Гидрокинетический генератор энергии - RU2748825C2
Код документа: RU2748825C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству для извлечения энергии в форме электричества из потоков текучей среды, таких как открытые водоводы, например, ручьи, реки и океанические течения, а также при некоторых обстоятельствах приливно-отливные потоки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Любые ссылки на способы, устройства или документы предшествующего уровня техники не следует воспринимать как представляющие собой какое-либо свидетельство или признание того, что они сформировали или составляют часть общедоступных сведений известного уровня техники.
Водная масса имеет два вида энергии, которые можно использовать для выработки электричества: гидростатическая и гидрокинетическая. Гидростатическая энергия это потенциальная энергия водной массы, определяемая ее высотой относительно некоторого базового уровня. Обычные гидроэлектростанции используют плотины и водохранилища для хранения водной массы, заключающей в себе большое количество гидростатической энергии, чтобы использовать эту энергию контролируемым образом для выработки электричества.
Гидрокинетическая энергия - это кинетическая энергия водной массы, обусловленная ее движением. Чем выше скорость воды, тем больше ее гидрокинетическая энергия. Существует два типа гидрокинетической энергии: на базе потока и на базе волны. Гидрокинетическая энергия на базе потока может быть извлечена из рек, искусственных водотоков, ирригационных каналов, приливно-отливных и океанических течений.
Преимущество извлечения гидрокинетической энергии состоит в том, что нет необходимости строить плотины или водохранилища. Энергию дает естественный поток воды в реке, ирригационном канале и т.п.
Задачей изобретения является создание такого гидрокинетического генератора для извлечения энергии из потока текучей среды, который является улучшенным по сравнению с известными до сих пор генераторами.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено рабочее колесо для гидрокинетической турбины, содержащее множество спиральных винтообразных лопастей, расположенных вокруг общей оси от ее переднего конца до заднего конца, причем радиус лопастей увеличивается от переднего конца к заднему концу.
Предпочтительно, радиус лопастей возрастает экспоненциально от переднего конца к заднему концу.
В одном варианте осуществления на лопастях расположены ребра, увеличивающие извлечение энергии из текучей среды, проходящей через рабочее колесо при использовании.
Ребра могут содержать одно или более радиальных ребер и одно или более спиральных ребер.
Альтернативно, поверхность ребер может быть шероховатой, чтобы увеличить извлечение энергии из текучей среды, проходящей через рабочее колесо при использовании.
По меньшей мере одно рабочее колесо описанного выше типа может быть частью гидрокинетического генератора, содержащего:
- погружной корпус, задающий собой канал для потока текучей среды;
- турбину, смонтированную в корпусе, содержащую по меньшей мере одно из рабочих колес, расположенных в канале для вращения указанным потоком; и
- по меньшей мере один электрический генератор, соединенный с по меньшей мере одной турбиной для преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию.
Предпочтительно, турбина содержит первое и второе рабочие колеса, каждое из которых имеет передний конец и задний конец, причем рабочие колеса смонтированы соосно задними концами друг к другу для использования двунаправленных потоков, проходящих через канал.
Гидрокинетический генератор может содержать множество удлиненных элементов, имеющих один или более магнитных участков, причем удлиненные элементы расположены вокруг по меньшей мере одного рабочего колеса и закреплены на нем; и
несколько обмоток, предназначенных для обеспечения электромагнитного взаимодействия с указанными магнитными участками, благодаря чему при использовании вращение рабочего колеса обеспечивает прохождение магнитных участков рядом с обмотками, порождая тем самым электрический ток в обмотках.
Предпочтительно, имеется кольцо рабочего колеса, расположенное вокруг самых удаленных от центра элементов рабочего колеса и прикрепленное к этому колесу, причем кольцо рабочего колеса и само рабочее колесо являются соосными.
Предпочтительно, удлиненные элементы, имеющие указанные магнитные участки, вытянуты от кольца рабочего колеса параллельно оси этого колеса.
Гидрокинетический генератор предпочтительно содержит переднее и заднее кольца, причем передние части удлиненных элементов прикреплены к переднему кольцу, а задние части удлиненных элементов прикреплены к заднему кольцу.
Предпочтительно, стенка, задающая канал, сформирована с кольцевым углублением для вмещения края кольца рабочего колеса.
В стенке могут быть сформированы передняя и задняя цилиндрические полости, соединенные с кольцевым углублением и отходящие от него в поперечном направлении для размещения удлиненных элементов, а также переднего кольца и заднего кольца.
