УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОТОКА СРЕДЫ

Полезная модель относится к возобновляемой энергетике и предназначена для использования в ветроэнергетике или гидроэнергетике для получения полезной работы в неограниченных количествах.
Для получения полезной работы (энергии) потока среды используются различные винты, лопасти, лопатки, турбины, паруса. Недостатками таких устройств является малая надежность и (или) ограниченность использования, большая стоимость оборудования, они очень прихотливы. Немногие из них защищены устройствами остановки или отключения, что спасает эти энергоустановки в критических условиях, но такие защитные устройства лишают энергоустановки целесообразности, весьма материально затратные и малоэффективные, проектируются специально и поэтому дороги в обслуживании.
Известна ветроэнергетическая установка (патент РФ на ИЗ №2397361, 2010), содержащая, по меньшей мере, один ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра, и связанного с ним, по меньшей мере, одного электромеханического преобразователя. Лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные колебания - поперек потока, и крутильные колебания - вдоль собственной оси жесткости (флаттер). Ветрогенераторы размещены в ячейках сети с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180°, для чего лопасти расположены сзади от оси поворота. Сети, растянутые на рамах, закреплены на одной мачте в перпендикулярных вертикальных плоскостях и с помощью мачт и растяжек вывешены в несколько рядов, причем одна система рядов расположена перпендикулярно другой системе рядов и поверхности земли. Каждый ветрогенератор снабжен связанной с торсионом ступицей, в которой с возможностью поворота вокруг своей оси установлены лопасти, каждая из которых снабжена установленным в ней торсионом, ось которого совпадает с продольной осью лопасти и который соединяет лопасть и ступицу, а центр масс каждой лопасти вынесен назад по направлению потока ветра по отношению к оси лопасти. Электромеханический преобразователь связан муфтой с горизонтальным торсионом в месте крепления ступицы.
Известна ветроэнергетическая установка профессора Меркулова (патент РФ на ИЗ №2384730, 2010), содержащая ветрогенератор, состоящий из лопастей, воспринимающих энергию ветра, и связанных с ними электромеханических преобразователей, при этом лопасти ветрогенератора закреплены так, что они имеют возможность совершать изгибные поперек потока и крутильные вдоль собственной оси жесткости колебания (флаттер), ветрогенератор размещен в ячейках сетки с возможностью поворота вокруг вертикальной оси на 180° под действием ветра, для чего лопасти располагаются сзади от оси поворота. Схожих по принципу действия, состоящих из электропреобразователя, оснащенного лопастями и установленного на произвольной конструкции.
Описанные технические решения зависят от подбора материалов с определенными свойствами, от чего срок эффективной работы этих установок резко ограничен, так как в конструкции заложен противоречивый принцип - лопасти жесткие и одновременно изгибно-пластичные. Из чего следует вывод, что устройства такого типа очень дорогие при изготовлении.
Наиболее близким к заявленному решению по совокупности существующих признаков является выбранное в качестве прототипа устройство для получения энергии от потока среды, содержащее крыло или парус, соединенное стропами с условным валом отбора мощности (патент РФ на ИЗ №2491445, 2013). Данное устройство отличается видимой простотой, напоминающей конструкцию воздушного змея, привязанного стропой к коленвалу отбора мощности, что в реализации вызывает огромные сложности. В потоке среды с непостоянными скоростями встает вопрос о способе введения рабочего крыла или аэродинамического профиля в поток среды после его полной остановки. Если указанное устройство используется в потоке воды, то будут необходимы дополнительные устройства для распутывания запутавшихся строп, если рабочий аэродинамический профиль имеет значительную собственную массу. Кроме того, при изготовлении подобного устройства необходимы специальные материалы, а технологии использования жестко регламентированы, что делает устройство дорогим и сложным.
Технической задачей является расширение эксплуатационных возможностей устройства, служащего для преобразования энергии потока среды в электрическую энергию.
