Устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию

Предлагаемое техническое решение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для создания устройств для преобразования воздушного потока в максимально возможное выходное напряжение. Устройство содержит мачту, закрепленную на основании, электрический генератор с лопастями, закрепленными на конце его вала, подвижно закрепленный на верхнем конце мачты, линейные, реверсивные электродвигатели, закрепленные на корпусе электрического генератора, оболочку, выполненную в виде усеченного пустотелого конуса, сочлененного участком внешней торцевой поверхности вершины с концами роторов линейных реверсивных электродвигателей, узел ввода команд, датчик напряжения, подсоединенный своим входом к выходу электрического генератора и контроллер, подсоединенный своим первым входом к выходу узла ввода команд, своим вторым входом к выходу датчика скорости ветра, своим третьим входом к выходу датчика напряжения, своим первым выходом к управляющему входу первого управляемого ключа, подсоединенного своим входом к выходу сети переменного напряжения и своим выходом к первым входам линейных, реверсивных электродвигателей и своим вторым выходом к управляющему входу второго управляемого ключа, подсоединенного своим входом к выходу сети переменного напряжения и своим выходом к вторым входам линейных, реверсивных электродвигателей. Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, заключается в получении максимально возможной величины воздушного потока, воздействующего на лопасти электрического генератора.

Предлагаемое техническое решение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для создания устройств для преобразования воздушного потока в переменное напряжение, обладающих максимально возможным выходным напряжением.

Аналогичные технические решения известны, см., например, патент РФ на изобретение 2215184, которое содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:

- основание;

- мачту, вертикально закрепленную одним своим концом на основании;

- внешнюю конусообразную цилиндрическую оболочку, закрепленную подвижно участком своей внешней поверхности на верхнем конце мачты;

- электрический генератор переменного напряжения с лопастями, закрепленными на конце его вала, расположенный своими лопастями на выходе внутренней полости, прилегающей к вершине конусообразной цилиндрической оболочки и закрепленный во внутренней полости конусообразной цилиндрической оболочки:

- расширяющий воздуховод, выполненный в виде пустотелого усеченного конуса, закрепленного своей внутренней полостью над внешней поверхностью электрического генератора переменного напряжения.

Общими признаками предлагаемого технического решения и выше охарактеризованного аналогичного технического решения являются:

- основание;

- мачта, вертикально закрепленная одним своим концом на основании;

- внешняя конусообразная цилиндрическая оболочка;

- электрический генератор переменного напряжения с лопастями, закрепленными на конце его вала, расположенный своими лопастями на выходе внутренней полости, прилегающей к вершине конусообразной цилиндрической оболочки.

Известно также аналогичное техническое решение см., например, рекламный проспект научно производственного объединения «МАГМА», опубликованное на сайте www.ifmagma.ru (приложение 1), которое выбрано в качестве ближайшего аналога, прототипа и которое содержит:

- основание;

- мачту, вертикально закрепленную одним своим концом на основании;

- пустотелый цилиндрический корпус, подвижно закрепленный на верхнем конце мачты;

- оболочку, выполненную в виде усеченного пустотелого конуса, закрепленную своей внешней поверхностью на внутренней поверхности пустотелого цилиндрического корпуса с зазором;

- электрический генератор переменного напряжения с лопастями, закрепленными на конце его вала, расположенными во внутренней полости, прилегающей к основанию усеченного пустотелого конуса оболочки и закрепленный во внутренней полости усеченного пустотелого конуса.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:

- основание;

- мачта, вертикально закрепленная одним своим (нижним) концом на основании;

- оболочка, выполненная в виде усеченного пустотелого конуса;

- электрический генератор переменного напряжения с лопастями, закрепленными на конце его вала, расположенными во внутренней полости, прилегающей к вершине усеченного пустотелого конуса оболочки и подвижно закрепленный своим корпусом, через оболочку, выполненную в виде усеченного пустотелого конуса, на верхнем конце мачты.

Технический результат, который невозможно достичь ни одним из известных выше охарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в получении максимально возможной величины кинетической энергии ветра, воздействующей на лопасти электрического генератора переменного напряжения, и в получении, вследствие этого, максимально возможного выходного напряжения электрического генератора переменного напряжения.

Причиной невозможного достижения вышеуказанного технического результата является то, что сложившаяся практика в создании средств для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию вопросам обеспечения в каждый момент времени максимально возможной величины воздушного потока, позволяющего получить максимально возможное выходное напряжение, должного внимания не уделяла.

Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений можно сделать вывод, что задача создания средств для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, имеющих максимально возможное выходное напряжение, является актуальной на сегодняшний день.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию, содержащее основание, мачту, вертикально установленную и закрепленную одним своим концом на основании, оболочку, выполненную в виде усеченного пустотелого конуса и электрический генератор переменного напряжения, с лопастями, закрепленными на конце его вала, расположенными во внутренней полости, прилегающей к вершине усеченного пустотелого конуса оболочки, и подвижно закрепленный своим корпусом на верхнем конце мачты, с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, снабжено, как минимум одним, линейным реверсивным электродвигателем, закрепленным своим корпусом на соответствующем участке внешней поверхности корпуса электрического генератора переменного напряжения и сочлененного (подсоединенного) концом своего ротора с участком внешней торцевой поверхности вершины усеченного пустотелого конуса оболочки, узлом ввода команд, датчиком скорости ветра, датчиком напряжения, подсоединенным своим выходом к выходу электрического генератора переменного напряжения и контроллером, подсоединенным своим первым входом к выходу узла ввода команд, своим вторым входом к выходу датчика скорости ветра, своим третьим входом к выходу датчика напряжения, своим первым выходом к управляющему входу первого управляемого ключа, подсоединенного своим входом к выходу сети переменно напряжения и своим выходом к первому входу, как минимум одного, линейного реверсивного электродвигателя и своим вторым выходом к управляющему входу второго управляемого ключа, подсоединенного своим входом к выходу сети переменного напряжения и своим выходом к второму входу, как минимум одного, линейного реверсивного электродвигателя.

Введение, как минимум одного, линейного реверсивного электродвигателя, узла ввода команд, датчиков скорости ветра и напряжения, первого и второго управляемых ключей и контроллера, подсоединенных, как указано выше, позволяет в соответствии с заданным сигналом и сигналами поступившими с выхода датчика скорости ветра и с выхода датчика напряжения на соответствующие входы контроллера и в соответствии с программой, записанной в постоянном запоминающем устройстве контроллера, осуществить их обработку и сформировать один из управляющих сигналов для подачи через первый или второй управляемые ключи переменного напряжения на первый или второй вход, как минимум одного, линейного реверсивного электродвигателя и осуществить перемещение в горизонтальном направлении, вправо или влево усеченного пустотелого конуса, обеспечить создание максимально возможного давления потока воздуха, выходящего из вершины усеченного пустотелого конуса оболочки, воздействующего на лопасти электрического генератора переменного напряжения и обеспечивающего получение максимально возможного напряжения с выхода электрического генератора переменного напряжения. В чем и заключается достижение вышеуказанного технического результата.

Проведенный анализ известных технических решений показал, что ни одно из них не содержит, как всей совокупности существенных признаков, так и отличительных признаков предлагаемого технического решения, что позволило сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».

Предлагаемое устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию, поясняется следующим описанием и чертежом, на котором представлено устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.

Предлагаемое устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию содержит:

- основание - 1;

- мачту - 2, выполненную в виде металлической трубы, вертикально установленной и закрепленной одним своим (нижним) концом на основании - 1;

- электрический генератор - 3 переменного напряжения с лопастями-4, закрепленными на конце его вала и закрепленный своим корпусом на корпусе внешней обоймы подшипника - 5, закрепленного внутренней поверхностью своей внутренней обоймы на внешней поверхности верхнего конца мачты - 2;

- оболочку, выполненную в виде усеченного пустотелого конуса-6, расположенного своей внутренней полостью, прилегающей к вершине усеченного пустотелого конуса - 6 над лопастями - 4 электрического генератора-3 переменного напряжения;

- первый линейный реверсивный электродвигатель - 7, закрепленный своим корпусом на соответствующем участке внешней поверхности корпуса электрического генератора - 3 переменного напряжения и сочлененный (подсоединенный) концом своего ротора - 8 с соответствующим участком торцевой поверхности вершины усеченного пустотелого конуса-6;

