BG113226A - Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване - Google Patents

Abstract

Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване, имаща две или повече рамена (13, 14), монтирани на вал (18), който е лагеруван вертикално, а задвижването й под действието на вятъра става чрез каскадно разположени лопатки с дъговидно напречно сечение. Каналите между лопатките са затворени отгоре и отдолу и се стесняват към външния канал, в който постъпва въздух при въртенето на турбината. Благодарение на дифузорния ефект става засмукване на въздуха от тези отвори и обединеният въздушен поток се изхвърля през отвор по тангента към съответното рамо, създавайки реактивна сила по посоката на въртене. Тази сила води до снижаване коефициента на челно съпротивление Сх на лопатките по траекторията им на връщане към изходно положение срещу вятъра, което води до повишаване ефективността на турбината и увеличаване на получавания въртящ момент спрямо единица замитана площ.

Description

ВЯТЪРНА ТУРБИНА С ВЕРТИКАЛНА ОС И ДИФУЗОРНО УСИЛВАНЕ

ОБЛАСТ НА ДЕЙСТВИЕ

Настоящото изобретение е в областта на вятърните турбини с вертикална ос, използувани за преобразуването на вятърната енергия в електричество.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Развитието на алтернативни и възобновяеми източници на енергия се увеличава поради замърсяването на околната среда и изтощаването на залежите от изкопаеми горива. Важен принос в тази тенденция имат вятърните турбини, които в днешно време се явяват като поле на интензивни проучвания и научни изследвания. Световният пазар е доминиран от вятърните турбини с хоризонтална ос, но вятърните турбини с вертикална ос имат предимството да бъдат здрави и опростени, тъй като не се нуждаят от механизми за следене посоката на вятъра и контрол на ъгъла на атака на витлата, необходимост от защита в случай на изключително силни ветрове, нямат скоростна кутия, която изисква поддръжка и имат сравнително по-ниски инвестиционни разходи. Това ги прави напълно конкурентоспособни в гамата на произвежданите турбини за малки и средни мощности. Те имат стабилна работа при високи обороти, поради жироскопичния въртящ момент на ротора и пониски нива на шума, което благоприятства монтирането им в градски условия. Тъй като максималната ефективност при трансформацията на вятърната енергия в механична е значително под теоретичната граница, проектирането на всички видове вятърни турбини е обект на непрекъснати изследвания и разработки. По-добра идея за ефективността и възможностите на различните видове турбини е дадена на графиките по-долу (Ackermdnn Т., Soder L, 2000)¹.

Диаграма 1. Коефициент на мощност Ср и въртящ момент См на различни видове вятърни турбини като функция на скоростта на витлото λ, А - Savonius, В - американски тип, С - холандски тип, D турбина с три витла, Е - турбина с две витла. Коефициентите са получени като функция на параметъра λ = U/V, където U е периферната скорост на върха на витлото, V е скоростта на вятъра m/s; U = w.R, където ω е ъгловата скорост на въртене в rad/s и R е радиусът в т.

Както се вижда от тези графики, турбината А тип Savonius и американската вятърна мелница В имат висока ефективност и въртящ момент при сравнително ниски скорости, които обаче намаляват рязко с увеличаване скоростта на вятъра. Холандската вятърна мелница „С, която има четири витла, използва около 16% от кинетичната енергия на вятъра. Съдейки по графиките на турбините с хоризонтална ос D и Е, при по-малък брой на лопатките максималната ефективност и въртящ момент се изместват към по-високите стойности на параметъра λ. Тяхната ефективност е значително по-висока, но тенденцията за изграждане на все по-мощни вятърни турбини, изискващи съответно и по-голяма замитана площ, става проблематична поради свързаните стова проблеми на строителството, транспорта и монтажа им. Турбините на Darius, чиито коефициенти не са дадени в тази диаграма, имат максимален въртящ момент при високи скорости на вятъра, но те са неефективни при ниски скорости и трябва да бъдат задвижвани принудително до определени обороти, за да започнат да работят.

При турбините с вертикална ос витлата са изложени срещу вятъра само през половината от въртенето си, а по време на връщането им в изходно положение съпротивлението им създава сила, снижаваща въртящия момент. За да се снижат загубите на ефективност при някои турбини, обратната траектория е защитена от насрещния вятър посредством движеща се според посоката му защитна аеродинамична преграда. При проектирането на турбини с вертикална ос, независими от посоката на вятъра стремежът е лопатките на витлото да имат максимално съпротивление, когато са обърнати срещу вятъра и минимално при връщането им в изходно положение. Някои от най-широко използваните лопатки в турбините с вертикална ос са със сечение полудъга поради разликата в съпротивлението им на потока, когато са изложени срещу вятъра и в обратна посока. Максимизирането на разликата между тези две съпротивления е начин, чрез който може да се постигне по-висока ефективност на преобразуване енергията на вятъра и максимума на въртящия момент да премести към по-високите обороти на турбината.

Според закона на Betz максималната ефективност, която може да бъде постигната при използване на вятърна енергия е 59,26%. Един от начините за повишаването й при турбините с вертикална ос е чрез увеличаване на обема на отклонявания въздушен поток, което може да се постигне чрез увеличаване на площта на лопатките. Такова решение представлява каскадното разпологане на лопатките, тъй като увеличаването на диаметъра на полудъгата се ограничава от съпротивлението й по траекторията на връщане, а увеличаването на броя на раменете води до ефект на засенчване. Предимствата на каскадното разполагане на лопатките е в увеличаването на натиска върху тях поради по-големия обем въздух, който им въздейства при незначително увеличение на съпротивлението по траекторията на връщане. Това води до по-пълно използване на вятърната енергия и тази насока за решаване на проблема е разкрита в изобретенията, описани в US2OO9/O2O2356 А1² и US2016/0230740 А1³.

Дифузорното усилване е един вече популярен метод за повишаване на енергийната ефективност на турбините с хоризонтален ротор. Това се постига чрез забулване на витлото с разширяващ се пресечен конус, представляващ дифузор, което дава възможност да се намали налягането на потока в зоната зад ротора. Проведените изследвания доказват, че по този начин се получава от два до пет пъти повече електроенергия на еденица замитана площ⁴. Дифузорното усилване се използва не само в хоризонталните, но и във вертикалните вятърни турбини, което например е описано в патент US2014/0369826 А1⁵. Това става като потокът се ускорява трикратно чрез въздухосборник, след което той задвижва високоскоростна турбина. Освен това въздухът от сърцевината на турбината се изсмуква от долното работно колело и се изпуска в атмосферата чрез дифузьор. Турбината също играе ролята на маховик, който съхранява енергия и не позволява резки промени в скоростта, въпреки колебанията в скоростта на вятъра. По време на тестовете е постигната три пъти по-висока ефективност от тази на стандартната трилопатна турбина с хоризонтална ос спрямо единица площ на въздухосборника. Отчетена е и по-ниска цена на произведената електроенергия, както и по-малки инвестиционни разходи на единица инсталирана мощност.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Вятърната турбина с вертикална ос и дифузорно усилване служи за трансформирането на вятърната енергия във въртеливо движение, а след това и в електричество чрез задвижване на алтернатор. След изправяне на получения променлив ток има няколко опции, като например: преобразуване и връщане в мрежата със съответната фаза и честота; зареждане на батерия или директна консумация. Тези методи и устройства за тяхното прилагане обаче са отдавна установени в практиката и не са предмет на настоящото изобретение. Дифузорното усилване има вече доказани предимства както при турбините с хоризонтални оси, така и при тези с вертикални чрез допълнителния спад на налягането, създаван зад витлото. Предложеното устройство на вятърна турбина с дифузорно усилване се състои от вал с две групи симетрично и паралелно разположени витла, които сгъстяват и насочват въздушния поток към областта на дифузорите, разположени в периферията.

В предложеното изобретение дифузорът представлява тръба с правоъгълно напречно сечение, чийто челен отвор е предназначен да загребва въздух по време на въртенето. Той е снабден с вътрешни странични отвори, през които навлиза сгъстеният въздух от каналите между лопатките. При високи обороти на ротора въздушната струя има ниско странично налягане в съответствие със закона на Бернули, което предизвиква изсмукване на въздуха от тези отвори и струята излиза през правоъгълен отвор, създавайки реактивна сила по посоката на въртене. Всмуканият въздух упражнява натиск върху лопатките и създава сила, която също е насочена по тангента по посоката на въртене. Сумата от тези две сили противодейства на съпротивлението на въздуха по време на въртенето на пакета от лопатки срещу вятъра, при което се намалява стойността на коефициента на челно съпротивление Сх. При високи обороти и скорост на вятъра, коефициента Сх може да добие дори отрицателни стойности, което означава, че и двете рамена ще създават въртящ момент в една и съща посока.

Целта на изобретението е да увеличи ефективността на преобразуване енергията на вятъра в механична и да се премести максимума на въртящия момент към по-високите обороти на турбината и скорост на вятъра.

