RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2459873 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 10.02.2010 10703268.2 (13) (51) T3 Int.Cl. F03D 3/04 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 15.05.2013 Europejski Biuletyn Patentowy 2013/20 EP 2459873 B1 (54) Tytuł wynalazku: Turbina wiatrowa (30) Pierwszeństwo: 28.07.2009 IT RE20090077 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 06.06.2012 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2012/23 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 31.10.2013 Wiadomości Urzędu Patentowego 2013/10 (73) Uprawniony z patentu: Comet - S.r.l., Crespellano, IT (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 2459873 T3 ENZO GAMBERINI, Zola Predosa, IT (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Katarzyna Karcz PATPOL KANCELARIA PATENTOWA SP. Z O.O. ul. Nowoursynowska 162 J 02-776 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
Opis Dziedzina techniki [0001] Niniejszy wynalazek stanowi turbina wiatrowa przeznaczona do przekształcenia energii wiatrowej w energię mechaniczną. Stan techniki [0002] Stosowanie turbin przeznaczonych do przekształcania energii wiatrowej w energię mechaniczną jest dobrze znane, przy czym takie urządzenia rozmieszczone są w zespołach zawierających znaczną liczbę turbin zbudowanych w szczególnie wietrznych miejscach. [0003] Generatory znanego rodzaju zwykle zawierają ramę przeznaczoną do utrzymywania w sposób obrotowy środków fluidodynamicznych zaprojektowanych do chwytania wiatru, które połączone są za pomocą przekładni mechanicznej z urządzeniem użytkownika, na przykład generatorem prądu elektrycznego. [0004] Energię kinetyczną powietrza ogólnie przekształca się w energię mechaniczną, a następnie w energię elektryczną przy pomocy aerogeneratorów. [0005] Zakres instalacji obejmuje turbiny wiatrowe w skali mini i mikro, które dają moc wyjściową od kilkuset watów do dziesiątek kw, jak i instalacje średniej wielkości wytwarzające do około stu kw, a w końcu systemy wielkoskalowe, które mogą wytworzyć moc wyjściową mierzoną w MW. Maszyny o poziomej osi znanego rodzaju mają oś wirnika równoległą do kierunku wiatru i wirnik, który obraca się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku wiatru. [0006] Takie urządzenia można dzielić dalej ze względu na cechy wirnika. [0007] Chociaż istnieje wiele wariantów, typowy wirnik cechuje się normalnie łopatkami wirnika w kształcie skrzydeł. [0008] Szczególnymi cechami maszyny są duża prędkość obrotowa i duża moc wyjściowa wynikające z wysokiego współczynnika siły nośnej łopatek. [0009] Znane są również maszyny o pionowej osi mające oś wirnika, która umieszczona jest prostopadle do kierunku wiatru. [0010] Te maszyny również można dalej podzielić na podstawie stosowanego rodzaju wirnika. [0011] W tej określonej konfiguracji turbina wykazuje znaczącą zaletę braku konieczności ustawiania się względem kierunku wiatru, który można w ten sposób wykorzystywać w obrębie 360 obrotu bez ruchów pomocniczych. Natomiast wirnik maszyn o poziomej osi należy naprowadzić, przy pomocy skrzydełka, aby był skierowany w stronę wiatru. [0012] Maszyny o pionowej osi mają ograniczone wymiary i są bardziej dostosowane do miejskich rodzajów wiatru, które są zazwyczaj turbulentne, o niezwykle zmiennym kierunku i sile, a w rezultacie niedopasowane do turbin o poziomej osi. [0013] Turbiny o pionowej osi są przystosowane również do zastosowania w bardzo odległych miejscach cechujących się skrajnymi warunkami klimatycznymi, łącznie z tworzeniem się lodu i silnymi, zmiennymi rodzajami wiatru. [0014] Generatory znanego rodzaju mają szereg wad, które do tej pory nie zostały skutecznie wyeliminowane. 1
[0015] Pierwszą wadą jest estetyka, ponieważ aby zapewnić dopuszczalny poziom mocy, turbiny wiatrowe należy rozmieścić w zespołach lub farmach zawierających znaczną liczbę turbin. [0016] Farmy wiatrowe muszą znajdować się w wietrznych obszarach i w sposób nieunikniony obejmują krajobraz, który ma często duże znaczenie dla środowiska, a ich budowie w sposób zrozumiały sprzeciwiają się lokalne władze. [0017] Wpływ na środowisko pogarsza się przez fakt, że prądy powietrza wymagane do obracania środków fluidodynamicznych turbin znajdują się na znacznej wysokości nad ziemią, przez co konieczna jest budowa turbin o znacznej wysokości. [0018] Uważa się, że skuteczna wysokość wynosi co najmniej 6 metrów nad poziomem ziemi, aby uzyskać zadowalające wyniki. [0019] Drugą wadą, o charakterze technicznym, jest ograniczona wydajność znanych środków fluidodynamicznych, które są skuteczne, tylko jeżeli prędkość wiatru wynosi ponad około 6 m/s, szybkość którą rzadko spotyka się w pobliżu miejskich obszarów, a w rezultacie każda wytworzona energia elektryczna podlega znacznym kosztom transportu. [0020] W rezultacie istnieje oczywiste zapotrzebowanie na turbinę wiatrową, o ograniczonych wymiarach zarówno w profilu poziomym, jak i pionowym, która może pracować przy wietrze o mniejszej prędkości niż wymagana, aby napędzać generatory znanego rodzaju, zapewniając przy tym porównywalnie większą wydajność energetyczną. [0021] Urządzenia turbin wiatrowych o poziomej osi ujawnione są w US 993120, zawierające obudowę mającą ramę podstawową utrzymującą wirnik o pionowej osi, przy czym oś wirnika powiązana jest z urządzeniem użytkownika, wirnik jest zawarty w cylindrycznej obudowie mającej dwa otwory, kolejno wyposażone w kanał wlotowy zbieżny i wylotowy rozbieżny, obudowa jest napędzana obrotowo wokół swojej osi za pomocą środków czułych na kierunek wiatru, tak że kanał wlotowy zbieżny jest zawsze ustawiony naprzeciwko wiatru. [0022] Wymienione urządzenia turbin mające bardzo słabą wydajność ze względu na niedogodne rozmieszczenie zbieżnego kanału wlotowego i rozbieżnego kanału wylotowego. [0023] Inne przykłady takiego znanego urządzenia turbiny wiatrowej ujawnione są w DE 20 2007 004034 i US 2003/133782. Ujawnienie wynalazku [0024] Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie turbiny wiatrowej, która spełnia te wymagania, ma prosty kształt, ma ograniczone wymiary całkowite i ma wysoką wydajność fluidodynamiczną. [0025] Cel ten osiąga się za pomocą generatora mającego cechy wymienione w zastrzeżeniu niezależnym. [0026] Zastrzeżenia zależne opisują cechy, które poprawiają wydajność wynalazku. Krótki opis rysunków [0027] Zalety oraz cechy funkcjonalne i konstrukcyjne wynalazku będą lepiej wynikać ze sporządzonego tutaj szczegółowego opisu, który na załączonych figurach z rysunków opisuje korzystny przykład wykonania wynalazku, podany tytułem nieograniczających przykładów. Fig. 1 jest widokiem z przodu pierwszego układu niestanowiącego części zastrzeżonego wynalazku, od strony nawietrznej. Fig. 2 jest widokiem z boku na urządzenie z Fig. 1; 2
