PL219927B1 - Aktywny wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest aktywny wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru. Znajduje on zastosowanie przede wszystkim w silnikach wiatrowych.

Wiatraki zasadniczo dzieli się na dwie charakterystyczne grupy, w zależności od kierunku ustawienia osi obrotu wirnika. Jedną grupę stanowią wiatraki, w których kierunek osi obrotu pokrywa się z kierunkiem wiatru, a drugą wiatraki, w których oś obrotu wirnika skierowana jest poprzecznie do kierunku wiatru. Wśród wiatraków o osi poprzecznej do kierunku wiatru można wyróżniać różne typy ze względu na rodzaj wykorzystywanej siły. Zasada działania jednego ze znanych typów oparta jest na różnicy oporu aerodynamicznego po obu stronach osi obrotu. Wiatraki te mają tzw. wirnik Savoniusa ujawniony w patencie USA numer 1 697 574 (1929 r.). Jest to wirnik wolnoobrotowy startujący przy niskiej prędkości wiatru i nieczuły na kierunek wiatru. Posiada on co najmniej dwie łukowe łopaty usytuowane przeciwstawnie po obu stronach osi obrotu. Jedna łopata, dająca większą siłę aerodynamiczną, porusza się zgodnie z kierunkiem wiatru, natomiast druga łopata, dająca mniejszą siłę aerodynamiczną, porusza się w kierunku przeciwnym do wiatru. Powstający napęd wynika z różnicy sił aerodynamicznych po jednej i drugiej strome osi obrotu wirnika. Znane są także wiatraki z wirnikami bębnowymi, w których wirnik ma szereg łopat rozciągających się pomiędzy górną i dolną płaszczyzną ograniczającą i rozmieszczonych promieniowo, symetrycznie dookoła pionowej osi obrotu, tworzących kształt obrotowego bębna. Wiatraki z wirnikami takiej konstrukcji opisane są w patencie PL nr 128 970 lub patencie US nr 4 007 999.

Z polskiego opisu patentowego o numerze PL 188 116 znany jest wirnik siłowni wiatrowej mający podłużne łopatki zamocowane promieniowo wobec osi obrotu, w którym łopatki są zamocowane między pierścieniem zewnętrznym a pierścieniem wewnętrznym i pokrywają 2/3 powierzchni utworzonego pierścienia koła.

Znana jest także z polskiego opisu patentowego nr PL 200 550 turbina wiatrowa mająca wirnik zaopatrzony w wiele ramion zamocowanych w równych odstępach kątowych wokół pionowej osi i wiele łopatek ustawionych w bloki. Liczba bloków łopatek wybierana jest z zakresu liczb: dwa, trzy, a każdy z bloków zaopatrzony jest w cztery łopatki ustawione zasadniczo równolegle do osi obrotu, przy czym kolejne łopatki w blokach bliższe osi obrotu są przesunięte względem osi symetrii każdego bloku w kierunku obrotu wirnika.

Znanych jest szereg rozwiązań zmierzających do zwiększenia efektywności opisanych powyżej wirników. Jedną z podstawowych metod jest dodawanie na obwodzie zewnętrznym kierownic, które polepszają napływ powietrza na wirnik. Znany jest z opisu patentowego nr US 5 553 996 silnik wiatrowy zawierający wiele łopat usytuowanych pod kątem wokół osi ramy w kształcie bębna. Rama tworząca bęben zaopatrzona jest w cylindryczny element zamontowany współosiowo z pionową osią obrotu, wewnątrz przestrzeni utworzonej przez obracające się łopaty. Ten cylindryczny element skierowuje wiatr na właściwą drogę wewnątrz bębna, gdzie oddziałuje on na łopaty wirnika. Rozwiązanie to przewiduje różne warianty kształtu łopat i ich wzajemnego usytuowania.

Poprawienie efektywności wirnika może być dokonane również poprzez przysłonięcie tej części wirnika, która porusza się pod wiatr i wytwarza opór aerodynamiczny. Przysłonięcie części wirnika stwarza konieczność śledzenia kierunku wiatru. Ponadto, przesłona tylko z jednej strony wirnika wprowadza asymetrię. Stąd wiele koncepcji jednocześnie z przesłanianiem części wirnika zastosowało układ tandem. Rozwiązanie z dwoma wirnikami z przesłonami założonymi w sposób lustrzany powoduje, że układ staje się symetryczny oraz że wirniki obracają się w przeciwnym kierunku, są przeciwbieżne. Jednym z przykładów może być rozwiązanie ujawnione w zgłoszeniu patentowym opublikowanym pod numerem DE 19 718 048 A1. Dwa wirniki zabudowane są w obudowie skrzynkowej. Zaproponowanych jest kilka wersji, których istota polega na tym, aby część wirnika poruszająca się pod wiatr była jak najmniejsza oraz osłonięta. Tak więc, w jednym wariancie osie wirników są bardzo blisko siebie tak, że łopaty wirników wpasowują się pomiędzy siebie. W innym wariancie zaproponowano, że łopaty idące pod wiatr składają się, a idąc z wiatrem rozkładają się.

Innym rozwiązaniem idącym w tym samym kierunku jest wiatrak opisany w publikacji patentowej nr EP 0 064 440 A2. Kształt wiatraka jest w formie profilu symetrycznego ustawionego w kierunku pionowym i zamocowany jest on tak, że ustawia się zawsze wzdłuż wiatru. Dwa przeciwbieżne wirniki wbudowane są tak, że profil przesłania części wirników poruszające się pod wiatr. Połowy wirników poruszające się z wiatrem znajdują się poza obrysem profilu. Aby średnica wirników była jak największa osie wirników są tak blisko siebie, że łopaty zachodzą za siebie.

PL 219 927 B1

Kolejnym krokiem w podobnego typu konstrukcji jest patent nr US 4 764 683. Kształt profilu jest tu zastąpiony klinem wlotowym i wylotowym. Charakterystycznym elementem jest wprowadzenie regulowanej kierownicy na wlocie. W dokumencie nr US 4 764 683 zmienia się jedynie stopień przysłonięcia wirników. Zmiana ustawienia kierownicy nie następuje w zależności od siły wiatru, tylko w zależności od ustawienia jarzma. Zmniejszenie kąta rozwarcia kierownic powoduje odsłonięcie łopatek wirnika i zwiększenie mocy wirników. Zwiększenie kąta rozwarcia kierownicy powoduje zasłonięcie łopatek i zmniejszenie mocy uzyskiwanej z wirników.

Kontynuacją powyższej myśli jest międzynarodowe zgłoszenie patentowe opublikowane pod numerem WO 2007 045 851. W tym rozwiązaniu dwa profile wypukłe, umieszczone równolegle do siebie tworzą kanał zbieżno-rozbieżny. W każdym z nich zamontowany jest wirnik, przy czym części poruszające się pod wiatr są ukryte w profilach, a części napędzające są wewnątrz kanału.

Kolejne rozwiązanie przedstawione jest w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym o numerze publikacji WO 2004 051 080, w którym dwa wirniki postawione koło siebie, z osiami obrotu położonymi na linii poprzecznie do wiatru, są wyposażone w owiewkę zasłaniającą części wirników poruszające się pod wiatr, które znajdują się pomiędzy osiami.

Dalsze rozwiązanie przedstawione jest w polskim zgłoszeniu patentowym nr P 388 704. Wiatrak ma kierownicę, którą jest płyta zamocowana obrotowo na maszcie. Na końcu tej kierownicy zamocowany jest wirnik, który napędzany jest przez powietrze ześlizgujące się po kierownicy. Proponowany system jest też w układzie tandem. W tym układzie kierownica skierowuje całe zebrane wzdłuż swojej długości powietrze na te część wirnika, która porusza się z wiatrem, zwiększając jego efektywność.

Aktywny wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru mający co najmniej jeden moduł wiatraka zawierający zespół przeciwbieżnych wirników pracujących w układzie symetrycznego tandemu wyposażony w dwuczęściową kierownicę przysłaniającą części wirników poruszające się pod wiatr, przy czym każda z części kierownicy znajduje się pomiędzy masztem a jednym z wirników, a ponadto prawa część kierownicy i lewa część kierownicy stanowią odrębne elementy, które połączone są ze sobą zespołem napinającym charakteryzuje się tym, że wirniki są na stałe przymocowane do kierownic, a ponadto zespół napinający jest mechanizmem samonastawialnym.

Zespół napinający mechanizmem napinającym oddziałuje symetrycznie na prawą część kierownicy i lewą część kierownicy w kierunku na zewnątrz.

Aktywny wiatrak według wynalazku wyposażony jest w dwuczęściową kierownicę, przy czym prawa część kierownicy i lewa część kierownicy ma postać płyty, która sięga od masztu do obwodu wirnika i ma długość większą od średnicy wirnika.