Поставленная задача решается устройством преобразования энергии потока среды, состоящим из рабочего крыла, установленного на маятник при помощи опорно-поворотного шарнира, который позволяет поворачиваться рабочему крылу при колебаниях маятника из стороны в сторону, согласно полезной модели через поводок опорно-поворотного шарнира, соединенный с тягой, поворотом рабочего крыла управляет автомат перекоса, установленный на одной оси с маятником и имеющий механический привод от вала маховика, маятник, на который установлено рабочее крыло, имеет противовес рабочего крыла и шарнир шатуна, через который передается усилие от рабочего крыла на маховик и вращает его, маховик в своем теле имеет эксцентрик с шарниром шатуна, вращаемый червячным приводом, управляемым сигналом с контроллера управления для изменения места крепления шарнира шатуна на маховике относительно центра его вращения, при этом устройство содержит редуктор, установленный на одном валу с маховиком, электрогенератор, установленный на раму устройства, как и валы вращения маятника и маховика, которая имеет места креплений на поворотную платформу, имеющую электропривод, управляющийся сигналом с контроллера управления для изменения ориентации устройства по направлению к потоку среды и относительно основания, на которое установлено устройство, а между поворотной платформой и основанием установлен подшипник.
Опорно-поворотный шарнир позволяет поворачиваться рабочему крылу на 180° относительно своей продольной оси при колебаниях маятника из стороны в сторону.
Полезная модель поясняется следующими иллюстративными материалами.
На фиг. 1 представлено устройство преобразования потока среды (вид по оси направления потока среды на плоскость колебаний маятника и вращения маховика, где плоскость основания показана горизонтально, а на эксцентрике маховика показаны возможные варианты положения эксцентрика на маховике по отношению к его центру вращения: А, В, С).
На фиг. 2 представлено устройство преобразования потока среды (вид сверху на плоскость основания с указанием направления потока среды).
На фиг. 3–5 представлены три диаграммы, которые показывают зависимость величины амплитуды колебаний рабочего крыла и величины угла атаки рабочего крыла во времени и потоке среды (при наблюдении сверху использовано одно и то же сечение рабочего крыла).
На фиг.3 представлены повороты рабочего крыла.
На фиг.4 представлено плавное уменьшение шага поворотов рабочего крыла автоматом перекоса.
На фиг.5 представлено уменьшение амплитуды колебаний рабочего крыла до 0°.
Устройство преобразования потока среды содержит рабочее крыло 1; опорно-поворотный шарнир 2, соединяющий подвижно рабочее крыло 1 с маятником 4, который имеет поводок 6; маятник 4 установлен на валу 3 маятника, имеет противовес 5 рабочего крыла 1; шатун 8 соединяет маятник 4 и маховик 7 со встроенным эксцентриком 20, имеющим червячный привод 9; на валу 11 маховика установлен редуктор 10, передающий вращение от вала 11 маховика на электрогенератор 12; вал 11 маховика через привод 17 управляет работой автомата перекоса 15, установленного на одном валу 3 с маятником 4; автомат перекоса 15 соединен тягой 16 с поводком 6 опорно-поворотного шарнира 2; вал 3 маятника 4, вал 11 маховика 7, электрогенератор 12 установлены на раму 14, имеющую места креплений 13, для соединения с поворотной платформой 18, способной поворачиваться относительно основания на подшипнике 19.
Устройство преобразования потока среды работает следующим образом (на примере ветра).
В условиях полного штиля устройство подключено к контроллеру (контроллер управления выбирается отдельно, установлен в щите управления и на чертежах не показан), рабочее крыло 1 (можно использовать крыло самолета или лопасть от вертолела) удерживается автоматом перекоса 15 через тягу 16 и поводок 6 опорно-поворотного шарнира 2, повернутым на максимальный угол атаки, как показано на Фиг. 2. При появлении ветра с силой, способной отклонить рабочее крыло в сторону со своего пути, срабатывает датчик направления и силы ветра (датчик выбирается отдельно, на чертежах не показан, предпочтительно, чтобы этот датчик был установлен на противоположном от противовеса конце рабочего крыла), который подает сигнал о возникновении ветра с определенной стороны на контроллер управления. Контроллер управления посылает сигнал на электропривод поворотной платформы 18 (поворотная платформа с электроприводом изготовлена по принципу поворота башни танка или телескопа) для ориентации устройства по направлению к ветру. Рабочее крыло 1 воспринимает силу ветра и отклоняется от вертикального положения, передает усилие на маховик 7, имеющий эксцентрик 20 (эксцентрик в положении В) через шатун 8, приводя его во вращение. Вращение маховика 7 через редуктор 10 передается генератору 12, который начинает вырабатывать электрический ток. Как только рабочее крыло 1 приближается к крайней точке амплитуды колебаний, автомат перекоса 15 (повторяющий полностью конструкцию автомата перекоса на вертолете), имеющий механический привод 17 от вала 11, поворачивает рабочее крыло 1, воздействуя на поводок 6 (по принципу действия повторяющий назначение поводка на лопасти вертолета) опорно-поворотного шарнира 2 через тягу 16, в положение наименьшего аэродинамического сопротивления и наименьшего угла атаки. В крайней точке амплитуды колебаний рабочее крыло 1 не передает усилия на шатун 8 и останавливается. В этот момент шатун 8, пройдя мертвую точку при помощи инерции вращения маховика 7, воздействует на маятник 4, имеющий противовес 5 рабочего крыла 1, что приводит к смещению рабочего крыла 1 от крайней точки амплитуды колебаний в обратном направлении. Рабочее крыло 1 разворачивается на максимальный угол атаки, так как автомат перекоса 15, имеющий привод 17 от вала 11, воздействует на поводок 6 шарнира 2, после чего рабочее крыло 1 начинает воспринимать усилие ветра и передавать его на маховик 7 через шатун 8, действуя как усиливающий рычаг. Дойдя до противоположной крайней точки амплитуды колебаний, рабочее крыло 1 под воздействием автомата перекоса 15 поворачивается на нулевой угол атаки и останавливается. Дождавшись, когда при помощи инерции вращения маховика 7 шатун 8 пройдет мертвую точку и начнет воздействовать на маятник 4, рабочее крыло 1 поворачивается на максимальный угол атаки под воздействием автомата перекоса 15 и снова начинает воспринимать силу ветра, преобразовывая ее во вращение маховика 7 (повороты рабочего крыла показывает диаграмма на фиг. 3). Такие повороты из стороны в сторону рабочего крыла напоминают работу руля направления в аэродинамике. При увеличении скорости (силы) ветра контроллер управления посылает сигнал на червячный привод 9 эксцентрика 20, чтобы уменьшить амплитуду колебаний рабочего крыла 1 и повысить число оборотов маховика 7. Механический привод 17 сконструирован таким образом, что при увеличении оборотов вала 11 автомат перекоса 15 плавно уменьшает шаг поворотов рабочего крыла 1 (как показано на диаграмме фиг. 4). При увеличении скорости (силы) ветра до критической контроллер управления при помощи червячного привода 9 поворачивает эксцентрик 20 маховика 7 в положение А, чтобы уменьшить амплитуду колебаний рабочего крыла 1 до 0° (как показано на диаграмме фиг. 5), так как в этом положении шатун 8 остается неподвижен из-за совпадения положения А эксцентрика 20 с центром вала 11. Рабочее крыло 1 остановилось полностью, удерживаемое неподвижно шатуном 8 и автоматом перекоса 15, а маховик 7 может вращаться по инерции и не создавать ударов в механизмах устройства. При понижении скорости (силы) ветра до расчетной контроллер управления подает сигнал на червячный привод 9 эксцентрика 20, выводя эксцентрик 20 из положения А, что дает механическую свободу маятнику 4. Так как сила ветра очень большая, рабочему крылу 1 удается раскрутить маховик до максимальных оборотов при малом плече усилия. При дальнейшем затухании силы ветра описанная работа устройства происходит в обратном порядке.
Такие колебания рабочего крыла 1 напоминают движения плавника у рыб в воде или движения крыла птиц в воздухе.
При таких колебаниях рабочего крыла в потоке воздуха ветер не срывается с него, как в случае с лопастью винта самолета, а действует на рабочее крыло как на парус корабля в море совершенно беззвучно.
Сопоставимый анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что оно отличается от известного тем, что:
- колебания рабочего крыла совершаются поперек направления потока, а не совпадают с ним по направлению, что повышает производительность на малых скоростях потока,
- устройство имеет возможность заводить рабочее крыло в поток среды под любым углом к направлению силы тяжести (сверху, снизу, сбоку…),
- в конструкции участвует надежная система управления углами атаки рабочего крыла - автомат перекоса (устанавливается на все вертолеты),
- наличие рамы создает возможность компактного использования любых систем контроля, анализа, управления и трансформации процессов при работе устройства,
- универсальность позволяет заменить рабочее крыло и использовать устройство мобильно (в других условиях и средах),
- конструктивное решение устройства позволяет его эксплуатацию в любых климатических условиях,
- распределение масс в устройстве позволяет его эксплуатацию в ветроэнергетике без использования мачты (например, установив устройство на автокран вместо кабины крана и стрелы на его опорно-поворотную платформу).
В результате решения поставленной технической задачи достигается технический результат - создание надежного и высокопроизводительного в эксплуатации мобильного ветрогенератора с возможностью его установки на автомобиле или на корабле.