Способ преобразования энергии воздушного потока во вращательное движение ветровой энергетической установки и устройство для осуществления этого способа

Изобретение относится к ветроэнергетике и может использоваться в качестве источника механической и электрической энергии. Преобразование кинетической энергии ветрового потока (ВП) в механическую или электрическую энергию происходит благодаря периодическому поступательному движению пары ветростенок в плоскости, перпендикулярной направлению ВП. Содержит систему ориентировки ветростенок в положение, перпендикулярное вектору ВП. Энергетический узел состоит из кривошипного механизма, ускоряющего редуктора и генератора, причем валы маховика, ускоряющего редуктора и генератора геометрически располагают по центру рельсового кольца, перемещая по которому устройство, ориентируют вход его короба на вектор ВП. Каждая из 2 ветростенок работает в 2 режимах: в рабочем режиме ВП осуществляет силовое давление по всей ометаемой площади ветростенки, во флюгерном режиме ветростенка с минимизированной ометаемой площадью движется навстречу ВП под воздействием второй ветростенки в рабочем режиме. Техническим результатом является обеспечение работы при малых скоростях ветра и уменьшение опрокидывающего момента устройства, что упрощает конструкцию и повышает надежность при эксплуатации. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к использованию энергии ветра для получения механической или электрической энергии.

Известно устройство, в котором реализована идея качающегося щита, на который давит воздушный поток. Это устройство описано в патенте "Ветровая энергетическая установка" (см. патент RU 2277642, F03D 3/00, 10.01.2006). Примем его за аналог. Ветровая энергетическая установка содержит опору и стержень, прикрепленный одним окончанием к опоре при помощи шарнирного соединения. Стержень соединен с устройством (условно называемое "парусом"), которое обладает поверхностной площадью и способностью сопротивляться ветровому потоку, а также в автоматическом и (или) ручном режиме может менять величину своей поверхностной площади.

При этом устройство ("парус"), сопротивляясь ветровому потоку, осуществляет отклонение стержня относительно шарнирного соединения при воздействии на это устройство ветрового потока. Стержень также соединен с компенсатором, удерживающим этот стержень в исходном вертикальном положении при отсутствии воздействия ветрового потока на установку и возвращающим стержень в исходное вертикальное положение после окончания воздействия ветрового потока на ветровую энергетическую установку. Недостатком аналога является низкий КПД. Кроме того, в предлагаемом устройстве конкретно не решены вопросы ориентирования "паруса" относительно направления ветрового потока, переход на режим флюгера (при обратном ходе мачты) и установка активного "паруса". Для внедрения известного устройства необходимо еще решать вопросы управления для циклической работы "паруса".

В качестве другого аналога предлагается - Ветровая энергетическая установка -(патент RU №2484296 С2. Опубликован 10.06.2013 г, Бюл. №16). Это ветровая энергетическая установка, содержащая опору, стержень, прикрепленный одним окончанием к опоре, а другим соединенный с устройством, которое обладает поверхностной площадью и способностью сопротивляться ветровому потоку, причем в качестве стержня используется вращающийся вал, который закреплен в верхнем и нижнем опорных стаканах с подшипниками, причем на верхнюю часть вала в качестве устройства, способного сопротивляться ветровому потоку закреплено ветроколесо, а ниже на вал симметрично насажена прямоугольная многосторонняя призма с четным числом сторон, к каждой боковой стороне которой прикреплен силовой узел, выполненный в виде мембраны. Основным недостатком этого аналога является сложность согласования оборотов вала установки, задаваемых ветроколесом, и эффективной работы силовых узлов (насосов) из-за изменения скорости ветрового потока и давления в напорной магистрали. Возможны неэффективные режимы работы:

1) поршни не успевают из своих камер выдавить все рабочее вещество за время активного воздействия ветрового потока на их мембраны (в этом режиме завышены обороты вала установки).

2) поршни выдавили все рабочее вещество из камер, но на их мембраны продолжает активно воздействовать ветровой поток (в этом режиме занижены обороты вала установки).

В качестве прототипа предлагается ветровая энергетическая установка для надежного согласования оборотов вала с эффективной работой силового узла, выполненного в виде мембраны и насоса (Ветровая энергетическая установка. Патент RU №2689660, Опубликован 25.07.2018 г, Бюлл. №16).

Поршень полностью выдавливает из камеры рабочее вещество, происходит поворот вала установки на один шаг и на мембрану этого силового узла прекращается активное воздействие ветрового потока (ВП), причем одновременно под активное воздействие ВП попадает очередная мембрана и силовой узел, в ее конструкцию вводится ряд дополнительных узлов и деталей, обеспечивающих шаговый (циклический) режим ее работы и повышающий ее энергоэффективность по сравнению с прототипом. Этот результат обеспечивают за счет того, что ветровая энергетическая установка в камере каждого насоса напротив поршня установлен конечный выключатель, фиксирующий контакт движения поршня с противоположной стенкой камеры насоса, а на валу установки под призмой жестко закреплен тормозной диск с числом фиксирующих отверстий, равным количеству сторон призмы, под диском на опоре также установлен в тормозном стакане тормоз, состоящий из соленоида, пружины и тормозного цилиндрического штока с контактным роликом на верхнем его конце.

Прототип имеет ряд недостатков, ограничивающих область его применения.

1. Применение гидравлических или пневматических насосов существенно снижает КПД ветровой установки.

2. Требуется много дорогого и сложного гидравлического, пневматического оборудования.

3. Эксплуатация гидравлической или пневматической системы сложна.

Задачей предполагаемого изобретения является создание простой и надежной конструкции устройства- ветровой энергетической установки, отвечающей основным требованиям по экологии (минимизации вибрационных шумов, помех для электроники, влияния на здоровье людей, отсутствие внешних вращающихся деталей - не бьет птиц и другую летающую живность, может использоваться внутри жилого комплекса) и обеспечивающей эффективный съем энергии ВП, особенно при его малых скоростях. Для этого разработан способ преобразования энергии ВП во вращательное движение энергетической установки.

Технический результат предлагаемого способа преобразования кинетической энергии воздушного потока (ВП) в механическую или электрическую энергию происходит благодаря периодическому поступательному движению ветростенок А и Б в плоскости перпендикулярной направлению (вектору) ВП. Для этого предусматривают систему ориентации ветростенок устройства в положение, перпендикулярное вектору ВП. Для концентрации ВП направленного на движущиеся ветростенки и ликвидации срыва потока по кромкам ветростенок прямоугольной формы, их помещают в короб- прямоугольную призму. При этом периодически изменяют направление движения ветростенок А и Б на противоположное по командам от конечных выключателей, закрепленных на коробе в местах крайних положений стенки А, фиксирующих ее начальное и конечное положения в процессе движения в коробе. Движение осуществляется на тележках по направляющим, расположенным на нижней и верхней плоскости короба, преобразуя силу ВП в механическую или электрическую энергию с помощью энергетического узла. Каждая из 2-х ветростенок работает в 2-х режимах, следующих один за другим: 1. Рабочий режим - ВП осуществляет силовое давление по всей ометаемой площади ветростенки +А, двигая ее по направлению ВП от переднего края короба до ограничителя ее заднего хода и срабатывания конечного выключателя заднего хода ветростенки А.

2. Флюгерный режим - при срабатывании конечного выключателя заднего хода ветростенки - А подается команда на ее шаговый двигатель, который минимизирует ее сопртивление ВП. Одновременно от этого конечного выключателя подается команда на шаговый двигатель ветростенки Б, распологающейся в этот момент в переднем положении своего хода в флюгерном режиме, переводя ветростенку +Б в рабочий режим. При этом ветростенка - А в флюгерном режиме движется навстречу ВП к переднему краю короба под воздействием ветростенки +Б, связанной с ветростенкой -А блоком и тросом, и двигающейся в рабочем режиме к заднему краю короба. Далее эти режимы поочередно повторяются на обеих ветростенках. Ветростенки связаны между собой тросом, перекинутым через блок. В любой момент работы ВЭУ одна из ветростенок находится в рабочем режиме +, а другая - в флюгерном, причем ветростенка находящаяся в рабочем режиме движется сама и перемещает ветростенку в флюгерном режиме с помощью троса, перекинутого через блок.

Существенными отличительными признаками предлагаемого технического решения являются нижеследующие:

1. Отсутствие дорогих и сложных для эксплуатации гидравлических или пневматических устройств.

2. Возможность непосредсвенного получения электрической энергии.

3. Отсутствие дополнительной ветроустановки, обеспечивающей рабочий режим-цикл ветроустановки.

4. Отсутствие концентратора, уплотняющего рабочий воздушный поток.

5. Завышение «ометаемой» площади из-за наличия вспомогательного ветряка.

Важной деталью устройства, реализующего один из вариантов предлагаемого способа, является базовый элемент в конструкция ветростенки по Фиг. 1 (1 - жесткая лопасть, 2 - ось базовой детали, закрепленная жестко к лопасти и проходящая через ее середину, 3 - звездочка на краю оси базовой детали). Конструкция ветростенки дана на Фиг. 2. (4 - несущая рама ветростенки, 5 - колесики тележки, 6, 7 - крепление для троса 8 из блока связи между ветростенками, 9 - шаговый двигатель, 10 - звездочка на оси шагового двигателя, 11 - цепь связи между звездочками 3,10, 12 - шарнир шатуна -13, закрепленный на несущей раме 4).

Общий вид ВЭУ дан на Фиг. 3 (14 - короб устройства, длина которого равна диаметру рельсового кольца-15, по которому перемещается ВЭУ при изменении направления ВП, 16 - флюгерные плоскости, закрепленные на коробе-14, 17 - планка для крепления блока связи -18 между ветростенками с помощью троса - 8, 19 - направляющие для 4-х тележек-6 на Фиг. 7 для каждой ветростенки А или Б, 21- три стойки устройства на колесах 22, обеспечивающие устойчивое его движение по рельсовому кольцу-15 при изменении направления ВП, 23- палец шатуна, передающий движение от шатуна-13 на маховик-24, вал которого -25 геометрически совпадает с центром рельсового кольца-15 и связывает маховик 24 через ускоряющий редуктор 26 с муфтами с генератором -27, 28-регулятор зарядного тока для аккумулятора-29, 30-конечные выключатели фиксации переднего и заднего положения ветростенки А, 20-условная линия разграничения при движении ветростенок А и В, 31- вспомогательные конструкции энергоузла). На Фиг. 4, 5 поясняется связь между движущимися ветростенками А и Б при различном взаимном положении (7-крепление для троса-8, 17- планка для крепления блока связи 18, +А, +Б ветростенки в рабочем режиме, -А, -Б-ветростенки в флюгерном режиме).

На Фиг. 6 дана конструкция энергетического узла устройства (4 - несущая рама ветростенки А, 12-шарнир шатуна 13, 23-палец шатуна, 24- маховик, 25-вал, связывающий маховик с генератором -27 через ускоряющий редуктор -26 с муфтами связи, 28- регулятор зарядного тока аккумуляторов, 29- аккумуляторная батарея, 31-конструктивные детали энергетической установки.

На Фиг. 7 изображена тележка, обеспечивающая движение ветростенок в плоскости, параллельной первоначальной (5-колеса тележки, 6-корпус тележки, закрепленный на несущих рамах -4 ветростенок).