-второй линейный реверсивный электродвигатель-9 закрепленный своим корпусом на соответствующем участке внешней поверхности корпуса электрического генератора-3 переменного напряжения и сочлененный (подсоединенный) концом своего ротора-10 с соответствующим участком торцевой поверхности вершины усеченного пустотелого конуса-6;

-систему управления (контроллер-11) линейными реверсивными электродвигателями-7,9, выполненную в виде арифметического логического устройства (АЛУ)-12, генератора-13 тактовых импульсов, подсоединенного своим выходом к первому входу АЛУ-12, постоянного запоминающего устройств (ПЗУ)-14, подсоединенного своим выходом ко второму входу АЛУ-12 и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)-15, подсоединенного своим выходом к третьему входу АЛУ-12 и своим выходом к первому входу АЛУ-12, (при этом система управления(контроллер-П) может быть расположена в шкафу (на чертеже не представлен), закрепленном на участке внешней поверхности мачты-2 или на поверхности основания-1);

- узел-16 ввода команд, подсоединенный своим выходом к четвертому входу АЛУ-12 (первый вход контроллера-11);

- датчик-17 скорости ветра, установленный, например, на поверхности основания-1 и подсоединенный своим выходом к пятому входу АЛУ-12 (второй вход контроллера-11);

- датчик-18 напряжения, подсоединенный своим входом к выходу электрического генератора-3 переменного напряжения и своим выходам к шестому входу АЛУ-12 (третий вход контроллера-11);

- первый управляемый ключ-19, обеспечивающий подачу переменного напряжения на первые входы первого-7 и второго-9 линейных реверсивных электродвигателей для осуществления перемещения, например, влево усеченного пустотелого конуса-6 и подсоединенный своим управляющим входом к первому выходу контроллера-11 (второй выход АЛУ-12);

- второй управляемый ключ-20, обеспечивающий подачу переменного напряжения на вторые входы первого-7 и второго-9 линейных реверсивных, электродвигателей для осуществления перемещения, например, вправо усеченного пустотелого конуса-6 и подсоединенный своим управляющим входом к второму выходу контроллера-11 (третий выход АЛУ-12).

При этом узел-16 ввода команд, датчик-18 напряжения, первый-19 и второй-20 управляемые ключи также могут быть расположены внутри вышеупомянутого шкафа, а все электрические подсоединения выполняются электроизолированными проводами, расположенными внутри мачты-2 с использованием, в случае необходимости, скользящих контактов.

Все приведенные узлы и схемные элементы: датчик-17 скорости ветра; датчик-18 напряжения; контроллер-11; узел-16 ввода команд; первый-19 и второй-20 управляемые ключи и линейные реверсивные электродвигатели-7,9 являются широко известными техническими решениями в различных областях науки и техники.

Предлагаемое устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию работает следующим образом.

При поступлении во внутреннюю полость усеченного пустотелого конуса-6 воздушного потока, последний, в области прилегающей к внутренней поверхности вершины усеченного пустотелого конуса-6, сжимается (усиливается) и, выходя из вершины усеченного пустотелого конуса в окружающее пространство, воздействует на лопасти-4 электрического генератора-3 переменного напряжения и обеспечивает на выходе электрического генератора-3 переменного напряжения, переменное напряжение соответствующее воздействующему давлению на лопасти-4 воздушного потока, в данный момент времени.

Зафиксированная величина переменного напряжения, на выходе электрического генератора-3 переменного напряжения, датчиком-18 напряжения поступает на третий вход контроллера-11, на второй вход которого поступает сигнал соответствующий скорости ветра в данный момент времени, с выход датчика-17 скорости ветра.

В соответствии с сигналом задания, поступившим с выхода узла-16 ввода команд на первый вход контроллера-11 (четвертый вход АЛУ-12) и поступающими сигналами с выхода датчика-17 скорости ветра на второй вход контроллера-11 (пятый вход АЛУ-12) и с выхода датчика-18 напряжения на третий вход контроллера-11 (шестой вход АЛУ-12), а также в соответствии с программой записанной в ПЗУ-14, в арифметическом, логическом устройстве АЛУ-12 эти сигналы анализируются, обрабатываются и на первом выходе контроллера-11 (второй выход АЛУ-12) формируется управляющий сигнал, который поступает на управляющий вход первого управляемого ключа-19, который срабатывает и обеспечивает подачу переменного напряжения на первые входы первого-7 и второго-9 линейных, реверсивных электродвигателей, которые под действием поступивших переменных напряжений срабатывают и приводят в горизонтальном направлении перемещение усеченного пустотелого конуса-6, например, влево.

В результате перемещения усеченного пустотелого конуса-6 влево, величина давления воздушного потока, воздействующего на лопасти-4 электрического генератора-3 переменного напряжения уменьшается, также, как уменьшается и величина выходного переменного напряжения на выходе электрического генератора-3 переменного напряжения и на выходе датчика-18 напряжения.

Вследствие уменьшения выходного напряжения на выходе датчика-18 напряжения, в арифметическом логическом устройстве АЛУ-12 эти вновь поступившие сигналы анализируются и обрабатываются только на втором выходе контроллера-11 формируется управляющий сигнал, который поступает на управляющий вход второго управляемого ключа-20, который срабатывает и обеспечивает подачу переменного напряжения на вторые входы первого-7 и второго-9 линейных реверсивных электродвигателей, которые под действием поступивших переменных напряжений срабатывают и приводят в горизонтальном направлении перемещение усеченного пустотелого конуса-6 вправо.

В результате такого перемещения усеченного пустотелого конуса-6 вправо, величина давления воздушного потока, воздействующего на лопасти-4 электрического генератора-3 переменного напряжения увеличивается до максимально возможной величины, так как вращение лопасти-4 электрического генератора-3 переменного напряжения находятся в настоящий момент времени в зоне максимально возможного давления воздушного потока и на выходе электрического генератора-3 переменного напряжения обеспечивают получение выходного напряжения максимально возможной величины.

Вышеописанный режим преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию сохраняется до тех пор, пока на выходе датчика-17 скорости ветра или на выходе датчика-18 напряжение будет изменятся одна из величин выходного сигнала, так как при изменениях весь вышеприведенный процесс преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию будет каждый раз повторятся.

Таким образом, предлагаемое устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию, за счет перемещения усеченного пустотелого конуса (усилителя воздушного потока) и получения в результате его перемещения максимально возможного давления воздушного потока на лопасти электрического генератора переменного напряжения, обеспечивает максимально возможное выходное напряжение на выходе электрического генератора переменного напряжения.

Поэтому предлагаемое устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию займет достойное место среди известных объектов аналогичного назначения.

Устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию, содержащее основание, мачту, вертикально закрепленную одним своим концом на основании, оболочку, выполненную в виде усеченного пустотелого конуса, и электрический генератор переменного напряжения с лопастями, закрепленными на конце его вала, расположенными во внутренней полости, прилегающей к вершине усеченного пустотелого конуса, и подвижно закрепленный своим корпусом на верхнем конце мачты, с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, отличающееся тем, что оно снабжено, как минимум, одним линейным реверсивным электродвигателем, закрепленным своим корпусом на соответствующем участке внешней поверхности корпуса электрического генератора переменного напряжения и сочлененного концом своего ротора с участком внешней торцевой поверхности вершины усеченного пустотелого конуса, узлом ввода команд, датчиком скорости ветра, датчиком напряжения, подсоединенным своим входом к выходу электрического генератора переменного напряжения, и контроллером, подсоединенным своим первым входом к выходу узла ввода команд, своим вторым входом к выходу датчика скорости ветра, своим третьим входом к выходу датчика напряжения, своим первым выходом к управляющему входу первого управляемого ключа, подсоединенного своим входом к выходу сети переменного напряжения и своим выходом к первому входу, как минимум одного линейного, реверсивного электродвигателя и своим вторым выходом к управляющему входу второго управляемого ключа, подсоединенного своим входом к выходу сети переменного напряжения и своим выходом к второму входу, как минимум одного линейного, реверсивного электродвигателя.