PL204631B1 - Siłownia wiatrowa do pozyskiwania energii - Google Patents

Description

Przedmiot wynalazku dotyczy siłowni wiatrowej do pozyskiwania energii, wyposażonej w wirnik przepływowy o przepływie osiowym, osadzony obrotowo na wale, zaopatrzony w łopatki wirnikowe i urządzenie kierujące, przyspieszające strumień powietrza przepływający przez wirnik.

Znane konstrukcje siłowni wiatrowych są wyposażone głównie w śmigłowe wirniki, które dla wytwarzania energii skierowane są zgodnie z kierunkiem, lub przeciwnie do kierunku wiatru. Znane wirniki posiadają również tę wadę, że ich rentowność, zwłaszcza przy małych prędkościach wiatru i przy mniejszych średnicach, jest skrajnie niska. Aby ten stan poprawić, zastosowano znane rozwiązanie (DE 33 23 200A), w którym powietrze doprowadzane jest do wirnika po przez kierownicę o kształcie leja. Kierownica ta ma kształt dyszy zwężającej się w kierunku koła wirnikowego, która powinna przyspieszać przepływ strumienia powietrza. Ta znana konstrukcja siłowni wiatrowej posiada jednak znaczne gabaryty budowlane, zwłaszcza długość, i dlatego właściwie nie może być stosowana w dużym zakresie na skalę handlową, zwłaszcza jako urządzenie stosowane u prywatnych wytwórców energii.

Zatem zadanie wynalazku polega na usunięciu tych braków i zaproponowaniu konstrukcji siłowni wiatrowej, typu opisanego na wstępie, która przetwarza energię pochodzącą z energii wiatru przy wysokiej sprawności i posiada zwartą budowę.

Wynalazek rozwiązuje to zadanie w ten sposób, że kierownica siłowni składa się z wielu kanałów przepływowych, zwężających się w kierunku przepływu, które rozłożone są na wieńcu wirnikowym, wokół wału, tak, że do łopatek wirnikowych w każdym przypadku przyporządkowany jest kanał przepływowy a wirnik posiada otaczający go płaszcz zewnętrzny.

Zasadniczy udział siłowni wiatrowej według wynalazku, w podwyższeniu sprawności sprowadza się do tego, że prawie cała powierzchnia podstawowa rzutu wirnika wykorzystuje strumień powietrza, w związku z czym wirnik posiada wiele kanałów przepływowych, przeznaczonych dla przepływu strumienia powietrza, rozmieszczonych wieńcowo wokół wału, przy czym pojedyncze kanały przyporządkowane są do poszczególnych łopatek wirnikowych. Każdy z kanałów przepływowych posiada zatem własną kierownicę, za pomocą której doprowadza on strumień powietrza do poszczególnych łopatek. Dzięki szczególnemu ukształtowaniu poszczególnych kanałów przepływowych i wyposażeniu urządzenia w otaczający go płaszcz zewnętrzny, zwiększa się dodatkowo ciśnienie spiętrzenia przed wirnikiem przepływowym, dzięki czemu powietrze przepływające przez wirnik jest dodatkowo przyspieszane. Łopatki wirnikowe mogą być przykładowo usytuowane w kanałach przepływowych i sięgać do zakończenia kanału, lub mogą wystawać na zewnątrz, poza zakończenie kanału przepływowego. Jeżeli wymagane jest pewne uproszczenie konstrukcji, można polecić rozwiązanie, w którym łopatki wirnikowe są ustawione za kanałem przepływowym.

Szczególnie korzystne proporcje przepływu uzyskuje się w przypadku siłowni wiatrowej, gdy kanały przepływowe ponownie rozszerzają się od miejsca przewężenia, przy czym poszczególne przekroje poprzeczne przepływu są następnie ukształtowane w postaci dyszy i w obszarze łopatek wirnikowych ustalona jest maksymalna prędkość przepływu. Aby siłownię wiatrową według wynalazku można było wykorzystywać dla dużego zakresu prędkości strumienia powietrza, łopatki wirnika są ukształtowane przestawnie, tak, że kąt nastawienia łopatek może być dopasowany do każdych warunków przepływu powietrza.

Według korzystnej postaci wykonania wynalazku, w kanałach przepływowych, przed łopatkami wirnikowymi usytuowane są ścianki kierownicze, które kierują przepływem powietrza w kierunku łopatek wirnikowych. Te ścianki kierownicze mogą być wykonane przykładowo w postaci ukośnie ustawionych szyn kierowniczych, które skierowują przepływ powietrza w kierunku środka kanału przepływowego.