Работа устройства

Подвижные ветростенки А и Б с креплениями троса-7 на их рамах -4, связаны между собой тросом -8, перекинутым через блок -18, работают периодически в двух режимах - рабочем и флюгерном. Блок -18 закрепляют на планке 17, которая крепится на передней плоскости короба-14. Команду на переключение режимов ветростенок выдают конечные выключатели-30, фиксирующие крайние положения одной из подвижных ветростенок. Обе эти подвижные ветростенки А и Б ориентируют при движении перпендикулярно ВП с помощью флюгерных плоскостей -16, которые поворачивают устройство на стойках-21 с колесиками -22 по рельсовому кольцу-15. Непосредственно в коробе предусмотрены направляющие -19, а на верхних и нижних частях рамы -4 ветростенок А и Б закреплены тележки-6 с колесиками-5, которые обеспечивают движение ветростенок по этим направляющим-19. На раме ветростенки А через шарнир-12 шатуна-13, его палец -23, маховик -24, валы -25 и ускоряющий редуктор -26 подсоединен электрогенератор-27, к которому через регулятор зарядного тока-28 подсоединена батарея аккумуляторов и инвертор -29. Ветровые стенки А и Б формируют из отдельных базовых элементов, на один из концов которых закрепляют звездочку цепной передачи-3. Затем их объединяют несущей рамой -4 и общей цепью-11 для звездочек - 3 базовых элементов у обоих ветростенок и звездочек-10 на валах шаговых двигателей -9. По командам от обоих конечных выключателей-30 оси базовых элементов-2 на обоих ветростенках поворачивают шаговыми двигателями-9 всегда на 90 градусов и в одном направлении. Для того, чтобы обеспечить расположение генератора-27 регулятора зарядного тока -28 и аккумулятора с инвертором-29 на земле-30 валы маховика-24, ускоряющего редуктора-26 и генератора -27 геометрически располагают по центру рельсового кольца -15. Это упрощает конструкцию всего устройства и передачу электроэнергии потребителю.

Достоинством рассмотренного Способа является его способность улавливать, концентрировать весь ВП в пределах входа в короб, что особенно важно при небольших скоростях ВП. Его устройство экологично. Ширина короба и ветростенок примерно равны диаметру рельсового кольца, а его глубина- примерно двум диаметрам маховика. Важной особенностью Способа и его устройства является возможность наращивания "ометаемой" площади вдоль поверхности земли, уменьшая опрокидывающий момент устройства, что обычно упрощает и удешевляет конструкцию, повышает надежность при эксплуатации.

1. Способ преобразования энергии воздушного потока во вращательное движение ветровой энергетической установки, где на подвижные мембраны активно воздействует воздушный поток, противоположные мембраны связаны между собой, а конечные выключатели фиксирует одно из крайних их положений, отличающийся тем, что в качестве подвижных мембран используют подвижные ветростенки, состоящие из лопасти и закрепленной на их середине оси, они работают периодически в двух режимах – рабочем и флюгерном, а команду на переключение режимов выдают конечные выключатели, фиксирующие крайние положения одной из подвижных ветростенок, причем обе эти подвижные ветростенки ориентируют перпендикулярно воздушному потоку с помощью флюгерных плоскостей, которые поворачивают короб устройства на стойках с колесиками по рельсовому кольцу и непосредственно в коробе по направляющим для тележек с колесами, а к раме прикрепляют энергетический узел.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее мембраны, связанные между собой, и конечные выключатели, отличающееся тем, что в качестве подвижных мембран используют подвижные ветростенки, состоящие из базовых элементов, связанных между собой тросом, закрепленным на рамах ветростенок и перекинутым через блок, а ориентация ветростенок осуществляется флюгерными плоскостями, расположенными на коробе устройства на стойках с колесиками по рельсовому кольцу, а в коробе - по направляющим для тележек с колесами, которые закреплены на верхних и нижних частях рамы ветростенок, причем к раме одной из ветростенок прикреплен энергетический узел, состоящий из шарнира шатуна, шатуна, его пальца, маховика, валов и ускоряющего редуктора, к которому подсоединен электрогенератор, выход последнего через регулятор зарядного тока подсоединен к батарее аккумуляторов и далее к инвертору, а валы маховика, ускоряющего редуктора и генератора геометрически располагают по центру рельсового кольца.