УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ЭНЕРГИИ ВЕТРА Российский патент 2015 года по МПК F03D3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству для преобразования энергии, а более конкретно к устройству, способному преобразовывать энергию ветра в электроэнергию.

Уровень техники

В результате повышения требований экологической безопасности вопрос экономии потребления электроэнергии приобрел особую важность. Как показано на фиг.1, традиционное устройство 1, предназначенное для генерации электроэнергии из энергии ветра, содержит вертикальную опорную мачту 11, ветроколесо 12 и генератор 13. Ветроколесо 12 установлено на одном конце вертикальной опорной мачты 11 и содержит множество лопастей 121, приводимых во вращение ветром. Ветроколесо 12 преобразует энергию ветра в кинетическую энергию вращения. Генератор 13 соединен с ветроколесом 12 и предназначен для преобразования кинетической энергии вращения в электроэнергию.

Однако такое устройство 1 имеет большие габариты и занимает относительно большую площадь. Как правило, оно устанавливается в месте, удаленном от города, и соответственно потери энергии в процессе ее передачи и стоимость сооружения традиционного устройства 1 возрастают. Кроме того, поскольку энергия ветра имеет непостоянный характер, трудно приводить лопасти 121 во вращение стабильно, в результате чего производительность генерации электроэнергии традиционным устройством является нестабильной.

В документе TW M338278 описано еще одно традиционное устройство 2, показанное на фиг.2 и предназначенное для генерации электроэнергии из энергии ветра. Устройство 2 содержит блок 21 сбора ветра, лопаточный блок 22 и генератор 23. Лопаточный блок 22 содержит вертикальный вал 221, установленный на основании, и множество лопаток 222, неподвижно соединенных с вертикальным валом 221 и вращающихся вместе с ним.

Блок 21 сбора ветра содержит множество вертикальных пластин 211, которые закреплены на основании и расположены на одинаковом угловом расстоянии друг от друга вокруг лопаточного блока 22. Любые две соседние вертикальные пластины 211 образуют между собой сужающийся внутрь направляющий канал для ветра. Вертикальные пластины 211 имеют такую форму, что ветер собирается из различных направлений и протекает непосредственно к лопаткам 222 лопаточного блока 22 через направляющие каналы для ветра таким образом, что он заставляет лопатки 222 вращаться совместно с вертикальным валом 221 для генерации кинетической энергии вращения. Генератор 23 соединен с вертикальным валом 221 и предназначен для преобразования кинетической энергии вращения в электроэнергию.

Вышеупомянутое устройство 2 может обеспечить эффективный способ генерации электроэнергии из энергии ветра, однако блок 21 сбора ветра собирает ветер для протекания к лопаточному блоку 22 и лопаточный блок 22 и генератор 23 могут повреждаться, когда образуется торнадо или тайфун. В результате этого срок службы традиционного устройства 2 относительно невелик.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, способного регулировать количество ветра, протекающего к лопаточному блоку.

Указанная задача решена в устройстве для генерации электроэнергии из энергии ветра. Устройство содержит основание, лопаточный блок, генератор, блок сбора ветра и блок управления. Лопаточный блок содержит вертикальный вал, который проходит аксиально вдоль оси вращения и установлен на основании с возможностью вращения, и по меньшей мере один лопаточный элемент, содержащий множество лопаток, закрепленных неподвижно вдоль окружности вертикального вала и приводимых в движение ветром для вращения вокруг оси вращения с целью преобразования энергии ветра в кинетическую энергию вращения. Генератор соединен с вертикальным валом лопаточного блока и предназначен для преобразования кинетической энергии вращения в электроэнергию. Блок сбора ветра содержит множество лопаток для сбора ветра, которые установлены с возможностью поворота на основании и расположены вокруг лопаток лопаточного элемента с равным угловым расстоянием друг от друга. Блок управления содержит датчик, предназначенный для измерения скорости вращения вертикального вала лопаточного блока и выработки управляющего сигнала, соответствующего скорости вращения, и по меньшей мере один приводной элемент, соединенный с датчиком и предназначенный для приема от него сигнала управления и реагирующий на управляющий сигнал для перемещения по меньшей мере части каждой из пластин для сбора ветра между первым положением, в котором любые две соседние пластины для сбора ветра образуют между собой направляющий канал для ветра, имеющий вход для ветра и выход для ветра, направленный в сторону вертикального вала, и который сужается от входа для ветра к выходу для ветра, чтобы собирать ветер и направлять его поток непосредственно к лопаткам, и вторым положением, в котором выход для ветра имеет размер, не меньший, чем размер входа для ветра, чтобы уменьшить количество ветра, протекающего к лопаткам.