Aby można było zapewnić możliwie stałą liczbę obrotów wirnika przy silnych porywach wiatru, wirnik może być wyposażony w osadzone współosiowo z nim koło zamachowe, połączone rozłącznie z wirnikiem za pomocą sprzęgła. I tak koło zamachowe podczas rozbiegu przykładowo jest odłączone od wirnika, aby zmniejszyć moment bezwładności i aby przyspieszyć proces rozbiegu, zwłaszcza przy słabej sile wiatru. Jeśli wirnik po pewnym czasie osiągnął już zakładaną, roboczą prędkość obrotową, koło zamachowe może być powoli zasprzęglane z wirnikiem i tym samym może pełnić ostatecznie funkcję akumulatora energii, wykorzystywaną do wyrównywania odchyleń od prędkości obrotowej. Wartość momentu bezwładności a zatem i zdolność wyrównania odchyleń prędkości obrotowej jest szczególnie wysoka, a możliwości konstrukcji szczególnie proste wtedy, gdy koło zamachowe usytuowane jest w płaszczu zewnętrznym wirnika.

PL 204 631 B1

Jeśli konieczne jest użytkowanie siłowni wiatrowej jako urządzenia przewoźnego, może ona być zbudowana na pojeździe nośnym. Pojazdem tym może być przykładowo koparka, na wysięgniku której montowana jest siłownia wiatrowa. W tym przypadku śledzenie wirnika za kierunkiem wiatru jest sterowane poprzez koło łańcuchowe pojazdu gąsiennicowego. Pojazd gąsiennicowy może łatwo i bez dodatkowych urządzeń wspomagających wjechać na trudno dostępne tereny.

Jeżeli sprawność siłowni wiatrowej zgodnej z wynalazkiem powinna być dalej podniesiona, wzgldnie energia wiatru będąca do dyspozycji powinna być lepiej wykorzystana, zaproponowano aby za wirnikiem umieścić osiowo przepływowy wirnik wspomagający, osadzony na dodatkowym wale. Wirnik wspomagający może być przykładowo wyposażony w konwencjonalny układ łopat śmigłowych, korzystnie osadzonych przestawnie, służących do dopasowania pracy urządzenia do określonych warunków.

Siłownia wiatrowa według wynalazku jest usytuowana albo na maszcie lub podobnej budowli wraz z poziomą osią obrotu, skierowaną przeciwnie do kierunku wiatru, albo wirnik o pionowej osi obrotu osadzony jest w wieży, posiadającej przestawną głowicę wieżową, współosiową z wirnikiem, wyposażoną w poziomo usytuowany, kątowy króciec dolotowy, zmieniający kierunek przepływu strumienia powietrza uderzającego o wirnik, wskutek czego również spadek ciśnienia między wierzchołkiem i podstawą wieży oraz między wlotem i wylotem może być wykorzystany do pozyskiwania energii. Jeśli prędkość wiatru powinna być dodatkowo zwiększona przy przepływie przez wirnik, korzystne jest rozwiązanie, w którym dysza dolotowa kątowego króćca wlotowego zwęża się w kierunku przepływu od strony wirnika. Aby, zgodnie z zapotrzebowaniem, można było uruchomić jako kierownicę dla drugiego koła albo wirnik, albo wirnik pomocniczy, zarówno wirnik, jak i wirnik pomocniczy wyposażony jest w urządzenie hamulcowe, za pomocą którego jedno albo drugie koło może być wyhamowane do stanu spoczynku.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia siłownię wiatrową według wynalazku, w widoku z przodu, fig. 2 - siłownię wiatrową z fig. 1, częściowo w przekroju wzdłużnym, częściowo w widoku z boku, fig. 3 - siłownię wiatrową z fig. 1 i 2 w widoku z tył u wraz z wirnikiem pomocniczym usytuowanym za wirnikiem, fig. 4 i 5 - wariant ukształ towania siłowni wiatrowej z fig 2 i 3 w widoku z przodu i z boku, fig. 6 - wykres przebiegu zmian prędkości i ciśnienia dla kanału strumieniowego, fig. 7 - ściankę kierującą, usytuowaną w kanale strumieniowym, fig. 8 - przykład wykonania łopatki wirnika, fig. 9 i 10 - siłownię wiatrową według wynalazku, usytuowaną w wieży w dwóch przekrojach wzdłużnych, fig. 11 i 12 - siłownię wiatrową z fig, 9 i 10, częściowo w przekroju, częściowo w widoku z góry, fig. 13 - przykład zabudowy siłowni wiatrowej z fig. 9 do 12, częściowo w przekroju wzdłużnym, częściowo w widoku z boku.

