Rövidített szabadalmi leírás Szélkerék pneumatikus erőátvitelű szélgéphez A találmány tárgya szélkerék pneumatikus erőátvitelű szélgéphez, amely egy vízszintes tengely körül elforgathatóan ágyazott agyával egy pneumatikus erőátvitelű szélgép oszlopának felső végéhez, illetve annak függőleges tengely körül elforgathatóan ágyazott fejéhez csatlakozik. A találmány sajátosan új jellemzői, hogy a szélkeréklapátok hosszában három szakasz különböztethető meg. Az agyhoz csatlakozó első szakasz, levegővezető csatornát alkotó, üreges szélkeréklapát. A második szakasz, levegőkilépő nyílást tartalmazó szívóidom. A harmadik szakasz, hagyományos alakú és szerkezetű, gyorsjárású szélkeréklapát vége. A hagyományos szélgépben a szélkerék mechanikus erőátvivő kapcsolatban van az energiát hasznosító munkagéppel, ami leggyakrabban áramfejlesztő generátor. Eddig sokféle szerkezetet próbáltak ki, de a ma gyártott, áramtermelő szélgépek túlnyomó részében vízszintes-tengelyű, gyorsjárású, háromlapátos szélkerék van. Minden szélgép teljesítménye arányos a lapátok által súrolt kör felületével, a levegő sűrűségével és a szélsebesség harmadik hatványával. Ezek közül csak a méretet változtathatjuk szabadon. A méret növelésével nő a teljesítmény, de csökken a kerék fordulatszáma. Egy ma korszerű, 1-5MW teljesítményű szélgép 80-120 méter átmérőjű szélkereke 10-20 fordulatot tesz percenként. Mivel a generátor célszerűen percenkét 1500-1600 fordulatot tesz, a szélkerék és a generátor közé legalább 1/100 áttételű, háromfokozatú, fogaskerekes gyorsító-hajtóművet kell építeni. Szakemberek szerint ez a hajtómű a szélenergia ipar Achillesz-sarka. Gyártása költséges, élettartama rövid és akadályozza a szélgép elindulását. Az ilyen szélgépet, a szél erősödésekor, 5 m/sec. sebességű szélnél külső energia segítségével érdemes elindítani, mert a szélből nyert forgatónyomaték már nagyobb, mint a fogaskerekes hajtómű súrlódásából eredő fékezőnyomaték. A hajtómű elkerülésére egyre több olyan szélgépet gyártanak, ahol a szélkerék közvetlenül sokpólusú generátort forgat. Ez a generátor a szélsebességgel változó frekvenciájú, úgynevezett nyersáramot hoz létre, melyet csak egyenirányítás és váltóirányítás után lehet a hálózatra vezetni. Az ilyen berendezés is bonyolult, drága és sok energiát alakít át veszteséghővé. Ugyancsak a hajtómű elkerülése érdekében, sok évtizeddel a sokpólusú generátor alkalmazása előtt született meg a pneumatikus erőátvitelű szélgép gondolata. Az elsők között a CH 282829 lajstromszámú svájci szabadalomi leírás ismertet ilyen szélgépet. Ebben a szerkezetben a szélkerék üreges lapátját a sugárra merőleges sík vágja el és ezen a nyíláson át a centrifugális erő viszi ki a levegőt a lapátból. Az így létrejött belső áramlás turbinát és az áramfejlesztő generátort forgat. A múlt század ötvenes éveinek elején M.Andreau szabadalma alapján, Dél-Angliában 100 kw-os kísérleti szélgépet építettek pneumatikus erőátvitellel. Az Engineering 1955. március 25. számában megjelent cikk ismerteti a gépet és a szerzett tapasztalatokat. Itt a lapátban levő csatorna a menetiránynak háttal álló nyílásban végződik. A nyílás mellett nagy relatív sebességgel áramló levegő szívja ki a lapátból a levegőt. A kísérleti gép működése közben mérték a szélsebességet és a leadott villamos teljesítményt. Megállapították, 1
hogy a gép teljesítménytényezője 14,5 % volt, vagyis a gép a szél teljesítményének ekkora részét hasznosította. Az évtizedek óta fejlesztett, hagyományos szélgépek teljesítménytényezője akkoriban 30 % körül volt. Az eredményre hivatkozva a pneumatikus erőátvitelt elvetették, ahelyett, hogy megkísérelték volna a gép hatékonyságát növelni. A 224 256 lajstromszámú magyar szabadalom több olyan megoldást mutat be, ahol a szívóhatás fokozásával javítják a pneumatikus erőátvitelű szélgépet. Két méter átmérőjű kísérleti szélgépet készítettek. Ezen szárnyprofil keresztmetszetű szívóidom a szélteljesítmény 26-28 százalékát alakította belső pneumatikus teljesítménnyé. Az eddig készített pneumatikus erőátvitelű szélgépekben a szélkerék szabadon forog. A lapátok a fej és az oszlop, zárt, folyamatos csatornát képeznek. A lapátok végén szívóidomok, ezeken levegőkilépő nyílások vannak. A levegő a szívóhatástól ezeken a nyílásokon lép ki és az oszlop alján lép be a szélgép zárt belső csatornájába, útja közben forgatja a turbinát az pedig a generátort. A hagyományos szélgépekben a lapát a szélből nyert erővel forgatja a tengelyt és az a generátort. A pneumatikus erőátvitelű szélgépben a szélkerék szabadon forog. Olyan szabadon, hogy már 1m/sec. sebességű széltől elindul. Az üreges lapát nem a tengelyt, hanem a lapáttal összeépített szívóidomot forgatja, miközben a levegőt a kerék agyától a szívóidomhoz vezeti. A szél energiájának mechanikai energiává alakításához olyan karcsú lapátot kellene itt is használni, mint amilyen a hagyományos, nagy áramtermelő szélgépeken van. A belül áramló levegőt pedig egy nagykeresztmetszetű lapát vezetné jobban. Ennek a két feladatnak a jó teljesítéséhez két egymástól különböző alakú és méretű lapátot kellene alkalmazni. A találmány célja a pneumatikus erőátvitelű szélgép teljesítménytényezőjének növelése. Felismerésünk, hogy a kitűzött célt úgy érjük el, hogy a szívóidomot a lapát végéről a tengelyhez közelebb, célszerűen a lapát hosszának fele közelében helyezzük el a lapáton. Ezáltal a hasznosított szélterület háromnegyed részéről karcsú, jó hatékonyságú lapátok gyűjtik az energiát és csak egynegyed részéről a nagyobb keresztmetszetű, rosszabb hatékonyságú lapátok. A szívóidom áthelyezésével azonban a szívóhatást létrehozó kerületi sebesség is a felére csökken. Ezért az áthelyezés csak akkor előnyös, ha egyidejűleg a szívóhatást is legalább megduplázzuk. További felismerésünk, hogy a szívóhatást úgy növeljük, hogy a szívóidom közelében, a külső áramlást légterelő idomokkal gyorsítjuk. A találmány a kitűzött célt tehát, a három szakaszból álló szélkeréklapáttal éri el. A fenti felismerések alapján találmányunk tárgya egy olyan vízszintes tengelyű szélkerék, pneumatikus erőátvitelű szélgépekhez, amelynek szélkeréklapátja három szakaszból áll, egy a szélkerék agyához csatlakozó üreges szakaszból, egy szívóidomból, valamint egy kiskeresztmetszetű lapátvégből. Ezek alakját és méretét kísérletekkel úgy kell meghatározni és kialakítani, hogy a szívó és légterelő idomok a szélkereket a legnagyobb teljesítményre fékezzék és a belül áramló levegőt a legnagyobb sebességre gyorsítsák. A lapátokat és idomokat üzem közben nem kell és nem is lehet a változó szélsebességhez igazítani, mert a lapátok forgatónyomatéka és az idomok fékezőnyomatéka egyaránt a sebesség harmadik hatványával arányosan növekszik. Találmányunk előnyös kiviteli alakjánál a szélkeréklapát második szakaszát, a szívóidomot egy légterelő idom veszi körül Előnyös, ha a szélkeréklapátok harmadik szakasza nem egyenes, hanem a menetirányhoz képest hátrafelé ívelt. (Ez a viharvédelem egyszerű, ezért olcsó, passzív formája. Az egyenes lapát kerületi sebessége és 2
fordulatszáma s szélsebességgel közel arányosan növekszik. Az ívelt lapát, merevségétől függő mértékben, a sebességgel együtt növekvő szélnyomástól, rugalmasan görbül és csavarodik. Az alakváltozással növekszik a lapátszög és ettől mérséklődik a fordulatszám növekedése.) Kivonat Szélkerék pneumatikus erőátvitelű szélgéphez Találmányunk tárgya, szélkerék pneumatikus erőátvitelű szélgéphez. A szélgép oszlopának (1) felső végén függőleges tengely körül elforgathatóan ágyazott fej (3) található, ehhez csatlakozik a vízszintes tengely körül elforgathatóan ágyazott szélkerék (4). A találmány szerinti szélkerékre jellemző, hogy lapátjainak hossza mentén három szakasz különböztethető meg. A szélkerék agyához (13) csatlakozó első szakasz levegővezető csatornát alkotó üreges lapát (7), a második szakasz üreges szívóidom (8), a harmadik szakasz hagyományos, gyorsjárású szélkeréklapát külső vége (9). Különösen előnyös az a kiviteli alak, melynél a levegőkilépő nyílással (16) ellátott üreges szívóidomot (8) egy légterelő idom (17) veszi körül. Jellemző ábra: a 3. ábra 3
4
5