PL B1. UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE, Olsztyn, PL BUP 07/12

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. F03D 3/02 ( ) F03D 3/06 ( ) F03D 11/04 ( ) (54) Turbina wiatrowa (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 07/12 (73) Uprawniony z patentu: UNIWERSYTET WARMIŃSKO-MAZURSKI W OLSZTYNIE, Olsztyn, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/14 (72) Twórca(y) wynalazku: KRZYSZTOF PERDON, Bolesławiec, PL LUCYNA KOPROWSKA, Olsztyn, PL MIROSŁAW KRZEMIENIOWSKI, Olsztyn, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa, która może znaleźć zastosowanie w przemyśle elektro - energetycznym do efektywniejszego wykorzystania energii wiatru i zamiany na energię elektryczną. Celem wynalazku jest stworzenie bardziej efektywnej turbiny wiatrowej, aby można było ją stosować przy niższych prędkościach wiatru oraz w miejscach powszechnie uznawanych za niekorzystne, czyli w rejonach o dużej zmienności kierunku wiatru i o dużym zagospodarowaniu urbanistycznym. Znana jest turbina wiatrowa o konstrukcji pionowej powszechnie nazywanej VAWT lub turbina Darrieusa. Turbina taka jest zbudowana z masztu, wirnika z łopatami umieszczonymi pionowo, wału napędowego przekazującego siłę skrętną do prądnicy oraz prądnicy. W momencie, kiedy wieje wiatr a na łopaty zaczyna oddziaływać energia kinetyczna wiatru to wirnik rozpoczyna swój ruch obrotowy wokół własnej osi obrotu. Na skutek tego obrotu przekazywana jest siła skrętna na wał obrotowy. Następnie wał obrotowy przekazuje siłę skrętną na prądnice. Podczas obrotu wału z magnesami w prądnicy, na skutek zmiennego pola magnetycznego, dochodzi do wytworzenia energii elektrycznej. Podobny typ turbiny wiatrowej łączącej typ Darrieusa z drugą turbiną jest znany z opisu patentowego MD Wynalazek odnosi się do maszyn do przetwarzania energii wiatru, a mianowicie turbin wiatrowych typu Darrieus o osi pionowej. Turbina wiatrowa o pionowej osi składa się z pionowych stałych wież, na których jest zainstalowany swobodnie podstawowy obrotowy wał z ostrzami zamocowanymi na sztywno do niej. Każdy nóż o wydłużonej formie spirali ma aerodynamiczny profil w części prostopadły do osi podłużnej. W miejsca zostały dodatkowo umieszczone co najmniej dwie spiralne łopatki, umieszczone współosiowo z wałem obrotowym podstawowym i połączone z nim za pomocą sprzęgła. Obrotowy wał podstawowy jest sztywno połączony z wałem prądnicy. W momencie, kiedy wieje wiatr a na wirnik ślimakowy a następnie na łopaty zaczyna oddziaływać energia kinetyczna wiatru to wirnik rozpoczyna swój ruch obrotowy wokół własnej osi obrotu. Zasada działania takiej konstrukcji jest taka, że kiedy zaczyna wiać i wieje niższy wiatr, wewnętrzny wirnik ślimakowy ma za zadanie szybciej wpędzić całą turbinę w ruch obrotowy. Natomiast, kiedy wieje silniejszy wiatr to łopaty Darrieusa w kształcie helisy mają dać wyższy moment obrotowy. Podstawowym założeniem takiej konstrukcji jest wzrost efektywności całego układu wirnikowego poprzez przyspieszenie momentu startowego dzięki wewnętrznemu wirnikowi ślimakowemu, oraz wyższy i szybszy moment obrotowy przy silniejszych wiatrach dzięki łopatom Darrieusa. Następnie wał obrotowy przekazuje siłę skrętną na prądnice. Podczas obrotu wału z magnesami w prądnicy, na skutek zmiennego pola magnetycznego, dochodzi do wytworzenia energii elektrycznej Znana jest też ze zgłoszenia patentowego nr turbina wiatrowa z systemem podwójnych wirników, w której dwa wirniki wiatrowe o osi pionowej umieszczone są jeden nad drugim, gdzie kierunek ruchu obrotowego wirników jest przeciwny. Jeden wirnik posiada ruch obrotowy prawostronny a drugi lewostronny. Jeden wirnik przenosi moment napędowy na wirnik prądnicy a drugi na stojan prądnicy. Według wynalazku turbina wiatrowa posiadająca na maszcie dwa wirniki, składające się z łopat w kształcie helisy i ramion wirnika oraz prądnicy charakteryzuje się tym, że na ramionach wirnika ma umieszczone dyfuzory. Na końcach łopat jest umieszczone obciążenie łopat, do którego przymocowany jest siłownik domykania dyfuzora. Do końców łopat oraz obciążeń zamocowane są sprężyny, których przeciwległy koniec zamocowany jest do ramion wirnika. Istotą wynalazku jest zastosowanie podwójnego zestawu wirników wiatrowych o przeciwnym ruchu obrotowym z innowacyjnym systemem zmiany kąta łopat roboczych względem osi wiatru oraz domykanymi dyfuzorami. Taka konstrukcja pozwoli na efektywniejsze wykorzystywanie zasobów wiatrowych przy znacznie niższym wietrze. Dzięki takiemu mechanizmowi, opisywana turbina, może wygasić w bardzo dużym stopniu swoją skuteczność aerodynamiczną. Takie wygaszenie skuteczności skutkuje tym, że nie ma potrzeby optymalizować wielkości turbiny do zdolności prądnicy jak to ma miejsce w dzisiejszych konwencjonalnych turbinach. W przypadku opisywanej, nowego typu turbinie, można dobrać jej wielkość oraz parametry tak, aby możliwie jak najszybciej i przy możliwie jak najniższym wietrze, uzyskała moment obrotowy oraz swoją zdolność nominalną do produkcji prądu. Natomiast w sytuacji nadmiernego wiatru został zastosowany innowacyjny system wygaszenia zdolności aerodynamicznej w postaci zmiany geometrii łopat wraz z domknięciem dyfuzorów. Pozwoli to na dużo efektywniejsze wykorzystanie naturalnych zasobów wiatru do produkcji energii elektrycznej. Ponadto, dzięki innowacyjnemu zasto-

