PL249365B1 - Siłownia wiatrowa, zwłaszcza dla indywidualnych odbiorców - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest siłownia wiatrowa posiadająca wirnik turbiny łożyskowany według pionowej osi obrotu na konstrukcji wsporczej w postaci wału głównego, przy czym wirnik wyposażony w co najmniej jedną łopatę wirnika, która jest obrotowa względem swej podłużnej osi, rozmieszczona symetrycznie na obwodzie trajektorii ruchu, charakteryzuje się tym, że na wale głównym (1) osadzony jest co najmniej jeden wirnik turbiny o pionowej osi obrotu odwracalny w układzie góra - dół, wyposażony od 3 do 6, korzystnie 4 łopatek usytuowanych pomiędzy tarczami kołowymi za pośrednictwem cięgien, natomiast w dolnej części wału głównego i osadzone jest koło przekładni mechanicznej.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest siłownia wiatrowa mająca zastosowanie w energetyce rozproszonej dla indywidualnych odbiorców energii elektrycznej zużywanej na własne potrzeby bytowe.

Siłownia wiatrowa typu prosumenckiego to urządzenie o małej mocy i relatywnie niewielkich rozmiarach, instalowane bezpośrednio na budynkach gospodarczych, mieszkalnych lub na niewysokich wieżach posadowionych w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca bytowania użytkowników.

Dotychczas siłownie wiatrowe budowane są w zespołach stanowiących tzw. farmy wiatrowe lokalizowane w miejscu, gdzie istnieją dogodne warunki wietrzne: w przybrzeżnych częściach mórz lub dużych jezior, naturalnych lub sztucznych wzgórzach. Są to najczęściej obiekty w formie wież o znacznej wysokości, wyposażone w duże wirniki o poziomej osi obrotu.

Przegląd konstrukcji tego rodzaju zawiera monografia Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. WNT, Warszawa 2006. Obiekty te podlegają bardzo rygorystycznym przepisom prawnym dotyczącym lokalizacji względem siedlisk ludzkich, ograniczeniom ekologicznym i krajobrazowym.

Znanych jest szereg różnych konstrukcji wirnika turbinowego siłowni wiatrowych o osi pionowej obrotu wirnika, takich jak układ Darrieusa, Savoniusa, czy typu świderkowego.

Z polskiego opisu patentowego PL200550 znana jest turbina wiatrowa zawierająca wirnik zaopatrzony w wiele ramion zamocowanych w równych odstępach kątowych wokół pionowej osi i wiele łopat ustawionych w bloki, gdzie liczba bloków łopat wybierana jest z zakresu liczb: dwa, trzy, przy czym każdy z bloków łopat zaopatrzony jest w cztery łopaty ustawione zasadniczo równolegle do osi obrotu, przy czym kolejne łopaty w blokach bliższe osi obrotu są przesunięte względem osi symetrii każdego bloku w kierunku obrotu wirnika. Turbina wiatrowa umożliwia lepsze przyspieszenie rozruchowe turbiny wiatrowej dzięki zastosowaniu charakterystycznej dla turbin konfiguracji łopat. Dalszą poprawę parametrów mocy turbiny wiatrowej można osiągnąć przez polepszenie własności aerodynamicznych poddźwiękowych profili łopat wykorzystywanych w charakterystycznych dla turbin układach silników wiatrowych za pomocą urządzeń mechanicznego uruchamiania łopat, np. zastosowanie klapy przedniej, klapy krawędzi spływu, urządzeń wypływowych dla warstwy granicznej itp.

Z francuskiego opisu patentowego FR2745040 znany jest wiatrak posiadający pionowy wał z czterema parami promieniowych ramion, które posiadają samonastawne łopaty skręcone do swoich końców. Wał i łopaty tworzą wirnik zamontowany na szczycie konstrukcji, pełniąc jednocześnie funkcję podpory i osłony dla maszyn, która zamienia odzyskaną energię na energię elektryczną. Pionowy wał jest osadzony w dwóch łożyskach, a cztery pary ramion są do niego przymocowane pod kątem 90 stopni względem siebie. Łopaty są samoregulujące i otwierają się pod wpływem siły odśrodkowej wraz ze wzrostem prędkości wiatru, dzięki czemu stawiają mniejszy opór przepływowi powietrza.

W przytoczonych patentach wirniki wiatrowe wyposażone są w wały łożyskowane w standardowych łożyskach tocznych, które podczas pracy takich układów generują dokuczliwy hałas, w tym celu są instalowane nie w bezpośrednim sąsiedztwie stałego bytowania ludzi, zwłaszcza przy większej prędkości wirowania i postępującym zużyciu eksploatacyjnym łożysk tocznych. Rozwiązanie dla siłowni wiatrowej przeznaczonej do indywidualnego wykorzystania musi się cechować dużą trwałością, cichobieżnością oraz pełnym bezpieczeństwem dla ludzi, zwierząt, w tym w szczególności dużych ptaków.

