SK572021A3 - Vrtuľová veterná V turbína - Google Patents

Abstract

Vrtuľová veterná V turbína premieňa posuvný pohyb vzduchu na krútiaci pohyb generátora (4). Je navrhnutá ako priestorová veterná turbína s vertikálne alebo horizontálne umiestnenými dvojicami vrtúľ (1) s horizontálnou alebo vertikálnou osou otáčania a oblúkovými zvislými navádzacími plochami (2) usmerňujúcimi prúdenie vzduchu k vrtuliam (1), pričom vertikálne umiestnenie vrtule (1) je umiestnenie vrtule (1) v rovine pozdĺžnej so smerom vetra. Po prechode pohybujúceho sa vzduchu vrtuľami (1) vzduch uniká strhávaný vonkajším vodorovným prúdením do priestoru. Vrtuľová veterná V turbína je zavesená na lanách (8) alebo je otočne pripevnená na stožiari (9). Základné využitie vynálezu je v získavaní elektrickej energie z kinetickej energie vetra.

Description

Oblasť techniky

Predkladaný vynález sa týka vrtuľovej veternej V turbíny a jej použitie je v oblasti veterných turbín využívajúcich silu vetra na výrobu elektrickej energie. Vynález patrí svojím obsahom do odboru fyziky, časti mechanika.

Doterajší stav techniky

Na využitie sily vetra sa doteraz priemyselne skoro na 95 % používajú vrtuľové turbíny dvoj alebo trojlisté s vodorovnou osou otáčania označujúcich sa ako HAWT. Konštrukčné obmedzenie pri týchto typoch turbín je dané rýchlosťou voľného konca listu turbíny, pretože pri veľkej rýchlosti špičky hrotu dochádza ku turbulentným problémom, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú energetický výnos zariadenia. V minulosti sa používali tiež veterné mnoho lopatkové kolesá, alebo veterné turbíny označujúce sa ako VAWT typu H - rotor so zvislými listami a zvislou osou otáčania, alebo turbíny typu Darrieus. Najstaršie typy sú karuselové s rôznymi výkyvnými lamelami, účinnými v jednej polovici otáčania rotora. Objavilo sa aj mnoho nápadov lineárnych hnacích zariadení s plochami alebo listami upevnenými na dvoch koncoch na dvoch kábloch, reťaziach alebo lanách usporiadaných do uzavretej slučky.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu vrtuľovej veternej V turbíny je optimálne usporiadanie oblúkových navádzacích plôch priestorovej nosnej konštrukcie a umiestnenie viacerých klasických axiálnych veterných vrtúľ v rovine pozdĺžnej so smerom vetra. Vrtuľová veterná V turbína sa skladá z nosnej konštrukcie, oblúkových navádzacích plôch a dvoch alebo viacerých klasických axiálnych veterných vrtúľ spojených s generátorom. V tomto opise vynálezu budú vysvetlené dve možnosti realizácie odklonenia prúdu vzduchu. Prvou možnosťou realizácie vrtuľovej veternej V turbíny je odklonenie vodorovného prúdu vzduchu do priečneho vodorovného smeru vzhľadom na vietor a druhou možnosťou realizácie vrtuľovej veternej V turbíny je odklonenie vodorovného prúdu vzduchu najprv do priečneho vodorovného smeru a následne do vertikálneho smeru. Skrátený názov vrtuľová veterná V turbína sa dá presnejšie opísaťako priestorová veterná turbína s vertikálne alebo horizontálne umiestnenými vrtuľami s horizontálnou alebo vertikálnou osou otáčania a oblúkovými navádzacími plochami usmerňujúcimi prúdenie vzduchu ku vrtuliam, pričom vertikálne umiestnenie vrtule je umiestnenie vrtule v rovine pozdĺžnej so smerom vetra. Podstatou vynálezu je, že vodorovné prúdenie vzduchu je zachytávané, rozdeľované a usmerňované pomocou oblúkových navádzacích plôch do priečneho vodorovného smeru vzhľadom na vietor alebo vertikálneho smeru. Vrtule sú pripevnené ku konštrukcii pevne v rámoch a môžu byť umiestnené buď vo zvislej rovine pozdĺžne so smerom vetra, alebo vo vodorovnej rovine pozdĺžne so smerom vetra. Vzduch za vrtuľami pri obidvoch prípadoch umiestnenia, ktorý je spomalený tým, že odovzdal svoju kinetickú energiu do otáčania vrtuliam je odvádzaný a urýchľovaný prirodzeným pohybom vzduchu od vetra vo vodorovnom smere, čo zvyšuje otáčavý výkon vrtule. Otáčanie vrtúľje urýchlené tým, že prierez plochy zachytávaného vzduchu sa smerom ku vrtuliam zužuje, čím sa zrýchľuje prúdenie vzduchu. Výkon generátora je zvyšovaný využitím dvoch protismerne sa otáčajúcich vrtúľ spojených hriadeľom do jedného stroja. V podstate sa stator takisto stáva rotorom a môžeme hovoriť o dvojrotorovom generátore. Takouto konštrukciou sa zvýšia otáčky generátora bez použitia prevodovky na dvojnásobok, čím sa zvyšuje jeho účinnosť. Turbína je chránená proti silnému vetru použitím listov vrtule s nastaviteľným uhlom natočenia listov vrtule. Druhou možnosťou ako chrániťturbínu pred silným vetrom je zabudovať bezpečnostné výklopné klapky, ktoré budú prepúšťať vzduch v horizontálnom smere pri nebezpečne silnom vetre. Všetky rotujúce časti sa nachádzajú vnútri konštrukcie. Konštrukcia turbíny môže byť zavesená na lanách, alebo je osadená na pevnom stĺpe s možnosťou vodorovného otáčania na ložisku podľa smeru vetra. Otáčanie celej turbíny pri zavesení na lanách je umožnené pripevnením závažia na prednej konzole, ktoré vyváži konštrukciu tak, že os otáčania celej turbíny je posunutá dopredu a vietor otočí turbínu do požadovaného smeru opretím sa o navádzacie plochy turbíny. Otáčanie celej turbíny pri osadení na pevnom stĺpe je umožnené pripevnením osi otáčania celej turbíny v prednej časti konštrukcie turbíny, pričom je momentové zaťaženie od tiaže zadnej časti konštrukcie vykompenzované pripevnením turbíny v dvoch bodoch nad sebou a vietor otáča turbínu do požadovaného smeru opretím sa o navádzacie plochy turbíny. Výhodou je veľké zníženie priemeru vrtule pri porovnateľnom výkone klasicky používanej HAWT turbíny a zvýšenie otáčok vrtule. Výhodou je použitie nenáročných a dostupných materiálov na zhotovenie a ľahká montáž z vopred pripravených dielov. Výhodou