Fig. 3 jest widokiem z góry na urządzenie; Fig. 4 jest przekrojem poprzecznym IV-IV z Fig. 3; Fig. 5 jest przekrojem poprzecznym V-V z Fig. 4; Fig. 6 jest powiększonym fragmentem z Fig. 4; Fig. 7 jest powiększonym fragmentem z Fig. 4. Fig. 8 jest widokiem z boku przykładu wykonania wynalazku. Fig. 9 jest widokiem z góry według IX urządzenia z fig. 8; Fig. 10 jest przekrojem poprzecznym X-X z Fig. 8; Fig. 11 jest przekrojem poprzecznym XI-XI z fig. 9. Najlepszy sposób wykonania wynalazku [0028] Układ z Fig. od 1 do 7 zawiera ramę podstawową 1 utrzymującą od góry płytę 10, z której wystaje w górę szereg wsporników obwodowych 11. [0029] Wsporniki 11 utrzymują okrągły pierścień 12, przez który przebiegają pary kół swobodnych 13, utrzymywanych przez wsporniki 14 rozciągające się z dolnej okrągłej krawędzi cylindrycznej obudowy 15, przez co obudowa 15 może swobodnie obracać się wokół swojej osi. [0030] W dolnej części obudowy zamontowana jest okrągła zębatka 16 zawierająca wewnętrzne zęby sprzęgające się z wałkiem zębatym 17 silnika elektrycznego 18 trwale zamontowanego na płycie 10. [0031] Ruch obrotowy obudowy 15 jest w ten sposób sterowany za pomocą silnika 18 w sposób, który zostanie objaśniony poniżej. [0032] Płyta 10 wyposażona jest w środkową piastę 19 (Fig. 4 i 6), która utrzymuje wał 22 za pomocą odpowiednich łożysk 20 i 21. [0033] Wał 22 utrzymuje, nad płytą 10, klatkę 23 wzmocnioną płytami 230, z których utworzone są trzy profilowane łopatki 24 o odpowiadających sobie wklęsłościach. [0034] W szczególności każda łopatka 24 utrzymywana jest przez trzy zakrzywione wsporniki 25 powiązane z klatką 23. [0035] Dolny koniec wału 22 jest połączony wielowypustowo z wirnikiem, nie zilustrowano, generatora elektrycznego 26, który może być typu synchronicznego lub asynchronicznego. Cylindryczna obudowa 15 ma dwa otwory 151 i 152 (Fig. 3 i 5) znajdujące się po tej samej stronie klatki 23. [0036] Otwór 151 jest połączony z kanałem rozbieżnym 153, natomiast obudowa 152 jest połączona z kolejnym kanałem rozbieżnym 154. [0037] Oba kanały są rozbieżne w kierunku, w którym odchodzą od obudowy 15. [0038] Przestrzeń między dwoma otworami 151 i 152 jest całkowicie zajęta przez co najmniej jedną z łopatek 24, której wklęsłość znajduje się naprzeciwko otworu 151. [0039] Pionowo rozciągające się płaskie skrzydełko 27 utrzymywane jest na górnym końcu obudowy i może się swobodnie obracać wokół pionowej osi, przy czym skrzydełko 27 automatycznie dostosowuje się do kierunku wiatru. [0040] Skrzydełko swobodnie obraca się na trzpieniu 28 trwale powiązanym z obudową 15. [0041] Skrzydełko 27 i obudowa 15 połączone są ze wzajemnymi ruchomymi częściami urządzenia kodującego, zobrazowanego schematycznie przy 29, którego punkt odniesienia, lub zero, zbiega się z 3
położeniem skrzydełka 27 prostopadłym do średnicy obudowy obejmującej zarówno oś obudowy, jak i oś trzpienia 28, tj. oś obrotową skrzydełka. [0042] Położenie odniesienia skrzydełka zbiega się z kierunkiem wiatru. Urządzenie kodujące steruje silnikiem 18 tak, aby przemieszczać wzajemne położenia skrzydełka 27 i kanału 153 do położenia odniesienia. [0043] W ten sposób wlot kanału 153 jest zawsze zasadniczo prostopadły do kierunku wiatru. [0044] Według wynalazku wirnik składający się z łopatek 24 korzystnie ma wymiar osiowy od 2000 mm do 3000 mm i średnicę od 2000 mm do 2600 mm; obudowa ma średnicę i wysokość dostateczną, aby w sposób ścisły, bez kolidowania zawierać wirnik; w obudowie 15 kanał wlotowy 153 znajduje się pod kątem równym około 90 do obudowy 15, jak również zawiera płaski otwór przesunięty względem obudowy i na tej samej wysokości co obudowa, przy szerokości równej od 1500 mm do 2300 mm i długości, mierzonej względem płaszczyzny średnicowej równoległej do wlotu, równej od 1500 do 2300 mm; kanał wylotowy 154 znajduje się pod kątem równym około 90 do obudowy 15, i ma płaski otwór przesunięty względem obudowy na tej samej wysokości co obudowa, przy szerokości równej od 1000 do 1500 mm i długości, mierzonej względem płaszczyzny średnicowej równoległej do wlotu, równej od 1500 do 2000 mm. [0045] Zaobserwowano, że wynalazek działa przy mierzonych prędkościach wiatru równych około 4 m/s. [0046] Wynalazek działa w następujący sposób. [0047] Koder znajdujący się między skrzydełkiem 27 a obudową 15 uruchamia silnik 18, tak aby utrzymać otwór wlotowy kanału 153 zawsze prostopadle do kierunku wiatru. [0048] Wiatr przechwytywany przez wlot kanału 153 jest przeprowadzany przez kanał tak, że cały strumień powietrza zostaje odebrany przez skrzydełko 24 chwilowo ustawione przed otworem, powodując, że wirnik obraca się wraz z powiązanym generatorem. [0049] Przykład wykonania z Fig. od 8 do 11 zawiera te same komponenty co układ z Fig. od 1 do 7, które to zostały przedstawione na figurach przy pomocy tych samych odnośników liczbowych, z wyjątkiem zmodyfikowanego wirnika i kształtu oraz wymiarów zbieżnego i rozbieżnego kanału. [0050] Płyta 10 wyposażona jest w środkową piastę 19 (Fig.10), która utrzymuje wał 22 za pomocą odpowiednich łożysk 20 i 21, tak jak ujawniono w pierwszym przykładzie wykonania (Fig. 6 i 7). [0051] Wał 22 utrzymuje, nad płytą 10, cylindryczny korpus 220 współosiowy z piastą 19, z którego promieniowo wychodzą trzy pary współpłaszczyznowych ramion. Każda para 250 utrzymuje skrzydło 240 równoległe do zewnętrznej ściany obudowy 15, blisko i zasadniczo równolegle do niej. [0052] Cylindryczna obudowa 15 ma dwa otwory 151A i 152A (Fig. 11) dla wlotowego i wylotowego strumienia powietrza. [0053] Otwór 151A jest połączony z kanałem zbieżnym 153A, podczas gdy otwór 152A jest połączony z kanałem rozbieżnym 154A. [0054] Występ na średnicy otworu 151A jest większy niż promień cylindrycznej obudowy 15, a kanał zbieżny 153A zawiera się między dwiema ścianami zbieżnymi 153B i 153C zawierającymi między sobą kąt od 30 do 45, korzystnie równy 36. [0055] Ściślej rzecz ujmując, ściana 153C jest zasadniczo styczna do cylindrycznej obudowy 15 i nachylona do płaszczyzny 270 skrzydełka 27, będącego w swoim położeniu odniesienia, pod kątem α od 7 do 13, korzystnie 10,5. 4
[0056] Ściana 153B nachylona jest do ściany 153C pod kątem β od 16 do 27, korzystnie 25,5. [0057] Odległość między końcem wlotu kanału zbieżnego 153A a osią obudowy 15 jest równa od 1,5 średnicy obudowy do 1,75 średnicy obudowy, korzystnie odległość wynosi 1,65 średnicy. [0058] Ściany rozbieżne 154B i 154C są rozmieszczone symetrycznie względem wału 22, przy czym każda jest zasadniczo styczna do obudowy, a kąt między nimi wynosi od 11 do 15, korzystnie 13. [0059] Odległość między końcem wylotu kanału rozbieżnego 154A, a osią obudowy 15 jest równa od 1,0 średnicy obudowy do 1,30 średnicy obudowy, korzystnie odległość wynosi 1,11 średnicy. [0060] Płaszczyzna dwusieczna 500 ścian 153B i 153C kanału zbieżnego znajduje się między osią obudowy 15 a ścianą 153C. [0061] Przestrzeń między dwoma otworami 151 i 152, 151A i 152A jest zawsze zajęta przez co najmniej jedną z łopatek 24 lub skrzydeł 240. [0062] Wynalazek nie ogranicza się do przykładu opisanego powyżej, a odmiany i ulepszenia można wprowadzić, nie wykraczając poza zakres następujących zastrzeżeń. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie turbiny wiatrowej zawierające ramę podstawową (1) utrzymującą wirnik o pionowej osi, przy czym oś wirnika jest powiązana z urządzeniem użytkownika, wirnik jest w sposób ścisły zawarty w cylindrycznej obudowie (15) mającej dwa otwory (151A, 152A), wyposażone odpowiednio w kanał wlotowy zbieżny (153A) i kanał wylotowy rozbieżny (154A), przy czym obudowa (15) jest napędzana obrotowo wokół swojej osi za pomocą środków czułych na kierunek wiatru, tak że kanał wlotowy zbieżny (153A) jest zawsze ustawiony w stronę wiatru, znamienne tym, że występ na średnicy otworu wlotowego (151A) jest większy niż promień cylindrycznej obudowy (15), przy czym kanał zbieżny (153A) zawiera się między dwiema ścianami zbieżnymi (153B, 153C) leżącymi po przeciwnych stronach osi obudowy (15), mającymi między sobą kąt od 30 do 45, przy czym jedna (153C) z wymienionych bocznych ścian (153B, 153C) jest zasadniczo styczna do obudowy (15), a płaszczyzna dwusieczna ścian zbieżnych (153B, 153C) kanału zbieżnego (153A) leży między osią obudowy (15) a ścianą (153C) styczną do obudowy (15). 2. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 1, znamienne tym, że ściana zbieżna (153C) styczna do cylindrycznej obudowy (15) jest nachylona do kierunku wiatru pod kątem α od 7 do 13, korzystnie 10,5 3. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 1, znamienne tym, że odległość między otworem wlotowym (151A) kanału zbieżnego (153A) a osią wirnika jest równa od 1,5-krotności średnicy obudowy (15) do 1,75- krotności średnicy obudowy (15). 4. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 1, znamienne tym, że kanał rozbieżny (154A) otworu wylotowego (152A) zawarty jest między dwiema ścianami rozbieżnymi mającymi między sobą kąt od 11 do 15. 5. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 4, znamienne tym, że ściany rozbieżne są rozmieszczone symetrycznie względem osi wirnika, przy czym każda jest zasadniczo styczna do obudowy (15), a kąt między nimi wynosi od 11 do 15, korzystnie 13. 5
6. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 4, znamienne tym, że odległość między otworem wylotowym (152A) kanału rozbieżnego (154A) a osią obudowy jest równa od 1,0-krotności średnicy obudowy (15) do 1,30-krotności średnicy obudowy (15). 7. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 1, znamienne tym, że środkami czułymi na kierunek wiatru jest płaskie skrzydełko (27), swobodnie obracające się wokół pionowej osi, która jest trwale przytwierdzona do obudowy (15). 8. Urządzenie turbiny wiatrowej według zastrz. 7, znamienne tym, że płaskie skrzydełko (27) połączone jest z ruchomą częścią kodera (29), którego druga część jest połączona z obudową (15), a koder kieruje silnikiem elektrycznym (18), który powoduje obracanie się obudowy (15). 6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
ODNOŚNIKI CYTOWANE W OPISIE Poniższa lista odnośników cytowanych przez zgłaszającego ma na celu wyłącznie pomoc dla czytającego i nie stanowi części dokumentu patentu europejskiego. Pomimo, że dołożono największej staranności przy jej tworzeniu, nie można wykluczyć błędów lub przeoczeń i EUP nie ponosi żadnej odpowiedzialności w tym względzie. Dokumenty patentowe cytowane w opisie US 993120 A [0021] US 2003133782 A [0023] DE 202007004034 [0023] 18