Ветросиловой ротор и способ выработки энергии с его помощью
Настоящее изобретение относится к ветросиловому ротору, ветросиловой установке, применению ветросилового ротора в ветросиловой установке, а также к способу преобразования энергии ветра в приводную энергию для выработки электрического тока. Ветросиловой ротор (10) содержит первое роторное устройство (12) и второе роторное устройство (14). Первое роторное устройство вращается вокруг первой оси (16) вращения и имеет по меньшей мере две лопасти (18) ротора. Лопасти (18) движутся по круговой траектории (20) вокруг первой оси вращения. Лопасти ротора расположены так, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность (22) виртуального первого тела вращения (24). Второе роторное устройство вращается вокруг второй оси (26) вращения и имеет второе тело вращения (28) с замкнутой второй боковой поверхностью (30). Второе тело вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения. Первое роторное устройство выполнено с возможностью приведения во вращение ветром в первом направлении (32) вращения для преобразования силы ветра в приводную силу, а второе роторное устройство имеет приводное устройство (34) и выполнено с возможностью приведения во вращение во втором направлении (36) вращения, которое направлено противоположно первому направлению вращения. Изобретение направлено на максимально эффективное использование энергии ветра. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 29 ил.
Настоящее изобретение относится к ветросиловому ротору, ветросиловой установке, применению ветросилового ротора в ветросиловой установке, а также к способу преобразования энергии ветра в приводную энергию для выработки электрического тока.
Чтобы иметь возможность использовать энергию ветра, например, для выработки электрической энергии, используются роторы, которые приводятся во вращение ветром и при этом приводят в движение, например, генератор. При этом, по меньшей мере, часть энергии ветра преобразуется в электрическую энергию. Еще одной областью применения роторов являются ветросиловые установки для выполнения работы, такой как, например, для целей перекачки или транспортировки. В связи с использованием возобновляемых источников энергии также и использование энергии ветра имеет возрастающее значение.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы сделать возможным максимально эффективное использование энергии ветра.
Эта задача решена посредством ветросилового ротора, ветросиловой установки, применения ветросилового ротора в ветросиловой установке, а также способом преобразования энергии ветра в приводную энергию для выработки электрического тока согласно одному из независимых пунктов формулы изобретения. Приведенные в качестве примера варианты осуществления представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения предусмотрен ветросиловой ротор, который имеет первое роторное устройство и второе роторное устройство. Первое роторное устройство вращается вокруг первой оси вращения и имеет по меньшей мере две лопасти ротора, которые перемещаются вокруг первой оси вращения по круговой траектории. Лопасти ротора расположены так, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность виртуального первого тела вращения. Второе роторное устройство вращается вокруг второй оси вращения и имеет второе тело вращения с замкнутой второй боковой поверхностью. Второе тело вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения. Первое роторное устройство является приводимым в движение ветром в первом направлении вращения для преобразования силы ветра в движущую силу, а второе роторное устройство имеет приводное устройство и является приводимым в движение во втором направлении вращения, которое является противоположным первому направлению вращения.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения второе роторное устройство выполнено так, чтобы приводить к отклонению вызванного ветром воздушного потока внутри первого роторного устройства на обращенной от ветра стороне против первого направления вращения.
Например, изменение направления по меньшей мере на одной лопасти ротора вызывает набегающий поток, который вырабатывает дополнительную тягу и, тем самым, дополнительный крутящий момент привода.
Благодаря вращению внутреннего тела вращения, то есть второго тела вращения, создается эффект Магнуса, который приводит к изменению направления протекающего мимо воздушного потока. Благодаря изменению направления воздуха или отклонению воздушного потока лопасть ротора, которая вследствие прогрессирующего вращения уже находится в обращенной от ветра области траектории вращения, дополнительно подвергается воздействию воздушного потока, так что создается соответствующая тяга, и вызывается вращение первого роторного устройства. Изменение направления, таким образом, приводит к тому, что находящаяся в задней области лопасть ротора подвергается воздействию дополнительного потока воздуха, так что благодаря этому дополнительному обтеканию лопасти ротора может быть создана соответствующая тяга, которая имеется в распоряжении как дополнительная движущая сила. Благодаря этому становится доступным более высокий коэффициент полезного действия.
Кроме того, изменение направления является причиной улучшенных пусковых свойств ветросилового ротора. Ветросиловой ротор согласно изобретению начинает работать уже при меньших скоростях ветра в сравнении с решениями без второго, то есть внутреннего ротора. Изменение направления служит, так сказать, как вспомогательное пусковое средство. Поэтому могут быть использованы уже относительно низкие скорости ветра, при которых другие роторы еще не могут эксплуатироваться.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения первая ось вращения является первой вертикальной осью вращения, и вторая ось вращения является второй вертикальной осью вращения.
Согласно одному приведенному в качестве примера альтернативному варианту осуществления изобретения первая ось вращения является первой горизонтальной осью вращения, и вторая ось вращения является второй горизонтальной осью вращения.
Например, первая ось вращения и также вторая ось вращения могут, относительно горизонтали и вертикали, быть оформлены как проходящая по диагонали или наклонно ось вращения.
Понятия «вертикальный» и «горизонтальный» относятся к смонтированному состоянию, то есть рабочему состоянию.
Например, первая и вторая оси вращения проходят параллельно друг другу. Первая и вторая оси вращения могут быть также расположены концентрически, то есть первая ось вращения по своему положению соответствует второй оси вращения.
Эти упомянутые варианты осуществления относятся как к вертикальным, так и горизонтальным или наклоненным осям вращения, что, прежде всего, относится также к упомянутым далее примерам осуществления, а также описанным с использованием фигур вариантам осуществления.
Первая и вторая оси вращения могут также проходить со смещением относительно друг друга, причем смещение выполнено так, что второе тело вращения во время вращения вокруг второй оси вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения и, прежде всего, не касается и не пересекает виртуальную первую боковую поверхность.
Смещение может, например, регулироваться посредством регулировочного механизма, например, в зависимости от силы ветра или направления ветра.
Первая ось вращения может также проходить наклонно ко второй оси вращения, причем наклон выполнен так, что второе тело вращения во время вращения вокруг второй оси вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения и, прежде всего, не касается или не пересекает виртуальную первую боковую поверхность.
Наклон обоих осей вращения относительно друг друга может быть также выполнен регулируемым посредством устройства регулирования наклона.
Лопасти ротора во время вращения движутся вокруг второго тела вращения, по меньшей мере частично, то есть по меньшей мере частичная область второго тела вращения огибается лопастями ротора.
Лопасти ротора имеют соответственно продольное протяжение и распространяются в направлении первой оси вращения, причем понятие «в направлении» относится к тому, что продольное протяжение происходит между первой точкой и второй точкой, причем линия соединения первой и второй точек имеет компоненту направления, которая проходит параллельно первой оси вращения.
Лопасти ротора могут быть обозначены как турбинное колесо (Repeller), которое приводится в действие ветром.
Лопасти ротора могут быть выполнены неподвижными относительно тангенциального углового положения, то есть они не изменяют свое угловое положение во время вращения.
Например, лопасти ротора имеют симметричное поперечное сечение. Согласно еще одному примеру лопасти ротора имеют симметричное поперечное сечение крыла с остро сужающейся передней кромкой и выполненной закругленной второй кромкой, причем вторая кромка в направлении вращения расположена спереди.
Однако лопасти ротора могут также иметь поперечное сечение крыла с выпуклостью. Выпуклость может быть, например, выполнена также посредством подвижной заслонки на передней кромке крыла или задней кромке крыла.
Наряду с упомянутым вариантом с двумя лопастями ротора, могут быть также предусмотрены три, четыре или более лопастей ротора. Это касается также различных комбинаций описанных выше или ниже признаков.
Лопасти ротора могут быть разделены на сегменты лопастей ротора, причем сегменты лопастей ротора могут быть выполнены различно, так что лопасти ротора по всей длине выполнены различно.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления первое роторное устройство имеет ротор Дарье (Darrieus).
Например, лопасти ротора на их обоих концах, например при вертикально проходящих осях вращения на верхнем и нижнем концах, или при горизонтально проходящих осях вращения на боковых концах, расположены на оси вращения ближе, чем в области между обоими концами.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения лопасти ротора на их обоих концах расположены ближе к оси вращения, чем в области между обоими концами, причем лопасти ротора выступают наружу дугообразно.
Лопасти ротора в продольном направлении могут быть сформованными гиперболически, например, они могут иметь форму цепи (гиперболический косинус - Cosinus Hyperbolicus).
Однако лопасти ротора в продольном направлении могут быть также выполнены прямыми и проходить параллельно первой оси вращения, или также наклонно к первой оси вращения.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения, лопасти ротора проходят параллельно первой и второй оси вращения. Например, лопасти ротора могут быть выполнены как H-образный ротор Дарье.
Согласно еще одному примеру лопасти ротора могут быть также изогнуты в форме спирали.
Второе тело вращения может частично выступать в аксиальном направлении из виртуального первого тела вращения. Второе тело вращения может также выступать из виртуального первого тела вращения на одном торцевом конце или обоих торцевых концах.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения второе тело вращения расположено полностью внутри виртуального первого тела вращения.
При этом второе тело вращения расположено внутри круговой траектории первого тела вращения.
Замкнутая вторая боковая поверхность является периферийной поверхностью.
Второе тело вращения может иметь остающееся постоянным вдоль второй оси вращения круглое поперечное сечение (диаметр) и образовывать цилиндр.
Второе тело вращения может также иметь равномерно изменяющийся вдоль оси вращения круглый диаметр и образовывать усеченный конус.
Второе тело вращения может быть составленным из разных сегментов в форме усеченного конуса и/или цилиндрических сегментов.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения второе тело вращения имеет разные диаметры вдоль второй оси вращения.
Второе тело вращения по своему объему может быть согласовано с виртуальной первой боковой поверхностью, например, может составлять определенное отношение и/или определенную разницу относительно нее.
Второе тело вращения в продольном направлении вдоль второй оси вращения может иметь гиперболический профиль.
Второе тело вращения может быть разделено на сегменты, которые являются приводимыми в действие с разной скоростью.
Второе тело вращения может иметь в области его первого и/или второго конца выходящий за пределы второй боковой поверхности концевой диск. Альтернативно или дополнительно второе тело вращения может иметь множество дисков, которые расположены между обоими концами, причем диски имеют больший диаметр, чем один или оба соседних сегмента боковой поверхности.
Приводное устройство может иметь соединение, например прямое соединение, первого роторного устройства со вторым роторным устройством, причем предусмотрен реверс направления вращения второго роторного устройства.
Например, сила ветра, которая действует на первое роторное устройство, может также приводить в действие второе роторное устройство.
Согласно еще одному примеру может быть предусмотрено вспомогательное пусковое устройство, которое поддерживает начало движения ротора.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения приводное устройство имеет между первым роторным устройством и вторым роторным устройством редукторное устройство, причем редукторное устройство, наряду с реверсом направления вращения, вызывает преобразование скорости вращения.
Передаточное отношение редукторного устройства может быть изменяемым, например ступенями или бесступенчато.
Например, редукторное устройства может иметь зависящее от скорости вращения первого роторного устройства передаточное число.
Например, приводное устройство реализовано электродвигателем, который является приводимым в действие электрическим током.
Например, электрический ток может вырабатываться посредством движущей силы, то есть электродвигатель может, например, приводиться в действие током генератора.
Например, электродвигатель может иметь регулятор и обеспечивать разное передаточное отношение.
При этом передаточное число может быть зависимым от фактической скорости набегания ветра или силы ветра.
Второе тело вращения может приводиться в действие с окружной скоростью, которая равна примерно 0,5-4-кратной скорости набегания первого роторного устройства.
Первое роторное устройство может иметь окружную скорость, которая составляет примерно 50% скорости набегания воздуха.
Отношение скоростей вращения между первым и вторым роторным устройством составляет, например, примерно от 1:2 до 1:8, причем направления вращения, как уже упоминалось, являются противоположными.
Отношение «скорость набегания первого ветросилового ротора / окружная скорость первого роторного устройства / окружная скорость второго тела вращения» составляет примерно 0,5/1/1 до 4, причем и здесь направления вращения обоих роторных устройств, как уже упоминалось, являются противоположными. При этом окружная скорость относится к окружной скорости в области максимального диаметра.
Согласно одному приведенному в качестве примера варианту осуществления изобретения приводное устройство выполнено так, чтобы вращать второе тело вращения по выбору также и в первом направлении вращения.
При этом тело вращения вращается в том же направлении, что и лопасти ротора. Это, например при слишком больших скоростях ветра, может быть использовано как разновидность тормозного действия, так как из-за вращения в одинаковом направлении коэффициент полезного действия, или эффективность, существенно снижается, в противоположность вращению в противоположном направлении согласно изобретению первого и второго тел вращения, при котором, как представлено выше, достигается улучшение эффективности или лучшее использование энергии ветра.
Согласно второму аспекту изобретения предусмотрена ветросиловая установка, которая имеет ротор для преобразования движения ветра во вращательное движение, генератор для преобразования кинетической энергии вращательного движения в электрическую энергию и передаточное устройство для соединения ротора с генератором для передачи вращательного движения генератору. При этом ротор выполнен как ветросиловой ротор согласно одному из описанных ранее вариантов осуществления и примеров или аспектов.
Ось ротора может быть, например, расположенной вертикально или горизонтально, или также наклонно.
При этом ротор может быть ориентирован относительно направления набегания воздуха.
Например, ветросиловая установка имеет несущую конструкцию, в которой содержатся ветросиловой ротор, передаточное устройство и генератор.
Несущая конструкция может быть, например, закреплена в грунте на фундаменте, или также на строительной структуре, например строении, таком как, например, здании или мостовой конструкции.
Согласно третьему аспекту изобретения предусмотрено также применение ветросилового ротора в ветросиловой установке согласно названным ранее вариантам осуществления, примерам и аспектам.
Согласно четвертому аспекту изобретения предусмотрен способ преобразования энергии ветра в приводную энергию для выработки электрического тока, который содержит следующие шаги:
а) вращение первого роторного устройства вокруг первой оси вращения в первом направлении вращения силой ветра, причем первое роторное устройство имеет по меньшей мере две лопасти ротора, которые перемещаются по круговой траектории вокруг первой оси вращения, причем лопасти ротора расположены так, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность виртуального первого тела вращения,
б) вращение второго роторного устройства вокруг второй оси вращения во втором направлении вращения, которое направлено против первого направления вращения, посредством приводного устройства, причем второе роторное устройство имеет второе тело вращения с замкнутой второй боковой поверхностью, и причем второе тело вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения,
причем второе направление вращения приводит к отклонению вызванного ветром потока воздуха внутри первого роторного устройства на обращенной от ветра стороне против первого направления вращения,
в) приведение в действие генератора тока первым роторным устройством.
Следует указать на то, что согласно изобретению, наряду с выработкой электрического тока, приводная энергия, которая получена или преобразована из энергии ветра, может быть использована и для других рабочих целей.
Согласно одному аспекту изобретения предусмотрена комбинация двух разных роторных устройств, а именно, одного так сказать первого частичного ротора, комбинированного с выполненным в виде замкнутого тела вторым телом вращения, у которого находящееся внутри замкнутое тело вращения так же, как и первый ротор, подвергается действию набегающего ветра, однако лишь первый ротор, а именно, лопасти ротора, приводятся в движение самим ветром. В противоположность этому второй ротор, то есть второе тело вращения, приводится в движение путем подвода приводной энергии. Она сама может быть получена, например, из силы ветра. Приведение в движение при этом происходит согласно изобретению против направления вращения лопастей ротора, которые приводятся в движение ветром. Вращение в противоположном направлении при этом вызывает изменение направления воздушного потока, который протекает через ветросиловой ротор, то есть воздушного потока, который протекает через первое роторное устройство между лопастями ротора или при этом также приводит в движение лопасти ротора, между тем как на лопастях ротора вызываются подъемная сила или тяговая сила (в зависимости от расположения). Из-за изменения направления посредством второго тела вращения вызывается более благоприятный в отношении лопастей ротора воздушный поток, так что становится возможным лучшее использование энергии ветра в отношении выработки приводных сил.
Следует указать на то, что признаки примеров осуществления и аспекты устройств справедливы также для вариантов осуществления способа, а также применения устройства и наоборот. Кроме того, могут свободно комбинироваться друг с другом также те признаки, для которых это не было явно упомянуто.
Ниже с использованием прилагаемых рисунков будут более подробно описаны примеры осуществления изобретения. Показано на:
Фиг.1 - первый приведенный в качестве примера вариант осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению, причем на фиг.1А показано первое направление взгляда, а на фиг.1Б проходящее перпендикулярно к этому второе направление взгляда,
Фиг.2А - еще один вариант осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг.2Б - роторное устройство без второго роторного устройства согласно изобретению,
Фиг.2В - еще один вариант осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг.3 - схематическое изображение других признаков примера ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг. 4 - эскиз в перспективе еще одного варианта осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг. 6 - еще один вариант осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг. 7 - еще один вариант осуществления ветросилового ротора с устройством для смещения осей вращения согласно настоящему изобретению,
Фиг. 8 - еще один вариант осуществления со смещенными осями вращения согласно настоящему изобретению,
Фиг. 9А-9Б - примеры осуществления лопасти ротора в поперечном сечении согласно настоящему изобретению,
Фиг. 10А-10Б - примеры осуществления второго тела вращения согласно настоящему изобретению,
Фиг. 11А-11В - примеры осуществления первого роторного устройства по меньшей мере с двумя лопастями ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг. 12А-12В - другие примеры осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг. 13А-13В - другие примеры осуществления второго тела вращения согласно настоящему изобретению,
Фиг. 14А-14Б - другие примеры осуществления второго тела вращения согласно настоящему изобретению,
Фиг. 15 - еще один пример осуществления ветросилового ротора согласно настоящему изобретению,
Фиг. 16 - пример осуществления ветросиловой установки согласно настоящему изобретению, и
Фиг. 17 пример осуществления способа преобразования энергии ветра в приводную энергию согласно настоящему изобретению.
На фиг. 1 показан ветросиловой ротор 10 с первым роторным устройством 12 и вторым роторным устройством 14. Первое роторное устройство 12 вращается вокруг первой оси вращения 16 и имеет по меньшей мере две лопасти 18 ротора, которые перемещаются по круговой траектории 20 вокруг первой оси 16 вращения.
При этом лопасти ротора расположены так, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность 22, причем это можно лучше увидеть на фиг. 4.