SK 57-2021 A3 je konštrukcia, ktorá je priaznivá k životnému prostrediu, a ktorá nezaťažuje životné prostredie zabíjaním živých tvorov, hlukom a vibráciami z vysokých otáčok pohybujúcich sa vonkajších častí zariadení. Výhoda je vo využívaní veľmi silného vetra a nárazov vetra ako aj veľmi slabého prúdenia vzduchu. Výhodou je aj ľahšia údržba oproti jestvujúcim vrtuľovým turbínam a zamedzenie vizuálnych rušivých vplyvov na krajinu spôsobené pohyblivými listami veterných turbín pri získavaní energie z vetra.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. č. 1 je v axonometrii schematicky zobrazená vrtuľová veterná V turbína s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra. Je otočená z náveternej strany a je zavesená na lanovom systéme.

Na obr. č. 2 sú v pôdoryse zobrazené jednotlivé časti turbíny zavesenej na lanách s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Na obr. č. 3 sú v pohľade spredu zobrazené časti vrtuľovej veternej V turbíny zavesenej na lanách s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Na obr. č. 4 sú v pôdoryse zobrazené jednotlivé časti turbíny zavesenej na lanách s horizontálne umiestnenými vrtuľami.

Na obr. č. 5 sú v pohľade spredu zobrazené časti vrtuľovej veternej V turbíny zavesenej na lanách s horizontálne umiestnenými vrtuľami.

Na obr. č. 6 sú v pohľade zboku zobrazené časti vrtuľovej veternej V turbíny zavesenej na lanách s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Na obr. č. 7 sú v pohľade zboku zobrazené časti vrtuľovej veternej V turbíny zavesenej na lanách s horizontálne umiestnenými vrtuľami.

Na obr. č. 8 je v axonometrii schematicky zobrazená vrtuľová veterná V turbína s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra. Je otočená z náveternej strany a je pripevnená otočne na pevnom stožiari.

