ВЕТРОСИЛОВАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F03D9/17 F03D9/28 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую энергию, а также в механическую энергию для привода технических устройств.

Известно изобретение SU 43367 А1 «Способ работы ветросиловой установки для получения и аккумулирования сжатого воздуха», МПК F03D 9/02, содержащее высокую башню, над которой на вертикальной оси жестко закреплен ветряк, набранный из лопаток определенного профиля. Ветряк через червячную передачу передает крутящий момент на вал. В свою очередь вал через канатную передачу приводит в движение коленчатый вал, который соединен с воздушными нагнетательными насосами. Насосы нагнетают воздух в резервуары до установленного давления. Сжатый воздух из резервуаров через трубы направляют на лопатки ветряка, приводя его во вращение при безветрии. Часть ветровой энергии преобразуется в электричество при помощи динамомашины.

Недостатком этого технического решения является фиксированное передаточное отношение механизмов ветросиловой установки, передающих крутящий момент от ветряка к нагнетательным насосам и динамомашине, что не позволяет данным механизмам адаптироваться к переменной скорости вращения ветряка, в связи с изменением силы ветрового потока, для поддержания требуемого усилия на привод насосов и динамомашины, а именно автоматически изменять передаваемый крутящий момент в зависимости от частоты вращения ветряка, вследствие данная установка не производит одинаковый объем сжатого воздуха и электроэнергии за единицу времени при работе в условиях переменной скорости ветрового потока. (SU 43367 А1, http://new.fips.ru).

Известно изобретение RU 2614451 С1 „Автономный источник энергоснабжения на основе ветросиловой установки", МПК F03D 9/00, F03D 9/10, содержащее установленную на башне-опоре ветросиловую установку, которая содержит ветроколесо и высокомоментный ветродвигатель, механически связанный посредством привода-распределителя с электрогенератором и компрессором-бустером, связанным трубопроводом с резервуаром высокого давления, а также содержит турбодетандер, механически связанный посредством привода-распределителя с дополнительным электрогенератором, дополнительный компрессор, механически связанный с ветродвигателем, и резервуар низкого давления, корпус которого образован стенками башни-опоры, внутри которого соосно размещен резервуар высокого давления, при этом резервуар низкого давления снабжен регулирующим клапаном и связан трубопроводами с дополнительным компрессором, компрессором-бустером и турбодетандером, причем резервуар высокого давления выполняет одновременно функции аккумулятора энергии сжатого воздуха и аккумулятора тепла, используемого для нагрева воздуха в резервуаре низкого давления, поступающего на вход турбодетандера. В качестве дополнительного компрессора использован высокопроизводительный винтовой компрессор или турбокомпрессор, установленный непосредственно за ветродвигателем ветросиловой установки в гондоле. Компрессор-бустер установлен в основании башни-опоры.

Недостатком этого технического решения является фиксированное передаточное отношение привода-распределителя, что не позволяет ему автоматически изменять крутящий момент, создавая необходимое усилие на привод электрогенератора, компрессора-бустера в зависимости от частоты вращения ветродвигателя, вследствие данная установка не производит одинаковое количество электроэнергии и сжатого воздуха за единицу времени при работе в условиях переменной скорости ветрового потока, а также отсутствие возможности использования энергии сжатого воздуха для привода сторонних технологических устройств. (RU 2614451 С1, http://new.fips.ru).

Из известных решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является изобретение RU 2598859 С2 „Комбинированная ветросиловая энергоустановка", МПК F03D 9/00, F03D 9/28, F03D 9/11, F03D 9/25, содержащее ветродвигатель, соединенный с приводимыми им через систему механических передач силовыми агрегатами: компрессором холодильника с морозильной камерой, компрессором теплового насоса, источником низкопотенциального тепла, которым служит грунт и вода в подземном бассейне, воздушным компрессором, соединенным своим входом с атмосферой, а выходом с накопителем сжатого воздуха, воздушным компрессором, соединенным своим входом с атмосферой, а выходом с системой вентиляции и кондиционирования, водяным насосом питьевого водоснабжения, соединенным входом с источником питьевой воды, а выходом с водонапорным баком. Ветродвигатель также соединен с еще, по меньшей мере, двумя насосами гидроаккумулирующей системы, соединенными каждый своим входом с емкостью нижнего уровня, а выходом - с емкостью верхнего уровня жидкости. Самая глубокая точка дна верхней емкости связана с входом гидротурбины, а нижняя емкость - с выходом гидротурбины, размещенной на плавучем понтоне на уровне поверхности жидкости нижней емкости и соединенной с валом основного электрогенератора, который включен в электросеть объекта. В свою очередь, электросеть объекта соединена с батареей аккумуляторов, подзаряжаемых от электрогенератора через выпрямительное устройство. Преобразователь тока и напряжения своим входом подключен к батарее аккумуляторов, а выходом - к электросети объекта. Относящиеся к системе жизнеобеспечения компрессоры и насосы соединены механически, например, через шлицевые скользящие полумуфты с дублирующими электроприводами, подключенными непосредственно к батарее аккумуляторов. Морозильная камера холодильника заключена в емкостный накопитель холода, при этом в емкостном накопителе холода размещен дополнительный параллельный воздуховод системы вентиляции и кондиционирования. Передача тепла от теплового насоса к воде системы отопления и к воде системы горячего водоснабжения происходит в емкостном теплообменнике, являющемся одновременно и тепловым аккумулятором, заполненным водой и содержащим внутри герметичную дополнительную емкость с другим легкоплавким веществом. Для отвода излишков тепла от помещений в летний период помимо охлаждения воздуха приточной вентиляции имеется дополнительная ветвь системы отопления с циркуляцией от насоса, снабженная на конце змеевиком, который размещен в подземном бассейне. К ветродвигателю через систему механических передач при необходимости на ходу подключается резервный электрогенератор постоянного тока, аналогичный автомобильным электрогенераторам, напрямую заряжающий батарею аккумуляторов.

Недостатком этого технического решения является фиксированное передаточное отношение системы механических передач, передающей крутящий момент от ветродвигателя к силовым агрегатам, что не позволяет данной системе механических передач адаптироваться к переменной скорости вращения ветродвигателя, в связи с изменением силы ветрового потока для поддержания требуемого усилия на привод силовых агрегатов, а именно автоматически изменять передаваемый крутящий момент в зависимости от частоты вращения ветродвигателя, вследствие данная энергоустановка не производит одинаковый объем сжатого воздуха и электроэнергии за единицу времени при работе в условиях переменной скорости ветрового потока. (RU 2598859 С2, http://new.fips.ru).

Задача, на которую направлено заявленное решение, это разработка ветросиловой энергоустановки, способной стабильно работать в условиях переменной скорости ветрового потока, при этом исключить влияние скорости ветрового потока на количество получаемого объема сжатого воздуха за единицу времени, а также преобразование энергии сжатого воздуха в электрическую энергию и механическую работу для привода технологических устройств, уменьшение трудоемкости обслуживания и ремонта энергоустановки, повышение эксплуатационного ресурса силовых агрегатов энергоустановки.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается за счет того, что ведомый вал углового редуктора (11) фиг. 1, расположенного в основании (1), сопряжен через муфту (16) фиг. 2 с ведущим валом коробки передач (5), имеющей возможность автоматически изменять крутящий момент, передаваемый на привод компрессора (6) в зависимости от частоты вращения винтов (4) фиг. 1, ведомый вал которой сопряжен через муфту (16) фиг. 2 с коленчатым валом компрессора (6). Выход компрессора (6) соединен воздуховодом, имеющим обратный клапан (17), с ресивером повышенного давления (7), содержащим датчик давления (19), связанный с электромагнитным клапаном (21), расположенным в воздуховоде, соединяющем ресивер низкого давления (8) с впускным коллектором пневмодвигателя (9), при этом ресивер повышенного давления (7) сопряжен воздуховодом, имеющим редуктор давления (20), с ресивером низкого давления (8). Коленчатый вал пневмодвигателя (9) фиг. 2 соединен муфтой (16) с валом электрогенератора (10).

Ветросиловая энергоустановка содержит основание (1) фиг. 1, опорно-поворотное устройство (2), мачту (3), винты (4), коробку передач (5) фиг. 2, компрессор (6), ресивер повышенного давления (7), ресивер низкого давления (8), пневмодвигатель (9), электрогенератор (10).

