ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2229621

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА

Имя изобретателя: Соболев В.М. (RU); Чабанов Алим Иванович (UA) 
Имя патентообладателя: Общество с ограниченной ответственностью "Научно- производственная корпорация "ЭЛЕВИТ"
Адрес для переписки: 400005, г.Волгоград, пр. Ленина, 88, оф.313, М.М. Корниловой
Дата начала действия патента: 2002.01.04 

Изобретение предназначено для преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока в механическую или электрическую энергию. Способ преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока заключается в подаче через тяговую трубу на турбинное колесо и его энергогенерирующие элементы воздушного потока с последующим преобразованием его энергии в механическую или электрическую. При прохождении потока через тяговую трубу перед его поступлением на турбинное колесо поперечное сечение потока разделяют на параллельные расположенные изолированно друг от друга каналы, концентрически распределенные по всему поперечному сечению потока, причем каждый из потоков направляют на соответствующий участок турбинного колеса, энергогенерирующие элементы которого также разделяют на концентрические энергонезависимые друг от друга участки, а полученную механическую или электрическую энергию синхронизируют и приводят в соответствие к потребительским показателям. Устройство содержит заключенные в тяговых трубах роторы ветротурбины с лопастями и энергогенерирующие элементы. Роторы выполнены в виде вращающихся на независимых друг от друга концентрических кольцевых неподвижных опорах энергодифференцирующих втулок, коаксиально смонтированных в тяговой трубе. Между неподвижными опорами образованы проемы для пропуска воздушного потока. Каждая из вращающихся энергодифференцирующих втулок и соответствующая ей неподвижная опора снабжены автономными секциями электрогенератора, элементы которого расположены напротив друг друга на втулках и опорах. Изобретение позволяет повысить КПД преобразования энергии.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к технологии преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока в механическую или электрическую энергию.

В мощных ветроэнергетических установках неизбежно применение ветротурбин большого диаметра. В этом случае для достижения высокого КПД ветротурбины необходимо в расчетах сводить в одни зависимости линейные скорости движения лопастей на различных радиальных расстояниях от оси вращения, скорость перпендикулярного движения воздушного потока и скорость распространения звука в воздушной среде. Так, если принять обычный генератор с наружным диаметром вращающейся части в 1 м, то линейная скорость его поверхности вращения при 3000 об/мин достигает значения половины величины скорости звука в воздушной среде. Такая скорость резко повышает эффективность использования меди и электротехнической стали на каждый киловатт мощности, однако требует своих технических решений по повышению качества бандажной проволоки и прочих вращающихся частей электрогенератора. В случае с ветротурбиной эта проблема значительно усложняется: если диаметр вращающихся элементов ветротурбины составляет 60 м, то при угловой скорости вращения 60 об/мин линейная скорость на внешнем диаметре составляет величину, равную половине скорости звука в воздушной среде, а при 120 об/мин равна ей. Это - критическая граница скорости, т.к. за ее пределами компонента энергий ветрового потока в виде его давления уже не будет успевать за убеганием поверхности лопасти. Положение с соотношением реальной скорости воздушного потока и скорости перемещения поверхностей лопастей еще более сложно: необходимо обеспечить согласованное действие скорости и давления воздухопотока, т.е. снизить угловую скорость ветротурбины. С другой стороны, если скорость линейного движения поверхностей лопастей на внешнем диаметре в 50 м достигает скорости звука в воздухе, то в этой же турбине поверхности лопастей на диаметре в 6 м движутся с линейной скоростью в 10 раз ниже, и значит, эта часть турбины используется лишь частично, в том числе по КПД. Поэтому варианты подключения к валу такой турбины нескольких валов электрогенераторов через передачи не приводят к конкурентоспособному техническому решению в сравнении с относительно малыми по размерам высокоскоростными паротурбогенераторами.

Таким решением является а.с. СССР 1078120 от 1984 г. МКИ F 03 D 1/00, по которому ветродвигатель содержит башню с головкой и ветроколеса, установленные на концентрически расположенных в головке валах и имеющие каждое внутренний и наружный обод с размещенными между ними лопастями. Ветроколеса расположены соосно в порядке возрастания диаметров их ободов в направлении к башне. Предполагается, что давлением ветра на лопасти ветроколеса приходят во вращение, но с разными угловыми скоростями. Передаточные числа зубчатых передач от вала ветроколес на центральный вал двигателя согласованы с частотами вращения ветроколес.

