ПРИЛИВНЫЙ И ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЛОПАСТЯМИ И ПОВЫШЕННЫМ КПД Российский патент 2015 года по МПК F03D3/06 F03D7/06 F03B7/00 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в целом к приливным и ветроэлектрическим генераторам, которые могут использоваться не только как приливные генераторы, но также как ветроэлектрические генераторы, более точно, к приливному и ветроэлектрическому генератору с регулируемыми лопастями и повышенным кпд, содержащему лопасти, каждая из которых развертывается с первой стороны, с которой на нее воздействует ветер, и складывается со второй стороны, повернутой под углом 180° к первой стороне, в результате может сводиться к минимуму сопротивление воздуха, и лопасти могут улавливать ветер, при этом число блоков, используемых для производства энергии, меняется в зависимости от силы ветра, и тем самым может дополнительно повышаться кпд, генератор может легко размещаться независимо от места установки, и даже на сравнительно небольшом участке можно простым способом устойчиво и надежно устанавливать множество ветроэлектрических генераторов и тем самым доводить до максимума производство энергии на единицу площади, что позволяет легко внедрять генераторы в промышленном масштабе.

Описание уровня техники

Применяемые в настоящее время способы производства энергии обычно включают производство тепловой энергии с использованием большого количества ископаемого топлива, производство атомной энергии с использованием урана, производство гидроэнергии, требующее крупномасштабного оборудования, и т.д. Такие способы производства энергии являются главными источниками загрязнения атмосферы или глобального потепления, порождают труднообрабатываемые радиоактивные отходы или наносят серьезный ущерб окружающей среде. Соответственно, неотложно требуются благоприятные для окружающей среды способы производства энергии. В качестве наглядных примеров таких альтернативных благоприятных для окружающей среды способов производства энергии широко изучается солнечная энергетика и ветроэнергетика. В частности, наиболее предпочтительным является ветроэнергетика с использованием силы ветра. В Корее, окруженной морем с трех сторон, значительно растет интерес к ветроэнергетике.

Ветроэнергетика является технологией, в которой используются аэродинамические характеристики кинетической энергии потока воздуха, который вращает ротор, преобразующий энергию ветра в механическую энергию и тем самым вырабатывающий электроэнергию. Ветроэлектрические генераторы делятся на генераторы горизонтального типа и вертикального типа в зависимости от направления вращения вала относительно поверхности земли. Такой ветроэлектрический генератор содержит ротор, который имеющий ступицу и лопасти, ускоритель, ускоряющий ротор и приводит в действие генератор, блок управления, управляющий генератором и разного рода устройствами защиты, гидравлический тормозной блок, блок управления мощностью и стальную опору.

Кроме того, ветроэнергетика является новой технологией производства энергии с минимальным воздействием на окружающую среду за счет использования ветра в качестве не загрязняющего окружающую среду, повсеместно доступного и неисчерпаемого источника энергии и позволяет эффективно использовать территорию и конкурировать с существующими способами производства энергии в том, что касается стоимости производства энергии в случае сооружения крупного комплекса.

Такой ветроэлектрический генератор преобразует кинетическую энергию вращающегося ротора в электроэнергии. При этом теоретически около 60% кинетической энергии преобразуется в механическую энергию, то есть в процессе преобразования также теряется большое количество энергии. Соответственно, кпд преобразования энергии ветра в электроэнергию составляет всего от 20% до 40%, хотя он незначительно изменяется в зависимости от формы ротора.

Недостатком традиционного ветроэлектрического генератора является то, что кинетическая энергия ветра, подводимая к лопастям ротора, способна сообщать ротору вращение, в результате чего он преобразует кинетическую энергию ветра в электроэнергию, только когда скорость ветра превышает заданную величину, а плотность воздуха является относительно высокой.

Иными словами, если в случае традиционного ветроэлектрического генератора ветер является слабым, вращающая сила ротора значительно уменьшается, и генерирование электроэнергии может становиться невозможным.

В частности, когда в случае традиционного ветроэлектрического генератора каждая лопасть ротора повернута на 180° от стороны, с которой на нее воздействует ветер, лопасть препятствует вращению ротора из-за сопротивления ветра. Соответственно, дополнительно снижается кпд.

В попытке преодолеть упомянутые недостатки в патенте Кореи №0966523 предложен ротор с регулируемыми лопастями для ветроэлектрических генераторов.

Как показано на фиг. 1 и 2, ротор с регулируемыми лопастями по патенту №0966523 содержит корпус 110, который соединен с вращающимся валом генератора и вращается вместе с вращающимся валом; лопасти 120, которые расположены вокруг корпуса 110, на определенном расстоянии друг от друга по окружности и в продольном направлении с равномерными промежутками с тем, чтобы вращать корпус 110 с использованием силы ветра, и развертываются или складываются под действием силы ветра; кронштейны 131, с которыми с помощью шарниров с возможностью вращения соединены лопасти 120 и которые установлены на корпусе 110; и приводы 130, которые установлены на корпусе 110 и с которыми с возможностью вращения соединены лопасти 120. Приводы 130 приводят в действие соответствующие лопасти 120 таким образом, чтобы лопасти 120 развертывались или складывались в зависимости от направления, в котором на лопасти 120 воздействует ветер. Каждый привод 130 содержит кронштейн 131, который установлен на корпусе 110 и с которым с помощью шарниров Н с возможностью вращения соединены соответствующие лопасти 120; цилиндр 133, который установлен на кронштейне 131 и образует в нем рабочее пространство 133а; поршень 135, который размещается в рабочем пространстве 133а и совершает линейные возвратно-поступательные движения; пружину 137 сжатия, которая размещается в рабочем пространстве 133а и упруго смещает поршень 135 в направлении лопастей 120; и тяги 139, первый конец каждой из которых соединен с соответствующей лопастью 120, а второй конец соединен с поршнем 135. Когда при вращении ротора 100 к ветру обращены передние поверхности 121 лопастей 120, лопасти 120 развертываются. Когда к ветру обращены задние поверхности 123 лопастей 120, лопасти 120 быстро поворачиваются на кронштейне 131 и складываются под действием энергии ветра и упругой силы пружины 137 сжатия, в результате чего может уменьшаться энергия ветра, воздействующая на лопасти 120. Тем самым может увеличиваться вращающая сила ротора 100.

