УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR CONVERSION OF RENEWABLE ENERGY

Область техники
Изобретение относится к устройствам для преобразования возобновляемой энергии и может быть использовано в области энергетики для получения энергии от набегающего потока воздуха.
Уровень техники
Известно устройство для преобразования энергии потока текучей среды в полезную работу, содержащее совокупность соединенных между собой лопастей, связанных с преобразователем энергии (патент РФ №2037641, 1991 г., МКИ F03B 13/00, F03B 17/06, F03D 5/06). Недостатком устройства является сложность конструкции, невысокая надежность и невысокая эффективность.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для преобразования возобновляемой энергии, содержащее раму, лопасть, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой, причем лопасть жестко закреплена на шатуне, а соединительное звено выполнено в виде качалки, один конец которой шарнирно связан с рамой, а другой конец шарнирно связан с шатуном (патент РФ №2293212, 2005 г., МПК F03D 5/00).
Недостатком этого устройства является невысокая надежность из-за большого диапазона значений угла поворота кривошипного вала, когда указанное устройство не способно самостоятельно стартовать. Кроме того, указанное устройство имеет большие габариты из-за выполнения соединительного звена в виде качалки.
Раскрытие изобретения
Заявляемое изобретение направлено на повышение надежности и снижение габаритов устройства.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для преобразования возобновляемой энергии, содержащем раму, лопасть, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой, а лопасть жестко закреплена на шатуне, соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала. При этом направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала, а шатун расположен под углом к плоскости лопасти. В частном случае исполнения устройство снабжено маховым колесом, соединенным с валом кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, на вале установлен противовес.
Поставленная задача решается тем, что
- соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала.
- направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала,
- шатун расположен под углом к плоскости лопасти.
Выполнение соединительного звена в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, позволяет повысить надежность устройства за счет существенного сокращения диапазона значений угла поворота кривошипного вала, при которых указанное устройство не способно самостоятельно стартовать. Компактное выполнение соединительного звена приводит также к уменьшению габаритов устройства.
Смещение направляющей ползуна относительно оси вращения вала и расположение шатуна под углом к плоскости лопасти позволяет сократить так называемые "мертвые зоны", в которых набегающий поток не создает направленное вращение валу кривошипно-шатунного механизма, что повышает надежность устройства.
Наличие противовеса также способствует увеличению надежности устройства. В случае вертикального расположения направляющей ползуна при отсутствии ветра противовес обеспечивает наиболее выгодное стартовое положение лопасти под оптимальным углом атаки. В случае горизонтальной направляющей ползуна противовес не существенен для стартовых характеристик, но позволяет уменьшить эффекты биений кривошипного вала.
Наличие махового колеса также способствует более надежному функционированию устройства за счет гарантированного прохождения «мертвых зон» по инерции.
Краткое описание чертежей
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.
На прилагаемой фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства.
На фиг. 2 изображено устройство в стартовом положении (при слабом ветре или при отсутствии ветра) для случая исполнения в качестве устройства преобразования энергии ветра при вертикальном расположении направляющей ползуна.
Устройство включает раму 1, кривошипно-шатунный механизм, выполненный, например, в виде махового колеса 2 и шатуна 3. Возможен также вариант исполнения кривошипно-шатунного механизма без махового колеса. Вал 4 колеса 2 закреплен на раме 1. Один конец шатуна 3 соединен шарниром 5 с колесом 2, а другой конец шатуна 3 соединен шарниром 6 с ползуном 7. Направляющая 8 ползуна 7 жестко закреплена на раме 1 и расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 4. На шатуне 3 жестко закреплена лопасть 9, при этом шатун 3 расположен под углом к плоскости лопасти 9. На колесе 2 с противоположной стороны от шарнира 5 установлен противовес 10.
2
2
Стрелкой V на приведенных фигурах указано направление набегающего потока воздуха, стрелкой ω - направление вращение вала 4. Символом α обозначен угол наклона шатуна 3 к плоскости лопасти 9. Символом R обозначено расстояние от оси вала 4 до оси шарнира 5 (длина кривошипа), символом L - расстояние между осями шарниров 5 и 6 (длина шатуна 3), символом d - расстояние от оси вала 4 до прямолинейной траектории оси шарнира 6 (смещение направляющей 8 относительно оси вала 4). В общем случае L/R>1, d/R<1. Оптимальное значение угла α определяется из условия |α|<α, где sin(α)=d/(L-R). В этом случае диапазон «мертвых зон» устройства заметно сокращается, что существенно при горизонтальном расположении направляющей 8 ползуна 7. При значениях α вне указанного диапазона устройство также работоспособно, но менее эффективно.
Стрелкой g на фиг. 2 обозначено направление силы тяжести для случая вертикального расположения направляющей 8. Масса противовеса 10 и его положение относительно оси вращения вала 4 определяются из условия, когда в состоянии равновесия (при отсутствии набегающего потока) наклон лопасти 9 относительно направляющей 8 будет максимальным.
На фиг. 3 представлена фотография одного из экспериментальных образцов устройства, размещенного в рабочей части аэродинамической трубы А-6 НИИ механики МГУ.
Осуществление изобретения
Устройство работает следующим образом.
Предположим, вначале механизм неподвижен. Если в начальный момент ползун 7 находится в любом положении, кроме двух крайних возможных (когда отсутствует подъемная сила), то при достаточной силе ветра лопасть 9 начнет движение. Этот эффект самостоятельного старта достигается благодаря ориентации лопасти 9 под углом к набегающему потоку вследствие закрепления направляющей 8 на раме 1 перпендикулярно потоку, жесткого соединения лопасти 9 с шатуном 3 и шарнирного соединения 5 и 6 шатуна 3 с маховым колесом 2 и ползуном 7. Подъемная сила набегающего потока будет направлена вдоль направляющей 8 и приведет в движение лопасть 9 с ползуном 7 (при достаточной скорости потока). В то же время сила сопротивления потока направлена перпендикулярно направляющей 8 и не будет препятствовать начальному движению лопасти 9.
В случае вертикального расположения направляющей 8 при отсутствии набегающего потока благодаря наличию противовеса 10 и действию силы тяжести элементы устройства займут устойчивое положение, когда лопасть 9 будет расположена под углом к вектору скорости ожидаемого набегающего потока, как показано на фиг. 2. В этом случае устройство, остановившееся после ослабления силы ветра, при возобновлении ветра приводится в движение самостоятельно, без внешнего вмешательства, что обеспечивает его надежное и эффективное функционирование.
После старта шатун 3, прикрепленный к лопасти 9, приведет во вращение соединенное с ним шарниром 5 маховое колесо 2. На той фазе движения, когда ползун 7 удаляется от оси вала 4, ориентация лопасти 9 такова, что подъемная сила будет поддерживать движение лопасти 9 в направлении удаления от вала 4 (при достаточной скорости ветра). На той фазе движения, когда ползун 7 движется по направлению к оси вала 4, ориентация лопасти 9 такова, что подъемная сила будет поддерживать движение лопасти 9 в направлении приближения к валу 4 (при достаточной скорости ветра). Когда ползун 7 проходит какое-либо из двух своих крайних положений (мертвые зоны), маховое колесо 2 проворачивается по инерции. Противовес 10 обеспечивает также снижение интенсивности поперечных биений вала 4.
Примеры реализации
2
В НИИ механики МГУ были изготовлены и протестированы экспериментальные образцы устройства с горизонтальным и вертикальным расположением направляющей ползуна. Площадь лопасти была порядка 0.01 и 0.05 м, другие геометрические параметры варьировались в диапазонах L/R=1.2 - 5, d/R=0 - 0.1, α=0 - 2°.
На фиг. 3 представлена фотография одного из экспериментальных образцов устройства, размещенного в рабочей части аэродинамической трубы А-6 НИИ механики МГУ. В данном варианте направляющая ползуна расположена горизонтально.
Образцы были испытаны в аэродинамической трубе А-6 при скорости потока до 8 м/с. Рабочие скорости потока, при которой устройство стартовало самостоятельно и приводило во вращение ротор электрогенератора, начинаются от 4 м/с.
Таким образом, экспериментально было подтверждено, что предлагаемое устройство работоспособно и при сравнительно небольших габаритах обеспечивает надежное и эффективное преобразование энергии ветра в механическую энергию.