Високоефективна аероелектростанція “нім”

Реферат: Аероелектростанція включає в себе вертикальну силову опору, вітрове колесо встановлене на вертикальній силовій опорі, горизонтальний вал вітрового колеса, механічний редуктор, роторний генератор електричного постійного струму, силові акумуляторні батареї, перетворювач постійного струму в перемінний струм і контролер електричної системи, причому включає чотири і більше напрямні на поверхні силової опори, два і більше з'єднаних між собою горизонтальні крила літака, з механізмом зміни кута атаки, каретковий механізм, який включає кареткові коліщатка, каретки, кільцеві горизонтальні напрямні, силову раму крила, ролики силової рами крила, секторальні шестерні, привідні шестерні та вал привідної шестірні, примножувач повітря, який включає сопло у вигляді плоского кільця, щілинний ежектор повітря та пристрій для створення швидкісного потоку повітря, консольний поворотний вітровий регулятор, балансовий надкрилок, два силові троси, два верхніх шківа вертикальної силової опори, противагу крила, напрямні противаги крила, верхній гальмівний механізм, нижній гальмівний механізм, лінійний електрогенератор постійного струму, який включає постійні магніти, встановлені на рухомій противазі крила, та обмотку статора, встановлену на внутрішніх стінках вертикальної силової опори, два нижні шківи, встановлені в основі вертикальної силової опори, перетворювач різнонаправлених обертових рухів валів нижніх шківів в однонаправлені обертові рухи вала перетворювача, роторний електрогенератор постійного струму, встановлений в основі вертикальної силової опори, електромагнітну муфту, махове колесо, перетворювач постійного струму в перемінний струм, автомат регулювання кута нахилу крила до вітрового потоку та кута балансового надкрилка, пускові акумулятори та автоматичну систему управління аероелектростанції. UA 105071 U про видачу патенту: UA 105071 U UA 105071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудування і може бути використана в енергомашинобудуванні для виробництва електроенергії за рахунок природних та штучних вітрових потоків повітря. Світова вітрова енергетика сьогодні розвивається найбільшими темпами порівняно з другими видами відновлювальних джерел енергії. Світова необхідність в електроенергії у світі до 2030 року зросте на 60 %, а запаси енергетичних копалин на землі з кожним роком зменшуються. Порівняно з енергетичними копалинами, енергія вітру є потужним джерелом електроенергії і практично доступна в кожній державі світу і не залежить від коливання цін на паливо. Першим основним недоліком вітрової енергетики вважається нерегулярність потоку вітрової енергії, як в добовому, так і в недільному, місячному і річному періодах, і як наслідок цього є нерегулярність виробництва електроенергії. Другим основним недоліком вітрової енергетики є низький рівень ефективності видобутку енергії з потоку вітру із за наявності тільки однієї точки ефективності відбору енергії з вітряного колеса і тільки при номінальній швидкості вітру. Відомі на сьогоднішній день, сучасні вітрові електростанції витягують із вітрового потоку енергію в середньорічному розмірі 26 %, а до 2020 року очікується 28 %. Це достатньо низький показник, так як теоретична межа витягнення енергiї з вітрового потоку складає 59,4 %. В тепловій енергетиці цей показник в середньому складає 40 %. На сьогоднішній день основними напрямами вдосконалення вітрових енергоустановок є збільшення висоти несучої опори до 100 м і більше (чим більше висота, тим більша швидкість вітру), а також збільшення діаметра вітроколеса. Чим більший діаметр вітрового колеса, тим ефективніше вітроустановка працює, тим вища енерговіддача з одиниці використаної земельної ділянки і тим нижча собівартість одного кіловату електроенергії. Автором цієї заявки отримано рішення ДП "Український інститут промислової власності" від 25.02.2015 р. № 3339/ЗУ/15 по заявці № u201413397 про видачу деклараційного патенту на "УНІВЕРСАЛЬНИЙ ДВИГУН "HIM" ДЛЯ ПРЕТВОРЕННЯ КІНЕТИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ПОТОКУ В МЕХАНІЧНУ", який працює як на природних вітрових потоках, так і на штучних вітрових потоках (за рахунок "кільця Дайсона") з малими затратами енергії для їх створення. Основним недоліком цього двигуна є те, що при використанні на вітроустановках