ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК F03D3/02 

Предполагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к преобразователям энергии, работающим от воздушных либо водных потоков.

Известно множество преобразователей энергии с различным выполнением поворотных плоскостей, пластин и лопастей, которые шарнирно укреплены в различных положениях, оптимальных в аэродинамическом отношении для создания сопротивления как навстречу, так и против рабочей среды. Эти преобразователи работают, как правило, при сравнительно стабильных параметрах рабочей среды, что в реальных условиях встречается крайне редко и не позволяет существенно повысить КПД (до 25%).

Известен "Карусельный ветродвигатель"[1] содержащий вертикальный вал с радиальными лопастями, которые выполнены в виде рамок. На каждой из рамок с возможностью поворота относительно горизонтальных осей укреплены поворотные элементы в виде пластин с отогнутыми краями. Известное устройство, несложное по конструкции, имеет существенный недостаток оно недостаточно эффективно преобразует энергию потока рабочей среды, не предусматривает возможности управления этим потоком при изменении условий и параметров рабочей среды. Устройство имеет также ограниченный диапазон мощности. Увеличение ее приведет к существенному увеличению площади радиальных лопастей.

Известен также "Ветродвигатель"[2] содержащий вертикальный вал, на котором укреплены поворотные элементы с гибкими лопастями. Лопасти выполнены в виде тонкостенных панелей с внутренними полостями. Данное устройство также недостаточно эффективно из-за ограниченных его возможностей. При минусовых показателях рабочей среды и при значительных упругих деформациях материал лопастей не обеспечит не только предполагаемого КПД, но и долгосрочной работы устройства.

Наиболее близким к заявляемому является, на наш взгляд "Ветродвигатель" [3]
Известный ветродвигатель содержит: ферму, смонтированный в ней с возможностью поворота вертикальный вал, на котором поярусно укреплены горизонтальные траверсы с поворотными элементами, а также программное устройство поворота, кинематически связанное с поворотными элементами. Причем кинематические связи программного устройства имеют различные передаточные отношения с поворотными лопастями разных рядов и выполнены в виде цепных передач.

Основным недостатком данного устройства при его конструктивной сложности также является невысокая его эффективность при значительных колебаниях параметров внешней среды (температуры, силы ветра, атмосферных осадков), так как многочисленные кинематические связи, в частности цепные передачи, не смогут гарантировать стабильной работы в этих условиях. Вызывает сомнение и надежность работы устройства из-за повышенной его сложности.

Основной задачей, которую поставили перед собой авторы предлагаемого изобретения, является повышение эффективности использования энергии как воздушного, так и водного потока. Попутной задачей является создание несложного по конструкции и надежного в работе устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенной конструкции, содержащей ферму, смонтированный в ней с возможностью поворота вертикальный вал, на котором поярусно укреплены горизонтальные траверсы с поворотными элементами, каждая нижняя пара траверс развернута относительно верхней на угол 35-55^o, а каждый поворотный элемент выполнен состоящим из пары сетчатых каркасов обтекаемой формы, укрепленных с возможностью взаимного перемещения вдоль траверсы, при этом каркасы обтянуты сетками с разной по размеру ячеей, из которых по крайней мере одна снабжена парусными элементами. При этом одна из сеток, расположенная с внешней стороны и имеющая меньшую по размеру ячею, является опорной, а вторая, внутренняя, с более крупной ячеей, снабжена парусными элементами, укрепленными на одной из сторон каждой ячеи. Причем каждый из парусных элементов выполнен из эластичного материала с размером, соответствующим размеру ячеи.

Установка каждой последующей пары траверс с разворотом относительно расположенной выше позволяет наиболее полно учитывать изменения направлений воздушных потоков.

Выполнение поворотных элементов в виде пары сетчатых каркасов обтекаемой формы, установленных последовательно в одном направлении, с возможностью поворота относительно вертикального вала, позволяет создать крутящий момент, равный разнице сопротивлений рабочей среде "цельного" и открытого парусов. При этом возникающая разница сопротивлений является основной составляющей движущей силы (составляющей КПД) энергопреобразователя.

Выполнение каркасов в виде аэродинамически обтекаемой формы позволяет значительно улучшить работу паруса, в частности предлагаемая полуцилиндрическая форма позволяет улучшить результат на 10-20% по сравнению с плоским парусом.

