200218. lajstromszámú szabadalom • Fűggőleges tengelyű szélkerék
HU 200218 A 1 A találmány tárgya függőleges tengelyű szélkerék, emly önszabályozó képessége és könnyű szerkezeti felépítése következtében előnyösen alkalmazható kis szélsebességek, széllökések gazdaságos hasznosítására, különösen mezőgazdasági területeken. A függőleges tengelyű szélkerekek nagy fajlagos felületeket igényelnek, ami nagyobb, viharos szélsebességek esetén veszélyes terhelést okoz, a széliránnyal szemben haladó felületek jelentős energiaveszteségeket eredményeznek. Ezenkívül nagyobb szélsebességeken a visszaszabályozást nehéz megoldani és a széllökések energiája kis hatásfokkal hasznosítható. Ezeknek a hátrányoknak a kiküszöbölésére sok különféle megoldást dolgoztak ki. A 138.974 lajstromszámú magyar szabadalomban javasolt szélkerék a szél irányában és a széllel szemben fekvő felületek arányát ütköztetett csapó lapátok segítségével változtatja meg. A 177.460 lajstromszámú magyar szabadalmomban javasolt szélerőgép hajtóelemei zsaluszerűen kialakított, függőleges billentési tengelyeken elhelyezett lapátokból állnak, amelyek a széliránnyal szemben haladva a szelet szabadon átengedik. A felsorolt megoldások általános hátránya, hogy bonyolult mechanizmusokat igényelnek, ami gazdaságosságukat jelentősen korlátozza. Az Applied Energy 12/1982/sz. 327-331 oldalán ismertetett háromlapátos Savonius szélkerék hajlékony vitorlázató, ami szélirányban rugalmas betét révén felületét növeli, széllel szemben pedig függőleges vázszerkezethez tapadva minimális felületet képez. Ez a megoldás is csak a fajlagos felüeltek arányát változtatja és lapátonkénti mechanizmust használ. A 3.942.909 lajstromszámú US szabadalom függőleges tengelyű, folyadékszabályozású rotor, amely a tengely közelében folyadéktartályt tartalmaz, amely tartályból a lapátok tengelytől távoleső élein elhúzódó csövek indulnak ki. Nyugalmi helyzetben a betöltött folyadék a tartályban marad, forgó mozgás esetén pedig a csövekben felemelkedik. Az ilyen felépítésű szélkerék inerciája az ismert röpsúlyos mechanizmushoz hasonlóan a fordulatszámtól függ, így ismert módon automatikus fordulatszám szabályozást végez. A fenti szabadalom szerinti megoldás alapvető hátránya, hogy a zárt rendszerű, a közlekedőedény elve szerint felépített, folyadékot tartalmazó kisúlyozó berendezés bonyolult, könnyen sebezhető, rendszeres ellenőrzést igényel. Ezenkívül a kisúlyozó berendezés működése során nem változik a szélenergiát felvevő felületek effektiv értéke, így többek között az egész berendezést a várható maximális szélterhelésre kell méretezni. A találmány célja a függőleges tengelyű szélkerekek említett hátrányainak részleges vagy teljes, együttes kiküszöbölése, egyszerű felépítés és egyszerű kisúlyozó berendezés megvalósítása révén. A találmány lényege az a felismerés, hogy egy függőleges tengelyre szerelt felső véglapról lelógó hajlékony vitorlázatta szabadon elfüggesztett, központi tömeget és tehetetlenséget jelentő alsó véglap alkalmazásával előnyös dinamikájú, egyszerűen kisúlyozott szélkereket alakíthatunk ki. Állandó vagy lö-2 késszerű nagyobb szélnyomásra az alsó véglap megemelkedik és a vitorlázat a széltől torzított spirális felületté deformálódik. Az állandó szélsebességeknél a fajlagos felület csökkentése révén visszabályozást, széllökéseknél energiatárolást eredményezhet További felismerés, hogy a vitorlázat felületének széttagolásával az alsó véglap megemelkedésére, lengésére létrejövő alakváltozás könnyebben kialakulhat és a vitorlázat egymással átfedésben lévő, egyik oldalon megerősített szalagoknál úgy alakítható ki, hogy a forgást elősegítő szélirányban a szélnyomás összefüggő felületet hozzon létre, míg a forgást gátló szélirányban a szalagok a szél irányába elhajolnak. A találmány tehát függőleges tengelyű szélkerék, mely a forgómozgás átvitelét és/vagy átalakítását végző mechanizmushoz kapcsolódó függőleges tengelyen elrendezett felső véglapból, alsó véglapból, a közöttük lévő vitorlázatból és kisúlyozó berendezésből áll, amely kisúlyozó berendezés a függőleges tengelyre szimmetrikus felületet képező, szélterhelés esetén deformálódó, hajlékony vitorlázatni felfüggesztett, függőleges iráynban szabadon elmozduló álsó véglap. A találmány tárgyát képező függőleges tengelyű szélkerék egy lehetséges felépítését és működését az alábbi ábrák szemléltetik: 12 ábra - hatlapátos Savonius kerék felépítése; 3. ábra - egy szalagokból álló vitorlázat képe. Az 12. ábrán látható Savonius kerék az 1 felső végiéből, 2 alsó véglapból és a közöttük lévő hattagú 3 vitorlázatból áll. A forgómozgást az 1 felső véglap fölött lévő 4 mechanizmus továbbíthatja, vagy alakíthatja át például villamos enerigává. Az S tartószerkezetben lévő 6 csapágy, például talpcsapágy, rögzíti a 7 függőleges tengelyt, aminek forgatását az 1 felső véglap végzi. Természetesen a 7 függőleges tengely, S tartószerkezet, 4 mechanizmus és 3 felső véglap más elrendezésekben is elhelyezhető. A 3 vitorlázat nyugalmi alakját az 1 alsó véglapon és 2 felső véglapon azonosan elhelyezett 8 megvezető profilok határozzák meg. Esetünkben a 3 vitorlázat alsó és felső végén 11 rögzítő szakaszt tartalmaz, aminek segítségével a szélkerék felöltöztethető: az alsó 11 rögzítő szakasz a 2 alsó véglap 8 megvezető profilja alá csúsztatható, a felső 11 rögzítő szakasz pedig az 1 felső véglap 8 megvezető profilja fölé. A 8 megvezető profilokra elhelyezett 3 vitorlázat az 1 felső véglapon és 2 alsó véglapon a 12 rögzítő szerkezetekkel rögzíthető. A 3. ábrán egy 9 szalagokból álló 3 vitorlázat képe látható, a szélkerék nyugalmi helyzetéből származtatva. A 3 vitorlázat felületét a 9 szalagok alkotják, amelyek úgy vannak egymással átlapolva, hogy a 3 vitorlázat szélirányba való mozgása során összefüggő felület képződjön, míg széliránnyal szemben való haladása során a szél a 9 szalagok között áthatolhasson. Ezt az effektust erősíti a 9 szalagok 7 függőleges tengelytől távolabb eső élén végighúzódó 10 erősítés. A fentieknek megfelelően kialakított szélkerék például állványon, épületek oldalán elhelyezhető. Működés közben a szél sztatikus és dinamikus paramétereitől, a 4 mechanizmus fékező hatásától, a 2 alsó véglap tömegétől és tehetetlenségétől függően a 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
