PL 221919 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 221919 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 397946 (51) Int.Cl. F03D 3/06 (2006.01) F03D 7/06 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 31.01.2012 (54) Turbina wiatrowa o osi pionowej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 05.08.2013 BUP 16/13 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.06.2016 WUP 06/16 (73) Uprawniony z patentu: POLBUD SPÓŁKA AKCYJNA, Bielsk Podlaski, PL (72) Twórca(y) wynalazku: BOGUSŁAW GRĄDZKI, Stok, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Danuta Dobkowska
2 PL 221 919 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu przeznaczona do bezpośredniej konwersji energii wiatru na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Turbina może być stosowana do napędu generatorów elektrycznych lub silników cieplnych. Znane są turbiny wiatrowe o osi pionowej posiadające wirnik składający się z łopat, ramion i wału. Do głównego wału wirnika wspierającego się na łożyskach zamocowane są promieniście w równych odstępach kątowych ramiona. Na końcach ramion w osi równoległej do osi wirnika zamocowane są obrotowo łopaty. Wiele rozwiązań turbin o osi pionowej opartych na zmiennym położeniu łopat względem ramion i kierunku wiatru w zależności od położenia kątowego wirnika ma przewagę nad podobnymi turbinami ze stałym zamocowaniem łopat, lecz rozwiązania te nie zapewniają względnego kąta natarcia łopat zależnego od prędkości obrotowej wirnika, siły i kierunku wiatru oraz stopnia obciążenia turbiny. W opisie polskiego wynalazku oznaczonego numerem P. 389 201 pokazany jest silnik wiatrowy o pionowej osi wirnika posiadający ramiona, w których znajdują się pionowo ułoży skowane sztywne płaty odchylające się od prostej, prostopadłej do ramion o kąt ok. 30 po jednej i drugiej stronie tej prostej. Z amerykańskiego zgłoszenia wynalazku nr US 2010 054 936 znana jest turbina wiatrowa o pionowej osi składająca się z obrotowego wału i jednego lub więcej ramion sprzężonych z wałem, przy czym do końców ramion przymocowane są łopaty z ruchomą krawędzią spływu, która odchyla się w przeciwnym kierunku do łopaty. W znanych rozwiązaniach turbin o osi pionowej przy obrotowo zamocowanych łopatach na osi równoległej do osi wału położenie łopat zmienia się jedynie w zależności od położenia kątowego wirnika turbiny bez uwzględnienia wszystkich czynników mających wpływ na maksymalne wykorzystanie energii wiatru. Wiele rozwiązań wykorzystuje zwiększenie masy łopaty w krawędzi natarcia w celu jej wyważenia, co zwiększa bezwładność powodującą znaczną stratę energii przy zmianie kąta i ogranicza prędkość obrotową turbiny. Celem wynalazku jest zapewnienie względnego kąta natarcia poprzez zastosowanie mechanizmu równoważącego masy łopat i zapewniającego dynamiczne zmiany położenia łopat zależne od kierunku oraz siły wiatru, położenia kątowego wirnika i stopnia obciążenia turbiny do zadanej wartości bezpiecznej, po przekroczeniu której kąt natarcia uzyskuje wartość ujemną. Cel ten osiągnięto poprzez ograniczenie zmian kąta łopaty odwrotnie proporcjonalnie do prędkości obwodowej wirnika (zgodnie z zasadą - im większa prędkość obrotowa wirnika, tym większe kąty położenia łopat), zrównoważenie mas łopat poprzez element łączący i zmniejszenie bezwładności łopat (zbędna masa wyważająca). Pozwoliło to na uzyskanie dużej prędkości obwodowej wirnika, a tym samym zwiększenie mocy turbiny. Istotą wynalazku jest turbina o osi pionowej zawierająca wał z osadzonymi równoległymi do siebie parami ramion usytuowanymi w równych odstępach kątowych, na końcach których zamocowane są wahliwie pionowe łopaty charakteryzująca się tym, że przeciwległe dwuwypukłe łopaty zespolone z piastami sprzęgniętymi ze sobą opasającym elementem łączącym zamocowanym w ramionach w momencie uzyskania prędkości obwodowej turbiny większej niż prędkość wiatru są unieruchamiane przez element oporowy znajdujący się na elemencie łączącym poprzez element obciążający zamocowany na sprężynie. Korzystnym jest, gdy element łączący opasuje piasty łopat w kształt ósemki. Korzystnym jest, gdy sprężyna osadzona jest w ramieniu, a elementy oporowe oraz obciążający element przymocowane są za pomocą sprężyny do zaczepu. Turbina wiatrowa o osi pionowej z regulacją względnego kąta natarcia pozwala uzyskać parametry jeszcze lepsze niż w turbinach o osi poziomej z regulacją kąta natarcia bazującej na komputerowych programach sztucznej inteligencji. Zastosowanie mechanizmu równoważącego masy łopat i zapewniającego dynamiczne zmiany ich położenia pozwoliło na uzyskanie dużej prędkości obwodowej wirnika i tym samym zwiększenie mocy turbiny. Element łączący piasty synchronizujący łopaty i równoważący ich masę nie wprowadza bezwładności, przez co zapewniona jest szybka reakcja na zmiany położenia kątowego wirnika. Ograniczenie odchyleń łopat w funkcji prędkości obrotowej zapewnia utrzymanie względnego kąta natarcia w całym zakresie pracy turbiny. Po przekroczeniu dopuszczalnych prędkości obrotowej kąt natarcia zmienia się, zmniejszając tym samym siłę nośną łopat. Dzięki prostej i niezawodnej konstrukcji zapewniona jest wysoka sprawność i bezpieczeństwo.
PL 221 919 B1 3 Przedmiot według wynalazku odtworzony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia turbinę wiatrową o osi pionowej w widoku bocznym, fig. 2 przedstawia turbinę wiatrową o osi pionowej w widoku z góry z dwuwypukłymi łopatami zamocowanymi na ramionach i sprzężonymi ze sobą w przeciwnym kierunku elementem łączącym, fig. 3 przedstawia szczegół S z fig. 1, a fig. 4 przedstawia szczegół S1 z fig. 2 ukazujący osadzenie elementu łączącego na piaście. Turbina wiatrowa posiada pionową oś wirnika. Na głównym wale 1 wirnika wspierającego się na łożyskach 10 prostopadle do wału 1 przymocowane są ramiona 4. Na końcach ramion 4 osadzone są wahliwie proste pionowe łopaty 2 zespolone z piastami 3 sprzężonymi ze sobą w przeciwnych kierunkach elementem łączącym 5 w postaci liny opasującym piasty 3 w kształt ósemki jak pokazano na fig. 2. Na elemencie łączącym 5 zamocowane są elementy oporowe 6, które z obciążającym elementem 7 zamocowanym za pomocą sprężyny 8 do zaczepu 9 ograniczają wychylenia dwuwypukłych łopat 2 w funkcji prędkości obrotowej. Dwuwypukła łopata 2 posiada profil aerodynamiczny o takim kształcie, aby dodatni kąt natarcia powodował powstanie siły nośnej, która porusza wirnikiem. Pod wpływem siły odśrodkowej obciążający element 7 zamocowany na sprężynie 8 połączonej na no stałe z ramieniem 4 odchyla się od środka turbiny blokując element oporowy 6 i ograniczając ruch elementu łączącego 5, przez co następuje zablokowanie ruchu wahliwego łopaty 2 unieruchamiając łopatę 2 w pozycji prostopadłej do promienia okręgu zataczanego przez łopaty 2 turbiny. Wymienione elementy umieszczone są wewnątrz ramion 4, jak pokazano na fig. 2. Wał 1, na którym zamocowane są ramiona 4 obraca się w łożyskach 10 i sprzężony jest za pomocą sprzęgła 11 z pompą 12 lub z generatorem elektrycznym, czy innym konwerterem energii. Turbina posiada współczynnik wykorzystania wiatru Cp powyżej 0,42, a jej prędkość obwodowa prawie czterokrotnie przekracza prędkość wiatru. Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu jest szczególnie przydatna do ogrzewania obiektów i wody użytkowej w momentach, kiedy zapotrzebowanie na ciepło jest największe. W układzie hybrydowym z pompą ciepła i kolektorem słonecznym może stanowić główne źródło ciepła. Zastrzeżenia patentowe 1. Turbina o osi pionowej zawierająca wał z osadzonymi równoległymi do siebie parami ramion usytuowanymi w równych odstępach kątowych, na końcach których zamocowane są wahliwie pionowe łopaty, znamienna tym, że przeciwległe dwuwypukłe łopaty (2) zespolone z piastami (3), które są sprzęgnięte ze sobą opasującym elementem łączącym (5) zamocowanym w ramionach (4) w momencie uzyskania prędkości obwodowej turbiny większej niż prędkość wiatru są unieruchamiane przez element oporowy (6) znajdujący się na elemencie łączącym (5) poprzez element obciążający (7) zamocowany na sprężynie (8). 2. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że element łączący (5) opasuje piasty (3) łopat (2) w kształt ósemki. 3. Turbina według zastrz. 1, znamienna tym, że sprężyna (8) osadzona jest w ramieniu (4), a elementy oporowe (6) oraz obciążający element (7) przymocowane są za pomocą sprężyny (8) do zaczepu (9).
4 PL 221 919 B1 Rysunki
PL 221 919 B1 5
6 PL 221 919 B1
PL 221 919 B1 7
8 PL 221 919 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)