RU2700802C1 - Двухсторонний ветрогенератор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетическим устройствам. Двухсторонний ветрогенератор включает электрогенератор, оснащенный с двух сторон шкивами с лопастями, расположенными на валу, установленный на крыше электромобиля, содержащего аккумуляторные батареи. Лопасти соседних шкивов зафиксированы с угловым смещением, меньшим размера угла между лопастями относительно друг друга, а лопасти снизу на две трети высоты лопасти закрыты защитным экраном, расположенным перпендикулярно потоку встречного воздуха. Изобретение направлено на повышение производительности ветрогенератора при выработке электроэнергии для электромобиля, в частности для подзарядки аккумуляторных батарей. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение относится к ветроэнергетическим устройствам, работающим на основе использования встречного потока воздуха для выработки электроэнергии, и может быть использовано для автономного и бесперебойного питания электромобиля, в частности для подзарядки аккумуляторных батарей.

Известно техническое решение по патенту RU 2375212 C1 B60K 16/00 F03D 3/00, опубл. 10.12.2009 г., АВТОМОБИЛЬНЫЙ ВЕТРОГЕНЕРАТОР, который содержит вал, генератор, установленный на опоре с обмотками на валу, многогранную призму с насадкой лопастей с присоединением конусной части. Перед конусной частью установлен козырек, расположенный под углом и закрепленный за кабину. Лопасти закреплены сваркой или болтами под углом к граням призмы с возможностью их поворота на 90 градусов с прижатием лопастей штормовым ветром плотно к поверхности граней призмы. Лопасти имеют пружины, один конец которых соединен с лопастью, а второй - с гранью призмы. Причем пружины подобраны таким образом, что обеспечивают при штормовом ветре поворот лопастей до положения, при котором их поверхности плотно прижимаются к поверхности граней. Изобретение обеспечивает использование двух видов ветровых потоков, а именно искусственного ветра при движении автомобиля и естественного ветра при стоянках. При использовании ветровых потоков устройство работает как самоуправляемое. Недостатки: сложность конструкции, недостаточная эффективность использования воздушных потоков, что ведет к низкой производительности генератора.

Известно техническое решение по заявке на патент RU 2005127106 А B60K 1/00, опубл. 10.03.2007 г., по которому ВЕТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ, содержащий по меньшей мере один модуль ветрогенератора и выпрямитель, в котором модуль ветрогенератора установлен на электромобиле, дополнительно содержащий плоский кожух, множество воздушных каналов и множество небольшие ветряных энергоблоков, установленных в воздушных каналах, воздуховпускные отверстия в указанном множестве воздушных каналов, направленные вперед по направлению движения электромобиля, воздуховыпускные отверстия во множестве воздушных каналов, направленные в сторону задней части электромобиля, при движении электромобиля воздух входит в указанные воздуховпускные отверстия воздушных каналов и приводит в движение множество ветряных энергоблоков, чтобы выработать электроэнергию, и вырабатываемая электроэнергия подается через выпрямитель на тяговый электродвигатель электромобиля. Между выпрямителем и тяговым электродвигателем установлено электронное реле, причем электрическая цепь электронного реле соединена с комплектом аккумуляторных батарей электромобиля, следовательно, когда электроэнергия, вырабатываемая модулем ветрогенератора недостаточна для движения электромобиля, комплект аккумуляторных батарей служит для компенсации недостаточной мощности, когда модуль ветрогенератора вырабатывает избыточную электроэнергию, дополнительная электроэнергия может быть использована для подзаряда аккумуляторной батареи. Недостатки: сложная конструкция, сложная система расположения воздушных каналов не обеспечивает поток, необходимый для выработки электроэнергии, соответственно, низкая производительность известной конструкции ветрогенератора.

Известно техническое решение по патенту RU 115019 U1 F03D 3/00, опубл. 20.04.2012 г., ВЕТРОГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ, который содержит ветроприемник, выполненный в виде конфузора, цилиндрическую камеру, в которой размещены ветровые колеса, сборный воздушный канал и электрогенераторы, размещенные вне цилиндрической камеры, причем он снабжен системой воздушного охлаждения, ветроприемник имеет верхнюю и нижнюю камеры, выполненные в виде конфузоров с тангенциальным подходом искусственного воздушного потока к ветровым колесам, которые установлены в цилиндрической камере, причем верхнее ветровое колесо соединено с внутренним валом, а нижнее ветровое колесо соединено с внешним валом, а за пределами цилиндрической камеры к этим коаксиально установленным валам прикреплены роторы в виде дисков с П-образным поперечным сечением, к внутренним стенкам которых прикреплены постоянные магниты, причем внутренний вал вращается по часовой стрелки, а внешний вал вращается против часовой стрелки вокруг статоров - магнитопроводов с рабочими обмотками, которые имеют узлы для крепления к внешним конструкциям, а сборный воздушный канал непосредственно сообщается с атмосферой в кормовой зоне электромобиля. Система воздушного охлаждения выполнена в виде вытяжного короба соединенного с трубой, выходное отверстие которой размешено в днище нижней камеры. Ветровые колеса имеют одинаковый диаметр, выполнены из прочного синтетического материала и имеют форму цилиндра с внешними прямоугольными вырезами в виде полусегмента, лежащего между двумя смежными радиусами и занимает площадь между перпендикуляром, опущенным из конца радиуса на другой радиус, и дугой, заключенной между этими радиусами. Коаксиально установленные валы выполнены из стали повышенной прочности. Постоянные магниты имеют форму кругового кольца с прямоугольным поперечным сечением и выполнены из редкоземельных элементов (самарий Sa, кобальт Со). Магнитопровод имеет двадцать четыре Т-образных секторных консолей, на которых размещены рабочие обмотки, причем каждые восемь рабочих обмоток подключены последовательно через две и образуют круговую рабочую обмотку, таких обмоток три. Станина магнитопровода выполнена из немагнитного материала. Недостатком является сложная конструкция, включающая воздуховод с нормальным, малоэффективным натеканием искусственного воздушного потока на ветровое колесо и сборный воздушный канал с боковыми рукавами, которые усложняют конструкцию сборного воздушного канала и создают незначительный аэродинамический эффект. Генераторы установлены вертикально, что затрудняет вращение оси, снижает производительность. Работает только одна половина оси генераторов - производительность очень низкая. Система воздушных камер усложняет, утяжеляет конструкцию, не достигая своей цели - скорость воздушного потока не увеличивается.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение по патенту RU №129052 U1 B60K 16/00, F03D 3/00 (2006.01) от 09.01.2013 г., по которому ВЕТРОГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ содержит, как минимум один генератор, как минимум один вал ротора, как минимум один шкив, лопасти, отличающийся выполнением вала ротора удлиненным, выступающим с двух сторон генератора, горизонтальным расположением вала к вертикальной оси электромобиля, перпендикулярным вектору движения электромобиля; как минимум два шкива с лопастями установлены на вал ротора по одному с каждой стороны генератора, каждый генератор жестко установлен на крепежную рейку, крепежная рейка жестко крепится к корпусу электромобиля ниже уровня крыши корпуса, при этом крыша корпуса электромобиля имеет прорези в виде прямоугольных отверстий для свободного выхода лопастей, количество и расположение прорезей соответствует количеству и расположению шкивов, установленных на валу ротора, количество шкивов соответствует как минимум двум на каждый генератор, количество генераторов зависит от требуемой мощности подзарядки аккумуляторов, при этом каждый генератор установлен перпендикулярно потоку воздуха. Недостаток: недостаточная производительность работы лопастей.

Указанные недостатки решает заявляемое техническое решение.

Техническая задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в устранении недостатков прототипа путем изменения приема воздушного потока у горизонтальных ветрогенераторов переменного тока прямыми лопастями. У всех известных горизонтальных ветрогенераторов воздушный поток действует только на изогнутую часть лопастей, и лопасти как бы отталкиваются от воздушного потока. В заявляемом изобретении воздушный поток работает под углом 180 градусов, что позволяет значительно увеличить скорость вращения ротора генератора прямыми или чашкообразными лопастями. При этом важен не диаметр лопастей, а радиус лопастей, так как воздушный поток работает как рычаг относительно оси вращения и противоположная лопасть не работает. Чтобы движение нижней лопасти не тормозилось встречным воздушным потоком - она должна быть закрыта экраном или корпусом-надстройкой над крышей. Чем больше высота радиуса лопастей от центра оси ротора генератора, тем меньше требуется энергии для вращения лопастей генератора. Не менее важную роль играет также высота и ширина лопастей. При работе лопастей генератора важна только треть высоты радиуса лопасти от центра оси ротора генератора. Поэтому две трети радиуса лопасти должны быть закрыты от встречного движения воздушного потока.

Для решения технической задачи предлагается конструкция двухстороннего ветрогенератора электромобиля с горизонтальной установкой генераторов, при этом роль воздухоприемника выполняет шкив с лопастями. При движении транспортного средства создается мощный поток встречного воздуха, который можно использовать для зарядки аккумуляторных батарей. Для этого используют обычные автомобильные генераторы. В настоящее время промышленность выпускает только односторонние генераторы различной мощности, которые применяются для ветрогенерации. Для повышения производительности ветрогенератора можно использовать двухсторонние ветрогенераторы, с удлиненной осью ротора генератора, на оба конца оси ротора надевают шкивы с прямыми или чашкообразными лопастями, выполняющие роль приемника воздушного потока. Шкивы и лопасти могут быть изготовлены, например, из пластмассы, алюминия и его сплавов, композитных материалов. Двухсторонние ветрогенераторы устанавливают перпендикулярно встречному потоку воздуха на верхней части транспортного средства - над крышей, при этом каждый шкив должен включать не менее 8 лопастей. Верхняя часть транспортного средства - крыша - должна иметь прорези в виде прямоугольных отверстий для свободного выхода лопастей, при этом генераторы и две трети радиуса лопастей находятся внутри корпуса. Для этого может быть использована надстройка, жестко закрепленная на крыше транспортного средства, например, электромобиля, электробуса. Надстройка должна быть сквозной для снижения сопротивления встречному воздушному потоку, за исключением экрана, закрывающего нижнюю часть шкива и две трети длины лопасти. Для увеличения вырабатывания электрического тока на каждой крепежной рейке могут быть установлены несколько двусторонних генераторов, каждый крепится жестко (например, болтами) к крепежной рейке, установленной жестко (например, сваркой) на крыше транспортного средства либо в корпусе надстройки. На электромобилях двухсторонние ветрогенераторы могут быть установлены под крышку капота, для этого крепежная рейка устанавливается к корпусу транспортного средства ниже уровня крышки капота, а крышка капота иметь прорези в виде прямоугольных отверстий для выхода лопастей шкива.

При движении транспортного средства, оснащенного ветрогенератором, создается мощный поток встречного воздуха, который начнет вращательное движение шкивов с лопастями и ротора двухстороннего генератора. Генераторы переменного тока начнут вырабатывать электрический ток, при этом с потоком работает только одна треть лопастей по высоте радиуса от центра оси ротора генератора, что важно для уменьшения сопротивления движению. Воздушный поток работает по касательной по отношению к лопастям и к корпусу транспортного средства и при вращении не создает значительного сопротивления движению. При установке шкивов с лопастями на ротор генератора необходимо поставить их так, чтобы лопасти одной стороны генератора не совпадали с положением лопастей на другой стороне ротора генератора, а со сдвигом в 5-15 градусов. Если лопасть при установке на одной стороне генератора равна углу 90 градусов к горизонтали, т.е. к направлению воздушного потока, до на другой стороне лопасть должна находиться под углом 80-85 градусов. Это позволит сторонам производить вытягивание неработающих лопастей под встречный поток воздуха из зон отработанных вихревых потоков и корпуса. Взаимодействовать с потоком воздуха должно как минимум три лопасти с каждой стороны от ветрогенератора. Также это позволит работать ротору без рывков и позволит равномерно распределить нагрузку на подшипники ротора с обеих сторон, а также использовать подшипники одного размера. Для уменьшения сопротивлению воздушному потоку можно увеличить диаметр шкивов, не увеличивая высоту лопастей.

Если транспортное средство стоит, то отсутствует поток воздуха и генераторы не выдают электрическую энергию, пока не начнется движение. Далее, когда электромобиль начнет движение, кинетическая энергия ветрового потока превратится в электрическую от вращения лопастей двухсторонних ветрогенераторов, далее переменный ток поступает на контроллер, где превращается в постоянный и идет непосредственно на аккумуляторну батарею (АКБ). АКБ электромобиля постоянно работает на разряд, поэтому производители увеличивают мощность АКБ для увеличения пробега. При движении происходит постоянная подзарядка АКБ от лопастных двухсторонних ветрогенераторов. Соответственно, когда транспортное средство стоит, генераторы не вырабатывают энергию, поэтому длительные остановки будут разряжать АКБ.

Расчет генераторов производят по наибольшей скорости движения электромобиля для того чтобы заряда хватало при такой скорости езды. Если скорость будет меньше, то и ротор генератора будет вращаться медленнее и выдавать меньше электрического тока и наоборот. Важно отметить, что АКБ работая в режиме заряда-разряда, значительно увеличивает срок эксплуатации АКБ, так что частые, но не очень длительные остановки будут положительно сказываться на работе АКБ. Предложенная идея применима только для подзарядки АКБ, и не связана с работой других устройств электромобиля.

На транспортное средство с электроприводом можно установить вторую сквозную крышу для сохранения формы и модели транспортного средства. Установить сквозную крышу необходимо так, чтобы примерно 90% воздушного потока проходило насквозь, не мешая движению. Вторая крыша устанавливается по желанию пользователя.

Описанный выше принцип работы двухсторонних генераторов можно использовать и на ветряных станциях (ветряках), но здесь используются не только автомобильные, но и более мощные генераторы. Лопасти генераторов на ветряных станциях также прямые или чашкообразные, также закрыты спереди экраном, ограждение задней и нижней части лопастей не требуется (для свободного выхода отработанного воздуха и осадков. Подобные генераторы можно использовать не только в сельской местности, но и в городе с установкой вместо мачты на крышах зданий, при этом можно уменьшить высоту лопастей, но увеличить ширину.

Двухсторонние лопастные генераторы для получения энергии можно использовать от потоков воды (например, отработанные потоки после гидроэлектростанций, водопады, пороги, быстрые реки, перекаты). На реках двухсторонние генераторы можно устанавливать как по длине всей реки, так и по ее ширине. Для этого ограждение закрывает две тети верхней части лопастей и с боков. Здесь смещение лопастей двух соседних шкивов относительно друг друга не требуется. Генераторы устанавливаются методом подвешивания или на стойках. Небольшие генераторы можно устанавливать даже на небольших или мелких речках. Получение электроэнергии с помощью ветрогенераторов относится к альтернативной энергетике и способствует сохранению окружающей среды, а использование двухсторонних ветрогенераторов повышает производительность и эффективность получения электроэнергии.

Технический результат - повышение производительности ветрогенератора при выработке электроэнергии для электромобиля, в частности для подзарядки аккумуляторных батарей.

Технический результат достигается за счет конструкции двухстороннего ветрогенератора, включающего электрогенератор, оснащенный с двух сторон шкивами с лопастями, расположенными на валу, установленного на крыше электромобиля, содержащего аккумуляторные батареи, при этом лопасти соседних шкивов зафиксированы с угловым смещением, меньшим размера угла между лопастями относительно друг друга, а лопасти снизу на две трети высоты лопасти закрыты защитным экраном, расположенным перпендикулярно потоку встречного воздуха. Например, если угол между двумя соседними лопастями одного шкива составляет 45°, то другой шкив двухстороннего ветрогенератора установлен с угловым, от 5° до 40°относительно лопастей соседнего шкива. Как частный случай, лопасти могут быть прямыми. Другой частный случай, при котором лопасти могут быть чашкообразными.

Сущность технического решения поясняют графические изображения на фиг. 1-10.

Фиг. 1 - генератор двухсторонний,

Фиг. 2 - генератор с одетыми на вал шкивами и лопастями (вид спереди),

Фиг. 3 - шкив с лопастями (вид сбоку),

Фиг. 4 - второй (парный) шкив с угловым смещением лопастей (вид сбоку),

Фиг. 5 - установка генераторов на электромобиль (вид спереди).

Фиг. 6 - установка генераторов на электромобиль с экраном (вид спереди),

Фиг. 7. - установка генераторов на электромобиль с экраном и сквозной крышей (вид спереди),

Фиг. 8. - сквозная крыша (вид спереди и сверху),

Фиг. 9. - двухсторонний ветрогенератор стационарный (вид спереди, сбоку и сверху),

Фиг. 10 - двухсторонний генератор стационарный для использования энергии водного потока (вид спереди, сбоку и сверху).

где 1 - вал ротора генератора;

2 - генератор;

3 - шкив;

4 - лопасти.

5 - крепежная рейка.

6 - экран (или часть корпуса электромобиля);

7 - сквозная крыша;

8 - стойка стационарного ветрогенератора (ветряка);

9 - подшипник;

10 - защита (защитный экран);

11 - пластина (принцип флюгера);

12 - плита для установки генератора и защиты.

Пример осуществления.

Чтобы использовать встречный поток воздуха, для увеличения скорости вращения и производительности выработки электроэнергии на вал 1 генератора 2 с двух сторон одевают шкив 3 с лопастями 4, изготовленными, например, из пластмассы, алюминия, титана и т.д. Второй шкив 3 с лопастями 4 одевают таким образом, чтобы образовалось угловое смещение, например, 5-15 градусов лопастей второго шкива относительно первого. Рассмотрим фиг. 4: угол 60 градусов от горизонтальной плоскости минус 45 градусов угла между шкивами это 15 градусов - в данном случае угловое смещение между лопастями парных шкивов одного генератора. Модернизированные генераторы устанавливают перпендикулярно потоку воздуха, как на электромобилях, так и на стационарных ветрогенераторах (ветряках) фиг. 9. Крепежная рейка 5 жестко (например, болтами) крепится к корпусу электромобиля ниже уровня крыши корпуса электромобиля, при этом крыша корпуса электромобиля имеет прорези в виде прямоугольных отверстий для свободного выхода лопастей. Если генераторы установлены выше уровня крыши для сохранения целостности корпуса транспортного средства, лопасти 4 спереди снизу должны быть закрыты экраном 6 на две трети высоты лопасти. Сверху устанавливается сквозная крыша 7 (фиг. 8).

Для увеличения мощности на одной крепежной рейке 5 могут быть установлены несколько генераторов (фиг. 5), каждый жестко (например, болтами) монтируется к крепежной рейке, при этом каждый генератор содержит удлиненный вал, на каждом из которых с двух сторон от генератора установлен шкив с лопастями. Для примера возьмем вариант установки генератора на крышу электромобиля (фиг.5, фиг.6, фиг.7): для зарядки можно использовать один, два или несколько генераторов в зависимости от мощности аккумуляторных батарей. Крепежную рейку 5 (фиг. 5) изготавливают из металлопроката (например, шинки металлической, уголка и т.д.) Встречным потоком воздуха за счет движения лопастей 4 ротор генератора 2 начнет вращаться и вырабатывать электрический ток. При этом лопасти 4 должны выходить за корпус электромобиля примерно на одну треть, а две трети должны быть закрыты (фиг. 7). Форма лопастей может быть прямой или чашкообразной.

Для стационарного использования двухстороннего ветрогенератора устанавливают на стойку 8 плиту 12, на которую монтируют генератор 2 с двумя выступающими концами вала 1 и шкивы с лопастями 4. При установке шкивов используют тот же принцип углового смещения лопастей одного шкива относительно другого и закрытие защитным экраном 10 на две трети нижней части (фиг. 9).

Заявляемое изобретение позволяет существенно повысить производительность использования встречного потока воздуха и силы ветра для подзарядки аккумуляторных батарей на электромобилях и выработки электроэнергии на ветрогенераторах, при помощи лопастных генераторов, устанавливаемых со смещением относительно друг друга перпендикулярно потоку воздуха с прямыми или чашкообразными лопастями. При использовании стационарных двухсторонних ветрогенераторов и стационарных генераторов с использованием потоков воды выработанная электроэнергия может использоваться для обслуживания инфраструктуры, жилых и общественных объектов, например освещения и т.д.

Claims (3)

1. Двухсторонний ветрогенератор, включающий электрогенератор, оснащенный с двух сторон шкивами с лопастями, расположенными на валу, установленный на крыше электромобиля, содержащего аккумуляторные батареи, отличающийся тем, что лопасти соседних шкивов зафиксированы с угловым смещением, меньшим размера угла между лопастями относительно друг друга, а лопасти снизу на две трети высоты лопасти закрыты защитным экраном, расположенным перпендикулярно потоку встречного воздуха.

2. Двухсторонний ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что лопасти изготовлены прямыми.

3. Двухсторонний ветрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что лопасти изготовлены чашкообразными.

Images