КРАТКО ОПИСАНИЕ НА ФИГУРИТЕ

Основните принципи и работата на тази турбина могат да бъдат разбрани по-добре от по-подробното описание, свързано с приложените по-долу фигури, където:

Фигура 1 е аксонометричен изглед на вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване;

Фигура 2 е вертикално сечение по А - А на вятърната турбина;

Фигура 3 е хоризонтален разрез по В - В между рамената на вятърната турбина;

Фигура 4 илюстрира ефекта на дуфузорното усилване в един от пакетите с лопатки.

ПРИМЕРНО ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

В описанието се разкрива вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване, като изобретението е насочено към повишаване ефективността на преобразуване енергията на вятъра. За по-голяма яснота, прототипът на тази турбина е показан на фигура 1 като аксонометрична скица. На нея се вижда, че към вала на турбината са закрепени две успоредни рамена и между тях се намират два пакета с каскадно подредени лопатки. Валът от своя страна е лагеруван в тръба, в горния и долния край на която се намират лагерите, а тя е закрепена към основата посредством конзоли. На фигури 2 и 3 се вижда, че лопатките имат дъговидно сечение, като каналите между тях се стесняват към външната част, така че да ускоряват въздушния поток. Тези канали са свързани последователно по протежение на външната дъга в канал, ограничен от външната страна с допълнителна лопатка. Фигура 4 показва как въздушният поток, влизайки в тези периферни канали под въздействието на въртенето на турбината и вятъра, създава понижено налягане съгласно закона на Бернули и изсмуква въздуха от стеснените отвори, което е последвано от изхвърлянето му по тангентата създавайки по този начин реактивна сила. Засмуканият въздух упражнява натиск върху лопатките, в резултат на което се създава сила в същата посока. Това става благодарение на дифузния ефект. Тези две сили се добавят към основната движеща сила и така се получава по-голям въртящ момент.

Идеята за дифузорно усилване на въртящия момент на вятърна турбина с вертикална ос е илюстрирана с едно примерно изпълнение на изобретението, където на фигура 1 се вижда неговото тримерно изображение. Турбината се състои от две плоски рамена 13,14, между които в двата им края са разположени два пакета с лопатки 7,8,9,10,11,12 и 24,25,26,27,28,29. Рамената 13 и 14 са закрепени неподвижно към вала 18, така че да му предават въртящия момент от турбината. В найвъншната част на рамената 13,14 са разположени допълнителните лопатки 36 и 37 образуващи каналите 48 и 49, чието сечение е правоъгълник с променлива геометрия. Валът 18 е лагеруван в тръбата 38, която е закрепена вертикално към основата 47 посредством конзолите 42, 43. На фигура 2 е даден разрез по вертикалното сечение А - А, от което се вижда, че рамото 13 е закрепено към вала 18 чрез шайбите 16,17 и гайките 15,19, а рамото 14 чрез шайбите 22, 23 и гайките 20, 21. Видно е и лагеруването на вала 18 в тръбата 38, където в горния й край то става в лагера 41, разположен в лагерното тяло 39 с капачката 40, закрепено неподвижно към тръбата 38. В долният си край вала 18 е лагеруван в лагера 45, разположен в лагерното тяло 44, който същое фиксиран неподвижно към тръбата 38. Под лагерното тяло 44 е разположена лагерната пета 46.

Профилът на лопатките 7,8,9,10,11,12 и 24,25,26,27,28,29 може да се види по-ясно от сечение В - В, дадено на фигура 3. Те представляват две симетрично подредени групи от лопатки, състоящи се от шест паралелни дъги, като най-малките по диаметър 7 и 29 имат дължина на дъгата 180°, а поголемите 8 -12 и 24 - 28 имат дължина на дъгите от по 135°. Началните точки на лопатките 7 -12 се проектират в точка С, а тези на лопатки 24 - 29 в точка D. Стесняващите се отвори на каналите между лопатките 7 -12 и 24 - 29 са изведени съответно в каналите 48 и 49. Каналите между лопатки 7 -12 и 24 - 29 са затворени в горната и долната им страна с помощта на раменете 13 и 14, така че входящият въздушен поток да не се разсейва, а да се инжектира в каналите 48 и 49. Лопатките 7 -12 са прикрепени към раменете 13,14 чрез залепване и чрез шпилките 1 и 2, които преминават през тръбите 5 и 6, като са закрепени от двете им страни посредством гайките 3,4. Лопатките 24 - 29 са прикрепени също чрез залепване и шпилките 31 и 33, преминаващи през тръбите 30 и 34, закрепени чрез гайките 32, 35. Този метод на закрепване дава по-висока стабилност при високи обороти, когато въздействието на центробежната сила се увеличава значително. Както се вижда от фигури 2 и 3 от лявата страна в периферията на рамената 13 и 14 е разположена лопатка 36, така че между нея и стеснените отвори на лопатките 7 -12 се образува канал 48 с изход за загребвания при въртенето въздух през правоъгълния отвор 50. От дясната страна на рамената 13,14 е разположена огледално и симетрично лопатката 37, като по същия начин стеснените отвори на лопатки 24 - 29 са изведени в канала 49 снабден с изходящия правоъгълен отвор 51.

Действието на дифузорното усилване е илюстрирано по-подробно на Фигура 4, където е даден само пакета от лопатки 7 - 12, 36. Турбината се задвижва от вятъра, който влиза в каналите между множеството от лопатки 7 -12 и излиза през стесните им отвори в канал 48, откъдето напуска профила през правоъгълния отвор 50. В резултат от обръщането на въздушния поток на 180° се създава сила насочена по тангентата към рамото, образувано от плоскостите 13,14, по посоката на въртене.

Външната страна на канал 48 е ограничена от лопатката 36 и когато турбината се върти, въздухът се загребва през входящия отвор между нея и лопатка 12, след което напуска канала 48 през отвора 50. Когато скоростта на въздушния поток, преминаващ през канал 48 е достатъчно висока, неговото страничното налягане намалява и се получава дифузния ефект. Проявата му се изразява в засмукване на въздух от стеснените отвори на каналите между лопатките 7 -12 и обединения поток се издухва през отвора 50. Силите, действащи на турбината както по посоката на въртене, така и на съпротивление по траекторията на връщане на лопатките, следват синусоидална зависимост във функция от позицията на рамената 13,14 спрямо посоката на вятъра. Силите, създавани вследствие от дифузорния ефект при въртенето на ротора противодействат на съпротивлението на вятъра на пакета от лопатки, който се движи по траекторията на връщане и това води до снижаване стойността на коефициента на челно въздушно съпротивление С_х. На практика това означава, че той вече не е линейна функция, а такава от втора степен клоняща към нула с повишаване на оборотите на турбината. Благодарение на дифузорното засмукване на въздуха от стеснените канали между лопатките 7 -12 и 24 - 29 се увеличава ефективността на преобразуването на вятърната енергия, а максималният въртящ момент се изнася към по-високите обороти на турбината.

Claims (5)

1. Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване, имаща две или повече рамена (13,14), неподвижно свързани към вал (18), който е монтиран в лагерите (41,45), разположени в лагерните тела (39,44), закрепени във вертикално ориентираната тръба (38), поддържана в това положение с помощта на конзолите (42,43), закрепени към основата (47), характеризираща се стова, че два или повече пакета с каскадно разположени лопатки (36, 7 -12 и 37, 24 - 29) с дъговидно напречно сечение, които са затворени в горната и долната си част и каналите между тях завършват със стеснени отвори, свързани към външните канали (48, 49), в които въздухът се загребва по време на въртенето през входящите им отвори и благодарение на дифузорния ефект се засмуква въздуха от стеснените отвори между лопатки (7 -12 и 24 - 29), след което обединения поток се изхвърля през отворите (50, 51), създавайки реактивна сила в посоката на въртене.

2. Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че стеснените отвори на каналите между лопатките (7 -12 и 24 - 29) са свързани със страничните канали (48,49), в които се загребва въздух през входящите им отвори и чрез дифузорния ефект се засмуква този от страничните отвори между лопатките (7 -12 и 24 - 29) вследствие на което се създава сила, противодействаща на челното съпротивление на пакета от лопатки, движещ се срещу вятъра.

3. Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че съдържа допълнителни пакети от лопатки за надграждане на витлата със същата конфигурация, монтирани над и под основните пакети (36, 7 -12 и 37, 24 - 29), с цел да се увеличи замитаната площ.

4. Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че върху вала са монтирани повече рамена (13,14) с пакети от лопатки (36, 7 -12 и 37, 24 - 29), разположени вертикално едно над друго с ъглово отстояние в зависимост от броя им.

5. Вятърна турбина с вертикална ос и дифузорно усилване съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че напречното сечение на лопатките (7 -12 и 24 - 29) е парабола.