SK992020A3 - Sklopná pásová turbína - Google Patents

Abstract

Sklopná pásová turbína s valcovým obežným mechanizmom (7) premieňa posuvný pohyb vzduchu na krútiaci pohyb generátora (13). Spôsobené je to bočným vychýlením čelného prichádzajúceho prúdu vzduchu šikmými nábehovými plochami (3) na pohyblivé pásy (11), na ktorých sú pripevnené lopatky (12) pohybujúce sa spolu s pásom (11) okolo valcov (6) s integrovaným generátorom (13). Alternatívou tejto konštrukcie je nahradenie valcového obežného mechanizmu (7) remeňovým obežným mechanizmom (23) v kombináciis použitímkolieskovéhomechanizmu (18) a otočných remeníc (8) alebo nahradenie valcového obežného mechanizmu (7) súborom radiálnych turbín (36). Na sklopnej pásovej turbíne je navrhnutý ochranný systém proti zničeniu vplyvom silného vetra, a to sklopením obidvoch nosných ramien (2) pomocou kĺbového spojenia (15) osadeným medzi stredovou nosnou konštrukciou (1) a sklopnými nosnými ramenami (2) symetricky smerom dovnútra. Základné využitie vynálezu je v získavaní elektrickej a mechanickej energie z kinetickej energie vetra.

Description

Oblasť techniky

Predkladaný vynález sa lýka sklopnej pásovej 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 kamselové 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. Ďalšie známe konštrukcie sú zostrojené na princípe odklonenia prúdu vzduchu na jednu polovicu turbíny so zvislou osou alebo odklonenia prúdu vzduchu zo stredu ku okrajom dvojice turbín so zvislou osou, pričom na tomto princípe je konštruovaný aj tento vynález. Konštrukcia sklopnej pásovej turbíny je vylepšená o efektívnejšie odovzdanie energie pohybujúceho sa vzduchu pomocou pásového obežného mechanizmu. Využíva lineárny vodorovný pohyb šikmo umiestneného uzavretého pásu ku smeru vetra s vertikálne pripevnenými lopatkami na obežný pás, na ktorého vonkajšiu pohybujúcu sa časť v smere vetra je odklonený prúd vzduchu z nábehových plôch, a ktorý spolupôsobí s priamym smerom vetra a uvádza do pohybu cez otočné valce generátor elektrickej energie. Alternatívnym riešením je nahradenie pohybu uzavretého pásu s lopatkami sústavou prepojených radiálnych lopatkových turbín. Od známych konštrukcií veterných turbín sa líši aj navrhnutým ochranným systémom sklopných ramien smerom dovnútra, čím sa zmenší plocha odporu turbíny voči silnému vetru a zastaví alebo spomalí krútenie otočných častí turbíny.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu sklopnej pásovej turbíny je schopnosť súboru pripevnených lopatiek o pohyblivý pás, ktorý sa otáča okolo dvoch od seba vzdialených valcov konať cyklický pohyb lopatiek vyvolaný silou vetra. Vietor sa opiera do zvislých plôch turbíny šípového tvaru s hrotom vpredu, ktorými je rozdelený do dvoch smerov a prúd vzduchu je odklonený ku dvom koncovým častiam turbíny, v ktorých sa nachádzajú zvislé lopatky turbíny pripevnené na pohyblivé pásy, ktoré sú osadené na obidvoch ramenách nosnej konštrukcie. Lopatky sa vplyvom tlaku prúdiaceho vzduchu začnú pohybovať translačným a otočným pohybom a cez pružný pás sa sila vetra prenáša na otočný valec a pripojený generátor elektrickej energie. Podstatou vynálezu je realizovanie myšlienky zachytávať silu vetra na veľkej ploche a pomocou symetrických šikmých šípových nábehových plôch voči stredu nosnej konštrukcie túto silu kumulovať ku dvom symetricky usporiadaným pohyblivým pásom s lopatkami, pričom polomery valcov, okolo ktorých sa pás otáča sú niekoľkonásobne menšie ako šírka celej konštrukcie, a tým sú eliminované nepriaznivé vplyvy veľkého otáčajúceho sa zariadenia. Zariadenie je symetricky konštruované voči stredovej vodorovnej osi, čo znamená, že má dve sklápacie bočné ramená s dvomi samostatnými pohyblivými pásmi s lopatkami na konci ramien s otáčajúcimi sa valcami a dvomi generátormi. Zariadenie sklopnej pásovej turbíny je nezávislé od smeru vetra, čo je dosiahnuté otočným pripojením na pevný stĺp stredovou nosnou časťou konštrukcie, alebo zavesením zariadenia stredovou časťou na lano a stabilizovaním zvislej polohy spodnými lanami. Zariadenie sklopnej pásovej turbíny má v pôdoryse tvar písmena V a je tak navrhnuté, že vanúci vietor vždy natočí šípové nábehové plochy proti vetru. Ochrana proti veľkému vetru je zabezpečená vložením otočných zvislých kĺbov po celej výške konštrukcie medzi stredovú nosnú časť konštrukcie a obidve bočné ramená, ktoré sa symetricky koordinovane automaticky sklápajú vodorovným otočným pohybom smerom k sebe dovnútra pri nebezpečnej sile vetra, čím zaujmú polohu lopatiek na páse za sebou v závetrí oproti predchádzajúcej polohe na páse šikmo v 45° uhle na smer vetra, v ktorom sú pod vplyvom maximálneho prúdenia vetra. Pri zmenšenej sile vetra na konštrukciu nastáva automatické vyklápame a obnova funkcie veternej turbíny do nesklopenej polohy. Obidve ramená turbíny sú vzájomne prepojené v hornej a dolnej časti konštrukcie strunovým pákovým mechanizmom cez stredovú stabilnú nepohyblivú časť konštrukcie. Stredová časť konštrukcie sa môže otáčať len okolo svojej zvislej osi podľa smeru vetra. Obidve ramená sa môžu otáčať okolo svojej zvislej osi podľa smeru vetra a zároveň pri veľkom pre konštrukciu nebezpečnom vetre ešte aj okolo osi zvislých kĺbov. Dva valce, okolo ktofych obieha pohyblivý pás sú nerovnakého priemeru, pričom zadný priemer valca je väčší, čo spôsobuje ľah

