ВЕТРОЭЛЕКТРОАВТОМОБИЛЬ

Полезная модель относится к области электротранспортных средств и может быть использована в электрических тяговых системах транспортных средств с электрическим питанием от природных возобновляемых источников энергоснабжения, в частности, ветровой энергии.
Известно устройство для подзаряда аккумуляторных батарей электротранспортного средства, содержащее конусообразный уловитель набегающего потока воздуха овальной формы с полированными внутренними поверхностями, турбину и конусообразную отводящую трубу, которые установлены на крыше электротранспортного средства [1]. Вал турбины соединен с валом электрогенератора для подзаряда аккумуляторных батарей. Эффективность известного устройства может проявиться на удаленных пустынных стоянках, когда, при наличии ветра, аккумуляторные батареи заряжаются за счет использования энергии ветра. В движении электротранспортного средства по ровной дороге вырабатываемая турбиной электрическая энергия почти равна затрачиваемой энергии на преодоление силы воздушного лобового сопротивления электротранспортного средства и на преодоление силы тяжести перевозимого дополнительного электроветрового оборудования, т.к. установленный на крыше уловитель набегающего потока воздуха обладает нежелательной для любого транспортного средства большой парусностью.
Недостаток известного устройства состоит в том, что при движении электротранспортного средства под уклон с большой скоростью развивается большой кинетический крутящий момент турбины (гироскопический момент), направление вектора которого сохраняется неизменным в мировом пространстве. В этом случае разрушаются либо боковые подшипники турбины, либо электротранспортное средство теряет дорожную управляемость.
Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением в качестве прототипа является электромикроавтобус экологически чистый и безопасный для людей, содержащий конусообразный диффузор набегающего потока воздуха, ветроколесо, электрогенератор постоянного тока, зарядное устройство и аккумуляторные батареи [2]. Конусообразный диффузор набегающего потока воздуха оборудован защитной сеткой и совместно с ветроколесом и электрогенератором в качестве автономного ветряного источника электрической энергии установлены на крыше электромикроавтобуса в количестве до четырех комплектов, один из которых может размещаться на переднем бампере электромикроавтобуса. Каждый комплект автономного ветряного источника электрической энергии обеспечивает электрической энергией различные ее бортовые потребители: устройство подзаряда аккумуляторных батарей, снегоочистители окон, работа фары, подогрев пищи и др. На единую, общую электрическую нагрузку электрические генераторы постоянного тока не подключаются, т.к. большой ток нагрузки, протекая по цепи якоря генератора, формирует вокруг себя свое собственное сильное магнитное поле, которое искажает магнитное поле статора, что приводит к снижению КПД электрогенератора.
Недостаток прототипа заключается в том, что при слабом потоке набегающего воздуха, например, при движении электротранспортного средства на подъем или при слабом ветре (штиль) на стоянках, ветровые энергетические установки не работают. При сильном потоке набегающего потока воздуха формируется большой крутящий кинетический момент ветроколеса (как у гироскопа), который разрушает его боковые подшипники и нарушает дорожную управляемость электротранспортного средства. При ураганном ветре из-за большой парусности воздушных силовых установок происходит их разрушение. Кроме того, в прототипе низкий коэффициент использования энергии ветра, т.к. отсутствует флюгер, и не используется аэродинамическая подъемная сила ветроколеса для преодоления скользких и буксующих участков дороги.
