УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА С ПРИВОДОМ ОТ МАХОВИКА
DEVICE FOR TRANSFORMATION OF WIND ENERGY WITH FLYWHEEL DRIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для использования энергии ветра с приводом от маховика, более конкретно к устройству для использования энергии ветра, которое содержит воздушный канал для фокусирования поступающего воздушного потока с целью привода махового колеса, вращательная энергия которого преобразуется в выходную механическую мощность.
Уровень техники
Энергия ветра используется на протяжении тысяч лет мировой истории. Традиционно устройство для использования энергии ветра состоит из ветряной мельницы с вращающимся валом, снабженным лопатками, и маховиком для привода вращающегося вала генератора. Лопатки и маховик вращаются под воздействием ветровой нагрузки согласно принципам работы пневматики, причем ветровая нагрузка имеет эффективную и резистивную составляющие. Эффективное усилие воздействует на ветровые лопатки и маховик для создания момента вращения, вызывающего их вращение, тем самым преобразование кинетической энергии воздушного потока в механическую или электрическую энергию. Действующее таким образом обычное устройство для использования энергии ветра имеет следующие недостатки.
1. Коэффициент преобразования энергии ветровых лопаток и маховика составляет всего лишь 20-30% и может дополнительно уменьшаться до 70% от своего первоначального значения при имеющем месте произвольном изменении направления воздушного потока. После последующего преобразования механической энергии в электрическую выходная полезная мощность практически ничтожна.
2. В реальной обстановке невозможно ожидать идеального состояния постоянного и устойчивого воздушного потока. Выходная мощность устройства для использования энергии ветра никогда не будет постоянной, если момент вращения ветровых лопаток внезапно изменяется в соответствии с изменением ветровой нагрузки.
3. Для эффективного фокусирования ветровой нагрузки устройство для использования энергии ветра должно иметь загзагообразную конфигурацию, создающую турбулентность воздушного потока между передней и задней сторонами ветровых лопаток, что увеличивает аэродинамическое сопротивление.
Поскольку эти дефекты известных из уровня техники решений являются существенными, существует потребность в их устранении для создания усовершенствованных решений.
Раскрытие изобретения
Основная задача настоящего изобретения состоит в создании устройства для использования энергии ветра с приводом от маховика, в котором реализован высокоэффективный способ преобразования энергии ветра в механическую энергию.
Другая задача настоящего изобретения состоит в создании устройства для использования энергии ветра, снабженного маховым колесом и воздушным каналом, которое имеет стабильный режим работы и может быть легко смонтировано.
Устройство для использования энергии ветра, решающее упомянутые задачи, содержит удлиненный полый воздушный канал, маховое колесо и вращающийся вал. Воздушный канал имеет коническую трубчатую форму с обоими открытыми концами. Один из концов имеет большее поперечное сечение и служит в качестве воздушного впуска, а другой конец имеет меньшее поперечное сечение и служит в качестве воздушного выпуска, так что воздушный поток поступает в устройство через воздушный канал. Маховое колесо с несколькими ветровыми лопатками смонтировано в воздушном канале вблизи воздушного выпуска и предназначено для преобразования ветровой нагрузки в регулируемый момент вращения махового колеса. Маховое колесо может продолжать вращаться на указанном валу за счет своей инерции в течение некоторого промежутка времени даже после прекращения дуновения ветра. Устройство обеспечивает преобразование кинетической энергии ветра в регулируемую и хранимую механическую энергию, подлежащую использованию.
В устройстве для преобразования энергии ветра с приводом от маховика использовано несколько тяжелых закругленных масс, установленных по окружности махового колеса, в отличие от традиционной конструкции махового колеса, в которой масса махового колеса равномерно распределена в целом. Поскольку распределение масс различно в этих двух случаях, различной будет и результирующая инерция вращения. Устройство согласно изобретению способно поддерживать стабильный режим работы даже при резком изменении ветровой нагрузки.
Согласно настоящему изобретению на кромке основания махового колеса в окружном направлении установлено несколько обтекаемых блоков в форме челнока, имеющих низкое аэродинамическое сопротивление. Каждый блок содержит утяжеляющий материал для увеличения инерции вращения. В случае резкого изменения ветровой нагрузки соответствующим образом изменяется момент инерции, передаваемый маховому колесу ветровыми лопатками, на которые воздействует изменяющаяся ветровая нагрузка. В этом случае массы указанных блоков, распределенные вокруг махового колеса, проявляют большую инерцию вращения, поглощая резкие изменения ветровой нагрузки, тем самым поддерживая устойчивый режим функционирования устройства без возникновения каких-либо неравномерностей в его работе.
Краткое описание чертежей
На чертежах раскрыт иллюстративный вариант реализации настоящего изобретения, который служит для пояснения его различных преимуществ и задач. На чертежах:
фиг.1 представляет вид в перспективе варианта изобретения;
фиг.2 представляет поперечное сечение махового колеса согласно изобретению,
фиг.3 представляет вариант изобретения в разобранном виде.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан удлиненный полый воздушный канал 1, имеющий коническую трубчатую форму с открытыми обоими концами. Один из концов, имеющий большее поперечное сечение, служит в качестве воздушного впуска 11, а другой конец с меньшим сечением служит в качестве воздушного выпуска 12, так что обеспечено поступление воздушного потока в устройство через воздушный канал 1. Воздушный поток, поступивший в воздушный канал 1 через воздушный впуск 11, протекает по направлению к воздушному выпуску 12 меньшего поперечного сечения и постепенно наращивает свою ветровую силу за счет фокусировки. Маховое колесо 2 установлено в воздушном канале 1 вблизи воздушного выпуска 12.
Далее, со ссылкой на фиг.2, маховое колесо 2 содержит круглое основание 22 с несколькими блоками 24 в форме челнока, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга по наружной кромке махового колеса 2. От внутренней кромки основания 22 в вертикальном направлении отходит непрерывная стенка 25, на нижней кромке которой выполнен зубчатый паз 26. Между основанием 22 и непрерывной стенкой 25 расположены несколько ветровых лопаток 21, имеющих форму знака "<" на виде сверху, взаимно симметричным образом относительно оси махового колеса 2. В непрерывной стенке 25 между ветровыми лопатками 21 выполнены воздушные окна 23. Когда воздушный поток поступает к маховому колесу 2 через воздушный канал 1, он воздействует на ветровые лопатки 21 и сообщает часть энергии ветра маховому колесу 2 для его вращения. После потери части энергии скорость воздушного потока уменьшается, и на него оказывает давление последующий воздушный поток, имеющий большую скорость, так что между этими потоками образуется турбулентное течение. В результате увеличивается сила сопротивления, что приводит к снижению производительности устройства и даже нарушает его нормальную работу. Воздушные окна 23 служат для отвода на противоположную сторону такого неэффективного воздушного потока, чтобы поддерживать нормальный режим работы махового колеса 2. В то же время в пределах пространства, ограниченного непрерывной стенкой 25, образуется вихревое воздушное течение, которое способствует уменьшению аэродинамического сопротивления махового колеса 2. Чтобы усилить сцепление с молекулами воздуха, на поверхность ветровых лопаток 21 может быть нанесено покрытие для придания ей шероховатости.
Маховое колесо 2 вращается совместно со своей верхней крышкой 13, причем вся масса равномерно распределена по кромкам верхней крышки 13 и махового колеса 2. В рассматриваемом варианте под массами понимаются обтекаемые блоки 24, заключающие в себе тяжелый материал для увеличения инерции вращения. В альтернативном варианте основание 22 может быть выполнено таким образом, что его внутренняя часть тоньше наружной части, либо к кромке основания 22 могут быть прикреплены массы. Все эти меры значительно увеличивают инерцию вращения махового колеса 2. При резком изменении момента вращения ветровых лопаток 21, вызванном внезапным изменением силы ветра, маховое колесо 2 может погасить такое внезапное изменение за счет своей большой инерции вращения. Другими словами, маховое колесо 2 способно продолжать вращение за счет своей инерции в течение некоторого периода времени даже после прекращения дуновения ветра. Таким образом, вращение махового колеса 2 никогда не будет неожиданно ускоряться или замедляться даже при резком изменении силы ветра.
На фиг.3 в разобранном виде представлен вариант осуществления настоящего изобретения, где установленный вертикально цилиндрический вращающийся вал 3 образован внутренним сердечником 31 меньшего диаметра и выходным валом 33 большего диаметра, коаксиально установленным вокруг внутреннего сердечника. В месте их соединения предусмотрен нижний зацеп 32, входящий в зацепление с соответствующим зубчатым пазом 26 в маховом колесе 2. После сцепления вращающегося вала 3 с маховым колесом 2 сердечник 31 вала поддерживает верхнюю крышку 13 по ее центру, в результате вращающийся вал 3, маховое колесо 2 и верхняя крышка 13 могут вращаться как одно целое в одном направлении. Другой конец выходного вала 33 может быть связан с механическим валом накопителя энергии или генератором для преобразования вращательной кинетической энергии, получаемой устройством согласно изобретению, в другой вид энергии. Вокруг центра верхней крышки 13 выполнены воздушные выпускные отверстия 14 для выброса бесполезного воздушного потока. После сборки упомянутых компонентов устройство для использования энергии ветра согласно изобретению будет выглядеть, как показано на фиг.1.
При использовании устройства согласно изобретению на воздушных судах, автомобилях, железнодорожных поездах, движущихся с высокой скоростью, или иных видах транспортных средств, на которых имеет место высокое давление ветра, оно, без сомнения, будет эффективно использовать энергию ветра без больших потерь.
В целом, как следует из описания вышеприведенных примеров, изобретение имеет несколько заслуживающих внимание преимуществ:
1. Между ветровыми лопатками выполнено несколько воздушных окон, что делает устройство эффективным в плане предотвращения турбулентного течения и уменьшения сопротивления вращению махового колеса.
2. Основные массы установлены в окружном направлении вдоль кромки махового колеса для улучшения распределения инерции вращения в отличие от традиционной конструкции, в которой масса махового колеса равномерно распределена в целом, что приводит к плохой инерции вращения, недостаточной для предотвращения неравномерностей в работе при неожиданном изменении ветровой нагрузки.
3. Устройство согласно изобретению является простым для промышленного производства и широко применимо на воздушных судах, автомобилях и поездах.
В вышеописанный пример осуществления изобретения могут быть внесены многочисленные изменения и модификации без выхода за рамки изобретения. Соответственно для содействия развитию науки и прикладных областей изобретение раскрыто и ограничено лишь объемом прилагаемой формулы.