PL226849B1 - Elektrownia wiatrowa opionowej osi obrotu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu stosowana, jako lokalne źródło energii elektrycznej o niewielkiej mocy.

Znane są elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, typu VAWT (ang. Vertical-axis wind turbines). Łopaty są usytuowane równolegle lub skośnie do wału napędowego. Łopaty są zamocowane do ramion, których drugie końce są połączone z pionowym wałem turbiny. Wał turbiny jest sprzęgnięty z wałem generatora elektrycznego, bezpośrednio bądź przez przekładnię mechaniczną np.: pasową lub zębatą. Gdy wieje wiatr w łopaty turbiny, to energia kinetyczna wiatru powoduje obracanie się turbiny wraz z wałem i generatorem. Generator przetwarza energię wiatru przejętą przez turbinę na energię elektryczną. Przekładnia mechaniczna jest najbardziej zawodnym elementem elektrowni wiatrowej, dlatego coraz częściej generator sprzęga się bezpośrednio z wałem turbiny. Generator elektryczny, przystosowany do bezpośredniego sprzęgnięcia z wałem turbiny wiatrowej, jest niskoobrotowy. Masa i objętość generatora niskoobrotowego jest odpowiednio duża, co podwyższa masę i cenę elektrowni wiatrowej. Generator elektryczny sprzęgnięty z wałem turbiny, poprzez przekładnię mechaniczną podwyższającą prędkość obrotową, ma odpowiednio mniejszą masę, lecz przekładnia mechaniczna, jako dodatkowy element elektrowni wiatrowej, jest elementem zwiększającym awaryjność elektrowni wiatrowej.

Znany jest także wzór użytkowy elektrowni wiatrowej CN203685481U, w którym na rys. 1 przedstawiono turbinę wiatrową o osi pionowej walcową, dwupłatową (3), na której, na górnych ramionach, są umieszczone dwie turbiny boczne o osi poziomej trzypłatowe (5), na rys. 2 przedstawiono turbinę wiatrową o osi pionowej walcową, dwupłatową (3), na której, na dolnych ramionach, są umieszczone dwie turbiny boczne o osi pionowej walcowe dwupłatowe, a generatory są zamocowane na osiach obrotu turbin bocznych na dole, na rys. 3 powtórzono rozwiązanie z rys. 2, przy czym turbiny boczne są zamocowane na górnych i dolnych ramionach, a generatory (52) są zamocowane na osiach obrotu turbin bocznych na dole, a także na rys. 4 powtórzono rozwiązanie z rys. 3, przy czym turbiny boczne są podzielone na dwie części, a generatory (52) są zamocowane na osiach obrotu turbin bocznych w środku. W przedstawionych rozwiązaniach generatory (52) są zamocowane na osiach obrotu turbin bocznych. Prędkość obrotowa generatora umieszczonego na osi obrotu jest stosunkowo mała, co skutkuje dużą masą generatora, a to zwiększa cenę i masę elektrowni wiatrowej.

Elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu składa się z dwóch zespołów: turbiny płatowej z płatami prostymi i generatorów z turbinami roboczymi.

Według wynalazku generatory z turbinami roboczymi, są na trwale zamocowane na płatach turbiny płatowej, przy czym generatory mogą być zamontowane na górze lub na dole płatów, względnie też każdy płat może być podzielony na dwie części i między nimi są zamontowane generatory. Generatory są sprzęgnięte z turbinami roboczymi typu Savoniusa trzy-płatowymi skręconymi śrubowo względem swojej osi. Wał turbiny jest ułożyskowany na maszcie elektrowni. Na wale są umieszczone pierścienie ślizgowe, na które jest wyprowadzona energia elektryczna z generatorów, która poprzez szczotki leżące na pierścieniach, jest przekazywana do odbiornika zewnętrznego. Ramię aparatu szczotkowego jest przymocowane do masztu. Przekrój poprzeczny płatów jest typu NACA, to znaczy krawędź natarcia jest zaokrąglona, a krawędź spływu jest ostra. Przekrój poprzeczny ramion, łączących płaty z wałem, ma kształt teownika.

Elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu, z generatorami umieszczonymi na płatach, ma tę właściwość, że turbiny robocze zabudowane na generatorach, są napędzane tzw. wiatrem pozornym. Wiatr pozorny ma prędkość liniową równą prędkości obwodowej płatów turbiny napędowej, która jest znacznie większa od prędkości rzeczywistej wiatru wiejącego w łopaty turbiny. Praca elektrowni wiatrowej w tym rozwiązaniu jest bardziej efektywna, szczególnie przy małych prędkościach wiatru. Elektrownia nie ma przekładni mechanicznej, a generatory mają mniejszą masę.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie rozwiązania na rysunkach, na których: fig. 1 przedstawia elektrownię wiatrową z generatorami zabudowanymi na górze płatów, fig. 2 przedstawia elektrownię wiatrową z płatami dzielonymi i generatorami zabudowanymi w środku płatów, fig. 3 przedstawia elektrownię wiatrową z generatorami zabudowanymi na dole płatów, a fig. 4 rozwiązanie pierścieni ślizgowych i aparatu szczotkowego. Elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu składa się z dwóch zespołów: turbiny płatowej 1 z płatami prostymi generatorów 5 z turbinami roboczymi 3. Turbina płatowa 1 jest typu VAWT o pionowej osi obrotu. Przekrój poprzeczny płatów 2 jest typu NACA, to znaczy krawędź natarcia jest zaokrąglona, a krawędź spływu jest ostra. Płaty 2 są połączoPL 226 849 B1 ne z wałem 4 ramionami 7. Przekrój poprzeczny ramion 7, łączących płaty 2 z wałem 4, ma kształt teownika. Wał 4 turbiny 1 jest standardowo ułożyskowany na maszcie 6 elektrowni. Generatory elektryczne 5 z turbinami roboczymi 3 są zamocowane na płatach 2 turbiny płatowej 1. Generatory 5 mogą być zamontowane na górze lub na dole płatów 2. Płaty 2 mogą być także podzielone na dwie części, między którymi są zamontowane generatory 5. Każda część płatów 2, podzielonych na dwie części, jest zamocowana ramieniem 7 do wału turbiny 4. Turbiny robocze 3 sprzęgnięte z generatorami 5 są o pionowej osi obrotu typu VAWT typu Savoniusa, trzy-płatowe skręcone śrubowo względem swojej osi, jak to pokazano na rysunkach fig. 1, fig. 2 i fig. 3. Turbiny robocze mogą być także o poziomej osi obrotu typu HAWT. Na wale 4 turbiny 1 są umieszczone pierścienie ślizgowe 8, do których są dołączone przewody z generatorów 5. Energia elektryczna z generatorów 5 jest wyprowadzana poprzez pierścienie 8 i szczotki 9 leżące na pierścieniach 8 i jest przekazywana do odbiornika zewnętrznego. Szczotki 9 są umieszczone w szczotkotrzymaczach aparatu szczotkowego 10. Ramię aparatu szczotkowego 10 jest przymocowane do masztu 6.

Sposób montażu generatorów elektrycznych 5, wyposażonych w turbiny robocze 3, na płatach 2 zależy od ich rozwiązania konstrukcyjnego. Jeśli turbina robocza 3 jest zabudowana na generatorze 5 i wiruje część zewnętrzna generatora 5, to wałek generatora przymocowuje się do płata 2 turbiny. Jeśli turbina robocza 3 jest osadzona na wałku generatora 5 i część zewnętrzna generatora 5 jest nieruchoma, to poprzez obejmy mocuje się ją do płatów 2 turbiny.

Gdy wieje wiatr na łopaty 2, to turbina 1 obraca się wokół własnej osi obrotu z prędkością kątową ω. Prędkość obwodowa płatów jest równa v = ωϋ/2, gdzie D jest średnicą turbiny wiatrowej. Prędkość pozorna wiatru wiejącego na turbiny robocze 3, zabudowane na generatorach 5, jest równa v. Prędkość pozorna wiatru v jest kilkakrotnie większa od prędkości rzeczywistej wiatru poruszającego łopaty 2. Turbiny robocze 3 sprzęgnięte z generatorami wirują ze znacznie większą prędkością od prędkości turbiny wiatrowej 1.

Elektrownia w tym wykonaniu ma znacznie mniejszą masę w stosunku do elektrowni z generatorem sprzęgniętym bezpośrednio z wałem 4 turbiny o tej samej wydajności. Konstrukcja elektrowni wiatrowej umożliwia efektywniejsze wykorzystywanie zasobów wiatrowych przy znacznie niższych kosztach konstrukcji. Generatory 5 z zabudowanymi turbinami 3 są oferowane przez wiele firm, ich cena jest konkurencyjna. Natomiast generatory do bezpośredniego sprzęgnięcia z wałem 4 turbiny 1 mają rozwiązania jednostkowe, a ich masa jest kilkakrotnie większa od masy trzech generatorów 5 zabudowanych na płatach 2.

Claims (3)

1. Elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu składająca się z dwóch zespołów: turbiny płatowej z płatami prostymi i generatorów z turbinami roboczymi, znamienna tym, że generatory (5) z turbinami roboczymi (3), są na trwale zamocowane na płatach (2) turbiny płatowej (1), przy czym generatory (5) mogą być zamontowane na górze lub na dole płatów (2), względnie też każdy płat (2) może być podzielony na dwie części i między nimi są zamontowane generatory (5), z generatorami (5) są sprzęgnięte turbiny robocze (3) typu Savoniusa trzy-płatowe skręcone śrubowo względem swojej osi, wał (4) turbiny płatowej (1) jest ułożyskowany na maszcie (6) elektrowni, na wale (4) są umieszczone pierścienie ślizgowe (8), na które jest wyprowadzona energia elektryczna z generatorów (5), która poprzez szczotki (9) leżące na pierścieniach (8), jest przekazywana do odbiornika zewnętrznego, a ramię aparatu szczotkowego (10) jest przymocowane do masztu (6).

2. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że przekrój poprzeczny płatów (2) jest typu NACA, to znaczy krawędź natarcia jest zaokrąglona, a krawędź spływu jest ostra.

3. Elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że przekrój poprzeczny ramion (7), łączących płaty (2) z wałem (4), ma kształt teownika.