Хотя ротор 100 с регулируемыми лопастями для ветроэлектрических генераторов по патенту 0966523 сконфигурирован таким образом, что лопасти 120 развертываются или складываются под действием ветра, поскольку лопасти 120, находившиеся в развернутом или сложенном состоянии, переходят в другое состояние при повороте вокруг корпуса 110 на 180°, существует вероятность того, что лопасти 120 не будут надежно развертываться или складываться. Кроме того, поскольку упругая сила пружины 137 сжатия, которая складывает лопасти 120, действует как сила, предотвращающая вращение ротора 100, кпд генератора не повышается, как это ожидалось.

Кроме того, ротор 100 с регулируемыми лопастями для ветроэлектрических генераторов по патенту №0966523 не предусмотрена возможность осуществлять ремонт или обслуживание без остановки ротора 100. Соответственно, невозможно без труда осуществлять ремонт или обслуживание ротора 100. Иными словами, поскольку ротор 100 непрерывно вращается, даже при отказе какой-либо из лопастей 120 сложно отремонтировать неисправную лопасть 120 без прерывания работы ротора 100.

Помимо этого, в традиционном ветроэлектрическом генераторе используется одна турбина для производства энергии независимо от силы ветра. Таким образом, даже при значительном возрастании силы ветра, количество производимой энергии невозможно увеличить сверх заданного уровня.

Краткое изложение сущности изобретения

Соответственно, настоящее изобретение создано с учетом указанных выше недостатков известного уровня техники, и в его основу положена задача создания приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями, который может использоваться даже в условиях слабого ветра или отлива независимо от направления ветра или приливного течения и лопасти которого сконфигурированы таким образом, что они могут накапливать энергию ветра или приливную энергию и тем самым повышать кпд генератора.

Другой задачей настоящего изобретения является создания приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями, каждая из которых развертывается со стороны, с которой на нее воздействует энергия ветра или приливная энергия, а при повороте на 180° складывается, чтобы свести к минимуму сопротивление воздуха или воды при вращении и тем самым силу сопротивления, которая влияет на вращающую силу вала ротора, и повысить кпд генератора.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создания приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями, который имеет простую конструкцию, позволяющую без труда изготавливать его с возможностью размещения множества генераторов в различных местах без ограничения места установки, доводить до максимума производство энергии на единицу площади, легко внедрять генераторы в промышленном масштабе и производить электроэнергию без загрязнения окружающей среды, вызываемого, например, выбросом парниковых газов.

Другой задачей настоящего изобретения является создания приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями с возможностью устойчивого и надежного размещения даже в многоярусной конструкции из ветроэлектрических или приливных генераторов, при этом вращение лопасти может быть по необходимости легко остановлено, и может быть получен доступ к части лопасти, требующей ремонта, что облегчает обслуживание.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создания приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями, у которого при вращении лопастей центр силы сопротивления рассредоточен, за счет чего генератор может быть изготовлен из легкого материала, что снижает затраты на оборудование и делает генератор экономически оправданным.

С целью решения указанных задач в настоящем изобретении предложен приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями и повышенным кпд, содержащий: установочную раму 10, имеющую крестообразную конструкцию и размещенную на опорной поверхности, при этом в центральной части установочной рамы 10 установлен опорный кронштейн вертикального вращающегося вала; вертикальный вращающийся вал 20, с возможностью вращения вертикально установленный в центральной части установочной рамы 10; множество установочных планок 30 и 30′ лопастей, пересекающих верхние и нижние части вертикального вращающегося вала 20 в направлениях, перпендикулярных вертикальному вращающемуся валу 20, при этом установочные планки 30, 30′ лопастей отстоят друг от друга на равномерные угловые расстояния; множество опорных колец 40 и 40′, каждое из которых соединяет друг с другом концы соответствующих установочных планок 30, 30′ лопастей; концы соответствующих верхних и нижних установочных планок 30 и 30′ лопастей соответственно соединены друг с другом множеством вертикальных опорных стержней 50; между установочными планками 30 и 30′ лопастей с помощью кронштейнов установлено множество лопастей 60 и 60′; на наружных концах установочной рамы 10 вертикально установлено множество вертикальных опорных рам 70; с верхними концами соответствующих вертикальных опорных рам 70 соединено множество горизонтальных рам 80; тросовую опору 50′, соединяющую установочный элемент 20′, выполненный на верхнем конце вертикального вращающегося вала 20, с концами установочных планок 30 лопастей таким образом, что обеспечивать опору для установочных планок 30 лопастей; средство 90 регулирования степени развертывания лопастей, расположенное под нижними поверхностями установочных планок 30′ лопастей и регулирующее углы развертывания лопастей 60 и 60′; средство 100 повышения кпд генератора, расположенное под центральной частью установочной рамы 10 и служащее для изменения числа турбин, используемых для производства электроэнергии в зависимости от силы ветра; и генераторное средство 200, расположенное под нижним концом вертикального вращающегося вала 20 и служащее для генерирования электроэнергии.

Краткое описание чертежей

Перечисленные и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты из следующего далее подробного описания со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан вид в перспективе, иллюстрирующий конструкцию традиционного ротора ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями,

на фиг. 2 показан вид в разрезе, иллюстрирующий конструкцию лопастей и привода традиционного ротора ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями,

на фиг. 3 показан вид в перспективе приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями и повышенным кпд согласно настоящему изобретению,

на фиг. 4 показаны лежащие в одной плоскости лопасти приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению,

на фиг. 5 показан вид в перспективе установленных лопастей согласно настоящему изобретению,

на фиг. 6 показан вид снизу, иллюстрирующий приливный и ветроэлектрический генератор согласно настоящему изобретению,

на фиг. 7 показан вид в перспективе средства регулирования степени развертывания лопастей согласно настоящему изобретению,

на фиг. 8А-8В показаны виды в плане, иллюстрирующие расположение шестерен средства повышения кпд генератора согласно настоящему изобретению,

на фиг. 9 показана диаграмма, иллюстрирующая кпд по энергии приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению,

на фиг. 10 показана диаграмма, иллюстрирующая кпд по энергии каждой лопасти,

на фиг. 11А показана диаграмма, иллюстрирующая кпд традиционного ветроэлектрического генератора в зависимости от скорости ветра,

на фиг. 11Б показана диаграмма, иллюстрирующая кпд приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению в зависимости от скорости ветра,

на фиг. 12 проиллюстрирован процесс определения интенсивности вращающей силы ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению в зависимости от скорости ветра,

на фиг. 13 проиллюстрировано испытание, когда сторона, с которой лопасти складываются, блокируется панелью, и на генератор согласно настоящему изобретению воздействует ветер,

на фиг. 14 схематически показано множество приливных и ветроэлектрических генераторов согласно настоящему изобретению, установленных с равномерными промежутками на определенном расстоянии друг от друга по горизонтали,

на фиг. 15 проиллюстрирован опорный блок, помещающийся между верхним и нижним ветроэлектрическими генераторами согласно настоящему изобретению и обеспечивающий тросовую опору для ветроэлектрических генераторов, и

на фиг. 16 показан сравнительный вид установленных лопастей ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению и традиционного ветроэлектрического генератора.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи подробно описан приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями и повышенным кпд согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 показан вид в перспективе приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями и повышенным кпд согласно настоящему изобретению. На фиг. 4 показаны лежащие в одной плоскости лопасти приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению. На фиг. 5 показан вид в перспективе установленных лопастей согласно настоящему изобретению. На фиг. 6 показан вид снизу, иллюстрирующий приливный и ветроэлектрический генератор согласно настоящему изобретению. На фиг. 7 показан вид в перспективе средства регулирования степени развертывания лопастей согласно настоящему изобретению. На фиг. 8А-8В показаны виды в плане, иллюстрирующие расположение шестерен средства повышения кпд генератора согласно настоящему изобретению. На фиг. 9 показана диаграмма, иллюстрирующая кпд по энергии приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению. На фиг. 10 показана диаграмма, иллюстрирующая кпд по энергии каждой лопасти. На фиг. 11А показана диаграмма, иллюстрирующая кпд традиционного ветроэлектрического генератора в зависимости от скорости ветра. На фиг. 11Б показана диаграмма, иллюстрирующая кпд приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению в зависимости от скорости ветра. На фиг. 12 проиллюстрирован процесс определения интенсивности вращающей силы ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению в зависимости от скорости ветра. На фиг. 13 проиллюстрировано испытание, когда сторона, с которой лопасти складываются, блокируется панелью, и на генератор согласно настоящему изобретению воздействует ветер. На фиг. 14 схематически показано множество приливных и ветроэлектрических генераторов согласно настоящему изобретению, установленных с равномерными промежутками на определенном расстоянии друг от друга по горизонтали. На фиг. 15 проиллюстрирован опорный блок, помещающийся между верхним и нижним ветроэлектрическими генераторами согласно настоящему изобретению и обеспечивающий тросовую опору для ветроэлектрических генераторов. На фиг. 16 показан сравнительный вид установленных лопастей ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению и традиционного ветроэлектрического генератора. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями согласно настоящему изобретению содержит: установочную раму 10, имеющую крестообразную конструкцию и размещенную на опорной поверхности, при этом в центральной части установочной рамы 10 установлен опорный кронштейн вертикального вращающегося вала; вертикальный вращающийся вал 20, с возможностью вращения вертикально установленный в центральной части установочной рамы 10; множество установочных планок 30 и 30′ лопастей, пересекающих верхние и нижние части вертикального вращающегося вала 20 в направлениях, перпендикулярных вертикальному вращающемуся валу 20, при этом установочные планки 30, 30′ лопастей отстоят друг от друга на равномерные угловые расстояния; множество опорных колец 40 и 40′, каждое из которых соединяет друг с другом концы соответствующих установочных планок 30, 30′ лопастей; вертикальные опорные стержни 50, которые соединяют друг с другом концы соответствующих верхних и нижних установочных планок 30 и 30′ лопастей; лопасти 60 и 60′, которые с помощью кронштейнов установлены между установочными планками 30 и 30′ лопастей; множество вертикальных опорных рам 70, которые вертикально установлены на наружных концах установочной рамы 10; множество горизонтальных рам 80, которые соединены с верхними концами соответствующих вертикальных опорных рам 70; тросовые опоры 50′, которые соединяют установочный элемент 20′, выполненный на верхнем конце вертикального вращающегося вала 20, с концами установочных планок 30 лопастей таким образом, что обеспечивать опору для установочных планок 30 лопастей; средство 90 регулирования степени развертывания лопастей, расположенное под нижними поверхностями установочных планок 30′ лопастей и регулирующее углы развертывания лопастей 60 и 60′; средство 100 повышения кпд генератора, расположенное под центральной частью установочной рамы 10 и служащее для изменения числа турбин, используемых для производства электроэнергии в зависимости от силы ветра; и генераторное средство 200, расположенное под нижним концом вертикального вращающегося вала 20 и служащее для генерирования электроэнергии.

На нижнем конце вертикального вращающегося вала 20 предпочтительно установлена инертная масса, чтобы вертикальный вращающийся вал 20 мог вращаться с постоянной частотой.

Каждая лопасть 60, 60′ содержит левую лопасть 60а и правую лопасть 60b. Левая лопасть 60а содержит вал 61, совпадающую с периметром лопасти раму 62, опорную раму 63, тканевый лист 64 и левую шестерню 65, которая расположена на верхнем конце вала 61 левой лопасти. Правая лопасть 60b содержит вал 61′, совпадающую с периметром лопасти раму 62′, опорную раму 63′, тканевый лист 64′ и правую шестерню 65′, которая расположена на верхнем конце вала 61′ правой лопасти.

С помощью кронштейна 66, который расположен в центральных частях валов 61 и 61′ левой и правой лопастей предпочтительно вертикально установлен вертикальный опорный стержень 67. Между вертикальным опорным стержнем 67 каждой лопасти 60, 60′ и вертикальным опорным стержнем 67 следующей лопасти 60, 60′ установлен зигзагообразный арматурный стержень 68. Кроме того, предпочтительно, чтобы каждый тканевый лист 64, 64′ был изготовлен из углеродного материала или стеклопластика, не подверженного коррозии под действием морской воды, с учетом того, что настоящее изобретение может использоваться как приливный генератор.

С валом 61 левой лопасти 60 связан рычаг 61а. С валом 61′ правой лопасти 60′ связан рычаг 61а′. Рычаги 61а и 61а′ соединены друг с другом стальным стержнем 61b, в результате чего лопасти 60 и 60′, которые расположены напротив друг друга под углом 180°, могут сцепляться друг с другом, чтобы при повороте левой лопасти 60а и правой лопасти 60b в направлении развертывания левая лопасть 60а′ и правая лопасть 60b′ поворачивались в направлении складывания.

Средство 90 регулирования степени развертывания лопастей содержит левый и правый регулирующие элементы 91 и 91′, концы которых с возможностью вращения связаны валами с центральной частью нижней поверхности каждой установочной планки 30, и левый и правый регулирующие элементы 91 и 91′, концы которых с возможностью вращения связаны валами с центральной частью верхней поверхности каждой установочной планки 30′. Шестерни, которые входят в зацепление друг с другом, расположены под нижней поверхностью каждой установочной планки 30′ и соответственно посажены на валы левых и правых регулирующих элементов 91 и 91′. Средство 90 регулирования степени развертывания лопастей дополнительно содержит звездочку 92, установленную на одном конце вала левого регулирующего элемента 91, ведущую звездочку 93, расположенную под установочными планками 30′ вблизи вертикального вращающегося вала 20 с целью передачи движущей силы, звездочку 94, служащую для облегчения установки цепи, цепь 95, обернутую вокруг звездочек 92 и 94 и ведущей звездочки 93, вращающийся вал 96 ведущей звездочки 93, электродвигатель М, приводящий в действие ведущую звездочку 93, и щетку 97 для снабжения энергией электродвигателя М.

Степень развертывания левого и правого регулирующих элементов 91 и 91′ регулируется посредством электродвигателя М, и тем самым могут регулироваться степени развертывания или складывания левых и правых лопастей 60а и 60b и левых и правых лопастей 60а′ и 60b′.

Средство 100 повышения кпд генератора содержит указатель частоты вращения, который определяет частоту вращения вертикального вращающегося вала 20; ведущую шестерню 102, размещающуюся в корпусе 101, окружающем нижний конец вертикального вращающегося вала 20, и связанную с нижним концом вертикального вращающегося вала 20; первую ведомую шестерню 103, входящую в зацепление с ведущей шестерней 102; вторую и третью ведомые шестерни 104 и 105, каждая из которых расположена вблизи ведущей шестерни 102 и входит в зацепление или выходит из зацепления с ведущей шестерней 102 в зависимости от интенсивности ветра; и воздушный компрессор, прижимающий по меньшей мере одну или все с первой по третью ведомые шестерни 103, 104 и 105 к ведущей шестерне 102 с использованием индивидуальных линейных исполнительных механизмов для соответствующих ведомых шестерен 103, 104 и 105, в результате чего по меньшей мере одна или всех из них входят в зацепление с ведущей шестерней 102.

Генераторное средство 200 содержит блоки 201, 202 и 203, соответственно связанные с нижними поверхностями с первой по третью ведомых шестерен 103, 104 и 105, которые входят в разъемное зацепление с ведущей шестерней 102. Каждый блок 201, 202, 203 генерирует электроэнергию.

Лопасти 60 и 60′ предпочтительно образуют многоярусную структуру из n-ярусов. Кроме того, множество ветроэлектрических генераторов Р, каждый из которых содержит лопасти 60 и 60′, образующие n-ярусов, предпочтительно установлены на заданном расстоянии друг от друга по горизонтали. В этом случае генераторные средства ветроэлектрических генераторов Р электрически соединены друг с другом, и выходная мощность генераторных средств ветроэлектрических генераторов Р может суммироваться. Может значительно увеличиваться общая выходная мощность.

