СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ИЛИ ВОДНЫХ ПОТОКОВ И ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONVERT ENERGY OF AIR OR WATER FLOW CURRENTS AND POWER PLANT FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэнергетических или в гидроэнергетических установках для выработки электроэнергии или для выполнения механической работы [F03B 3/12, F03B 7/00, F03B 3/02].
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 является патент на преобразователь энергии ветра [RU 2380569, F03D 05/06, опубл. 2010] в электрическую энергию, содержащий летательный аппарат с удерживающем тросом, рабочий орган, совершающий возвратно-поступательные движения, и механизм, производящий полезную работу, отличающийся тем, что летательный аппарат выполнен в виде тела легче воздуха с аэродинамическим профилем и имеет нижнюю сферическую и плоскую верхнюю поверхности, с нижней стороны летательный аппарат сочленен с тросом с помощью трех, расходящихся от троса, лееров, в нижней части трос проходит через жестко закрепленный воронкообразный приемник с расширяющейся частью, обращенной к летательному аппарату, ниже воронкообразного приемника трос сочленен с лебедкой, рабочий орган и механизм, производящий полезную работу, выполнены в виде электрического генератора с поступательным движением якоря, сочлененным с тросом ниже воронкообразного приемника с помощью зажима и пружины сжатия-растяжения, при этом пружина сжатия-растяжения нижним концом жестко соединена с неподвижной поверхностью.
Недостатком решения является то, что параметры колебаний ЛА (летательного аппарата) не регулируемые. Возникают (якобы) спонтанно из-за изменения скорости ветра. В результате автоколебания с заданными параметрами не обеспечиваются.
Аэродинамическая сила, действующая на ЛА мало меняется (если предположить, что меняется), так как ЛА почти шарообразный. Положительная работа, как разность работ прямого и обратного хода, незначительна, что обеспечивает малый КПД.
Нет условий для возникновения автоколебаний, так как нет обратной связи.
Задачей данного изобретения является создание преобразователя энергии ветра, имеющего относительно простую конструкцию, более надежного, чем прототип, и способного преобразовывать энергию ветра с большей эффективностью для генерации электричества или выполнения механической работы.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, снижении металлоемкости, повышении технологичности и, как следствие, резком снижении удельной стоимости вырабатываемого кВт*часа электроэнергии.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, характеризующийся использованием пружины, с которой стропой через подвижную ось кинематически связывают веденное в поток крыло или аэродинамический профиль, отличающийся тем, что крыло или аэродинамический профиль связывают с пружиной стропой, причем непосредственно у крыла стропу оснащают вспомогательными задней и передней стропами (уздечками), которыми ограничивают угол атаки от минимального до максимального положения посредством перемещения оси относительно центра приложения сил, создавая крутящий момент, который в свою очередь приводит к изменению угла атаки и натяжения стропы.
Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, содержащая пружину, с которой кинематически связано веденное в поток по направлению его движения крыло или аэродинамический профиль, отличающаяся тем, что крыло или аэродинамический профиль связано с этой пружиной стропой, которая в непосредственной близости от крыла имеет дополнительные короткие стропы (уздечки), выполненные с возможностью ограничения угла атаки крыла в заданном диапазоне, также содержит устройство управления углом атаки, выполненное с возможностью менять угол атаки крыла от минимального к максимальному, перемещая при помощи уздечек ось крепления основной стропы относительно центра приложения аэродинамических сил, и обеспечивая таким образом возникновение автоколебаний.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Отличительными особенностями изобретения в сравнении с прототипом состоят в следующем.
Параметры колебаний ЛА (летательного аппарата) определяются геометрическими характеристиками крыла и могут меняться, например, длиной уздечек. Это надежно обеспечивает автоколебания с заданными параметрами, чего нет в прототипе.
Разность аэродинамических сил прямого (рабочего) хода с большим углом атаки резко отличается от обратного хода с малым углом атаки. Т.е. двигаться против ветра ребром или всей плоскостью это большая разница. Таким образом, положительная работа, как разность работ прямого и обратного хода значительно выше, чем в прототипе, что обеспечивает значительно больший КПД.
Управление крылом происходит за счет изменения положения оси крепления центральной стропы вокруг центра приложения сил. Ось крепления стропы к крылу перемещается в пазу при помощи уздечек перекинутых через ролики на крыле и присоединенных к той же оси.
Изобретение 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 аэродинамического профиля в виде воздушного змея, где 1 - крыло (аэродинамический профиль, воздушный змей), 2 - устройство управления углом атаки (УУУА) жестко соединенное с крылом (воздушным змеем) в центре приложения аэродинамических сил, 3 - распорка, 4 - стропа, 5 - передняя уздечка, 6 - задняя уздечка, 7 - шарнир соединения стропы с пружиной, 8 - пружина.
На Фиг.2 изображено устройство управления углом атаки (УУУА). Неустойчивое нейтральное положение. Любая девиация любого параметра приводит к резкому изменению угла атаки в ту или другую сторону, где 9 - рама, 10 - прорезь в раме, 11 - свободно перемещающаяся в прорези ось, к которой подвижно крепятся и стропа и уздечки, 12 передний ролик, через который перекинута передняя уздечка (5), 13 задний ролик, через который перекинута задняя уздечка (6).
Фиг.3. Произошло внешнее возмущение. Например, в нижней половине крыла подул немного более сильный ветер. Возник вращающий момент против часовой стрелки. Нижняя уздечка через некоторый угол поворота натянется и потянет вправо-вниз ось с прикрепленной к ней стропой.
Фиг.4. В точке прикрепления уздечек к отремте возникнет излом из-за силы натяжения уздечки. И как только эта малейшая сила натяжения уздечки возникнет, так сразу же ось поедет вправо. Так как. справа на нее действует натяжение уздечки, а слева «опавшая» уздечка «не тянет». Ось будет двигаться вправо до исчезновения крутящего момента (не обязательно крайнее, а, может быть, и промежуточное местоположение в щели), но крыло по инерции будет продолжать вращение по часовой стрелке, пока ось не упрется в ограничитель. А может вообще не дойти до ограничителя, так как вращающий момент начинает действовать в противоположную сторону. Момент начала вращения в обратную сторону зависит от многих исходных данных.
Фиг.5. Тупик, ось уперлась в край прорези. Это минимальный угол атаки. Движение против часовой стрелки прекратилось. Площадь крыла перед осью крепления оказалась больше, чем ссади. Момент действует по часовой стрелке, начинается аналогичный процесс, но уже по часовой стрелке.
Фиг.6. Крыло движется по часовой стрелке сначала из-за того, что центр приложения аэродинамических сил оказался перед осью крепления, а потом еще и по инерции до положения максимального угла атаки, хотя уже возник противодействующий момент. Нижняя задняя уздечка расслаблена.
Дальше процесс будет повторяться. Параметры автоколебаний будут зависеть от множества исходных данных, в частности от геометрических размеров (длины уздечек, размера прорези и т.д.). Этими же геометрическими параметрами можно изменять параметры автоколебаний (длительность, период, частоту и даже форму меандра).
Сила натяжения стропы при максимальном угле атаки будет больше, чем при минимальном. Поэтому в один полупериод стропа будет тянуть сильнее, чем во второй.
Фиг.7. Показана аналогичная работа энергоустановки в водном потоке, где 14 - направляющие ролики, 15 - поплавок для задания нужной глубины, 16 - якорь, 17 - заякоренная неподвижная баржа.
Изобретение обеспечивает преобразование колебательных движений крыла в колебания силы натяжения стропы, которые возможно использовать для выполнения механической работы (например, приводить в действие насос) или преобразовывать в электрическую энергию при минимальной материалоемкости и при максимальной простоте и надежности конструкции энергоустановки.
Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков (Фиг.1) пружину 8, с которым кинематически связано веденное в поток крыло 1 или аэродинамический профиль. Возможно использование надувного крыла легче воздуха.
Крыло 1 (или аэродинамический профиль) связано с пружиной 8 стропой 4, причем стропа прикреплена к подвижной оси, которая может свободно перемещаться около точки приложения аэродинамических сил в прорези 10 (Фиг.2), создавая через уздечки 5 и 6 (Фиг.2) положительную обратную связь и, обеспечивая таким образом условия для возникновения автоколебаний всей системы.
Таким образом, при максимальном угле атаки сила натяжения стропы будет максимальной, а при минимальном угле атаки сила натяжения стропы будет минимальной Точка «А» в шарнире кропления стропы к пружине будет также иметь автоколебания, которые можно использовать для получения механической работы или дальнейшего преобразования в электроэнергию.
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.