Известен преобразователь воздушного потока, представляющий собой смонтированные на поворотном устройстве спаренные через редуктор турбины или вертикально расположенные турбины, соединенные клиноременной передачей (патент США 4074951 от 1978 г. МКИ F 03 D 3/04). Недостатком этой конструкции является ее громоздкость, металлоемкость, связь через редукторы требует дополнительной затраты энергии, а клиноременная передача делает установку нерентабельной.

Наиболее близким аналогом, принимаемым за прототип заявленного способа преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока и устройства для осуществления этого способа, является силовая установка ветроэлектродвигателя, содержащая энергоблок, кинематически связанный с ветродвигателем, состоящим из четырех ветроколес барабанного типа с лопастями, размещенных в тяговых трубах попарно друг над другом. Энергоблок снабжен по меньшей мере двумя генераторами разной мощности, установленными на общем валу. При работе силовой установки воздушный поток подают через трубу на турбинное колесо и его энергогенерирующие элементы, а затем преобразуют его энергию в механическую или электрическую (патент России 2000467 от 1993 г. МКИ F 03 D 1/02). Недостаток прототипа заключается в том, что ветроколеса имеют ограниченный наружный диаметр и соединены механически (при помощи целей Галя) в единый агрегат, что не позволяет создать ветроколеса большого диаметра, способные одинаково эффективно получать энергию как в центре колеса, так и на его периферии.

Задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы повысить КПД блока "ветротурбина - генератор" путем создания ветротурбины диаметром до 100 и более метров для гелиоэнергетических систем мощностью более 100 тыс. кВт при технически и экономически конкурентоспособных технических решениях по сравнению с существующими теплоэлектроцентралями, работающими на углеводородном сырье, а также путем одинаково эффективного съема энергии как в центре ветротурбины, так и на ее периферии.

Эта задача решается тем, что способ преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока заключается в подаче через тяговую трубу на турбинное колесо и его энергогенерирующие элементы воздушного потока с последующим преобразованием его энергии в механическую или электрическую. При прохождении потока через тяговую трубу перед его поступлением на турбинное колесо поперечное сечение потока разделяют на параллельные расположенные изолированно друг от друга каналы, концентрически распределенные по всему поперечному сечению потока, причем каждый из потоков направляют на соответствующий участок турбинного колеса, энергогенерирующие элементы которого также разделяют на концентрические энергонезависимые друг от друга участки, а полученную механическую или электрическую энергию синхронизируют и приводят в соответствие к потребительским показателям. Энергогенерирующие элементы выполняют в виде электрогенерирующих секций электрофорного преобразования энергии, трущиеся поверхности которого покрывают энергетически сопряженными материалами. Энергогенерирующие элементы выполняют из стекла и эбонита.

Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока содержит заключенные в тяговых трубах роторов ветротурбины с лопастями и энергогенерирующие элементы. Роторы выполнены в виде вращающихся на независимых друг от друга концентрических кольцевых неподвижных опорах энергодифференцирующих втулок, коаксиально смонтированных в тяговой трубе. Между концентрическими кольцевыми неподвижными опорами образованы проемы для пропуска воздушного потока. Каждая из вращающихся энергодифференцируюших втулок и соответствующая ей неподвижная опора снабжены автономными секциями электрогенератора, энергогенерирующие элементы которого в виде постоянных магнитов и электрических обмоток с магнитопроводами расположены напротив друг друга на втулках и опорах. Постоянные магниты электрогенератора могут быть установлены на свободных от лопастей поверхностях энергодифференцирующих втулок, а электрические обмотки и магнитопроводы закреплены напротив постоянных магнитов на неподвижных опорах или, наоборот, электрические обмотки и магнитопроводы электрогенератора установлены на свободных от лопастей поверхностях энергодифференцирующих втулок, а постоянные магниты закреплены напротив электрических обмоток и магнитопроводов на неподвижных опорах. Элементы секций электрогенераторов могут быть утоплены в поверхность энергодифференцирующих втулок. Энергодифференцирующие втулки снабжены независимыми друг от друга заслонками. Наружные поверхности энергодифференцирующих втулок стянуты бандажными канатами. К бандажным канатам закреплены одним своим концом предварительно напряженные радиальные канаты, другой конец которых смонтирован на внешнем ребре соответствующей канату лопасти. Аэродинамическая поверхность лопастей зафиксирована профилирующими канатами. Втулки могут быть выполнены составными по высоте из колец, снабженных вертикальными каналами, сквозь которые пропущены вертикальные канатные стяжки. Лопасти могут быть выполнены гибкими из тонколистовой стали, закрепленными на поверхности энергодифференцирующих втулок в профильных пазах. На поверхности лопастей смонтированы поперечные канатные стяжки, размещенные поперек профилирующих канатов и закрепленные относительно них. Профилирующие канаты предварительно напряжены относительно бандажных канатов. Лопасти могут быть выполнены гибкими из пленочных материалов, армированных полимерными трубками, сквозь которые пропущены поперечные канатные стяжки и профилирующие канаты. Секции электрогенератора каждой энергодифференцирующей втулки синхронизированы на выходе друг с другом и приведены по электрическим параметрам к требованиям потребительской сети. Поверхности неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок выполнены соприкасающимися и на поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок нанесено тонкопленочное покрытие одного из электрически сопряженных материалов, а другой электрически сопряженный материал также в виде пленки нанесен на соответствующую поверхность вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор в зоне их соприкосновения. В качестве электрически сопряженных материалов могут быть применены эбонит и стекло. Опоры вращения могут быть выполнены в виде магнитной удерживающей подушки или в виде воздушной подушки, или в виде закрепленных на соприкасающихся поверхностях неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок второпластовых вкладышей, покрытых жидкой смазкой. На поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок образовано коротковорсовое покрытие из токопроводящих материалов, защищенное слоем вещества с малым сопротивлением приповерхностного выхода электронов, а на соответствующей поверхности вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор смонтированы токосниматели, выполненные в виде кистей из гибкого электропроводящего материала, причем поверхности коротковорсового покрытия и кистей покрыты слоями энергетически сопряженных материалов.

Сопоставительный анализ предложенного способа преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока с прототипом показывает, что он отличается тем, что при прохождении потока через тяговую трубу перед его поступлением на турбинное колесо поперечное сечение потока разделяют на параллельные расположенные изолированно друг от друга каналы, концентрически распределенные по всему поперечному сечению потока, причем каждый из потоков направляют на соответствующий участок турбинного колеса, энергогенерирующие элементы которого также разделяют на концентрические энергонезависимые друг от друга участки, а полученную механическую или электрическую энергию синхронизируют и приводят в соответствие к потребительским показателям. Энергогенерирующие элементы выполняют в виде электрогенерирующих секций электрофорного преобразования энергии, трущиеся поверхности которого покрывают энергетически сопряженными материалами. Энергогенерирующие элементы выполняют из стекла и эбонита.

