1 znamienna tym, że łopaty (4) przymocowane są do generatora (2) w równych odległościach od siebie oraz pomiędzy szczytem każdej łopaty (4) a wewnętrzną ścianką obudowy (1) znajduje się dystansowa szczelina.

3. Turbina, według zastrz. 1 znamienna tym, że łopaty (4) to ukośne względem osi generatora (2) stożkowe skrzydła o szerokiej podstawie i łezkowym zwężającym się ku końcom aerodynamicznym przekroju poprzecznym.

4. Turbina, według zastrz. 1 znamienna tym, że łopaty (4) to ukośne względem osi generatora (2) śmigła, o wąskiej podstawie i o łezkowym zwężającym się ku końcom aerodynamicznym przekroju poprzecznym.

5. Turbina, według zastrz. 1 znamienna tym, że wlot części walcowej obudowy (1) zaopatrzony jest w ruchome czołowe osłony (7), których ustawienie pod zadanym kątem względem osi generatora (2), do siebie i od siebie w zależności od wychylenia siłowników mocowanych do obudowy (1) i krawędzi osłon (7) zmniejsza lub zwiększa pole powierzchni czołowej wlotowej dyszy (3) kanału przepływu powietrza przez generator (2) z łopatami (4).

6. Turbina, według zastrz. 5 znamienna tym, że ruchome osłony (7) przymocowane są zawiasami do krawędzi górnej i dolnej mocowanej na wlotowej dyszy (3) czworokątnej ramy (8).