По существу, в случае множества ветроэлектрических генераторов Р, каждый из которых содержит лопасти 60 и 60′, образующие n-ярусов, установленных на определенном расстоянии по горизонтали друг от друга, как показано на фиг. 14, спереди, сзади, слева и справа от ветроэлектрических генераторов Р установлено множество башенных опор X. Опорные кольца 40 и 40′ ветроэлектрических генераторов Р соединены и скреплены с башенными опорами X тросами Y. В этой конструкции ветроэлектрические генераторы Р и сопутствующее оборудование, такое как башенные опоры X и тросы Y не заслоняют солнце. Соответственно, ветроэлектрические генераторы Р могут устанавливаться не только на территориях, застроенных зданиями, но также вокруг сельскохозяйственных угодий, лесов и полей или культивируемых участков океана. По существу, настоящее изобретение не ограничено местом установки.

По существу, ветроэлектрические генераторы Р опираются на башенные опоры X и тросы Y. Каждый ветроэлектрический генератор Р предпочтительно опирается на четыре башенных опоры X с использованием тросов. Соответственно, даже в случае повреждения части ветроэлектрических генераторов Р в результате непредвиденного происшествия, например, урагана, остальные ветроэлектрические генераторы Р помимо поврежденных ветроэлектрических генераторов Р не пострадают.

Далее будет пояснена работа приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями и повышенным кпд согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение может применяться как ветроэлектрический генератор или, в качестве альтернативы, как приливный генератор. Если генератор согласно настоящему изобретению используется как приливный генератор, он погружен в воду и перевернут вверх дном в отличие от случая использования как ветроэлектрический генератор. Предусмотрено лишь дополнительное подъемное устройство, позволяющее легко погружать весь генератор в воду и извлекать его из воды. По существу, варианты осуществления, в котором генератор используется как ветроэлектрический генератор, и вариант осуществления, в котором генератор используется как приливный генератор, имеют одинаковую конструкцию. Соответственно, в описании будет рассмотрен вариант осуществления, в котором генератор используется как ветроэлектрический генератор.

На левую лопасть 60а и правую лопасть 60b ветроэлектрического генератора Р согласно настоящему изобретению, которые обращены к ветру, приводящему в действие генератор Р, давит ветер, в результате чего они развертываются. Сила, с которой ветер давит на левую лопасть 60а и правую лопасть 60b, передается вертикальному вращающемуся валу 20 через соответствующие установочные планки 30 и 30′ лопастей, в результате чего вертикальный вращающийся вал 20 вращается и генерирует электроэнергию.

В этом момент лопасть 60′, находящаяся напротив развернутой лопасти 60 в положении под углом 180°, сцепляется с ней, в результате чего, левая лопасть 60а′ и правая лопасть 60b′ поворачиваются в направлениях навстречу друг другу. Таким образом, лопасть 60' складывается под определенным углом пропорционально степени развертывания лопасти 60.

Кроме того, путем управления электродвигателем М регулируется степень развертывания левого и правого регулирующих элементов 91 и 91′ в зависимости от силы ветра. Тем самым регулируется диапазон, в котором могут развертываться левая лопасть 60а и правая лопасть 60b, иными словами, диапазон их перемещения и, соответственно, регулируется частота вращения лопасти 60. В результате может поддерживаться постоянное генераторное напряжение.

Как указано выше, в отличие от традиционной лопасти плоскостного типа, в настоящем изобретении лопасть 60 способна эффективно улавливать ветер за счет регулировки степени развертывания левой лопасти 60а и правой лопасти 60b. Лопасть 60, на которую воздействует ветер, передает силу, создаваемую ветром, на вертикальный вращающийся вал 20 через установочные планки 30 и 30′, в результате чего вертикальный вращающийся вал 20 вращается и генерирует электроэнергию. За счет этой конструкции могут снижаться затраты на производство и вес оборудования и может повышаться кпд генератора (на 35%-40% по сравнению с традиционной лопастью плоскостного типа).

Кроме того, в случае многоярусной структуры лопасти 60 и 60′, образующие множество ярусов, расположены с последовательным смещением друг от друга на равномерные угловые расстояния относительно направления вращения. Соответственно, когда лопасти 60 и 60′ любой одной группы, которые были расположены перпендикулярно направлению ветра, поворачиваются на заданный угол, лопасти 60 и 60′ другой группы располагаются перпендикулярно направлению ветра. За счет этого лопасти 60 и 60′ групп последовательно поочередно занимают положение, в котором они располагаются перпендикулярно направлению ветра. В результате может повышаться кпд генератора.

Такая работа лопастей 60 и 60′ может обеспечиваться за счет конструкции, в которой лопасть 60, на которую воздействует ветер, развертывается, а лопасть 60′, повернута от лопасти 60 на 180°, складывается пропорционально степени развертывания лопасти 60.

С увеличением силы ветра также увеличивается число блоков генератора, которые используется для генерирования электроэнергии. Например, при нормальной силе ветра, как показано на фиг. 8А, в зацепление с ведущей шестерней 102, которая связана с вертикальным вращающимся валом 20, входит только первая ведомая шестерня 103. В этом случае генератор 201, который связан с первой ведомой шестерней 103, генерирует электроэнергию в ответ на вращение вертикального вращающегося вала 20.

Если во время генерирования электроэнергии с использованием только одного генератора 201 скорость ветра превышает заданную скорость, воздушный компрессор принимает сигнал указателя частоты вращения и приводит в действие линейный исполнительный механизм второй ведомой шестерни 104. За счет этого вторая ведомая шестерня 104 прижимается к ведущей шестерней 102. Затем вторая ведомая шестерня 104 также входит в зацепление с ведущей шестерней 102. В результате, как показано на фиг. 8Б, первая и вторая ведомые шестерни 103 и 104 входят в зацепление с ведущей шестерней 102, и одновременно используются два блока 201 и 202, чтобы генерировать электроэнергию.

Если сила ветра возрастает еще больше, воздушный компрессор принимает сигнал указателя частоты вращения и приводит в действие оба линейных исполнительных механизма второй и третьей ведомых шестерен 104 и 105. Соответственно, вторая и третья ведомые шестерни 104 и 105 прижимаются к ведущей шестерне 102. Затем, как показано на фиг.8 В, все с первой по третью ведомые шестерни 103, 104 и 105 входят в зацепление с ведущей шестерней 102. В результате одновременно используются три блока 201, 202 и 203, чтобы генерировать электроэнергию.

Хотя в этом варианте осуществления проиллюстрированы три ведомые шестерни, то есть с первой по третью ведомые шестерни 103, 104 и 105, может использоваться три или более ведомых шестерен.

На фиг. 9 показано, что при перпендикулярном давлении ветра на лопасти 60 и 60′ первой группы, сила, с которой он воздействует на лопасти 60 и 60′, составляет 100, а при повороте лопастей 60 и 60′ первой группы на 10° в положение А, следующие лопасти 60 и 60′ будут находиться в положении В. Затем, на лопасти 60 и 60′, которые находятся в положении А, давит ветер, сила которого определяется путем вычитания силы ветра, блокируемой лопастями 60 и 60′, находящимися в положении В, из силы ветра, выведенной из cos x (x означает угол). На лопасти 60 и 60′, которые находятся в положении В, давит ветер, сила которого определяется на основании sin x (x означает угол).

Соответственно сила ветра, воздействующая на лопасти 60 и 60′, находящиеся в положении В, составляет sin 10°, то есть 17,4. Сила ветра, воздействующая на лопасти 60 и 60′, находящиеся в положении А, составляет cos 10° или 17,4, то есть 98,5-17,4=81,1. Сумма энергий лопастей двух групп составляет 98,5, а потери энергии составляют 1,5 (100-98,5). Общий кпд по энергии и потери энергии в зависимости от поворота лопастей 60 и 60′ обеих групп показан на фиг. 10. Соответственно, ясно, что кпд генератора повышается.

На фиг. 10 проиллюстрировано изменение кпд лопастей группы А и группы В. Оно может быть представлено в виде Таблицы 1.

Как видно из Таблицы 1 и показано на фиг. 10, потери энергии являются сравнительно низкими, а кпд по энергии относительно высоким.

На фиг. 11А показана диаграмма, иллюстрирующая кпд традиционного ветроэлектрического генератора в зависимости от скорости ветра. На фиг. 11Б показана диаграмма, иллюстрирующая кпд приливного и ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению в зависимости от скорости ветра.

Как показано на фиг. 11А, если при использовании традиционной технологии скорость ветра составляет 6 м/сек в течение 14 часов, полезная для генерирования сила ветер равна 6×14=84, а бесполезная для генерирования сила ветер равна 18+98=116. Соответственно, кпд равен 84/200=42%. С другой стороны, как показано на фиг. 11Б, если при использовании настоящего изобретения скорость ветра составляет 4 м/сек в течение 4 часов, 8 м/сек в течение 4 часов, 12 м/сек в течение 4 часов и 16 м/сек в течение 4 часов, 1) когда скорость ветра составляет 4 м/сек в течение 4 часов, полезная сила ветра для приведения в действия одного генератора равна 4×4=16, 2) когда скорость ветра составляет 8 м/сек в течение 4 часов, полезная сила ветра для приведения в действия двух генераторов равна 8×4=32, 3) когда скорость ветра составляет 12 м/сек в течение 4 часов, полезная сила ветра для приведения в действия трех генераторов равна 12×4=48, и 4) когда скорость ветра составляет 12 м/сек в течение 4 часов, полезная сила ветра для приведения в действия четырех генераторов равна 16×4=48. Соответственно, суммарная полезная сила ветра равна 16+32+48+64=160, а суммарная бесполезная сила ветра равна 8×5=40. В результате кпд равен 160/200=80%.

Было проведено испытание с целью повышения кпд генератора приливного и ветроэлектрического генератора с регулируемыми лопастями согласно настоящему изобретению. Это испытание будет пояснено со ссылкой на фиг. 12 и 13.

Как показано на фиг. 12, первый конец троса R соединили с верхним концом вертикального вращающегося вала 20, а со вторым концом троса R соединили массу W. Кроме того, как показано на фиг. 13, закрыли блокирующей панелью С сторону, с которой складываются лопасти. После этого измерили массу W, поднимаемую во время вращения вертикального вращающегося вала 20 ветроэлектрического генератора при нагнетании воздуха в направлении стрелок.

Затем удалили блокирующую панель С и измерили массу W, во время вращения вертикального вращающегося вала 20 ветроэлектрического генератора при нагнетании воздуха в направлении стрелок.

Масса W, поднимаемая во время вращения вертикального вращающегося вала 20 ветроэлектрического генератора с установленной блокирующей панелью, составляла 2,3 кг.

В то же время, масса W, поднимаемая во время вращения вертикального вращающегося вала 20 ветроэлектрического генератора, когда на всю площадь ветроэлектрического генератора воздействовал ветер в направлении стрелок при удаленной блокирующей панели С, составляла 5,3 кг.

Это объясняется тем, что энергия ветра, которая воздействует на развертывающиеся лопасти, за счет средства взаимного сцепления также может воздействовать на складывающиеся лопасти, а энергия ветра, которая воздействует на складывающиеся лопасти, за счет средства взаимного сцепления также может воздействовать на развертывающиеся лопасти. По существу, может быть подтверждено, что кпд ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению заметно повышается.

Когда показанные на фиг. 14 ветроэлектрические генераторы Р, каждый из которых содержит лопасти 60 и 60′, образующие n ярусов, установлены на определенном расстоянии друг от друга по горизонтали, как показано на фиг. 15, вертикальные опорные рамы 70 и горизонтальные опорные рамы 80 (смотри фиг. 3) удаляют, и помещают опорный блок S между верхним и нижним ветроэлектрическими генераторами. Опорный блок S по периметру соединен тросами Y с соответствующими башенными опорами X, за счет чего ветроэлектрические генераторы опираются на башенные опоры X.