Сопоставительный анализ заявленного устройства для преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается тем, что роторы выполнены в виде вращающихся на независимых друг от друга концентрических кольцевых неподвижных опорах энергодифференцирующих втулок, коаксиально смонтированных в тяговой трубе. Между концентрическими кольцевыми неподвижными опорами образованы проемы для пропуска воздушного потока. Каждая из вращающихся энергодифференцирующих втулок и соответствующая ей неподвижная опора снабжены автономными секциями электрогенератора, энергогенерирующие элементы которого в виде постоянных магнитов и электрических обмоток с магнитопроводами расположены напротив друг друга на втулках и опорах. Постоянные магниты электрогенератора могут быть установлены на свободных от лопастей поверхностях энергодифференцирующих втулок, а электрические обмотки и магнитопроводы закреплены напротив постоянных магнитов на неподвижных опорах или наоборот, электрические обмотки и магнитопроводы электрогенератора установлена на свободных от лопастей поверхностях энергодифференцирующих втулок, а постоянные магниты закреплены напротив электрических обмоток и магнитопроводов на неподвижных опорах. Элементы секций электрогенераторов могут быть утоплены в поверхность энергодифференцирующих втулок. Энергодифференцирующие втулки снабжены независимыми друг от друга заслонками. Наружные поверхности энергодифференцирующих втулок стянуты бандажными канатами. К бандажным канатам закреплены одним своим концом предварительно напряженные радиальные канаты, другой конец которых смонтирован на внешнем ребре соответствующей канату лопасти. Аэродинамическая поверхность лопастей зафиксирована профилирующими канатами. Втулки могут быть выполнены составными по высоте из колец, снабженных вертикальными каналами, сквозь которые пропущены вертикальные канатные стяжки. Лопасти могут быть выполнены гибкими из тонколистовой стали, закрепленными на поверхности энергодифференцирующих втулок в профильных пазах. На поверхности лопастей смонтированы поперечные канатные стяжки, размещенные поперек профилирующих канатов и закрепленные относительно них. Профилирующие канаты предварительно напряжены относительно бандажных канатов. Лопасти могут быть выполнены гибкими из пленочных материалов, армированных полимерными трубками, сквозь которые пропущены поперечные канатные стяжки и профилирующие канаты. Секции электрогенератора каждой энергодифференцирующей втулки синхронизированы на выходе друг с другом и приведены по электрическим параметрам к требованиям потребительской сети. Поверхности неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок выполнены соприкасающимися и на поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок нанесено тонкопленочное покрытие одного из электрически сопряженных материалов, а другой электрически сопряженный материал также в виде пленки нанесен на соответствующую поверхность вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор в зоне их соприкосновения. В качестве электрически сопряженных материалов могут быть применены эбонит и стекло. Опоры вращения могут быть выполнены в виде магнитной удерживающей подушки или в виде воздушной подушки, или в виде закрепленных на соприкасающихся поверхностях неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок второпластовых вкладышей, покрытых жидкой смазкой. На поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок образовано коротковорсовое покрытие из токопроводящих материалов, защищенное слоем вещества с малым сопротивлением приповерхностного выхода электронов, а на соответствующей поверхности вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор смонтированы токосниматели, выполненные в виде кистей из гибкого электропроводящего материала, причем поверхности коротковорсового покрытия и кистей покрыты слоями энергетически сопряженных материалов.

Проведенный анализ указывает на наличие новизны в заявленном изобретении.

Сравнение предложенных способа и устройства с другими известными техническими решениями аналогичного назначения показывает, что разделение поперечного сечения воздушного потока на параллельные расположенные изолированно друг от друга каналы, концентрически распределенные по всему сечению ветропотока в тяговой трубе, а также разделение энергогенерирующих элементов на концентрические энергонезависимые друг от друга участки при помощи коаксиально смонтированных энергодифференцирующих втулок, установленных с возможностью вращения на независимых друг от друга индивидуальных неподвижных опорах в сочетании с монтажом на каждой из вращающихся энергодифференцирующих втулок и соответствующих ей неподвижной опоре автономных секций единого электрогенератора, позволяют одинаково эффективно снимать энергию как в центре ветротурбины, так и на ее периферии, создавая условия для конструирования ветротурбоколес большого диаметра и большой мощности, что повышает КПД установки, позволяет снизить расход меди и в конечном счете создавать конструкции гелиоветродвигателей, конкурентноспособных с существующими теплоэлектростанциями, работающими на углеводородном сырье. При этом гелиоветродвигатели в отличие от теплоэлектростанций на углеводородном сырье будут обладать экологической чистотой.

Приведенное сравнение показывает, что при применении заявленного способа и устройства для его осуществления решается поставленная перед изобретением задача и достигается новый, ранее неизвестный положительный эффект.

Изобретение поясняется на примере его выполнения в составе гелиоэнергетической установки.

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ПОТОКА
   
   

На фиг.1-5 изображено:

- на фиг.1 - турбинное колесо, вид в плане;

- на фиг.2 - воздухоподводящие каналы и вертикальное сечение турбинного колеса;

- на фиг.3 - принципиальная схема электрогенераторного блока;

- на фиг.4 - принципиальная схема интегральной синхронизации:

- на фиг.5 - схема энергопреобразующего канала.

Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока гелиоэнергетической установки выполнено в виде тяговой трубы 1, поперечное сечение которой разделено на энергопреобразующие каналы 2 посредством энергодифференцирующих цилиндрических втулок 3, между которыми закреплены лопасти 4 турбоколеса (на фиг.1 и 2 условно представлены несколькими фрагментами). Наружные поверхности энергодифференцирующих втулок стянуты бандажными канатами 5, расположенными по всей их высоте. К бандажным канатам на всех энергодифференцирующих втулках закреплены и предварительно напряжены радиальные канаты 6, которые при полной сбалансированности угловых скоростей вращения энергодифференцирущих втулок несут только радиальные усилия, заданные предварительным напряжением. Для автономного регулирования мощности воздушного потока 7 на выходе энергетических каналов смонтированы устройства 8, представляющие собой независимые друг от друга автоматически управляемые заслонки. Заслонки могут быть выполнены из пленочных материалов.

Форма аэродинамической поверхности 9 лопастей 4 фиксируется профилирующими канатами 10. Профилирующие канаты предварительно напряжены относительно бандажных канатов 5. В случае выполнения лопастей 4 гибкими из тонколистовой стали, закрепляемой в профилеобразующих пазах, образованных на соответствующих поверхностях энергодифференцирующих втулок, конструктивные элементы крепления профилирующих канатов могут быть выполнены в виде канавок на поверхностях лопастей и узлов закрепления и предварительного напряжения профилирующих канатов относительно бандажных канатов 5. В случае изготовления гибких лопастей 4 с применением в качестве их поверхностей пленок конструктивные элементы, удерживающие профиль лопастей во время работы под давлением воздушного потока, могут быть выполнены с применением трубок из полимерного материала (устройства крепления лопастей не показаны). На поверхности лопастей 4 размещаются поперек профилирующих канатов 10 и закрепляются относительно них поперечные канатные стяжки 11. Аналогичные вертикальные канатные стяжки 12 проходят по каналам 13 внутри корпуса энергодифференцирующих втулок 3. Втулки 3 могут быть выполнены по высоте из составных колец, в этом случае вертикальные канатные стяжки 12 пропущены через эти кольца и за счет натяжения объединяют втулки в единый жесткий корпус. Канатные стяжки 12 могут проходить внутри корпусов втулок 3 или снаружи вдоль их поверхностей. Таким образом, поперечные канатные стяжки 11 увязывают вертикальные канатные стяжки 12, бандажные канаты 6 и профилирующие канаты 10, а также радиальные канаты 6 в единую сетку, являющуюся основой прочности и устойчивости всей конструкции при повышенных угловых скоростях вращения ветроколеса и при действии на него всей системы сил, включая осевые силы.

Энергодифференцирующие втулки 3 могут быть выполнены из легкого материала, каждая из них установлена на своем подшипнике, что позволяет им развивать высокие скорости вращения. Ветротурбина предложенной конструкции может иметь наружный диаметр внешнего лопастного колеса, до 100 м и более. Элементы секций электрогенераторов могут быть утоплены в поверхность энергодифференцирующих втулок 3.

Энергодифференцирующие втулки 3 связаны энергопреобразующим электрогенерирующим блоком 14 чepeз промежуточные опоры 15 с тороидообразным вращающимся диском 16, входящим в состав электрогенерирующего блока 14, который представляет собой одну из электрогенерирующих секций единого электрогенератора. Промежуточные опоры 15 также могут быть выполнены составными из цилиндрических колец, объединенных при монтаже вертикальными канатными стяжками. Опоры вращения могут быть выполнены в виде магнитной удерживающей подушки или в виде воздушной подушки, а также в виде закрепленных на соприкасающихся поверхностях неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок второпластовых вкладышей, покрытых жидкой смазкой.