Целью полезной модели (техническим результатом) является расширение диапазона использования энергии воздушных потоков ветра от нуля (штиль) до ураганного ветра на ветроэлектроавтомобилях путем взаимной компенсации крутящих моментов двух ветроколес, соосно вращающихся в противоположных друг другу направлениях с автоматическим отслеживаем угла атаки их лопастей в зависимости от скорости их вращения. Кроме того, другими неразрывными целями полезной модели являются повышение коэффициента использования энергии ветра путем отслеживания положения ветроколеса против направления ветра с помощью флюгера, повышение КПД электрогенератора постоянного тока за счет применения вращающихся спаренных диодов в обмотках ротора, а также использование аэродинамической подъемной силы ветроколеса для преодоления автомобильным транспортным средством скользких и буксующих участков дороги.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: конусообразного диффузора набегающего потока воздуха, ветроколеса и электрогенератора постоянного тока, предлагаемый ветроэлектроавтомобиль содержит складной шланг-рукав и конусообразный полый флюгер, узкая часть которого выполнена с проходным отверстием для присоединения к нему складного шланга-рукава на стоянках ветроэлектроавтомобиля при отсутствии ветра, проходное отверстие закрыто крышкой во время движения ветроэлектроавтомобиля, узкая часть конусообразного полого флюгера соединена с узкой частью конусообразного диффузора набегающего потока воздуха, конусообразный полый флюгер установлен на крыше ветроэлектроавтомобиля с возможностью флюгерного поворота, конусообразный диффузор набегающего потока воздуха выполнен из прозрачного материала и нижней своей частью закрывает окна кабины водителя ветроэлектроавтомобиля, ветроколесо выполнено соосным сдвоенным, с противоположным друг другу направлением их вращения, которые установлены на входе конусообразного диффузора набегающего потока воздуха, оси сдвоенных ветроколес соединены через конусообразные зубчатые колеса с валом электрогенератора постоянного тока, лопасти ветроколес установлены на спицах с возможностью их разрешенного подпружиненного поворота относительно продольной оси спицы под действием центробежной силы в сторону уменьшения угла атаки, в каждую обмотку ротора электрогенератора постоянного тока включена общая точка соединения пары последовательное соединенных между собой вращающихся диодов, аноды которых подключены к вращающемуся кольцевому токосъемнику «-», а катоды каждой пары вращающихся диодов подсоединены к вращающемуся кольцевому токосъемнику «+», неподвижные выводы вращающихся кольцевых токосъемников связаны с соответствующими клеммами «-» и «+» электрогенератора постоянного тока.
Новизна полезной модели состоит в том, что предлагаемый ветроэлектроавтомобиль содержит складной шланг-рукав и конусообразный полый флюгер, узкая часть которого выполнена с проходным отверстием для присоединения к нему складного шланга-рукава на стоянках ветроэлектроавтомобиля при отсутствии ветра, проходное отверстие закрыто крышкой во время движения ветроэлектроавтомобиля, узкая часть конусообразного полого флюгера соединена с узкой частью конусообразного диффузора набегающего потока воздуха, конусообразный полый флюгер установлен на крыше ветроэлектроавтомобиля с возможностью флюгерного поворота, конусообразный диффузор набегающего потока воздуха выполнен из прозрачного материала и нижней своей частью закрывает окна кабины водителя ветроэлектроавтомобиля, ветроколесо выполнено соосным сдвоенным, с противоположным друг другу направлением их вращения, которые установлены на входе конусообразного диффузора набегающего потока воздуха, оси сдвоенных ветроколес соединены через конусообразные зубчатые колеса с валом электрогенератора постоянного тока, лопасти ветроколес установлены на спицах с возможностью их разрешенного подпружиненного поворота относительно продольной оси спицы под действием центробежной силы в сторону уменьшения угла атаки, в каждую обмотку ротора электрогенератора постоянного тока включена общая точка соединения пары последовательное соединенных между собой вращающихся диодов, аноды которых подключены к вращающемуся кольцевому токосъемнику «-», а катоды каждой пары вращающихся диодов подсоединены к вращающемуся кольцевому токосъемнику «+», неподвижные выводы вращающихся кольцевых токосъемников связаны с соответствующими клеммами «-» и «+» электрогенератора постоянного тока, что обеспечивает расширение диапазона использования энергии воздушных потоков ветра от нуля (штиль) до ураганного ветра, повышение коэффициента использования энергии ветра, КПД электрогенератора постоянного тока и успешное преодоление автомобильным транспортным средством скользких участков дороги.
