ветроэлектроустановка с накопителем энергии

Формула изобретения

Ветроэлектроустановка с накопителем энергии, содержащая установленное на башне ветроколесо, генератор, редуктор, систему кинематической передачи от ветроколеса к генератору, тормоз генератора, маховик и грузы одинаковой массы, соединенные гибкой связью с размещенными в башне горизонтальными валами, отличающаяся тем, что содержит ветроколесо с поворотными лопастями и размещено на полом с прорезями и храповиком вертикальном валу, имеющим возможность передачи вращения посредством конической передачи на две горизонтальные параллельные оси, на которых подвешены два одинаковых груза на замкнутых роликовых цепях и соответственно размещены одинаковые валы, звездочки, сцепные муфты, шестерни, а система автоматического механического переключения содержит соединительные цепи, рычаг переключения, пружинный переключатель, коромысло, сцепные муфты с вилками, установленные о возможностью взаимодействия между собой для переключения грузов при достижении ими крайних верхнего или нижнего положений, причем защелка и выключатели защелки с возможностью исключения частных переключений грузов в крайнем верхнем положении при избытке энергии ветра, при этом разъемный сердечник, имеющий возможность вертикальных перемещений, состоящий из нижней с рычагом переключения невращающейся части и верхней вращающейся и заканчивающейся ограничителями поворота, выступающими из прорезей вала ветроколеса, причем при избытке энергии ветра грузы через рычаг переключения имеют возможность поднять сердечник и ограничителями поворота освободить лопасти ветроколеса, при ураганном ветре лопастями ветроколеса возможно через ограничители поворота поднять верхнюю часть сердечника, а барабан тормоза генератора выполнен как маховик.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано во многих отраслях народного хозяйства для выработки электроэнергии.

Изготавливаемая в г. Астрахани опытно-экспериментальным заводом "ВЕТРОЭНЕРГОМАШ" Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР ветроэнергоустановка АВЭУ 4-6-4М монтируется на опоре из стальных труб высотой около 10 м, на верху которой устанавливается горизонтальный вал с ветроколесом, флюгером, генератором мощностью 4 кВт и устройством, регулирующим число оборотов вала. Установка работает при скорости не менее 9 м/сек. Известно множество разработок, аналогичных описанной АВЭУ 4-6-4М; установок с вертикальным валом, аналогичных описанной в бюллетене изобретений N8 за 1988 г. (F 03 D 3/02, авторское свидетельство N1377448) и подобных ей.

Прототипом предлагаемой ветроэлектроустановки является ветроэлектроагрегат, F 02 D 9/00, патент США N4450362, кл. F 03 D 9/00, опублик. 1984 г.

Прототип имеет ряд недостатков сложность промышленного изготовления ленточных пружин; усилия, отдаваемые пружинами, изменяются от максимума до нуля, поэтому необходим регулятор числа оборотов на валу генератора; ветроколесо, установленное на горизонтальном валу, должно иметь устройство ориентации на ветер, противовес, ограничено в размерах высотой башни, наклонное положение лопастей к направлению ветра не позволяет использовать больше 50% энергии ветра, набегающего на ветроколесо.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков принципиальным изменением конструкции установки. Накопление энергии производится за счет потенциальной энергии 2-х грузов большого веса, которые попеременно подымаются ветродвигателем, веса грузов и высоты подъема, редукторов, которые обеспечат необходимую мощность генератора и продолжительность работы без ветра.

На фиг. 1. изображена схема ветроэлектроустановки. Сверху башни (водонапорной) устанавливается ветродвигатель горизонтального типа, не требующий ориентации на ветер. Двигатель такого типа может быть построен любой мощности, ограниченной только техническими возможностями, за счет увеличения лопастей и количества ярусов по высоте. Для уменьшения веса трубчатые элементы лопастей можно заполнить водородом. Лопасти (2) ветродвигателя установлены на осях асимметрично и удерживаются "на ветру" ограничителями поворота (3), которые прикреплены к сердечнику мачты (13) и могут передвигаться вверх по пазам мачты, освобождая лопасти для разворота "по ветру". Вращение от ветродвигателя на подъем одного из грузов передается через шестерни (7, 8, 9, 10), сцепные муфты (12), звездочки (11) и бесконечные цепи (21). Переключение грузов происходит при достижении одними из них наивысшей или наинизшей точки при помощи соединительных цепей (17, 22), рычага переключения (14), переключателя (15), коромысла (фиг.4.), сцепных муфт с вилками (фиг.6. ).

При достижении обоих грузов наивысшего положения они поднимают сердечник мачты (фиг. 2. ) и освобождают лопасти ветродвигателя (останавливают двигатель). Для предотвращения очень частых переключений грузов в верхнем положении предусмотрена автоматическая остановка двигателя на небольшой срок при помощи защелки (18, фиг.1), тяг (20) и выключателей защелки (19).

На фиг.8. приведена кинематическая схема передач от ветродвигателя к одному из грузов и от другого груза к генератору. Постоянный и одинаковый вес грузов, передаточное число и шестерни передач создают неизменное число оборотов вала генератора.

Чтобы прекратить подачу электроэнергии, включается тормозное устройство (фиг. 5. ), при этом ветродвигатель будет продолжать подъем грузов, пока они не выключат его и не будут заторможены с максимальным запасом энергии (один храповиком мачты, другой тормозным устройством).

Груз, имеющий массу mкг, поднятый на высоту Hм, будет обладать потенциальной энергией

(1) П mgH,

где g ускорение свободного падения, за время падения груза (работы генератора) Tг разовьет мощность (без учета трения):

(2) A П/Tг кгм/сек,

или генератор электрическую мощность:

(3) Aэ П/Tг102 кВт.

Время работы генератора выразится формулой

(4) Tг П/Aэ102 mgH/Aэ102 сек,

т. е. время работы генератора прямо пропорционально массе груза, высоте подъема и обратно пропорционально мощности генератора.

Как видной из формулы (4), увеличением высоты подъема и массы грузов можно создавать большие запасы энергии и для увеличения времени работы при неравномерном потреблении электроэнергии возможно применение нескольких генераторов различной мощности с автоматическим их переключением.

На фиг.9. изображена схема передачи вращения от лопастей ветродвигателя на малую коническую шестерню. Усилие ветра Q1, передаваемое лопастью ветродвигателя на шестерню, увеличивается в R1/R2 раз, т.е. будет равным

(5) Q2 Q1R1/R2;

линейная скорость вращения шестерни уменьшится в R1/R2 раз:

(6) V2 V1R2/R1;

Чтобы усилием Q2 поднять груз весом P, необходима система передач с передаточным числом

(7) n P/Q2;

Определили время подъема груза:

(8) Tn H/Vn,

где Vn скорость подъема груза, которая будет меньше скорости малой конической шестерни в n раз:

(9) Vn V2/n;

Подставим в формулу (8) значения формул 9, 7, 6, 5:

(10)

Как видно из формулы (10), время подъема груза не зависит от радиуса вращения лопасти ветродвигателя, а зависит от скорости ветра и отдаваемого им усилия, т.е. от площади лопасти, что имеет большое практическое значение. Лопасти должны иметь площадь, достаточную для работы при слабом ветре; минимальный радиус вращения; форму прямоугольных рамок с натянутой внутри прочной тканью, имеющих аэродинамический коэффициент не менее 0,8.

Промышленное изготовление и использование в народном хозяйстве предлагаемой ветроэлектроустановки даст большой экономический эффект, т.к. она способна обеспечить постоянное электроснабжение небольших населенных пунктов и предприятий, особенно в труднодоступных районах Севера, Востока, Арктики, Антарктики, на островах и побережье Тихого океана; быть запасным (аварийным) источником электроснабжения на любом предприятии. 2 4