СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ИЛИ ВОДНЫХ ПОТОКОВ Российский патент 2013 года по МПК F03D5/06 F03B17/06 B63H1/36 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэнергетических или в гидроэнергетических установках для выработки электроэнергии или для выполнения механической работы [F03B3/12, F03B7/00, F03B3/02].

Из уровня техники известно устройство, преобразующее энергию ветра в электрическую энергию с передачей механической работы на рабочий орган, совершающий колебательное движение (RU 2142572, МПК F03D 5/06, опубл. 10.12.1999). Недостаток известного преобразователя заключается в том, что он имеет сложную конструкцию. Кроме того, для получения полезной работы требуется большой напор текучей среды. Так же известен преобразователь энергии ветра, действующий на привязной летательный аппарат, с передачей механической работы на рабочий орган, совершающий колебательное движение (RU 2109981, F03D 5/06, опубл. 27.04.1998 г.). Известный преобразователь содержит летательный аппарат, удерживающий трос, рабочий орган, совершающий возвратно-поступательное движение, и механизм, совершающий полезную работу. Известный преобразователь позволяет использовать потоки воздуха, обычно дующие на высоте. Недостаток этого решения заключается в конструктивной сложности кинематических связей. Механизм передачи движения ветра на рабочий орган имеет сложную конструкцию и может быстро выйти из строя.

Известна энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, содержащая вал отбора мощности, с которым кинематически через тросовую передачу связано крыло или аэродинамический профиль, веденный в поток по направлению его движения (WO 2008034421, опубл. 27.03.2008). Данное решение принято в качестве прототипа.

Недостаток данного решения заключается в сложности выполнения связи крыла с валом отбора мощности, которая обуславливает наличие больших механических потерь из-за сопротивления перемещению троссо-блочных элементов передачи.

Наиболее близким решением (прототипом) является патент NL 1017171 на Способ получения энергии за счет воздушного змея, вращающего барабан генератора. Центральная стропа отсутствует. Крыло крепится двумя уздечками, длина которых менятся при помощи мотора.

В указанном решении угол атаки изменяет мотор. В результате чего есть необходимость утяжелять воздушного змея мотором и блоком питания, есть дополнительные затраты электроэнергии на работу мотора.

Управление мотором производится внешним сигналом управления (например, радиосигналом) для синхронизации движения лебедок (сматывание/разматывание троса) и крыла (изменение угла атаки). В результате чего возникает необходимость иметь систему дистанционного управления мотором и лебедками.

Стропа поочередно наматывается и разматывается на лебедки, т.е. с реверсом. В результате чего значительно усложняется кинематика устройства, возникают сложности с преобразованием реверсивного движения лебедок в однонаправленное вращение.

Задачей данного изобретения является создание способа преобразования энергии ветра, на основе которого формируется относительно простая конструкция преобразователя, более надежного, чем прототип, и способного преобразовывать энергию ветра непосредственно во вращательное движение рабочего органа с последующим его использованием для генерации электричества.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции преобразователя, реализованного на основе способа, снижении металлоемкости, повышении технологичности и, как следствие, резком снижении удельной стоимости вырабатываемого кВт*часа электроэнергии.

Указанный технический результат достигается тем, что способ преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, характеризующийся использованием вала отбора мощности, с которым через подвижную ось кинематически связывают веденное в поток по направлению его движения крыло или аэродинамический профиль, отличающийся тем, что вал отбора мощности выполняют в виде коленвала, а крыло или аэродинамический профиль связывают с этим коленвалом стропой, оснащенную в непосредственной близости от крыла дополнительно короткими стропами (уздечками), которыми обеспечивают ограничение угла атаки крыла в заданном диапазоне, а с помощью устройства управления углом атаки скачком меняют угол атаки крыла от минимального к максимальному, перемещая при помощи подвижной массы акселерометра, жестко связанного с кулачком, ось крепления основной стропы относительно центра приложения аэродинамических сил в зависимости от направления движения коленвала.

Заявленное решение от прототипа отличает то, что угол атаки меняется автоматически (без мотора) в зависимости от положения коленвала инерционными силами, действующими на акселерометрическое устройство управления углом атаки. В результате чего нет необходимости утяжелять воздушного змея мотором и блоком питания, нет дополнительных затрат электроэнергии на работу мотора, т.е. экономичность.

Синхронизация вала отбора мощности (коленвала) с крылом происходит автоматически при помощи акселерометрического устройства управления углом атаки, находящегося на крыле. В результате чего нет необходимости иметь систему дистанционного управления мотором и лебедками.

Стропа вращает непосредственно коленвал, вращающийся в одну сторону. В результате чего значительно упрощается кинематика устройства, не возникает сложностей с преобразованием реверсивного движения лебедок в однонаправленное вращение.

Управление крылом происходит за счет изменения положения центральной стропы вокруг центра приложения сил (длина уздечек фиксирована). Инерционные колебания акселерометра смещают в пазу ось крепления крыла к стропе в ту или иную сторону в соответствии с направлением движения (вперед/назад) коленвала. Это отличие само по себе характеризует конструктивные особенности, которые определяют отличие в принципе действия.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Изобретение может быть реализовано на основе преобразователей, устройство которых поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.

На Фиг.1 показан общий вид энергоустановки для различных исполнений крыла (аэродинамического профиля), где 1 - Крыло (аэродинамический профиль, воздушный змей), 2 - Акселерометрическое устройство управления углом атаки (АУУУА) в центре приложения аэродинамических сил, 3 - Распорка, 4 - Стропа, 5 - Коленвал, 6 - Ось вращения.