Z innego polskiego opisu patentowego PL206076 znana jest siłownia wiatrowa posiadająca wirnik z co najmniej jedną łopatą i urządzenie regulacyjne kąta natarcia łopaty wirnika, która jest obrotowa względem swej podłużnej osi, charakteryzuje się tym, że urządzenie regulacyjne posiada trzy zespoły napędowe, będące silnikami elektrycznymi, które są sprzężone z nasadą łopaty wirnika przy jej obrzeżu i są usytuowane w różnych miejscach wzdłuż obrzeża nasady łopaty wirnika.

Ponadto z polskiego opisu patentowego PL218391 znana jest siłownia wiatrowa utworzona z co najmniej dwóch, korzystnie z trzech kolumn, połączonych sztywnymi przewiązkami tworzącymi konstrukcję kratową. Każda kolumna zestawiona jest z co najmniej trzech segmentów, ustawionych współosiowo w pionie jeden na drugim, z których pierwszy licząc od podłoża jest przytwierdzony do podstawy. Przewiązki są instalowane korzystnie między co drugim segmentem.

Niedogodnością siłowni wiatrowych z poziomą osią obrotu wirnika turbinowego jest konieczność dostosowania pozycji osi obrotu do zmieniającego się kierunku wiatru. Prowadzi to do dużej złożoności technicznej i zwiększonych kosztów instalowania. Stwarza też duże trudności w wykonywaniu czynności kontrolnych na dużej wysokości przy utrudnionym dostępie. Są to więc rozwiązania całkowicie nieprzydatne dla indywidualnych użytkowników ze względu na wymagania lokalizacyjne, złożoność czynności obsługowo-kontrolnych wymagających wysokospecjalistycznych kwalifikacji oraz duże koszty. Dla siłowni wiatrowych przeznaczonych do indywidualnego wykorzystania nadają się wirniki turbinowe o pionowej osi obrotu, które pracują niezależnie od kierunku wiatru.

Z modułowych elementów i podzespołów może być uzyskiwana duża liczba różnych konfiguracji siłowni wiatrowych, w zależności od warunków zabudowy, formy architektonicznej budowli, potrzeb użytkowników oraz lokalnych uwarunkowań technicznych. Istotne znaczenie ma też dostępność podzespołów pochodzących z recyklingu i inwencje samych użytkowników współrealizujących końcową instalację siłowni. Koncepcja siłowni wiatrowej według wynalazku przewiduje możliwość jej rozbudowy i modyfikacji w zależności od zmieniających się potrzeb użytkowników, nawet już w trakcie użytkowania.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowej siłowni wiatrowej, która zniweluje niedogodności znane ze stanu techniki.

Siłownia wiatrowa posiadająca wirnik turbinowy o pionowej osi obrotu osadzony na obrotowym wale głównym stanowiącym część konstrukcji wsporczej, z łopatami zamontowanymi obrotowo na jego obwodzie, pomiędzy tarczami kołowymi za pośrednictwem cięgien charakteryzuje się tym, że na obrotowym wale głównym osadzony jest wirnik turbinowy o pionowej osi obrotu, stabilizowany przez łożysko wzdłużno-poprzeczne oraz co najmniej jedno łożysko poprzeczne o budowie dzielonej, korzystnie z panewką samosmarującą, zawierającą w swej strukturze środek smarny, przy czym na górnej końcówce wału głównego mocowane są poziome tarcze kołowe tuleją pośredniczącą poprzez połączenia śrubowe, mocowany sztywno poziomymi tarczami kołowymi z wykorzystaniem pierścieni rozporowych odwracalny w płaszczyźnie pionowej wirnik turbinowy z co najwyżej sześcioma, korzystnie czteroma łopatami, które połączone są z tarczami kołowymi za pomocą cięgien, korzystnie ze wstępnym napięciem, przez nitowanie łub z wykorzystaniem połączeń gwintowych, cięgna, korzystnie umieszczone są w wywinięciach na krawędziach łopat, które usztywnione są przez cięgno środkowe lub za pomocą duraluminiowych rurek z podłużnymi przecięciami, w które wsuwane są boczne krawędzie łopat posiadających szereg zaczepów lub przelotowych otworów wypełnionych chemoutwardzalnym tworzywem sztucznym, korzystnie żywicą epoksydową, natomiast w dolnej części wału głównego osadzone jest koło przekładni mechanicznej połączone z wirnikiem turbinowym przy użyciu przekładni łańcuchowej, przekładni z pasem zębatym, przekładni w pasem wieloklinowym.