На фиг. 16 показан сравнительный вид установленных лопастей ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению и традиционного ветроэлектрического генератора. Если пренебречь сопротивлением, вращающая сила лопастей пропорционально их площади, на которую воздействует ветер. Как показано на фиг. 16, поскольку ветроэлектрический генератор согласно настоящему изобретению сконфигурирован таким образом, что развертывающиеся лопасти сцеплены с лопастями, находящимися в положениях под углом 180° к развертывающимся лопастям, лопасти могут приспосабливаться к ветру при вращении. Кпд ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению составляет 80% или более. С другой стороны, в традиционном ветроэлектрическом генераторе энергия ветра, которая воздействует на первую лопасть как вращающая сила, воздействует как сила сопротивления на вторую лопасть, находящуюся под углом 120° к первой лопасти, в результате чего кпд традиционного ветроэлектрического генератора снижается до около 50%.

Кроме того, как показано на фиг. 16, диаметр лопасти ветроэлектрического генератор составляет около 100 м, но в настоящем изобретении достаточно, чтобы длина лопасти составляла около 10 м. Помимо этого, из ветроэлектрических генераторов можно формировать многоярусные конструкции. Соответственно, отношение площади для установки традиционного ветроэлектрического генератора и площади для установки ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению составляет 100:1.

К тому же, в случае традиционного ветроэлектрического генератора, показанного на фиг. 16, невозможно устанавливать отдельное опорное оборудование. В отличие от этого, как показано на фиг. 14, в настоящем изобретении ветроэлектрический генератор может опираться на установленные вокруг него на башенные опоры X с использованием тросов Y.

Более того, поскольку в настоящем изобретении из нескольких ветроэлектрических генераторов может быть сформирована многоярусная конструкция, соотношение кпд генератора ветроэлектрического генератора согласно настоящему изобретению и традиционного ветроэлектрического генератора, показанного на фиг. 16, составляет 80:42.

Как описано выше, приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями согласно настоящему изобретению может использоваться даже в условиях слабого ветра или отлива независимо от направления ветра или приливного течения. Кроме того, генератор согласно настоящему изобретению рассчитан на улавливание лопастями энергии ветра или приливной энергии. Соответственно, может быть значительно повышен кпд генератора. Каждая лопасть развертывается со стороны, с которой на нее воздействует энергия ветра или приливная энергия, а при повороте на 180° лопасть складывается, чтобы свести к минимуму сопротивление воздуха или воды при вращении. За счет этого может сводиться к минимуму сила сопротивления, которая влияет на вращающую силу вала генератора, и дополнительно повышаться кпд генератора. Кроме того, поскольку генератор согласно настоящему изобретению имеет простую конструкцию, он отличается простотой в изготовлении. Множество генераторов согласно настоящему изобретению могут размещаться в различных местах без ограничения места установки, что позволяет доводить до максимума производство энергии на единицу площади. Соответственно настоящее изобретение может легко внедряться в промышленном масштабе. Кроме того, настоящее изобретение позволяет производить электроэнергию без загрязнения окружающей среды, такого как выброс парниковых газов. Ветроэлектрические или приливные генераторы могут быть устойчиво и надежно установлены даже в случае многоярусной конструкции. Вращение лопасти может быть по необходимости легко остановлено, и может быть получен доступ к части лопасти, требующей ремонта, что облегчает обслуживание. К тому же, при вращении лопастей центр силы сопротивления рассредоточен. Соответственно, генератор может быть изготовлен из легкого материала. В результате могут снижаться затраты на оборудование, что делает настоящее изобретение экономически оправданным.

Хотя в целях пояснения рассмотрены предпочтительные варианты осуществления, специалисты в данной области техники учтут, что возможны различные модификации, дополнения и замены, не выходящие за пределы объема и сущности изобретения в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.

Заявленное изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики и может быть использовано для генерирования электроэнергии. Приливный и ветроэлектрический генератор содержит установочную раму (10), вертикальный вращающийся вал (20), установочные планки лопастей (30) и (30′), опорные кольца (40) и (40′), вертикальные опорные стержни (50); лопасти (60) и (60′), вертикальные опорные рамы (70), горизонтальные рамы (80), установочный элемент (20′), тросовую опору (50′), средство (90) регулирования степени развертывания лопастей, средство (100) повышения кпд генератора и генераторное средство (200), которое связано с нижним концом вертикального вращающегося вала. Приливный и ветроэлектрический генератор может использоваться даже в условиях слабого ветра или отлива независимо от направления ветра или приливного течения. 9 з.п. ф-лы, 16 ил., 1 табл.

1. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями и повышенным кпд, содержащий:
установочную раму (10), имеющую крестообразную конструкцию и размещенную на опорной поверхности, при этом в центральной части установочной рамы (10) установлен опорный кронштейн вертикального вращающегося вала,
вертикальный вращающийся вал (20), с возможностью вращения вертикально установленный в центральной части установочной рамы (10),
множество установочных планок (30) и (30′) лопастей, пересекающих верхние и нижние части вертикального вращающегося вала (20) в направлениях, перпендикулярных вертикальному вращающемуся валу (20), при этом установочные планки (30), (30′) лопастей отстоят друг от друга на равномерные угловые расстояния,
множество опорных колец (40) и (40′), каждое из которых соединяет друг с другом концы соответствующих установочных планок (30), (30′) лопастей,
концы соответствующих верхних и нижних установочных планок (30) и (30′) лопастей соответственно соединены друг с другом множеством вертикальных опорных стержней (50),
между установочными планками (30) и (30′) лопастей с помощью кронштейнов установлено множество лопастей (60) и (60′),
на наружных концах установочной рамы (10) вертикально установлено множество вертикальных опорных рам (70),
с верхними концами соответствующих вертикальных опорных рам (70) соединено множество горизонтальных рам (80),
тросовую опору (50′), соединяющую установочный элемент (20′), выполненный на верхнем конце вертикального вращающегося вала (20), с концами установочных планок (30) лопастей таким образом, что обеспечивать опору для установочных планок (30) лопастей,
средство (90) регулирования степени развертывания лопастей, расположенное под нижними поверхностями установочных планок (30′) лопастей и регулирующее углы развертывания лопастей (60) и (60′),
средство (100) повышения кпд генератора, расположенное под центральной частью установочной рамы (10) и служащее для изменения числа турбин, используемых для производства электроэнергии в зависимости от силы ветра, и
генераторное средство (200), расположенное под нижним концом вертикального вращающегося вала (20) и служащее для генерирования электроэнергии.

2. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 1, в котором на нижнем конце вертикального вращающегося вала (20) установлена инертная масса.

3. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 1, в котором каждая из лопастей (60) и (60′) содержит:
левую лопасть (60а), содержащую вал (61), совпадающую с периметром лопасти раму (62), опорную раму (63), тканевый лист (64) и левую шестерню (65), которая расположена на верхнем конце вала (61) левой лопасти, и
правую лопасть (60b), содержащую вал (61′), совпадающую с периметром лопасти раму (62′), опорную раму (63′), тканевый лист (64′) и правую шестерню (65′), которая расположена на верхнем конце вала (61′) правой лопасти.

4. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 3, в котором лопасти (60) и (60′) образуют многоярусную структуру из n-ярусов, а множество ветроэлектрических генераторов (Р), каждый из которых содержит лопасти (60) и (60′), образующие n-ярусов, установлены на заданном расстоянии друг от друга по горизонтали,
при этом ветроэлектрические генераторы (Р) электрически соединены друг с другом, и их выходная мощность суммируется.

5. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 3, содержащий вертикальный опорный стержень (67), вертикально установленный с помощью кронштейна (66), расположенного в центральных частях валов (61) и (61′) левой и правой лопастей, а между вертикальным опорным стержнем (67) каждой из лопастей (60), (60′) и вертикальным опорным стержнем (67) следующей лопасти (60), (60′) установлен зигзагообразный арматурный стержень (68).

6. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 3, в котором каждый из тканевых листов (64) и (64′) изготовлен из углеродного материала или стеклопластика.

7. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 3, в котором с валом (61) левой лопасти (60) связан рычаг (61а), а с валом (61′) правой лопасти (60′) связан рычаг (61а′),
при этом рычаги (61а) и (61а′) соединены друг с другом стальным стержнем (61b), в результате чего лопасти (60) и (60′), которые расположены напротив друг друга под углом 180°, могут сцепляться друг с другом таким образом, чтобы при развертывании левой лопасти (60а) и правой лопасти (60b) левая лопасть (60а′) и правая лопасть (60b′) складывались.

8. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 1, в котором средство (90) регулирования степени развертывания лопастей содержит:
левый и правый регулирующие элементы (91) и (91′), концы которых с возможностью вращения связаны валами с центральной частью нижней поверхности каждой из установочных планок (30),
левый и правый регулирующие элементы (91) и (91′), концы которых с возможностью вращения связаны валами с центральной частью верхней поверхности каждой из установочных планок (30′),
шестерни, расположенные под нижней поверхностью каждой из установочных планок (30′) и соответственно посаженные на валы левых и правых регулирующих элементов (91) и (91′), при этом шестерни входят в зацепление друг с другом,
звездочку (92), установленную на одном конце вала левого регулирующего элемента (91),
ведущую звездочку (93), расположенную под нижней поверхностью установочных планок (30′) вблизи вертикального вращающегося вала (20) с целью передачи движущей силы,
звездочку (94), служащую для облегчения установки цепи,
цепь (95), обернутую вокруг звездочек (92) и (94) и ведущей звездочки (93),
вращающийся вал (96) ведущей звездочки (93),
электродвигатель (М), приводящий в действие ведущую звездочку (93),
и щетку (97) для снабжения энергией электродвигателя (М).

9. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 1, в котором средство (100) повышения кпд генератора содержит:
указатель частоты вращения вертикального вращающегося вала (20),
ведущую шестерню (102), размещающуюся в корпусе (101), окружающем нижний конец вертикального вращающегося вала (20), и связанную с нижним концом вертикального вращающегося вала (20),
первую ведомую шестерню (103), входящую в зацепление с ведущей шестерней (102),
вторую и третью ведомые шестерни (104) и (105), каждая из которых расположена вблизи ведущей шестерни (102) и входит в зацепление или выходит из зацепления с ведущей шестерней (102) в зависимости от интенсивности ветра, и
воздушный компрессор, прижимающий по меньшей мере одну или все с первой по третью ведомые шестерни (103), (104) и (105) к ведущей шестерне (102) с использованием индивидуальных линейных исполнительных механизмов для соответствующих ведомых шестерен (103), (104) и (105), в результате чего по меньшей мере одна или все из них входят в зацепление с ведущей шестерней (102).

10. Приливный и ветроэлектрический генератор с регулируемыми лопастями по п. 1, в котором генераторное средство (200) содержит:
блоки (201), (202) и (203), соответственно связанные с нижними поверхностями первой по третью ведомых шестерен (103), (104) и (105), которые входят в разъемное зацепление с ведущей шестерней (102), при этом каждый из блоков (201), (202) и (203) генерирует электроэнергию.