LV14328B - Vertikālas rotācijas ass vēja turbīna - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Tehnikas joma

Izgudrojums attiecas uz enerģētiku un vēja turbīnu nozari, it sevišķi uz vertikālas ass vēja turbīnām, kuras var pielietot vēja enerģijas pārveidošanai citos enerģijas veidos.

Tehnikas līmenis

Atjaunojamo, ekoloģiski tīru enerģijas avotu, tajā skaitā vēja enerģijas, izmantošanas problēmas jau ilgu laiku uztrauc cilvēci.

Ir zināmas vairākas iekārtas vēja enerģijas pārveidošanai mehāniskajā un elektriskajā enerģijā. Par vienu no perspektīvākajiem šādu iekārtu paveidiem tiek uzskatītas vertikālas ass vēja turbīnas, t.i. turbīnas, kuru rotācijas ass ir būtībā perpendikulāra vēja plūsmai (patents US 1835018). Šādu vēja turbīnu priekšrocības salīdzinājumā ar horizontālas ass vēja turbīnām (t.i. turbīnām, kuru rotācijas ass ir izvietota horizontāli) ir tādas, ka vertikālas ass vēja turbīnas nav nepieciešams pastāvīgi novirzīt pret vēju, ka elektroģeneratori un ātrumkārbas var tikt novietotas tuvāk zemei, kas palielina šo iekārtu drošību un ļauj izmantot iekārtas ar vienkāršu konstrukciju, samazinot to ekspluatācijas izmaksas. Tomēr vertikālas ass vēja turbīnām ir arī daži trūkumi, viens no kuriem ir tas, ka diametrāli pretējās rotora daļās novietotas turbīnas lāpstiņas notver vēju vienlaicīgi, tādejādi vēja plūsma gan darbojas turbīnas rotācijas virzienā, gan arī pretējā virzienā, radot tā saukto pretspiedienu, kas samazina turbīnas griešanās ātrumu un arī iekārtas energoefektivitāti.

Vairāki izgudrotāji piedāvā tehniskus risinājumus minētās problēmas risināšanai, piedāvājot izmantot vertikālas ass vēja turbīnu, kas sastāv no divām daļām - rotējošās daļas (rotora) ar turbīnas lāpstiņām vēja notveršanai un nekustīgās, pasīvās daļas, kas aizsedz «neefektīvo” rotora daļu (t.i. turbīnas lāpstiņas, kuras atrodas tādā pozīcijā, kurā vēja plūsmas enerģija darbotos turbīnas rotācijas virzienam pretējā virzienā) un novirza vēju uz rotora «efektīvo” daļu, novēršot pretspiedienu, kā arī paātrinot vēja plūsmu (starptautiskie patenta pieteikumi WO 2009003537, WO 2004018872, WO 2006132923, Eiropas patenta pieteikums EP 0957265).

Ir zināmas vertikālas ass vēja turbīnas (patenta pieteikums US 2002109358, publicēts 15.08.2002, SKI - F03D9/00 un patenta pieteikums US 2003209911, publicēts 13.11.2003, SKI - H02P9/04). Iekārtas ietver rotora/statora kombināciju, kas paaugstina enerģijas ražošanu, palielinot vēja ātrumu un spiedienu, kā arī novēršot pretspiedienu. Stators ietver daudz vertikālu lāpstiņu, kas tangenciāli fiksētas ap rotora mezglu tā, lai vēja plūsma, kas rotoram rada dzinējspēku, nav ierobežota, turpretim vēja plūsma, kas var bremzēt rotora kustību, t.i. radīt pretspiedienu, ir bloķēta. Šo zināmo iekārtu galvenais trūkums ir liela materiālietilpība un relatīvi augsta pašizmaksa.

Ir zināma torņveida vertikāla vēja turbīna (patenta pieteikums DE 3631709, publicēts 24.03.1988, SKI - F03D3/04). Iekārta ietver torni ar tās augšējā daļā uz vertikālas vārpstas uzstādītu turbīnas riteni, kas ir aprīkots ar vertikālām lāpstiņām. Zināmā iekārta papildus ietver ārēju grozāmu apvalku, kas uzstādīts ar iespēju to pagriezt ap turbīnas riteni un nosedz daļu turbīnas riteņa, piemēram, pusi no tā diametra. Grozāmā apvalka griešanās notiek ar dzinēja palīdzību, turbīnas riteni daļēji atsedzot no aizvēja puses. Grozāmā apvalka griešanās tiek kontrolēta elektroniskā veidā atkarībā no vēja virziena. Turbīnas darba apturēšanai grozāmo apvalku uzstāda 90° leņķī pret vēja virzienu. Zināmās iekārtas galvenie trūkumi ir tās augstās ražošanas izmaksas, kas ir saistītas ar speciālā torņa celtniecību, kā arī augstas iekārtas uzturēšanas izmaksas, kas saistītas ar grozāmā apvalka griešanās mehānisma un turbīnas riteņa tehnisko apkalpošanu. Bez tam, kaut arī zināmais tehniskais risinājums ļauj novērst gaisa plūsmas pretspiedienu uz turbīnu, tomēr tas nenodrošina maksimāli efektīvu gaisa plūsmas savākšanu un novirzīšanu uz turbīnas lāpstiņām.

Izgudrojuma atklāšana

Izgudrojuma mērķis ir novērst iepriekšējā tehnikas līmeņa trūkumus, samazinot vertikālas ass vēja turbīnas ražošanas un ekspluatācijas izmaksas, kā arī palielinot iekārtas efektivitāti, nodrošinot maksimāli efektīvu vēja plūsmas notveršanu katrā brīdī un no jebkura virziena. Izvirzītais mērķis tiek sasniegts pateicoties piedāvātajai uzlabotai vertikālas rotācijas ass vēja turbīnas konstrukcijai, kas satur vertikāli novietotu rotācijas asi, uz ass uzstādītu rotoru, kurš ietver lāpstiņas, kas ir piemērotas vēja plūsmas notveršanai, un vēja no virzītāju, kas piemērots vēja plūsmas pretspiediena uz rotoru bloķēšanai un vēja plūsmas novirzīšanai uz rotora efektīvo daļu. Tālāk izgudrojuma būtība un tās vairākas izpausmes tiek paskaidrotas ar piemēriem un atsaucēm uz zīmējumiem.

īss zīmējumu apraksts:

Fig. 1 ir parādīta vertikālas ass vēja turbīnas principiālā shēma, skats no augšas;

Fig. 2 ir parādīts viena vertikālas ass vēja turbīnas varianta skats no augšas;

Fig. 3 ir parādīts viena vertikālas ass vēja turbīnas varianta skats [3/4];

Fig. 4 ir parādīts piedāvātās iekārtas uzstādīšanas veids uz daudzstāvu nama jumta.

Vertikālas ass vēja turbīna (Fig. 1-3) satur: rotācijas asi 1, kas ir novietota būtībā perpendikulāri vēja plūsmai un, vēlams, arī horizonta līnijai; uz ass 1 ar rotācijas iespēju ap to uzstādītu rotoru 2, kurš ir piemērots gaisa masas kustības kinētiskās enerģijas pārveidošanai griešanās kustībā un ietver karkasu, pie kura piestiprinātas optimāli 6-12 simetriski izvietotas \ertikālas lāpstiņas 3 (aerodinamiski rotora elementi), kas ir piemērotas vēja plūsmas notveršanai. Lāpstiņu skaits var būt atšķirīgs. Katra lāpstiņa 3 izvietota leņķī a pret rotora 2 pieskari, kur a =30-35°, vēlams - 32°. Lāpstiņu 3 vēlamais platums (L) ir 0,2 rotora 2 diametra (D). Lāpstiņas 3 var tikt veidotas no taisna profila materiāla, spārna formas aerodinamiska profila, piemēram, CH-10 NACA aerodinamiska profila vai cita profila materiāla. Šādi lāpstiņu 3 parametri un izvietojums ļauj panākt optimālu lāpstiņu 3 darbību gan vēja turbīnas cēlēj spēka, gan berzes režīmos.

Rotora 2 ass 1 ir piemērota sajūgšanai vai savienošanai ar vismaz vienu elektroģeneratoru (ar vai bez reduktora) rotora 2 griešanās kustības kinētiskās enerģijas pārveidošanai elektriskajā enerģijā.

Vertikālas ass vēja turbīna papildus satur vēja novirzītāju 4, kas ietver divus savstarpēji savienotus un simetriski pret rotācijas asi 1 uzstādītus elementus 5, kas ir uzstādīti tā, lai var nodrošināt vēja novirzītāja 4 no rotora 2 neatkarīgu rotāciju ap asi 1. Elementiem 5 ir stūreņa vai lokveida profils, kurš ietver divas vertikālas plaknes (divas izliektas plaknes daļas): pirmo un otro. Elementi 5 ar stūreņu iekšpusi ir vērsti pret rotācijas asi 1, pie tam elementu 5 pirmās plaknes ir vērstas pretējās pusēs tā, lai vēja novirzītāja 4 rotācijas laikā minētās pirmās plaknes virzītos vienā virzienā. Elementa 5 pirmās plaknes leņķis (c) attiecībā pret rotora 2 rādiusu ir 40-60°, vēlams - 50°, bet otrās plaknes leņķis (b) attiecībā pret rotora 2 rādiusu ir 70-90°, vēlams - 80°, pie kam vēlamā attiecība c/b ir 0,625. Elementa 5 otrās plāksnes platuma (F) attiecība pret pirmās plāksnes platumu (E) ir 1-1,5, vēlams -1,5, bet otrās plāksnes platums (F) ir vienāds 0,6 no rotora 2 diametra (D).

Elementu 5 augstums ir vienāds ar lāpstiņu 3 augstumu vai ir nedaudz lielāks par to. Vēja novirzītāja 4 „lejasstraumes” gala pieskare, vēlams, veido 15° leņķi ar sekojošo rotora 2 lāpstiņu 3 apakšējo normāli.

Šāda vēja novirzītāja 4 konstrukcija gaisa plūsmas ietekmē ļauj tam pašam nostāties pozīcijā, kas aizsedz vismaz 56% rotora 2 aktīvā laukuma, kas nodrošina rotora 2 neefektīvās daļas aizsegšanu (t.i. novērst pretspiedienu), kā arī papildu vēja plūsmas savākšanu un novadīšanu uz lāpstiņām 3, tādējādi nodrošinot maksimāli efektīvu gaisa plūsmas notveršanu katrā laikā brīdī, no jebkura virziena un palielinot rotora 2 apgriezienu skaitu un iekārtas kopējo jaudu. Vēja novirzītājs 4 efektīvi darbojas ar diviem elementiem 5, kas atšķirībā no statiskajiem cita veida gaisa plūsmas novirzītājiem, kas izvietoti pa visu perimetru, nodrošina mazu materiālietilpību.

Labākajā izgudrojuma realizācijas variantā rotors 2 un vēja novirzītājs 4 ir uzstādīti uz magnētiskā spilvena - diviem spēcīgiem, ar vienādiem poliem pretēji izvietotiem pastāvīgajiem magnētiem (piemēram, Nd-B-Fe magnētiem), kas uzstādīti zem ass 1 un kuru atgrūšanās magnētiskais spēks kompensē rotora 2, ass 1 un vēja novirzītāja 4 radīto smaguma spēku, tādējādi panākot minimālu aksiālu slodzi uz gultņiem, kas savukārt samazina nelietderīgos berzes zudumus piedāvātās iekārtas rotējošajos elementos palielina turbīnas enerģētisko efektivitāti, kā arī paildzina iekārtas elementu kalpošanas ilgumu un samazina iekārtas ekspluatācijas izdevumus.

Piedāvāto iekārtu uzstāda vēja zonā, piemēram, uz daudzstāvu ēkas jumta (Fig.4), torņa vai masta. Iekārta darbojas šādi: rotora 2 lāpstiņas 3 notver vēju, kas ļauj rotoram 2 griezties un tādējādi pārveidot gaisa masas kustības kinētisko enerģiju griešanās kustībā. Gaisa plūsmas ietekmē un atkarībā no vēja virziena vēja novirzītājs 4 spontāni iestājas tādā pozīcijā, kas aizsedz aktīvo laukumu, kas nodrošina rotora 2 neefektīvās daļas aizsegšanu, tādējādi novēršot pretspiedienu. Rotora 2 griešanās kustības kinētiskā enerģija ar elektroģeneratoru tiek pārveidotā elektriskajā enerģijā.

Claims (8)

1. Pretenzijas

   1. Vertikālas rotācijas ass vēja turbīna, kas satur:

   - rotācijas asi (1), kas ir novietota būtībā perpendikulāri vēja plūsmai un, vēlams, arī horizonta līnijai,

   - uz ass (1) ar rotācijas iespēju ap to uzstādītu rotoru (2), kurš ietver simetriski izvietotas lāpstiņas (3), kas ir piemērotas vēja plūsmas notveršanai; ass (1) ir piemērota savienošanai vai sajūgšanai ar līdzekļiem rotora (2) griešanās kustības kinētiskās enerģijas pārveidošanai elektriskajā enerģijā,

   - vēja novirzītāju (4), kas piemērots vēja plūsmas pretspiediena uz rotoru (2) bloķēšanai, kas atšķiras ar to, ka vēja novirzītājs (4) ietver divus savstarpēji savienotus un simetriski pret rotācijas asi (1) uzstādītus stūreņa tipa profilelementus (5) vai plāksnes, kas ir savienotas stūreņa formā, pie kam minētie elementi (5) vai plāksnes ir uzstādītas tā, ka nodrošina vēja novirzītajā (4) no rotora (2) neatkarīgu rotāciju ap asi (1); elementi (5) ar stūreņu iekšpusi ir vērsti pret rotācijas asi (1) un ietver divas vertikālas plaknes: pirmo un otro, pie tam visu elementu (5) minētās pirmās plaknes ir pretēji vērstas tā, lai vēja novirzītāja (4) rotācijas laikā minētās pirmās plaknes virzītos vienā virzienā; elementu (5) pirmās plaknes leņķa c lielums attiecībā pret rotora (2) rādiusu ir robežās no 40 līdz 60°, vēlams - 50°, minētās otrās plaknes leņķa b lielums attiecībā pret rotora (2) rādiusu ir robežās no 70° līdz 90°, vēlams - 80°, pie tam vēlamā attiecība c/b ir 0,625, un otrās plāksnes platums F ir 0,6 no rotora (2) diametra D.
2. 2. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka lāpstiņām (3) ir spārna formas aerodinamisks profils vai taisns profils.
3. 3. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka elementiem (5) ir lokveida profils.
4. 4. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka lāpstiņas (3) ir izvietotas leņķī a pret rotora (2) pieskari, kur a ir robežās no 30° līdz 35°, vēlams 32°.
5. 5. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka lāpstiņu (3) platums L ir 0,2 no rotora (2) diametra D.
6. 6. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka vēja novirzītāja (4) lejasstraumes gala pieskare ar sekojošo rotora (2) lāpstiņu (3) apakšējo normāli veido 15° leņķi.
7. 7. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka rotors (2) un vēja novirzītājs (4) ir uzstādīti uz magnētiskā spilvena diviem spēcīgiem, ar vienādiem poliem pretēji izvietotiem pastāvīgajiem magnētiem, kuru atgrūšanās magnētiskais spēks kompensē rotora (2), ass (1) un vēja novirzītāja (4) radīto smaguma spēku.
8. 8. Vertikālas ass vēja turbīna saskaņā ar jebkuru no 1. līdz 3. pretenzijai, kas atšķiras ar to, ka elementa (5) otrās plāksnes platuma F attiecība pret pirmās plāksnes platumu E ir robežās no 1 līdz 1,5, labāk - 1,5.