CZ2011508A3

CZ2011508A3 - Vetrná turbína se svislou osou otácení

Info

Publication number: CZ2011508A3
Application number: CZ20110508A
Authority: CZ
Inventors: Taus@Jan
Original assignee: Aerodynamic Wind Machines S.R.O.
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-04-17
Also published as: CZ303743B6; WO2013023625A1; AR087599A1

Abstract

Vetrná turbína je tvorena alespon jedním rotorem a generátorem elektrického proudu. Má rotor (1) sestávající z dutého náboje (5) ve tvaru kulového vrchlíku a na nem upevnených lopatek (6) ve tvaru dutých teles s vodorovnou základnou (7), s vnitrní stenou kopírující tvar náboje (5) a s vnejsí vybocující stenou (8) ve tvaru sféroidní nebo paraboloidní plochy. Ústí lopatky (6) lezí v rovine v podstate svislé a výska lopatky (6) se v podstate shoduje s výskou náboje (5).

Description

Větrná turbína se svislou osou otáčení

Oblast techniky

Vynález se týká větrné turbíny se svislou osou otáčení, která je tvořena alespoň jedním rotorem a generátorem elektrického proudu.

Dosavadní stav techniky

Větrné motory lze rozdělit na motory s vodorovnou a motory se svislou osou otáčení. V současné době v praktickém využití zcela převládají motory s třílistou vrtulí otáčející se kolem vodorovné osy. Točivý moment je přenášen vodorovným hřídelem elektrickému generátoru. Celý agregát je umístěn na vrcholu stožáru ve značné výšce. Při konstrukci těchto větrných motorů se musí vyřešit řada problémů: Je nutno zajistit natáčení agregátu vrtule s generátorem tak, aby vrtule byla vždy nastavena proti větru. Vzhledem ke značné hmotnosti agregátu je obtížené reagovat jeho natáčením na časté změny směru větru. Přitom motory zajišťující natáčení odebírají proud ze sítě. Při slabém proudění je nutno vrtuli nejprve uměle roztočit a teprve poté začne agregát vyrábět elektrický proud. Větrný motor tak často místo aby elektřinu do sítě dodával, sám ji odebírá. Nevýhodou této konstrukce je i brzdný systém, včetně nutné brzdy havarijní, který se silně opotřebovává a vyžaduje častý servis. Je také náročný na vlastní spotřebu energie. Z hlediska ekologie je nevýhodou nejrozšířenějších větrných elektráren, že ovlivňují charakter krajiny, v níž jsou postaveny, a že jejich vrtule produkují hluk. Jejich velmi závažnou nevýhodou, která nabývá na významu s aktuálními klimatickými změnami, je skutečnost, že nedokážou vzdorovat větrným nárazům o síle orkánu, a již v současné době dochází k haváriím z tohoto důvodu.

V odborné literatuře a v patentových spisech se navrhují různá konstrukční řešení větrných motorů nebo turbin se svislou osou. Z nich zatím žádné nedoznalo většího rozšíření. Např. větrná turbína podle mezinárodní patentové přihlášky WO 2004/01^66 má na stožáru umístěný rotor tvořený páry symetrických otočně uložených lopatek na koncích ramen. Pár lopatek, který má v zavřené poloze kapkovitý profil, se na návětrné straně turbiny rozevře a na závětrné straně uzavře. Předmětem vynálezu je zde propojení mechanismů ovládajících otevírání a zavírání protilehlých párů lopatek. Nevýhody tohoto řešení jsou obdobné jako u motorů s

I i

- 2 vodorovnou osou, zejména jeho malá rezistence vůči silným nárazům větru.

Ve spisu WO 2011/)3^17 se popisuje větrná turbína se svislou osou otáčení, jejíž rotor je tvořen výkyvnými lopatkami ve tvaru mušlí, které, jsou-li zavřeny, dávají rotoru kulovitý tvar. Součástí rotoru je, obdobně jako v předchozím případě, poměrně komplikované mechanické ovládací zařízení, které silně ovlivňuje pořizovací náklady.

