Роторная ветроэнергетическая установка транспортного средства

Роторная ветроэнергетическая установка транспортного средства (РВЭУ ТС) относится к возобновляемым источникам энергии в области ветроэнергетики и предназначена для выработки электрической энергии, используя скоростной напор ветра, возникающий при движении транспортного средства, в частности автомобилей различных типов. На крыше кабины автомобиля размещается полый криволинейный обтекатель, внутри которого расположен криволинейный конфузор-диффузор, служащий для увеличения скорости и направления набегающего потока воздуха в криволинейные конфузоры ротора РВЭУ, установленной в критическом сечении криволинейного конфузора-диффузора. Вырабатываемая РВЭУ ТС при движении автомобиля электрическая энергия способна заменить выработку электроэнергии для собственных нужд эксплуатации, вместо используемой энергии углеводородного топлива, который сжигается в двигателе внутреннего сгорания, при этом расходуется кислород и в атмосферу выбрасываются вредные вещества опасные для жизни людей на Земле. РВЭУ ТС содержит: два магнитоэлектрических генератора (МЭГ), состоящих из корпуса, вала и ротора-маховика и расположенных по бокам горизонтального ротора РВЭУ и через обгонные муфты кинематически связанных с его валом; ротор РВЭУ, состоящий не менее чем из двух криволинейных конфузоров со стенками, образованных криволинейными лопастями аэродинамического профиля; защитной криволинейной крышки с направляющими, которая контактирует с направляющими полого криволинейного обтекателя через фторопластовые втулки; два соосных отверстия в направляющих защитной криволинейной заслонки и полого криволинейного обтекателя под цанговые фиксаторы, служащие для удержания криволинейной заслонки в положениях «Закрыто» или «Открыто»; инвертор; аккумуляторные батареи и пульт управления.

Роторная ветроэнергетическая установка транспортного средства (РВЭУ ТС), размещаемая на кабине автомобиля, относится к возобновляемым источникам энергии и предназначена для выработки электрической энергии, используя скоростной напор ветра, возникающего при движении транспортного средства.

Известны типовые конструкции ветроэнергетических установок [1; 2], среди которых был выбран ветродвигатель роторного типа, как более компактный и технологически пригодный для установки на ТС.

Известно изобретение [3], содержащее роторно-крыльчатый ветродвигатель, агрегаты которого размещены на кузове, автомобильное стекло и капот выполняют функцию воздушного коллектора, электрогенератор соединен с ветродвигателем через клиноременную передачу. Получаемая электроэнергия идет на привод тягового электродвигателя или на зарядку аккумуляторной батареи. Основным недостатком этого изобретения является громоздкость конструкции, большая сила сопротивления при движении, значительные потери на двухступенчатую передачу вращательного движения на генератор и электрические на тяговом двигателе, которые в сумме составят КПД равный 0,55-0,60.

Известен автомобильно-водительский ветрогенератор [4], содержащий ветровые лопасти, генератор, элементы крепления, коническую насадку, козырек над кабинбой, аккумуляторные батареи. Рассматриваемое изобретение вызывает серьезные сомнения достаточности мощности ветродвигателя для длительного самодвижения, не говоря об излишках электроэнергии, о которой говорится в описании. Кроме того сопротивление элементов конструкции набегающему потоку воздуха при движении автомобиля будет значимым при расчете аэродинамических сил сопротивления.

Известно изобретение [5], содержащее два ветродвигателя, расположенных в передней части двигательного отсека, и кинематически связанных с генератором автомобиля, который заряжает аккумуляторную батарею во время движения автомобиля. Недостатком данного изобретения является малая мощность ветродвигателей, учитывая незначительную площадь сметаемой ветролопастями, кроме того зарядка аккумуляторов начнется при скорости движения автомобиля более 70 км/ч.

