Роторная ветроэнергетическая установка с накопителем кинетической энергии для транспортного средства

Полезная модель относится к ветряным двигателям, приспособленным для установки в особых местах, в частности, на движущихся объектах, например, на транспортных средствах и может найти широкое применение в автомобилестроении.
Известна автомобильная генераторная система, описанная в п. РФ 128560 по кл. B60L 11/00, з. 15.10.2012 г., оп. 27.05.2013 г.
Формула известного устройства имеет следующий вид.
1. Автомобильная генераторная система с воздушным приводом, включающая по меньшей мере один генератор, аккумуляторную батарею, по меньшей мере один электродвигатель, вал которого кинематически связан с генератором и по меньшей мере один кожух-рассекатель, отличающаяся тем, что генераторная система выполнена в качестве дополнительной системы для получения дополнительного крутящего момента на выходном валу, штатного мотора или дополнительной скорости вращения трансмиссии, передающей вращательное движение на ведущие колеса автомобиля, для чего каждый кожух-рассекатель выполнен составной частью соответствующего плоского конусообразного воздухозаборника с конфузором, передающим статическую энергию набегающего потока на лопасти по меньшей мере одной турбины с валом, расположенным горизонтально и развернутым в горизонтальной плоскости относительно оси конфузора под углом от 60 до 90°, лопасти которой закреплены на валу турбины, при этом вал турбины закреплен с обоих концов в подшипниках, размещенных в корпусе воздухозаборника, в качестве генератора используют воздушный проточный генератор постоянного тока под нагрузкой, на входном валу которого размещен редуктор, генератор подключен по меньшей мере к одному электродвигателю посредством параллельного и последовательного электрического соединения с аккумуляторной батареей, при этом входной вал генератора кинематически соединен с выходным валом турбины, каждый электродвигатель электрически соединен с генератором через стабилизатор напряжения и кинематически соединен с колесами автомобиля, и аккумуляторная батарея электрически соединена с генератором через зарядное устройство.
2. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что на противоположном конце воздухозаборника, на участке, расположенном после турбины, размещен диффузор.
3. Автомобильная генераторная система по п. 2, отличающаяся тем, что после дифффузора на корпусе машины или на корпусе воздухозаборника размещен воздухоотбойник.
4. Автомобильная генераторная система по п. 2, отличающаяся тем, что после диффузора в корпусе машины размещены воздуховоды к компрессору дизельного двигателя.
5. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что в системе имеется не менее 2 электродвигателей, и каждый электродвигатель через регулятор частоты вращения соединен кинематически с соответствующим ведущим колесом.
6. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что в системе имеется не менее 4 электродвигателей, и каждый электродвигатель через регулятор частоты вращения соединен кинематически непосредственно с каждым ведущим колесом.
7. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что вал по меньшей мере одного электродвигателя кинематически соединен с выходным валом штатного мотора автомобиля через делитель мощности.
8. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти турбины выполнены с возможностью их проскальзывания относительно вала турбины после достижения расчетного крутящего момента на валу штатного мотора автомобиля или после полной зарядки аккумуляторной батареи.
9. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что вал электродвигателя кинематически соединен с трансмиссией автомобиля через регулятор нагрузки электродвигателя и коробку передач.
10. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что аккумуляторы аккумуляторной батареи соединены между собой последовательно и размещены на одной оси с осью автомобиля.
11. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что каждый электродвигатель электрически соединен с генератором через регулятор нагрузки.
12. Автомобильная генераторная система по п. 1, отличающаяся тем, что аккумуляторная батарея электрически соединена с генератором через зарядное устройство и регулятор нагрузки
Недостаток известной системы заключается в конструктивной сложности системы.
Известен автомобильно-водительский ветрогенератор, представленный в п. РФ №2403437 по кл. F03D 9/00, B60K 16/00, з. 30.01.2009 г., оп. 10.11.2010 г.
Известный ветрогенератор содержит 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.
Известна установка, описанная в п. РФ №2158850 по кл. F03D 9/00, B60V 1/08., .з. 27.07.1999 г., оп. 10.11.2000 г.
Известная ветросиловая установка транспортного средства содержит 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. Недостатком этого устройства является также дополнительное аэродинамическое сопротивление за счет организации воздушного потока в конфузорном воздухосборнике и установке ветроколеса на выходе воздухозаборника.
Известна ветроэнергетическая установка по П РФ №119403 по кл. F03D 9/00, з. 23.12.2011 г, оп. 20.08.2012 г., выбранная в качестве прототипа.