Jednoduché řešení větrné turbíny představuje spis JP 2011064203, ve kterém je rotor tvořen alespoň jedním vodorovným kotoučem s upevněnými kapsami ve tvaru mušlí otevřených proti směru větru. Nevýhodou zde bude poměrně nízká účinnost zařízení.

Vynález si klade za úkol navrhnout větrnou turbínu se svislou osou otáčení, která by při nízkých pořizovacích nákladech mohla zásobovat elektrickou energií zejména rodinné domy a chaty na odlehlých místech.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší větrná turbína se svislou osou otáčení, která je tvořena alespoň jedním rotorem a generátorem elektrického proudu, jejíž podstata spočívá v tom, že její rotor sestává z dutého náboje ve tvaru kulového vrchlíku a na něm upevněných lopatek - dutých těles s vodorovnou základnou, vnitřní stěnou kopírující tvar náboje a vnější vybočující stěnou ve tvaru sféroidní nebo paraboloidní plochy, přičemž ústí lopatky leží v rovině v podstatě svislé a výška lopatky se v podstatě shoduje s výškou náboje.

Ústí lopatky může být přitom uzavřeno vydutou čtvrtou stěnou, která brání pronikání deště, sněhu, písku apod.

Turbína je s výhodou opatřena lineárním generátorem elektrického proudu, tj. po obvodu náboje jsou rozmístěny permanentní magnety, na pevné ose otáčení rotoru je upevněn kruhový stator souosý s rotorem a osazený po obvodu cívkami určenými k součinnosti s magnety, přičemž cívky jsou propojeny se sběrnou a řídicí jednotkou.

Součástí řídicí jednotky je spínací blok k zapojování jednotlivých cívek řízený otáčkami rotoru.

i í » 4 li < i ‘ *· <

, _t - t tl i t i í < i . tt t « ; i t* i ♦ < *Mi »»

- 3 V obzvláště výhodném provedení je turbína tvořena dvěma protiběžnými rotory umístěnými po obou stranách statoru.

Rotor je s výhodou slepen z prvků vytvořených z kompozitního materiálu.

/Obiasfíěfí/ obrázků na vykresedi ' — .1 *

Vynález bude dále objasněn pomocí výkresu, na něiri^ obr. 1 představuje řez onkladnou větrnou turbínou podle vynálezu umístěnou na stožáru, a to v řezu A-A podle obr. 2, obr. 2 je provedení turbíny podle obr. 1 v půdorysu, na obr. 3 až 5 jsou vyobrazení samotného rotoru turbíny - na obr. 3 v půdorysu, na obr. 4 v bokorysu a na obr. 5 v axonometrickém pohledu P podle obr. 4. Obr. 6 je schematický řez statorem turbíny a obr. 7 je stator v půdorysu.

prnv-echzní

Příklady Xrsktrteěfíen/ vynálezu

Větrná turbína podle obr. 1 a 2 je tvořena dvojicí protiběžných rotorů 1 uložených otočně na pevné ose 2 umístěné na stožáru 3. Mezi rotory 1 je na ose 2 upevněn stator 4 v podobě kruhové desky. Rotor 1 má skořepinovou konstrukci, je slepen z prvků vytvořených z kompozitního materiálu. Na dutém náboji 5 ve tvaru kulového vrchlíku jsou upevněny tří lopatky 6. Jsou to dutá tělesa s vodorovnou základnou 7, vnitřní stěnou kopírující tvar náboje 5 a vnější vybočující stěnou 8 ve tvaru sféroidní nebo paraboloidní plochy. Ústí lopatky 6 leží v rovině v podstatě svislé a výška lopatky 6 se v podstatě shoduje s výškou náboje 5. Ústí lopatky 6 je uzavřeno čtvrtou vydutou stěnou, která zabraňuje pronikání vlhkosti dovnitř lopatky. Popisovaná větrná turbína je opatřena lineárním generátorem elektrického proudu. Po obvodu náboje 5 jsou rozmístěny permanentní magnety 9, stator 4 je osazen po obvodu cívkami 10, které jsou určeny k součinnosti s magnety 9, Cívky 10 jsou jednotlivě propojeny se sběrnou a řídicí jednotkou H. Součástí řídicí jednotky 11 je spínací blok k zapojování jednotlivých cívek 10. Je řízen otáčkami rotoru 1.

Tvar rotoru 1 je z aerodynamického hlediska navržen tak, aby lopatky 6 optimálně využívaly proudění větru a přitom aby turbína jako celek byla odolná proti poryvům větru resp. větrné smršti. Otáčení rotorů 1 v opačném směru kompenzuje dynamické účinky působící na osu rotace a tím na stožár. Permanentní magnety 9 konají při otáčení rotorů 1 kruhovou dráhu kolem cívek 1 na statoru 4 a indukují v nich proud za předpokladu, že je příslušná cívka zapojena do obvodu se sběrnou a řídicí jednotkou 11.. V takovém případě je magnet 9 při průchodu kolem cívky 10 brzděn a cívka dodává do sběrné a řídicí jednotky 11 elektrický proud. Sběrná a řídicí jednotka 11 obsahuje spínací blok, který je ovládán otáčkami rotoru L Se stoupajícími otáčkami spínací blok zapojuje stále větší počet cívek 9, zvyšuje se elektrický výkon, ale zároveň se tím v důsledku brzdného efektu reguluje otáčení rotoru I. Při klesajících otáčkách naopak dochází k odpojování cívek 10. Ze sběrné a řídicí jednotky 11 je proud odváděn do akumulátoru 12 nebo do měniče napojeného na síť. Turbína nevyžaduje brzdné ústroji. Má-li dojít k zastavení rotorů 1, zapojí spínací blok všechny cívky 10, což zajistí dostatečný odpor proti otáčení.

Čočkovitý tvar turbíny podle obr. 1 je ideální z hlediska obtékání proudícím mediem, které převádí svou kinetickou energii na lopatky. Předností kompozitního materiálu je rezistence proti korozi, nízká výrobní cena, vysoká odolnost a životnost a úplná absence jakékoliv údržby. Lineární generátor nevyžaduje běžné elektrické sběrné zařízení, s jeho typickými nevýhodami. Ve srovnání s vrtulovými větrnými elektrárnami stroj nepotřebuje elektrickou energii pro pohon svých vnitřních systémů - k natáčení a brzdění. Výkon stroje lze zvyšovat zvětšováním jeho průměru; až pokud to dovolí jeho statická pevnost.

Claims

Patentové nároky

1. Větrná turbína se svislou osou otáčení, která je tvořena alespoň jedním rotorem a generátorem elektrického proudu, vyznačující se tím, že její rotor (1) sestává !

z dutého náboje (5) ve tvaru kulového vrchlíku a na něm upevněných lopatek (6) H-uriv ^ dutých těles s vodorovnou základnou (7),^Vvnitřní stěnou kopírující tvar náboje (5) a vnější vybočující stěnou (8) ve tvaru sféroidní nebo paraboloidní plochy, přičemž ústí lopatky (6) leží v rovině v podstatě svislé a výška lopatky (6) se v podstatě shoduje s výškou náboje (5).
2. Větrná turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že ústí lopatky (6) je uzavřeno vydutou čtvrtou stěnou.
3. Větrná turbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím/po obvodu náboje (5) jsou rozmístěny permanentní magnety (9), na pevné ose (2) otáčení rotoru (1) je upevněn kruhový stator (4) souosý s rotorem (1), osazený po obvodu cívkami (10) určenými k součinnosti s magnety (9), přičemž cívky (10) jsou propojeny se sběrnou a řídicí jednotkou (11).
4. Větrná turbína podle nároku 3_zvyznačující se tím, že součástí sběrné a řídicí jednotky (11) je spínací blok k zapojování jednotlivých cívek (10), řízený otáčkami rotoru.
5. Větrná turbína podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že je tvořena dvěma protiběžnými rotory (1) umístěnými po obou stranách statoru (4).
6. Větrná turbína podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že rotor (1) je slepen z prvků vytvořených z kompozitního materiálu.