РОТОРНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
ROTOR-TYPE WINDMILL OF SURFACE VEHICLE

Роторная ветроэнергетическая установка наземного транспортного средства (далее РВЭУ НТС), относится к возобновляемым источникам энергии и предназначена для выработки электрической энергии, используя скоростной напор ветра, возникающего при движении автомобильного и железнодорожного транспортных средств.
Известны типовые конструкции ветроэнергетических установок (далее ВЭУ) [1; 2], среди которых был выбран ветродвигатель роторного типа как более компактный и технологически пригодный для установки на наземное транспортное средство (далее НТС).
Известно изобретение [3], содержащее роторно-крыльчатый ветродвигатель, агрегаты которого размещены на кузове, автомобильное стекло и капот выполняют функцию воздушного коллектора, электрогенератор соединен с ветродвигателем через клиноременную передачу. Получаемая электроэнергия идет на привод тягового электродвигателя или на зарядку аккумуляторной батареи. Основным недостатком этого изобретения является громоздкость конструкции, большая сила сопротивления при движении, значительные потери на двухступенчатую передачу вращательного движения на генератор и электрические на тяговом двигателе, которые в сумме составят КПД 0,55-0,60.
Известна ветросиловая установка транспортного средства [4], содержащая расположенный внутри кузова транспортного средства конфузорный воздухозаборник и установленное на его выходе ветроколесо, кинематически связанное с ротором электрогенератора, который, в свою очередь, связан с электродвигателем; аккумуляторы, заряжающиеся от электрогенератора. Транспортное средство осуществляет движение непосредственно от ветроколеса или от электродвигателя через муфту на движитель. Воздухозаборник размещен так, чтобы подавать воздух под днище кузова в районе заднего моста для создания воздушной подушки. Недостатком этого изобретения является недостаточная мощность роторного ветродвигателя для обеспечения качественного движения транспортного двигателя и создания воздушной подушки, способной значительно разгрузить задний мост транспортного средства, кроме того, воздухозаборник не защищен от попадания на ротор ветродвигателя посторонних предметов. Следует отметить, что роторные ветродвигатели имеют КПД использования энергии набегающего потока воздуха не более 0,2, а создание воздушной подушки требует закрытого объема с узкой щелью для выхода воздуха.
Известна ветросиловая установка транспортного средства [5], содержащая ветроколесо, соединенное с ротором электрогенератора, выполненного в виде многолопастного воздушного винта, установленного на входе профилированного канала, который расположен внутри лобового обтекателя; профилированную насадку и дефлекторы. Основным недостатком данного изобретения является тот факт, что ветролопасть выполняет функцию превращения энергии набегающего потока воздуха в крутящий момент и имеет аэродинамический профиль крыла, а воздушный винт предназначен для создания осевой тяги за счет его крутящего момента, создаваемого двигателем, поэтому создать мощность 1410 Вт при заявленных размерах воздушного винта весьма сомнительно. Применяемая одноступенчатая передача крутящего момента от ветросиловой установки к генератору приводит к потере КПД ветросиловой установки.
Известно изобретение [6], содержащее два ветродвигателя, расположенных в передней части двигательного отсека и кинематически связанных с генератором автомобиля, который заряжает аккумуляторную батарею во время движения автомобиля. Недостатком данного изобретения является малая мощность ветродвигателей, учитывая незначительную площадь, ометаемую ветролопастями, кроме того, зарядка аккумуляторов начнется при скорости движения автомобиля более 70 км/ч.
Известно изобретение [7], содержащее конфузор, расположенный в передней части автомобиля, в конце которого размещаются две горизонтальные турбины, вращающиеся под действием набегающего потока воздуха при движении автомобиля. Турбины через систему механических передач передают вращающий момент на два генератора, которые вырабатывают электроэнергию, используемую для двигателя привода колес или зарядки аккумуляторных батарей. Основным недостатком изобретения является тот факт, что большие потери в механической передаче в значительной степени снизят КПД всей установки, а надежность движения автомобиля реально не обеспечивается.
Известно изобретение [8], содержащее входной конфузор, расположенный в передней части автомобиля; два ротора, вращающихся встречно, которые передают энергию ветра через двухступенчатую механическую передачу на генераторы электрического тока, электрически связанные двигателем привода на колеса автомобиля. Основным недостатком этого изобретения является малая мощность ветротурбин, большие потери в механических передачах и электрических устройствах, что в конечном итоге составит КПД не более 0,5. Качественного движения автомобиля в этом случае получить сложно.
Известно изобретение [9], содержащее конфузор, который расположен сверху на кузове автомобиля; ветротурбину, соосно соединенную с генератором и размещенную на выходе из конфузора; колесо-генератор, закрепленный в задней части кузова; аккумуляторные батареи, электрически связанные с электродвигателем привода колес автомобиля. Основным недостатком данного изобретения является несбалансированность получаемой и расходуемой электрической энергии, т.е. если учитывать потери при движении на сопротивление в конфузоре и колесе-генераторе, трудно получить необходимую мощность для достаточной зарядки аккумуляторов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является автомобильно-водительский ветрогенератор [10], содержащий ветровые лопасти, генератор, элементы крепления, коническую насадку, козырек над кабиной, аккумуляторные батареи. Рассматриваемое изобретение вызывает серьезные сомнения достаточности мощности ветродвигателя для длительного самодвижения, не говоря об излишках электроэнергии, о которой говорится в описании, кроме того, сопротивление элементов конструкции набегающему потоку воздуха при движении автомобиля будет значимым при расчете аэродинамических сил сопротивления. Описанное изобретение принято за прототип.
Техническая задача изобретения: уменьшить, а в некоторых случаях исключить выработку генераторами НТС электроэнергии традиционным способом за счет применения РВЭУ НТС, использующей энергию набегающего потока воздуха, возникающего при движении НТС, для технических и потребительских целей.
Предлагаемая РВЭУ НТС содержит воздушный полый обтекатель, устанавливаемый под углом 45° над кабиной автомобиля или передней части вагона железнодорожного состава по ходу движения, внутри которого расположен криволинейный конфузор, служащий для усиления скорости и направления набегающего потока воздуха в криволинейные конфузоры ротора ветродвигателя; плоскую защитную заслонку для перекрытия, в необходимых случаях, набегающего потока воздуха во входное прямолинейное отверстие криволинейного конфузора полого обтекателя; ветродвигатель роторного типа, состоящий не менее чем из четырех криволинейных лопастей аэродинамического профиля, которые образуют не менее чем два криволинейных конфузора; два МЭГ с роторами-маховиками, расположенных по бокам на валу ветродвигателя роторного типа; магниты переменной полярности, расположенные на периферии с двух сторон роторов-маховиков; две обгонные муфты, связывающие вал ветродвигателя с ротор-маховиками МЭГ, корпус ротор-маховика, где на внутренней стороне напротив магнитов расположены катушки обмоток; составной защитный кожух, состоящий из малого и большого защитного кожуха с шестерней; ветродвигатель роторного типа; микродвигатель с шестерней; инвертор, электрически связанный с МЭГ; механические защелки составного защитного кожуха; механическая защелка плоской защитной заслонки; микровыключатели; аккумуляторные батареи и пульт управления.
Отличительными признаками заявленного изобретения являются наличие РВЭУ, устанавливаемой в горизонтальном положении на передней, средней или задней части крыши кузова автомобиля или железнодорожного вагона; ротор ветродвигателя имеет ветролопасти-конфузоры аэродинамического профиля; наличие полого обтекателя с криволинейным конфузором, который обеспечивает направление воздушного потока под углом 45° к оси ротора, ветродвигателя; наличие двух МЭГ, соосно закрепленных на валу ротора ветродвигателя; выполнение ротора МЭГ в виде ротор-маховиков; расположение магнитов по периферии внешней стороны роторов-маховиков; расположение катушек обмоток на внутренней стороне корпуса МЭГ напротив магнитов ротора-маховика с двух сторон; возможностью опускать полую часть конфузора в нерабочее положение и обеспечивать уменьшение лобового сопротивления при движении автомобиля; возможность выработки электроэнергии при опущенном полом обтекателе.
Эффективное использование энергии набегающего потока воздуха, возникающего при движении НТС, обеспечивается тем, что конструкция ротора ветродвигателя содержит криволинейные лопасти аэродинамического профиля, образующие не менее чем два криволинейных конфузора, а активная часть площади ротора ВЭУ, воспринимающая энергию набегающего потока воздуха, составляет 75% только для роторов ВЭУ, расположенных на крыше в передней части закрытого кузова автомобиля или железнодорожного вагона по ходу движения; воздушный полый обтекатель содержит криволинейный конфузор, увеличивающий скорость набегающего воздуха на входе в криволинейные конфузоры ротора ВЭУ не менее чем в 1,8 раза, а криволинейные конфузоры ротора ВЭУ увеличивают скорость воздушного потока еще в 1,5 раза, этот поток воздуха воздействует на следующую криволинейную лопасть аэродинамического профиля, увеличивая крутящий момент, при этом коэффициент использования энергии ветра становится соизмеримым с лопастными ветродвигателями и составляет 0,35-0,37.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
Фиг.1 - общий вид большегрузного автомобиля с полым обтекателем и вариантами расположения РВЭУ на крыше закрытого кузова;
Фиг.2 - общий вид большегрузного автомобиля с полым обтекателем и вариантами расположения РВЭУ на крыше закрытого кузова - вид сверху;
Фиг.3 - общий вид железнодорожных вагонов рефрижератора и пассажирского с вариантами расположения РВЭУ на их крышах;
Фиг.4 - разрез РВЭУ;
Фиг.5 - расположение криволинейных лопастей аэродинамической формы и образованные ими поверхности криволинейных конфузоров в конструкции ротора ВЭУ;
Фиг.6 - расположение магнитов на роторе-маховике;
Фиг.7 - составные защитные заслонки РВЭУ - вид сбоку.
Сущность изобретения состоит в эффективном использовании энергии набегающего потока воздуха, возникающего при движении НТС, в виде электрической энергии, которая вырабатывается магнитоэлектрическим генератором (далее МЭГ) и запасается в электрических аккумуляторных батареях, а также в виде механической энергии вращательного движения роторов-маховиков МЭГ с возможностью его преобразования в электрическую энергию в случаях, когда НТС движется с небольшой скоростью или движение отсутствует.
Предлагаемая РВЭУ НТС состоит из воздушного полого обтекателя 1, устанавливаемого на крыше кабины верхней передней части закрытого кузова грузового автотранспорта, а также на крышах пассажирских и грузовых железнодорожных вагонов в передней и задней его частях по ходу движения (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3); роторной ветроэнергетической установки 4 с горизонтальной осью вращения, расположенной в верхней передней, средней и задней частях крыши закрытого кузова (вагона) НТС; криволинейного конфузора 2, расположенного внутри полого обтекателя 1; защитной крышки 3 криволинейного конфузора 2 (Фиг.1); магнитоэлектрических генераторов 5 (Фиг.4); корпусов 6 МЭГ; двух роторов-маховиков 7; постоянных магнитов 8, размещенных по периферии роторов-маховиков 7 с двух сторон (Фиг.4); обмоток катушек 9, расположенных напротив постоянных магнитов 8 на внутренней поверхности корпусов 6 МЭГ, причем количество магнитов на один больше или меньше количества обмоток катушек; двух обгонных муфт 10, расположенных внутри корпусов 6 МЭГ; двух дисков-опор 11 для крепления криволинейных лопастей аэродинамического профиля 12, образующих криволинейные конфузоры 19; вала 13 ротора РВЭУ 4; двух валов 14 ротор-маховиков 7; внутреннего 15 и внешнего 16 защитных кожухов ротора РВЭУ 4; подшипников 17 валов 14; основания 18 для крепления к крыше закрытого кузова; микродвигателя 20; шестерни 21 микродвигателя 20; шестерни 22 внешнего кожуха 16; механической защелки 23 с пружиной для фиксации внешнего защитного кожуха 16 в закрытом положении; механической защелки 24 с пружиной для фиксации внешнего защитного кожуха 16 в открытом положении; концевых выключателей 25 для отключения микродвигателя в крайних положениях внешнего защитного кожуха 16; аккумуляторных батарей 26; инвертора 27; пульта управления 28; заднего зацепа 29 внешнего защитного кожуха 16; переднего зацепа 30 внешнего защитного кожуха 16; переднего зацепа 31 внутреннего защитного кожуха 15; механической защелку плоской защитной крышки (не показана).
Роторная ветроэнергетическая установка наземного транспортного средства может работать в двух режимах.
1
2
Первый режим: крышка 3 открыта, в этом случае, при движении наземного транспортного средства энергия набегающего потока воздуха со скоростью v проходит через криволинейный конфузор 2 полого обтекателя 1 и с увеличенной скоростью v поступает в криволинейные конфузоры 19, образованные криволинейными лопастями аэродинамического профиля 12, и с увеличенной скоростью v воздействует на последующую криволинейную лопасть аэродинамического профиля 12, что приводит во вращение вал ротора 13 РВЭУ 4, аэродинамический профиль криволинейных лопастей 12, в свою очередь, создают дополнительный крутящий момент за счет образованной подъемной силы при их обтекании воздушным потоком, что увеличивает крутящий момент, таким образом, коэффициент использования ветра становится соизмеримым с классическими крыльчатыми ветродвигателями и, как показали модельные испытания, достигает величины 0,37-0,39. Вращательное движение ротора 4 РВЭУ через обгонные муфты 10 передается на роторы-маховики 7, при вращении которых магнитное поле постоянных магнитов 8 пересекает витки обмоток катушек 9, вырабатывая при этом достаточное количество электрической энергии в виде постоянного тока для потребительских нужд.
Второй режим: крышка 3 закрыта, в криволинейный конфузор 2 попадает часть набегающего потока воздуха, а другая его часть направляется по верхней поверхности полого обтекателя на криволинейные лопасти аэродинамического профиля 12, образующие криволинейные конфузоры 19, в этом случае мощность вырабатываемой электроэнергии составит 45%, что в условиях низкого потребления электроэнергии вполне оправдано. Роторы-маховики 7 МЭГов 6, вращаясь, накапливают механическую энергию при максимальной скорости движения НТС, если скорость движения уменьшается или НТС остановилось, обгонные муфты 10 отключают вал ротора 13 РВЭУ 4 от роторов-маховиков 7, которые продолжают вращаться, превращая накопленную механическую энергию в электрическую энергию. В любом случае вырабатываемая электрическая энергия запасается в аккумуляторных батареях 26. Преобразование постоянного тока аккумуляторных батарей 26 в переменный ток 220 В 50 Гц осуществляется с помощью инвертора 28. Для защиты РВЭУ 4 от неблагоприятных внешних условий эксплуатации и при длительных стоянках НТС предусмотрены внешний защитный кожух 16 и внутренний защитный кожух 15, а также механическая защелка 25 для фиксации внешнего защитного кожуха 16 в открытом состоянии, при этом передний зацеп 30 внешнего защитного кожуха 16 удерживает передний зацеп 31 внутреннего защитного кожуха 15. Закрытие защитными кожухами ротора РВЭУ 4 происходит следующим образом: с пульта управления 28 включается микродвигатель 20, расположенный на корпусе 6 МЭГов 5, на валу микродвигателя 20 неподвижно посажена шестерня 21, которая находится в зацеплении с шестерней 22, закрепленной на внешнем защитном кожухе 16, при вращении последней происходит поворот наружного защитного кожуха 16 вокруг вала ротора 13, защелки 23 и 24 отжимаются, происходит поворот внешнего защитного кожуха 16 до соприкосновения заднего зацепа 29 с передним зацепом 31 внутреннего защитного кожуха, дальнейший поворот внешнего 16 и внутреннего 15 защитных кожухов происходит совместно до крайнего положения «закрыто». При открытии защитных кожухов внешнего 16 и внутреннего 15 передний зацеп 30 внешнего защитного кожуха 16, взаимодействуя с передним зацепом 31 внутреннего защитного кожуха 15, осуществляет поворот и в конечном положении «открыто» обеспечивает свободный доступ набегающего потока воздуха к РВЭУ 4, при этом механические защелки 23 и 24, воздействуя на микровыключатели 25, отключают микродвигатель 20 и фиксируют защитные кожухи внешний 16 и внутренний 15 в неподвижном исходном положении для работы РВЭУ 4. Расположение РВЭУ на крышах в задних частях закрытого кузова автотранспорта и железнодорожных вагонов обеспечивает повышение мощности на 5%, что обусловлено образованием зоны пониженного давления за кузовом или вагоном при их движении.
Технический результат изобретения достигается горизонтальным расположением оси ротора ВЭУ, применением не менее двух пар криволинейных ветролопастей аэродинамического профиля, увеличением их активной площади, воспринимающей воздействие набегающего потока воздуха за счет установки РВЭУ над воздушным полым обтекателем кабины автомобиля или железнодорожного вагона; наличием двух роторов-маховиков МЭГ, способных аккумулировать механическую энергию в виде вращательного движения роторов-маховиков МЭГ; установкой воздушного полого обтекателя под углом 45° к оси ротора ветродвигателя; наличием криволинейного конфузора, установленного внутри воздушного полого обтекателя; наличием двух обгонных муфт между валами ротора ВЭУ и роторов-маховиков МЭГ, что обеспечивает самостоятельную работу роторов-маховиков за счет накопленной энергии вращательного движения; наличием блока электрических аккумуляторов кислотных или щелочных, инвертора для преобразования, в необходимых случаях, постоянного тока в переменный ток 220 В 50 Гц; наличием пульта для управления потоками электроэнергии; наличием составного защитного кожуха с микродвигателем, служащего для прикрытия ротора ВЭУ при длительных стоянках НТС. РВЭУ, установленные в средней части на крыше указанных транспортных средств, воспринимают набегающий поток воздуха только 50% активной площадью ротора ВЭУ, в то время как РВЭУ, установленные на задней части крыши НТС, увеличивают мощность вырабатываемой электроэнергии на 15% за счет разряжения воздуха, возникающего при движении, за кузовом или вагоном НТС.
Литература
1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельхозгиз, 1957.
2. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. М.: Изд. Минсельхоз. СССР, 1957.
3. Патент US №4168759 от 25.09.1979 г.
4. Патент RU №2158850 от 10.11.2000 г.
5. Патент RU №2237193 от 27.09.2004 г.
6. Патент DE №3500143 А1 от 07.10.1986.
7. Патент GB №2063787 А от 10.06.1981.
8. Патент US №4075545 от 06.09.1976 г.
9. Патент US №4314160 от 02.02.1082 г.
10. Патент RU №2403437 от 10.11.2010 г.