SK 99-2020 A3 šie otáčame pohyblivých častí a predný valec je menší, čo spôsobuje vyššie otáčky valca prenášané na generátor. Pohyblivý pás je nosičom lopatiek a zároveň usmerňuje prúd vzduchu k nasledujúcej lopatke, čím sa zabezpečuje efektívne využitie prenosu sily vetra, ktorý obteká viac lopatiek. Okolo obidvoch druhých valcov oboch ramien sú z vonkajšej časti pripevnené zaoblené zvislé koncové navádzacie plochy, ktoré sa na konci približujú viac k valcom ako na začiatku, čo spôsobuje efektívnejšie usmernenie obtekaného prúdu vzduchu pásovej turbíny ku lopatkám. Výhody vynálezu pásovej turbíny spočívajú vo veľkom plošnom zábere využitého vetra vzhľadom na veľkosť polomeru otáčajúcich sa valcov, čím sa znižujú vibrácie celej konštrukcie a nároky na vyvažovanie otočných častí. Ďalšou výhodou je možnosť zavesenia celej sklopnej pásovej turbíny na lano, čím sa získava väčšia variabilnosť umiestnenia turbíny a zníženie prenosu vibrácií na základy. Výhodou je použitie nenáročných a dostupných materiálov na zhotovenie a ľahká montáž sklopnej pásovej turbíny. Výhodou je konštrukcia, ktorá je priaznivá k životnému prostrediu, a ktorá nezaťažuje životné prostredie zabíjaním živých tvorov, hlukom a vibráciami z vysokých otáčok častí zariadení. Výhodou je možnosť umiestnenia vynálezu sklopnej pásovej turbíny na jestvujúce budovy a jestvujúce konštrukcie do mestského prostredia bližšie ku odberateľovi energie. Výhoda je vo využívaní veľmi silného vetra a nárazov vetra ako aj veľmi slabého prúdenia vzduchu. Výhoda je v jednoduchosti stavebnej realizácie bez použitia veľkých žeriavov a stavebných mechanizmov. Výhodou je aj ľahšia údržba oproti jestvujúcim vrtuľovým turbínam a neznehodnocovanie architektúry krajiny pri získavaní energie z vetra. Výhodou je, že sklopná pásová turbína je uvádzaná do chodu automaticky bez pomocného rozbehového zariadenia. Výhodou je že veľkosť turbíny nie je limitovaná veľkosťou polomerov otáčavých častí, čo znamená, že sa môžu napríklad zväčšovať veľkosti nábehových častí pri zachovaní veľkostí polomerov otáčavých častí.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. č. 1 je v axonometrii schematicky zobrazená sklopná pásová turbína. Je otočená z návetemej strany a je umiestnená na stožiari.

Na obr. č. 2 je v axonometrii schematicky zobrazená sklopná pásová turbína. Je otočená z návetemej strany a je zavesená na lanovom systéme.