Na obr. č. 9 je v pôdoryse zobrazený prúd vzduchu vrtuľovou veternou V turbínou so zavretými výklopnými klapkami zavesenou na lanách s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Na obr. č. 10 je v pôdoryse zobrazený prúd vzduchu vrtuľovou veternou V turbínou s otvorenými výklopnými klapkami zavesenou na lanách s vrtuľami vertikálne umiestnenými v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Princíp vynálezu umožňuje postaviť vrtuľové veterné V turbíny rôznych veľkostí v závislosti na hmotnosti a pevnosti použitých materiálov na konštrukciu, podľa spôsobu upevnenia turbíny a podľa umiestnenia vrtúľ v horizontálnej alebo vertikálnej polohe.

Príklad č. 1: Opis konštrukcie vrtuľovej veternej V turbíny zavesenej na nosnom lane napnutom medzi dvomi pevnými bodmi s vertikálne umiestnenými dvomi vrtuľami v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Základné konštrukčné časti vrtuľovej veternej V turbíny podľa funkcie sú tri a delia sa na nosné časti konštrukcie, ktoré zabezpečujú tvar a stabilitu, ďalej na oblúkové navádzacie plochy usmerňujúce prúdenie vzduchu a rotačné časti, ktoré zabezpečujú premenu sily pohybujúceho sa vzduchu na elektrickú energiu. Opis vzhľadu konštrukcie: Vrtuľová veterná V turbína je zavesená na lane 8 cez nosnú konštrukciu 7 pripevnenú k dvom vodorovným navádzacím plochám 3. Vodorovné navádzacie plochy 3 s miernym vyklenutím v špici vrtuľovej veternej V turbíny smerom nahor a nadol od seba sú spojené dvomi voči stredovej pozdĺžnej zvislej rovine symetricky usporiadanými oblúkovými zvislými navádzacími plochami 2 vejárovite usporiadanými so špicom vpredu. Na obidvoch protiľahlých koncoch vodorovných navádzacích plôch 3 sú pripevnené kolmo rámy vrtule 13 v rovine pozdĺžnej so smerom vetra a v rámoch vrtule 13 sú osadené na vodorovnom hriadeli generátora 5 vrtule 1 tak, aby sa otáčali vzájomne opačným smerom. Hriadeľ generátora 5 spája vrtuľu 1 s rotorom generátora 4, ktorý je skonštruovaný ako dvojrotorový generátor, v ktorom sa aj statorová časť bežného generátora otáča opačným smerom ako rotor a odvádzanie elektrického prúdu od generátora 4 na konštrukciu je riešené cez elektrický kontakt medzi pevnou a pohyblivou časťou pomocou kompozitných materiálov na báze grafitu. Na oblúkových zvislých navádzacích plochách 2 sú po obidvoch stranách vrtuľovej veternej V turbíny vmontované výklopné klapky 6, ktoré sa vyklápajú smerom dozadu pri silnom vetre a slúžia ako bezpečnostné zariadenie. Vpredu do špice oblúkových zvislých navádzacích plôch 2

SK 57-2021 A3 je osadený rám nosnej konštrukcie 7 s pripevneným závažím 12, aby ťažisko celej vrtuľovej veternej V turbíny so zvislou osou otáčania bolo posunuté dopredu a celá konštrukcia vrtuľovej veternej V turbíny sa mohla pomocou vetra otočiť do požadovaného smeru špicou turbíny ku vetru opretím sa vetra o oblúkové zvislé navádzacie plochy 2.

Príklad č. 2: Opis konštrukcie vrtuľovej veternej V turbíny zavesenej na nosnom lane napnutom medzi dvomi pevnými bodmi s horizontálne umiestnenými štyrmi vrtuľami.

Základné konštrukčné časti vrtuľovej veternej V turbíny podľa funkcie sú tri a delia sa na nosné časti konštrukcie, ktoré zabezpečujú tvar a stabilitu, ďalej na oblúkové navádzacie plochy usmerňujúce prúdenie vzduchu a rotačné časti, ktoré zabezpečujú premenu sily pohybujúceho sa vzduchu na elektrickú energiu. Opis vzhľadu konštrukcie: Vrtuľová veterná V turbína je zavesená na lane 8 cez nosnú konštrukciu 7 pripevnenú k dvom vodorovným navádzacím plochám 3. Vodorovné navádzacie plochy 3 s miernym vyklenutím v špici vrtuľovej veternej V turbíny smerom nahor a nadol od seba sú spojené dvomi voči stredovej pozdĺžnej zvislej rovine symetricky usporiadanými oblúkovými zvislými navádzacími plochami 2 vejárovite usporiadanými so špicom vpredu. Na obidvoch protiľahlých koncoch vodorovných navádzacích plôch 3 sú v ich koncovej časti vložené rámy vrtule 13 vo vodorovnej polohe v rovine pozdĺžnej so smerom vetra a v rámoch vrtule 13 sú osadené na zvislom hriadeli generátora 5 vrtule 1 tak, aby sa otáčali vzájomne opačným smerom. Na každej strane vodorovných navádzacích plôch 3 je teda osadená dvojica rámov vrtule 13. V tomto type vrtuľovej veternej V turbíny je vodorovné prúdenie vzduchu zachytávané, rozdeľované a usmerňované pomocou oblúkových navádzacích plôch 2 do priečneho vodorovného smeru vzhľadom na vietor a následne do vertikálneho smeru pomocou oblúkových šikmých navádzacích plôch 14, ktoré sú pripevnené ku vodorovným navádzacím plochám 3 a zadnou časťou ku oblúkovým zvislým navádzacím plochám 2. Hriadeľ generátora 5 spája vrtuľu 1 s rotorom generátora 4, ktorý je skonštruovaný ako dvojrotorový generátor, v ktorom sa aj statorová časť bežného generátora otáča opačným smerom ako rotor a odvádzanie elektrického prúdu od generátora 4 na konštrukciu je riešené cez elektrický kontakt medzi pevnou a pohyblivou časťou pomocou kompozitných materiálov na báze grafitu. Na oblúkových zvislých navádzacích plochách 2 sú po obidvoch stranách vrtuľovej veternej V turbíny vmontované výklopné klapky 6, ktoré sa vyklápajú smerom dozadu pri silnom vetre a slúžia ako bezpečnostné zariadenie. Vpredu do špice oblúkových zvislých navádzacích plôch 2 je osadený rám nosnej konštrukcie 7 s pripevneným závažím 12, aby ťažisko celej vrtuľovej veternej V turbíny so zvislou osou otáčania bolo posunuté dopredu a celá konštrukcia vrtuľovej veternej V turbíny sa mohla pomocou vetra otočiť do požadovaného smeru špicou turbíny ku vetru opretím sa vetra o oblúkové zvislé navádzacie plochy 2.

Príklad č. 3: Opis konštrukcie vrtuľovej veternej V turbíny pripevnenej otočne na nosnom stožiari s vertikálne umiestnenými dvomi vrtuľami v rovine pozdĺžnej so smerom vetra.

Opis konštrukcie vrtuľovej veternej V turbíny je taký istý ako je uvedený v príklade č. 1 s tým rozdielom, že vrtuľová veterná V turbína nie je zavesená na lanách 8 cez nosnú konštrukciu 7, ale je otočne pripevnená na stožiari 9 pomocou ložiska 11 a nie je realizovaná rámová časť so závažím, lebo momentové zaťaženie od tiaže zadnej časti konštrukcie je vykompenzované pripevnením turbíny v dvoch bodoch nad sebou.

Príklad č. 4: Opis konštrukcie vrtuľovej veternej V turbíny pripevnenej otočne na nosnom stožiari s horizontálne umiestnenými štyrmi vrtuľami.

Opis konštrukcie vrtuľovej veternej V turbíny je taký istý ako je uvedený v príklade č. 2 s tým rozdielom, že vrtuľová veterná V turbína nie je zavesená na lanách 8 cez nosnú konštrukciu 7, ale je otočne pripevnená na stožiari 9 pomocou ložiska 11 a nie je realizovaná rámová časť so závažím, lebo momentové zaťaženie od tiaže zadnej časti konštrukcie je vykompenzované pripevnením turbíny v dvoch bodoch nad sebou.