Korzystnie siłownia wiatrowa według wynalazku ma do wału głównego dołączone wały pomocnicze wyposażone w osobne wirniki turbinowe, sprzęgnięte z wałem głównym za pomocą przekładni łańcuchowej, przekładni z pasem zębatym, przekładni z pasem wieloklinowym, połączone szeregowo lub równolegle, lub w układzie mieszanym, w ten sposób, że moment obrotowy z wału pomocniczego przenoszony jest na wał główny.

Korzystnie siłownia wiatrowa według wynalazku ma wał główny wykonany ze stalowej lub duraluminiowej rury.

Korzystnie w siłowni wiatrowej według wynalazku połączenie wirnika turbinowego z wałem głównym jest zabezpieczone osłoną.

Korzystnie w siłowni wiatrowej według wynalazku łopaty mają w przekroju poprzecznym profil aerodynamiczny.

Korzystnie w siłowni wiatrowej według wynalazku wywinięcia mają przekrój kołowy.

Korzystnie siłownia wiatrowa według wynalazku wyposażona jest w układ magazynowania energii elektrycznej w postaci akumulatorów.

Korzystnie w siłowni wiatrowej według wynalazku do generowania prądu elektrycznego stosuje się prądnicę lub alternator do wytwarzania prądu zmiennego o stałym napięciu 12 V lub 24 V, lub prądu zmiennego o napięciu 230 V, sprzęgnięte z regulatorem napięcia.

Korzystnie siłownia wiatrowa według wynalazku wyposażona jest w przemiennik prądu elektrycznego zasilanego z sieci energetycznej o zmiennym napięciu 230 V.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiono na załączonym rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat konfiguracji siłowni wiatrowej na zewnątrz budynku mieszkalnego, Fig. 2 przedstawia przykład instalacji siłowni wiatrowej na wieży. Fig. 3 przedstawia zwielokrotniony układ siłowni wiatrowej w pomieszczeniu piwnicznym, Fig. 4 przedstawia schemat układu wirników turbinowych połączonych szeregowo w budynku gospodarczym, Fig. 5 przedstawia usytuowanie układu siłowni na poddaszu, Fig. 6 przedstawia przykładową konstrukcję wirnika turbinowego wyposażonego w układ czterech łopat o profilu aerodynamicznym. Fig. 7 i Fig. 8 przedstawia szczegóły wzmocnienia krawędzi łopat wirnika, Fig. 9 przedstawia cięgno środkowe łopaty wirnika turbinowego, Fig. 10 przedstawia sposób osadzenia krawędzi profilowych łopat w tarczach nośnych, Fig. 11 przedstawia osadzenie końcówek cięgien wzmacniających w tarczach nośnych, Fig. 12 przedstawia najbardziej korzystny sposób mocowania wirnika turbinowego siłowni przy użyciu seryjnych pierścieni rozporowych.

Na szczycie pionowego wału głównego 1, stanowiącego rodzaj „kręgosłupa” siłowni wiatrowej, niezależnie od przyjętej konfiguracji, osadzony jest wirnik turbinowy 2 wykonany w wariancie typu Savoniusa lub innym pokrewnym o pionowej osi obrotu. Wał główny 1, korzystnie wykonany ze stalowej lub duraluminiowej rury, jest poprowadzony przez uszczelnienie w pokryciu dachowym budynku i ewentualnie przez kolejne jego kondygnacje nawet do pomieszczenia piwnicznego lub innego, położonego korzystnie w dolnej części budynku mieszkalnego lub gospodarczego. W przypadku instalowania turbiny wiatrowej na wieży korzystnie jest poprowadzić wał główny 1 do pomieszczenia na poziomie terenu. Na dolnym końcu wału głównego 1 jest osadzone koło przekładni mechanicznej 3.

Korzystnym jest zastosowanie przekładni łańcuchowej lub przekładni z pasem zębatym, multiplikującej prędkość obrotową wału głównego 1. Możliwe jest też zastosowanie przekładni z pasem wieloklinowym, powszechnie stosowanym podobnie jak i przekładnie z pasem zębatym do napędu osprzętu pojazdów samochodowych. Przekładnia multiplikująca prędkość obrotową wału głównego 1 napędza prądnicę 4, względnie zespół prądnic lub alternator, korzystnie zintegrowane z typowym regulatorem napięcia 5. Przekładnia multiplikująca i prądnica lub alternator mogą pochodzić z recyklingu urządzeń wycofanych z eksploatacji, pod warunkiem, że są sprawne lub zostały odpowiednio zregenerowane np. poprzez wymianę tulei łożyskowych, prądnicy lub alternatora, jeśli z achodzi taka potrzeba. Elementy te najczęściej zachowują pełną sprawność eksploatacyjną nawet po całkowitym zużyciu urządzenia, z którego pochodzą. Jako przekładnia łańcuchowa może być zastosowana przekładnia rowerowa lub motocyklowa. Prądnica 4 lub alternator połączone z regulatorem napięcia 5 mogą zasilać bezpośrednio odbiorniki energii elektrycznej lub ładować akumulatory stosowane w instalacjach niskonapięciowych.