Na obr. č. 3 sú v pôdoryse zobrazené hlavné časti sklopnej pásovej turbíny v rozvinutom nesklopenom stave v pracovnom režime.

Na obr. č. 4 sú v pôdoryse zobrazené hlavné časti sklopnej pásovej turbíny v zloženom sklopenom stave pri silnom vetre v ochrannom režime.

Na obr. č. 5 je zobrazený bočný pohľad na sklopnú pásovú turbína z obrázka č. 2. Na obr. č. 6 je zobrazený pohľad spredu na sklopnú pásovú turbína z obrázka č. 2.

Na obr. č. 7 je v axonometrii schematicky zobrazená otáčajúca sa časť sklopnej pásovej turbíny s valcovým obežným mechanizmom.

Na obr. č. 8 je v axonometrii schematicky zobrazená otáčajúca sa časť sklopnej pásovej turbíny s remeňovým obežným mechanizmom.

Na obr. č. 9 je v axonometrii schematicky zobrazená otáčajúca sa časť sklopnej pásovej turbíny so súborom radiálnych turbín.

Na obr. č. 10 je zobrazený priečny rez A-A z obrázka č. 11, ktoiý zobrazuje konštrukčné pripojenie pohyblivého spojenia lopatiek s vodiacim kruhovým stacionárnym profilom.

Na obr. č. 11 je zobrazený pôdorys kolieskovej nápravy z obrázka č. 10.

Na obr. č. 12 je zobrazený pôdorys oblúka vodiaceho kruhového stacionárneho profilu s pripevnenými lopatkami.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Princíp vynálezu umožňuje postaviť sklopné pásové turbíny rôznych veľkostí a typov napríklad podľa spôsobu upevnenia lopatiek na obežný mechanizmus alebo tvarov nábehových plôch, typu obežného mechanizmu prípadne spôsobu stabilizovania a umiestnenia sklopnej pásovej turbíny.

Príklad č. 1: Opis konštrukcie sklopnej pásovej turbíny s dvomi valcovými obežnými mechanizmami 7 zostrojenými na dvoch nosných ramenách 2 pomocou valcov 6 a pohyblivých pásov lis lopatkami 12.

Základné konštrukčné časti sklopnej pásovej turbíny sa skladajú z troch navzájom spojených dielov, ktolými sú stredová nosná konštrukcia 1 a dve identické nosné ramená 2 symetricky usporiadané po obidvoch stranách stredovej nosnej konštrukcie 1. V pôdorysnom zobrazení svojím tvarom sklopná pásová turbína pripomína písmeno V. V priestore v skutočnosti má pásová turbína tvar množiny na seba naskladaných písmen V s určitou priradenou výškou. Stredová nosná konštrukcia 1 má v pôdorysnom zobrazení tvar štvorca a úsečky, ktorá je pripojená z vonkajšej strany rohu štvorca. V priestore má stredová nosná konštrukcia 1

SK 99-2020 A3 v skutočnosti tvar kocky alebo kvádra s pripojeným zvislým rámom stredovej nosnej konštrukcie 9 na zadnej hrane kvádra. Funkcia stredovej nosnej konštrukcie 1 je stabilizovať nábehové plochy 3 pásovej turbíny a prenášať vodorovné sily vzniknuté z pôsobiaceho vetra na pásovú turbínu a zvislé sily od hmotnosti zavesených nosných ramien 2 pripojených cez kĺbové spojenie 15 ku stredovej nosnej konštrukcii 1 na závesný lanový systém 4 a stabilizujúci lanový systém 5. Zvislé predné nábehové plochy 3 šípového tvaru sú pripevnené pevne na stredovú nosnú konštrukciu 1. Kvôli lepšiemu usmerneniu prúdu vzduchu ku valcovému obežnému mechanizmu 7 sú na stredovú nosnú konštrukciu 1 a zvislé predné nábehové plochy 3 kolmo pripevnené aj vodorovné predné nábehové plochy 3, ktoré sú mierne ohnuté v tvare zužujúceho sa priestoru smerom dozadu. Nosné ramená 2 sú zvislým kĺbovým spojením 15 pripevnené po obidvoch stranách ku stredovej nosnej konštrukcii 1 preto, aby sa mohli pri silnom vetre, ktorý by mohol turbínu poškodiť sklopiť smerom dovnútra. Nosné rameno 2 má tvar uzavretého rámu vo zvislom smere a v každom ráme je osadený valcový obežný mechanizmus 7, ktorý sa skladá z dvoch do rámu vsadených otáčavých valcov 6 s osou otáčania vo zvislom smere, z pohyblivého pásu 11 z látky alebo fólie, ktorý je navlečený na valcoch 6 a z lopatiek 12, ktoré sú pripevnené po celej dĺžke pohyblivého pásu 11. Valce 6 sú nerovnakého priemeru, pričom zadný valec 6 má väčší priemer. Ku otáčavému prednému valcu 6 je na oske 14 pripevnený generátor 13. Obidve nosné ramená 2 sklopnej pásovej turbíny sú vzájomne prepojené v hornej a dolnej časti konštrukcie pákovým mechanizmom 16 cez zvislý rám stredovej nosnej konštrukcie 9. Medzi pákovým mechanizmom 9 a stredovou nosnou konštrukciou 1 je navlečená pružina 17, ktorej sila určuje pri akej rýchlosti vetra sa budú nosné ramená 2 sklápať smerom dovnútra do chránenej polohy pri silnom vetre. Na spodnej a vrchnej strane rámu nosných ramien 2 sú pripevnené vodorovné uzatváracie plochy 22, ktoré usmerňujú prúdiaci vzduch vo vodorovnom smere a na konci týchto plôch sú pripevnené zaoblené zvislé koncové navádzacie plochy 21, ktoré usmerňujú prúdiaci vzduch okolo valcov 6. Smerovka 20 pásovej turbíny je uchytená na zvislý rám stredovej nosnej konštrukcie 9, a to samostatne v hornej aj spodnej časti. Jej veľkosť závisí od proporcií sklopnej pásovej turbíny, aby ju bola schopná otáčať podľa smeru vetra a udržať sklopnú pásovú turbínu vždy v polohe zašpicateným predkom turbíny ku prichádzajúcemu vetm.