3 PL B1 3 sowaniu systemu wygaszenia aerodynamicznego w postaci zmiennej geometrii łopat i domykanych dyfuzorów, siły parcia bezpośrednio oddziałujące na maszt turbiny są dużo niższe jak w przypadku konwencjonalnych rozwiązań. Dzięki temu, opisywaną innowacyjną turbinę będzie można wykorzystać w sposób i miejscach dotąd niemożliwych dla konwencjonalnych turbin. Takimi miejscami mogą być wolne I niezagospodarowane pasy pomiędzy jezdniami na autostradzie, przy odpowiedniej konstrukcji nośnej torowiska kolejowe oraz będzie możliwy montaż na mostach. Pozwoli to na obniżenie bilansu energetycznego energii włożonej z produkcję takiej turbiny do energii uzyskanej z jej pracy. A dzięki nowym możliwościom wykorzystania, jak łącząc autostradę z farmą wiatrową, podniesie ekonomikę przedsięwzięcia w postaci dodatkowego efektu skali ekonomicznej. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunkach, w których fig. 1 przedstawia wirnik w rzucie z przodu, fig. 2 mechanizm położenia łopat wirnika, fig. 3 mechanizm domykania dyfuzora. Na maszcie 1 turbiny osadzone są dwa wirniki, które składają się z łopat w kształcie helisy górnej 2, i dolnej 3 wirnika, ramion 4 wirnika oraz dyfuzorów 5 wirnika umieszczone na ramionach 4 wirnika. Na końcach łopat 2 i 3 jest umieszczone obciążenie 6 łopat a na przeciwległym końcu łopaty do końca z obciążeniem 6 przymocowany jest siłownik 7 domykania dyfuzora 5. Do końców łopat 2, 3 oraz obciążeń 6 zamocowane są sprężyny 8 natomiast przeciwległy koniec sprężyny jest zamocowany do ramion 4 wirnika. Turbina również zawiera prądnicę 9. W momencie, kiedy wieje wiatr a na dyfuzory 5 wirnika oraz na łopaty 2 i 3 zaczyna oddziaływać energia kinetyczna wiatru to wirnik rozpoczyna swój ruch obrotowy wokół własnej osi obrotu. Zasada działania takiej konstrukcji jest taka, że kiedy zaczyna wiać i wieje niższy wiatr dyfuzory 5 mają za zadanie szybciej wpędzić całą turbinę w ruch obrotowy. Natomiast, kiedy wieje silniejszy wiatr to łopaty Darrieusa w kształcie hielisy mają dać wyższy moment obrotowy. Podstawowym założeniem takiej konstrukcji jest wzrost efektywności całego układu wirnikowego poprzez przyspieszenie momentu startowego dzięki zewnętrznym dyfuzorom 5, oraz wyższy i szybszy moment obrotowy przy silniejszych wiatrach dzięki łopatom Darrieusa. Następnie wał obrotowy przekazuje siłę skrętną na prądnice. Podczas obrotu wału z magnesami w prądnicy, na skutek zmiennego pola magnetycznego, dochodzi do wytworzenia energii elektrycznej. Dodatkową zaletą turbiny jest wykorzystanie dwóch wirników wiatrowych umieszczonych w osi pionowej jeden nad drugim, w których kierunek ruchu obrotowego wirników jest przeciwbieżny. Jeżeli górny wirnik wiatrowy posiada ruch obrotowy prawostronny to dolny wirnik wiatrowy posiada ruch obrotowy lewostronny. W tym przypadku jeden wirnik wiatrowy będzie przenosił moment napędowy np. na wirnik prądnicy zaś drugi wirnik wiatrowy będzie przenosił moment napędowy np. na stojan prądnicy w przeciwnym kierunku obrotowym do kierunku obrotu wirnika prądnicy. Łopaty 2, 3 umieszczane pionowo z odpowiednim obciążeniem 6 na końcach łopat oraz mechanizmem sprężynowym 8, mają za zadanie regulować odległość końca łopaty od osi obrotu a przez to kąt wychylania łopat względem osi obrotu podczas ruchu obrotowego wykorzystuje efekt siły odśrodkowej. Dodatkowo podczas wychylania się łopat 2, 3 przeciwległy koniec łopat wykonuje czynność domykania dyfuzora 5 poprzez wpychanie siłownika 7 domykania dyfuzora 5 do środka dyfuzora uruchamiając mechanizm domykania dyfuzora. Początkowo, kiedy wirnik jest w stanie spoczynku i nie oddziaływuje na niego wiatr, ma pełną pozycję pionową z domkniętymi łopatami 2 i 3 oraz otwartymi dyfuzorami 5. W chwili kiedy na wirnik zaczyna oddziaływać siła wiatru przenosząc jego energię kinetyczną, wirnik zaczyna ruch obrotowy względem osi pionowej. Po osiągnięciu większej od zakładanej liczby obrotów na minutę (na skutek zwiększonego wiatru) rozpoczyna się proces zmiany położenia łopat względem osi wirnika i wiatru. Dzieje się tak, gdyż zwiększona siła odśrodkowa wyrzuca na zewnątrz okręgu (linii pracy wirnika) końcówkę łopaty ze specjalnym do tego celu umieszczonym obciążeniem 6. Dla zapewnienia płynnej regulacji momentu zmiany kąta łopat z obciążeniem zastosowane zostały sprężyny 8, które mają za zadanie płynnie odchylać łopaty 2, 3 wirnika na zewnątrz linii obrotu wirnika a następnie, kiedy siła wiatru osłabnie, to płynnie przyciągnąć łopaty do ramion 4 wirnika. W czasie, kiedy łopata 2 i 3 wirnika odchyla się na zewnątrz, jej przeciwległy koniec wykonuje ruch do wewnątrz w kierunku dyfuzora 5. Na końcu łopaty wykonujący ruch do wewnątrz w kierunku dyfuzora 5 jest zamontowany siłownik 7, który ten ruch wykorzystuje do uruchomienia domykania dyfuzora 5 a w konsekwencji jego pełne domknięcie.

4 4 PL B1 Zastrzeżenie patentowe Turbina wiatrowa posiadająca na maszcie dwa wirniki, składające się z łopat w kształcie helisy i ramion wirnika oraz prądnicy, znamienna tym, że na ramionach (4) wirnika ma zamontowane dyfuzory (5) wirnika a na końcach łopat (2) i (3) jest umieszczone obciążenie (6) łopat, do którego przymocowany jest siłownik (7) domykania dyfuzora przy czym do końców łopat (2) i (3) oraz obciążeń (6) zamocowane są sprężyny (8), których przeciwległy koniec zamocowany jest do ramion (4) wirnika. Rysunki

5 PL B1 5

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)