Известная установка описывается следующей формулой:
1. Роторная ветроэнергетическая установка транспортного средства (РВЭУ ТС) содержит объединенные в единую конструкцию: роторную ветроэнергетическую установку; криволинейный полый обтекатель, устанавливаемый на крыше кабины транспортного средства; криволинейный конфузор-диффузор, расположенный внутри полого обтекателя с криволинейной поверхностью; криволинейные лопасти аэродинамического профиля, образующие криволинейные конфузоры ротора роторной ветроэнергетической установки; криволинейную защитную крышку; два магнитоэлектрических генератора с роторами-маховиками; магниты переменной полярности, расположенные на периферии с двух сторон роторов-маховиков; две обгонные муфты, кинематически связывающие вал ротора роторной ветроэнергетической установки с роторами-маховиками магнитоэлектрических генераторов, корпус роторов-маховиков; аккумуляторные батареи, инвертор и пульт управления.
2. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что криволинейный конфузор-диффузор устанавливается таким образом, чтобы поток набегающего воздуха направлялся под углом 45% к оси ротора роторной ветроэнергетической установки.
3. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что ротор роторной ветроэнергетической установки устанавливается в критическом сечении криволинейного конфузора-диффузора, чтобы активная часть ротора заполняла все пространство критического сечения криволинейного конфузора-диффузора.
4. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что ротор роторной ветроэнергетической установки состоит не менее чем из двух криволинейных конфузоров, образованных криволинейными лопастями аэродинамического профиля.
5. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что роторы магнитоэлектрических генераторов выполнены в виде маховиков, способных накапливать механическую энергию вращательного движения, а затем отдавать ее в виде электроэнергии.
6. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что на внутренней стороне корпусов роторов-маховиков напротив магнитов расположены катушки обмоток.
7. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что направляющие защитной крышки с криволинейной поверхностью связаны с направляющими полого обтекателя с криволинейной поверхностью посредством фторопластовых подшипников скольжения.
8. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что роторная ветроэнергетическая установка может вырабатывать электроэнергию в режиме с открытой защитной крышкой с криволинейной поверхностью.
9. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что роторная ветроэнергетическая установка может вырабатывать электроэнергию в режиме с закрытой защитной крышкой с криволинейной поверхностью ограниченное время за счет накопленной вращательной механической энергии роторами-маховиками.
10. РВЭУ ТС по п. 1, отличающаяся тем, что направляющие защитной крышки и полого обтекателя с криволинейными поверхностями имеют совмещаемые отверстия для фиксации защитной крышки в положениях «открыто» или «закрыто» с помощью цангового фиксатора.
Известную установку трудно считать высокоэффективной с точки зрения энергетики, т.к. для обеспечения сколько-нибудь эффективного использования энергии набегающего потока воздуха и преобразования его энергии в электрическую затрачивается слишком много усилий и средств в плане комплектации и стоимости оборудования.
Задачей является повышение энергоэффективности ветроэнергетической установки. Поставленная задача решается тем, что в роторной ветроэнергетической установке с накопителем кинетической энергии для транспортного средства, установленной на крыше кабины транспортного средства и содержащей ротор, преобразователь энергии вращения в электрическую энергию, связанный с аккумулирующим устройством, и накопитель кинетической энергии в виде маховика, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, ротор ветроэнергетической установки выполнен в виде многолопастного ветроколеса с криволинейными лопастями аэродинамического профиля, установленного на горизонтальном валу с подшипниками, и снабженного ободом, преобразователь энергии вращения в электрическую энергию представляет собой генератор, размещенный позади ветроколеса на одном валу с ним, накопитель кинетической энергии в виде маховика закреплен на ободе ветроколеса, при этом ротор с маховиком и генератор размещены в общем каркасе, имеющем спереди входное отверстие, выполненное в виде конфузора, а сзади - выходное отверстие, выполненное в виде диффузора.
Выполнение ротора в виде многолопастного ветроколеса, снабженного по окружности ободом, на котором закреплен маховик, позволяет создать маховик весьма большого размера для возможности накопления большого количества кинетической энергии, что в совокупности с выполнением преобразователя механической энергии вращения в электрическую в виде генератора и размещением его за ветроколесом на одном валу с ним, при расположении ротора, маховика и генератора в едином общем каркасе, имеющем спереди входное отверстие, выполненное в виде конфузора, а сзади - выходное отверстие, выполненное в виде диффузора, обеспечивает достаточно высокую ее энергетическую эффективность.
Технический результат - повышение энергоэффективности ветроэнергетической установки.
Заявляемая роторная ветроэнергетическая установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение ротора ветроэнергетической установки в виде многолопастного ветроколеса с криволинейными лопастями аэродинамического профиля, установка его на горизонтальном валу с подшипниками, снабжение его ободом, выполнение преобразователя энергии вращения в электрическую энергию в виде генератора, размещенного позади ветроколеса на одном валу с ним, закрепление накопителя кинетической энергии в виде маховика на ободе ветроколеса, размещение ротора с маховиком и генератора в общем каркасе, имеющем спереди входное отверстие, выполненное в виде конфузора, а сзади - выходное отверстие, выполненное в виде диффузора, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявляемая роторная ветроэнергетическая установка может быть использована на транспортных средствах и найти широкое применение в автомобилестроении и потому соответствует критерию «промышленная применимость». Полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 общая схема компоновки роторной ветроэнергетической установки с накопителем кинетической энергии;
- фиг. 2 - вид роторной ветроэнергетической установки с накопителем кинетической энергии в вертикальном разрезе;
- фиг. 3 - вид роторной ветроэнергетической установки с накопителем кинетической энергии спереди.
Заявляемая роторная ветроэнергетическая установка с накопителем кинетической энергии для транспортного средства (фиг. 1-3) содержит объединенные в единую конструкцию роторную ветроэнергетическую установку (РВЭУ), устанавливаемую на крыше кабины 1 транспортного средства, имеющую воздуховодный канал «конфузор 2 - диффузор 3», ротор 4 РВЭУ с криволинейными лопастями 5 аэродинамического профиля, а также преобразователь 6 энергии вращения в электрическую энергию, связанный с аккумулирующим устройством 7, и накопитель 8 кинетической энергии в виде маховика. Ротор 4 РВЭУ выполнен в виде установленного с возможностью вращения на горизонтальном валу 9 с подшипниками (на чертежах не показаны) и снабженного ободом 10 многолопастного ветроколеса 11. Преобразователь 6 энергии вращения в электрическую энергию представляет собой генератор, размещенный позади ветроколеса 11 на одном валу 9 с ним. При этом на ободе 10 ветроколеса 11 закреплен накопитель 8 кинетической энергии в виде маховика, представляющего собой кольцо, навитое из высокопрочного углеродного волокна, и размещенного в герметичном кольцевом корпусе 10. Ротор 4 с маховиком 8 и генератор 6 размещены в одном общем каркасе 12, имеющем спереди входное отверстие, выполненное в виде конфузора 2, а сзади - выходное отверстие 3, выполненное в виде диффузора. На валу 9 также установлены обтекатели 13.
Заявляемая ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Поток воздуха через конфузор 2 входного отверстия роторной ветроэнергетической установки, расположенной на кабине 1 транспортного средства 14, поступает на лопасти 5 ветроколеса 11 с ободом 10. Ветроколесо 11 с ободом 10 и закрепленный с ним на одном валу 9 генератор 6 начинают вращаться. Полученный в генераторе 6 электрический ток поступает через аккумулирующее устройство 7 к энергопотребителю.
За лопастями 5 ветроколеса 11 с ободом 10 создается разрежение (дополнительное давление потока воздуха на лопасти 5 ветроколеса 11).
При этом криволинейный конфузор 2 - воздухозаборник на подачу ветрового потока на ветроколесо 11 - расположен перед ветроколесом 11. Движение воздуха в конфузоре 2 характеризуется тем, что динамическое давление в нем в направлении движения потока увеличивается, а статическое- уменьшается. Увеличивается скорость движения воздуха. Далее воздушный поток через диффузор 3 выходит наружу.
Криволинейный диффузор 3 - воздухозаборник на выпуск ветрового потока -расположен после ветроколеса 11. Движение воздуха в диффузоре 3 замедляется. Система «конфузор 2-диффузор 3», работающая как сопло, повышает мощность установки.
Эффективное использование набегающего потока воздуха при движении транспортного средства независимо от направления ветра обеспечивается тем, что поток воздуха через криволинейный конфузор 2 - диффузор 3 попадает на 100% площади лопастей 5 ветроколеса 11. Воздушные массы сообщают кинетическую энергию движения лопастям 5 ветроколеса 11 с ободом 10, где она преобразуется в энергию механическую, вращающую на валу 9 генератор 6.
Роторная ветроэнергетическая установка с накопителем кинетической энергии работает в двух режимах:
- при движении транспортного средства;
- при остановке транспортного средства.
При движении транспортного средства 14 воздушный поток со скоростью от 2 м/с до 60 м/с через конфузор 2 поступает на лопасти 5 ветроколеса 11 с ободом 10, установленного в каркасе 12. Воздушные массы сообщают кинетическую энергию движения лопастям 5 ветроколеса 11 с ободом 10, расположенного на валу 9, где она преобразуется в энергию механическую, вращающую на валу 9 генератор 6, закрепленный к ветроколесу 11 с ободом 10 и преобразующий вращение ветроколеса 11 в электрическую энергию. С генератора 6 через аккумулирующее устройство 7 электроэнергия направляется потребителю. Происходит режим отдачи энергии. При движении транспортного средства 14 от вращения ветроколеса 11 с ободом 10 под действием воздушного потока кинетическая механическая энергия передается на накопитель 8 кинетической энергии, выполненный в виде маховика, представляющего собой кольцо, навитое из высокопрочного углеродного волокна, размещенного в герметичном кольцевом корпусе. Происходит режим запасания энергии.
В сравнении с прототипом заявляемая роторная ветроэнергетическая установка имеет более высокую энергоэффективность.