великої потужності 1 МВт і більше, він має великі розміри повітропроводів і вітроколеса, і тому буде займати великі площі землі. Сучасні вітрогенератори мають горизонтальний або вертикальний вал вітрового колеса, встановленого на високій опорі. У великій енергетиці найбільшу популярність мають вітрогенератори з горизонтальним валом, але ця схема має великі недоліки, особливо при вітрах більше 20 м/с і потребує повороту лопатей вітрового колеса, щоб уникнути руйнування і знайти оптимальне число обертів генератора при неоптимальному вітрі. Зараз великі вітрові колеса діаметром 100 м і більше мають малі оберти 5-15 об/хв.., тому що лінійна швидкість їх кінців дуже велика і становить 40 м/с-120 м/с, яка формує великі відцентрові сили, які можуть спричинити їх руйнування. В цей час встановлений генератор електроенергії потребує великих обертів свого вала 3000 об/хв. Щоб задовольнити ці потреби електрогенератора ставлять редуктор з великим передавальним числом, але це призводить до великих втрат енергії. К.к.д. такого редуктора доходить до 0,6 із-за того, що потрібно задіяти велику кількість шестерень для збільшення числа обертів вала. Так як к.к.д. цілого вітрогенератора є множенням всіх к.к.д. його частин і вузлів, то середньорічний к.к.д. сучасних вітрогенеруючих електростанцій становить всього 26 %. Це дуже низький показник, враховуючи те, що вітрове сучасне колесо має к.к.д. 0,5. Необхідний кардинальний підхід для створення технологічного прориву у цій сфері, щоб зменшити втрати енергії при її перетворенні. Таким кардинальним підходом є створення аероелектростанції на основі крила літака адаптивної конструкції. Відомо, що крило літака має унікальні властивості по перетворенню енергії потоку повітря в механічну енергію літака в просторі. Перелічимо властивості крила літака, які дозволяють використовувати його для високоефективного витягу енергії із вітрового потоку в вітроелектростанціях. 1. Крило має малий спротив потоку повітря (2-3 % від підіймальної сили крила). 2. Крило має велику підіймальну силу по відношенню до площі крила і до швидкості 2 набігаючого потоку повітря (при Vв=10 м/с, m=312 кг/м ). 3. Крило ефективно працює в дуже великому діапазоні швидкостей потоку вітру від 0,1 м/с до надзвукового бар'єра і може адаптуватися до будь-якої швидкості потоку повітря для ефективного відбору енергії. 1 UA 105071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 4. У випадку ураганних вітрів крило можна опустити на землю для перечікування урагану. 5. Крило може без втрат при відбиранні енергії плавно регулювати свою підіймальну силу для підбору оптимального числа обертів вала генератора для ефективної електрогенерації. 6. Крило можливо оснастити "кільцем Дайсона" для створення штучного потоку повітря, набігаючого на крило, і отримання підіймальної сили при слабому потоку вітру або при його відсутності. Така аероелекростанція зможе працювати при повній відсутності вітру і безперебійно стабільно поставляти електроенергію споживачу в будь-який час. 7. Крило не має шумів і вібрацій на відміну від вітрових коліс, застосованих сьогодні у вітровій енергетиці великих потужностей. Важливо відмітити, що для крила не важливо, потік повітря набігає на нього, чи воно набігає на стоячий потік повітря. В обох випадках розмір отриманої підіймальної сили буде однаковий. Підіймальна сила крила складається з двох частин: - підіймальна сила, виникаюча на крилі літака, за рахунок відбору кінетичної енергії з потоку повітря, набігаючого на крило, яке знаходиться під кутом атаки; - підіймальна сила, виникаюча на крилі літака, за рахунок перепаду тиску в потоках повітря, які рухаються над і під крилом літака за рахунок форми крила. Шлях потоку повітря над крилом більший ніж під крилом за один і той же час, за рахунок випуклості крила, а за крилом ці потоки сходяться. Так, як по закону Бернуллі, тиск в потоці повітря більший там, де менша швидкість потоку, то в нижній частині крила тиск буде більший, ніж у верхній частині крила і ця різниця тиску створює підіймальну силу крила. Ці дві підіймальні сили діють на крило одночасно і розділити їх неможливо, тому на практиці використовується коефіцієнт підіймальної сили крила Су, характеризуючи його якість, котрий визначається експериментально в аеродинамічній трубі. В конструкціях сучасних вітрогенераторів використовується тільки перша складова підіймальної сили крила за рахунок кута атаки лопаті вітроколеса, друга частина підіймальної сили не використовується. Зробимо теоретичні розрахунки підіймальної сили крила, виходячи з реальних вітрових потоків і порівняємо з вітровим колесом, працюючим в однакових вітрових умовах. Відомо, що потужність вітрогенератора з горизонтальним валом для повітря розраховується по формулі Nв=m*(Vв*3)*Sв/1632 (КВт), дем - к.к.д. вітроколеса; Sв - ометаєма площа лопаті вітроколеса; Vв*3 - швидкість вітру в кубі; 1632 - коефіцієнт пропорціональності при перерахунку розмірностей в КВт. Также відомо, що потужність крила можливо розрахувати по формулі Nк=Y*Vy, де Y - підіймальна сила крила в кгс; Vy=0,1 5Vв - вертикальна швидкість руху крила, яка на практиці дорівнює 15 % від швидкості набігаючого на крило потоку повітря; Враховуючи, що підіймальна сила крила літака в повітрі дорівнює Y=Cy*(Vв*2)*Sк/16 (кгc), то отримуємо потужність крила літака при відриві літака від землі із швидкістю Vy Nк=Cy*(Vв*3)*Sк/10881 (КВт), де Су - коефіцієнт підіймальної сили крила; Vв*3 - швидкість вітру в кубі; Sк - площа крила; 10881 - коефіцієнт пропорціональності при перерахунку розмірностей в КВт. Розрахуємо виграш, отриманий від використання крила замість вітроколеса W=Nк/Nв=0,15*(Cy/м)*(Sк/Sв); Аналіз отриманої формули виграшу показує, що при рівній площі крила і ометаємої площі вітроколеса виграш отримується за рахунок коефіцієнта підіймальної сили крила порівняно з к.к.д. вітроколеса. Для сучасних вітрогенераторів к.к.д. для тихохідних вітроколіс він дорівнює 0,27-0,33, а для швидкісних 0,42-0,46. Коефіцієнт підіймальної сили крила на злеті літака дорівнює 3,72 (літак КБ Антонова "Мрія"). Виграш в цифрах при рівних площах крила літака і ометаємої площі лопатей вітроколеса в цьому випадку дорівнює 1,69 рази, а для швидкісних вітроколіс виграшу немає, але це зовсім не так. Крило виграє ще й тому, що воно однаково ефективно працює як при великих вітрах, так і при малих, а вітроколесо і генератор мають тільки одну точку оптимальної швидкості вітру, при якому видають номінальну потужність. Відхилення від цієї точки різко зменшує виробництво електроенергії генератором. Крім цього, крило можливо виготовляти по схемі біплана або триплана, що збільшить його міцність, зменшить займану площу землі і підвищить його ефективність в 2-3 рази. Найбільш близьким аналогом за технічною суттю й одержаним результатом, що досягається при використанні корисної моделі, є вітрогенераторна установка (Шефтер Я.І., Рождественський І.В. Винахіднику про вітродвигуни і вітроустановки. - М.: Мін. сільського господарства СРСР, 2 UA 105071 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1957), яка містить вертикальну силову опору, вітрове колесо, встановлене на силовій опорі, горизонтальний вал вітрового колеса, механічний редуктор, роторний генератор електричного постійного струму, силові акумуляторні батареї, перетворювач постійного струму в перемінний струм і контролер електричної системи. Основним недоліком цієї вітроустановки є низький К.К.Д. і ефективність перетворення кінетичної енергії потоку повітря в механічну енергію при малих швидкостях вітру до 5 м/с і великих швидкостях більше 20 м/с. При відсутності енергетичного потоку повітря (вітру) такі вітроустановки звичайно ж не працюють. Технічною задачею, на вирішення якої спрямована корисна модель, є створення високоефективної аероелектростанції "HIM" для перетворення кінетичної енергії з високим к.к.д. як з природного вітрового потоку, так із штучно створеного енергетичного потоку повітря в електричний струм в широкому діапазоні швидкостей вітру. Задача корисної моделі схематично пояснюється кресленнями (фіг. 1-5). Для вирішення поставленої задачі високоефективна аероелектростанція "HIM", що заявляється, включає вертикальну силову опору 1, чотири і більше напрямні 2 на поверхні силової опори 1, два і більше з'єднаних між собою горизонтальні крила літака 3 з механізмом зміни кута атаки, каретковий механізм 4, який включає кареткові коліщатка 24, каретки 25, кільцеві горизонтальні напрямні 26, силову раму крила 28, ролики силової рами крила 27, секторальні шестерні 29, привідні шестерні 30 та вал привідної шестірні 31, примножувач повітря 5, який включає сопло 6 у вигляді плоского кільця, щілинний ежектор повітря 7 та пристрій для створення швидкісного потоку повітря 8, консольний поворотний вітровий регулятор 9, балансовий надкрилок 10, два силові троси 11, два верхніх шківа вертикальної силової опори 12, противагу крила 13, напрямні противаги крила 34, лінійний електрогенератор постійного струму 14, який включає постійні магніти 15, встановлені на рухомій противазі крила та обмотку статора 16, встановлену на внутрішніх стінках вертикальної силової опори 1, два нижніх шківа 17, встановлені в основі вертикальної силової опори 1, перетворювач різнонаправлених обертових рухів валів нижніх шківів 17 в однонаправлені обертові рухи вала, роторний електрогенератор постійного струму 19, встановлений в основі вертикальної силової опори, електромагнітну муфту 20, махове колесо 21, перетворювач постійного струму в перемінний струм 22, автомат регулювання 23 кута нахилу крила і надкрилка 10 до вітрового потоку, пускові акумулятори 42 та автоматичну систему управління (АСУ) аероелектростанції 43. Вертикальна силова опора 1 включає (Фіг. 3) залізобетонну або металеву опору 32, два шківа 12, встановлених наверху силової опори, два шківа 17, встановлених внизу силової опори, напрямні 34 для руху противаги крила 13, чотири і більше напрямні 2 на зовнішній поверхні силової опори, верхній гальмівний механізм крила 35, нижній гальмівний механізм крила 36 та залізобетонну основу 37 вертикальної силової опори 1. Лінійний електрогенератор постійного струму 14 включає (фіг. 5) противагу крила 13, на якій встановлено ротор лінійного генератора з постійними магнітами 15, напрямні коліщатка 38, петлі верхні 39 для кріплення силового тросу 11 зверху, петлі нижні 40 для кріплення силового тросу знизу, залізобетонний баласт 41 та обмотку статора 16 лінійного генератора, встановлену на внутрішніх стінках вертикальної силової опори 1. Високоефективна аероелектростанція "HIM", що заявляється, працює таким чином (Фіг. 1-5). Коли швидкість вітру досягає 0,1 м/с вітровий потік повертає крило 3 проти вітру за рахунок дії консольного вітрового регулятора 9, а автомат 23, за рахунок напруги пускової акумуляторної батареї 42, по команді АСУ 43 аероелектростанції, виставляє кут атаки крила 3 і балансового надкрила 10 максимальним і включає примножувач повітря 5 на максимальний потік повітря, а електромагнітна муфта 20 від’єднує махове колесо 21 від генератора 19 на короткий час. Під дією кінетичної енергії природного потоку повітря і штучного потоку повітря крило 3 за рахунок підіймальної сили рухає каретковий механізм 4 вверх по напрямним 2 силової опори 1. Одночасно з цим каретковий механізм 4 тягне вверх за собою силові троси 11, які закріплені до кареткового механізму 4 знизу, через два шківа 17 і до противаги 13 знизу, а зверху, через два шківа 12 до противаги 13 зверху, створюючи таким чином два силові тросові кільця. Силовий трос 11, який закріплений знизу до противаги 13 тягне її вниз і повертає два шківа 17, вали яких з'єднані з перетворювачем 18 різнонаправлених обертових рухів вала в однонаправлені обертові рухи вала роторного електрогенератора постійного струму 19 та махового колеса 21. Роторний електрогенератор 19 виробляє постійний струм, який подається на перетворювач 22 постійного струму в перемінний струм стандарту електромережі. Одночасно з цим (Фіг. 5) противага 13, рухаючись вниз, на якій встановлені постійні магніти 15 ротора лінійного генератора постійного струму 14, індукує в обмотках статора 16 е.р.с. постійного струму, який подається на перетворювач 22 постійного струму в перемінний струм. 3 UA 105071 U 5 10 15 20 25 30 35 При підході крила 3 до верхньої точки силової опори 1 противага 13, яка рухається вниз, стискає пружину нижнього гальмівного механізму 36 і гасить свою кінетичну енергію до 0 та виключає примножувач повітря 5 і зупиняє таким чином рух крила 3 вверх. Одночасно з цим автомат 23 по команді АСУ 43 аероелектростанції змінює кут атаки крила 3 на протилежний разом з балансовим надкрилком 10 і включає примножувач повітря 5. За рахунок підіймальної сили крила 3 з протилежним кутом атаки крила і сили стиснутої пружини нижнього гальмівного механізму 36, яка передається на крило через силовий трос 11 каретковий механізм 4 починає рух крила 3 вниз по напрямним 2. Одночасно з цим каретковий механізм 4, рухаючись