PL218215B1 - Turbina wiatrowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa o osi obrotu prostopadłej do kierunku wiatru, z rotorami Flettnera o osiach równoległych do osi obrotu turbiny, przeznaczona do wytwarzania energii elektrycznej.

Znana jest turbina wiatrowa typu HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbine) o osi obrotu równoległej do kierunku wiatru, z rotorami Flettnera, czyli wiatrak Flettnera (publikacja DE102005001235A1). Znane i wykorzystane w technice, głównie do napędu statków, jest wytwarzanie przez rotor siły skierowanej prostopadle do kierunku wiatru i do osi rotora - wskutek różnicy ciśnień po bokach rotora (efekt Magnusa).

Znana jest również z publikacji nr PCT/DE2006/002280 {WO2007/076825} turbina wiatrowa typu VAWT z rotorami Flettnera, które po stronie zawietrznej turbiny obracają się w innym kierunku, niż po stronie nawietrznej.

Znane są także inne podobne rozwiązania, w których rotory Flettnera nie obracają się po stronie zawietrznej albo są wtedy zasłonięte przez specjalne elementy zasłaniające (publikacja nr JP2008175070), poruszają się na specjalnych wagonikach (publikacja m DE000004033078A1) albo specjalny mechanizm odwraca rotory o 180° (według publikacji nr DE102010026706A1). W większości znanych rozwiązań występuje centralny element konstrukcyjny w kształcie walca, który pełni rolę wału (ang. shaft) służącego do przenoszenia mocy na generator energii elektrycznej (np. publikacje nr JP2008175070 oraz nr BE000000898634A5).

Najnowsze znane rozwiązanie według publikacji nr DE 102010008061 A1 {US 2011/0198857 A1} zawiera rotory poruszające się wzdłuż płyty nachylonej względem poziomu i powracające po zawietrznej stronie płyty na łożyskach przymocowanych do paska zębatego. Ruch wirowy rotorów zapewnia nieruchomy pasek zębaty, po którym toczą się koła zębate zamocowane na osiach rotorów.

Turbina wiatrowa według wynalazku składa się z korpusu obrotowego, na obwodzie którego znajdują się wspomniane rotory Flettnera, centralnego rotora Flettnera umieszczonego w środku, bardzo blisko obwodowych rotorów Flettnera, obracającego się w kierunku przeciwnym - przy czym wartości prędkości ruchu powierzchni bocznych centralnego rotora Flettnera (6) i obwodowych rotorów Flettnera (7) względem obrotowego korpusu turbiny (2, 3) są jednakowe, oraz z podstawy (wieży) z pionową osią, zapewniającą łożyskowanie korpusu obrotowego i centralnego rotora Flettnera. Podstawa zawiera stacjonarne koło zębate sterujące przekładniami napędu obwodowych rotorów Flettnera i centralnego rotora Flettnera oraz wspomniane przekładnie, jak również prądnicę z przekładnią i elementami układu elektrycznego oraz pozostałe urządzenia sterujące. Kierunek wiatru nie ma wpływu na pracę turbiny.

Rozwiązanie według wynalazku powinno zapewnić dobre wykorzystanie energii wiatru, a także mniejsze zagrożenie dla ptaków i prawdopodobnie mniejszy hałas niż konwencjonalne urządzenia przeznaczone do tego celu. Zwarty szereg urządzeń według wynalazku stanowi skuteczny ekran chroniący przed wiatrem ze stałego (w pewnych granicach) kierunku.

Konstrukcja turbiny zgodna z tym rozwiązaniem nie wymaga zatrzymywania ruchu wirowego rotorów Flettnera, zmiany kierunku wirowania ani zmiany położenia rotorów (istotna strata energii), instalowania osłon / płaszczyzn kierujących i mechanizmu ich ustawiania, ani też ruchu rotorów po torach innych niż okrąg (co również wymaga skomplikowanego mechanizmu).

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie rozmieszczenie elementów turbiny, a fig. 2 - schemat napędu elementów wirujących występujących w tym przykładzie.

Na rysunku fig. 1 korpus obrotowy turbiny, zamontowany na podstawie (wieży) 1, składa się z dwu tarcz: dolnej 2 i górnej 3 (która została pokazana jako przezroczysta celem poprawienia czytelności rysunku). Tarcze są połączone wałem w postaci rury 4, łożyskowanym na dole i na górze na osi 5, zamocowanej nieruchomo w podstawie. Oś nie wymaga podparcia na górnym końcu - przy czym możliwe są inne rozwiązania.

Wewnątrz korpusu obrotowego znajduje się centralny rotor Flettnera 6 oraz sześć obwodowych rotorów Flettnera 7 o osiach ułożyskowanych w tarczach. Rotory obwodowe są rozmieszczone na obwodzie korpusu równomiernie, w wystarczającej odległości od siebie, zapewniającej niezakłócone tworzeme ruchomych warstw powietrza przy powierzchni rotorów.

Oś korpusu obrotowego turbiny jest ustawiona pionowo, a więc prostopadle do kierunku wiatru. W czasie pracy (po rozruchu) korpus obraca się. Obwodowe rotory Flettnera wirują w tym samym kiePL 218 215 B1 runku, ale ze znacznie większą prędkością - taką by prędkość liniowa na powierzchni rotora była przynajmniej cztery razy większa od największej przewidywanej użytecznej prędkości wiatru. Taka prędkość jest wymagana dla osiągnięcia pełnej efektywności rotorów. Wiatr (z dowolnego kierunku) oddziałuje równocześnie na przynajmniej dwa rotory i generuje siłę w kierunku obwodowym korpusu obrotowego. Po zawietrznej stronie korpusu obrotowego powietrze nie przemieszcza się w kierunku promieniowym.

Umieszczony pomiędzy obwodowymi rotorami Flettnera centralny rotor Flettnera 6 obraca się w kierunku przeciwnym, niż cały korpus wraz z obwodowymi rotorami Flettnera. Rotor ten ma wspólną oś obrotu z korpusem i w wybranym wariancie jest łożyskowany na zewnątrz wału 4 (będącego częścią korpusu). Centralny rotor Flettnera ma średnicę taką jak obwodowe rotory Flettnera lub większą, a odległość między nim a każdym obwodowym rotorem Flettnera wynosi korzystnie od 0,01 do 0,05 średnicy obwodowego rotora Flettnera, wskutek czego ruchoma warstwa powietrza pomiędzy centralnym rotorem Flettnera a obwodowym rotorem Flettnera jest jednolita. Obwodowe rotory Flettnera mogą posiadać na obu końcach kołnierze (zapobiegające ześlizgiwaniu się warstwy powietrza z końców), które mogą zachodzić na rotor centralny z góry i z dołu. Prędkość obrotowa rotora centralnego jest odpowiednio zaprojektowana, by jego powierzchnia boczna poruszała się z taką samą prędkością liniową, co powierzchnia rotora Flettnera (przy jednakowych średnicach obroty będą takie same), aby nie zwiększać tarcia warstwy powietrza. Sam ruch centralnego rotora Flettnera powoduje dodatkowe zwiększenie różnicy ciśnień po bokach rotora, wynikającej z efektu Magnusa. Ponadto w rozwiązaniu wariantowym centralny rotor Flettnera ma klapy otwierające się do wewnątrz lub otwory wpuszczające część przepływającego powietrza do jego wnętrza. Wtedy końce tego rotora powinny umożliwiać jego odpływ (konstrukcja szprychowa).

Jak pokazano na rysunku fig. 2, przedstawiającym schemat napędu, obwodowe rotory Flettnera 7 są napędzane od stacjonarnego koła zębatego 8, podczas pracy zablokowanego nieruchomo, współpracującego z zębnikami 9 na osiach obwodowych rotorów Flettnera.

Napęd centralnego rotora Flettnera 6 odbywa się - jak pokazano na rysunku fig. 2 - od przynajmniej jednego z obwodowych rotorów Flettnera 7 za pośrednictwem przekładni zębatej 10. Rozruch turbiny następuje za pomocą silnika elektrycznego małej mocy 11 - jak pokazano na rysunku fig. 2 - połączonego przekładnią zwalniającą 12 z kołem stacjonarnym 8, obracającego to koło w kierunku przeciwnym do obrotów korpusu obrotowego, co spowoduje wirowanie obwodowych rotorów przy stojącym korpusie obrotowym. Silnik elektryczny 11 - w wariancie rozwiązania - obraca tylko sam centralny rotor Flettnera 6 przez mechanizm wolnego koła, co powinno spowodować różnicę ciśnień między stronami każdego obwodowego rotora Flettnera wystarczającą do rozruchu turbiny na biegu jałowym.

W innym wariancie realizacji turbiny według wynalazku wykorzystuje się typową wieżę wiatraka jako konstrukcję wsporczą, ustawiając korpus obrotowy poziomo, ale prostopadle do kierunku wiatru. Kąt między osią obrotu obrotowego korpusu turbiny a płaszczyzną poziomą wynosi w różnych wariantach od 0° do 90°. Na odległym końcu osi umieszczono łożysko wsporcze, zamontowane w wysięgniku połączonym z obrotowym wierzchołkiem wieży. W innym wykonaniu zamontowano dwa korpusy obrotowe na przeciwległych stronach obrotowej części wieży.

Z typowego rozwiązania elektrowni wiatrowej wykorzystuje się jeszcze mechanizm ustawiający turbinę (umieszczoną poziomo) w stosunku do kierunku wiatru, prądnicę z przekładnią (możliwa zmiana przełożenia) i dalsze elementy instalacji elektrycznej.

Całość zagadnień napędu elementów i rozruchu turbiny pozwala się rozwiązać w dowolny inny sposób, według stanu techniki. Tytułem przykładu - przeniesienie napędu korzystnie odbywa się najpierw z korpusu obrotowego na centralny rotor Flettnera za pomocą przyspieszającej przekładni planetarnej, a dalej na obwodowe rotory Flettnera za pomocą przekładni pasowej.

Turbina usytuowana pionowo nie wymaga mechanizmu ustawiającego ją według kierunku wiatru.

Claims (11)

1. Turbina wiatrowa o osi obrotu prostopadłej do kierunku wiatru, z rotorami Flettnera o osiach równoległych do osi obrotu turbiny, rozmieszczonymi w obrotowym korpusie turbiny, posiadająca centralny rotor Flettnera umieszczony pomiędzy obwodowymi rotorami Flettnera, obracający się w kierunku przeciwnym niż kierunek obrotu obrotowego korpusu turbiny i obwodowych rotorów Flettnera, znamienna tym, że wartości prędkości ruchu powierzchni bocznych centralnego rotora Flettnera (6) i obwodowych rotorów Flettnera (7) względem obrotowego korpusu turbiny (2, 3) są jednakowe.

PL 218 215 B1

2. Turbina wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że minimalna odległość między powierzchniami obwodowego rotora Flettnera (7) i centralnego rotora Flettnera (6) wynosi od 0,01 do 0,05 średnicy obwodowego rotora Flettnera.

3. Turbina wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że centralny rotor Flettnera (6) posiada otwory przykryte ruchomymi klapami, które otwierają się do jego wnętrza w chwili przechodzenia przez obszar podwyższonego ciśnienia przy powierzchni tego rotora.

4. Turbina wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że w jej podstawie znajduje się nieruchome koło stacjonarne (8), o osi obrotu wspólnej z korpusem obrotowym, sterujące przekładniami napędu obwodowych rotorów Flettnera (7) i centralnego rotora Flettnera (6).

5. Turbina wiatrowa według zastrz. 4, znamienna tym, że każdy z obwodowych rotorów Flettnera (7) posiada napęd - za pośrednictwem przekładni - od koła stacjonarnego (8), wykorzystujący jego ruch pozorny względem korpusu obrotowego.

6. Turbina wiatrowa według zastrz. 4, znamienna tym, że centralny rotor Flettnera (6) posiada napęd - za pośrednictwem przekładni - od koła stacjonarnego (8), wykorzystujący jego ruch pozorny względem korpusu obrotowego.

7. Turbina wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że nadanie obrotów centralnemu rotorowi Flettnera (6) powoduje przepływ powietrza między centralnym rotorem Flettnera a obwodowymi rotorami Flettnera (7) i różnicę ciśnień powietrza po obu bokach każdego obwodowego rotora Flettnera, co wykorzystuje się do rozruchu turbiny.

8. Turbina wiatrowa według zastrz. 5, znamienna tym, że nadanie obrotów kołu stacjonarnemu (8) powoduje wirowanie obwodowych rotorów Flettnera (7), co wykorzystuje się do rozruchu turbiny.

9. Turbina wiatrowa według zastrz. 1, znamienna tym, że oś korpusu obrotowego jest umieszczona pod kątem od 0° do 90° względem poziomu.

10. Turbina wiatrowa według zastrz. 9, znamienna tym, że jej konstrukcja wsporcza podpiera oba końce wału napędowego.

11. Turbina wiatrowa według zastrz. 10, znamienna tym, że posiada podwójny korpus obrotowy, którego dwie części są umieszczone na jednej osi, po obu stronach konstrukcji wsporczej.