CZ29348U1 - Větrná turbína se svislou osou otáčení a větrná elektrárna tvořená těmito turbínami - Google Patents

Description

Větrná turbína se svislou osou otáčení a větrná elektrárna tvořená těmito turbínami

Oblast techniky

Technické řešení 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 zasahuji až za střed rotoru, a tak umožňují průtok média mezi jejich zadními stranami. Osa otáčení je kolmá na směr prouděni. Savoniova turbína je poměrně jednoduchá na výrobu, má však malou účinnost. Nevýhodou ve dvoulopatkovém provedeni je existence mrtvého úhlu.

Darrieova turbína pracuje na vztlakovém principu. Její účinnost se běžně uvádí v rozsahu 35 až 38 %, 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.

Technické řešení 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.

Podstata technického řešení

Uvedený úkol plní větrná turbína 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. 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 rozděleného na úseky, přičemž první úsek křivky vycházející z koncového bodu, odpovídajícího náporové hraně lopatky, je přímý a kolmý na spojnici koncových bodů, 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 RU = 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 křivky.

Vodorovný řez rozváděči lopatkou (4) statoru (3) má s výhodou tvar segmentu kružnice o poloměru R = B /1,08 až 1,14, kde B je vzdálenost mezi koncovými body 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 tvořena konfigurací alespoň dvou popsaných turbín postavených ve vzájemném odstupu a propojených svislou konstrukcí.

- 1 CZ 29348 Ul

K vyššímu výkonu může přispět, jsou-li solární moduly 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 výkresů

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresů, na nichž obr. 1 představuje axonometrický pohled na výhodné provedení větrné turbíny podle vynálezu, obr. 2 je 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 technického řešení

Větrná turbína se svislou osou otáčení, jejíž základní provedení je na obr. 1 a 2, má válcovitý rotor 1 opatřený protáhlými vyhnutými lopatkami 2, který je propojen s rotorem elektrického generátoru. Rotor I je otočně uložen ve věnci statoru 3 opatřeném protáhlými vyhnutými rozváděčům 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 technického řešení 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, jejichž přímá spojnice má délku A. V prvním koncovém bodu X, odpovídajícím náporové hraně lopatky 2, je křivka nasazena kolmo na spojnici přímým úsekem. Ten přechází do úseku se zaoblením o poloměru RI = A / 3,8, jenž dále přechází do úseku se zakřivením o poloměru RII = A / 2,7. Zakřivení zbývajícího úseku křivky činí RIII = A/0,5.

Geometrie rozváděči lopatky 4 je odlišná. Vodorovný řez rozváděči lopatkou 4 u příkladného provedení turbíny má tvar segmentu kružnice, jehož koncové body V, Z koincidují s koncovými body úsečky o délce B. Přitom poloměr kružnice činí R = B / 1,11.

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 I umístěné nad sebou jsou upevněny na jednom hřídeli propojeném s rotorem elektrického generátoru.

Z hlediska využití energie větru je výhodné, je-li turbína součástí konfigurace 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 jsou lopatky 2 i rozváděči lopatky 4 jednoho z obou prvků turbíny osazeny v rotoru 1 resp. statoru 3 obráceně, tj. zrcadlově symetricky. To znamená, že se rotory I otáčejí v opačném smyslu. Hřídel horního rotoru pak souose prochází dutým hřídelem spodního

-2CZ 29348 Ul rotoru. Přitom jeden z hřídelů je propojen s rotorovým dílem elektrického generátoru a druhý se statorovým dílem generátoru. Rotorový a statorový díl 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 ms'¹. Její instalace je vhodná zejména v regionech s nízkou rychlostí větrů.

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

K vytvoření větrné turbíny byly její modely testovány ve větrném tunelu v mnoha variantách geometrie a uspořádám lopatek rotoru, jakož i s různými konfiguracemi svislých lišt a límců. U každého provedení byla měřena účinnost jako poměr cp mezi elektrickým výkonem snímaným na generátoru a energií větru protékajícího profilem turbíny.

c_P = P/P_w, kde P je elektrický výkon [W] a P_wje výkon větru [W],

Přitom P_w = 1/2 Pl · A_R · v³^ kde p_L je hustota vzduchu [kg/m³], AR je plocha profilu rotoru ve směru větru [m²] a vw rychlost větru [m/s].

Při p_L 1,124 kg/m³, vw 12 m/s a AR 2,56 m² - profilová plocha byla 1,6 · 1,6 = 2,25 m² - vychází Pw = 2,486 W.

Cp = P/P_w pak vychází c_P = 0,539. Účinnost turbíny je tedy 53,9 %.

Větrná turbína 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 ms'¹. Konstrukce turbíny jakožto stavebního prvku umožňuje stavbu větrné elektrárny kombinující různé vertikální a horizontální sestavy a tím zřízení libovolného instalovaného výkonu.

Claims (5)

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 dále plynule přechází do druhého úseku o poloměru RI = A / 3,7 až 3,9, jenž přechází do třetího úseku se zakřivením

-3CZ 29348 Ul o poloměru RII = A / 2,6 až 2,8 a ten přechází do čtvrtého úseku se zakřivením RDI = 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

5 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.

ío

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. Větrná elektrárna podle nároku 4, vyznačující se tím, že svislé konstrukce (7) jsou osazeny solárními moduly (8).

15 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.