Краткое описание чертежей

Прочие характеристики и преимущества данного изобретения станут очевидны из последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано традиционное устройство для генерации электроэнергии из энергии ветра, вид в перспективе;

на фиг.2 - еще одно традиционное устройство для генерации электроэнергии из энергии ветра, описанное в документе TW №М338278, вид в перспективе с пространственным разделением деталей;

на фиг.3 - первый предпочтительный вариант выполнения устройства для генерации электроэнергии из энергии ветра согласно изобретению, вид в перспективе с пространственным разделением деталей;

на фиг.4 - устройство согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;

на фиг.5 - устройство для генерации электроэнергии из энергии ветра согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения, в котором блок сбора ветра устройства находится в первом положении, в котором ветер собирается для протекания непосредственно к лопаточному блоку устройства, вид сверху;

на фиг.6 - устройство согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения, в котором блок сбора ветра находится во втором положении, в котором количество ветра, протекающего к лопаточному блоку, уменьшается, вид сверху;

на фиг.7 - устройство согласно первому предпочтительному варианту осуществления изобретения, в котором блок сбора ветра расположен вдоль окружности вокруг лопаточного блока, так что он препятствует протеканию ветра к лопаточному блоку, вид сверху;

на фиг.8 - устройство согласно второму предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в перспективе с частичным пространственным разделением деталей;

на фиг.9 - устройство согласно третьему предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в перспективе с частичным пространственным разделением деталей;

на фиг.10 - устройство согласно третьему предпочтительному варианту осуществления изобретения, в котором вторые направляющие участки блока сбора ветра находятся в первом положении, вид сверху;

на фиг.11 - устройство, в котором вторые направляющие участки находятся во втором положении, вид сверху;

на фиг.12 - устройство согласно третьему предпочтительному варианту осуществления изобретения, в котором вторые направляющие участки расположены вдоль окружности вокруг лопаточного блока, вид сверху;

на фиг.13 - устройство согласно четвертому предпочтительному варианту осуществления изобретения, вид в перспективе с частичным пространственным разделением деталей.

Осуществление изобретения

Перед тем как данное изобретение будет описано более подробно, следует отметить, что аналогичные элементы имеют одинаковые цифровые обозначения на протяжении всего технического описания.

Первый предпочтительный вариант выполнения устройства 3 для генерации электроэнергии из энергии ветра согласно изобретению показан на фиг.3 и фиг.4. Устройство 3 содержит полое основание 4, лопаточный блок 5, генератор 9, блок 6 сбора ветра, верхнюю стенку 7 и блок 8 управления.

Лопаточный блок 5 содержит вертикальный вал 51, который проходит аксиально вдоль оси (А) вращения и установлен с возможностью вращения на основании 4, и лопаточный элемент 52, который содержит множество лопаток 521, неподвижно прикрепленных к вертикальному валу 51 и приводимых во вращение ветром вокруг оси (А) вращения для преобразования энергии ветра в кинетическую энергию вращения.

Генератор 9 соединен с вертикальным валом 51 лопаточного блока 5 и предназначен для преобразования кинетической энергии вращения в электроэнергию.