Продольное сечение предлагаемого ветроэлектроавтомобиля схематично изображено на фиг.1 для случая, когда его скорость движения превышает скорость ветра, при этом на фиг.1 показан пунктирной линией шланг-рукав в развернутом виде на стоянке транспортного средства, когда нет ветра (штиль), на фиг.2 представлена конструктивная схема подпружиненной поворотной лопасти ветроколеса.
На фиг.1 и 2 обозначено: 1 - полый конусообразный диффузор набегающего потока воздуха; 2 и 3 - наружная (полая) и внутренняя оси ветро-колес соответственно; 4 - крышка проходного отверстия; 5 и 6 - конические зубчатые шестеренки (колеса) наружной и внутренней осей ветроколес соответственно; 7 - полый конусообразный флюгер; 8 и 9 - лопасти ветроколес, вращающихся в противоположных друг другу направлениях; 10 - коническая зубчатая шестеренка; 11 - электрогенератор постоянного тока; 12 - вал электрогенератора; 13 - кузов ветроэлектроавтомобиля; 14 - шланг-рукав в развернутом виде на стоянке транспортного средства при отсутствии ветра (штиль); 15 - обод ветроколеса; 16 - отверстие в ободе для размещения спицы; 17 - спица ветроколеса; 18 - отверстие в ободе для размещения фиксатора; 19 - фиксатор поворота лопасти; 20 - пружина-защелка; 21 - противодействующая центробежной силе пружина; 22 - ступица ветроколеса.
В исходном положении внутри полого конусообразного диффузора набегающего потока воздуха 1 размещены одна внутри (наружной) другой 2 внутренняя ось 3 сдвоенных ветроколес. Крышка 4 проходного отверстия закрыта.
Обод конического зубчатого колеса 5 через подшипник удерживает полый конусообразный диффузор набегающего потока воздуха 1 на крыше ветроэлектроавтомобиля, а обод конического зубчатого колеса 6 через соответствующий подшипник удерживает полый конусообразный флюгер 7 на крыше ветроэлектроавтомобиля. Лопасти 8 и 9 ветроколес вращаются в противоположных друг другу направлениях. Коническая зубчатая шестеренка 10 соединена с электрогенератором постоянного тока 11 с помощью вала 12. Электрогенератор 11 закреплен к корпусу кузова 13 ветроэлектроавтомобиля растяжками. Нижняя часть конусообразного диффузора 1 со стороны окон кабины водителя выполнена из прозрачного материала. Складной рукав-шланг 14 на фиг.1 показан пунктирными линиями и устанавливается на стоянке, когда нет ветра. В ободе 15 ветроколеса выполнено отверстие 16 для размещения в нем спицы 17. В отверстии 18 обода 15 ветроколеса установлен фиксатор 19 поворота лопасти 8 (9). Внутри обода 15 на фиксаторе 19 расположены пружины-защелки 20. Противодействующая центробежной силе пружина 21 одним концом закреплена к спице 17, а другим концом связана с корпусом ступицы 22 ветроколеса.
Предлагаемый ветроэлектроавтомобиль работает следующим образом.
При движении ветроэлектроавтомобиля со скоростью, меньшей скорости ветра, набегающий поток воздуха, как и в прототипе, улавливается коническим диффузором 1. Этот поток воздуха заставляет вращаться лопасти 8 и 9 ветроколес в противоположных друг другу направления. Вращения ветроколес через их оси 2 и 3 передаются с помощью зубчатых конических шестеренок 5, 6 и 10 на вал 12 электрогенератора 11. Выработанная электрическая энергия электрогенератором 11 направляется на подзарядку аккумуляторных батарей, которые на чертеже не показаны. При вращении одного ветроколеса формируется кинетический крутящий момент, вектор направления которого сохраняет свое неизменное положение в мировом пространстве, что приводит к выходу из строя боковых подшипников ветроколес прототипа и ухудшает дорожную управляемость транспортного средства. В предлагаемом техническом решении используются два ветроколеса, которые вращаются в противоположных друг другу направлениях и сформированные их кинетические моменты компенсируют друг друга. Одинаковую скорость вращения ветроколес и полную взаимную компенсацию их кинетических моментов обеспечивает механический дифференциал, образованный из конических зубчатых шестеренок 5, 6 и 10. При выполнении маневренных действий (обгон, повороты) ветроэлектроавтомобилем конический диффузор 1 с помощью флюгера 7 поворачивается и улавливают максимально возможный набегающий поток воздуха, что выгодно повышает коэффициент использования энергии потоков воздуха.
При движении ветроэлектроавтомобиля в условиях сильного ветра, когда скорость ветра превышает скорость движения ветроэлектроавтомобиля, под действием конусообразного полого флюгера 7 его продольная ось может не совпадать с продольной осью кузова 13 ветроэлектроавтомобиля. В этом случае за счет работы флюгера 7 конический диффузор 1 автоматически поворачивается против направления ветра, повышая коэффициент использования энергии ветра.
При ураганном ветре целесообразно сделать остановку ветроэлектроавтомобиля, как и для всех транспортных средств. Под действием центробежной силы вначале фиксатор 19 переместится в радиальном направлении в отверстии 18 обода 15 вдоль своей продольной оси, подожмет концы пружины-защелки 20, полностью войдет в отверстие 18 обода 15 ветроколеса, снимет свое фиксирующее действие и освободит лопасти 8 (9) для их поворота. Далее подпружиненные противодействующей пружиной 21 лопасти 8 (9) ветроколес под действием центробежной силы поворачиваются относительно продольной оси спицы 17 в отверстиях 16 обода 15 и ступицы 22 в сторону минимального (нулевого) угла атаки, выполняя при этом в основном функцию флюгера.
После прекращения ураганного ветра подпружиненные поворотные лопасти 8 (9) ветроколес под действием своих пружин 21 поворачиваются (возвращаются) на максимальный угол атаки, обеспечивая максимальную чувствительность ветроколес к слабому ветру, так как в предлагаемом центробежном регуляторе скорости вращения ветроколес отсутствуют известные инерционные грузы, которые использовались в качестве чувствительных элементов известных центробежных регуляторов частоты вращения ветроколес.
При отсутствии ветра (штиль) вращение ветроколес достигается за счет энергии воздушных потоков перепада атмосферного давления. В этом случае на остановке необходимо зафиксировать с помощью фиксаторов 19 лопасти 8 (9) на максимальный угол атаки и, далее, один конец складного шланга-рукава 14 установить в проходное отверстие, открыв крышку 4. Другой конец складного шланга-рукава 14 следует поднять на высоту не менее 6 метров, например, закрепив его на столбе, дереве и др. Закрыть крышкой 4 узкую часть полого конусообразного флюгера 7, чтобы не было через него подсоса воздуха. При высоте шланга-рукава 6 метров обеспечивается выработка электрической энергии генератором 11 до 15 0…200 вт при полном отсутствии ветра. Если поднять шланг-рукав 14 не представляется возможным, то один его конец можно опустить в кювет или придорожную канаву, а другой конец шланга-рукава 14 установить в проходное отверстие, убрав крышку 4. Приточные потоки воздуха будут выходить из расширяющейся части полого конусообразного флюгера 7 увлекая за собой воздушные потоки диффузора 1, что обеспечивает вращение ветроколес.
Высокий КПД электрогенератора 11 постоянного тока достигается тем, что в каждый виток или секцию витков обмоток ротора подключается средняя точка пары последовательно соединенных между собой вращающихся диодов. Катоды всех вращающихся диодов подключены к одному кольцевому вращающемуся токосъемнику «+», а аноды всех этих вращающихся диодов подсоединены к другому кольцевому вращающемуся токосъемнику «-». Подробная электрическая схема подключения вращающихся диодов проиллюстрирована в [3]. Неподвижные выводы вращающихся кольцевых токосъемников подключены к клеммам «+» и «-» электрогенератора 11. Вращающиеся диоды и кольцевые токосъемники эффективно выполняют функцию щеточно-коллекторного узла известных генераторов постоянного тока. Со всех вращающихся витков провода ротора одновременно сразу снимается максимально возможный ток, а не с пары щеток известных генераторов постоянного тока, что повышает КПД такого генератора. Диоды разделяют токи для каждой своей цепи (секции) обмоток ротора свой протекающий ток. На линии горизонтального нейтрального положения витка провода электрического тока нет и потому негативного влияния магнитного поля тока ротора на магнитное поле статора не проявляется. Отсутствие нежелательной, так называемой, реакции тока якоря, в предлагаемом электрогенераторе 11 постоянного тока позволяет подключать параллельно (одновременно) к одной общей нагрузке несколько электрогенераторов 11, например, на стоянке не одного, а группы ветроэлектроавтомобилей, сохраняя высокий КПД их электрогенераторов 11.
Для преодоления скользких и буксующих участков автомобильной дороги возможно использование подъемной аэродинамической силы, которая формируется с помощью ветроколес. В этом режиме движения транспортного средства ветроколеса впервые в мировой практике выполняют функцию пропеллера летательного аппарата. Генератор постоянного тока 11 необходимо переключить на режим работы двигателя постоянного тока, используя ранее запасенную электрическую энергию в аккумуляторных батареях. С помощью фиксаторов 19 необходимо зафиксировать лопасти 8 (9) ветроколес для формирования максимального угла атаки и, следовательно, для получения максимальной подъемной аэродинамической силы.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлена модель ветроэлектроавтомобиля в 2012 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что расширяется в самом широком пределе диапазон использования энергии воздушных потоков ветра от нуля (штиль) до ураганного ветра на автомобильных транспортных средствах путем взаимной компенсации крутящих моментов двух ветроколес, соосно вращающихся в противоположных друг другу направлениях с автоматическим отслеживаем угла атаки их лопастей 8 и 9 в зависимости от скорости их вращения. Кроме того, повышается не менее чем на 30…40% коэффициент использования энергии ветра путем поворота ветроколес флюгером 7 против ветра и высокой чувствительности ветроколес к слабому ветру за счет замены инерционных грузов центробежного регулятора скорости их вращения поворачивающимися подпружиненными лопастями 8 и 9, а также повышается не менее чем на 30…40% КПД электрогенератора постоянного тока за счет использования в обмотках ротора вращающихся спаренных диодов. Предоставляется техническая возможность преодолевать скользкие и буксующие участи дороги автомобильным транспортным средством с помощью подъемной аэродинамической силы, которая формируется ветроколесами как пропеллерами летательного аппарата.
Источники информации
1. Патент RU 38314 на полезную модель «Устройство для подзаряда аккумуляторных батарей электротранспортного средства», МПК B60L 8/00, приоритет: 04.03.2004, авторы и патентообладатели: Левин В.М. и Брук Е., (аналог).
2. Патент RU 2454334 на изобретение «Электромикроавтобус экологически чистый и безопасный для людей», МПК B60L 8/00, приоритет: 24.05.2010, авторы и патентообладатели: Сердечный А.С., Сердечный А.А., (прототип).
3. Патент RU 110420 на полезную модель «Ветроэлектрогенератор постоянного тока», МПК F03D 1/02, приоритет: 16.06.2011, авторы: Ахмедов Т.Х., Кочетов А.С., Смирнов Я.Д., патентообладатель: Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики».