ВЕТРОСИЛОВОЙ ГИБРИДНЫЙ РОТОР
WIND-POWER HYBRID ROTOR

Настоящее изобретение относится к ветросиловому гибридному ротору, к ветросиловой установке с гибридным ротором, к применению ветросилового гибридного ротора в ветросиловой установке и к способу преобразования энергии ветра в приводную энергию для выполнения работы.
Роторы используются у ветросиловых установок для того, чтобы иметь возможность использовать энергию ветра, например, для выработки электрической энергии. Роторы приводятся во вращение ветром и при этом приводят в движение, например, генератор, то есть энергия ветра преобразуется по меньшей мере частично в электрическую энергию. Наряду с применением для выработки электроэнергии, роторы используются в ветросиловых установках, прежде всего, для выполнения работы, например работы по перекачке или работы по транспортировке. Ветросиловые установки пригодны, например, для применения в малоосвоенных или лишь очень малонаселенных областях, например, для децентрализованного энергоснабжения. Наряду с этим, возрастающее значение приобретает применение ветросиловых установок в связи с усилиями по применению регенерируемых источников энергии.
Имеется потребность в максимально эффективном использовании энергии ветра.
Это достигается посредством ветросилового гибридного ротора, ветросиловой установки, применения гибридного ротора в ветросиловой установке, а также посредством способа согласно одному из независимых пунктов формулы изобретения. Варианты осуществления представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения ветросиловой гибридный ротор оснащен ротором с поперечным направлением потока, направляющим устройством и использующим эффект Магнуса ротором. Ротор с поперечным направлением потока закреплен на оси вращения с возможностью вращения и имеет множество расположенных аксиально лопастей ротора. Направляющее устройство имеет корпусной сегмент, который частично окружает ротор с поперечным направлением потока таким образом, что ротор с поперечным направлением потока может приводиться в движение набегающим ветром. Использующий эффект Магнуса ротор расположен внутри ротора с поперечным направлением потока, при этом ось использующего эффект Магнуса ротора проходит в направлении оси вращения. Использующий эффект Магнуса ротор имеет замкнутую боковую поверхность и может с помощью приводного устройства приводиться во вращательное движение вокруг оси использующего эффект Магнуса ротора.
За счет комбинации ротора с поперечным направлением потока с использующим эффект Магнуса ротором становится возможным более эффективное применение силы ветра по сравнению с соответствующим одиночным ротором с поперечным направлением потока.
Согласно одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор является вращательно-симметричным полым телом, которое за счет эффекта Магнуса вызывает отклонение воздушного потока.
Согласно настоящему изобретению ротор с поперечным направлением потока вызывает вращательный поток. Это вращательный воздушный поток, на который одновременно накладывается линейно движущийся воздушный поток. В случае него речь снова идет о вызываемом набегающим ветром поперечном потоке. Этот комбинированный поток приводит к эффекту Магнуса на подверженном комбинированному потоку геометрическом теле. Поэтому это тело обозначается как использующее эффект Магнуса тело.
У комбинированного потока вращательный воздушный поток может также дополнительно создаваться или поддерживаться благодаря тому, что использующее эффект Магнуса тело приводится во вращение. Вращение использующего эффект Магнуса тела или же использующего эффект Магнуса ротора приводит к более сильному проявлению эффекта Магнуса и, тем самым, приводит к более сильному отклонению воздушного потока согласно изобретению.
Решающим для эффекта Магнуса является относительное движение между поверхностью использующего эффект Магнуса тела и комбинированным потоком, с вышеупомянутыми поперечным отклоненным потоком и поперечным набегающим потоком, и циркуляционным потоком.
Следует настоятельно указать на то, что, например, уже неподвижное использующее эффект Магнуса тело, например неподвижный цилиндр, по причине вращающегося ротора с поперечным направлением потока в комбинации с ветровым потоком воздуха может вызывать эффект Магнуса.
Например, использующий эффект Магнуса ротор изготовлен с постоянным вдоль оси вращения круглым сечением, то есть диаметром, то есть в геометрическом смысле в форме цилиндра.
Например, использующий эффект Магнуса ротор может быть изготовлен с равномерно изменяющимся вдоль оси вращения круглым диаметром, то есть в виде усеченного конуса.
Например, использующий эффект Магнуса ротор может иметь вдоль оси вращения увеличивающийся и уменьшающийся в форме параболы диаметр. Например, использующий эффект Магнуса ротор является шаром.
Например, использующий эффект Магнуса ротор может быть составлен из различных сегментов в форме усеченных конусов и/или цилиндрических сегментов.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор может приводиться движение в направлении вращения ротора с поперечным направлением потока.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор может приводиться в движение против направления вращения ротора с поперечным направлением потока.
Согласно еще одному аспекту изобретения ось вращения и ось использующего эффект Магнуса ротора расположены поперек направления набегающего потока.
Согласно еще одному аспекту изобретения ось использующего эффект Магнуса ротора проходит параллельно оси вращения ротора с поперечным направлением потока.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор расположен концентрически с ротором с поперечным направлением потока.
Согласно альтернативному аспекту изобретения ось использующего эффект Магнуса ротора выполнена наклоненной к оси вращения ротора с поперечным направлением потока, при этом ось использующего эффект Магнуса ротора находится в одной плоскости с осью вращения. Согласно еще одному аспекту изобретения ось использующего эффект Магнуса ротора и ось вращения ротора с поперечным направлением потока могут быть также наклонены относительно друг друга так, что они лежат в разных плоскостях, то есть не в одной общей плоскости.
Согласно еще одному аспекту изобретения корпусной сегмент заслоняет ротор с поперечным направлением потока относительно оси вращения ротора с поперечным направлением потока с наветренной стороны с одной стороны оси вращения.
Согласно еще одному аспекту изобретения наветренная сторона разделена линией на два сегмента, при этом линия проходит в направлении набегающего потока и пересекает ось вращения.
Согласно еще одному аспекту изобретения корпусной сегмент на направленной в сторону ротора с поперечным направлением потока стороне имеет форму дуги окружности.
Согласно еще одному аспекту изобретения корпусной сегмент по всей длине использующего эффект Магнуса ротора выполнен с одинаковой формой поперечного сечения.
Согласно альтернативному аспекту изобретения корпусной сегмент имеет по длине использующего эффект Магнуса ротора разные формы поперечного сечения. Тем самым, например, можно создать дополнительные управляющие воздействия относительно набегающего потока, например, в зависимости от соответствующего положения относительно набегающего потока.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения использующий эффект Магнуса ротор при вращении приводит к изменению направления потока воздуха с подветренной стороны относительно направления набегающего потока.
Согласно еще одному аспекту изобретения изменение направления происходит, начиная с определенной окружной скорости использующего эффект Магнуса ротора, которая предпочтительно больше, чем скорость набегающего потока гибридного ветросилового ротора.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения отклонение происходит таким образом, что протекающий через ротор с поперечным направлением потока воздушный поток воздействует на лопасти ротора по расширенной дуге окружности и приводит их в движение.
Согласно еще одному аспекту изобретения отклонение приводит к тому, что протекающий через ротор с поперечным направлением потока воздушный поток воздействует на лопасти ротора в дополнительном круговом сегменте до 90°.
Согласно еще одному аспекту изобретения лопасти ротора располагаются в осевом направлении параллельно оси вращения, то есть они имеют постоянное расстояние от оси вращения.
Согласно одному альтернативному аспекту изобретения лопасти ротора располагаются в осевом направлении наклонными к оси вращения, при этом лопасти имеют увеличивающееся или уменьшающееся расстояние от оси вращения, то есть лопасти ротора располагаются в одной плоскости с осью вращения, однако наклонно по отношению к оси вращения.
Согласно еще одному аспекту изобретения ротор с поперечным направлением потока имеет ось вращения ротора, и лопасти ротора закреплены на совместно вращающейся несущей конструкции, которая закреплена на оси вращения ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения лопасти ротора выполнены жестко закрепленными под определенным углом относительно касательной.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения лопасти ротора имеют в поперечном сечении соответственно изогнутую форму с вогнутой и выпуклой поверхностями, при этом вогнутая поверхность обращена к использующему эффект Магнуса ротору.
Согласно еще одному аспекту изобретения лопасти ротора имеют в поперечном сечении угол наклона к радиальному направлению от 15° до 70°. Например, лопасти ротора в поперечном сечении имеют угол наклона к радиальному направлению в 30°. Понятие радиального направления относится к соединительной линии между осью ротора и серединой поперечного сечения лопасти ротора, а направление в поперечном сечении относится в случае изогнутой формы поперечного сечения к направлению по касательной (тангенциальному направлению).
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрены по меньшей мере две, предпочтительно 16 лопастей.
Согласно еще одному аспекту изобретения между боковой поверхностью использующего эффект Магнуса ротора и вращающимися лопастями ротора в радиальном направлении предусмотрен зазор, который зависит от диаметра использующего эффект Магнуса ротора.
Например, диаметр использующего эффект Магнуса ротора имеет величину от одинаковой до вдвое большей расстояния боковой поверхности от лопастей ротора.
Согласно еще одному примеру, отношение диаметра использующего эффект Магнуса ротора к расстоянию до лопастей ротора составляет 2:1.
Согласно одному аспекту изобретения глубина профиля и закругление лопастей ротора могут выбираться произвольно, при этом оба эти параметра в отношении эффективности находятся между собой в определенном отношении. При очень малой глубине профиля и соответственно малом расстоянии закругление отдельных лопастей ротора отходит на задний план. Кроме того, диаметр ротора с поперечным направлением потока может быть жестко задан.
Число лопастей ротора, в свою очередь, находится в зависимости от диаметра ротора с поперечным направлением потока и глубины профиля. Если эти величины заданы, то известен и диаметр в свету ротора с поперечным направлением потока, то есть расстояние лопастей ротора от центра. Диаметр использующего эффект Магнуса тела, например цилиндра, получается тогда из вышеупомянутого отношения расстояния между лопастями ротора и боковой поверхностью использующего эффект Магнуса тела к диаметру использующего эффект Магнуса тела.
Согласно еще одному аспекту изобретения между боковой поверхностью использующего эффект Магнуса ротора и вращающимися лопастями ротора в радиальном направлении предусмотрен зазор, который составляет от однократной до двукратной величины глубины профиля, при этом глубина профиля измеряется независимо от угла наклона.
Согласно еще одному аспекту изобретения лопасти ротора с поперечным направлением потока расположены вдоль окружности вокруг оси вращения, при этом окружность имеет диаметр, который приблизительно составляет от пятикратной до восьмикратной величины глубины профиля лопасти ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения в направлении контура между лопастями ротора предусмотрен промежуток, который по меньшей мере равен глубине профиля лопастей ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения аксиально расположенные лопасти ротора разделены на сегменты лопастей ротора и по всей длине выполнены различно.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор разделен на сегменты использующего эффект Магнуса ротора, которые могут приводиться в движение с разной скоростью.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор в области своих концов имеет концевые диски, выходящие за пределы наружной поверхности использующего эффект Магнуса ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор имеет множество дисков, расположенных между обоими концевыми дисками. Диски имеют больший диаметр, чем соседние сегменты боковой поверхности использующего эффект Магнуса ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения ротор с поперечным направлением потока образует приводимый в движение ветром репеллер.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения использующий эффект Магнуса ротор приводится в движение с окружной скоростью, которая составляет от однократной до четырехкратной величины скорости набегающего потока ветросилового гибридного ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения ротор с поперечным направлением потока имеет окружную скорость, которая составляет примерно 50% от скорости набегающего потока ветросилового гибридного ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения отношение скоростей вращения между ротором с поперечным направлением потока и использующим эффект Магнуса ротором составляет примерно от 1:2 до 1:8.
Согласно еще одному аспекту изобретения отношение скорости набегающего потока ветросилового гибридного ротора/окружной скорости ротора с поперечным направлением потока/окружной скорости использующего эффект Магнуса ротора составляет примерно 1/1/1-4.
Согласно еще одному аспекту изобретения между ротором с поперечным направлением потока и использующим эффект Магнуса ротором предусмотрен редуктор.
Согласно еще одному аспекту изобретения передаточное число редуктора является переменным, например ступенчатым или бесступенчатым, например в зависимости от силы ветра.
Согласно еще одному аспекту изобретения сила ветра приводит в движение использующий эффект Магнуса ротор.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения ротор с поперечным направлением потока приводит в движение использующий эффект Магнуса ротор.
Это может происходить, например, через редуктор.
Согласно еще одному аспекту изобретения ротор с поперечным направлением потока поставляет энергию, чтобы приводить в движение использующий эффект Магнуса ротор, например, посредством электрического варианта привода использующего эффект Магнуса ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения для запуска ветросилового гибридного ротора электрически приводится в движение использующий эффект Магнуса ротор, чтобы сделать возможным запуск и при слабом ветровом режиме.
Согласно еще одному аспекту изобретения корпусной сегмент имеет исполнительный механизм и выполнен с возможностью поворота по меньшей мере относительно оси вращения ротора с поперечным направлением потока.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения исполнительный механизм в зависимости от направления набегающего потока может регулироваться таким образом, что корпусной сегмент заслоняет ротор с поперечным направлением потока относительно оси вращения ротора с поперечным направлением потока с наветренной стороны с одной стороны оси вращения.
Согласно еще одному аспекту изобретения исполнительный механизм имеет ветровой датчик.
Согласно еще одному аспекту изобретения датчик ветра является флюгером, который связан с исполнительным механизмом.
Согласно изобретению, предусмотрена также ветросиловая установка, которая имеет роторное устройство для преобразования движения ветра во вращательное движение, рабочее устройство для преобразования кинетической энергии вращательного движения в подлежащую выполнению работу, и редукторное устройство для передачи вращательного движения на рабочее устройство. При этом роторное устройство имеет по меньшей мере один ветросиловой гибридный ротор согласно одному из вышеупомянутых примеров осуществления или аспектов изобретения.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения в случае рабочего устройства речь идет об электрическом генераторе для выработки электрической энергии.
Согласно еще одному примеру осуществления изобретения в случае рабочего устройства речь идет о насосной установке, например, для подачи питьевой воды или для перекачивания воды для оросительных установок или также для целей дренажа, то есть для откачки.
Согласно еще одному аспекту изобретения в случае рабочего устройства речь идет, например, о мельничном устройстве для выполнения работ по измельчению, например для приведение в действие процессов измельчения, процессов пиления, процессов шлифования и т.д.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрена комбинация вышеупомянутых рабочих устройств.
Согласно еще одному аспекту изобретения ось ротора расположена вертикально, то есть как ось вращения ротора с поперечным направлением потока, так и ось использующего эффект Магнуса ротора располагаются вертикально.
Согласно одному альтернативному аспекту изобретения ось ротора расположена горизонтально.
Согласно еще одному аспекту изобретения ветросиловой гибридный ротор ориентирован на определенное направление набегающего потока, например, прежде всего, когда ось ротора расположена горизонтально.
Согласно еще одному аспекту изобретения ветросиловая установка имеет несущую конструкцию, на которой закреплены роторное устройство, приводное устройство и рабочее устройство, например генератор.
Согласно еще одному аспекту изобретения несущая конструкция закреплена на фундаменте в земле.
Согласно одному альтернативному аспекту изобретения несущая конструкция закреплена на строительной конструкции, например на сооружении, таком как, например, здание или мостовая конструкция.
Согласно изобретению также предусмотрено применение ветросилового гибридного ротора в ветросиловой установке в соответствии с вышеупомянутыми примерами осуществления и аспектами изобретения.
Согласно изобретению, также предусмотрен способ преобразования энергии ветра в движущую энергию для выполнения работы, который включает в себя следующие шаги, которые могу быть обозначены как процессы или течения процессов:
а) вращение ротора с поперечным направлением потока, который закреплен на поворотной оси с возможность вращения и имеет множество проходящих вдоль оси лопастей ротора, при этом предусмотрено направляющее устройство, которое имеет корпусной сегмент, который частично окружает ротор с поперечным направлением потока в направлении контура таким образом, что ротор с поперечным направлением потока приводится в движение набегающим ветром.
б) вращение использующего эффект Магнуса ротора, который расположен внутри ротора с поперечным направлением потока и у которого ось вращения использующего эффект Магнуса ротора проходит в направлении оси вращения, при этом использующий эффект Магнуса ротор имеет замкнутую боковую поверхность и с помощью приводного устройства приводится в движение вокруг оси использующего эффект Магнуса ротора.
в) приведение в движение рабочего устройства от ротора с поперечным направлением потока.
При этом использующий эффект Магнуса ротор на шаге б) отклоняет набегающий поток относительно направления набегающего потока с подветренной стороны таким образом, что протекающий на шаге а) через ротор с поперечным направлением потока воздушный поток воздействует на лопасти ротора по расширенной дуге окружности.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор отклоняет на шаге б) воздушный поток путем вращения, начиная с окружной скорости, которая больше скорости набегающего потока гибридного ветросилового ротора.
Направление вращения использующего эффект Магнуса ротора при этом, предпочтительно, соответствует направлению вращения ротора с поперечным направлением потока, например, с 0- до 4-кратной скоростью вращения относительно скорости набегающего воздуха, то есть относительно локальной скорости ветра.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрено, что использующий эффект Магнуса ротор может вращаться против направления вращения ротора с поперечным направлением потока, например в зависимости от конструкции ротора с поперечным направлением потока.
В виде примера, может быть предусмотрено вращение использующего эффект Магнуса ротора против направления вращения ротора с поперечным направлением потока и, тем самым, встречное вращение обоих роторов, например, чтобы обеспечить возможность торможения при сильном ветре.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрены меры для изменения шероховатости поверхности, например она может быть увеличена посредством специальной структуры поверхности. Тем самым можно оказывать влияние на ламинарное течение или течение в пограничном слое в зависимости от ожидаемой скорости ветра.
Например, поверхность использующего эффект Магнуса ротора может иметь множество углублений, например множество лунок или рябь.
В виде примера, поверхность может также иметь множество выступающих из поверхности выступов, например, линейные или точечные выступы.
За счет отклонения потока происходит также лучшее применение энергии ветра, то есть ротор в целом имеет более высокую эффективность. За счет эффекта Магнуса эффективность проявляется также, несмотря на энергию, необходимую для приведения в движение использующего эффект Магнуса ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения в случае подлежащей совершению работы речь идет о выработке электрического тока.
Согласно еще одному аспекту изобретения в случае подлежащей совершению работы речь идет о перекачивании воды.
Согласно еще одному аспекту изобретения в случае подлежащей совершению работы речь идет о работах по измельчению.
Согласно еще одному аспекту изобретения в случае рабочего устройства речь идет об электрогенераторе, и между ротором с поперечным направлением потока и электрогенератором предусмотрено редукторное устройство, с помощью которого передается движение от вращающегося ротора с поперечным направлением потока к рабочему устройству.
Согласно еще одному аспекту изобретения ротор с поперечным направлением потока на шаге а) заслоняется корпусным сегментом относительно оси вращения ротора с поперечным направлением потока с наветренной стороны на одной стороне оси вращения.
Согласно еще одному аспекту изобретения использующий эффект Магнуса ротор на шаге б) приводится в движение ротором с поперечным направлением потока, например, посредством прямой связи через редуктор или посредством электрического привода использующего эффект Магнуса ротора, при этом электрическая энергия вырабатывается генератором, который приводится в движение ротором с поперечным направлением потока.
Следует указать на то, что признаки примеров осуществления и аспекты устройств действительны также для вариантов осуществления и аспектов способов, а также для применения устройств и наоборот. Кроме того, могут свободно сочетаться друг с другом также те признаки, для которых это специально не указывается.
Ниже, со ссылкой на прилагаемые рисунки будут более подробно описаны примеры осуществления изобретения. Показано на:
Фиг.1 - ветросиловая установка согласно первому примеру осуществления изобретения,
Фиг.2 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.3 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.4 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.5 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.6 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.7 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.8 - еще один пример осуществления ветросиловой установки согласно изобретению,
Фиг.9 - пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.10 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.11 - пример осуществления использующего эффект Магнуса ротора согласно изобретению,
Фиг.12 - еще один пример осуществления использующего эффект Магнуса ротора согласно изобретению,
Фиг.13 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.14 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.15 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.16 - пример осуществления лопасти ротора ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.17 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.18 - примеры осуществления использующего эффект Магнуса ротора согласно изобретению,
Фиг.19 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению,
Фиг.20 - еще один пример осуществления ветросилового гибридного ротора согласно изобретению, и
Фиг.21 - пример осуществления способа преобразования энергии ветра в приводную энергию для совершения работы согласно изобретению.
На фиг.1 схематически показана ветросиловая установка 110, которая имеет роторное устройство 111 для преобразования движения ветра во вращательное движение и рабочее устройство 112 для преобразования кинетической энергии вращательного движения в подлежащую выполнению работу 114. Кроме того, предусмотрено редукторное устройство 116 для связи роторного устройства с приводным устройством для передачи вращательного движения к приводному устройству.
В случае рабочего устройства 112 речь идет, например, о генераторе для выработки электрической энергии, для чего справа рядом с прямоугольником 112 показан символ молнии. Этим должно быть указано на то, что рабочее устройство 112 предоставляет электрическую энергию или вырабатывает электрический ток.
Согласно непоказанному примеру осуществления вместо генератора в качестве рабочего устройства 112 может быть предусмотрено насосное устройство, или мельничное устройство, или их комбинация.
Связь роторного устройства 112 с приводным устройством 116 схематически обозначена первой соединительной линией 113. Связь между приводным устройством 116 и рабочим устройством 112 схематически обозначена второй соединительной линией или парой соединительных линией 115.
Согласно изобретению, роторное устройство 111 имеет по меньшей мере один ветросиловой гибридный ротор в соответствии с одним из нижеописанных примеров осуществления.
На фиг.1 показано, что ветросиловой гибридный ротор 10 имеет ротор 12 с поперечным направлением потока, направляющее устройство 14 и использующий эффект Магнуса ротор 16. Далее схематически ссылочным обозначением R обозначена ось вращения, при этом отдельные оси вращения ротора 12 с поперечным направлением потока и использующего эффект Магнуса ротора 16 должны быть рассмотрены более подробно.
На фиг.2 схематически показано, что ось R вращения может быть расположена вертикально, для чего ветросиловая установка 110 располагается на горизонтальном основании 118 и ось R вращения направлена вверх. Дополнительно обозначено, что ось R вращения ориентирована поперечно направлению набегающего потока воздуха, обозначенному ссылочным обозначением W и схематической стрелкой 119.
На фиг.3 показан еще один пример осуществления ветросиловой установки 110 согласно изобретению в перспективной проекции, у которой ось R вращения расположена горизонтально, то есть по существу параллельно основанию, например основанию 118. И при таком расположении ось вращения расположена поперечно направлению набегающего потока воздуха W или 119.
На фиг.4 показана ветросиловая установка 110 с несущей конструкцией 120, на которой закреплены ветросиловой гибридный ротор 10, редукторное устройство 116 и рабочее устройство 112, например генератор.
Согласно одному аспекту изобретения несущая конструкция 120 закреплена на фундаменте 122 в земле, что схематически показано на фиг.5 в вертикальном сечении или в вертикальном виде по сечению.
Согласно еще одному аспекту изобретения несущая конструкция 120 может быть закреплена на строительной конструкции, как схематически показано на фиг.6.
Например, ветросиловая установка 110 с роторный устройством 111 может быть расположена на сооружении, например здании 128, что показано на фиг.7. В случае здания речь может идти, например, о многоэтажном доме, у которого ветросиловая установка 110 расположена на боковой кромке поверхности крыши, в показанном примере на правой стороне поверхности плоской крыши. Этот вариант предлагается, например, тогда, когда здание находится на главном направлении ветра. На фиг.7 также схематически показано редукторное устройство 16 и рабочее устройство 112.
Согласно непоказанному примеру осуществления изобретения редукторное устройство 16 и рабочее устройство 112 выполнены интегрально.
Как можно видеть на фиг.6 и фиг.7, расположение на здании может осуществляться так, что ось вращения располагается или вертикально (фиг.6), или горизонтально (фиг.7).
Разумеется, можно также расположить ось вращения наклонной, например в случае наклонного строения, или же подходящей для установки поверхности строения, которая выполнена наклонной, например в случае наклонной крыши или наклонной поверхности земли.
Согласно еще одному аспекту изобретения в случае сооружения речь может идти о мостовом сооружении 130 или другой форме транспортных или инфраструктурных сооружений. Например, речь может идти о плотине или опорах линии электропередачи.
На фиг.8 показано мостовое сооружение 130 с горизонтальной проезжей частью 132, которая проходит над углублением местности, например долиной. Проезжая часть 132 удерживается с помощью схематически показанной подвесной конструкции 136, которая, в свою очередь, закреплена с помощью растяжек на мачтовых или опорных конструкциях 138.
В виде примера показана ветросиловая установка 110 под конструкцией проезжей части 132 для того, чтобы там приводиться в движение направленным поперечно проезжей части ветром, обозначенным двойной стрелкой 139. Это вариант напрашивается, например, тогда, когда на дне 140 долины господствует сильный ветер в направлении распространения долины, то есть сильный поперечный ветер относительно проезжей части.
Ниже с помощью фиг.9 будет рассмотрен ветросиловой гибридный ротор 10. Как уже выше упоминалось, ветросиловой гибридный ротор 10 имеет ротор 12 с поперечным направлением потока, направляющее устройство 14 и использующий эффект Магнуса ротор 16.
Ротор 12 с поперечным направлением потока закреплен с возможностью вращения на поворотной оси D, обозначенной ссылочным обозначением 1, и имеет множество 20 проходящих аксиально лопастей 22 ротора.
Направляющее устройство 14 имеет корпусной сегмент 24, который частично окружает в направлении контура ротор 12 с поперечным направлением потока таким образом, что ротор 12 с поперечным направлением потока может приводиться в движение набегающим ветром W. Набегающий ветер W схематически показан ветровой стрелкой 60, а также обозначенным потоком 26.
Использующий эффект Магнуса ротор 16 расположен внутри ротора 12 с поперечным направлением потока, при этом ось использующего эффект Магнуса ротора расположена в направлении оси вращения. Использующий эффект Магнуса ротор 16 имеет замкнутую боковую поверхность 28 и выполнен с возможностью приведения во вращательное движение вокруг оси использующего эффект Магнуса ротора посредством приводного устройства 30 (детально не показано).
Использующий эффект Магнуса ротор 16 может, например, в соответствии с изображением на фиг.9 вращаться по часовой стрелке.
Также может быть предусмотрено, что по меньшей мере использующий эффект Магнуса ротор 16 может вращаться в обратном направлении, то есть против часовой стрелки.
Ветросиловой гибридный ротор 10 схематически показан на фиг.9 в поперечном сечении.
Прежде чем перейти к принципу действия или режиму потока, следует более подробно остановиться на отдельных конструктивных аспектах.
На фиг.10а ветросиловой гибридный ротор схематически показан в поперечном сечении с ротором 12 с поперечным направлением потока, направляющим устройством 14 и использующим эффект Магнуса ротором 16. На фиг.106 использующий эффект Магнуса ротор 16 показан в продольном сечении в виде цилиндра 30, при этом лопасти 22 ротора у ротора 12 с поперечным направлением потока обозначены лишь штриховыми линиями.
Согласно еще одному примеру осуществления использующий эффект Магнуса ротор 16 выполнен с равномерно изменяющимся вдоль оси вращения диаметром, то есть с усеченным конусом 32, как можно видеть на фиг.11.
Согласно еще одному примеру осуществления использующий эффект Магнуса ротор 16 может быть составлен из различных конических сегментов 34, 38 и/или цилиндрических сегментов, как схематически показано на фиг.12.
Согласно одному аспекту изобретения ось использующего эффект Магнуса ротора проходит параллельно оси вращения ротора с поперечным направлением потока.
При этом использующий эффект Магнуса ротор 16 может быть расположен концентрически с ротором 12 с поперечным направлением потока, как это имеет место на фиг.9.
Согласно еще одному аспекту изобретения ось вращения ротора 12 с поперечным направлением потока, обозначенная на фиг.13 крестом 40, может быть расположена со смещением относительно оси вращения использующего эффект Магнуса ротора 16, обозначенного центральным крестом 42. Например, использующий эффект Магнуса ротор 16 расположен внутри ротора 12 с поперечным направлением потока, смещенным в направлении направляющего устройства 14.
Согласно еще одному аспекту изобретения корпусной сегмент 24, то есть направляющее устройство 14, заслоняет ротор 12 с поперечным направлением потока относительно оси D вращения ротора с поперечным направлением потока со стороны, направленной к ветру, то есть с наветренной стороны, обозначенной ссылочным обозначением 44, на одной стороне 50а оси вращения. При этом наветренная сторона 44 линией 52 разделена на два сегмента 50а, 50b, при этом линия 52 проходит в направлении набегающего потока, то есть параллельно направлению W ветра и пересекает ось вращения D. Относительно оси вращения через ось вращения может быть проведена вторая линия 48, которая проходит поперечно направлению W ветра, и в показанном на фиг.14 варианте наветренная сторона 44 находится слева от нее, в то время как с правой стороны находится подветренная сторона, обозначенная ссылочным обозначением 46.
Например, корпусной сегмент по всей длине использующего эффект Магнуса ротора выполнен с одинаковой формой поперечного сечения.
Как можно видеть на фиг.14 в поперечном сечении, корпусной сегмент 24 на обращенной к ротору с поперечным направлением потока стороне 54 имеет форму дуги окружности, которая направлена на ротор с поперечным направлением потока или его лопасти 22 ротора.
Согласно еще одному примеру осуществления, который показан на фиг.15 в поперечном сечении, ротор 12 с поперечным направлением потока имеет ось 66 вращения ротора, при этом лопасти 22 ротора закреплены на совместно вращающейся несущей конструкции 68, которая закреплена на оси 66 вращения ротора. Лопасти ротора выполнены в отношении угла относительно касательной жестко закрепленными.
Согласно показанному на фиг.16 примеру осуществления лопасти 22 ротора в поперечном сечении имеют изогнутую форму 70 с вогнутой стороной 72 и выпуклой стороной 74. Как можно понять, вогнутая сторона 72 направлена к использующему эффект Магнуса ротору 16, который на фиг.16 обозначен лишь пунктиром. Лопасти 22 ротора в поперечном сечении имеют угол к радиальному направлению от 15° до 70°, предпочтительно 30°. Понятие «к радиальному направлению» относится к соединительной линии 78 между осью D ротора и серединой поперечного сечения лопасти 22 ротора. Направление поперечного сечения в случае изогнутой формы поперечного сечения, такой как изогнутая форма 70, определяется относительно направления касательной, которое обозначено линией 80. Направление касательной обозначено линией 82, которая проходит касательно к круговой линии 84, по которой перемещается лопасть 22 ротора. Из этого получается угол, обозначенный ссылочным обозначением 76, между линией 80 и касательной линией 82.
Следует указать на то, что изображения ротора с поперечным направлением потока, прежде всего лопастей 22 ротора, являются схематическими, прежде всего, в отношении соотношений величин и количества.
Согласно еще одному аспекту изобретения предусмотрены по меньшей мере две, предпочтительно 16 лопастей 22 ротора, как это показано на фиг.17.
Согласно одному аспекту изобретения (подробно не показан), между боковой поверхностью использующего эффект Магнуса ротора и вращающимися лопастями ротора в радиальном направлении предусмотрено расстояние, которое зависит от диаметра использующего эффект Магнуса ротора.
Например, диаметр использующего эффект Магнуса ротора имеет такую же или вдвое большую величину, как и расстояние между боковой поверхностью и лопастями ротора.
Согласно еще одному примеру, отношение диаметра использующего эффект Магнуса ротора к расстоянию до лопастей ротора составляет 2:1.
Еще один пример показан на фиг.17. Между боковой поверхностью использующего эффект Магнуса ротора 16 и вращающимися лопастями 22 ротора в радиальном направлении предусмотрено расстояние 86, которое составляет от однократной до двукратной величины глубины 88 профиля, при этом глубина профиля измеряется независимо от угла наклона.
Как уже упоминалось, зазор, согласно еще одному примеру, отклоняющемуся от фиг.17, составляет от однократной до половинной величины диаметра тела 16 Магнуса.
Кроме того, на фиг.17 показан еще один аспект, согласно которому лопасти 22 ротора у ротора 12 с поперечным направлением потока расположены вдоль круговой линии 90 вокруг оси вращения, при этом окружность 90 имеет диаметр 92, который составляет от пятикратной до десятикратной величины глубины профиля лопасти 22 ротора.
Между лопастями 22 ротора имеется в направлении контура расстояние 64, которое по меньшей мере имеет такой же размер, как и глубина профиля лопастей ротора.
Глубина профиля, расстояние в направлении контура, а также число лопастей ротора в принципе, например, могут выбираться произвольно. Из этого затем следуют, например при применении предпочтительного соотношения «расстояние/диаметр использующего эффект Магнуса тела», диаметр использующего эффект Магнуса тела и расстояние между лопастями ротора и боковой поверхностью использующего эффект Магнуса тела.
Согласно еще одному примеру осуществления, использующий эффект Магнуса ротор 16 является цилиндром, боковая поверхность 28 которого показана на фиг.18.
Согласно еще одному аспекту, который показан на фиг.186, использующий эффект Магнуса ротор 16 в области своих концов имеет концевые диски, выходящие за пределы поверхности использующего эффект Магнуса ротора.
В еще одном варианте осуществления, использующий эффект Магнуса ротор 16 имеет множество 97 дисков 98, которые расположены между обоими концевыми дисками 96, при этом диски имеют больший диаметр, чем находящиеся по соседству сегменты боковой поверхности 28 (см. фиг.18в).
Согласно одному не показанному аспекту, может быть предусмотрено множество дисков и без обоих концевых дисков.
Далее со ссылкой на фиг.9 будет рассмотрен принцип действия использующего эффект Магнуса ротора 16. Как уже упоминалось, направляющее устройство 14 вызывает частичное экранирование ротора с поперечным направлением потока, так что лопасти 22 ротора могут приводиться в движение по часовой стрелке набегающим на фиг.9 слева ветром, при этом они при вращении против направления ветра экранируются направляющим устройством 14.
Если теперь предусмотренный внутри ротора 12 с поперечным направлением потока использующий эффект Магнуса ротор 16 также приводится в движение по часовой стрелке, что схематически обозначено на фиг.9 показывающей направление вращения стрелкой 55, то это приводит к тому, что использующий эффект Магнуса ротор 16 при вращении на своей подветренной стороне, то есть на фиг.9 справа от использующего эффект Магнуса ротора 16, вызывает отклонение потока воздуха относительно направления набегающего потока, что обозначено изменяющимися в этой зоне стрелками потока (помечены ссылочным обозначением 56).
Отклонение 56 происходит, начиная с окружной скорости использующего эффект Магнуса ротора, которая предпочтительно больше, чем скорость набегающего потока ветросилового гибридного ротора.
На фиг.9 окружная скорость использующего эффект Магнуса ротора 16 обозначена показывающей движение стрелкой 55, а скорость набегающего потока, то есть скорость ветра, обозначена ветровой стрелкой 60. Как хорошо видно, отклонение происходит таким образом, что протекающий через ротор с поперечным направлением потока воздушный поток воздействует на лопасти 22 ротора по расширенной дуге окружности 62 и при этом приводит в движение лопасти 22 ротора, то есть ротор с поперечным направлением потока.
Согласно еще одному аспекту изобретения отклонение приводит к тому, что протекающий через ротор 12 с поперечным направлением потока воздушный поток воздействует на лопасти ротора 22 на дополнительном сегменте 64 дуги окружности до примерно 90°.
Следовательно, в целом для приведения в движение ветром ротора с поперечным направлением потока в распоряжении имеется более длинный отрезок пути, то есть становится возможным более эффективное применение энергии ветра.
Например, ротор 12 с поперечным направлением потока имеет окружную скорость, обозначенную указывающей на вращение стрелкой 58, которая составляет примерно 50% скорости натекания потока ветросилового гибридного ротора.
Согласно еще одному аспекту изобретения отношение скоростей вращения между ротором 12 с поперечным направлением потока и использующим эффект Магнуса ротором 16 составляет примерно от 1:2 до 1:8.
Согласно еще одному аспекту изобретения это дает отношение скорости набегающего потока гибридного ветросилового ротора/окружной скорости ротора с поперечным направлением потока/окружной скорости использующего эффект Магнуса ротора примерно 1/1/1-4.
