УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ПОТОКА ВОЗДУХА
DEVICE FOR POWER GENERATION FROM AIR FLOW

Изобретение относится к области использования возобновляемых источников энергии, а именно к области ветроэнергетики, и направлено на преобразование кинетической энергии потока воздуха в полезную электрическую или механическую энергию наиболее безопасным способом.
Из уровня техники известно ветроэнергетическое сооружение (RU 2575595, опубл.: 20.02.2016 Бюл. № 5). Ветроэнергетическое сооружение оборудовано ветродвигателем лопастного типа. Лопасти получают давление ветра под углом к рабочим поверхностям. На вертикально расположенной опоре установлена ось в вертикальном положении. На ось смонтирован приводной рабочий орган, состоящий из рамы, с возможностью поворота рамы вокруг оси. На ось установлен передний приводной шкив на два посадочных места приводных ремней. На другом конце рамы установлена ось в вертикальном положении с устройством натяжения ремня, на ось установлен приводной шкив. Приводные шкивы между собой соединены бесконечным приводным ремнем. На бесконечный приводной ремень снаружи в вертикальном положении установлены лопасти на шарнирах с возможностью поворота в горизонтальное положение и установлены с интервалом между собой. Лопасти имеют полки, опирающиеся на пластину П-образной формы, установленную сзади лопастей переднего ряда вдоль рамы в вертикальном положении и горизонтальными стенками наружу. На раме под рабочим углом А к пластине установлена флюгарка. На раме установлен электрогенератор с ведомым шкивом и соединенным приводным бесконечным ремнем с передним приводным шкивом на два посадочных места приводных ремней. Спереди сооружение и лопасти защищены от движения ветра ширмой, смонтированной на раме. Недостатками устройства является следующее. В установке работает только один ряд лопастей на лицевой стороне устройства, лопасти на обратной стороне не участвуют в процессе отбора мощности из потока, при этом сами лопасти никак не используют свойства воздушного потока. Механические повороты лопастей требуют постоянного обслуживания, и склонны к отказам в работе. Само устройство создает значительное бесполезное возмущение потока воздуха, что ухудшает параметры устройства.
В патентах WO2015056107 A2 и WO2013109007 A1 помимо расположения аэродинамических элементов и бесконечной ленты в виде двухрядной цепи, используется поворотный элемент, изменяющий общее положение аэродинамических элементов в зависимости от его расположения на разных сторонах устройства. Недостатком является то, что дополнительные механические элементы (в т.ч. поворотный элемент) усложняют конструкцию и снижают общую надежность устройства.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является ветряная турбина (WO 2014006608 A1 2014-01-09), имеющая две пары верхних и нижних шкивов, два бесконечных опорных элемента (бесконечной ленты), каждый из которых крепится на соответствующем шкиве, оси шкивов параллельны друг другу, также имеется множество профилей (аэродинамических элементов), которые прикреплены к бесконечным опорным элементам. При этом верхние шкивы могут иметь различные от нижних шкивов диаметр. Турбина может быть установлена с возможностью вращения на столбе, так что она может быть направлена к входящему ветру. Недостатком данного технического решения является то, что аэродинамические элементы, расположенные сзади в потоке, затеняются передними аэродинамическими элементами, и также задние элементы работают в турбулентном потоке от передних элементов. Все это приводит к снижению эффективность работы. Также бесконечная лента (цепь) склонна к продольным и поперечным колебаниям, снижающим долговечность и надежность цепи (ленты).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка устройства для получения энергии из потока воздуха наиболее эффективным и безопасным способом.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для получения энергии из потока воздуха, которая содержит бесконечную ленту, две оси, параллельные друг другу, вращающиеся на осях граненые барабаны с движущейся по барабанам лентой, с закрепленными на ленте аэродинамическими элементами, опору с возможностью вращения всего устройства по ветру в горизонтальной плоскости, генератор, при этом бесконечная лента состоит из соединённых между собой осями жестких прямоугольных элементов (траков), представляющих собой металлические пластины прямоугольной формы, имеющие квадратные зубья с двух противоположных сторон, выполненные таким образом, чтобы иметь возможность соединения с последующим и предыдущим траками по типу «шип - паз», бесконечная лента опирается на два граненных барабана, вращающихся каждый на своей оси, закрепленной на общей опоре, аэродинамические элементы имеют несимметричный аэродинамический профиль и все вместе одновременно осуществляют съем энергии из потока не мешая друг другу, при этом каждый аэродинамический элемент жестко крепится к траку болтами по центру трака под углом 0-45 градусов, опора представляет собой профилированную металлическую пластину, на которой сзади перпендикулярно плоскости опоры закреплены две оси для вращения граненых барабанов, на грани которых опираются траки ленты, на передней части опоры закреплена вертикальная поворотная ось так, что обеспечивается разворот опоры и всей конструкции по ветру в горизонтальной плоскости, генератор расположен внутри граненых барабана, неподвижная часть генератора закреплена на опоре, подвижная часть генератора связана с барабаном, вертикальная поворотная ось опоры установлена нижней стороной на прочном фундаменте. На краях барабанов предусмотрен бортик высотой в толщину трака.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:
- компактные габариты,
- высокий КПД,
- простота конструкции,
- повышенная надежность, за счет простоты конструкции и применения траков с аэродинамическими элементами вместо цепей,
- безопасность для окружающей среды за счет относительно низкой скорости перемещения элементов конструкции по сравнению лопастными устройствами, достигающими на концах лопастей сверхзвуковых скоростей.
Устройство предназначено для преобразования кинетической энергии текущей среды.
Устройство для получения энергии из потока воздуха содержит гибкое ветроколесо, выполненное в виде замкнутой подвижной ленты (гусеницы), состоящей из соединённых между собой осями жестких прямоугольных элементов (траков), с жестко закрепленными под углом 0-45 градусов на траках аэродинамических элементов (АЭ) несимметричного аэродинамического профиля, создающих максимальную подъемную силу при минимальных скоростях потока. В ветровом потоке каждый из АЭ на одной стороне ленты создает силу, направленную вверх и, одновременно каждый из АЭ на другой стороне ленты создает силу, направленную вниз, что приводит к линейному движению ленты, перемещающейся между двух вращаемых лентой граненых барабанов, которые преобразуют энергию движущейся ленты в полезную энергию. Каждый из граненых барабанов вращается на своей оси, закрепленной на общей опоре. Опора представляет собой профилированную для жесткости металлическую пластину необходимой толщины, на которой сзади перпендикулярно плоскости опоры закреплены две оси для вращения граненых барабанов, на грани которых опираются траки ленты. На передней части опоры закреплена вертикальная поворотная ось так, что обеспечивается разворот опоры и всей конструкции по ветру в горизонтальной плоскости. Генератор расположен внутри граненого барабана, неподвижная часть генератора закреплена на опоре, подвижная часть генератора связана с барабаном. Вывод электроэнергии из устройства осуществляется посредством токосъемников и силового провода, находящихся внутри вертикальной поворотной оси (колонны поворотной). Генератор начинает работать при скорости потока воздуха 0,2 м/с и выходит на максимальную мощность уже при скорости потока воздуха 2 м/с. Использование граненой, а именно шестигранной формы барабана позволяет обеспечить простоту изготовления детали, а именно не нужны сложные в изготовлении детали высокой точности и технологичности, и обеспечить надежность эксплуатации за счет жесткости конструкции. Для предотвращения соскальзывания траков с барабанов на вешних краях барабанов предусмотрен бортик высотой в толщину трака. Траки ленты представляют собой металлические пластины прямоугольной формы, имеющие квадратные зубья с двух противоположных сторон, выполненные таким образом, чтобы иметь возможность соединения с последующим и предыдущим траками по типу «шип - паз». Каждый АЭ жестко крепится к траку болтами по центру трака, количество болтов крепления АЭ определяется размером АЭ, но не менее 2 штук. Размер трака ленты подбирается под размер аэродинамического элемента, а размер грани барабана подбирается по размеру трака ленты. Количество траков на ленте определяется исходя из требуемой мощности, но не менее 12 траков на всю ленту. Вертикальная поворотная ось опоры установлена нижней стороной на прочном фундаменте размера, определяемого грунтом в месте монтажа установки и используется для ориентации АЭ вдоль ветрового потока путем поворота в горизонтальной плоскости за счет флюгерного эффекта, который возникает вследствие разнесения оси вращения и центра приложения аэродинамических сил АЭ. Это позволяет всем АЭ постоянно разворачиваться вдоль потока воздуха без дополнительных механических элементов.
В предлагаемом устройстве в отличие от имеющихся аналогов производится преобразование кинетической энергии потока воздуха путем использования подъемной силы крыла всеми аэродинамическими элементами (АЭ) одновременно и независимо друг от друга. Независимая работа всех АЭ позволяет использовать АЭ максимальной площади и в необходимом количестве, что позволяет получать максимальную мощность устройства при минимальных размерах, а также легко увеличивать снимаемую из потока мощность наращиванием количества АЭ без увеличения занимаемой устройством площади.
В ветровом потоке каждый из АЭ на одной стороне ленты создает силу, направленную вверх и, одновременно каждый из АЭ на другой стороне ленты создает силу, направленную вниз, что приводит к линейному движению ленты, перемещающейся между двух граненых барабанов, вращающихся на осях, с которых и производится съем полезной энергии.
Основной особенностью устройство для получения энергии из потока воздуха, отличающего его от большинства существующих конструкций, является использование подъемной силы крыла в потоке воздуха для линейного движения привода отбора энергии вместо вращательного движения лопастей пропеллера поперек потока воздуха.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 – общий вид устройства
- на фиг. 2 – вид устройства сзади
- на фиг. 3 – изображен трак с аэродинамическим элементом,
где 1 – профилированная пластина
2 – ось вращения барабана
3 – барабан
4 – вертикальная ось
5 – аэродинамический элемент
6 –трак
7 – ось трака.
Опора представляет собой жесткую профилированную пластину 1, на которой закреплены две оси 2 вращения граненых барабанов 3, на которые опираются траки 6 ленты. В передней части опоры ленты установлена вертикальная ось 4 для ориентации аэродинамических элементов ленты вдоль ветрового потока путем поворота в горизонтальной плоскости за счет флюгерного эффекта. Стрелками на фиг.2 указано направление воздушного потока.
Все вращающиеся и поворотные элементы снабжены соответствующими стандартными подшипниками вращения и не имеют принципиального значения для рассмотрения принципов работы заявляемого устройства.
Генератор электрического тока, а при необходимости и редуктор, могут быть расположены снаружи или внутри граненого барабана или даже внутри обеих барабанов одновременно. При необходимости возможен съем механической энергии через поворотную ось опоры. Однако сам процесс съема энергии не является особенным в заявляемом устройстве и использует стандартные электротехнические и механические элементы.
Устройство работает следующим образом.
Воздушный поток, обтекая устройство, попадает одновременно на все аэродинамические элементы (АЭ) и создает на каждом подъёмную силу, направленную для всех АЭ в одном направлении. Эта сила приводит с движение ленту (гусеницу), на которой закреплены АЭ. Лента опирается на барабаны специальной формы и приводит их во вращение, обеспечивая преобразование кинетической энергии потока во вращательное движение, используемое для получения в конечном итоге полезной механической или электрической энергии.
Таким образом предлагаемое устройство осуществляет отбор мощности из потока воздуха всеми аэродинамическими элементами одновременно и независимо за счет расположения ленты перпендикулярно потоку.
Все аэродинамические элементы расположены параллельно друг другу в одном потоке воздуха, нет эффекта затенения крыльев друг другом и нет работы в турбулентном потоке от предыдущего крыла, идущего впереди. В нашем случае поток воздуха обдувает конструкцию из свободно расположенных в потоке аэродинамических элементов.