Подвижная часть секции электрогенерирующего блока 14 содержит устройство для создания энерговозбуждающего поля, например постоянные магниты 17, и устройство, выполняющее функции силового элемента, дополнительно корректирующего силу энерговозбуждающего поля и выполненного в приведенном варианте в виде электромагнитной системы подвозбуждения 18. Относительно опоры вращения 15 постоянные магниты 17 и системы подвозбуждения 18 расположены концентрически в два ряда симметрично относительно оси споры. Снабженная электрическими катушками 19 неподвижная энергопреобразующая часть 20 секции электрогенерирующего блока 14 представляет собой два концентрических ряда развернутых силовых обмоток электрогенератора, закрепленных на неподвижной несущей платформе 21, на которой смонтирована также ответная неподвижная часть опоры вращения 15. На поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок может быть образовано коротковорсовое покрытие из токопроводящих материалов, защищенное слоем вещества с малым сопротивлением приповерхностного выхода электронов, а на соответствующей поверхности вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор смонтированы токосниматели, выполненные в виде кистей из гибкого электропроводящего материала, причем поверхности коротковорсового покрытия и кистей покрыты слоями энергетически сопряженных материалов (не показаны).

Повышенные линейные скорости вращения постоянных магнитов 17 и системы подвозбуждения 18 на тороидообразном диске 16 позволяют выполнять неподвижные постоянные магниты 19 с их магнитопроводами легкими при малом числе витков и высококачественной изоляцией, что делает возможным электрогенерирующие секции доводить до мощности 30-35 кВт, продольно сокращая расход дорогостоящей меди.

Несущие платформы 21 установлены на фундаментной базе гелиоэнергетической установки и расположены концентрически относительно друг друга. Между элементами фундаментной базы выполнены технологические проемы и смонтированы не показанные на фиг.1-5 приспособления для монтажа и обслуживания ветротурбины и тяговой трубы. На концентрических несущих платформах, кроме того, смонтированы токораспределительные, вспомогательные энергопреобразующие и регулирующие системы, средства энергообеспечения опор вращения и т.п. элементы.

Системы подвозбуждения 18 могут быть смонтированы на неподвижной несущей платформе 21, тогда постоянные магниты 19 и устройство, выполняющие функции силового элемента, дополнительно корректирующего силу энерговозбуждающего поля и выполненного в приведенном варианте в виде электромагнитной системы подвозбуждения 18, должны размещаться на подвижной части опоры вращения 15.

Разбивка классического генератора на плоские концентрические электрогенерирующие секции, кроме удешевления и повышения надежности электрогенерирующей конструкции, открывает и другие возможности усиления эффективности предложенного способа. В частности, электропреобразующие дисковые конструкции позволяют применить иные физические принципы получения электрического напряжения.

Секции электрогенерирующего блока 14 посредством полупроводникового коммутатора 22 соединены в последовательные электрические ветви, состав которых может регулироваться. Электрические ветви подключены к полупроводниковому синхронизатору 23, выход которого замкнут на потребляющую электрическую сеть 24. Электромагнитная система подвозбуждения 18, корректирующая величину энерговозбуждающего поля в секциях электрогенерирующего блока 14, электрически соединена с компьютерным центром 25, в функции которого входит, помимо прочего, управление процессом синхронизации параметров энергопреобразующих каналов с параметрами потребляющей электрической сети, распределение энергосодержания этих каналов и их электрических нагрузок по условиям текущей выработки товарной электроэнергии и по условиям отпуска электроэнергии на собственные нужды. Для регулирования энергосодержание воздушных потоков 7, направляемых в энергопреобразующие каналы I, II и III, автоматически управляемые заслонки 8 связаны через устройства управления 26 с компьютерным центром 25.

Способ и устройство реализуются следующим образом

Воздушный поток 7 поступает во внутреннюю полость ветротурбины, которая рассекает его на энергопреобразовательные каналы I, II и III посредством энергодифференцирующих втулок 3 и направляет его на лопасти 4. Кинетическая энергия движущегося воздушного потока и перепад давления в нем в области ветротурбины воздействуют на лопасти 4, в результате чего возникает крутящий момент относительно продольной осп ветротурбины. Под воздействием этого момента все энергодифференцирующие втулки 3 начинают вращаться, передавая крутящий момент на секции электрогенерирующего блока 14 и черев него на тороидообразный диск 16 с закрепленными в нем постоянными магнитами 17 и силовыми элементами 18 системы подвозбуждения.