Príklad č. 2: Opis konštrukcie sklopnej pásovej turbíny s dvomi remeňovými obežnými mechanizmami 23 zostrojenými na dvoch nosných ramenách 2 pomocou otáčavých remeníc 8, obežných remeňov 10, výplňových plachiet 25 s lopatkami 12 upevnenými na kolieskových mechanizmoch 18 s vodiacimi kruhovými profilmi 19.

Základné konštrukčné časti sklopnej pásovej turbíny sú rovnaké ako v príklade č. 1. Sklopná pásová turbína v príklade č. 2 sa odlišuje od sklopnej pásovej turbíny v príklade č. 1 redukciou hmotnosti otáčajúcich sa prvkov, čo je vhodné pri výrobe sklopných pásových turbín väčších rozmerov. Zvislé valce 6 sú nahradené remenicami 8, ktoré sa otáčajú v ložiskách 24 v strede osiek 14 pripevnených k nosným ramenám 2. Okolo dvoch remeníc 8 každého nosného ramena 2 obieha vo vodorovnom smere obežný remeň 10 stredom nosného ramena 2. Zadná remenica 8 má väčší priemer ako predná analogicky ako valce 6 v príklade č. 1. V hornej a spodnej časti nosných ramien 2 sú k ramenám pripevnené vodiace kmhové profily 19 cez stacionárne konštrukcie pre uchytenie profilu 26, po ktorých obiehajú kolieskové mechanizmy 18 s lopatkami 12. Vodiace kruhové profily 19 sú vytvorené z trubiek identického tvaru a dĺžky s tvarom a dĺžkou obežného remeňa 10. Lopatky 12 sú pevne pripojené na obežný remeň 10 v strede výšky lopatky 12 a na obidvoch krajoch sú pevne pripojené na kolieskový mechanizmus 18. Každá lopatka 12 je spojená s nosnými ramenami 2 v troch bodoch, a to v strede pevne cez pohyblivý obežný remeň 10 a na obidvoch krajoch pohyblivo cez kolieskový mechanizmus 18 ku vodiacemu kruhovému profilu 19. Medzi lopatkami 12 je po celom obvode remeňa 10 a po celej výške lopatky 12 napnutá výplňová plachta 25, ktorá udržuje všetky lopatky 12 vo zvislom smere a rovnomernom translačno-otočnom pohybe. Výplňová plachta 25 zároveň usmerňuje pohyb vzduchu ku lopatkám 12.

Príklad č. 3: Opis konštrukcie sklopnej pásovej turbíny so súborom prepojených radiálnych lopatkových turbín 36 uchytených na dvoch nosných ramenách 2.

Základné konštrukčné časti sklopnej pásovej turbíny sú rovnaké ako v príklade č. L Sklopná pásová turbína v príklade č. 3 sa odlišuje od sklopnej pásovej turbíny v príklade č. 1 tým, že na nosných ramenách 2 sú upevnené pevné osky 14, okolo ktorých sa točia radiálne turbíny 34, ktoré sú pospájané prevodovým mechanizmom35. Na jednej alebo viacerých radiálnych turbínach 34 je pripojený generátor 13.

Priemyselná využiteľnosť

Vynález sklopnej pásovej turbíny je možné využívať na premenu kinetickej energie vetra na mechanickú energiu, napríklad ako hnaciu silu pre generátory, čerpadlá a pod. Priemyselná využiteľnosť spočíva hlavne v zásobovaní energetického priemyslu energiou z obnoviteľných zdrojov primáme pre výrobu elektrickej energie malospotrebiteľmi. Veľké využitie má tento vynález aj v zásobovaní lacnou elektrickou energiou pre rozrastajúci sa počet elektrických nabíjacích staníc pre elektromobilitu.

SK 99-2020 A3

Zoznam vzťahových značiek

- stredová nosná konštrukcia

- sklopné nosné rameno

- nábehové plochy

- závesný lanový systém

- stabilizujúci lanový systém

- valec

- valcový obežný mechanizmus

- remenica

- zvislý rám stredovej nosnej konštrukcie

- obežný remeň

- pohyblivý pás

- lopatka

- generátor

- oska

- kĺbové spojenie

- pákový mechanizmus

- pružina

- kolieskový mechanizmus

- vodiaci kruhový profil

- smerovka

- zaoblená zvislá koncová plocha

- uzatváracia vodorovná plocha

- remeňový obežný mechanizmus

- ložisko

- výplňová plachta

- stacionárna konštrukcia pre uchytenie profilu

- koliesko konštrukcie posuvného bežca

- otočné spojenie medzi rámom bežca a spojovacou lištou

- oska kolieska

- spojovacia lišta posuvného bežca

- rám konštrukcie posuvného bežca

- stĺp

- základová konštrukcia

- radiálna turbína

- prevodový mechanizmus

- súbor radiálnych turbín

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Sklopná pásová turbína je zhotovená zo šípovo usporiadaných zvislých nábehových plôch (3) pripevnených na stredovej nosnej konštrukcii (1), ktorá je zavesená na lanovom systéme (4), alebo otočné pripevnená na stĺpe (32), vyznačujúca sa tým, že na stredovej nosnej konštrukcii (1) sú pomocou zvislého kĺbového spojenia (15) pripojené na obidvoch stranách nosné otočné ramená (2), na ktorých je upevnený valcový obežný mechanizmus (7) obsahujúci rotujúce valce (6) okolo pevnej osky (14) a pohyblivý pás (11), na ktorom sú po celej dĺžke pásu pripevnené lopatky (12) a na jednom valci (6) je pripojený generátor (13) a na obidvoch nosných ramenách (2) je pohyblivo pripojený pákový mechanizmus (16) spojený stredovou nosnou konštrukciou (1) a na ramenách (2) je zhora aj zdola upevnená vodorovná uzatvárajúca plocha (22) a na konci uzatváracích plôch (22) je kolmo pripojená zaoblená zvislá koncová navádzacia plocha (21).
2. 2. Sklopná pásová turbína podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že na stredovej nosnej konštrukcii (1) sú pomocou zvislého kĺbového spojenia (15) pripojené na obidvoch stranách nosné otočné ramená (2), na ktorých je upevnený remeňový obežný mechanizmus (23) obsahujúci remenice (8) rotujúce okolo pevnej osky (14) a obežný remeň (10), na ktorom sú po celej dĺžke pripevnené v strede kolmé lopatky (12), ktoré sú na obidvoch okrajoch pripevnené ku obežnému kolieskovému mechanizmu (18), ktorý je pohyblivo pripojený na pevný vodiaci kruhový profil (19) spojený s konštrukciou sklopných nosných ramien (2) pomocou stacionárnej konštrukcie pre uchytenie profilu (26) a osiek (14) a ku jednej remenici (8) je pripevnený generátor (13) a medzi lopatkami (12) je napnutá výplňová plachta (25).
3. 3. Sklopná pásová turbína podľa nároku 1, vyznačujúca sa tým, že na stredovej nosnej konštrukcii (1) sú pomocou zvislého kĺbového spojenia (15) pripojené na obidvoch stranách nosné otočné ramená (2), na ktorých je upevnený pomocou pevných osiek (14) súbor radiálnych turbín (36) obsahujúci dve alebo viac nerovnako veľkých radiálnych turbín (34), ktoré sú spolu spojené prevodovým mechanizmom (35) a aspoň na jednej radiálnej turbíne (35) je pripevnený generátor (13).