Priemyselná využiteľnosť

Vynález vrtuľovej veternej V turbíny je možné využívať na premenu kinetickej energie vetra na mechanickú energiu ako hnaciu silu pre generátory. Priemyselná využiteľnosť spočíva hlavne v zásobovaní energetického priemyslu energiou z obnoviteľných zdrojov primárne pre výrobu elektrickej energie malospotrebiteľmi. Jedným z príkladov je návrh veternej elektrárne na obr. č. 1. Veľké využitie má tento vynález aj v zásobovaní lacnou elektrickou energiou pre rozrastajúci sa počet elektrických nabíjacích staníc pre elektromobilitu. Je vhodný aj do mestskej zástavby, lebo otáčavé časti sú oveľa menšie ako pri klasických vrtuliach, nie sú tak veľmi viditeľné a nerušia a neohrozujú pri uvedení do chodu okolie.

SK 57-2021 A3

Zoznam vzťahových značiek

- vrtuľa

- oblúková zvislá navádzacia plocha

- vodorovná navádzacia plocha

- generátor

- hriadeľ generátora

- výklopná klapka

- nosná konštrukcia

- lano

- stožiar

- základ stožiara

- ložisko

- závažie

- rám vrtule

- oblúková šikmá navádzacia plocha

- bočná stena

Claims (2)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vrtuľová veterná V turbína je zhotovená z nosnej konštrukcie (7), z oblúkových zvislých navádzacích plôch (2), z vodorovných navádzacích plôch (3), z rámov vrtúľ (13) z vrtúľ (1) z hriadeľov generátora (5) a generátora (4), pričom vrtuľová veterná V turbína je zavesená na lanách (8), alebo je otočne pripevnená na stožiari (9), vyznačujúca sa tým, že nosná konštrukcia (7), skladajúca sa z tyčových prvkov je pripevnená ku dvom vodorovným navádzacím plochám (3), ktoré sú umiestnené nad sebou a svojim tvarom kopírujú tvar dvoch oblúkových zvislých navádzacích plôch (2), pričom vodorovné navádzacie plochy (3) sú spojené týmito dvomi voči stredovej pozdĺžnej zvislej rovine symetricky usporiadanými oblúkovými zvislými navádzacími plochami (2), ktoré sú vejárovite usporiadané so špicom vpredu do tvaru písmena V a na obidvoch protiľahlých koncoch vodorovných navádzacích plôch (3) sú pripevnené kolmo rámy vrtule (13) v rovine pozdĺžnej so smerom vetra a v rámoch vrtule (13) sú osadené na vodorovnom hriadeli generátora (5) vrtule (1) tak, aby sa otáčali vzájomne opačným smerom a každý hriadeľ generátora (5) spája vrtuľu (1) s rotorom generátora (4) a na oblúkových zvislých navádzacích plochách (2) sú po obidvoch stranách vrtuľovej veternej V turbíny vmontované výklopné klapky (6), vyklápajúce sa smerom dozadu a vpredu v špici oblúkových zvislých navádzacích plôch (2) je osadený rám nosnej konštrukcie (7) so závažím (12) v prípade, že je vrtuľová veterná V turbína zavesená na lanách.

2. Vrtuľová veterná V turbína podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c a s a t ý m , že nosná konštrukcia (7), ktorá sa skladá z tyčových prvkov je pripevnená ku dvom vodorovným navádzacím plochám (3), ktoré sú umiestnené nad sebou a svojim tvarom kopírujú tvar dvoch oblúkových zvislých navádzacích plôch (2), pričom vodorovné navádzacie plochy (3) sú spojené týmito dvomi voči stredovej pozdĺžnej zvislej rovine symetricky usporiadanými oblúkovými zvislými navádzacími plochami (2), ktoré sú vejárovite usporiadané so špicom vpredu do tvaru písmena V a na obidvoch protiľahlých koncoch vodorovných navádzacích plôch (3) sú v ich koncovej časti vložené rámy vrtule (13) vo vodorovnej polohe v rovine pozdĺžnej so smerom vetra a v rámoch vrtule (13) sú osadené na zvislom hriadeli generátora (5) vrtule (1) tak, aby sa otáčali vzájomne opačným smerom a každý hriadeľ generátora (5) spája vrtuľu (1) s rotorom generátora (4) a na oblúkových zvislých navádzacích plochách (2) sú po obidvoch stranách vrtuľovej veternej V turbíny vmontované výklopné klapky (6), ktoré sa vyklápajú smerom dozadu a vpredu v špici oblúkových zvislých navádzacích plôch (2) je osadený rám nosnej konštrukcie (7) so závažím (12) v prípade, že je vrtuľová veterná V turbína zavesená na lanách.