Опорная и парусная сетки в рабочем положении расположены вплотную друг к другу и при воздействии рабочей среды со стороны парусной сетки перья парусной сетки прижимаются к опорной сетке и образуют "цельный парус". При воздействии рабочей среды со стороны опорной сетки перья (лоскуты) поворачиваются или изгибаются (открывают), обеспечивая значительно меньшее сопротивление рабочей среде, чем на "цельном парусе".

Установка объемных каркасов с возможностью перемещений относительно траверсы (на расстояние не большее чем ширина лоскута) позволит регулировать мощность устройства при различных погодных изменениях, т.е. снижать или отключать мощность при сильном ветре (шторме, урагане).

Наборный из лоскутов парус легко фиксировать на каркасе объемной аэродинамической обтекаемой формы, что значительно улучшает работу наборного паруса. Оптимальная объемная форма в настоящее время дополнительно прорабатывается, но и предлагаемая полуцилиндрическая форма отличается от плоского на 10-20% в пользу объемного.

Форма лоскута (пера) и его размеры, как правило, должны повторять форму и размеры ячеек парусной сетки (возможно расположение нескольких лоскутов, повторяющих в сумме одну ячею сетки). Основным требованием к форме лоскутов является более плотное перекрытие опорной сетки при свободном проходе в ячею парусной сетки (или наиболее плотного открытия).

Сетки опорная и парусная могут быть обычными металлическими (проволочными) сетками.

Материал лоскута (пера) зависит от эксплуатируемой среды (вода, течение, отлив или воздух, ветер) и для воздуха (ветра) может быть парашютным шелком, парусиной или другой плотной материей, пропитанной влагоотталкивающим составом или полимерными пленками типа морозоустойчивой полиэтиленовой пленки, т. е. материалами, отвечающими требованиям легкости, прочности, морозоустойчивости, влагонепоглощаемости, гибкости и т.п. требованиям. Для работы в воде требования к материалу лоскута (пера) отличаются прежде всего пониженной влагопоглощаемостью, устойчивостью к размоканию и другими аналогичными требованиями. Вес материала может быть несколько большим, чем для воздуха, т.е. для воды в качестве лоскута (пера) могут быть использованы резина, тонколистовые алюминиевые сплавы (в пресной воде), титановые сплавы, полимерные пластины, пластики и другие материалы, устойчивые к воздействию морской воды.

Существующие сегодня материалы и технологии их обработки теоретически позволяют создать "парусные" преобразователи для ветра с КПД более 50%
На фиг.1 схематически изображена ветроэнергетическая установка, вид сбоку (разрез); на фиг.2 -то же, вид в плане (частичный вырыв); на фиг.3 схематично изображена сборка наборного продуваемого в одном направлении паруса и его управление; на фиг.4 схематично изображена работа группы лоскутов в двух направлениях.

Конструкция ветроэнергетической установки (фиг.1, 2) представляют собой следующее: стальная ферма 1, на которой смонтирован вертикальный вал 2, в верхней части опирающийся на упорно-радиальный подшипник 3. По высоте на валу жестко закреплены восемь крестообразных траверс 4, образующих четыре яруса (этажа), где на каждом ярусе крепится по четыре паруса 5, т.е. всего шестнадцать парусов. Каждый ярус относительно друг друга повернут на 45^o. Между ярусами вал радиально ограничен проходными втулками 6. Нижний конец вала через жесткую муфту 7 связан с передаточным валом 8, нижний конец которого ограничен радиальным подшипником 9. Таким образом, ротор преобразователя висит на верхнем упорном подшипнике. На передаточном валу 8 через обгонную муфту 10 посажен ведущий шкив ротора 11, передающий крутящий момент через ременную перекрестную передачу 12 на повышающий редуктор 13, который на выходном валу имеет шкив-маховик 14 на обгонной муфте 15, передающий крутящий момент на шкив 16 генератора постоянного тока 17. Генератор 17 работает на блок аккумуляторов 18, который через преобразователь 18 выдает электроэнергию потребителю.