вниз, тягне силовий трос 11 вниз, обертаючи шківи 12 і 17, а противагу 13 тягне вверх по напрямним 34. Так як, друга половина троса 11 закріплена до каретки 4 і до противаги 13 знизу через шківи 17, то, рухаючись вверх, противага 13 обертає шківи 17 в іншу сторону. Обертові різнонаправлені рухи валів шківів 17 перетворюються в однонаправлені рухи вала роторного електрогенератора 19 з допомогою перетворювача 22. В цей час постійні магніти 15, які закріплені на рухомій противазі 13, індукують постійний струм в статорі 16 лінійного генератора постійного струму 14. Ці обидва постійні струми подаються на перетворювач 22 постійного струму в перемінний струм стандарту електромережі. В короткі моменти часу коли крило літака 3 зупиняється у верхній і нижній точках вертикальної силової опори 1 для зміни напрямку руху роторний генератор постійного струму 19 виробляє електроенергію за рахунок енергії махового колеса 21, яке накопичило кінетичну енергію при русі крила. Далі вищеописаний цикл повторюється. Таким чином при достатній швидкості вітру і енергії штучного потоку повітря аероелектростанція генерує електроенергію двома генераторами. Якщо швидкості вітру недостатньо або немає зовсім, то працює тільки один електрогенератор за рахунок штучного повітряного потоку, створеного примножувачем повітря 5. Примножувач повітря 5 працює таким чином. Після подачі команди АСУ аероелектростанції 43, пускові акумулятори 42 підключаються до пристрою 8 для створення швидкісного потоку повітря. Повітря від пристрою 8 подається під тиском в кільцеве сопло 6, з якого через щілинний ежектор 7 видувається малим об'ємом, але з великою швидкістю. Цей швидкісний потік малого об'єму ежектує великий об'єм повітря із зовні з меншою швидкістю, але з більшою кінетичною енергією, яке подається на крило і створює підіймальну силу. Всіма процесами на аероелектростанції керує автоматична система управління (АСУ), яка підбирає кожен раз оптимальний кут атаки крил в залежності від швидкості вітру і підключає по необхідності штучний потік повітря необхідної потужності в залежності від навантаження в електромережі. Така високоефективна аероелектростанція "HIM" може адаптивно працювати з великою потужністю при наявності швидкісного вітру, а також при його повній відсутності, але з меншою потужністю. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 Аероелектростанція, що включає в себе вертикальну силову опору, вітрове колесо встановлене на вертикальній силовій опорі, горизонтальний вал вітрового колеса, механічний редуктор, роторний генератор електричного постійного струму, силові акумуляторні батареї, перетворювач постійного струму в перемінний струм і контролер електричної системи, яка відрізняється тим, що включає чотири і більше напрямні на поверхні силової опори, два і більше з'єднаних між собою горизонтальні крила літака з механізмом зміни кута атаки, каретковий механізм, який включає кареткові коліщатка, каретки, кільцеві горизонтальні напрямні, силову раму крила, ролики силової рами крила, секторальні шестерні, привідні шестерні та вал привідної шестірні, примножувач повітря, який включає сопло у вигляді плоского кільця, щілинний ежектор повітря та пристрій для створення швидкісного потоку повітря, консольний поворотний вітровий регулятор, балансовий надкрилок, два силові троси, два верхніх шківа вертикальної силової опори, противагу крила, напрямні противаги крила, верхній гальмівний механізм, нижній гальмівний механізм, лінійний електрогенератор постійного струму, який включає постійні магніти, встановлені на рухомій противазі крила, та обмотку статора, встановлену на внутрішніх стінках вертикальної силової опори, два нижні шківи, встановлені в основі вертикальної силової опори, перетворювач різнонаправлених обертових рухів валів нижніх шківів в однонаправлені обертові рухи вала перетворювача, роторний електрогенератор постійного струму, встановлений в основі вертикальної силової опори, електромагнітну муфту, махове колесо, перетворювач постійного струму в перемінний струм, 4 UA 105071 U автомат регулювання кута нахилу крила до вітрового потоку та кута балансового надкрилка, пускові акумулятори та автоматичну систему управління аероелектростанції. 5 UA 105071 U 6 UA 105071 U 7 UA 105071 U 8 UA 105071 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9