Блок 6 сбора ветра содержит множество пластин 61 для сбора ветра, расположенных вокруг лопаток 521 лопаточного элемента 52 с равным угловым расстоянием между пластинами. Как показано на фиг.5, каждая из пластин 61 для сбора ветра содержит первый направляющий участок 613, второй направляющий участок 614, соединенный с первым направляющим участком 613, и приводной вал 611, проходящий в осевом направлении параллельно оси (А) вращения и обеспечивающий крепление соответствующей одной из пластин 61 для сбора ветра на основании 4 с возможностью поворота.

Блок 8 управления содержит датчик 81 и множество приводов 82. Датчик 81 предназначен для измерения скорости вращения вертикального вала 51 лопаточного блока 5 и для выработки управляющего сигнала, соответствующего скорости вращения. Каждый из приводов 82 соединен с датчиком 81 и предназначен для приема от него управляющего сигнала и в ответ на управляющий сигнал выполнен с возможностью приведения во вращение приводного вала 611 соответствующей одной из пластин 61 для сбора ветра и перемещения соответствующей одной из пластин 61 для сбора ветра между первым положением (см. фиг.5) и вторым положением (см. фиг.6). В первом положении любые две соседние пластины 61 для сбора ветра образуют между собой направляющий канал 62 для ветра, имеющий вход 621 для ветра, который образован вторыми направляющими участками 614 двух соответствующих пластин 61 для сбора ветра, и выход 622 для ветра, который образован первыми направляющими участками 613 двух соответствующих пластин 61 для сбора ветра и направлен в сторону вертикального вала 51. В частности, каждый из направляющих каналов 62 для ветра сужается от входа 621 для ветра в сторону выхода 622 для ветра, чтобы собирать ветер и направлять его поток непосредственно к лопаткам 521 лопаточного блока 5. Во втором положении каждый выход 622 для ветра имеет размер (т.е. расстояние между соответствующими двумя первыми направляющими участками 613), не меньший, чем размер (т.е. расстояние между соответствующими двумя вторыми направляющими участками 614) соответствующего входа 621 для ветра, чтобы уменьшить количество ветра, протекающего к лопаткам 521.

Следует отметить, что в этом варианте осуществления изобретения первый и второй направляющие участки 613, 614 каждой пластины 61 для сбора ветра выполнены за одно целое друг с другом, а каждая из пластин 61 для сбора ветра сужается от второго направляющего участка 614 в сторону ее первого направляющего участка 613.

Верхняя стенка 7 расположена над вертикальным валом 51 и приводными валами 611 и закрывает лопаточный блок 5 и блок 6 сбора ветра. Вертикальный вал 51 и приводные валы 611 установлены с возможностью вращения между верхней стенкой 7 и основанием 4.

Как показано на фиг.5, когда пластины 61 для сбора ветра перемещаются в первое положение, первые направляющие участки 613 располагаются рядом с вертикальным валом 51 и направлены в сторону вертикального вала 51, а вторые направляющие участки 614 проходят радиально и направлены в сторону от вертикального вала 51.

Таким образом, ветер с различных направлений может собираться с помощью пластин 61 для сбора ветра и протекать непосредственно к лопаткам 521 лопаточного блока 5 от входов 622 для ветра в направлении к выходам 622 для ветра через направляющие каналы 62 для ветра. Соответственно лопатки 521 эффективно приводятся в движение ветром для их вращения вокруг оси (А) вращения вместе с вертикальным валом 51, чтобы преобразовывать энергию ветра в кинетическую энергию вращения. Затем генератор 9 преобразует кинетическую энергию вращения в электроэнергию.

Как показано на фиг.6, когда датчик 81 блока 8 управления (показанный на фиг.3 и фиг.4) обнаруживает, что скорость вращения вертикального вала 51 превышает заранее заданное пороговое значение, датчик 81 генерирует управляющий сигнал, который принимается приводами 82. В ответ на управляющий сигнал от датчика 81 приводы 82 перемещают пластины 61 для сбора ветра из первого положения (см. фиг.5) во второе положение (см. фиг.6). Соответственно количество ветра, протекающего к лопаткам 521 лопаточного блока 5, может быть уменьшено и в результате скорость вращения вертикального вала 51 снижается.