Второе роторное устройство 14 вращается вокруг второй оси 26 вращения и имеет второе тело вращения 28 с замкнутой второй боковой поверхностью 30, которую также можно лучше увидеть на фиг.4. Второе тело вращения 28, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения 24.
Первое роторное устройство является проводимым в движение ветром в первом направлении 32 вращения, причем это для примера будет более подробно описано при помощи фиг.2А. Второе роторное устройство имеет приводное устройство 34 (см. фиг.1Б) и является приводимым в движение во втором направлении 36 вращения, которое проходит обратно первому направлению 32 вращения.
На фиг.1Б показан ветросиловой ротор 10 в поперечном относительно фиг.1А изображении или варианте разреза.
Как показано на фиг.2А, второе роторное устройство 14 выполнено так, чтобы вызывать отклонение вызванного ветром воздушного потока внутри первого роторного устройства 12 на обращенной от ветра стороне против первого направления 32 вращения. Вызванный ветром воздушный поток обозначен тремя стрелками 38 за пределами первого роторного устройства 12, а также тремя проходящими внутри первого роторного устройства стрелками 40, которые в их прохождении посредством изменения 42 направления наглядно показывают отклонение.
Обращенная от ветра сторона на фиг.2А обозначена ссылочным обозначением 44.
Таким образом, в, так сказать, задней области, то есть на подветренной стороне, является доступным отклоняющийся от главного направления ветра и, тем самым, главного воздушного потока воздушный поток, который благоприятно действует на лопасти ротора, так как отклоненный воздушный поток течет, так сказать, против лопаток ротора, чтобы набегать на лопасти ротора таким образом, что там вырабатывается дополнительная тяговая сила.
На фиг.2Б нарисованы вызванные действием ветра при неподвижном роторе векторы силы, причем на фиг.2Б не расположено никакое второе роторное устройство 14, как это предусмотрено в изобретении. На лопастях 18 ротора соответствующими стрелками разной длины качественно представлены соответствующие вызываемые ветром силы W сопротивления воздуха и вызываемые по причине течения воздуха вдоль лопастей ротора тяговые или подъемные силы А.
Созданные согласно изобретению силы или векторы сил представлены на фиг.2В нарисованными векторами для четырех лопастей 18a, 18b, 18c и 18d ротора. При представлении учтен эффект Магнуса, который вызывается вращением второго тела вращения.
На основании векторов сил для четвертой лопасти 18d ротора становится очевидным, что в случае показанного на фиг.2Б варианта без второго роторного устройства 14 вырабатываются существенно меньшие силы, чем на фиг.2В, то есть происходит худшее использование энергии ветра.
В этом месте следует указать на то, что первое роторное устройство 12, наряду с показанными на большинстве фигур двумя лопастями ротора, может также иметь три, четыре или более лопастей ротора, причем это более подробно не показано.
Согласно одному показному на фиг.3 варианту осуществления между второй боковой поверхностью 30 и вращающимися лопастями 18 ротора в радиальном направлении предусмотрено расстояние 46, которое, например, составляет 1-2-кратную величину глубины 48 профиля лопасти 18 ротора. При этом глубина профиля обозначает протяженность лопасти ротора в направлении вращения. Лопасти ротора расположены вдоль круговой линии 50 вокруг первой оси 16 вращения, причем окружность 50 имеет диаметр 52, который составляет 5-8-кратную величину глубины 48 профиля лопасти ротора. Согласно еще одному показанному на фиг.4 примеру осуществления первая ось 16 вращения является вертикальной осью вращения 16V, а вторая ось вращения 26 является второй вертикальной осью вращения 26V.
Понятие «вертикальный» при этом относится к смонтированному состоянию, что схематически обозначено штриховкой 54 грунта или фундамента.
Признаки могут предусматриваться как отдельно, так и соответственно комбинироваться с другими значениями.
Как показано на фиг.5, первая ось 16 вращения может быть выполнена как первая горизонтальная ось 16H, а вторая ось 26 вращения - как вторая горизонтальная ось 26H вращения.
Первая и вторая оси 16, 26 вращения могут быть расположены концентрически, как это показано на фиг.1-5. Согласно еще одному примеру осуществления, который показан на фиг.6, первая и вторая оси 16, 26 вращения могут проходить со смещением относительно друг друга, причем второе тело вращения 28 во время вращения вокруг второй оси 26 вращения расположено внутри траектории 56 движения лопастей 18 ротора.
Смещение может быть регулируемым посредством регулировочного устройства 58, как это обозначено на фиг.7.
В то время как на фиг.7 показано параллельное смещение обоих осей 16, 26 вращения, посредством регулировочного устройства 58 может быть установлено наклонное прохождение второй оси 26 вращения относительно первой оси 16 вращения, что обозначено на фиг.8.
Лопасти ротора могут иметь симметричное поперечное сечение, например симметричное сечение 60 крыла, как это показано на фиг.9А в сечении для вырезки.
На фиг.9Б показан вариант осуществления, у которого лопасти 18 ротора имеют сечение 62 крыла с выпуклостью.
Следует указать на то, что первое роторное устройство 12 может быть выполнено с разными лопастями ротора или разными формами сечения лопастей 18 ротора.
Лопасти 18 ротора независимо от их формы сечения могут быть выполнены с непрерывным профилем, как это показано на фиг.10A на виде сечения в перспективе.
Лопасти 18 ротора могут быть также разделены на сегменты 64 лопастей ротора и по всей длине выполнены по-разному, как это показано на фиг.10Б. Как также показано на фиг.10А или 10Б, второе тело вращения 28 может быть выполнено с непрерывной или равномерной формой, как это показано на фиг.10А, или так же разделено на сегменты 66, как это показано на фиг.10Б.
Следует указать на то, что названные признаки могут также комбинировать по-разному, прежде всего, непрерывная лопасть ротора может быть скомбинирована с сегментированным вторым телом вращения 28, а сегментированная лопасть 18 ротора - с непрерывным вторым телом вращения 28, то есть сегментирование не ограничено показанными вариантами осуществления в комбинации с соответствующим другим ротором.
Лопасти 18 ротора на их обоих концах 68 могут быть расположены ближе к оси 16 вращения, чем в области 70 между обоими концами 68, причем лопасти ротора, например, выступают наружу дугообразно, как это показано на фиг.11А. Альтернативно этому, лопасти 18 ротора могут проходить параллельно первой оси 16 вращения (см. фиг.11В) и могут быть выполнены, прежде всего, как H-образный ротор 71 Дарье.
Лопасти 18 ротора могут быть, как показано на фиг.11В, выполнены также изогнутыми овально.
На фиг.12А-12В показаны разные примеры осуществления для отношения второго тела вращения 28 к виртуальному первому телу 24 вращения, которое для упрощения на фиг.12А-12В показано как штриховые окружающие линии. В левой области фигур соответственно показана схема в перспективе, а справа от нее - упрощенный вид.
В этом месте следует явно подчеркнуть, что для всех показанных фигур и описанных примеров осуществления может быть предусмотрено, что оси вращения проходят горизонтально, вертикально или наклонно, даже когда на фигурах по отношению к ориентации листа показано вертикальное расположение осей. Другими словами, описанные признаки относятся к взаимным отношениям и, тем самым, не образуют никаких ссылок к вертикалям или горизонталям, разве только это явно указано в описании или видно из фигур, например, посредством штриховки почвы.
Второе тело вращения 28 может быть полностью расположено внутри виртуального первого тела вращения 24 (фиг.12А). Второе тело вращения 28 может в аксиальном направлении частично выступать наружу из виртуального первого тела вращения, как это показано на фиг.12В для выступания наружу на одном торцевом конце, в то время как на фиг.12В показан вариант, в котором второе тело вращения 28 на обоих торцевых концах выступает наружу из виртуального первого тела вращения 24.
Выступание наружу на торцевых концах виртуального тела вращения в принципе не является проблематичным, так как там не происходит никакого движение лопастей ротора, так как они движутся только в области виртуальной боковой поверхности, то есть внутри нее. При таком способе рассмотрения конструктивные соображения, такие как, например, лопасти ротора могут удерживаться вращающимися на первой оси 16 вращения, полностью не принимаются во внимание. Когда второе тело вращения выступает из виртуального первого тела вращения, в этих областях не может происходить никакое непосредственное закрепление, а должны быть предусмотрены другие подшипники или возможности закрепления.
Как уже было многократно показано, второе тело вращения 28 может иметь вдоль второй оси 26 вращения постоянное круглое поперечное сечение и образовывать цилиндр 74 (см. фиг. 10А).
Второе тело вращения 28 может быть выполнено также как усеченный конус 76 (см. фиг. 13А). Второе тело вращения 28 может также иметь различный диаметр вдоль оси 26 вращения, например, исходя из небольшого диаметра с постоянно увеличивающимся диаметром, который затем снова уменьшается, как это схематически показано на фиг. 13В. Например, второе тело вращения 28 может быть выполнено с гиперболическим контуром 78.
Как уже показано на фиг. 10Б, второе тело вращения 28 может быть также разделено на сегменты 66, которые могут быть собраны в соответственно сложные общие формы 80. При этом сегменты всегда являются вращательно-симметричными.
При этом сегменты могут быть соединены друг с другом и соответственно этому приводиться в движения с одинаковой скоростью, или могут приводиться в движения с разной скоростью, когда они не соединены друг с другом без возможности прокручивания (более подробно не описывается).
Второе тело вращения 28 может в области своего первого и/или второго конца иметь выступающий за вторую боковую поверхность 30 концевой диск 82, как это, прежде всего, показано на фиг. 14А.
Второе тело вращения 28 может также иметь множество дисков 84, которые расположены между обоими концами, причем диски 84 имеют больший диаметр, чем соседние сегменты боковой поверхности.
На фиг. 14Б показаны несколько таких дисков 84 вместе с двумя концевыми дисками 82, причем, однако, следует отметить, что ни показанное число дисков, ни комбинация с концевыми дисками не являются обязательным условием, а скорее диски 84 могут также использоваться без концевых дисков 82.
На фиг. 15 на виде в перспективе показано расположенное, относительно изображения, под вторым телом вращения 28 редукторное устройство 86,
которое относится к приводному устройству 34. Редукторное устройство предусмотрено между первым роторным устройством 12 и вторым роторным устройством 14, причем редукторное устройство 86 наряду с уже упомянутым реверсом направления вращения вызывает преобразование скорости вращения. Например, передаточное отношение редукторного устройства 86 может быть изменяемым.
Согласно еще одному примеру редукторное устройство 86 имеет зависимое от скорости вращения первого роторного устройства 12 передаточное отношение, что, например, может происходить в зависимости от фактической скорости натекания ветра или силы ветра.
Для того чтобы при слишком больших скоростях ветра предотвратить слишком быстрое вращение первого роторного устройства 12, приводное устройство 34 или редукторное устройство 86 могут быть выполнены так, что второе тело вращения 28 может приводиться в движение также в первом направлении 32 вращения, что на фиг. 15 намечено штриховой стрелкой 87, которое направлено против второго направления вращения. При таком вращении в одинаковом направлении обоих роторных устройств 12, 14, в сущности, желаемая эффективность становится обратной, то есть коэффициент полезного действии даже относительно варианта без второго роторного устройства заметно снижается. Другими словами, вращение в одинаковом направлении приводит к торможению первого роторного устройства 12.
Согласно изобретению кроме того предусмотрена ветросиловая установка 88, которая схематически показана на фиг. 16. Ветросиловая установка 88 имеет ротор 90 для преобразования движения ветра, намеченного тремя стрелками 92, во вращательное движение, причем вращательное движения схематически изображено первой стрелкой 94 вращения.
Кроме того, ветросиловая установка 88 имеет генератор 96 для преобразования кинетической энергии вращательного движения в электрическую энергию.
Кроме того, предусмотрено передаточное устройство 98 для соединения ротора с генератором 96 для передачи вращательного движения на генератор 96. Генератор 96, наконец, вырабатывает электрическую энергию, что показано соответствующим символом 99. Согласно изобретению передаточное устройство может быть также соединено с рабочим устройством (более подробно не показано), или ротор соединен напрямую с рабочим устройством, которое в свою очередь имеет некоторую разновидность редуктора. Вместо того чтобы предоставлять в распоряжение электрическую энергию, с помощью силы ветра может выполняться работа, например перекачка.
Следует указать на то, что отдельные соединения между отдельными узлами на фиг.16, разумеется, изображены лишь схематически и не представляют никаких указаний на фактическое конструктивное оформление. Прежде всего, отдельные компоненты ветросиловой установки 88 могут быть выполнены интегрально.
Согласно настоящему изобретению также предусмотрен способ 110 преобразования энергии ветра в приводную энергию для выработки электрического тока, который схематически показан на фиг.17. Способ 110 включает в себя следующие шаги:
- на первом шаге 112 вращения первое роторное устройство вращается силой ветра вокруг первой оси вращения в первом направлении вращения, причем первое роторное устройство имеет по меньшей мере две лопасти ротора, которые перемещаются по круговой траектории вокруг первой оси вращения, причем лопасти ротора расположены таким образом, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность виртуального первого тела вращения;
- на втором шаге 114 вращения второе роторное устройство вращается вокруг второй оси вращения во втором направлении вращения, причем второе направление вращения является обратным первому направлению вращения, и вращение вызывается приводным устройством, причем второе роторное устройство имеет второе тело вращения с замкнутой второй боковой поверхностью, и причем второе тело вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения. При этом второе роторное устройство вызывает отклонение 116 вызванного ветром воздушного потока внутри первого роторного устройства на обращенной от ветра стороне против первого направления вращения;
- на шаге 118 приведения в движение посредством первого роторного устройства наконец приводится в движение генератор тока.
Вместо приведения в движение генератора может быть предусмотрено приведение в движение рабочего устройства.
Первый процесс 112 движения обозначается так же как шаг а), второй процесс 114 вращения - как шаг б), и процесс приведения в движение или шаг 118 приведения в движение - как шаг в).
Описанные выше примеры осуществления могут также комбинироваться разным образом. Прежде всего, аспекты способа могут также использоваться для вариантов осуществления устройств, а также применения устройств, и наоборот.
Дополнительно следует указать на то, что «содержащий в себе» не исключает никаких других элементов или шагов, а «одна» или «один» не исключает никакого множества. Кроме того, следует указать на то, что признаки шагов, которые описаны со ссылкой на один из вышеприведенных примеров осуществления и аспектов, могут быть использованы также в сочетании с другими признаками или шагами других, описанных выше примеров осуществления и аспектов. Ссылочные обозначения в пунктах формулы изобретения не следует рассматривать как ограничения.
1. Ветросиловой ротор (10) с:
- первым роторным устройством (12), и
- вторым роторным устройством (14),
причем первое роторное устройство вращается вокруг первой оси (16) вращения и имеет по меньшей мере две лопасти (18) ротора, которые движутся по круговой траектории (20) вокруг первой оси вращения,
причем лопасти ротора расположены так, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность (22) виртуального первого тела вращения (24),
причем второе роторное устройство вращается вокруг второй оси (26) вращения и имеет второе тело вращения (28) с замкнутой второй боковой поверхностью (30), причем второе тело вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения, и
причем первое роторное устройство выполнено с возможностью приведения во вращение ветром в первом направлении (32) вращения для преобразования силы ветра в приводную силу, а второе роторное устройство имеет приводное устройство (34) и выполнено с возможностью приведения во вращение во втором направлении (36) вращения, которое направлено противоположно первому направлению вращения.
2. Ветросиловой ротор по п.1, причем второе роторное устройство выполнено так, чтобы вызывать отклонение (42) вызванного ветром воздушного потока внутри первого роторного устройства на обращенной от ветра стороне (44) противоположно первому направлению вращения.
3. Ветросиловой ротор по п.1, причем первая ось вращения является первой вертикальной осью (16V) вращения, а вторая ось вращения является второй вертикальной осью (26V) вращения.
4. Ветросиловой ротор по п.1, причем первая ось вращения является первой горизонтальной осью (16H) вращения, а вторая ось вращения является второй горизонтальной осью (26H) вращения.
5. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем первое роторное устройство имеет ротор Дарье (71).
6. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем лопасти ротора на их обоих концах, например на верхнем и нижнем конце, расположены ближе к оси вращения, чем в области между обоими концами, причем лопасти ротора выступают наружу дугообразно.
7. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем лопасти ротора проходят параллельно первой оси вращения.
8. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем второе тело вращения расположено полностью внутри виртуального первого тела вращения.
9. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем второе тело вращения имеет вдоль второй оси вращения различный диаметр.
10. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем приводное устройство между первым роторным устройством и вторым роторным устройством имеет редукторное устройство (86), причем редукторное устройство, наряду с реверсом направления вращения, вызывает преобразование скорости вращения.
11. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем приводное устройство имеет электродвигатель, который является приводимым во вращение электрическим током.
12. Ветросиловой ротор по одному из пп.1-4, причем приводное устройство выполнено так, чтобы вращать второе тело вращения по выбору также и в первом направлении вращения.
13. Ветросиловая установка (88), имеющая:
- ротор (90) для преобразования движения ветра во вращательное движение,
- генератор (96) для преобразования кинетической энергии вращательного движения в электрическую энергию, и
- передаточное устройство (98) для соединения ротора с генератором для передачи вращательного движения генератору,
причем ротор является ветросиловым ротором по одному из предшествующих пунктов.
14. Применение ветросилового ротора по одному из пп. 1-12 в ветросиловой установке.
15. Способ (110) преобразования энергии ветра в приводную энергию для выработки электрического тока, включающий в себя следующие шаги:
а) вращение (112) первого роторного устройства вокруг первой оси вращения в первом направлении вращения силой ветра, причем первое роторное устройство имеет по меньшей мере две лопасти ротора, которые перемещаются по круговой траектории вокруг первой оси вращения, причем лопасти ротора расположены так, что они при вращении вокруг первой оси вращения описывают виртуальную первую боковую поверхность виртуального первого тела вращения,
б) вращение (114) второго роторного устройства вокруг второй оси вращения во втором направлении вращения, которое направлено против первого направления вращения, посредством приводного устройства, причем второе роторное устройство имеет второе тело вращения с замкнутой второй боковой поверхностью, причем второе тело вращения, по меньшей мере частично, расположено внутри виртуального первого тела вращения,
причем второе направление вращения приводит к отклонению (116) вызванного ветром потока воздуха внутри первого роторного устройства на обращенной от ветра стороне против первого направления вращения, и
в) приведение в действие (118) генератора тока первым роторным устройством.