Известно изобретение [6], содержащее конфузор, который расположен в передней части автомобиля, в конце которого размещаются две горизонтальные турбины, которые вращаются под действием набегающего потока воздуха при движении автомобиля. Турбины через систему механических передач передают вращающий момент на два генератора, которые вырабатывают электроэнергию, используемую для двигателя привода колес или зарядки аккумуляторных батарей. Основным недостатком изобретения является тот факт, что большие потери в механической передачи в значительной степени снизят КПД всей установки, а надежность самодвижения автомобиля реально не обеспечивается.

Известно изобретение [7] содержащее входной конфузор, который расположен в передней части автомобиля, два ротора, вращающихся встречно, которые передают энергию ветра, через двухступенчатую механическую передачу на генераторы электрического тока, электрически связанные двигателем привода на колеса автомобиля. Основным недостатком этого изобретения является малая мощность ветротурбин, большие потери в механических передачах и электрических устройствах, что в конечном итоге составит КПД не более 0,50. Качественного движения автомобиля в этом случае получить сложно.

Наиболее близкое по техническому решению к заявленной полезной модели является изобретение [8], которое принято в качестве прототипа. Прототип содержит ветроколесо, соединенное с ротором электрогенератора, выполненное в виде многолопастного воздушного винта, установленного на входе профилированного канала, который расположен внутри лобового обтекателя, профилированную насадку и дефлекторы. Основным недостатком данного изобретения является тот факт, что ветролопасть выполняет функцию превращения энергии набегающего потока воздуха в крутящий момент и имеет аэродинамический профиль крыла, а воздушный винт предназначен для создания осевой тяги за счет его крутящего момента, создаваемого двигателем, поэтому возможность создания мощности 1410 Вт при заявленных размерах воздушного винта выглядит весьма сомнительной. Применяемая одноступенчатая передача крутящего момента от ветросиловой установки к генератору приводит к потере КПД ветросиловой установки.

Ротор предлагаемой РВЭУ ТС располагается горизонтально в критическом сечении криволинейного конфузора-диффузора, то есть в зоне перехода конфузора в диффузор. Вырабатываемая РВЭУ ТС электрическая энергия способна заменить выработку электроэнергии транспортным средством для собственных нужд эксплуатации вместо используемой энергии традиционного углеводородного топлива, при сжигании которого в двигателе внутреннего сгорания расходуется кислород, а в атмосферу выбрасываются вредные вещества.

РВЭУ ТС содержит: воздушный полый криволинейный обтекатель, устанавливаемый над кабиной грузового автомобиля с закрытым кузовом (рефрижератором); криволинейный конфузор-диффузор, расположенный внутри полого криволинейного обтекателя, служащий для усиления скорости и направления набегающего потока воздуха под углом 45° в криволинейные конфузоры ротора РВЭУ; причем углом 45° считается угол между направлением потока воздуха и осью ротора РВЭУ, а криволинейные конфузоры ротора РВЭУ расположены горизонтально в критическом сечении криволинейного конфузора-диффузора полого обтекателя; не менее двух криволинейных кофузоров ротора РВЭУ, образованных четырьмя криволинейными лопастями аэродинамического профиля; криволинейную защитную крышку, служащую для перекрытия, в необходимых случаях, набегающего потока воздуха во входное прямоугольное отверстие криволинейного конфузора полого обтекателя; два магнитоэлектрических генератора (МЭГ) с роторами-маховиками, расположенных по бокам на валу ротора РВЭУ; магниты переменной полярности, расположенные на периферии с двух сторон роторов-маховиков; две обгонные муфты, связывающие вал ротора РВЭУ с роторами-маховиками МЭГ; корпус ротора-маховика, где на внутренней стороне напротив магнитов расположены катушки обмоток, электрически связанные с аккумуляторными батареями; направляющие криволинейной крышки и полого обтекателя, которые контактируют между собой через фторопластовые подшипники скольжения, установленные внутри направляющих криволинейной заслонки; два цанговых фиксатора, которые вставляются в совмещаемые отверстия направляющих криволинейной заслонки и направляющей полого криволинейного обтекателя; пульт управления, обеспечивающий включение потребителей электроэнергии.

Техническими задачами полезной модели являются:

- снизить лобовое сопротивление закрытого кузова (рефрижератора), возвышающегося над кабиной автомобиля за счет применения криволинейного полого обтекателя;

- уменьшить, а в некоторых случаях исключить, выработку генератором ТС электроэнергии традиционным способом, за счет применения РВЭУ ТС;

- сконцентрировать набегающий поток воздуха путем применения криволинейного конфузора-диффузора, размещенного внутри криволинейного полого обтекателя;

- увеличить коэффициент использования набегающего потока воздуха.

Сущность полезной модели состоит в эффективном использовании:

- энергии набегающего потока воздуха, возникающего при движении ТС, за счет применения: криволинейного конфузора-диффузора и установки его в критическом сечении РВЭУ в горизонтальном положении;

- криволинейных лопастей аэродинамического профиля, образующих криволинейные конфузоры ротора РВЭУ;

- двух МЭГ с роторами-маховиками;

- двух обгонных муфт, обеспечивающих самостоятельную работу МЭГ при снижении скорости движения автомобиля;

- накопленной электрической энергии, которая вырабатывается МЭГ, в электрических аккумуляторных батареях, а также в виде механической энергии вращательного движения роторов-маховиков МЭГ, обеспечивающих выработку электрической энергии в случаях, когда ТС движется с небольшой скоростью или движение отсутствует.

Эффективное использование энергии набегающего потока воздуха, возникающего при движении ТС, обеспечивается тем, что:

- активная часть площади ротора РВЭУ, воспринимающая энергию набегающего потока воздуха, составляет 50% остальные 50% (пассивная часть) находятся вне зоны действия набегающего воздушного потока;

- воздушный полый криволинейный обтекатель содержит криволинейный конфузор-диффузор, увеличивающий скорость набегающего воздуха на входе в криволинейные конфузоры ротора РВЭУ не мене чем в 1,8 раза, а криволинейные конфузоры ротора РВЭУ увеличивают скорость воздушного потока, воздействующего на последующие криволинейные лопасти аэродинамического профиля ротора РВЭУ еще не менее чем в 1,5 раза, при этом коэффициент использования энергии ветра становится соизмеримым с лопастными ветродвигателями и составляет, по данным эксперимента на модели, 0,32-0,34.

Технический результат полезной модели достигается:

- горизонтальным расположением вала ротора РВЭУ;

- применением в конструкции ротора РВЭУ двух и боле пар криволинейных ветролопастей аэродинамического профиля, из которых составляются два и более криволинейных конфузора;

- использованием только активной части площади ротора РВЭУ, воспринимающей воздействие набегающего потока воздуха;

- размещением ротора РВЭУ в криволинейном конфузоре-диффузоре в зоне перехода конфузора в диффузор (критическое сечение);

- наличием двух роторов-маховиков МЭГ, способных аккумулировать механическую энергию в виде вращательного движения роторов-маховиков МЭГ;

- подачей воздушного потока криволинейным конфузором-диффузором полого обтекателя под углом 45° к оси ротора РВЭУ;

- наличием двух обгонных муфт между валами ротора ВЭУ и роторов-маховиков МЭГ, что обеспечивает самостоятельную работу роторов-маховиков за счет накопленной энергии вращательного движения;

- наличием блока электрических аккумуляторов;

- наличием инвертора для преобразования, в необходимых случаях, постоянного тока в переменный ток 220 В 50 гц.;

- наличием пульта для управления потоками электроэнергии;

- наличием защитной криволинейной крышки с направляющими, служащей для закрытия входного прямоугольного окна в криволинейный конфузор-диффузор полого криволинейного обтекателя при длительных стоянках ТС или других необходимых случаях.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на следующих фигурах:

Фиг.1 - общий вид сбоку в разрезе РВЭУ ТС, полого обтекателеля с криволинейным конфузором-диффузором, защитной крышки в открытом положении;

Фиг.2 - общий вид сбоку в разрезе РВЭУ ТС, полого обтекателеля с криволинейным конфузором-диффузором, защитная крышка в закрытом положении;

Фиг.3 - общий вид сверху РВЭУ ТС, полого обтекателя с криволинейным конфузором-диффузором;

Фиг.4 - разрез роторной ветроэнергетической установки;

Фиг.5 - расположение криволинейных лопастей аэродинамической формы и образованные их поверхностями криволинейные конфузоры в конструкции ротора РВЭУ;

Фиг.6 - расположение магнитов на роторе-маховике.

Предлагаемая полезная модель содержит: криволинейный полый обтекатель 1, устанавливаемый на крыше кабины ТС (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3); РВЭУ 3 (Фиг.3, Фиг.4), с горизонтальной осью вращения, расположенную в критическом сечении А-А (Фиг.1); криволинейный конфузор-диффузор 2, расположенный внутри полого криволинейного обтекателя 1, образованного криволинейными верхней 24 и нижней 25 поверхностями, а его боковые стенки 23 плоские (Фиг.3); криволинейную защитную крышку 21, закрывающую в необходимых случаях входное окно 22 криволинейного полого обтекателя 1 (Фиг.3); обеспечивающие легкость перемещения криволинейной защитной крышки МЭГ 5 (Фиг.4); корпусы 6 МЭГ 5; два ротора-маховика 8; постоянные магниты 10, размещенные по периферии роторов-маховиков 8 с двух сторон (Фиг.3, Фиг.6); обмотки катушек 9 (Фиг.4), расположенные напротив постоянных магнитов 10 на внутренней поверхности корпусов 6 МЭГ, причем количество магнитов на один больше или меньше количества обмоток катушек; две обгонные муфты 12, расположенные внутри корпусов 6 МЭГ 5; два диска-опоры 19 для крепления криволинейных лопастей аэродинамического профиля 11, образующих криволинейные конфузоры 20; вал 18 ротора РВЭУ 4; два вала 7 роторов-маховиков 8; ротор 3 РВЭУ 4; шариковые подшипники 16; совмещаемые отверстия 13 в направляющих 14 криволинейной защитной крышки 21 криволинейного полого обтекателя 1, которые контактируют между собой через фторопластовые подшипники скольжения 17 для цанговых зажимов (не показаны), предназначенных для фиксации криволинейной защитной крышки 21 в закрытом (открытом) положении (Фиг.1, Фиг.2); аккумуляторные батареи 26, расположенные внутри закрытого кузова; инвертор 27; пульт управления 28.

РВЭУ ТС может работать в двух режимах следующим образом.

Первый режим: защитная крышка с криволинейной поверхностью открыта и зафиксирована цанговыми фиксаторами. В этом случае при движении транспортного средства энергия набегающего потока воздуха со скоростью v проходит через криволинейный конфузор-диффузор 2 криволинейного полого обтекателя 1 и с увеличенной скоростью v₁, равной 1,8v м/с поступает в криволинейные конфузоры 19, которые образованы криволинейными лопастями аэродинамического профиля 11. Криволинейные конфузоры 19, в свою очередь, увеличивают скорость v₁ до скорости v₂, равной 2,5v м/с, эта скорость воздействует на последующую криволинейную лопасть аэродинамического профиля 11. Возникающий крутящий момент приводит во вращение вал ротора 18 РВЭУ 4, при этом криволинейные лопасти аэродинамического профиля 11 создают дополнительный крутящий момент за счет образованной подъемной силы при их обтекании воздушным потоком, что увеличивает крутящий момент. Таким образом, коэффициент использования ветра становится соизмеримым с классическими крыльчатыми ветродвигателями и, как показали испытания на модели, достигает величины 0,32-0,34. Вращательное движение ротора 3 РВЭУ 4 через обгонные муфты 12 передается на роторы-маховики 8, при вращении которых магнитное поле постоянных магнитов 10 пересекает витки обмоток катушек 9, вырабатывая при этом достаточное количество электрической энергии в виде постоянного тока, которая накапливается в аккумуляторных батареях 26 и в дальнейшем используется для технических и потребительских нужд ТС. В целях использования потребителей электрической энергии, рассчитанных на переменный ток напряжением 220 в, 50 гц поменяется инвертор 27. Кроме того, роторы-маховики 8 МЭГ 5, вращаясь, накапливают механическую энергию при максимальной скорости движения ТС, если скорость движения уменьшается или ТС остановилось, обгонные муфты 12 отключают вал ротора 18 РВЭУ 4 от роторов-маховиков 8, которые продолжают вращаться, превращая накопленную механическую энергию в электрическую энергию. В любом случае вырабатываемая электрическая энергия запасается в аккумуляторных батареях 26.

Второй режим: криволинейная защитная крышка 21 закрыта, набегающий поток воздуха в криволинейный конфузор 2 не попадает, а направляется криволинейной поверхностью полого обтекателя 1 мимо закрытого кузова ТС (рефрижератора) 29, при этом лобовое сопротивление, например при скорости движения ТС 80 км/ч, может быть снижено до 350 кг.

Список цитируемой литературы

1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельхозгиз, 1957.

2. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. М.: Изд. Минсельхоз. СССР, 1957.

3. Патент US 4168759 от 25.09.1979 г.

4. Патент RU 2403437 С2, F03. В/00 В60К 16/00 от 10.11.2010 г.

5. Патент DE 3500143 А1 от 07.10.1986.

6. Патент GB 2063787 А от 10.06.1981.

7. Патент US 4075545 от 06.09.1976 г.

8. Патент RU 2237193 C1, F03D 9/02 от 27.09.2004 г.

1. Роторная ветроэнергетическая установка транспортного средства (РВЭУ ТС) содержит объединенные в единую конструкцию: роторную ветроэнергетическую установку; криволинейный полый обтекатель, устанавливаемый на крыше кабины транспортного средства; криволинейный конфузор-диффузор, расположенный внутри полого обтекателя с криволинейной поверхностью; криволинейные лопасти аэродинамического профиля, образующие криволинейные конфузоры ротора роторной ветроэнергетической установки; криволинейную защитную крышку; два магнитоэлектрических генератора с роторами-маховиками; магниты переменной полярности, расположенные на периферии с двух сторон роторов-маховиков; две обгонные муфты, кинематически связывающие вал ротора роторной ветроэнергетической установки с роторами-маховиками магнитоэлектрических генераторов, корпус роторов-маховиков; аккумуляторные батареи, инвертор и пульт управления.

2. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что криволинейный конфузор-диффузор устанавливается таким образом, чтобы поток набегающего воздуха направлялся под углом 45% к оси ротора роторной ветроэнергетической установки.

3. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что ротор роторной ветроэнергетической установки устанавливается в критическом сечении криволинейного конфузора-диффузора, чтобы активная часть ротора заполняла все пространство критического сечения криволинейного конфузора-диффузора.

4. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что ротор роторной ветроэнергетической установки состоит не менее чем из двух криволинейных конфузоров, образованных криволинейными лопастями аэродинамического профиля.

5. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что роторы магнитоэлектрических генераторов выполнены в виде маховиков, способных накапливать механическую энергию вращательного движения, а затем отдавать ее в виде электроэнергии.

6. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что на внутренней стороне корпусов роторов-маховиков напротив магнитов расположены катушки обмоток.

7. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что направляющие защитной крышки с криволинейной поверхностью связаны с направляющими полого обтекателя с криволинейной поверхностью посредством фторопластовых подшипников скольжения.

8. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что роторная ветроэнергетическая установка может вырабатывать электроэнергию в режиме с открытой защитной крышкой с криволинейной поверхностью.

9. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что роторная ветроэнергетическая установка может вырабатывать электроэнергию в режиме с закрытой защитной крышкой с криволинейной поверхностью ограниченное время за счет накопленной вращательной механической энергии роторами-маховиками.

10. РВЭУ ТС по п.1, отличающаяся тем, что направляющие защитной крышки и полого обтекателя с криволинейными поверхностями имеют совмещаемые отверстия для фиксации защитной крышки в положениях «открыто» или «закрыто» с помощью цангового фиксатора.