Кроме того, как показано на фиг.7, пластины 61 для сбора ветра могут быть расположены вдоль окружности вокруг лопаточного блока 5, чтобы, когда возникает торнадо или тайфун, они препятствовали протеканию ветра к лопаточному блоку 5. Таким образом, лопаточный блок 5 и генератор 9 защищены от повреждений и срок службы устройства 3 может быть увеличен.

Как показано на фиг.8, согласно второму предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство 3 имеет конструкцию, аналогичную конструкции первого варианта осуществления изобретения. Основное различие между вторым вариантом осуществления изобретения и первым вариантом заключается в том, что лопаточный блок 5 содержит множество лопаточных элементов 52, расположенных аксиально вдоль вертикального вала 51. Лопатки 521 каждого из лопаточных элементов 52 смещены относительно лопаток соседнего лопаточного элемента 52 вдоль оси (А) вращения.

На фиг.9-12 показан третий предпочтительный вариант осуществления изобретения. В этом варианте осуществления изобретения первый направляющий участок 613 каждой из пластин 61 для сбора ветра закреплен неподвижно, располагаясь рядом с вертикальным валом 51 лопаточного блока 5, и направлен в сторону вертикального вала 51, а второй направляющий участок 614 каждой из пластин 61 для сбора ветра установлен с возможностью поворота на основании 4 через приводной вал 611 соответствующей пластины 61 для сбора ветра и приводится во вращение с помощью приводного вала 611 для перемещения между первым положением (см. фиг.10) и вторым положением (см. фиг.11). Каждый первый направляющий участок 613 имеет первый конец 636, направленный в сторону вертикального вала 51, и второй конец 635, противоположный первому концу 636 и расположенный рядом с соответствующим вторым направляющим участком 614. Блок 6 сбора ветра дополнительно содержит множество усиливающих элементов 64, каждый из которых соединяет между собой первые направляющие участки 613 пластин 61 для сбора ветра. Кроме того, как показано на фиг.12, вторые направляющие участки 614 могут быть расположены вдоль окружности, окружая первые направляющие участки 613 и лопаточный блок 5, когда возникает торнадо или тайфун.

Как показано на фиг.13, устройство 3, выполненное согласно четвертому предпочтительному варианту осуществления изобретения, имеет конструкцию, аналогичную конструкции устройства, соответствующего третьему варианту осуществления изобретения. Основное отличие четвертого варианта осуществления изобретения от третьего варианта заключается в том, что в этом варианте лопаточный блок 5 содержит множество лопаточных элементов 52, расположенных аксиально вдоль вертикального вала 51. Лопатки 521 каждого из лопаточных элементов 52 смещены относительно лопаток соседнего лопаточного элемента 52 вдоль оси (А) вращения.

Суммируя вышесказанное, можно отметить, что благодаря наличию блока 8 управления по меньшей мере часть каждой пластины 61 для сбора ветра может перемещаться между первым и вторым положениями с помощью приводов 82, как это требуется в соответствии со скоростью вращения вертикального вала 51, измеренной датчиком 81. Соответственно, устройство 3 согласно изобретению способно предотвращать повреждение лопаточного блока 5 и генератора 9, а также обеспечивать эффективный способ генерации электроэнергии из энергии ветра.

Хотя данное изобретение было описано выше в связи с вариантами его осуществления, рассматриваемыми как наиболее практические и предпочтительные, понятно, что данное изобретение не ограничено описанными выше вариантами его осуществления, а охватывает также самые разнообразные конструкции, выполненные в духе и в рамках объема широчайшей его интерпретации, с тем чтобы охватить все такие возможные модификации и эквивалентные конструкции.