Наборный продуваемый в одном направлении парус изображен на фиг.3 и представляет собой сборную конструкцию, состоящую из двух жестких каркасов, одного каркаса опорной сетки 19 и одного каркаса парусной сетки 20. На каркас опорной сетки 19 закреплена опорная сетка 21 с квадратной ячеей размером 30х30 мм. На каркас парусной сетки 20 закреплена парусная сетка 22 с квадратной ячеей размером 100х100 мм из стальной оцинкованной проволоки диаметром 1,6 мм. Каждая ячейка парусной сетки 22 перекрыта лоскутом 23 из морозоустойчивой полиэтиленовой пленки толщиной 0,5 мм квадратной формы, размером 98х98 мм. Формы каркасов и сеток (опорной и парусной) подобны и различаются только размерами, что позволяет парусный каркас 20 с сеткой 22 вставлять в опорный каркас 19 с опорной сеткой 21. Крепление каждой парусной сетки с каркасом к каждой опорной сетке с каркасом осуществляется через пружины сжатия 24 на три или четыре штыря 25, приваренных к опорному каркасу. Такое крепление позволяет отодвигать парусную сетку с каркасом от опорной сетки на ширину лоскута, т.е. на 90-100 мм при заданном усилии. В собранном, рабочем состоянии лоскуты (перья) парусной сетки располагаются в непосредственной близости от опорной сетки и составляют цельный парус.

Площадь одного лоскута (пера) зависит от свойств материала и должна быть минимальной по набору из лоскутов, т.е. общая площадь наборного паруса ограничивается потребной мощностью установки и региональных условий рабочей среды. Например, при опорной сетке с ячеей 30х30 мм парусная сетка может быть с ячеей 100х100 мм или 100х50 мм. При этом размер лоскута составит 98х98 мм или 98х48 мм. Сетки могут быть полимерными (капрон, нейлон), для парусной сетки как минимум оцинкованными и максимум нержавеющими. Повышенные требования к материалу парусной сетки в отношении коррозийной стойкости оправдываются долговечной работой в переменных (атмосферных) погодных условиях.

Для штатного или автоматического отключения паруса при достижении ротором определенных оборотов (максимальных) каждый парусный каркас через гибкую связь 26 нагружен свободным грузом 27, который под действием центробежных сил производит автоматическое отодвижение парусной сетки, а при падении оборотов ротора сетки автоматически принимают рабочее положение.

Работа ветроэнергетической установки заключается в следующем: скоростной напор ветра с одной стороны вала 2 прижимает лоскуты 23 к опорной сетке 19, образуя и воздействуя на "цельный" парус, с другой стороны вала ветер разворачивает лоскуты 23 на продуваемой стороне и с гораздо меньшим сопротивлением проникает в образованные щели и сетки.

Возникающая разность сопротивления составляет различные усилия на "цельном" и "открытом" парусах, в результате чего возникает крутящий момент и вал 2 ротора начинает вращаться в одну сторону. По мере вращения вала паруса меняют положение, лоскуты очередного паруса прижимаются к опорной сетке, образуя "цельный" парус, и процесс продолжается до тех пор, пока есть напор ветра. Расположение парусов на траверсах вала выбрано таким образом, что в работе находится как минимум два паруса в полном сечении и два паруса в проекции к ветру, составляющих один полный парус. Имея полное сечение "цельного" паруса 1 м и разность парусности в различных направлениях движения ротора, т.е. закрытого паруса и открытого паруса как 1:0,3, вправе рассчитывать, что на противоположных сторонах вала усилия будут возникать в аналогичном отношении. По среднестатистическим данным, на 1 м сплошной стенки возникает усилие до 100 кГс. Из-за неполной плотности цельного паруса возникающее усилие будет меньше и будет падать при наращивании скорости вращения ротора, но начальное усилие можно принять не меньше 0,8 от статистического, что составит разность усилий 80 кГс 30 кГс 50 кГс. Поскольку середина паруса находится на радиусе 1 м, крутящий момент составит 50 кГм. Поскольку в работе находится три паруса одновременно, крутящий момент может достигать 150 кГм. При средней скорости ветра 8 м/сек и КПД, равном 50% скорость вращения ротора составит:

или приблизительно 40 об/мин, что через соотношение момента и числа оборотов составит мощность около 6 кВт.

Управление парусами предусматривается путем раздвижения парусной и опорной сеток в случае отключения вручную, или при возникновении ветра, превышающего номинальную скорость, раздвижение сеток происходит автоматически за счет возникновения достаточной центробежной силы, воздействующей на груз и через гибкую связь на парусную сетку.

