СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
METHOD AND APPARATUS FOR GENERATION OF ELECTRIC POWER

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства электроэнергии на воздушных и водных потоках. Изобретение использует в качестве энергоносителя ветровой или водный поток переменной скорости, при этом позволяет делать электростанцию очень эффективной, лёгкой и недорогой.
На данный момент времени ветроэнергетические установки делают с ветроколёсами большого диаметра до 100 м и более, которые через редуктор раскручивают ротор генератора значительно меньшего диаметра, не превышающего 1÷2 м. Такая схема выработки электроэнергии обладает очень низким КПД, за счет потерь энергии на трение.
Мощность, вырабатываемая генератором за счет потока ветра или воды, равна:
P = F ∙ ρ ∙ V3/2,
2
3
где Р – вырабатываемая мощность Вт;  F – площадь сечения потока, проходящего через турбину, м;  ρ – плотность потока вещества, проходящего через турбину, кг/м;  V – скорость потока вещества, проходящего через турбину, м/с.
Для выработки большего количества электроэнергии можно увеличить площадь турбины или увеличить плотность потока, но наибольший рост мощности связан с увеличением скорости потока. Чтобы доказать на практике эффективность увеличения скорости потока был предложен способ создания “Ускорителей потока”.
В качестве аналога технического решения является способ производства электроэнергии [1] (А.Е. Волков – Патент РФ, RU 2348831, C2 F03D 11/00, 26.012.2007 г.), названный Парашютный захват. Для увеличения скорости ветра было предложено увеличить площадь захвата ветрового потока с целью его концентрации на ветротурбине. Турбина была установлена в узкой части сопла, в месте перехода конфузора в диффузор. Созданная новая электростанция позволила определить на практике эффективность применения ускорителя ветрового потока. При всей массе конструкции ветроэлектростанции равной 10 кг, при ветре 8 м/сек выработка электроэнергии достигала 1 КВт. Первые испытания, проведенные в мае 2007 г. в г. Нижняя Салда, показали, что ветростанция может работать на ветре 2,5÷3,5м/с. При такой скорости мачтовые ветростанции не работают. Для изготовления ускорителя в виде сопла не требуется больших затрат, так как он может быть создан из ткани. В отличие от классических ветростанций отпадает необходимость строительства высотных башен, использования редукторов и механизмов поворота конструкции под ветер. Испытания ветроэлектростанции с Ускорителем потока были проведены с использованием распространенного серийного генератора Air-X разработки США, стоимость которого достигала 1000 $. Главный недостаток серийного генератора, это невозможность работать выше скорости 12,5 м/сек, по превышению которой включается автоматическое торможение. Используя ускорители потока, способные увеличивать обычную скорость ветра в два, три, четыре и более раза, стандартные генераторы становятся непригодными.
Генератор Air-x с ускорителем потока был испытан на реке, где скорость воды  достигла 0,5 м/сек, но и там этот генератор оказался непригодным, так как не позволял разгонять ротор.
Таким образом, возникла проблема создания нового генератора, использующего ускоритель для разгона потока до высоких скоростей и использующего ротор по диаметру превышающий диаметр винта  [2] (Ю.А. Кулик – Электрические машины, - М.: Из-во “Высшая школа”, 1996 г., стр. 36).  Величина э.д.с., индуктируемая генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами и частоте вращения ротора n:
E = CФn,
где C - постоянный коэффициент, учитывающий число витков обмотки якоря, число пар полюсов и другие постоянные величины.
Э.д.с. Eс одного активного проводника длиной l и индукцией B равна: ,
где Дa – внешний диаметр ротора.
[3]. (С.А. Мусский – Сто великих чудес техники – М.: Из-во “Вече”, 2003 г., стр.33÷35). Мощность, вырабатываемая генератором, пропорционально зависит от частоты вращения и диаметра ротора, то есть от линейной скорости перемещения полюсов ротора, относительно зубцов статора.
В качестве прототипа предложен способ и устройство производства электроэнергии [4] (Изобретение по GB 2502779 А, 11.12.2013, F03B17/06, с.3-5, фиг.21-33, всего в документе 15 страниц).  Из уровня техники известен способ производства электроэнергии методом захвата воздушных и водных потоков заключающийся в том, что ускорение вращения рабочих лопаток 10 винта 8 и магнитных полюсов 38 ротора 36 относительно статора 39 осуществляют за счет потока ветра или воды, ускоренного ускорителем потока являющегося соплом, состоящим из конфузора 2 и диффузора 3, при этом увеличение скорости вращения винта 8 производится за счет его размещения в критическом сечении сопла, а полюса 38 ротора 36 приобретают дополнительную скорость за счет их жесткого крепления и размещения за винтом 8, внутри корпуса ускорителя потока, таким образом, создается схема выработки электроэнергии, где минимальное количество механизмов - вращающийся винт 8 с ротором и стационарный статор 39 с корпусом, который одновременно выполняет функцию захвата и ускорителя потока, ротор 36 и статор 39 имеют диаметр, превышающий диаметр ускорителя, тем самым позволяя вырабатывать большее количество электроэнергии.
[5]. (Б.В. Зубков, С.В. Чумаков – Энциклопедический словарь юного техника – М.: Из-во “Педагогика”, 1988 г., стр.87). Лопасти турбины вращает воздух, а не вода, поэтому пропорционально плотности воздуха, которая меньше, примерно, в 775 раз плотности воды, данный прототип вырабатывает с той же площади меньшее количество электроэнергии. Таким образом, схема, имея две ступени преобразования энергии, имеет низкий КПД по выработке электроэнергии.
Задачей изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счёт более полной выработки электроэнергии с воздушного или водного потока, имеющего переменную скорость, снижение стоимости электростанций, повышение эффективности и снижение общей массы электростанции.
Поставленная задача достигается тем, что в способе производства электроэнергии методом захвата воздушных и/или водных потоков, заключающемся в том, что ускорение вращения рабочих лопаток винта и магнитных полюсов по меньшей мере одного ротора относительно статора осуществляют за счет потока ветра и/или воды, ускоренного ускорителем потока являющегося соплом, состоящим из конфузора и диффузора, при этом винт размещают в критическом сечении сопла, а полюса ротора закрепляют за винтом, диаметры ротора и статора выполняют превышающими диаметр ускорителя, согласно изобретению, ротор  и статор размещают  за корпусом ускорителя в отдельном внешнем корпусе, который закрепляют стойками на жестком корпусе ускорителя, при этом вращение ротору передают через ось, закрепленную на оси винта.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для производства электроэнергии из воздушных и/или водных потоков, содержащем ускоритель потока, выполненный в виде сопла, состоящего из конффузора и диффузора, механизмов в виде осей, подшипников, обтекателя, лопастей винта, преобразующих движение потока во вращение ротора относительно статора, составляющих генератор, при этом ускоритель представляет из себя жесткий корпус, всей площадью захватывающий неускоренный поток с возможностью его ускорения  в критической части сопла, в которой на оси размещен винт, за которым закрепляют полюса ротора, обтекатель закреплен на корпусе укорителя, а диаметры ротора и статора превышают диаметр ускорителя, согласно изобретению, устройство снабжено муфтами сцепления, направляющими и выправляющими аппаратами, причем винт размещен на оси, закрепленной в подшипниках, удерживаемых в обтекателе, закрепленном через лопасти направляющего и выправляющего аппаратов на корпусе ускорителя, а ротор и статор размещены за корпусом ускорителя в отдельном внешнем корпусе, закрепленном стойками на жестком корпусе ускорителя, при этом вращение ротору передается через ось, закрепленную на оси винта.
Винт установлен с возможностью раскручивания в разные стороны одного или нескольких роторов за счет муфт сцепления, а лопасти винта и лопасти направляющего и выправляющего аппаратов снабжены механизмами поворота для изменения угла наклона в зависимости от изменения скорости потока.
Ось установлена во втулке с манжетным уплотнением для предотвращения попадания воды на ротор и статор.
Ось выполнена мягкой с возможностью плавной передачи энергии вращения ротору от винта.
Ось снабжена муфтой сцепления с возможностью подключения и отключения от ротора.
Муфта сцепления выполнена с возможностью включения за счет компьютерной программы, которая за счет датчиков слежения за скоростью потока улавливает наиболее скоростной поток, не реагируя на низкоскоростные потоки.
Устройство снабжено дополнительными гибкими и мягкими конфузором и диффузором, выполненными в виде дополнительного сопла и превышающими по площади жесткий корпус ускорителя.
Предложенный способ реализует электростанция, представленная на фиг.1. Установка включает жесткий корпус ускорителя потока 1, выполненный в виде сужающегося и расширяющегося сопла, то есть конфузора и диффузора. К корпусу ускорителя через лопатки направляющего аппарата 2 и выправляющего аппарата 3 крепится обтекатель 4, который удерживает подшипники 5, где вращается ось 6, с закрепленными на ней лопастями винта 7. К вершинам лопастей винта крепятся штыри 8, которые удерживают ротор 9, размещенный в статоре 10. Таким образом, конструкция жесткого корпуса ускорителя является одновременно корпусом, где размещен генератор, при этом диаметр ротора превышает диаметр винта, но не превышает внутренний диаметр корпуса. На фиг.2 статор размещен внутри ротора. На фиг.3 показан вариант, который снабжен муфтой сцепления 11, диском 12, вторым статором 13 и вторым ротором 14. Этот вариант предназначен для выработки электроэнергии с потока ветра или воды, скорость которого изменяется в более широком диапазоне. По данной схеме внутри корпуса ускорителя возможно разместить более двух роторов, которые по мере увеличения скорости потока за счет муфт сцепления подключаются к винту или отключаются от него. Диаметр ротора может быть больше диаметра статора и наоборот. Зная в определенной местности диапазон скоростей ветра или воды, возможно, выбрать оптимальное количество роторов и статоров, которые будут вырабатывать электроэнергию. Электростанция может быть снабжена датчиками определения скорости потока в зависимости, от которой идет подключение - отключение роторов. Схема, предложенная для выработки электроэнергии, достаточно универсальная и может использоваться в различных модификациях электростанций.
На данный момент времени, наиболее сложно идет освоение выработки электроэнергии из морских волн. Проблема осложняется тем, что волна несет переменный по скорости поток, который меняет свое направление. При этом плотность энергии, запасенная в волнах, одна из самых высоких. На современных волновых электростанциях в основном преобразование энергии происходит за счет колебательных движений корпуса волнового генератора, где внутри конструкции расположен пружинный маятник или гидроцилиндр. Низкий КПД, разрабатываемых на Западе волновых электростанций, связан с потерей энергии на трение, так как они используют множество ступеней и механизмов. В связи с этим, наиболее целесообразно раскрыть сущность изобретения на схеме работы волновой или ветровой электростанции, использующих ускоритель потока и новую схему работы турбины.
На фиг.4 показан вариант волновой электростанции, использующей генератор, установленный в корпусе ускорителя потока, где два или более ротора размещены за несущим винтом. Эта волновая электростанция работает на вертикальной волне, ускоренной жестким корпусом ускорителя потока 1. Поток воды приводит во вращение винт 7, на котором размещены роторы 9 генератора. Корпус ускорителя закреплен на тросах 15 (или жестких стойках) и удерживается на стационарном регулируемом расстоянии относительно грунта за счет механизмов перемещения 16. Троса крепятся на якоря 17 и удерживают корпус, который легче воды. Вертикальный поток ускоряется за счет внутренней конфигурации корпуса, до максимальной скорости в узкой части сопла, раскручивая винт попеременно то в одну, то в другую сторону заставляя вращаться ротор в генераторе, что позволяет производить электроэнергию. Винт в одну и другую сторону может раскручивать один ротор или сразу несколько роторов, за счет их подключения через муфты сцепления. Поэтому производство электроэнергии возможно вести на оптимальных режимах, в зависимости от высоты волны. Для снижения потерь на трение в схеме отсутствуют механизмы и шестерни в виде редукторов, винт непосредственно предает движение на ротор. Все ротора работают от одного винта. Лопасти винта и лопасти направляющего, и выправляющего аппаратов могут быть снабжены механизмами поворота, то есть изменения угла наклона лопастей в зависимости от изменения скорости потока. Для вращения ротора только в одну сторону, возможно применение механизма изменения угла наклона лопастей, которые могут разворачиваться на 180°. Ротора имеют различный момент инерции, что позволяет при увеличении амплитуды волны и частоты вращения винта в систему вращения подключать большее количество роторов с большим моментом инерции. При уменьшении амплитуды волны и оборотов вращения винта система позволяет отключать ротора с большим моментом инерции за счет муфт сцепления. Для снижения трения ротора и их крепежа при вращении внутри корпуса ускорителя, путем накачки за счет насосов может создаваться газовая среда, которая за счет скользящих манжетных уплотнений 18, отделяется от воды.
С целью увеличения эффективности волновой электростанции фиг.5 ротор 9, возможно, делать больше внешнего диаметра корпуса ускорителя потока 1. Для этого ротор 9, возможно, вынести выше корпуса ускорителя потока 1 и вместе со статором разместить в отдельном внешнем корпусе 19 над корпусом ускорителя потока 1. Вращение ротору будет передаваться через ось 20 закрепленную на оси винта 7. Данная схема позволит снизить массу вращающихся деталей, так как ротор будет вращаться в воздухе. Длинная ось 20 установлена во втулке 21 с манжетным уплотнением 18, которая предотвращает попадание воды на ротор и статор. Внешний корпус 19, крепится на корпус ускорителя потока 1 за счет стоек 22.
Ось может быть, как жесткой, так и мягкой, типа резинового жгута, гибкой сцепки или пружины. Мягкая ось позволяет плавно передавать энергию вращения ротору от винта и накапливать энергию, обеспечивая более длительное и плавное вращение ротора. Ось может быть снабжена муфтой сцепления, которая включается и отключается по мере надобности. При вращении винта она подключается к ротору, при остановке отключается, позволяя ротору продолжать вращаться по инерции. Ось одновременно может быть гибкой и снабжаться муфтой сцепления. Муфта может быть особенно полезной при работе на волновой электростанции, где амплитуда, а значит скорость потока, не одинаковы и постоянны. Муфта может включаться по компьютерной программе, управляемой с помощью датчиков слежения за частотой волны и скоростью потока, выбирая определенные моменты включения - отключения ротора от винта. Тем самым, возможно, подобрать оптимальный режим выработки электроэнергии.
Другим применением для практического использования новой схемы могут быть электростанции с ускорителем потока, где основную функцию по ускорению потока играют готовые природные препятствия, здания или сооружения, которые за счет большой площади ускоряют поток ветра, особенно на узких участках угловых стыков. Для практического использования, предлагается конструкция секционной линейной электростанции, которая размещается на угловых стыках плоскостей естественных преград или архитектурных сооружений. На фиг.6 изображена конструкция секционной линейной ветротурбины, установленной в жесткий корпус ускорителя потока 1, с размещенным по центру винтом 7 с закрепленным снаружи ротором 9 в статоре 10, установленных внутри корпуса. Винт в корпусе удерживается лопастями направляющего 2 и выправляющего 3 аппаратов, которые крепятся к обтекателю 4, где размещены подшипники и ось с винтом.
Для новой схемы с генератором, размещенным в жестком корпусе ускорителя потока, особый интерес представляют электростанции использующие потоки ветра, потоки речных и морских течений, которые применяют дополнительный гибкий и мягкий конфузор и диффузор, что позволяет значительно увеличить площадь захвата потока ускорителем и площадь диффузора. Конструкция этой установки, изображенной на фиг.7, так же включает жесткий корпус ускорителя потока 1, усиленный дополнительным мягким конфузором 23 и диффузором 24. К жесткому корпусу ускорителя, как и на уже показанной схеме фиг.1 через лопатки направляющего аппарата и выправляющего аппарата крепится обтекатель, который удерживает подшипники, где вращается ось с закрепленными на ней лопастями винта, которые удерживают ротор или ротора. Этот вариант предназначен для выработки электроэнергии с потока ветра или воды, скорость которого необходимо значительно увеличить. Эти станции будут особенно эффективны для ускорения потоков морских течений или для ускорения потоков ветра в северных широтах, что позволит вырабатывать очень большую мощность. По данной схеме внутри жесткого корпуса ускорителя возможно разместить более двух роторов, которые по мере увеличения скорости потока за счет муфт сцепления подключаются к винту или отключаются от него. Якорь 17 служит местом крепления всей электростанции и поворотной осью, удерживая станцию на тросах 15. От якоря возможно протянуть к месту потребления энергии трос-кабель, который соединяется на противоположном конце с генератором. Трос-кабель может совмещать в себе функции крепёжного устройства и кабеля. Мягкие конфузор и диффузор, которые выполнены в виде дополнительного сопла для увеличения площади жесткого корпуса ускорителя, снабжены каркасными кольцами, для того чтобы как можно больше захватывать ветровой или водный поток. Основное предназначение каркасных колец, это удержание конфузора и диффузора в развёрнутом состоянии в момент падения скорости потока, каркасные кольца могут быть как поперечными, так и продольными.
[5]. (И.Е. Идельчик. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.; Машиностроение, 1992, стр. 251). Для того чтобы предохранять электростанцию, использующую дополнительный конфузор и диффузор от разрушения при очень сильных потоках ветра и воды, надо закрывать конфузор. Для того чтобы предохранять гидростанцию от разрушения при столкновении с льдинами, кораблями или другими подобными объектами, необходимо её опускать или отводить в сторону.
Все типы электростанций, изображенные на фиг.4, 5, 6, 7 используют жесткий корпус ускорителя потока, в котором по центру в критической части сопла размещен винт, за внешним диаметром которого, непосредственно на винте крепится ротор, вращающийся внутри или снаружи статора, которые крепятся внутри или снаружи корпуса ускорителя. Для увеличения производительности электроэнергии, электростанция может конструироваться из нескольких жестких корпусов ускорителей, которые могут вплотную друг к другу смыкаться в плоскости, смыкаться по линии или использовать дополнительные гибкие диффузоры и конфузоры, для захвата большего по площади потока.
Предлагается схема создания электростанций, содержащая ускоритель потока с генератором внутри или с наружи корпуса и винтом, размещенным по центру, вокруг которого в одной или различных плоскостях размещен ротор. Электростанция будет иметь высокий КПД, низкую стоимость и высокую производительность. Поэтому данное изобретение будет полезно при производстве электроэнергии.