Prawa część kierownicy i lewa część kierownicy, są elementami konstrukcyjnymi, na których zawieszone są wirniki, przy czym połączone są z jednej strony z pionowymi osiami wirników, a z drugiej strony osadzone są na maszcie niezależnie od siebie.

W jednym z wariantów prawa część kierownicy i lewa część kierownicy zamocowane są odpowiednio do prawej tulei i lewej tulei na maszcie.

Zespół napinający tworzą pary cięgieł i popychaczy połączonych wahliwie z jednej strony z prawą częścią kierownicy i z lewą częścią kierownicy, a z drugiej strony z końcami co najmniej jednego elementu napinającego.

W drugim wariancie prawa część kierownicy i lewa część kierownicy połączone są z jednej strony z pionowymi osiami wirnika, a z drugiej strony zamocowane są na maszcie do wspólnej tulei.

W drugim wariancie zespół napinający tworzą pary popychaczy połączonych wahliwie z jednej strony z prawą częścią kierownicy i z lewą częścią kierownicy, a z drugiej strony z końcem co najmniej jednego elementu napinającego, którego drugi koniec zamocowany jest do wspólnej tulei na maszcie.

W kolejnym wariancie zespół napinający stanowi co najmniej jeden element napinający zamocowany końcami odpowiednio do prawej części kierownicy i lewej części kierownicy i otaczający maszt od zewnętrznej strony modułu wiatraka.

Zaletą konstrukcji wiatraka według wynalazku jest to, że pozwala ona na bardzo efektywne wykorzystanie wiatru, szczególnie przy niskich prędkościach, a równocześnie chroni wiatrak przed bardzo szybkimi wiatrami, poprzez składanie go pod działaniem sił aerodynamicznych.

Przykład realizacji rozwiązania według wynalazku zilustrowany jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie układ wirnika z kierownicą, fig. 2 przedstawia schematycznie zasadę działania wiatraka, fig. 3 - pierwszy wariant realizacji, fig. 4 - drugi wariant realizacji, fig. 5 - trzeci wariant realizacji, a fig. 6 - ogólny schemat modułu wiatraka.

PL 219 927 B1

Charakterystyczną cechą proponowanego wiatraka, której nie posiada żaden inny wiatrak, jest zmiana jego powierzchni (patrząc zgodnie z kierunkiem wiatru) w zależności od siły wiatru. Innymi słowy, ilość wykorzystywanej strugi powietrza jest zmienna. Rośnie ona wraz ze zmniejszaniem się siły wiatru.

W przykładzie wykonania wiatrak zrealizowany jest w układzie tandem. Do masztu M zamocowana jest, tworząc dwa oddzielne ramiona, kierownica K i na jej końcach wirniki W. Kierownica K zamocowana jest pomiędzy prętami, do których również przymocowane są wirniki W. Każda z części kierownicy K ma postać płyty, zbiera większą ilość wiatru i skierowuje go na wirnik W. W celu osiągnięcia tej funkcji długość L każdej części kierownicy K jest większa od średnicy D wirnika W, czyli L > D, jak pokazano na fig. 1. Aby płyta działała jako efektywna kierownica, oś wirnika W powinna znajdować się na przedłużeniu kierownicy