Для достижения равномерного вращения электрогенератора в схеме предусмотрены маховик, обгонные муфты, электроаккумуляторы, преобразователь, электронные схемы управления мощностью генератора, т.е. вопрос решается известными способами.

Экспериментальная установка, имеющая восемь парусов размером 1 м х 1 м 1 м² каждый, расположенных вокруг вертикального вала по четыре штуки в два яруса по высоте, развернутые на 45^o относительно друг друга, показала устойчивую работу и отличный от известных автору КПД в пользу "парусной". Перья (лоскуты) на установке выполнены размером: 50 мм шириной и 250 мм длиной, из морозоустойчивой полиэтиленовой пленки толщиной 0,5 мм и показали хорошую устойчивость во все сезоны. На всех восьми парусах работали 608 лоскутов, и за все время испытаний из строя вышло шесть лоскутов, и то за счет невысокого качества исполнения крепления (пайка, сварка вокруг проволоки парусной сетки). Замена или ремонт лоскута затруднений не вызывают.

Испытания моделей с размерами парусов 100х100 мм и размером пера 95х25 мм дали наглядный результат по КПД и аэродинамической форме паруса. На модели установлено, что при высоких скоростях ветра, т.е. при 250-400 об/мин на радиусе 150 мм лоскуты успевают срабатывать на открывание и закрывание, что позволяет создавать переносные миниустановки мощностью до 100 Вт, полезные в экспедициях, туристических походах и других подобных ситуациях, в отдаленных сигнальных точках. Возможно использование предлагаемого преобразователя, например, в целевых ветроэнергетических установках, где целесообразно непосредственное применение механической энергии. Это могут быть насосные, компрессорные и гидравлические станции или их комбинации вплоть до тепловых (холодильных) установок. Наборный продуваемый в одном направлении парус в режиме двигателя может быть также использован на морских и речных судах, не требующих высоких скоростей перемещения. В режиме двигателя подобные паруса могут оказаться перспективными при создании транспортных средств на воздушной подушке, махолетов и других средств, используемых для перемещения как по воздуху, так и по воде.

Таким образом, "парус" для ветроэнергетических установок обеспечивает КПД до 50% бесшумность работы, простоту конструкции и управления ею, и в зависимости от региональных атмосферных условий широкий диапазон установок различных мощностей.

Использование: в ветроэнергетике, гидроэнергетике, а также в транспортных средствах. Преобразователь энергии содержит ферму 1, смонтированный в ней с возможностью поворота вертикальный вал 2, на котором поярусно укреплены горизонтальные траверсы с поворотными элементами 5, каждая нижняя пара траверс 4 развернута по горизонтали относительно верхней, а каждый поворотный элемент 5 выполнен состоящим из пары сетчатых каркасов 19, 20 обтекаемой формы, укрепленных с возможностью взаимного перемещения вдоль траверсы 4. Каркасы 19, 20 обтянуты сетками 21, 22 с разной по размеру ячеей. Одна из сеток 21, расположенная с внешней стороны, является опорной и имеет меньшую по размеру ячею. Вторая сетка 22, внутренняя, с более крупной ячеей, снабжена парусными элементами 23, укрепленными на одной из сторон каждой ячеи. Каждый из парусных элементов 23 выполнен из эластичного материала с размером, соответствующим размеру ячеи. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Преобразователь энергии, содержащий ферму, смонтированный в ней с возможностью поворота вертикальный вал, на котором поярусно укреплены горизонтальные траверсы с поворотными элементами, отличающийся тем, что каждая нижняя пара траверс развернута относительно верхней по горизонтали, а каждый поворотный элемент выполнен состоящим из по меньшей мере пары сетчатых каркасов обтекаемой формы, укрепленных соосно с возможностью перемещения вдоль траверс, при этом каркасы обтянуты сетками с разной по размеру ячеей, одна из которых, расположенная с внутренней стороны, снабжена парусными элементами. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что одна из сеток, укрепленная на наружном каркасе, имеет меньшую по размеру ячею и является опорной. 3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что парусные элементы выполнены из эластичного материала, укреплены на одной из сторон ячеи внутренней сетки и имеют размер, соответствующий размеру ячеи. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждая нижняя пара траверс развернута относительно верхней по горизонтали на угол в пределах 30
55^o.