АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H02S10/20 

Изобретение относится к области солнечной энергетики и может быть использовано для автономного электропитания различных потребителей при получении электроэнергии от солнечных батарей.

Известны автономные источники электропитания, содержащие солнечную фотоэлектрическую батарею, связанную с накопителем энергии в виде электрического аккумулятора, от которого осуществляется электропитание потребителя (см., например, статьи Автономная энергосистема на солнечных батареях - как рассчитать ? Интернет-сайт https://bazila.net/energetika или Сборка и подключение солнечной батареи. Интернет-сайт https://solar-energ.ru). К недостаткам известных автономных источников электропитания можно отнести невысокий временной ресурс нормального функционирования электрического аккумулятора, проблемы, обусловленные отрицательным влиянием на экологию, связанные с газовыделением при эксплуатации электрических аккумуляторов и необходимостью их утилизации, а также невысокую энергоемкость.

Известны автономные источники электропитания, содержащие природный источник энергии, которым может быть и солнечная фотоэлектрическая батарея, связанная с электромеханическим накопителем энергии, соединенным с генератором электропитания потребителя (см., например, статья Электромеханический накопитель энергии. Интернет-сайт https://renewable.com.ua/ energy-storage). К недостаткам известных автономных источников электропитания можно отнести их невысокую энергоемкость и ограниченное время хранения энергии.

Предлагаемое изобретение направлено на решение технической проблемы и достижение технического результата, состоящего в повышении энергоемкости и увеличении времени хранения энергии.

Данный технический результат достигается тем, что автономный источник электропитания содержит корпус, в котором размещен связанный с солнечной фотоэлектрической батареей электродвигатель, соединенный с редуктором, на выходном валу которого установлены, по крайней мере, две шестерни, каждая из которых входит в зацепление с соответствующим зубчатым колесом, снабженным ленточной спиральной пружиной, закрепленной одним концом на зубчатом колесе, а другим концом - на корпусе автономного источника электропитания, и выполненной с возможностью накопления энергии вращательного движения при закручивании пружины с приведением пружины в напряженное состояние и отдачи энергии вращательного движения при раскручивании пружины, при этом каждое зубчатое колесо также входит в зацепление с дополнительной шестерней, установленной на одном валу с диском, кинематически связанным с валом генератора электропитания потребителя, а между этими дисками установлено стопорное устройство, выполненное с возможностью в крайних положениях стопорения одного из дисков и отсутствия стопорения в промежуточном положении, а шестерни, установленные на выходном валу редуктора, выполнены с возможностью сцепления с этим валом при закручивании пружины и отсутствия сцепления при раскручивании пружины, дополнительные шестерни выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при раскручивании пружины и отсутствия сцепления при закручивании пружины, диски выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при вращении этого вала с дополнительной шестерней и отсутствия сцепления при отсутствии такого вращения.

Целесообразно, чтобы в автономном источнике электропитания шестерни, установленные на выходном валу редуктора, дополнительные шестерни и диски были связаны с валами, на которых они установлены, при помощи храпового механизма, а установленная на зубчатом колесе ленточная спиральная пружина была выполнена многослойной.

В предлагаемом автономном источнике электропитания используется пружинный накопитель энергии, который обеспечивает самую большую механическую мощность из всех типов накопителей энергии, а также максимальное время хранения энергии (см., например, статья Какие бывают накопителя энергии. Интернет-сайт https://fb.ru/article/190701 или статья Обзор типов накопителей энергии. Интернет-сайт khd2,narod.ru/gratis/accumul.htm).

В формуле изобретения приведены признаки, характеризующие конструктивное выполнение пружинного накопителя энергии, в котором использованы, по крайней мере, две ленточных спиральных пружин, закрепленных одним концом на зубчатом колесе, а другим концом - на корпусе автономного источника электропитания, и выполненных с возможностью накопления энергии вращательного движения при закручивании пружины с приведением пружины в напряженное состояние и отдачи энергии вращательного движения при раскручивании пружины. При этом, эти пружины имеют возможность поочередного раскручивания, что обеспечивается наличием стопорного устройства и соответствующим выполнением валов, шестерен, колес и дисков, описанным в формуле изобретения. Это позволяет получить большую энергоемкость источника электропитания и обеспечивает большую длительность функционирования источника электропитания в автономном режиме.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого автономного источника электропитания; на фиг.2 - конструктивное выполнение предлагаемого автономного источника электропитания в 3-D проекции без корпуса и зубчатых колес; на фиг.3 - конструктивное выполнение верхней части предлагаемого автономного источника электропитания в 3-D проекции без корпуса; на фиг.4 - конструктивное выполнение предлагаемого автономного источника электропитания с корпусом; на фиг.5 - конструктивное выполнение многослойной пружины в 3-D проекции.

Автономный источник электропитания содержит корпус 1, в котором размещен связанный с солнечной фотоэлектрической батареей (не показана, может быть размещена на одной из стенок корпуса 1) электродвигатель 2, соединенный с редуктором 3 (может быть выполнен в виде колес, кинематически связанных ременной передачей), выходной вал которого снабжен шестернями 4 и 5, каждая из входит в зацепление соответствующим зубчатым колесом 6 и 7, снабженным ленточной спиральной пружиной 8 и 9, закрепленной одним концом на зубчатом колесе 6 и 7, а другим концом - на корпусе 1 автономного источника электропитания. Пружины 8 и 9 (могут быть многослойными, как показано на фиг.5) выполнены с возможностью накопления энергии вращательного движения при закручивании пружины с приведением пружины 8 и 9 в напряженное состояние и отдачи энергии вращательного движения при раскручивании пружины 8 и 9. При этом каждое зубчатое колесо 6 и 7 также входит в зацепление с дополнительной шестерней 10 и 11, установленной на одном валу с соответствующим диском 12 и 13, кинематически связанных, например, ременной передачей, с валом генератора 14 электропитания потребителя, а между этими дисками 12 и 13 установлено стопорное устройство 15 (например, ползункового типа). Стопорное устройство 15 выполнено с возможностью в крайних положениях стопорения одного из дисков 12 или 13 и отсутствия стопорения в промежуточном положении. Такое стопорение может осуществляться путем воздействия стержнем стопорного устройства на впадины 16 колес 17 и 18, жестко закрепленных на валах, на которых установлены диски 12, 13 и дополнительные шестерни 10, 11. В качестве опор всех валов, на которых установлены шестерни 4, 5, 10, 11, диски 12, 13, колеса редуктора 3 и т.п., а также валов генератора 14 и электродвигателя 2, могут быть использованы стенки корпуса 1. Все шестерни 4, 5, 10, 11, а также диски 12, 13 выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при вращательном движении вала или шестерни и диска в одном направлении и отсутствия сцепления - в противоположном направлении. Такая возможность может быть обеспечена, например, если указанные элементы конструкции установлены и связаны с соответствующими валами при помощи храпового механизма, аналогичным образом, например, как широко известные гаечные ключи-трещетки, в которых использование такого механизма позволяет работать ключом, не отвлекаясь на его переброску, так как при вращении ключа в одном направлении имеет место сцепление с ключом или вставкой ключа и, например, закручивание, а в противоположном - отсутствие сцепления. Аналогичные конструктивные элементы используются и в заднем колесе велосипеда.

При этом шестерни 4, 5, установленные на выходном валу редуктора 3, выполнены с возможностью сцепления с этим валом при закручивании пружины 8, 9 и отсутствия сцепления при раскручивании пружины. Дополнительные шестерни 10, 11 выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при раскручивании пружины 8, 9 и отсутствия сцепления при закручивании пружины, а диски 12, 13 выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при вращении этого вала с дополнительной шестерней 10, 11 и отсутствия сцепления при отсутствии такого вращения.

Предлагаемый автономный источник электропитания работает следующим образом.

При питании от солнечной фотоэлектрической батареи электродвигатель 2 через редуктор 3 через ременную передачу вращает, по крайней мере, две шестерни 4, 5 (находятся в сцеплении с выходным валом редуктора), которые, в свою очередь вращают два зубчатых колеса 6, 7 с установленными на них ленточными спиральными пружинами 8, 9, одновременно закручивая при этом пружины 8, 9 с приведением их в напряженное состояние с накоплением энергии вращательного движения. Дополнительные шестерни 10, 11 при этом вращаются вхолостую, то есть без сцепления с валом, на котором они установлены, а стопорное устройство 15 находится в промежуточном положении с отсутствием стопорения.

При необходимости подачи электропитания потребителю возможно поочередное раскручивание пружин 8 и 9 с поочередной отдачей накопленных ими энергии для электропитания потребителя. Так, например, стопорное устройство 15 переходит в одно из своих крайних положений и воздействует стержнем на впадины 16 одного из колес, например, на колесо 18, как показано на фиг.2, таким образом, препятствуя вращению вала с установленными на нем диском 13, колесом 18 и дополнительной шестерни 11. Так как при этом отсутствуют препятствия для вращения дополнительной шестерни 10, происходит раскручивание ленточной спиральной пружины 8, которая приводит во вращение зубчатое колесо 6, на котором пружина установлена, в направлении противоположном по отношению к его вращению при закручивании ленточных спиральных пружин 8, 9. Дополнительная шестерня 10 находится в сцеплении с валом, на котором она установлена, и вращает диск 12 (находится в сцеплении с валом), от которого, например, через ременную передачу приводится во вращение вал генератора 14 электропитания потребителя и, соответственно, электропитание потребителя. При этом у шестерни 4, установленной на валу редуктора 3, отсутствует сцепление с этим валом, и она не препятствует вращению зубчатого колеса 6. Дополнительная шестерня 11 и колесо 18 вместе с валом, на котором они установлены, не вращаются, а диск 13 вращается вхолостую (без сцепления с валом) на этом валу с приводом от вала генератора 14.

Таким образом происходит отдача накопленной энергии от ленточной спиральной пружины 8 для электропитания потребителя.

Отдача накопленной энергии от другой ленточной спиральной пружины 9 для электропитания заявителя происходит аналогичным образом, как в описанном выше случае для пружины 8, только при этом стопорное устройство 15 переходит в другое крайнее положение и воздействует стержнем на впадины 16 другого колеса 17. Соответственно отсутствуют препятствия для вращения дополнительной шестерни 11, происходит раскручивание ленточной спиральной пружины 9, которая приводит во вращение зубчатое колесо 7, на котором пружина установлена. Дополнительная шестерня 11 находится в сцеплении с валом, на котором она установлена, и вращает диск 13 (находится в сцеплении с валом), от которого, например, через ременную передачу приводится во вращение вал генератора 14 электропитания потребителя. При этом у шестерни 5, установленной на валу редуктора 3, отсутствует сцепление с этим валом, и она не препятствует вращению зубчатого колеса 7. Дополнительная шестерня 10 и колесо 17 вместе с валом, на котором они установлены, не вращаются, а диск 12 вращается вхолостую (без сцепления с валом) на этом валу с приводом от вала генератора 14.

Таким образом происходит отдача накопленной энергии от ленточной спиральной пружины 9 для электропитания потребителя.

Предлагаемый автономный источник электропитания с использованием пружинного накопителя энергии обладает большой энергоемкостью и обеспечивает продолжительное время хранения энергии.

Использование: в области электроэнергетики для автономного электропитания различных потребителей при получении электроэнергии от солнечных батарей. Технический результат - повышение энергоемкости и увеличение времени хранения энергии. Автономный источник электропитания содержит корпус, в котором размещен связанный с солнечной фотоэлектрической батареей электродвигатель, соединенный с редуктором, на выходном валу которого установлены, по крайней мере, две шестерни, каждая из которых входит в зацепление с соответствующим зубчатым колесом, снабженным ленточной спиральной пружиной, закрепленной одним концом на зубчатом колесе, а другим концом – на корпусе автономного источника электропитания, при этом каждое зубчатое колесо также входит в зацепление с дополнительной шестерней, установленной на одном валу с диском, кинематически связанным с валом генератора электропитания потребителя, а между этими дисками установлено стопорное устройство, выполненное с возможностью в крайних положениях стопорения одного из дисков и отсутствия стопорения в промежуточном положении, а шестерни, установленные на выходном валу редуктора, выполнены с возможностью сцепления с этим валом при закручивании пружины и отсутствия сцепления при раскручивании пружины, дополнительные шестерни выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при раскручивании пружины и отсутствия сцепления при закручивании пружины, диски выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при вращении этого вала с дополнительной шестерней и отсутствия сцепления при отсутствии такого вращения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Автономный источник электропитания, содержащий корпус, в котором размещен связанный с солнечной фотоэлектрической батареей электродвигатель, соединенный с редуктором, на выходном валу которого установлены, по крайней мере, две шестерни, каждая из которых входит в зацепление с соответствующим зубчатым колесом, снабженным ленточной спиральной пружиной, закрепленной одним концом на зубчатом колесе, а другим концом – на корпусе автономного источника электропитания и выполненной с возможностью накопления энергии вращательного движения при закручивании пружины с приведением пружины в напряженное состояние и отдачи энергии вращательного движения при раскручивании пружины, при этом каждое зубчатое колесо также входит в зацепление с дополнительной шестерней, установленной на одном валу с диском, кинематически связанным с валом генератора электропитания потребителя, а между этими дисками установлено стопорное устройство, выполненное с возможностью в крайних положениях стопорения одного из дисков и отсутствия стопорения в промежуточном положении, а шестерни, установленные на выходном валу редуктора, выполнены с возможностью сцепления с этим валом при закручивании пружины и отсутствия сцепления при раскручивании пружины, дополнительные шестерни выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при раскручивании пружины и отсутствия сцепления при закручивании пружины, диски выполнены с возможностью сцепления с валом, на котором они установлены, при вращении этого вала с дополнительной шестерней и отсутствия сцепления при отсутствии такого вращения.

2. Автономный источник электропитания по п. 1, в котором шестерни, установленные на выходном валу редуктора, дополнительные шестерни и диски связаны с валами, на которых они установлены, при помощи храпового механизма.

3. Автономный источник электропитания по п. 1, в котором установленная на колесе ленточная спиральная пружина выполнена многослойной.