Do zasilania innych odbiorników pracujących przy napięciu sieciowym 230 V należy użyć typowego przemiennika prądowego zmieniającego prąd stały z prądnicy lub alternatora o napięciu 12 V albo 24 V na prąd zmienny o napięciu sieciowym 230 V. Wał główny 1 jest zawieszony w możliwie najwyższym miejscu na specjalnym łożysku wzdłużno-poprzecznym 7 o wysokiej cichobieżności i ułatwionej obsłudze. Łożysko wzdłużno-poprzeczne 7 sprawia, że położona poniżej niego część wału głównego 1, nawet o dużej długości i znacznym ciężarze, nie jest narażona na obciążenia wzdłużne ściskające, a jedynie przenosi moment skręcający. Dzięki temu wał główny 1, nawet znacznej długości i smukłości, nie jest narażony na wyboczenie. Do prowadzenia wału głównego 1, oprócz łożyska wzdłużno-poprzecznego 7, zastosowano co najmniej jedno łożysko poprzeczne 8 o budowie dzielonej, korzystnie z panewką samosmarującą, zawierającą w swej strukturze środek smarny, lub z panewką smarowaną okresowo smarem plastycznym. Obciążenie łożyska (względnie łożysk) poprzecznego jest relatywnie niewielkie, a jego podstawowym zadaniem jest stabilizacja poprzeczna wału głównego 1 podczas pracy. Decyzję o tym, czy prądnicę (względnie układ prądnic) należy zlokalizować w pomieszczeniu piwnicznym łącząc ją z napędem poprzez długi wał główny 1 (Fig. 1), czy może zainstalować ją na poddaszu i połączenie z napędem zrealizować krótkim wałem, można podjąć z uwzględnieniem warunków lokalowych. Ze względu na dogodność transportu, a zwłaszcza obsługi korzystne jest zainstalowanie prądnicy i baterii akumulatorów w pomieszczeniu zapewniającym wyższą temperaturę powietrza od temperatury jaka panuje na zewnątrz pomieszczenia. Ma to szczególne znaczenie w okresie zimowym, kiedy zapotrzebowanie na energię elektryczną silnie rośnie, a pod wpływem niskiej temperatury otoczenia następuje spadek pojemności akumulatorów. Możliwe jest też zainstalowanie prądnicy na poddaszu i połączenie jej kablem z baterią akumulatorów umieszczoną w pomieszczeniu cieplejszym i łatwo dostępnym (fig. 5). Jednak przesyłanie prądu elektrycznego o dużym natężeniu a niskim napięciu za pomocą relatywnie długich kabli wiąże się z dużymi stratami energii elektrycznej i wymaga kabli o dużym przekroju poprzecznym przewodów. Jako akumulatory do magazynowania energii elektrycznej korzystnie jest zastosować akumulatory rozruchowe maszyn roboczych i pojazdów unieruchomionych poza okresami użytkowania. Dotyczy to w szczególności traktorów rolniczych oraz maszyn wykorzystywanych krótkookresowo, takich jak kombajny zbożowe czy też inne maszyny specjalne, drogowe i budowlane. Akumulatory rozruchowe pozostawione w tych maszynach i pojazdach na okres, kiedy nie są eksploatowane wymagają regularnego doładowywania prądem elektrycznym i to w okresach jego szczególnego deficytu. Stąd też korzystnym jest wykorzystanie ich w układach siłowni wiatrowych. Wybór najkorzystniejszej w danych warunkach konfiguracji zespołu siłowni wiatrowej musi być poprzedzony wszechstronną analizą. Wał główny 1 może być poprowadzony przez kondygnację budynku nieużywanym kanałem wentylacyjnym, nieczynną instalacją kominową lub na zewnątrz budynku w rurowej osłonie np. w postaci plastikowych rur spustowych. W zależności od potrzeb do wału głównego 1 mogą być dołączone wały pomocnicze 9, zabudowane i łożyskowane w sposób identyczny jak wał główny 1, a także wyposażone w osobne wirniki turbinowe 2. Wały pomocnicze 9 mogą być łączone z wałem głównym 1 szeregowo, równolegle lub w układzie mieszanym. Mogą też stanowić układy niezależne, wykorzystywane w miarę potrzeb. Połączenia wałów pomocniczych 9 mogą być realizowane przez przekładnie łańcuchowe, pasowe z pasami zębatymi lub inne.

Możliwe jest też sprzężenie wałów: wału głównego 1 i wału pomocniczego 9 za pośrednictwem kół zębatych o przełożeniu 1:1. Wówczas należy uwzględnić zmianę kierunku obrotów, mocując odpowiednio wirnik lub zespół wirników turbinowych typu odwracalnego w układzie góra-dół. Zastosowanie kół zębatych pośredniczących umożliwia uzyskanie korzystnie zwiększonej odległości osi wałów przy zmniejszeniu średnic głównych kół zębatych. Nie występuje też wtedy zmiana kierunku obrotów wałów. Obroty wału głównego 1 i sprzężonych w ten sposób wałów pomocniczych 9 mają taki sam kierunek. Moc uzyskiwana z pojedynczego wirnika turbinowego 2 zależy od prędkości wiatru, powierzchni czynnej wirnika oraz w mniejszym stopniu od liczby łopat 12 wirnika turbinowego 2 i ich ukształtowania. Typowy, korzystny kształt wirnika turbinowego 2 stanowi prostokąt w rzucie bocznym o podstawie odpowiadającej średnicy wirnika turbinowego 2 oraz wysokości równej w przybliżeniu długości łopat. Długość łopat 12 wirnika turbinowego 2 i związana z nią wysokość wirnika turbinowego 2 ma swoje ograniczenia wynikające z przepisów budowlanych. Obecnie przepisy dopuszczają wysokość konstrukcji ponad dach budowli nie przekraczającą 3 m. Z wysokością wirnika turbinowego 2 związana jest wielkość ramienia siły naporu wiatru wywołująca moment zginający wału. Należy brać pod uwagę również względy architektoniczne i krajobrazowe budowli z zamontowaną siłownią wiatrową. Wraz ze wzrostem średnicy wirnika turbinowego 2 wzrasta jego czynna powierzchnia, ale przy tej samej prędkości wiatru silnie spada prędkość obrotowa wirnika, co jest niekorzystne. Wstępnie można zalecić dobranie wirnika o wysokości zbliżonej do jego średnicy. W przypadku większego zapotrzebowania na energię elektryczną bar dziej korzystne jest zwiększenie liczby wirników, a nie ich rozmiaru. Wartości optymalne wymienionych wielkości można ustalić po dokładnym rozeznaniu miejscowych warunków wietrznych, formy budynku oraz wysokości budynku lub wieży. Liczba łopat 12 w pojedynczym wirniku turbinowym 2 powinna się zawierać od 3 do 6 sztuk. Zwiększenie liczby łopat ma niewielki wpływ na wzrost wytworzonej energii elektrycznej, ale polepsza stabilność prędkości obrotowej. Natomiast istotny jest wzrost ciężaru wirnika turbinowego 2 oraz jego koszt. Wstępnie można zalecić zastosowanie np. czterech łopat 12 w pojedynczym wirniku siłowni wiatrowej, przeznaczonej dla indywidualnego wykorzystywania. Oprócz podstawowego kształtu wirnika, czyli prostokątnego w rzucie bocznym, może być również stosowany wirnik w kształcie trapezu w rzucie bocznym. Zwiększa to jednak trudności w wykonaniu wirnika, ale niewątpliwie zaletą może być korzystny pod względem architektonicznym jego trapezowy kształt oraz zmniejszenie ramienia działającej siły napo ru wiatru, co służy odciążeniu wału z zamontowanym na nim wirnikiem.

Wał główny 1 i wały pomocnicze 9 w zależności od potrzeb mogą być dodatkową wzmocnione odcinkiem rury 1a o odpowiedniej średnicy na długości od wirnika turbinowego 2 do specjalnego łożyska wzdłużno-poprzecznego 7. Służy to zwiększeniu odporności wałów na obciążenia zginające od siły naporu wiatru. Jest to pożądane, gdy ze względu na lokalną konstrukcję pokrycia dachowego wspomniany odcinek wału musi być wydłużony. Do wykonania wału głównego 1 i wałów pomocniczych 9 możliwe jest zastosowanie stalowych rur wodociągowych lub gazowych, łączonych odpowiednimi złączkami rurowymi. Można zastosować rury wodociągowe lub gazowe wycofane z użytku po sprawdzeniu i ewentualnej korekcie ich prostoliniowości. Pozwala to na znaczne zmniejszenie kosztów budowy siłowni wiatrowej wykonywanej przez bezpośrednich użytkowników. Wirniki turbinowe siłowni wiatrowej o pionowej osi obrotu mogą mieć postać konstrukcyjną przykładowo przedstawioną na fig. 6.

Między dwiema jednakowymi tarczami kołowymi 10 i 11 są osadzone łopaty 12 wirnika turbinowego 2, korzystnie w liczbie czterech. Tarcze kołowe 10 i 11 są mocowane na górnej końcówce wału głównego 1 i ewentualnie wałów pomocniczych 9. Zastosowanie jednakowych tarcz kołowych 10 i 11 powoduje, że wirnik turbinowy 2 jest łatwo odwracalny w układzie góra-dół, co pozwała na zmianę kierunku obrotów wirnika i wałów, na których wirniki turbinowe 2 są osadzone. Tarcze kołowe 10 i 11 mogą być przykładowo wycięte z płyt tekstolitowych. Do tarcz kołowych 10 i 11 są mocowane łopaty 12 wirnika turbinowego 2, ukształtowane z arkusza blachy duraluminiowej lub tworzywa sztucznego, korzystnie warstwowego. Jako materiał na łopaty 12 wirnika turbinowego 2 szczególnie korzystnie jest zastosować arkusze warstwowych tworzyw sztucznych, zbrojonych włóknami węglowymi lub włóknami szklanymi. Łopaty 12 wirnika turbinowego 2 w przekroju poprzecznym są tak ukształtowane, aby uzyskać najkorzystniejszy profil o dobrych właściwościach aerodynamicznych, stwarzających możliwie najmniejszy opór ruchu dla biernej strony łopat poruszających się „pod wiatr”. Łopaty 12 wirnika turbinowego 2 są połączone z tarczami kołowymi 10 i 11 za pośrednictwem cięgien 13, które mogą być wykonane z pręta lub duraluminiowej rurki 13b. Połączenie cięgien 13 z tarczami kołowymi 10 i 11 jest realizowane korzystnie ze wstępnym napięciem, przez nitowanie lub z wykorzystaniem połączeń gwintowych z nakrętkami ze stali nierdzewnej. Cięgna 13 pełnią funkcję usztywnienia łopat i eliminują ich drgania wywołane ruchem obrotowym i zmiennymi oddziaływaniami wiatru.

W tym celu skrajne cięgno każdej z łopat 12 wirnika turbinowego 2 jest korzystnie umieścić w wywinięciach 12a wykonanych na krawędziach łopat 12 wirnika turbinowego 2 wykonanych z blachy duraluminiowej. Wywinięcia 12a te mogą być łatwo ukształtowane przy pomocy prostego narzędzia używanego powszechnie przez dekarzy przy wykonywaniu obróbki blacharskiej dachów budowli. Dodatkowo, każda z łopat 12 wirnika turbinowego 2 jest usztywniana przez cięgno środkowe 13a utrzymujące nadany łopacie 12 profil aerodynamiczny. W przypadku łopat formowanych z arkuszy tworzyw sztucznych do usztywnienia łopat 12 mogą być użyte cięgna 13 w postaci duraluminiowych rurek 13b z podłużnymi przecięciami, w które wsuwane są boczne krawędzie łopat 12. Dla wzmocnienia, usztywnienia i eliminacji drgań, po wsunięciu bocznych krawędzi łopat, należy cięgna w postaci rurek 13b wypełnić płynnym, lepiszczem chemoutwardzalnym 14.

Dla lepszego zespolenia rurkowych cięgien 13 z krawędziami łopat 12 wirnika korzystnie jest wykonać na krawędziach bocznych łopat 12 wirnika np. szereg przelotowych otworów, które wypełni chemoutwardzalne lepiszcze 14. Jako lepiszcze mocno łączące krawędzie łopat 12 wirnika turbinowego 2 z cięgnami 13, tak prętowymi jak i rurkowymi można zastosować przykładowo żywicę Epidian 5 mieszaną ze specjalnym utwardzaczem typu PAC w proporcji wagowej 65 do 35. Po chemicznym związaniu uzyskuje się mocne połączenie kształtowo-klejowe z zachowaniem odpowiedniej elastyczności, służącej tłumieniu drgań. Takim samym lepiszczem chemoutwardzalnym 14 pożądane jest wypełnić rowki wykonane w tarczach kołowych 10 i 11, w które wsunięte są profilowe krawędzie łopat 12 z obu ich końców. W tym przypadku również musi być wykonany szereg otworów lub wycięć w formie zaczepów. Wypełnienie lepiszczem chemoutwardzalnym 14 wszelkich szczelin i znaczących zmian przekrojów w strefie łopat 12 wirnika turbinowego 2 służy eliminacji drgań i zawirowań strugi powietrza, co zwiększa cichobieżność pracy wirnika turbinowego 2 oraz służy zwiększeniu sprawności energetycznej wirnika turbinowego 2 i całej siłowni wiatrowej. Wirnik turbinowy 2 cechuje się ograniczonym ciężarem, dużą sztywnością oraz odpornością na generowanie drgań i hałasu. Gotowy wirnik turbinowy 2 należy pomalować matowym pokryciem lakierniczym, korzystnie w kolorze pokrycia dachowego dla ograniczenia niekorzystnego zjawiska migotania światła podczas pracy wirnika turbinowego 2. Ustalenie gotowego wirnika turbinowego 2 na końcówce wału głównego 1 może być wykonane w różny sposób. Szczególnie korzystne jest wykorzystanie w tym celu gotowych pierścieni rozporowych 15 pozwalających uzyskać mocne, bezluzowe połączenie w wybranym miejscu wału głównego 1 lub wału pomocniczego 9, łatwą regulację i ewentualną korektę położenia wzdłużnego wirnika turbinowego 2. Połączenie takie wykorzystuje sprzężenie cierne powierzchni zewnętrznej wału z odpowiednimi tulejami pośredniczącymi 16 mocowanymi do tarcz kołowych 10 i 11 za pomocą połączeń śrubowych 17. Rozwiązanie takie umożliwia łatwe wykonanie odwrócenia wirnika turbinowego 2 w układzie góra-dół, jeśli zachodzi taka potrzeba. Zaletą połączeń z pierścieniami rozporowymi 15 jest możliwość mocowania ich na zewnętrznej powierzchni rur będących w stanie hutniczym, bez potrzeby wykonywania obróbki skrawaniem. Korzystne jest zastosowanie pierścieni rozporowych 15 do wszystkich elementów mocowanych na wale głównym 1. Wówczas przygotowanie wału głównego 1 i ewentualnie wałów pomocniczych 9 wymaga jedynie przycięcia rur na odpowiednią długość z całkowitą eliminacją obróbki skrawaniem. Dzięki temu uzyskuje się duże ułatwienie końcowego montażu elementów i zespołów siłowni wiatrowej oraz zdecydowane zmniejszenie kosztów wykonania instalacji. Ma to szczególne znaczenie, gdy budowa siłowni wiatrowej odbywa się przy dużym udziale bezpośrednich użytkowników. Połączenie wirnika turbinowego 2 z wałem głównym 1 jest zabezpieczone osłoną 18.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie dużych oszczędności w pobieraniu energii elektrycznej do sieci i racjonalne jej użytkowanie z efektywnym wykorzystaniem akumulatorów czasowo lub na stałe wycofanych z eksploatacji w pojazdach i maszynach roboczych. Ponadto uzyskuje się dużą efektywność wykorzystania energii wiatru z zachowaniem wysokich walorów ekologicznych i przy całkowitym bezpieczeństwie użytkowania.

Konstrukcja siłowni według wynalazku cechuje się dużą trwałością eksploatacyjną i odpornością na działanie czynników atmosferycznych. Duży zakres wykorzystania elementów i zespołów pochodzących z recyklingu umożliwia znaczne ograniczenie kosztów budowy. Znaczący udział bezpośrednich użytkowników w procesie realizacji technicznej koncepcji siłowni wiatrowej służy dużemu przyspieszeniu wykonania instalacji i ich bieżącej obsługi w toku eksploatacji. Ważną zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość ewentualnej rozbudowy siłowni i modyfikacji w zależności od potrzeb i dostępności materiałów i zespołów pochodzących z recyklingu już na etapie eksploatacji siłowni wiatrowej.

Dla minimalizacji kosztów budowy siłowni wiatrowych według wynalazku rozwiązanie przewiduje zestawienie siłowni z modułowych elementów przy dużym udziale bezpośrednich odbiorców energii. Przewiduje się wykorzystanie wielu elementów i podzespołów pochodzących z recyklingu, głównie z wycofanych z użytku pojazdów i różnego rodzaju maszyn roboczych. W konstrukcji siłowni wiatrowej uwzględnione zostały bardzo zróżnicowane warunki zabudowy wynikające z różnej lokalizacji, warunków miejscowych i formy architektonicznej budowli, na których mogą być instalowane. Rozwiązanie przewiduje możliwość budowy i obsługi technicznej siłowni przez samych użytkowników bez potrzeby posiadania szczególnych kwalifikacji i wyposażenia technicznego. Jest predystynowane zwłaszcza dla użytkowników w obiektach oddalonych od powszechnej sieci energetycznej oraz w budowlach wykorzystywanych okresowo lub sezonowo, takich jak np. domki kempingowe, altany ogrodowe, schroniska, watry pasterskie, strażnice leśne itp. Rozwiązanie według wynalazku może być stosowane jako wspomagające źródło energii elektrycznej dla uzyskania oszczędności energii pobieranej z ogólnodostępnej sieci energetycznej.

Przykładowe konfiguracje zespołów siłowni wiatrowej w układzie pojedynczym i zwielokrotnionym przedstawiają rysunki dotyczące możliwych wybranych układów siłowni oraz konstrukcji poszczególnych, głównych jej elementów. Zasadniczym elementem układu każdej konfiguracji siłowni wiatrowej jest co najmniej jeden wirnik turbinowy cechujący się uniwersalnością, relatywnie niewielkimi rozmiarami, zminimalizowanym ciężarem i o budowie moż liwej do wykonania w przeciętnych warunkach warsztatów mechanicznych, bez potrzeby wykorzystywania specjalistycznych obrabiarek czy przyrządów. W dużej części wirnik może być wykonany przez bezpośredniego użytkownika. Pozwala to na minimalizację kosztów oraz wykorzystanie dostępnych materiałów według różnych wariantów.

Claims (9)

1. Siłownia wiatrowa posiadająca wirnik turbinowy o pionowej osi obrotu osadzony na obrotowym wale głównym stanowiącym część konstrukcji wsporczej, z łopatami zamontowanymi obrotowo na jego obwodzie, pomiędzy tarczami kołowymi za pośrednictwem cięgien znamienna tym, że na obrotowym wale głównym 1 osadzony jest wirnik turbinowy 2 o pionowej osi obrotu, stabilizowany przez łożysko wzdłużno-poprzeczne 7 oraz co najmniej jedno łożysko poprzeczne 8 o budowie dzielonej, korzystnie z panewką samosmarującą, zawierającą w swej strukturze środek smarny, przy czym na górnej końcówce wału głównego 1 mocowane są poziome tarcze kołowe 10 i 11 tuleją pośredniczącą 16 poprzez połączenia śrubowe 17, mocowany sztywno poziomymi tarczami kołowymi 10 i 11 z wykorzystaniem pierścieni rozporowych 15 odwracalny w płaszczyźnie pionowej wirnik turbinowy 2 z co najmniej trzema i co najwyżej sześcioma, korzystnie czteroma łopatam i 12, które połączone są z tarczami kołowymi 10 i 11 za pomocą cięgien 13, korzystnie ze wstępnym napięciem, przez nitowanie lub z wykorzystaniem połączeń gwintowych, cięgna 13, korzystnie umieszczone są w wywinięciach 12a na krawędziach łopat 12, które usztywnione są przez cięgno środkowe 13a lub za pomocą duraluminiowych rurek 13b z podłużnymi przecięciami, w które wsuwane są boczne krawędzie łopat 12 posiadających szereg zaczepów lub przelotowych otworów wypełnionych chemoutwardzalnym tworzywem sztucznym 14, korzystnie żywicą epoksydową, natomiast w dolnej części wału głównego 1 osadzone jest koło przekładni mechanicznej 3 połączone z wirnikiem turbinowym 2 przy użyciu przekładni łańcuchowej, przekładni z pasem zębatym, przekładni w pasem wieloklinowym.

2. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że do wału głównego 1, dołączone są wały pomocnicze 9 wyposażone w osobne wirniki turbinowe 2, sprzęgnięte z wałem głównym 1 za pomocą przekładni łańcuchowej, przekładni z pasem zębatym, przekładni w pasem wieloklinowym, połączone szeregowo lub równolegle lub w układzie mieszanym, w ten sposób, że moment obrotowy z wału pomocniczego 9 przenoszony jest na wał główny 1.

3. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że wał główny 1 wykonany jest ze stalowej lub duraluminiowej rury.

4. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że połączenie wirnika turbinowego 2 z wałem głównym 1 jest zabezpieczone osłoną 18.

5. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że łopaty 12 mają w przekroju poprzecznym profil aerodynamiczny.

6. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że wywinięcia 12a mają przekrój kołowy.

7. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że wyposażona jest w układ magazynowania energii elektrycznej 6 w postaci akumulatorów.

8. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że do generowania prądu elektrycznego stosuje się prądnicę lub alternator 4 do wytwarzania prądu zmiennego o stałym napięciu 12 V lub 24 V lub prądu zmiennego o napięciu 230 V, sprzęgnięte z regulatorem napięcia 5.

9. Siłownia wiatrowa według zastrz. 1 znamienna tym, że wyposażona jest w przemiennik prądu elektrycznego zasilanego z sieci energetycznej o zmiennym napięciu 230 V.