(57) Изобретение относится к устройству для генерации электроэнергии из энергии ветра, содержащему лопаточный блок (5), блок (6) сбора ветра и блок (8) управления. Лопаточный блок (5) содержит вертикальный вал (51), установленный с возможностью вращения на основании (4), и множество лопаток (521), неподвижно прикрепленных вокруг вала (51) и приводимых во вращение ветром. Генератор (9) соединен с валом (51) и предназначен для преобразования кинетической энергии вращения в электроэнергию. Блок (6) сбора ветра содержит вертикальные пластины (61), установленные с возможностью поворота на основании и расположенные вокруг лопаток (521). Блок (8) управления замеряет скорость вращения вала (51) и в соответствии с этой скоростью вращения перемещает по меньшей мере часть каждой вертикальной пластины (61) между первым и вторым положениями, в которых количество ветра, протекающего к лопаткам (521) соответственно увеличивается и уменьшается. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Устройство для генерации электроэнергии из энергии ветра, содержащее: основание (4);
лопаточный блок (5), включающий в себя вертикальный вал (51), проходящий аксиально вдоль оси (А) вращения и установленный с возможностью вращения на основании (4), и по меньшей мере один лопаточный элемент (52), который имеет множество лопаток (521), неподвижно соединенных вокруг вертикального вала (51) и приводимых в движение ветром для вращения вокруг оси (А) вращения с целью преобразования энергии ветра в кинетическую энергию вращения; и
генератор (9), соединенный с вертикальным валом (51) лопаточного блока (5) и предназначенный для преобразования кинетической энергии вращения в электроэнергию;
отличающееся тем, что содержит:
блок (6) сбора ветра, включающий в себя множество пластин (61) для сбора ветра, установленных с возможностью поворота на основании (4) и расположенных вокруг лопаток (521) лопаточного элемента (52) с равным угловым расстоянием между пластинами; и
блок (8) управления, включающий в себя датчик (81), предназначенный для измерения скорости вращения вертикального вала (51) лопаточного блока (5) и для выработки сигнала управления, соответствующего скорости вращения, и по меньшей мере один соединенный с датчиком (81) привод (82), выполненный с возможностью приема от датчика (81) сигнала управления и перемещения в ответ на сигнал управления по меньшей мере части каждой из пластин (61) для сбора ветра между первым положением, в котором любые две из пластин (61) для сбора ветра образуют между собой направляющий канал (62) для ветра, имеющий вход (621) для ветра и выход (622) для ветра, направленный в сторону вертикального вала, и сужающийся от входа (621) для ветра к выходу (622) для ветра, чтобы собирать ветер и направлять его поток непосредственно к лопаткам (521), и вторым положением, в котором выход (622) для ветра имеет размер, не меньший, чем размер входа (621) для ветра, чтобы уменьшить количество ветра, протекающего к лопаткам (51);
при этом каждая из пластин (61) для сбора ветра содержит первый направляющий участок (613), неподвижно расположенный рядом с вертикальным валом (51) лопаточного блока (5) и сужающийся в сторону вертикального вала, второй направляющий участок (614), расположенный рядом с первым направляющим участком (613) с возможностью поворота относительно первого направляющего участка, и приводной вал (611), который проходит в осевом направлении параллельно оси вращения и крепит второй направляющий участок (614) с возможностью поворота к основанию (4), при этом приводной вал (611) приводится во вращение приводом (82), чтобы перемещать второй направляющий участок (614) между первым и вторым положениями.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок (6) сбора ветра дополнительно содержит множество усиливающих элементов (64), каждый из которых соединяет между собой первые направляющие участки (613) двух соседних пластин (611) для сбора ветра.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что содержит верхнюю стенку (7), расположенную над вертикальным валом (51) и приводными валами (611) и закрывающую лопаточный блок (5) и блок (6) сбора ветра, причем вертикальный вал (51) и приводные валы (611) установлены с возможностью вращения между верхней стенкой (7) и основанием (4).

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что лопаточный блок (5) содержит множество лопаточных элементов (52), расположенных аксиально вдоль вертикального вала (51), причем лопатки (521) каждого из лопаточных элементов (52) смещены относительно лопаток соседнего лопаточного элемента (52) вдоль оси (А) вращения.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первые направляющие участки (613) двух соседних пластин (61) для сбора ветра образуют между собой выход (622) для ветра, а вторые направляющие участки (614) двух соседних пластин (61) для сбора ветра образуют между собой вход (621) для ветра.