Например, между ротором 12 с поперечным направлением потока и использующим эффект Магнуса ротором 16 предусмотрен редуктор 100, что схематически обозначено на фиг.19. Редуктор может быть, например, бесступенчатым или иметь изменяющееся ступенями передаточное число.
Согласно еще одному примеру осуществления, который более подробно не показан, ротор 12 с поперечным направлением потока предоставляет энергию для привода в движение использующего эффект Магнуса ротора 16. Например, это может происходить с помощью электрического варианта привода, что, однако, подробно не показано.
В случае электрического варианта привода использующего эффект Магнуса ротора 16 использующий эффект Магнуса ротор 16 может, например, приводиться в движение с помощью электроэнергии для запуска гибридного ветросилового ротора 10 для того, чтобы сделать возможным запуск также и при очень слабом ветровом режиме.
Согласно еще одному аспекту изобретения корпусной сегмент 24 имеет регулирующее устройство 102 и выполнен с возможностью поворота по меньшей мере относительно оси вращения ротора 12 с поперечным направлением потока. Это обозначено на фиг.20 двойной стрелкой 104, указывающей на вращение. Тем самым можно при направлении набегающего потока, которое отклоняется от обозначенного на фиг.20 стрелкой 106 направления, направить корпусной сегмент так, что он заслоняет ротор 12 с поперечным направлением потока относительно оси вращения ротора с поперечным направлением потока с наветренной стороны с одной стороны оси вращения.
Например, регулирующее устройство 102 имеет датчик ветра, который схематически обозначен на фиг.20 флюгером 108, который связан с направляющим устройством. Датчик ветра делает возможным запуск при изменяющемся направлении ветра.
При горизонтальном расположении (подробно не показано) оси вращения направляющее устройство делает возможным применение двух противоположных направлений ветра, как это, например, происходит вблизи побережья. До определенной степени набегающий поток может быть направлен на ротор с поперечным направлением потока наклонно. Если направление ветра изменяется слишком сильно, например более чем на 30°, может быть предусмотрено юстировочное устройство, с помощью которого установка может быть повернута горизонтально.
Согласно еще одному аспекту изобретения может быть также предусмотрен датчик, с помощью которого определяется направление ветра и приводится в действие исполнительное устройство, которое выполняет поворот или установку корпусного сегмента в зависимости от направления ветра.
На фиг.21 схематически показан способ 200 преобразования энергии ветра в приводную (движущую) энергию для выполнения работы, который включает в себя следующие шаги:
Вращение ротора с поперечным направлением потока в первом процессе 210 вращения, при этом ротор с поперечным направлением потока поддерживается вращающимся вокруг оси вращения и имеет множество расположенных в аксиальном направлении лопастей ротора. При этом предусмотрено направляющее устройство, которое имеет корпусной сегмент, который частично охватывает ротор с поперечным направлением потока в направлении контура таким образом, что ротор с поперечным направлением потока приводится в движение набегающим ветром, что схематически показано ссылочным обозначением 212.
Вращение в следующем процессе 214 вращения использующего эффект Магнуса ротора, который расположен в роторе с поперечным направлением потока, и ось использующего эффект Магнуса ротора которого расположена в направлении оси вращения. Использующий эффект Магнуса ротор при это имеет замкнутую боковую поверхность и посредством приводного устройства приводится в движение вокруг оси использующего эффект Магнуса ротора.
Приведение в движение приводного устройства в приводном процессе 216 ротором с поперечным направлением потока.
Согласно изобретению использующий эффект Магнуса ротор отклоняет воздушный поток в еще одном процессе 214 вращения на своей подветренной стороне относительно направления набегающего потока в процессе 218 отклонения таким образом, что протекающий через ротор с поперечным направлением потока воздушный поток в первом процессе 210 вращения воздействует на лопасти ротора по расширенной дуге окружности, что обозначено стрелкой 220 воздействия из второго процесса 214 вращения к первому процессу 210 вращения.
В качестве примера, отклонение происходит вследствие вращения, начиная с окружной скорости, которая больше скорости набегающего потока ветросилового гибридного ротора.
Первый процесс вращения 210 обозначается как шаг или процесс а), еще один процесс вращения 214 - как шаг или процесс б) и приводной процесс 216 - как шаг или процесс в).
Шаги а), б) и в) происходят одновременно.
При приведении в движение рабочего устройства речь может идти, например, о выработке электрической энергии, что на фиг.21 схематически представлено процессом 222 раздачи.
Согласно еще одному аспекту изобретения, который, однако, более подробно не показан, кроме электрического тока или также в дополнение к выработке электрического тока, имеющаяся в распоряжении приводная мощность из шага 216 используется для других работ, например, для перекачивания воды или для различных мельничных работ.
Описанные выше примеры осуществления могут комбинироваться различным образом. Прежде всего, аспекты устройств могут быть применены для вариантов осуществления изобретения, а также применения устройств и наоборот.
Дополнительно необходимо указать на то, что понятие «содержащий» не исключает другие элементы или стадии, а понятие «одна» или «один» не исключает множество. Кроме того, необходимо указать на то, что признаки или стадии, которые описаны со ссылкой на один из вышеприведенных примеров осуществления, могут быть также применены в комбинации с другими признаками или стадиями других вышеописанных примеров осуществления. Ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение.