ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ИЛИ ВОДНЫХ ПОТОКОВ
POWER PLANT TO CONVERT ENERGY OF AIR OR WATER FLOW CURRENTS

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 трособлочных элементов передачи.
Наиболее близким решением (прототипом) является патент NL 1017171 на Способ получения энергии за счет воздушного змея, вращающего барабан генератора. Центральная стропа отсутствует. Крыло крепится двумя уздечками, длина которых менятся при помощи мотора.
В указанном решении угол атаки изменяет мотор. в результате чего есть необходимость утяжелять воздушного змея мотором и блоком питания, есть дополнительные затраты электроэнергии на работу мотора.
Управление мотором производится внешним сигналом управления (например, радиосигналом) для синхронизации движения лебедок (сматывание/разматывание троса) и крыла (изменение угла атаки). В результате чего возникает необходимость иметь систему дистанционного управления мотором и лебедками.
Стропа поочередно наматывается и разматывается на лебедки, т.е. с реверсом. В результате чего значительно усложняется кинематика устройства, возникают сложности с преобразованием реверсивного движения лебедок в однонаправленное вращение.
Задачей данного изобретения является создание преобразователя энергии ветра, имеющего относительно простую конструкцию, более надежного, чем прототип, и способного прообразовывать энергию ветра непосредственно во вращательное движение рабочего органа с последующим его использованием для генерации электричества.
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 тем, что энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, содержащая вал отбора мощности, с которым через подвижную ось кинематически связано веденное в поток по направлению его движения крыло или аэродинамический профиль, отличающаяся тем, что вал отбора мощности выполнен в виде коленвала, причем крыло или аэродинамический профиль связано с этим коленвалом стропой, а непосредственно у крыла стропа имеет вспомогательные заднюю и переднюю стропы (уздечки) с функцией ограничения угла атаки, также содержит устройство управления углом атаки от минимального до максимального уровня, выполненное с возможностью перемещать подпружиненную ось относительно центра приложения аэродинамических сил в зависимости от направления движения коленвала и как следствие от напора воздушной или водной среды.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Заявленное решение от прототипа отличает то, что угол атаки меняется автоматически (без мотора) в зависимости от положения коленвала аэродинамическими силами, действующими на аэродинамическое устройство управления углом атаки. В результате чего нет необходимости утяжелять воздушного змея мотором и блоком питания, нет дополнительных затрат электроэнергии на работу мотора, т.е. экономичность.
Синхронизация вала отбора мощности (коленвала) с крылом происходит автоматически при помощи аэродинамического устройства управления углом атаки, находящегося на крыле. В результате чего нет необходимости иметь систему дистанционного управления мотором и лебедками.
Стропа вращает непосредственно коленвал, вращающийся в одну сторону. В результате чего значительно упрощается кинематика устройства, не возникает сложностей с преобразованием реверсивного движения лебедок в однонаправленное вращение.
Управление крылом происходит за счет изменения изложения центральной стропы вокруг центра приложения сил (длина уздечек фиксирована). Сила ветрового напора меняется в соответствии с движением коленвала (против ветра или по ветру). Пропорционально этому ветровому напору изменяется натяжение упругих элементов (пружин), которые смещают в пазу ось крепления крыла к стропе в ту или иную сторону в соответствии с направлением движения (вперед/назад) коленвала. Это отличие само по себе характеризует конструктивные особенности, которые определяют отличие в принципе действия.
Изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На Фиг.1 и на Фиг.2 показан общий вид энергоустановки для различных исполнений крыла (аэродинамического профиля), где 1 - Крыло (аэродинамический профиль), 2 - Устройство управления углом атаки (УУУА), 3 - Распорка, 4 - Стропа, 5 - Коленвал, 6 - Ось вращения.
На Фиг.3 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 7 - ось, свободно двигающаяся в пазу и прикрепленная к двум пружинам и к основной стропе, 8 - пружина (стационарная), 9 - пружина (регулируемая), 10 - датчик положения оси (например, магнитный), 11 - привод подтяжки пружины.
max
min
Пояснения: угол β выбирается из условия β=0,5×(α-α), где α - угол атаки крыла.
min
max
Например: крайние углы атаки крыла α=10 град. α=80 град. Тогда: β=35 град.
На Фиг.4 показано начало движения крыла вперед (против ветра) до изменения угла атаки, где 12 - направление тяги коленвала. Начало движения крыла вперед (против ветра) до изменения угла атаки. Левая пружина сжимается, а правая растягивается (из за двух факторов: массы-инерции крыла, увеличения воздушного напора в кубической степени от скорости ветра). На крыло возникаем вращающий момент коленвала (направление - 12) против часовой стрелки. Угол атаки уменьшается до тех пор, пока позволяет длина обвисшей нижней стропы (уздечки) до ее натяжения. Как только она натянется, сила ее натяжения сбалансирует крутящий момент и изменение угла атаки прекратится. Система станет уравновешенной относительно крыла (но само-то крыло будет иметь результирующую силу, движущую его вперед против ветра за коленвалом, но с малым сопротивлением).
min
На Фиг.5 показано движение крыла вперед (против, ветра) после изменения угла атаки. Коленвал движется против часовой стрелки и тянет стропу в направлении 12. Нижняя (задняя) уздечка натянута. Угол атаки крыла =α. Результирующая сила трех сил (аэродинамической, натяжения основной стропы и натяжения вспомогательной задней уздечки) двигают крыло за коленвалом.
На Фиг.6 показано начало движения крыла назад (по ветру) до изменения угла атаки. Начало второго полупериода. Коленвал движется против часовой стрелки и отпускает стропу в направлении - 12. Теперь левая пружина растягивается, а правая сжимается (из-за уменьшения воздушного напора в кубической степени от скорости ветра). На крыле возникает вращающий момент по часовой стрелке}. Угол атаки увеличивается до тех пор, пока позволяет длина обвислой верхней уздечки (до ее натяжения). Как только она натянется, сила ее натяжения сбалансирует крутящий момент и изменение угла атаки прекратится. Система станет уравновешенной относительно крыла (но само-то крыло будет иметь результирующую силу, движущую его назад по ветру от коленвала.
На Фиг.7 показано движение крыла назад (по ветру) после изменения угла атаки.
Второй полупериод. Коленвал движется против часовой стрелки. Крыло с большей силой тянет коленвал против часовой стрелки в направлении - 12.
max
Нижняя (задняя) уздечка ослаблена. Угол атаки крылата =α Рабочий ход. Сила напора ветра максимальна при максимальном угле атаки.
На Фиг.8 показан пример работы генератора в водном потоке, аналогичный работе в воздушном потоке. Только для позиционирования крыла на нужной глубине желательно использовать дополнительный поплавок 16, где 13 - вспомогательные стропы (уздечки), 14 - Направляющие ролики, 15 - основная стропа, 16 - Поплавок, 17 - Баржа.
Изобретение обеспечивает прямое преобразование колебательных движений крыла во вращательное движение коленвала при минимальной материалоемкости и при максимальной простоте и надежности конструкции энергоустановки.
Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков (Фиг.1-Фиг.2.) содержит вал отбора мощности 5, с которым кинематически связано веденное в поток по направлению его движения крыло 1 или аэродинамический профиль. Возможно использование надувного крыла легче воздуха.
Вал отбора мощности выполнен в виде коленвала 5, вращающегося вокруг оси 6. Крыло 1 или аэродинамический профиль связано с этим коленвалом стропой 4, причем стропа прикреплена к подвижной подпружиненной оси, которая может двигаться около точки приложения аэродинамических сил.
Таким образом, за один полупериод воздушный или водный поток выполняет большую работу (назовем ее положительной, а за второй полупериод - маленькую, но в противоположном направлении (назовем ее отрицательной). Суммарная работа и будет полезной работой, выполненной потоком за период.
Вся энергоустановка может быть размешена на платформе, поворачивающейся относительно вертикальной оси по направлению ветра флюгером. Для улучшения равномерности вращения и сглаживания толчков на оси 6 можно расположить маховик. Также на оси 6 можно разместить любое количество элементарных (работающих на один вал) энергоустановок с целью повышения суммарной мощности, улучшения равномерности вращения и сглаживания толчков (как цилиндров в двигателе внутреннего сгорания).
Для повышения надежности работы (в частности исключения возможности задевания стропами вращающихся деталей коленвала, например, при резких изменениях направления ветра) сами стропы можно пропустить через направляющие ролики (также для водного потока, например для морских течений).
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.