На Фиг.2 изображено устройство управления углом атаки (УУУА), где 7 - кулачок УУУА, 8 - ось вращения, 9 - инерционная масса акселерометра, 10 - задняя вспомогательная стропа (уздечка), 11 - передняя вспомогательная стропа (уздечка). Неустойчивое нейтральное положение. Любая девиация любого параметра приводит к резкому изменению угла атаки в ту или другую сторону.

Фиг.3. Движение крыла вперед (против ветра) до изменения угла атаки. Акселерометр уводит кулачок влево. На крыле возникает вращающий момент против часовой стрелки. Угол атаки уменьшается до тех пор, пока позволяет длина обвисшей нижней стропы (до ее натяжения). Как только она натянется, сила ее натяжения сбалансирует крутящий момент и изменение угла атаки прекратится. Система снова станет уравновешенной относительно крыла (но само-то крыло будет иметь результирующую силу, движущую его вперед против ветра за коленвалом, но с малым сопротивлением).

Фиг.4. Движение крыла вперед (против ветра) после изменения угла атаки. Нижняя стропа натянута.

Фиг.5. Движение крыла назад (по ветру, рабочий ход). До изменения угла атаки. Акселерометр откатился от точки приложения сил, создав опрокидывающий момент, приводящий к резкому увеличению угла атаки.

Фиг.6. Движение крыла назад (по ветру, рабочий ход). После изменения угла атаки. Передняя стропа (уздечка) натянута.

На Фиг.7 показан пример работы генератора в водном потоке, аналогичный работе в воздушном потоке. Только для позиционирования крыла на нужной глубине желательно использовать дополнительный поплавок 16, где 12 - Баржа, 13 - вспомогательные стропы (уздечки), 14 - Направляющие ролики, 15 - основная стропа, 16 - Поплавок.

Изобретение обеспечивает прямое преобразование колебательных движений крыла во вращательное движение коленвала при минимальной материалоемкости и при максимальной простоте и надежности конструкции энергоустановки.

Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков (Фиг.1) содержит вал отбора мощности 5, с которым кинематически связано введенное в поток по направлению его движения крыло 1 или аэродинамический профиль. Возможно использование надувного крыла легче воздуха.

Вал отбора мощности выполнен в виде коленвала 5 (Фиг.1), вращающегося вокруг оси 6. Крыло 1 или аэродинамический профиль связано с этим коленвалом стропой 4, причем стропа прикреплена к подвижной оси, которая приводится в движение около точки приложения аэродинамических сил с помощью кулачка 7 (Фиг.2), который вращает в ту или иную сторону масса акселерометра 9 в зависимости от направления вращения коленвала.

Таким образом, за один полупериод воздушный или водный выполняет большую работу (назовем ее положительной, а за второй полупериод - маленькую, но в противоположном направлении (назовем ее отрицательной). Суммарная работа и будет полезной работой, выполненной потоком за период.

Вся энергоустановка может быть размещена на платформе, поворачивающейся относительно вертикальной оси по направлению ветра флюгером. Для улучшения равномерности вращения и сглаживания толчков на оси 6 (Фиг.1) можно расположить маховик. Также на оси 6 можно разместить любое количество элементарных (работающих на одно крыло) энергоустановок с целью повышения суммарной мощности, улучшения равномерности вращения и сглаживания толчков (как цилиндров в двигателе внутреннего сгорания).

Для повышения надежности работы (в частности исключения возможности задевания стропами вращающихся деталей коленвала, например, при резких изменениях направления ветра) сами стропы можно пропустить через направляющие ролики.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает возможность получения отбора мощности от энергии водного или воздушного потока среды при использовании простой кинематической конструкции. Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть изготовлено по известным технологиям.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэнергетических или в гидроэнергетических установках для выработки электроэнергии или для выполнения механической работы. Способ преобразования энергии течения воздушных или водных потоков характеризуется использованием вала отбора мощности, с которым через подвижную ось кинематически связывают введенное в поток по направлению его движения крыло 1 или аэродинамический профиль. Вал отбора мощности выполняют в виде коленвала 5. Крыло 1 или аэродинамический профиль связывают с коленвалом 5 стропой 4, оснащенной в непосредственной близости от крыла дополнительно короткими стропами. Стропы обеспечивают ограничение угла атаки крыла 1 в заданном диапазоне. С помощью устройства управления углом атаки 2 скачком меняют угол атаки крыла 1 от минимального к максимальному, перемещая при помощи подвижной массы акселерометра, жестко связанного с кулачком, ось крепления основной стропы относительно центра приложения аэродинамических сил в зависимости от направления движения коленвала 5. Изобретение направлено на упрощение конструкции преобразователя, реализованного на основе способа, снижение металлоемкости, повышение технологичности и, как следствие, снижение удельной стоимости вырабатываемого кВт·часа электроэнергии. 7 ил.

Способ преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, характеризующийся использованием вала отбора мощности, с которым через подвижную ось кинематически связывают введенное в поток по направлению его движения крыло или аэродинамический профиль, отличающийся тем, что вал отбора мощности выполняют в виде коленвала, а крыло или аэродинамический профиль связывают с этим коленвалом стропой, оснащенной в непосредственной близости от крыла дополнительно короткими стропами (уздечками), которыми обеспечивают ограничение угла атаки крыла в заданном диапазоне, а с помощью устройства управления углом атаки скачком меняют угол атаки крыла от минимального к максимальному, перемещая при помощи подвижной массы акселерометра, жестко связанного с кулачком, ось крепления основной стропы относительно центра приложения аэродинамических сил в зависимости от направления движения коленвала.