Балансировку энергосодержания энергопреобразовательных каналов I, II и III осуществляют заслонками 8, которые регулируют скорости воздушных потоков в каждом из каналов. Балансировка может быть выполнена и другим способом: отдельные секции ветроколеса в виде энергодифференцирующих втулок 3 с закрепленными в них лопастями 4 и со связанными с ними секциями электрогенерирующего блока 14 выводятся из соответствующего энергопреобразовательного канала в зону обслуживания, а сам канал частично или полностью перекрывается заслонкой 8, тогда как другие секции ветротурбины продолжают работать.

Интегральная комплексная синхронизация энергопреобразовательных процессов с параметрами потребляющей электрической сети осуществляется при воздействии на ветротурбину общего воздушного потока 7 следующим образом: группы электрических катушек электрогенерирующих секций I, II и III соединяются последовательно и могут перекоммутироваться тиристорными коммутаторами 22, расположенными на неподвижных несущих платформах 21. Компоновка электрических ветвей позволяет устанавливать их напряжение в соответствии с напряжением потребляющей электрической сети, в том числе в случае общего изменения мощности воздушного потока 7 под воздействием атмосферных изменений.

Электрические ветви параллелятся между собой в тиристорном преобразователе 23, в котором осуществляется также синхронное включение энергоустановки в потребляющую электрическую сеть. Точная подгонка синхронизирующих параметров осуществляется посредством конструктивных силовых элементов системы подвозбуждения 18, воздействующих на магнитный поток в воздушном зазоре, образованном между постоянными магнитами 17 и электрическими катушками 19. Силовые элементы системы подвозбуждения 18 - электрические обмотки на магнитопроводах - воздействуют на магнитный поток в диапазоне до 7% от общей величины магнитного потока. Воздействия на силовые элементы 18 осуществляются компьютерным центром 26, который вырабатывает оперативные решения в процессе синхронизации и инвариантные управляющие воздействия в соответствии с заложенной в него программой отпуска электроэнергии потребителям и краткосрочными прогнозами погодных условий окружающей среды и, следовательно, прогнозами энергосодержания воздушного потока 7. При этом происходит воздействие на положение автоматически управляемых заслонок 8, а также на другие устройства и системы, воздействующее на общее энергосодержание воздушного потока.

Конструктивно в секциях электрогенерирующих блоков 14 вместо магнитных систем 17 и 18 могут быть применены тонкопленочные покрытия, например, из кремния, а вместо электрических катушек могут быть установлены токосниматели, поверхности трения которых образованы нанесением тонких пленок энергетически сопряженных материалов, т.е. материалов, одни из которых теряют электроны, а другие их приобретают в результате механического теплового контакта этих веществ в процессе трения. В качестве таких материалов можно использовать, например, стекло и эбонит или современные композиции на основе кремния с присадками, создающими в одних слоях электронную, а в других "дырочную" проводимость.

Предложенный способ может быть применен как для вертикальных, так и для горизонтально и наклонно направленных воздушных потоков. Однако конструктивное решение устройства для преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока будет иным.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока, заключающийся в подаче через тяговую трубу на турбинное колесо и его энергогенерирующие элементы воздушного потока с последующим преобразованием его энергии в механическую или электрическую, отличающийся тем, что при прохождении потока через тяговую трубу перед его поступлением на турбинное колесо поперечное сечение потока разделяют на расположенные изолированно друг от друга каналы, концентрически распределенные по всему поперечному сечению потока, причем каждый из потоков направляют на соответствующий участок турбинного колеса, энергогенерирующие элементы которого также разделяют на концентрические энергонезависимые друг от друга участки, а полученную механическую или электрическую энергию синхронизируют и приводят в соответствие с потребительскими показателями.

2. Способ преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока по п.1, отличающийся тем, что энергогенерирующие элементы выполняют в виде электрогенерирующих секций электрофорного преобразования энергии, трущиеся поверхности которого покрывают энергетически сопряженными материалами.

3. Способ преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока по п.2, отличающийся тем, что энергогенерирующие элементы выполняют из стекла и эбонита.

4. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии воздушного потока, содержащее заключенные в тяговых трубах роторов ветротурбины с лопастями и энергогенерирующие элементы, отличающееся тем, что роторы выполнены в виде вращающихся на независимых друг от друга концентрических кольцевых неподвижных опорах энергодифференцирующих втулок, коаксиально смонтированных в тяговой трубе, причем между концентрическими кольцевыми неподвижными опорами образованы проемы для пропуска воздушного потока, а каждая из вращающихся энергодифференцирующих втулок и соответствующая ей неподвижная опора снабжены автономными секциями электрогенератора, энергогенерирующие элементы которого в виде постоянных магнитов и электрических обмоток с магнитопроводами расположены напротив друг друга на втулках и опорах.

5. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что постоянные магниты электрогенератора установлены на свободных от лопастей поверхностях энергодифференцирующих втулок, а электрические обмотки и магнитопроводы закреплены напротив постоянных магнитов на неподвижных опорах.

6. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что электрические обмотки и магнитопроводы электрогенератора установлены на свободных от лопастей поверхностях энергодифференцирующих втулок, а постоянные магниты закреплены напротив электрических обмоток и магнитопроводов на неподвижных опорах.

7. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по любому из пп.4, 5 и 6, отличающееся тем, что элементы секций электрогенераторов утоплены в поверхность энергодифференцирующих втулок.

8. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что энергодифференцирующие втулки снабжены независимыми друг от друга заслонками.

9. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что наружные поверхности энергодифференцирующих втулок стянуты бандажными канатами.

10. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по любому из пп.4 и 9, отличающееся тем, что к бандажным канатам закреплены одним своим концом предварительно напряженные радиальные канаты, другой конец которых смонтирован на внешнем ребре соответствующей канату лопасти.

11. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по любому из пп.4 и 9, отличающееся тем, что аэродинамическая поверхность лопастей зафиксирована профилирующими канатами.

12. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что втулки выполнены составными по высоте из колец, снабженных вертикальными каналами, сквозь которые пропущены вертикальные канатные стяжки.

13. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что лопасти выполнены гибкими из тонколистовой стали, закрепленными на поверхности энергодифференцирующих втулок.

14. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по любому из пп.4, 9 и 10, отличающееся тем, что на поверхности лопастей смонтированы поперечные канатные стяжки, размещенные поперек профилирующих канатов и закрепленные относительно них.

15. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что профилирующие канаты предварительно напряжены относительно бандажных канатов.

16. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по любому из пп.4, 11 и 14, отличающееся тем, что лопасти выполнены гибкими из пленочных материалов, армированных полимерными трубками, сквозь которые пропущены поперечные канатные стяжки и профилирующие канаты.

17. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что секции электрогенератора каждой энергодифференцирующей втулки синхронизированы на выходе друг с другом и приведены по электрическим параметрам к требованиям потребительской сети.

18. Устройство для преобразования ннзкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что поверхности неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок выполнены соприкасающимися и на поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок нанесено тонкопленочное покрытие одного из электрически сопряженных материалов, а другой электрически сопряженный материал также в виде пленки нанесен на соответствующую поверхность вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор в зоне их соприкосновения.

19. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.18, отличающееся тем, что в качестве электрически сопряженных материалов применены эбонит и стекло.

20. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что опоры вращения выполнены в виде магнитной удерживающей подушки.

21. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что опоры вращения выполнены в виде воздушной подушки.

22. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что опоры вращения выполнены в виде закрепленных на соприкасающихся поверхностях неподвижных опор и вращающихся энергодифференцирующих втулок второпластовых вкладышей, покрытых жидкой смазкой.

23. Устройство для преобразования низкопотенциальной энергии по п.4, отличающееся тем, что на поверхности неподвижных опор или вращающихся энергодифференцирующих втулок образовано коротковорсовое покрытие из токопроводящих материалов, защищенное слоем вещества с малым сопротивлением приповерхностного выхода электронов, а на соответствующей поверхности вращающихся энергодифференцирующих втулок или неподвижных опор смонтированы токосниматели, выполненные в виде кистей из гибкого электропроводящего материала, причем поверхности коротковорсового покрытия и кистей покрыты слоями энергетически сопряженных материалов.

Версия для печати
Дата публикации 21.04.2007гг


вверх