Siłownia wiatrowa 1 do uzyskiwania energii składa się zasadniczo z osiowego wirnika 4, zamocowanego na wale 2, wyposażonego w łopatki wirnikowe 3 z kierownicy 5, przyspieszającej przepływ powietrza przez wirnik 4. Kierownica 5 zmontowana jest z wielu kanałów przepływowych 6, zwężających się w kierunku przepływu. Kanały przepływowe 6 kierownicy 5 rozmieszczone są na wirniku 4, pierścieniowo wokół wału 2, aby można było wykorzystać cały strumień powietrza przepływający przez pole przekroju poprzecznego wirnika. Łopatki wirnikowe 3 w każdym przypadku usytuowane są za kanałem przepływowym 6 a wirnik 4 posiada płaszcz zewnętrzny 7, otaczający go od zewnątrz. Płaszcz zewnętrzny posiada kształt dyszy pierścieniowej, dzięki której powinno zwiększyć się ciśnienie spiętrzenia. Ukształtowane pierścieniowo kierownice 5 również zwiększają ciśnienie spiętrzenia. Za wirnikiem 4 usytuowany jest wirnik pomocniczy 18, osadzony na bliżej nie przedstawionym wale dodatkowym, podobnie jak wirnik 4 pracujący jako wirnik osiowy, służący do lepszego wykorzystania energii kinetycznej wiatru (fig. 3). Wirnik pomocniczy 18 napędza również generator.

Kanały przepływowe 6 rozszerzają się za zwężeniem ponownie. Dla zwiększenia stopnia wykorzystania siłowni wiatrowej 1, łopatki wirnikowe mogą mieć kształt nośnego profilu lotniczego. Korzystnie, łopatki wirnikowe rozmieszczone są między kanałami przepływowymi w kształcie dyszy, przy czym kanały przepływowe zwężają się między punktami m i n (fig. 8) i ostatecznie rozszerzają się ponownie. Łopatki wirnikowe 3 są ukształtowane w ten sposób, że mogą być dopasowane poprzez ich przestawianie do najczęściej występującej prędkości wiatru. W poszczególnych kanałach przepływowych, przed łopatkami wirnikowymi 3, mogą być usytuowane również ścianki kierujące 8. Ścianki kierujące 8 powinny wymuszać przepływ powietrza wewnątrz kanałów przepływowych 6, skierowany na łopatki wirnikowe.

Siłownia wiatrowa według wynalazku może być osadzona na ruchomym pojeździe nośnym 9, zgodnie z przykładem wykonania, przedstawionym na fig. 4 i 5, co zapewnia możliwość wykorzystania siłowni wiatrowej 1, jako urządzenia przewoźnego. Wirnik 4 zamocowany jest na wale, osadzonym obrotowo w obudowie 11 i poprzez przekładnię 10 i sprzęgło 12 połączonym z generatorem 13, dzięki

PL 204 631 B1 czemu energia kinetyczna wiatru przekształcana jest w energię elektryczną. Siłownia wiatrowa 1 zamontowana jest na wysięgniku 14 pojazdu gąsiennicowego 9. Siłownia wiatrowa 1 wyposażona jest w wieniec obrotowy 15, dzięki któremu siłownia wiatrowa może być automatycznie ustawiana, zależnie od kierunku wiatru, przykładowo poprzez silnik elektryczny, współpracujący z wieńcem obrotowym 15. Według fig. 2 i 3, siłownia wiatrowa 1 według wynalazku zamontowana jest na maszcie kratownicowym. Wirnik 3 posiada korpus wyporowy 17, usytuowany współosiowo z wałem 2, który jednocześnie tworzy piastę wykorzystywaną do obsadzenia wirnika 4, i wytwarza przepływ powietrza z wewnętrznego obszaru wirnikowego, w którym moc użyteczna, ze względu na niewielką odległość od osi obrotu byłaby bardzo mała, na zewnątrz, kanałami przepływowymi, prowadzącymi na zewnątrz, dzięki czemu dodatkowo zwiększa się ciśnienie spiętrzenia przed wirnikiem 4.

Według innych wariantów konstrukcyjnych, siłowni wiatrowej 1, zgodnej z wynalazkiem, wirnik 4 osadzony jest w wieży 20 za pomocą pionowej osi, która posiada głowicę wieżową 21, przestawną osiowo w stosunku do wirnika 4, wyposażoną w poziomo usytuowany kątowy króciec wlotowy 22, zmieniający kierunek strumienia przepływającego powietrza i kierujący go w stronę wirnika 4. Dysza dolotowa 23 króćca wlotowego 22 zwęża się przy wirniku w kierunku przepływu powietrza przepływającego przez króciec wlotowy 22 do wirnika 4. Strumień powietrza doprowadzany jest do wirnika 4 poprzez głowicę wieżową osadzoną na wieńcu obrotowym 24. Króciec wlotowy obraca się, śledząc kierunek wiatru, dzięki wieńcowi obrotowemu, na który oddziałuje silnik 25, sterowany czujnikiem kierunku wiatru 26, w zależności od kierunku wiatru, występującego w danej chwili. Głowica wieżowa 21 podparta jest na ścianach wieży, poprzez obsadę 27.

Wirnik 4 jest z jednej strony połączony z kołem zamachowym 28, usytuowanym w pobliżu podstawy wieży, a z drugiej strony z generatorem 29. Zgodnie z przykładem wykonania siłowni według wynalazku, napęd z wirnika do generatora 29 przenoszony jest za pomocą płaskiego pasa transmisyjnego 30, przewiniętego przez koło zamachowe 28. Powietrze wpływające do wieży 20 opuszcza wieżę w pobliżu jej podstawy poprzez króćce wylotowe 31. Przy wylotach króćców wylotowych 31 zainstalowane są zawory regulacyjne 32, służące do regulacji przepływu strumienia powietrza, przepływającego przez siłownię wiatrową. W przypadku, gdy teren, na którym osadzona jest siłownia wiatrowa według wynalazku, opada przynajmniej po jednej stronie wieży 20, króćce 31 mogą być usytuowane poniżej podstawy wirnika, (fig. 13) aby ewentualnie wykorzystać różnicę ciśnień występującą między dopływem i odpływem powietrza, do wytwarzania energii.

Claims (13)

1. Siłownia wiatrowa do pozyskiwania energii, wyposażona w wirnik przepływowy o przepływie osiowym, osadzony obrotowo na wale, zaopatrzony w łopatki wirnikowe, w urządzenie kierujące, przyspieszające strumień powietrza przepływający przez wirnik, znamienna tym, że kierownica (5) składa się z wielu kanałów przepływowych (6), zwężających się w kierunku przepływu, rozmieszczonych wieńcowo na wirniku (4), wokół wału (2), przy czym do każdej łopatki wirnikowej (3), przyporządkowany jest kanał przepływowy (6), a wirnik (4) posiada otaczający go, płaszcz zewnętrzny (7).

2. Siłownia według zastrz. 1, znamienna tym, że w każdym przypadku, łopatki wirnikowe (3) usytuowane są za kanałem przepływowym (6).

3. Siłownia według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że kanały przepływowe (6) w miejscu przewężenia rozszerzają się ponownie.

4. Siłownia według zastrz. 1 - 3, znamienna tym, że łopatki wirnikowe (3) ukształtowane są przestawnie.

5. Siłownia według zastrz. 1 - 4, znamienna tym, że w kanałach przepływowych (6), przed łopatkami wirnikowymi (3), usytuowane są ścianki kierujące (8).

6. Siłownia według zastrz. 1 - 5, znamienna tym, że wirnik (4) wyposażony jest w koło zamachowe (28), połączone rozłącznie za pomocą sprzęgła z wirnikiem (4).

7. Siłownia według zastrz. 6, znamienna tym, że koło zamachowe (28) usytuowane jest w płaszczu zewnętrznym (7).

8. Siłownia według zastrz. 1 - 7, znamienna tym, że jest siłownią przewoźną, zmontowana na pojeździe gąsiennicowym (9).

9. Siłownia według zastrz. 1 - 8, znamienna tym, że za wirnikiem (4) usytuowany jest wirnik pomocniczy (18), o przepływie osiowym zamocowany na dodatkowym wale.

PL 204 631 B1

10. Siłownia według zastrz. 9, znamienna tym, że wirnik pomocniczy (18) posiada przestawne łopatki wirnikowe.

11. Siłownia według zastrz. 1 - 10, znamienna tym, że wirnik (4) za pomocą pionowej osi osadzony jest w wieży (20) posiadającej przestawną głowicę wieżową (21), współosiową z wirnikiem (4), wyposażoną w poziomo usytuowany wlotowy króciec kątowy (22), zmieniający kierunek przepływu strumienia powietrza uderzającego o wirnik.

12. Siłownia według zastrz. 1 - 10, znamienna tym, że dysza dopływowa (23) króćca wlotowego (22), zwęża się w kierunku przepływu, przy wirniku (4).

13. Siłownia według zastrz. 1 - 10, znamienna tym, że wirnik (4) i/lub wirnik pomocniczy (18) wyposażone są w urządzenia hamulcowe.