Основание (1) фиг. 1 энергоустановки имеет полость, в которой находится угловой редуктор (11). Опорно-поворотное устройство (2), расположенное на верхней поверхности основания (1), сопряжено с мачтой (3), а также содержит зубчатое колесо (12), соединенное с приводом для поворота мачты (3) вокруг вертикальной оси. Такое исполнение позволяет разворачивать мачту (3) так, чтобы лопасти винтов (4) были расположены к направлению ветрового потока. Винты (4) энергоустановки, имеющие геликоидальную форму лопастей и противоположное направление вращения, установлены на валы (13), имеющие горизонтальное соосное расположение и соединенные с ведущими валами редуктора винтов (14), расположенного между винтами (4) на конце мачты (3) обратном опорно-поворотному устройству (2). Ведомый вал редуктора (14) соединен с вертикальным валом (15), расположенным во внутреннем пространстве мачты (3), который сопряжен с ведущим валом углового редуктора (11). Ведомый вал углового редуктора (11) соединен с ведущим валом коробки передач (5) фиг. 2 через муфту (16). Коробка передач (5) фиг. 2 имеет возможность автоматического изменения передаточного отношения в зависимости от частоты вращения винтов (4) фиг. 1 энергоустановки для поддержания требуемого усилия на привод компрессора (6) фиг. 2, плавно изменяя крутящий момент и частоту вращения ведомого вала коробки передач (5). Такое исполнение позволяет исключить влияние скорости ветрового потока на количество получаемого объема сжатого воздуха за единицу времени при работе энергоустановки в условиях переменной скорости ветра. В частном случае исполнения коробка передач (5) имеет возможность в ручном режиме изменять крутящий момент, передаваемый на привод компрессора (6) в зависимости от частоты вращения винтов (4) фиг. 1. Ведомый вал коробки передач (5) фиг. 2 соединен через муфту (16) с коленчатым валом компрессора (6). Вход компрессора (6) соединен с атмосферой, а выход с помощью воздуховода, имеющего обратный клапан (17), сопряжен с ресивером повышенного давления (7). Ресивер повышенного давления (7) содержит манометр (18) и датчик давления (19), а также соединен воздуховодом, имеющим редуктор давления (20), с ресивером низкого давления (8). Ресивер низкого давления (8) содержит манометр (18) и сопряжен с помощью воздуховода, который содержит электромагнитный клапан (21), с впускным коллектором пневмодвигателя (9). Датчик давления (19) соединен с электромагнитным клапаном (21). Коленчатый вал пневмодвигателя (9) сопряжен муфтой (16) с валом электрогенератора (10). На противоположном от электрогенератора (10) конце коленчатого вала пневмодвигателя (9) расположены шкивы для привода технологических устройств. Также наличие соединительного узла коленчатого вала пневмодвигателя (9) с валом электрогенератора (10) в виде муфты (16), позволяет сопрягать с коленчатым валом пневмодвигателя (9) требуемые силовые агрегаты. Муфты (16), соединяющие валы силовых агрегатов энергоустановки, позволяют производить быстрое отсоединение силовых агрегатов для последующего обслуживания и ремонта, тем самым уменьшая трудоемкость, а также позволяют компенсировать некоторую степень перекоса между валами, сглаживают удары или вибрации от ведущего элемента к ведомому, что снижает износ элементов силовых агрегатов и увеличивает срок их службы. Мачта (3) фиг. 1 во избежание повреждения при ураганном ветре имеет возможность складывания по линии сопряжения шестерен углового редуктора (11). Ветросиловая энергоустановка содержит флюгер (на чертежах не показан). Флюгер имеет возможность определения направления и скорости ветрового потока, а также передачи полученных данных любым известным способом блоку управления приводом опорно-поворотного устройства (2) фиг. 1. При получении данных об изменении направления ветрового потока блок управления запускает привод опорно-поворотного устройства (2). Крутящий момент с привода передается на зубчатое колесо (12) опорно-поворотного устройства (2), которое поворачивает мачту (3) с винтами (4) к направлению ветрового потока. При получении данных о скорости ветрового потока близкой к ураганному ветру, блок управления запускает привод опорно-поворотного устройства (2), которое складывает мачту (3) по линии сопряжения шестерен углового редуктора (11), расположенного в основании (1) энергоустановки.

Технический результат заявленного решения заключается в исключении влияния скорости ветрового потока на количество получаемого объема сжатого воздуха за единицу времени при работе энергоустановки в условиях переменной скорости ветра с последующим преобразованием энергии сжатого воздуха в электрическую энергию и механическую работу для привода технологических устройств, уменьшении трудоемкости обслуживания и ремонта энергоустановки, а также в повышении эксплуатационного ресурса силовых агрегатов энергоустановки.

Краткое описание чертежей:

на фиг. 1 - схематичное изображение ветросиловой энергоустановки. Общий вид;

на фиг. 2 - схематичное изображение силовых агрегатов ветросиловой энергоустановки. Общий вид;

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - основание;

2 - опорно-поворотное устройство;

3 - мачта;

4 - винт;

5 - коробка передач;

6 - компрессор;

7 - ресивер повышенного давления;

8 - ресивер низкого давления;

9 - пневмодвигатель;

10 - электрогенератор;

11 - угловой редуктор;

12 - зубчатое колесо опорно-поворотного устройства;

13 - вал винта;

14 - редуктор винтов;

15 - вертикальный вал;

16 - муфта;

17 - обратный клапан;

18 - манометр;

19 - датчик давления;

20 - редуктор давления;

21 -электромагнитный клапан.

Осуществление заявленного решения

Заявленное решение работает следующим образом.

Ветровой поток попадает на лопасти винтов (4) фиг. 1. Винты (4) начинают вращение, передавая крутящий момент через валы (13) редуктору винтов (14), который приводит во вращение вертикальный вал (15), расположенный во внутреннем пространстве мачты (3). С вертикального вала (15) крутящий момент через угловой редуктор (11) в основании (1) энергоустановки передается коробке передач (5) фиг. 2. Коробка передач (5) фиг. 2 автоматически или в ручном режиме изменяет крутящий момент, передаваемый на привод компрессора (6) в зависимости от частоты вращения винтов (4) фиг. 1. Через вход в компрессор (6) фиг. 2 поступает воздух из атмосферы, а через выход по воздуховоду, имеющему обратный клапан (17), сжатый воздух из компрессора (6) поступает в ресивер повышенного давления (7). Из ресивера повышенного давления (7) сжатый воздух движется по воздуховоду, содержащему редуктор давления (20), который снижает давление сжатого воздуха перед его поступлением в ресивер низкого давления (8). Далее из ресивера низкого давления (8) сжатый воздух по трубопроводу, имеющему электромагнитный клапан (21), поступает во впускной коллектор пневмодвигателя (9) и приводит во вращение коленчатый вал пневмодвигателя (9), крутящий момент с которого передается на вал электрогенератора (10) и технологические устройства, соединенные со шкивами, расположенными на коленчатом вале пневмодвигателя (9).

Электромагнитный клапан (21) фиг. 2 воздуховода, соединяющего ресивер низкого давления (8) с впускным коллектором пневмодвигателя (9), открывается при достижении рабочего давления в ресивере повышенного давления (7) и ресивере низкого давления (8), которое сигнализирует датчик давления (19), расположенный на ресивере повышенного давления (7), передавая сигнал на электромагнитный клапан (21).

При изменении направления ветрового потока флюгер передает данные о его новом направлении блоку управления приводом опорно-поворотного устройства (2) фиг. 1, который запускает привод опорно-поворотного устройства (2), передающий крутящий момент на зубчатое колесо (12) опорно-поворотного устройства (2), поворачивая мачту (3) с винтами (4) к направлению ветрового потока. При получении данных о скорости ветрового потока, близкой к ураганному ветру, блок управления запускает привод опорно-поворотного устройства (2), которое складывает мачту (3) по линии сопряжения шестерен редуктора (11), расположенного в основании (1) энергоустановки.

Ветросиловая энергоустановка относится к области ветроэнергетики. Ветросиловая энергоустановка включает основание, на котором расположено опорно-поворотное устройство, содержащее зубчатое колесо, соединенное с приводом. Опорно-поворотное устройство сопряжено с мачтой, в верхней части которой находятся винты (роторы ветроколеса), соединенные своими валами с редуктором, расположенным между винтами на конце мачты. Ведомый вал редуктора винтов соединен с вертикальным валом, расположенным во внутреннем пространстве мачты, который сопряжен с ведущим валом углового редуктора. Ведомый вал углового редуктора, расположенного в основании, сопряжен через муфту с ведущим валом коробки передач, имеющей возможность автоматически или в ручном режиме изменять крутящий момент, передаваемый на привод компрессора в зависимости от частоты вращения винтов, ведомый вал которой сопряжен через муфту с коленчатым валом компрессора. Выход компрессора соединен воздуховодом, имеющим обратный клапан, с ресивером повышенного давления, содержащим датчик давления, связанный с электромагнитным клапаном, расположенным в воздуховоде, соединяющем ресивер низкого давления с впускным коллектором пневмодвигателя, при этом ресивер повышенного давления сопряжен воздуховодом, имеющим редуктор давления, с ресивером низкого давления. Коленчатый вал пневмодвигателя соединен муфтой с валом электрогенератора. Технический результат заключается в исключении влияния скорости ветрового потока на количество получаемого объема сжатого воздуха за единицу времени. 2 ил.

Ветросиловая энергоустановка, включающая мачту с винтами, которые соединены с приводимыми ими через систему валов и редукторов силовыми агрегатами, отличающаяся тем, что ведомый вал углового редуктора, расположенного в основании энергоустановки, сопряжен через муфту с ведущим валом коробки передач, имеющей возможность автоматически изменять крутящий момент, передаваемый на привод компрессора в зависимости от частоты вращения винтов, ведомый вал которой сопряжен через муфту с коленчатым валом компрессора, выход компрессора соединен воздуховодом, имеющим обратный клапан, с ресивером повышенного давления, содержащим датчик давления, связанный с электромагнитным клапаном, расположенным в воздуховоде, соединяющем ресивер низкого давления с впускным коллектором пневмодвигателя, при этом ресивер повышенного давления сопряжен воздуховодом, имеющим редуктор давления, с ресивером низкого давления, коленчатый вал пневмодвигателя соединен муфтой с валом электрогенератора.