Предпочтительно, обмотки расположены внутри стенки.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения обмотки расположены на противоположных сторонах передней и задней цилиндрических полостей.
Обмотки предпочтительно загерметизированы в материале стенки, чтобы устранить их контакт с текучей средой, протекающей по каналу.
Предпочтительно, к обмоткам присоединены кабели, загерметизированные внутри корпуса и проходящие через него до соединительной клеммы.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая из обмоток имеет ферромагнитный сердечник.
В дополнительном варианте осуществления изобретения предложен гидрокинетический генератор, в котором каждое рабочее колесо смонтировано на раме рабочего колеса.
Приводное колесо может быть установлено между рамами рабочего колеса с возможностью поворота и прикреплено с возможностью вращения к оси каждого рабочего колеса.
Предпочтительно, электрический генератор смонтирован над рамами рабочего колеса.
В дополнительном варианте осуществления изобретения электрический генератор смонтирован на раме генератора, прикрепленной к каждой из рам рабочего колеса.
Электрический генератор может содержать ротор, соединенный с вращающим его шкивом.
Приводное колесо может быть соединено со шкивом одним или более ремнями.
В дополнительном варианте осуществления изобретения ротор генератора соединен со шкивом через муфту, выполненную с возможностью расцепления при частоте вращения шкива, превышающей предварительно заданное значение.
Корпус может формировать часть понтона, образованного оболочкой, через которую проходит канал с расположенной в нем турбиной.
Между турбиной и электрическим генератором может быть предусмотрен один или более обтекателей, чтобы уменьшить контакт текучей среды с генератором.
В дополнительном варианте осуществления изобретения понтон имеет раструб, смонтированный вокруг верхнего края оболочки.
В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения предложен гидрокинетический генератор, содержащий:
- погружной корпус, задающий собой канал для потока текучей среды;
- турбину, смонтированную в корпусе, содержащую по меньшей мере одно рабочее колесо, расположенное в канале для вращения указанным потоком; и
- по меньшей мере один электрический генератор, соединенный с по меньшей мере одной турбиной для преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию, причем электрический генератор имеет множество удлиненных элементов, содержащих один или более магнитных участков, причем удлиненные элементы расположены вокруг по меньшей мере одного рабочего колеса и закреплены на нем; и
- несколько обмоток, расположенных в материале корпуса и предназначенных для обеспечения электромагнитного взаимодействия с указанными магнитными участками, благодаря чему при работе вращение рабочего колеса обеспечивает прохождение магнитных участков рядом с обмотками, порождая тем самым электрический ток в этих обмотках.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные признаки, аспекты и варианты осуществления настоящего изобретения можно понять из нижеследующего подробного описания осуществления изобретения, которое предоставляет достаточную информацию специалисту в области техники для осуществления изобретения. Данное подробное описание ни в коей мере не должно рассматриваться как ограничение объема предшествующего раскрытия сущности изобретения. Подробное описание содержит ссылки на несколько чертежей, как описано ниже.
На фиг. 1 представлен вид с частичным вырезом гидрокинетического генератора согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан в сборе понтон гидрокинетического генератора с фиг. 1.
На фиг. 3 показан понтон с фиг. 2 с пространственным разделением деталей.
На фиг. 4 показан вид с частичным вырезом нижней стороны гидрокинетического генератора с фиг. 1.
На фиг. 5 показана турбина и электрический генератор в сборе гидрокинетического генератора с фиг. 1.
На фиг. 6 представлен вид с частичным пространственным разделением деталей рамы рабочего колеса для турбины и электрического генератора в сборе.
На фиг. 7 показана рама генератора для турбины и электрического генератора в сборе.
На фиг. 8 показано приводное колесо и рабочее колесо для турбины и электрического генератора в сборе.
На фиг. 9A представлен вид с пространственным разделением деталей натяжителя ремня для турбины и электрического генератора в сборе.
На фиг. 9В показан натяжитель ремня с фиг. 9 в сборе.
На фиг. 10А показана изометрическая проекция задней стороны гидрокинетического генератора согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 10В показана изометрическая проекция передней стороны гидрокинетического генератора с фиг. 10.
На фиг. 11 показано срединное поперечное сечение через гидрокинетический генератор с фиг. 10А и 10В.
На фиг. 12 показан электрический генератор в сборе для гидрокинетического генератора с фиг. 10А-11.
На фиг. 13 показан участок части с фиг. 12.
На фиг. 14 показан изометрический вид переднего конца рабочего колеса и клетки электрического генератора.
На фиг. 15 показана изометрическая проекция заднего конца рабочего колеса и клетки электрического генератора.
На фиг. 16 показан участок части с фиг. 11.
На фиг. 17 показан гидрокинетический генератор с фиг. 10А, где стенки корпуса не изображены, чтобы были видны электрический генератор и рабочее колесо.
На фиг. 18 показан двунаправленный гидрокинетический генератор согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 19 показана изометрическая проекция наружной стороны двунаправленного гидрокинетического генератора с фиг. 18.
На фиг. 20 показано двунаправленное рабочее колесо двунаправленного гидрокинетического генератора с фиг. 18 и 19.
На фиг. 21 показано рабочее колесо, которое может быть использовано в гидрокинетических генераторах согласно настоящему изобретению, причем колесо имеет четыре лопасти, и каждая лопасть имеет винтообразную спиральную форму.
На фиг. 22 показана изометрическая проекция генератора согласно дополнительному варианту осуществления изобретения.
На фиг. 23 показано срединное поперечное сечение варианта осуществления с фиг. 22.
На фиг. 24А и 24В показаны передняя и задняя изометрические проекции рабочего колеса и кольца рабочего колеса с расположенными по окружности магнитными участками в форме дисковых магнитов в варианте осуществления с фиг. 22.
На фиг. 25 показан выносной вид с фиг. 23.
На фиг. 26 показан вид сверху варианта осуществления с фиг. 22, показывающий внутренние обмотки.
На фиг. 27 показан вид спереди, соответствующий фиг. 26.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 показывает плавающий гидрокинетический генератор 100 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 4 показывает вид с частичным вырезом нижней стороны генератора 100. В общих чертах, гидрокинетический генератор 100 состоит из понтона 102, на котором смонтирована двунаправленная турбина 103 (показана на фиг. 4) и электрический генератор 25. Фиг. 2 показывает изометрическую проекцию понтона 102 в сборе, тогда как на фиг. 3 показан понтон 102 в разобранном виде.
На фиг. 2 и 3 видно, что понтон 102 имеет оболочку 106, в которой сформирован туннель 108. Туннель 108 пересекается с монтажным отверстием 110 генератора. На каждом конце туннеля 108 предусмотрены впускные отверстия 112 и 114 конического сечения. Верхний край оболочки 106 прикреплен к расположенному по периметру понтонному раструбу 116. Понтонный раструб 116 вмещает в себя палубу 118. Палуба 118 сформирована с центральным отверстием 120, которое соответствует верхнему концу монтажного отверстия 110 генератора и располагается над ним. Предусмотрена откидная крышка 92 для того, чтобы закрывать монтажное отверстие 110 генератора и таким образом предотвращать попадание воды в генератор при использовании. На крышке 92 смонтирован световой индикатор 90. Световой индикатор может действовать как маячок, помогающий определить местонахождение понтона ночью, или альтернативно он может быть включен, только когда гидрокинетический генератор 100 вырабатывает энергию, благодаря чему состояние генератора может быть легко определено дистанционно.
Также предусмотрены обтекатели 112A, 112B турбины, являющиеся частью понтона 102. На фиг. 4 показана нижняя часть палубы 118 с турбиной и генератором 104 в сборе, установленными на ней. Здесь обтекатели 112A, 112B можно видеть в установленном положении, в котором они отделяют погруженные рабочие колеса 152A, 152B узла 104 от расположенного выше, не погруженного в воду электрического генератора 25. Соответственно, они помогают канализировать поток текучей среды через туннель 108.
На фиг. 5 показан подробный вид узла 104, состоящего из турбины и электрического генератора. На фиг. 6-10 изображены различные компоненты узла 104, которые будут описаны ниже.
Узел 104 из турбины и электрического генератора содержит раму 105 генератора (рама лучше видна на фиг. 7), к которой (как показано на фиг. 5) прикреплен наружный корпус 8 электрического генератора 25. Генератор 25 имеет ротор 10, соосно соединенный со шкивом 21 через электрическую муфту 27. Вращение шкива 21 при включенной муфте 27, т.е. во время нормальной работы, вызывает вращение ротора 10 генератора 25 и, таким образом, выработку электрического тока. Муфта 27 реагирует на электрический выход от генератора 25 так, что она механически отсоединяет шкив от ротора, если выход электрического генератора превышает предварительно заданный уровень, что может происходить, когда через туннель 108 проходит более быстрый, чем ожидалось, поток воды.
Рама 105 генератора установлена на рамах 12А и 12В корпуса турбины, расположенных задними сторонами друг к другу. Приводное колесо 154, имеющее возможность поворота, концентрически установлено между ступицами рам 12А и 12В. Как будет описано далее, каждая из рам удерживает одно из двух противолежащих расположенных задними сторонами друг к другу рабочих колес 152А, 152В, имеющих возможность поворота относительно рам, но закрепленных в окружном направлении относительно приводного колеса 154. Ремни 166A и 166B охватывают шкив 21 и приводное колесо 154 так, что вращение рабочих колес под действием потока воды вызывает вращение шкива 21 и, следовательно, выработку электрической энергии генератором 25.
Автор полагает, что использование рабочих колес, расположенных задними сторонами друг к другу, (т.е. рабочих колес 152А, 152В) имеет преимущество в тех случаях, когда гидрокинетический генератор подлежит установке в зоне приливно-отливного потока, в такой как, например, устье реки или другой выход в море, где поток воды в течение дня меняет направление. Расположенные задними сторонами друг к другу рабочие колеса позволяют извлекать энергию из текучей среды, протекающей в любом из двух противоположных направлений. Альтернативным подходом мог бы быть гидрокинетический генератор, выполненный с возможностью поворота турбины по отношению к опорной платформе из первого положения для извлечения энергии из воды, протекающей в первом направлении, во второе положение для извлечения энергии из воды, протекающей во втором направлении. Однако понятно, что такая конструкция подразумевает добавление тяжелого поворотного узла, подверженного износу и требующего постоянно периодических действий в указанной зоне.
Другим подходом к решению проблемы создания гидрокинетического генератора для используемой области потока текучей среды является плавающая платформа, которая может быть легко повернута на 180°. Однако при этом возникают проблемы, связанные с закреплением платформы, которую необходимо часто поворачивать на 180°. В частности, неясно, как такой поворот может быть выполнен дистанционно или автоматически в требуемое время. Соответственно, расположенные задними сторонами друг к другу рабочие колеса, образующие часть описанного здесь варианта осуществления изобретения, являются предпочтительными, когда имеют место двунаправленные потоки текучей среды, такие как приливно-отливные потоки.
Рамы 12А, 12В являются идентичными, и пример рамы 12 показан на фиг. 6. Рама 12 состоит из кольца 130 с четырьмя равноотстоящими спицами, проходящими радиально внутрь от кольца к центральной ступице 134. Ступица 134 имеет противоположные соосные отверстия для фиксации соответствующего конца 158А, 158В (лучше всего видно на фиг. 8) вала 156 приводного колеса 154.
Как показано на фиг. 6, первый и второй монтажные элементы 136 и 137, расположенные друг против друга, отклонены вверх и наружу от кольца 130 рамы 12. Удаленные концы монтажных элементов 136 и 137 прикреплены к монтажной раме 105 соответствующими парами верхних монтажных пластин 138A и 138B. Монтажная рама 105 дополнительно содержит нижние монтажные пластины 140A и 140B, которые соответственно прикреплены к кольцевым монтажным пластинам 150A и 150B каждой из соответствующих монтажных рам 12A и 12B.
Держатели 125A и 125B пирамидальной формы отходят в боковом направлении от колец 130A, 130B каждой рамы 12A и 12B. Каждый из держателей состоит из 4 удлиненных элементов 128, которые сходятся наружу к кольцу 13, имеющему углубление для вмещения переднего конца 165 оси 163 рабочего колеса 152.
Как показано на фиг. 8, каждый из концов 158B и 158A вала 156 приводного колеса 154 имеет отверстие 160A, 160B квадратного сечения, которое соответственно вмещает ближайший конец 162A, 162B квадратного сечения осей 163A, 163B каждого из рабочих колес 152А и 152В. Соответственно, получается, что приводное колесо 154 и каждое из рабочих колес 152А и 152В, расположенных задними сторонами друг к другу, скреплены между собой в окружном направлении. Следовательно, поток текучей среды через одно из рабочих колес приведет к тому, что оба рабочих колеса и приводное колесо 154 будут вращаться как одно целое.
По окружности приводного колеса 154 расположены две V-образные канавки для вмещения приводных ремней 166A и 166B с V-профилем. Как показано на фиг. 4, приводные ремни 166А и 166В охватывают приводное колесо 154 и шкив 21 генератора. Соответственно, вращение приводного колеса 154 заставляет ремни 166A и 166B вращать шкив 21 и, таким образом, через муфту 27 и ротор 10 генератора, тем самым заставляя генератор 25 вырабатывать электрический ток.
Как показано на фиг. 9 и 10, предусмотрен узел 170 натяжения, смонтированный на рамах 12В и 12В корпуса турбины. Узел 170 натяжения имеет ролик 172, на который давит пружина (не показана), что создает давление натяжения на каждый из ремней 166А и 166В, уменьшая тем самым проскальзывание между ремнями и приводным колесом 154 и шкивом 21 генератора.
Предпочтительное рабочее колесо 152, которое лучше всего видно на фиг. 8, содержит четыре отдельных конических спиральных лопасти 153, которые смещены относительно друг друга вокруг центральной оси 163 на 90 градусов. Каждая лопасть 153 имеет меньший радиус лопасти рядом с передним концом 165 оси 163 и больший радиус лопасти рядом с задним концом 162 оси 163. Считается, что уменьшение радиуса каждой из лопастей в направлении переднего конца 165 полезно для повышения эффективности отбора мощности из потока текучей среды, например, благодаря уменьшению турбулентности между разнесенными частями лопастей. Каждая из лопастей 153 образована спиральными ребрами 159 и радиальными ребрами 161. Предполагается, что ребра 159 и 161 повышают эффективность рабочего колеса при преобразовании потока текучей среды вдоль рабочего колеса в механическое вращение вокруг оси 163.
Четыре лопасти, смещенные друг относительно друга на 90 градусов, взаимодействуют друг с другом, помогая извлекать максимально возможное количество энергии из воды, двигающейся через используемую турбину.
При использовании плавающий гидрокинетический генератор 100 доставляют в подходящую приливно-отливную зону и там либо ставят на якорь на месте, либо прикрепляют к некоторой конструкции, такой как причал 91, как показано на фиг. 1.
Поток воды через туннель 108 в направлении, показанном стрелкой 98, заставит рабочее колесо 152А вращаться против часовой стрелки, см. стрелку 94 на фиг. 1. Вращение рабочего колеса 152А, в свою очередь, заставит приводное колесо 154 вращаться против часовой стрелки и тем самым вызвать вращение против часовой стрелки шкива 21, присоединенного к ротору 10 генератора 25 через электрическую муфту 27, в результате чего генератор вырабатывает электрический ток. Электрические кабели от генератора 10 передают выработанную электрическую энергию от гидрокинетического генератора 100 для использования в другом месте.
Когда поток воды через туннель 108 имеет противоположное направление, показанное стрелкой 96, то этот поток будет воздействовать на передний конец второго рабочего колеса 152В и, тем самым, вызывать его вращение. Вращение рабочего колеса 152B, в свою очередь, приведет к вращению приводного колеса 154 по часовой стрелке и, таким образом, к вращению по часовой стрелке шкива 21, присоединенного к ротору генератора 25 через электрическую муфту 27, в результате чего генератор вырабатывает электрический ток. Понятно, что при использовании генератора постоянного тока полярность выхода генератора будет изменяться с изменением направления потока текучей среды через туннель. Поэтому может быть предпочтительным включить подходящую схему выпрямления или преобразования в зависимости от предполагаемого использования генерируемой электроэнергии.
Хотя описанный вариант осуществления изобретения является полезным, автор обнаружил, что для запуска вращения турбины требуется значительное количество протекающей текучей среды. Предполагается, что причиной этого является ременная муфта между рабочими колесами и электрическим генератором, которая должна быть достаточно натянутой, чтобы избежать проскальзывания. Поэтому автор разработал дополнительный и предпочтительный вариант осуществления изобретения, который будет описан ниже.
Для этого на фиг. 10А-11 показан гидрокинетический генератор 200, содержащий погружной корпус 202. Корпус сформирован цилиндрической стенкой 204, задающей в нем канал 206 для потока текучей среды, которой обычно является вода. Передняя сторона 207 цилиндрической стенки 204 представляет собой впускной раструб 208. Впускной раструб 208 имеет форму усеченного конуса с широкой передней впускной стороной 210, которая сходится к передней стороне 207 канала 206 и является непрерывной с ней. Часть 212 внутренней боковой стенки раструба 208 и передняя часть 214 боковой стенки 204 канала изогнуты внутрь, чтобы увеличить скорость текучей среды при ее движении от впускной стороны 210 раструба 208 через канал 206.
Турбина 216 смонтирована на корпусе внутри канала 206. Турбина 216 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо 218, расположенное в канале 206. Рабочее колесо 218 выполнено с осью 220, и его удерживают опоры 222, проходящие от боковой стенки 204 к противоположным концам оси 220 и закрепленные на ней. Рабочее колесо 218 имеет несколько спиральных винтообразных лопастей 215, расположенных вокруг оси. Как можно видеть на боковом профиле на фиг. 11, диаметр наружного края лопастей 215 растет примерно экспоненциально с расстоянием от переднего конца 230 к заднему концу 232 рабочего колеса 218, что показано пунктирной линией 226. Автор обнаружил, что такая форма рабочего колеса 218 особенно предпочтительна для эффективного преобразования энергии потока текучей среды в канале в энергию вращения рабочего колеса.
На фиг. 12 изображен электрический генератор 234 гидрокинетического генератора 200, который соединен по меньшей мере с одной турбиной 216 для преобразования механической энергии вращения турбины 216 в электрическую энергию, как будет объяснено ниже.
Генератор содержит несколько удлиненных элементов 236, каждый из которых имеет один или более магнитных участков из дисковых магнитов 238, расположенных по длине этих участков.
Генератор 234 имеет кольцо 240 рабочего колеса, расположенное вокруг самых удаленных от центра элементов рабочего колеса 218, как показано на фиг. 13 и 14, и прикрепленное к нему так, что кольцо 240 рабочего колеса и само рабочее колесо 218 являются соосными и неподвижными относительно друг друга.
Удлиненные элементы 236, несущие дисковые магниты 238, проходят наружу от кольца рабочего колеса параллельно оси рабочего колеса 218.
Для повышения прочности конструкции генератора предусмотрены переднее кольцо 242 и заднее кольцо 244, каждое из которых соосно с кольцом 240 рабочего колеса. Передние части удлиненных элементов 236 прикреплены к переднему кольцу 242, а задние части удлиненных элементов 236 прикреплены к заднему кольцу 244.
Удлиненные элементы 236 расположены вокруг по меньшей мере одного рабочего колеса так, что они фактически представляют собой стержни, которые вместе с кольцом рабочего колеса, передним и задним кольцами образуют цилиндрическую клетку 246, обозначенную на фиг. 13 и 14, скрепленную с рабочим колесом 218. Рабочее колесо 218 с цилиндрической клеткой 246 свободно вращается относительно корпуса. В предпочтительном варианте осуществления изобретения удлиненные элементы и различные кольца выполнены из электрически непроводящего материала.
Обращаясь снова к фиг. 12 и 13, можно видеть, что в дополнение к клетке 246 генератор 234 имеет также несколько обмоток 248, как будет коротко объяснено далее, расположенных в стенке корпуса, задающей канал для текучей среды, и предназначенных для обеспечения электромагнитного взаимодействия с дисковыми магнитами 238. Таким образом, вращение рабочего колеса 218 перемещает магнитные участки, т.е. дисковые магниты 238, мимо обмоток 248, и проводники 249 каждой из обмоток пересекают магнитный поток, связанный с магнитами 238, что порождает электрический ток в этих обмотках. Каждая из обмоток имеет ферромагнитный сердечник, такой как железный сердечник 250. Обмотки могут быть включены параллельно или последовательно или группами параллельно и последовательно в зависимости от требуемого выходного напряжения генератора. Как показано на фиг. 13, в описанном здесь предпочтительном варианте осуществления изобретения обмотки размещены группами из двух расположенных напротив друг друга рядов обмоток 251a, 251b, причем каждая группа параллельна осям кольца рабочего колеса и переднего и заднего колец. Между концами обмоток противоположных рядов предусмотрен достаточный зазор, чтобы удлиненные элементы 236 и дисковые магниты 238 могли проходить в нем.
На фиг. 16 показано поперечное сечения части стенки 204 канала. Видно, что стенка 204 имеет кольцевое углубление 254, которое вмещает край кольца 240 рабочего колеса.
В стенке 204 сформированы передняя и задняя цилиндрические полости 256, 258, соединенные с кольцевым углублением 254 и отходящие от него в поперечном направлении. В передней и задней цилиндрических полостях 246, 258 расположены удлиненные элементы 236, дисковые магниты 238, а также переднее кольцо 242 и заднее кольцо 244.
Видно, что обмотки 248 расположены внутри стенки на противоположных сторонах передней и задней цилиндрических полостей. Стенка предпочтительно изготовлена из прочного синтетического материала, такого как выдувной пластик или стекловолокно.
Обмотки 248, включая железные сердечники 250, загерметизированы в материале стенки, чтобы устранить контакт с текучей средой, протекающей по каналу.
Кабели, соединенные с обмотками, загерметизированы в стенке корпуса и проходят в нем до соединительной клеммы для отвода электрической энергии, вырабатываемой генератором 200 при использовании.
На фиг. 18 и 19 показан двунаправленный гидрокинетический генератор 201 согласно дополнительному варианту осуществления изобретения. Гидрокинетический генератор 201 сконструирован аналогично ранее описанному гидрокинетическому генератору 200, за исключением того, что он содержит первый и второй раструбы 208a и 208b и имеет турбину 216, которая содержит первое и второе рабочие колеса 218a, 218b (подробно показано на фиг. 20), каждое из которых имеет передний конец и задний конец, причем рабочие колеса смонтированы соосно задними концами друг к другу для использования двунаправленных потоков, проходящих через канал 206. Электрический генератор двунаправленного гидрокинетического генератора 201 полностью аналогичен электрическому генератору 234 с фиг. 12.
Как показано на фиг. 21, ребра или другие выступы могут быть расположены на лопастях каждого рабочего колеса, чтобы способствовать извлечению энергии из текучей среды, протекающей через рабочее колесо при использовании.
Эти ребра могут содержать одно или более радиальных ребер и одно или более спиральных ребер, как показано на фиг. 21.
Альтернативно, лопасти могут иметь шероховатую поверхность.
Например, их можно сделать шероховатыми, напыляя на них быстроотверждаемую полиуретановую массу, такую как, в частности, "Xtreme Polyurea AX 3500 Pure Polyurea Industrial", информация о которой представлена на следующем веб-сайте: https://www.xtremecoatings.com.au/index.php/industrial/on-site-coatings (получено 08 декабря 2017 г.).
При использовании однонаправленный гидрокинетический генератор 200 или его двунаправленный вариант 201 устанавливают под соответствующим понтоном или причальным сооружением с помощью устройства 211 управления поворотом вокруг вертикальной оси. Устройство управления поворотом вокруг вертикальной оси имеет ось вращения, вокруг которой корпус гидрокинетического генератора можно поворачивать, чтобы наилучшим образом расположить канал, проходящий через корпус, относительно потока воды. Когда вода входит в раструб и далее в канал, то ее скорость увеличивается из-за сужения раструба, что вызывает рост частоты вращения рабочего колеса. Когда рабочее колесо вращается, оно, в свою очередь, приводит в движение клетку, прикрепленную к наружным элементам рабочего колеса с помощью также вращающегося кольца этого колеса. Соответственно, стержни клетки и вместе с ними дисковые магниты проходят между расположенными друг напротив друга обмотками и порождают электрический ток в обмотках. Электрический ток поступает по кабелю в соединительную коробку для подключения к электрической распределительной сети или для зарядки батарей или для иного использования на месте.
Фиг. 22-25 иллюстрируют гидрокинетический генератор 300 согласно дополнительному варианту осуществления изобретения. Гидрокинетический генератор 300 содержит погружной корпус 302. Корпус образован цилиндрической стенкой 304, задающей канал 306 для потока текучей среды, которой обычно является вода. Передняя сторона 307 цилиндрической стенки 304 представляет собой впускной раструб 308. Впускной раструб 308 имеет форму усеченного конуса с широкой передней впускной стороной, которая сходится к передней стороне 307 канала 306 и является непрерывной с ней.
Турбина 316 смонтирована в корпусе внутри канала 306 так же, как это описано для гидрокинетических генераторов 200 и 201. Турбина 316 содержит по меньшей мере одно рабочее колесо 318, расположенное в канале 306. Рабочее колесо 318 выполнено с осью, и его удерживают опоры 322, проходящие от боковой стенки 304 к противоположным концам оси и закрепленные на ней, как это описано ранее для генераторов 200 и 201. Рабочее колесо 318 полностью аналогично рабочему колесу 218, описанному ранее.
Гидрокинетический генератор 300 содержит электрический генератор, который имеет кольцо 340 рабочего колеса, расположенное вокруг самых удаленных от центра элементов рабочего колеса 318, как показано на видах спереди и сзади на фиг. 24 и 25, и прикрепленное к нему так, что кольцо 340 рабочего колеса и само рабочее колесо 318 являются соосными и неподвижными относительно друг друга.
Магниты 338 расположены по обе стороны от кольца 340 рабочего колеса и параллельно оси рабочего колеса 381.
Электрический генератор 334 имеет также несколько обмоток 348, расположенных в стенке корпуса, задающей канал для текучей среды, и предназначенных для обеспечения электромагнитного взаимодействия с магнитами 338 кольца рабочего колеса. На фиг. 25 показано поперечное сечения части стенки 304 канала. Видно, что стенка 304 имеет кольцевое углубление 354, в которое входит край кольца 340 рабочего колеса. Два расположенных напротив друг друга массива обмоток 351a, 351b размещены в стенке рядом с противоположными сторонами кольцевого углубления 354.
Таким образом, рабочее колесо 318 при своем вращении вращает кольцо 340 рабочего колеса и при этом перемещает магнитные участки, т.е. магниты 338, мимо обмоток 348, и проводники 349 каждой из обмоток пересекают магнитный поток, связанный с магнитами 338, что порождает электрический ток в этих обмотках. Каждая из обмоток имеет ферромагнитный сердечник, такой как железный сердечник 350. Обмотки могут быть включены параллельно или последовательно или группами параллельно и последовательно в зависимости от требуемого выходного напряжения генератора. Как упомянуто ранее и лучше всего видно на фиг. 26 и 27, обмотки 348 размещены в двух расположенных напротив друг друга массивах обмоток 351a, 351b, при этом сердечники обмоток каждого массива вытянуты параллельно осям кольца рабочего колеса и самого рабочего колеса.
Видно, что обмотки 348 расположены внутри стенки на противоположных сторонах кольцевого углубления 354, сформированного в стенке 304. Стенка 304 предпочтительно изготовлена из прочного синтетического материала, такого как выдувной пластик или стекловолокно.
Обмотки 348, включая железные сердечники 350, загерметизированы в материале стенки, чтобы устранить их контакт с текучей средой, протекающей по каналу.
Кабели, соединенные с обмотками, загерметизированы в стенке корпуса и проходят в нем до соединительной клеммы для отвода электрической энергии, вырабатываемой генератором 300 при использовании.
Гидрокинетический генератор 300 используют аналогично, например, ранее описанному генератору 200.
В соответствии с законом данное изобретение было описано на языке, более или менее специфичном для конструктивных или методических признаков. Термин "содержит" и его вариации, такие как "содержащий" и "состоящий из", здесь используется повсеместно во "включающем в себя" смысле, а не исключающем какие-либо дополнительные признаки. Следует понимать, что данное изобретение не ограничено конкретными признаками, показанными или описанными, поскольку описанные здесь средства включают в себя предпочтительные формы реализации изобретения.
Следовательно, данное изобретение заявлено в любой из его форм или модификаций в пределах объема прилагаемой формулы изобретения, надлежащим образом интерпретированной специалистами в данной области техники.
Во всем описании и в формуле изобретения (если они присутствуют), если контекст не требует иного, термины "по существу" или "около" подразумевают значение, не ограниченное диапазоном, определяемым этими терминами.
Любой вариант осуществления изобретения предназначен только для иллюстрации и не предназначен для ограничения изобретения. Следовательно, необходимо понимать, что различные другие изменения и модификации могут быть сделаны в любом описанном варианте осуществления без отклонения от сущности и объема изобретения.
Реферат
Группа изобретений относится к устройству для извлечения энергии в форме электричества из потоков текучей среды. Гидрокинетический генератор 200 содержит погружной корпус, турбину 216, смонтированную в корпусе, содержащую по меньшей мере одно рабочее колесо 218 и по меньшей мере один электрический генератор для преобразования механической энергии турбины 216 в электрическую энергию. Генератор имеет множество удлиненных элементов, содержащих один или более магнитных участков и несколько обмоток, расположенных в корпусе и предназначенных для обеспечения электромагнитного взаимодействия с магнитными участками. Удлиненные элементы расположены вокруг по меньшей мере одного колеса 218 и закреплены на нем. Рабочее колесо 218 содержит множество спиральных винтообразных лопастей 215, расположенных вокруг общей оси от ее переднего конца до заднего конца. Радиус лопастей 215 экспоненциально увеличивается от переднего конца к заднему концу. Группа изобретений направлена на создание улучшенного гидрокинетического генератора для извлечения энергии из потока текучей среды. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 30 ил.