K. Tolerancja tego położenia wynosi ± 10% D. Płyty kierownicy K mają kształt prostokątów, jedną krawędzią zamocowanych obrotowo na maszcie M, których wysokość odpowiada długości wirników W, których osie osadzone są pomiędzy prętami stanowiącymi przedłużenie krawędzi płyt kierownicy K prostopadłych do masztu M. Prawa część kierownicy K1 i lewa część kierownicy K2 połączone są ze sobą zespołem napinającym ZN (fig. 2), dzięki któremu kąt pomiędzy ramionami kierownicy K może się zmieniać pod działaniem sił aerodynamicznych, gdy wiatr ześlizguje się wzdłuż kierownicy K i napędza wirnik W, którego oś znajduje się na przedłużeniu powierzchni kierownicy. Zespół napinający ZN wiatraka może mieć różne rozwiązania techniczne. Konkretny wariant zależy od sposobu zawieszenia wiatraka. W pierwszym z wariantów, przedstawionym na fig. 3, prawa część kierownicy K1 i lewa część kierownicy K2 mają swoje oddzielne zamocowania na maszcie M i obracają się one zupełnie niezależnie od siebie. Prawa część kierownicy K1 połączona jest z prawą tuleją T1 osadzoną na maszcie M, a lewa część kierownicy K2 - z lewą tuleją T2 osadzoną na maszcie M. Zespół napinający ZN w tym wariancie składa się z czterech popychaczy P, czterech cięgieł C i jednego elementu napinającego S. Jedna para popychaczy P zamocowana jest wahliwie jednymi końcami do górnej i dolnej ramy prawej części kierownicy K1, a druga para popychaczy do górnej i dolnej ramy lewej części kierownicy K2, natomiast drugie końce wszystkich popychaczy P zamocowane są wahliwie wspólnie do jednego z końców elementu napinającego S znajdującego się w środku wysokości kierownicy K. Do drugiego końca elementu napinającego S zamocowane są wahliwie wspólnie końce dwóch par cięgieł C, których drugie końce połączone są wahliwie, odpowiednio z górną i dolną ramą prawej części kierownicy K1 i lewej części kierownicy K2, pomiędzy masztem a mocowaniem popychaczy P. W przykładowej realizacji cięgła C mogą być linkami, a elementem napinającym S - sprężyna.

W drugim wariancie, przedstawionym na fig. 4, pomiędzy dolnym i górnym łożyskiem znajduje się wspólna tuleja T z kołnierzami, wspólna dla prawej część kierownicy K1 i lewej części kierownicy K2. Na kołnierzach tej tulei znajdują się zawiasy Z, na których zamocowane są obie części kierownicy. Zawiasy Z mogą być również zamocowane do wspólnej tulei T w inny sposób. Wiatr, obracając cały wiatrak powoduje obracanie całej tulei. Przy takim zawieszeniu wiatraka, tuleja na maszcie obraca się razem z obydwoma częściami kierownicy. Dlatego zespół napinający ZN może być bardzo prosty i składa się z dwóch par popychaczy P i jednego elementu napinającego S. Element napinający S przymocowany jest jednym końcem, do tulei T na maszcie M, w środku wysokości kierownicy. Drugi koniec elementu napinającego S przymocowany jest do popychaczy P, które ze swojej drugiej strony przymocowane są odpowiednio do prawej część kierownicy K1 i lewej części kierownicy K2. Z obu końców popychacze P zamocowane są wahliwie. Element napinający S poprzez popychacze P powoduje otwieranie się ramion wiatraka. Przy silnym wietrze, gdy na kierownice działają duże siły aerodynamiczne element napinający wydłuża się pozwalając na złożenie się wiatraka.

Figura 5 pokazuje trzeci, najprostszy wariant zespołu napinającego ZN, który stanowi element napinający S w postaci sprężyny zaczepionej do prawej część kierownicy K1 i lewej części kierownicy K2 i leżącej wokół masztu. Zamknięcie obu ramion kierownicy powoduje rozciągnięcie sprężyny oraz jej zgięcie wokół masztu. Uzyskana siła prowadzi do otwarcia wiatraka przy słabym wietrze i pozwala na jego złożenie przy silnym wietrze. W innych wariantach realizacji zespołu napinającego ZN może on składać się z innej, różnej liczby elementów napinających S, popychaczy P i cięgieł C, co w szczególności zależy od wysokości kierownicy K.

Każdy wirnik W może składać się z jednego lub większej liczby modułów wirnika MW, które są ułożyskowane w kierownicy K, która także może się składać z jednego lub kilku modułów (fig. 6). Moduły kierownicy są ze sobą złączone i ułożyskowane na maszcie M poprzez dolne i górne łożyska. W najprostszym wariancie wiatrak może być zbudowany z pojedynczego modułu wirnika MW zamocowanego w pojedynczym module kierownicy K zamocowanej bezpośrednio na maszcie M. Taka budowa modułowa pozwała na łatwe dopasowywanie mocy wiatraka do potrzeb. Cały wiatrak może mieć również

PL 219 927 B1 budowę modułową, co oznacza, że na jednym maszcie może być osadzony więcej niż jeden moduł wiatraka MT. Kierownica K każdego modułu wiatraka MT może być ułożyskowana oddzielnie na maszcie M ale również kilka kierownic może być skręconych razem i mieć wspólne zamocowanie na maszcie M.

W przypadku słabych wiatrów części kierownicy są maksymalnie rozwarte do maksymalnej wartości około 140° pomiędzy nimi. Mechanizm rozkładania wiatraka działa w zakresie kątów 140° pomiędzy kierownicami. Zwiększenie kąta rozwarcia powoduje zwiększenie mocy wiatraka przy tej samej prędkości wiatru.

Przy małych wiatrach, obszar wykorzystywanego wiatru jest bardzo duży w stosunku do powierzchni zajmowanej przez wirniki. Kierownice powodują przyspieszenie powietrza tak, że wokół wirnika prędkość powietrza jest większa od prędkości wiatru. Z tego powodu wiatrak pracuje przy tak niskich prędkościach, przy których zwykły wirnik Savonius'a, czy wirnik bębnowy nie są w stanie się obracać. Duża powierzchnia jest jednak niebezpieczna przy silnych wiatrach. Dlatego zespół napinający pod naporem sił aerodynamicznych pozwala na złożenie wiatraka do pozycji zamkniętej. Złożona pozycja wiatraka powoduje, że znacznie mniejszy obszar wiatru jest wykorzystywany i tym samym chroni wiatrak przed zbytnimi obciążeniami. Jednocześnie moc generowana przez wiatrak będzie znacznie mniejsza niż w przypadku otwartego wiatraka.

Claims (9)

1. Aktywny wiatrak o osi obrotu poprzecznej do kierunku wiatru mający co najmniej jeden moduł wiatraka zawierający zespół przeciwbieżnych wirników pracujących w układzie symetrycznego tandemu wyposażony w dwuczęściową kierownicę przysłaniającą części wirników poruszające się pod wiatr, przy czym każda z części kierownicy (K1) znajduje się pomiędzy masztem a jednym z wirników, a ponadto prawa część kierownicy (K1) i lewa część kierownicy (K2) stanowią odrębne elementy, które połączone są ze sobą zespołem napinającym (ZN), znamienny tym, że wirniki są na stałe przymocowane do kierownic, a ponadto zespół napinający (ZN) jest mechanizmem samonastawialnym.

2. Aktywny wiatrak według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół napinający (ZN) jest mechanizmem napinającym oddziałującym symetrycznie na prawą część kierownicy (K1) i lewą część kierownicy (K2) w kierunku na zewnątrz.

3. Aktywny wiatrak według zastrz. 1, znamienny tym, że wyposażony jest w dwuczęściową kierownicę (K), przy czym prawa część kierownicy (K1) i lewa część kierownicy (K2) ma postać płyty, która sięga od masztu (M) do obwodu wirnika (W) i ma długość (L) większą od średnicy (D) wirnika (W).

4. Aktywny wiatrak według zastrz. 3, znamienny tym, że prawa część kierownicy (K1) i lewa część kierownicy (K2), są elementami konstrukcyjnymi, na których zawieszone są wirniki, przy czym połączone są z jednej strony z pionowymi osiami wirników (W), a z drugiej strony osadzone są na maszcie (M) niezależnie od siebie.

5. Aktywny wiatrak według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że prawa część kierownicy (K1) i lewa część kierownicy (K2) zamocowane są odpowiednio do prawej tulei (T1) i lewej tulei (T2) na maszcie (M).

6. Aktywny wiatrak według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że zespół napinający (ZN) tworzą pary cięgieł (C) i popychaczy (P) połączonych wahliwie z jednej strony z prawą częścią kierownicy (K1) i z lewą częścią kierownicy (K2), a z drugiej strony z końcami co najmniej jednego elementu napinającego (S).

7. Aktywny wiatrak według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że prawa część kierownicy (K1) i lewa część kierownicy (K2) połączone są z jednej strony z pionowymi osiami wirników (W), a z drugiej strony zamocowane są na maszcie (M) do wspólnej tulei (T).

8. Aktywny wiatrak według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że zespół napinający (ZN) tworzą pary popychaczy (P) połączonych wahliwie z jednej strony z prawą częścią kierownicy (K1) i z lewą częścią kierownicy (K2), a z drogiej strony z końcem co najmniej jednego elementu napinającego (S), którego dragi koniec zamocowany jest do wspólnej tulei (T) na maszcie (M).

9. Aktywny wiatrak według któregokolwiek z powyższych zastrzeżeń, znamienny tym, że zespół napinający (ZN) stanowi co najmniej jeden element napinający (S) zamocowany końcami odpowiednio do prawnej części kierownicy (K1) i lewej części kierownicy (K2) i oznaczający maszt (M) od zewnętrznej strony modułu wiatraka (MT).