Устройство для преобразования возобновляемой энергии

Изобретение относится к устройствам для преобразования возобновляемой энергии. Устройство для преобразования возобновляемой энергии содержит раму, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой; лопасть, жестко закрепленную на шатуне; при этом соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, шатун расположен под углом к плоскости лопасти, определяемым соотношением sin |α|<d/(L-R), где R - длина кривошипа, L - длина шатуна, d - смещение направляющей ползуна относительно оси вала, с противоположной стороны от шатуна на вале установлен противовес, а направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала. Изобретение направлено на повышение надежности устройства, а также на снижение его габаритов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к устройствам для преобразования возобновляемой энергии и может быть использовано в области энергетики для получения энергии от набегающего потока воздуха.

Уровень техники

Известно устройство для преобразования энергии потока текучей среды в полезную работу, содержащее совокупность соединенных между собой лопастей, связанных с преобразователем энергии (патент РФ №2037641, 1991 г., МКИ F03B 13/00, F03B 17/06, F03D 5/06). Недостатком устройства является сложность конструкции, невысокая надежность и невысокая эффективность.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для преобразования возобновляемой энергии, содержащее раму, лопасть, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой, причем лопасть жестко закреплена на шатуне, а соединительное звено выполнено в виде качалки, один конец которой шарнирно связан с рамой, а другой конец шарнирно связан с шатуном (патент РФ №2293212, 2005 г., МПК F03D 5/00).

Недостатком этого устройства является невысокая надежность из-за большого диапазона значений угла поворота кривошипного вала, когда указанное устройство не способно самостоятельно стартовать. Кроме того, указанное устройство имеет большие габариты из-за выполнения соединительного звена в виде качалки.

Раскрытие изобретения

Заявляемое изобретение направлено на повышение надежности и снижение габаритов устройства.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для преобразования возобновляемой энергии, содержащем раму, лопасть, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой, а лопасть жестко закреплена на шатуне, соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала. При этом направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала, а шатун расположен под углом к плоскости лопасти. В частном случае исполнения устройство снабжено маховым колесом, соединенным с валом кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, на вале установлен противовес.

Поставленная задача решается тем, что

- соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала.

- направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала,

- шатун расположен под углом к плоскости лопасти.

Выполнение соединительного звена в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, позволяет повысить надежность устройства за счет существенного сокращения диапазона значений угла поворота кривошипного вала, при которых указанное устройство не способно самостоятельно стартовать. Компактное выполнение соединительного звена приводит также к уменьшению габаритов устройства.

Смещение направляющей ползуна относительно оси вращения вала и расположение шатуна под углом к плоскости лопасти позволяет сократить так называемые "мертвые зоны", в которых набегающий поток не создает направленное вращение валу кривошипно-шатунного механизма, что повышает надежность устройства.

Наличие противовеса также способствует увеличению надежности устройства. В случае вертикального расположения направляющей ползуна при отсутствии ветра противовес обеспечивает наиболее выгодное стартовое положение лопасти под оптимальным углом атаки. В случае горизонтальной направляющей ползуна противовес не существенен для стартовых характеристик, но позволяет уменьшить эффекты биений кривошипного вала.

Наличие махового колеса также способствует более надежному функционированию устройства за счет гарантированного прохождения «мертвых зон» по инерции.

Краткое описание чертежей

Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием.

На прилагаемой фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства.

На фиг. 2 изображено устройство в стартовом положении (при слабом ветре или при отсутствии ветра) для случая исполнения в качестве устройства преобразования энергии ветра при вертикальном расположении направляющей ползуна.

Устройство включает раму 1, кривошипно-шатунный механизм, выполненный, например, в виде махового колеса 2 и шатуна 3. Возможен также вариант исполнения кривошипно-шатунного механизма без махового колеса. Вал 4 колеса 2 закреплен на раме 1. Один конец шатуна 3 соединен шарниром 5 с колесом 2, а другой конец шатуна 3 соединен шарниром 6 с ползуном 7. Направляющая 8 ползуна 7 жестко закреплена на раме 1 и расположена в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала 4. На шатуне 3 жестко закреплена лопасть 9, при этом шатун 3 расположен под углом к плоскости лопасти 9. На колесе 2 с противоположной стороны от шарнира 5 установлен противовес 10.

Стрелкой V на приведенных фигурах указано направление набегающего потока воздуха, стрелкой ω - направление вращение вала 4. Символом α обозначен угол наклона шатуна 3 к плоскости лопасти 9. Символом R обозначено расстояние от оси вала 4 до оси шарнира 5 (длина кривошипа), символом L - расстояние между осями шарниров 5 и 6 (длина шатуна 3), символом d - расстояние от оси вала 4 до прямолинейной траектории оси шарнира 6 (смещение направляющей 8 относительно оси вала 4). В общем случае L/R>1, d/R<1. Оптимальное значение угла α определяется из условия |α|<α2, где sin(α2)=d/(L-R). В этом случае диапазон «мертвых зон» устройства заметно сокращается, что существенно при горизонтальном расположении направляющей 8 ползуна 7. При значениях α вне указанного диапазона устройство также работоспособно, но менее эффективно.

Стрелкой g на фиг. 2 обозначено направление силы тяжести для случая вертикального расположения направляющей 8. Масса противовеса 10 и его положение относительно оси вращения вала 4 определяются из условия, когда в состоянии равновесия (при отсутствии набегающего потока) наклон лопасти 9 относительно направляющей 8 будет максимальным.

На фиг. 3 представлена фотография одного из экспериментальных образцов устройства, размещенного в рабочей части аэродинамической трубы А-6 НИИ механики МГУ.

Осуществление изобретения

Устройство работает следующим образом.

Предположим, вначале механизм неподвижен. Если в начальный момент ползун 7 находится в любом положении, кроме двух крайних возможных (когда отсутствует подъемная сила), то при достаточной силе ветра лопасть 9 начнет движение. Этот эффект самостоятельного старта достигается благодаря ориентации лопасти 9 под углом к набегающему потоку вследствие закрепления направляющей 8 на раме 1 перпендикулярно потоку, жесткого соединения лопасти 9 с шатуном 3 и шарнирного соединения 5 и 6 шатуна 3 с маховым колесом 2 и ползуном 7. Подъемная сила набегающего потока будет направлена вдоль направляющей 8 и приведет в движение лопасть 9 с ползуном 7 (при достаточной скорости потока). В то же время сила сопротивления потока направлена перпендикулярно направляющей 8 и не будет препятствовать начальному движению лопасти 9.

В случае вертикального расположения направляющей 8 при отсутствии набегающего потока благодаря наличию противовеса 10 и действию силы тяжести элементы устройства займут устойчивое положение, когда лопасть 9 будет расположена под углом к вектору скорости ожидаемого набегающего потока, как показано на фиг. 2. В этом случае устройство, остановившееся после ослабления силы ветра, при возобновлении ветра приводится в движение самостоятельно, без внешнего вмешательства, что обеспечивает его надежное и эффективное функционирование.

После старта шатун 3, прикрепленный к лопасти 9, приведет во вращение соединенное с ним шарниром 5 маховое колесо 2. На той фазе движения, когда ползун 7 удаляется от оси вала 4, ориентация лопасти 9 такова, что подъемная сила будет поддерживать движение лопасти 9 в направлении удаления от вала 4 (при достаточной скорости ветра). На той фазе движения, когда ползун 7 движется по направлению к оси вала 4, ориентация лопасти 9 такова, что подъемная сила будет поддерживать движение лопасти 9 в направлении приближения к валу 4 (при достаточной скорости ветра). Когда ползун 7 проходит какое-либо из двух своих крайних положений (мертвые зоны), маховое колесо 2 проворачивается по инерции. Противовес 10 обеспечивает также снижение интенсивности поперечных биений вала 4.

Примеры реализации

В НИИ механики МГУ были изготовлены и протестированы экспериментальные образцы устройства с горизонтальным и вертикальным расположением направляющей ползуна. Площадь лопасти была порядка 0.01 и 0.05 м2, другие геометрические параметры варьировались в диапазонах L/R=1.2 - 5, d/R=0 - 0.1, α=0 - 2°.

На фиг. 3 представлена фотография одного из экспериментальных образцов устройства, размещенного в рабочей части аэродинамической трубы А-6 НИИ механики МГУ. В данном варианте направляющая ползуна расположена горизонтально.

Образцы были испытаны в аэродинамической трубе А-6 при скорости потока до 8 м/с. Рабочие скорости потока, при которой устройство стартовало самостоятельно и приводило во вращение ротор электрогенератора, начинаются от 4 м/с.

Таким образом, экспериментально было подтверждено, что предлагаемое устройство работоспособно и при сравнительно небольших габаритах обеспечивает надежное и эффективное преобразование энергии ветра в механическую энергию.

1. Устройство для преобразования возобновляемой энергии, характеризующееся тем, что оно содержит раму, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой; лопасть, жестко закрепленную на шатуне; при этом соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, шатун расположен под углом к плоскости лопасти, определяемым соотношением sin |α|<d/(L-R), где R - длина кривошипа, L - длина шатуна, d - смещение направляющей ползуна относительно оси вала, с противоположной стороны от шатуна на вале установлен противовес, а направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено маховым колесом, соединенным с валом кривошипно-шатунного механизма.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству по преобразованию ветра в электрическую энергию. Устройство по преобразованию энергии ветра, содержащее опорно-несущую конструкцию, с преобразователями и аккумуляторами электрической энергии.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии из колебательных движений различной природы. Преобразователь выполнен с возможностью преобразования волновой энергии в электроэнергию и содержит статор с витками электрической обмотки 4, снабженный контактными клеммами 5, и ротор 9 линейного генератора.

Настоящее изобретение относится к ветрогенераторам. Ветрогенератор по первому варианту содержит корпус, выполненный сетчатым в виде флюгера, вдоль продольной оси передней цилиндрической части которого горизонтально расположен плоский магнит, на переднем конце которого установлена ветровая ловушка, выполненная в виде боковой поверхности полого усеченного конуса.

Изобретение относится к системам управления полетом силового профиля крыла или буксировочного воздушного змея для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию.

Изобретение относится к ветроэлектрогенераторам. Ветроэлектрогенератор содержит ряд установленных в вертикальной плоскости прямоугольных ячеек, каждая из которых снабжена подпружиненным горизонтальным магнитным сердечником с возможностью осевого перемещения внутри соленоида и двумя вертикальными ветровыми щитками, установленными на концах сердечника, при этом ветровые щитки образуют две вертикальные стенки по обе стороны от плоскости ячеек.

Изобретение относится к области производства электрической энергии и может быть использовано в устройствах с автономным питанием. Ветро-пьезоэлектрогенератор, содержащий пьезоэлектрические элементы, флюгер, полотно, электроды.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при разработке новых типов ветроустановок разной мощности, работающих в свободных воздушных потоках.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при создании новых невращающихся преобразователей кинетической энергии для ветро- и гидроустановок, работающих в свободных воздушных или водных потоках.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для преобразовании энергии текучих сред в электрическую. Ветроэнергетическая установка содержит рабочий орган, преобразователь энергии и устройство защиты от запредельных ветровых нагрузок.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Способ преобразования энергии ветра в полезную энергию путем воздействия на струны набегающего потока воздуха.

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию. Бесплотинная инерционная гидроэлектростанция содержит каркас.

Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для обеспечения движения наводных и подводных транспортных средств. Водяной реактивный двигатель находится под микропроцессорным управлением и содержит соосно горизонтально расположенные входное устройство, сопло, на одном валу установленные насос высокого давления, насос низкого давления и турбину.

Группа изобретений относится к водяной мельнице. Мельница содержит водонаправляющее средство с по меньшей мере одним проточным каналом 54а, в котором установлено по меньшей мере два лопастных колеса 67а1 и 67а2, имеющих вал вращения 68а1 и 68а2 соответственно, ориентированный в рабочем состоянии перпендикулярно направлению потока, и по меньшей мере три лопасти, и средства передачи вращательного движения вала 68а1 и 68а2 на генератор.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию. Гидросиловая установка содержит корпус 1 в виде двух камер 17, 18 с впускными и выпускными отверстиями 19-22 с затворами 23-26, поплавки 30, 31, установленные в камерах 17, 18, накопительный резервуар 8, рабочую магистраль 4, коленчатый вал 37 с шатунами, связанными с поплавками 30, 31.

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для обеспечения электрической энергией небольших потребителей в местах, где нет линий электропередач. Всесезонная русловая микро-ГЭС содержит раздельно расположенные гидротурбину 2 в русле 1 реки и машинное отделение с мультипликатором 4, генератором 5 и инвертором 6 с аккумуляторной батареей 7 на помосте 8, расположенном на дереве или свае выше уровня паводковых вод.

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для обеспечения электрической энергией небольших населенных пунктов, лагерей геологов, охотников, рыбаков, леспромхозов преобразованием энергии русловых потоков реки в электрическую.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потоков воды в электроэнергию. Гидроэнергетическая установка содержит установленные на водоизмещающем основании две гидротурбины 1, размещенные симметрично относительно продольной оси 4, вдоль которой ориентированы оси 3 их вращения, выполненные с возможностью вращения в противоположные стороны, кинематически связанные с электрогенератором 5, якорное устройство 6, балластные емкости 7.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии без строительства плотин. Гидроэлектростанция содержит идентичные блоки.

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к использованию энергии прибойного потока у берегов морей, океанов и крупных водоемов путем ее преобразования в электроэнергию.

Изобретение относится к области силовых механизмов, а именно к ветряным и водяным двигателям. Установка предназначена для преобразования энергии потока воды или ветра и содержит основание 1, вал 3, ротор 4, жестко установленный на валу 3 с возможностью вращения вокруг своей оси, лопасти 10, установленные с возможностью изменения своего положения по отношению к потоку, нагрузочное устройство.

Изобретение относится к способу эксплуатации гидроэлектрической турбинной системы. Способ содержит следующие этапы: размещают турбину 12 на морском дне в зоне водоема, подверженной действию приливов и отливов; прокладывают электрический кабель для передачи электрической энергии от турбины 12 к удаленному пункту; обеспечивают возможность вращения турбины 12 и выработки электрической энергии за счет энергии приливно-отливного потока воды, проходящего через турбину 12; и перед электрическим соединением кабеля с турбиной 12 поглощают электрическую энергию посредством блока нагрузки 16. Блок 16 электрически соединен с турбиной 12. Блок 16 установлен в гидроэлектрической турбинной системе 10. Изобретение направлено на упрощение установки гидроэлектрической турбинной системы в подверженном приливам и отливам водоеме. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройствам для преобразования возобновляемой энергии. Устройство для преобразования возобновляемой энергии содержит раму, установленный на раме кривошипно-шатунный механизм, вал которого шарнирно связан шатуном и соединительным звеном с рамой; лопасть, жестко закрепленную на шатуне; при этом соединительное звено выполнено в виде ползуна, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль направляющей, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, шатун расположен под углом к плоскости лопасти, определяемым соотношением sin α<d, где R - длина кривошипа, L - длина шатуна, d - смещение направляющей ползуна относительно оси вала, с противоположной стороны от шатуна на вале установлен противовес, а направляющая ползуна смещена относительно оси вращения вала. Изобретение направлено на повышение надежности устройства, а также на снижение его габаритов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх