ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
ENERGY CONVERTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно к использованию потенциальной энергии ветра, текучей реки, волн и преобразованию ее в другие виды, преимущественно в электрическую и механическую энергию.
Разработка альтернативных источников электрической энергии является актуальной и востребованной.
Первый вариант преобразователя энергии может быть использован в качестве ветроэнергетической установки или для преобразования энергии реки и волн в электрическую энергию.
Известен преобразователь энергии ветра и волн (Алиева А.С, Алиева Б.З. «Преобразователь энергии ветра и волн», патент РФ №2254494 от 10.09.2003 г. F03D 5/04), который содержит связанные с помощью рычагов вращающиеся платформы. На каждой платформе установлена лопасть. Преобразователь энергии содержит также кинематически связанные преобразователь движения и узел изменения ориентации и фиксации положения лопасти, взаимодействующий с флюгером.
Преобразователь движения через мультипликатор подключен к электрогенератору.
К недостаткам известного преобразователя энергии можно отнести сложность конструкции и невозможность его применения на суше.
Известен также преобразователь энергии волн (Алиев А.С., Алиев Р.А. «Преобразователь энергии волн», патент РФ №2300663 от 22.11.2005 г., F03B 13/12), который может быть указан в качестве ближайшего аналога изобретения (прототипа).
Прототип содержит кинематически связанные стойку, поплавковые камеры, раму, вал, мультипликатор и генератор. Кроме того, преобразователь дополнительно содержит взаимодействующие друг с другом второй вал, первую и вторую шестерни и не менее двух преобразователей движения.
При этом каждый преобразователь движения содержит вертикальный шток, установленный с возможностью вертикальных колебаний, на верхнем конце которого установлен первый блок, а на нижнем - третья звезда, взаимодействующая с первым и вторым поплавками камерами.
В качестве недостатка прототипа можно указать конструктивную сложность преобразователя движения и невозможность его применения на суше для преобразования потенциальной энергии транспортных средств.
Техническая задача заключается в упрощении конструкции преобразователя энергии и в создании преобразователя энергии ветра, текучей реки и волн в электрическую или механическую энергию.
Данная техническая задача решается путем создания принципиально новой конструкции преобразователя энергии, который содержит кинематически связанные стойку, платформу, флюгер, плоские лопасти и вал, взаимодействующий с мультипликатором и электрогенератором, а также взаимодействующие друг с другом первый и второй узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей, штангу с установленными с двух сторон с возможностью вращения кольцами, шарнирно соединенными с корневыми наконечниками первого и второго шатунов, связанных периферийными наконечниками с первым и вторым радиальными рычагами, связанными соответственно с первой и второй обгонными муфтами, установленными на валу. Штанга установлена на платформе с возможностью колебания на 90° и свободного вращения вокруг собственной оси, причем на концах штанги неподвижно установлены первая и вторая плоские лопасти, плоскости которых взаимно перпендикулярны. Сцепление муфт с радиальными рычагами и взаимодействие первого и второго узлов изменения ориентации и фиксации положения лопастей с соответствующими упорами происходит по очереди.
При этом первый и второй узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей установлены симметрично от оси колебания штанги и каждый из них содержит взаимодействующее друг с другом кольцо фиксатора, пружину закрутки, третью обгонную муфту и подпружиненный z-образный фиксатор, наконечник которого взаимодействует с двумя диаметрально противоположными отверстиями в кольце фиксатора, неподвижно закрепленного на штанге. Ступица третьей обгонной муфты установлена на штанге с возможностью свободного вращения, а обойма неподвижно соединена со звездой, которая взаимодействует с соответствующей цепью, закрепленной на платформе и выполненной в форме сегмента окружности 90°.
Второй вариант преобразователя энергии содержит кинематически связанные вал, мультипликатор, гидронасос, гидромотор и электрогенератор, а также горизонтальную платформу и взаимодействующие друг с другом понтон, силовой рычаг, первый и второй шатуны, корневые наконечники которых соединены с силовым рычагом, и радиальные рычаги, наконечники которых шарнирно связаны с верхними наконечниками соответствующих шатунов, при этом радиальные рычаги неподвижно связаны с обоймами первой и второй обгонных муфт, ступицы которых неподвижно установлены на валу, причем силовой рычаг установлен с возможностью свободного колебания в вертикальной плоскости и взаимодействует с обгонными муфтами по очереди.
На фиг.1 представлен вид сбоку на конструкцию первого варианта преобразователя энергии, где:
1 - стойка;
2 - платформа;
3 - втулка поворотная;
4 - штанга;
5 - рычаг флюгера;
6 - флюгер;
7, 8 - первое и второе кольца;
9 - неподвижные кольца;
10, 11 - первый и второй узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей;
12, 13 - первый и второй шатуны;
14, 15 - первый и второй радиальные рычаги;
16 - первая обгонная муфта;
17 - вал;
18, 19 - перовая и вторая звезды;
20 - подпружиненный упор;
21, 22 - первый и второй сегменты цепи;
23, 24 - первая и вторая лопасти.
На фиг.2 представлен вид А-А по фиг.1, где позиции 1-17 те же, что на фиг.1:
25 - вторая обгонная муфта;
26 - мультипликатор;
27 - гидронасос;
28 - гидромотор;
29 - электрогенератор;
30 - фланец;
31 - подставка.
На фиг.3. представлена конструкция узла изменения ориентации и фиксации лопасти, где:
32 - обгонная муфта;
33 - звезда;
34 - пружина закрутки;
35 - кольцо фиксатора;
36 - центральная втулка;
37 - Z-образный фиксатор;
38 - пружина фиксатора;
39 - наконечник фиксатора;
40 - кронштейн.
На фиг.4 представлен вид сбоку на конструкцию второго варианта преобразователя энергии,
На фиг.5 показан вид сверху на конструкцию второго варианта преобразователя, где позиции 41-55 на фиг.4 и фиг.5 одни и те же:
41 - силовой рычаг;
42 - плоский шарнир;
43, 44 - первый и второй шатуны;
45, 46 - первый и второй радиальные рычаги;
47 - первая обгонная муфта;
48 - второй вал;
49 - платформа;
50 - стойки;
51 - вторая обгонная муфта;
52 - мультипликатор;
53 - гидронасос;
54 - гидромотор;
55 - электрогенератор;
56 - понтон.
Первый вариант преобразователя содержит вращающуюся относительно вертикальной стойки 1 платформу 2. На платформе установлена штанга 4 в виде трубы с возможностью свободного вращения вокруг собственной оси. Платформа неподвижно соединена с рычагом 5 флюгера 6, который ориентирован перпендикулярно штанге. Второй конец рычага 5 связан с плоским вертикальным флюгером 6. Изменение направления ветра приводит к изменению ориентации платформы. Штанга 4 установлена на поворотной втулке 3 вращения с возможностью колебаний в вертикальной плоскости в пределах угла +45°. С двух сторон от втулки 3 на штанге 4 установлены подвижные кольца 7, 8 с возможностью относительного вращения. Для предотвращения относительного продольного перемещения колец 7, 8 на штанге установлены неподвижные кольца 9. Подвижные кольца шарнирно связаны с корневыми наконечниками соответствующих шатунов 12, 13. Периферийные наконечники шатунов 12 и 13 также шарнирно связаны с внешними концами первого 14 и второго 15 радиальных рычагов соответственно. Корневые наконечники первого и второго радиальных рычагов 14, 15 неподвижно связаны с обоймами соответствующих обгонных муфт 16, 25.
На концах штанги 4 закреплены первая 23 и вторая 24 плоские лопасти, ориентированные взаимно перпендикулярно. Когда первая лопасть ориентирована вдоль направления ветра, вторая ориентирована перпендикулярно ветру, и наоборот.
Колебание штанги под воздействием ветра приводит к колебанию шатунов и связанных с ними радиальных рычагов в вертикальной плоскости.
Для изменения ориентации лопастей используются первый 10 и второй 11 узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей (см. фиг.1, 3)
На вертикальной платформе 2 установлен первый подпружиненный упор 20. В конечных точках отклонения штанги 4 узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей 10, 11 взаимодействуют с соответствующими упорами 20, что приводит к повороту лопастей на +90°. После чего штанга начинает колебание в обратном направлении.
На фиг.2 показан вид А-А на фиг.1. Первая 16 и вторая 25 обгонные муфты установлены на валу 17 так, чтобы при колебаниях штанги в ту или другую стороны они входили в сцепление по очереди.
Подъем первой штанги вверх приводит к повороту первого радиального рычага 14 и связанной с ним первой обгонной муфты 16 по часовой стрелке. Обойма данной муфты входит в сцепление со ступицей, что приводит к повороту вала по часовой стрелке.
Вторая муфта 25 в этот момент времени находится вне сцепления. Второй шатун 13 вхолостую опускается вниз. При обратном движении штанги вверх поднимается второй шатун. Теперь в сцепление входит вторая обгонная муфта 25. Момент, создаваемый вторым радиальным рычагом 15 на валу, также положительный, что приводит к вращению вала в прежнем направлении - по часовой стрелке.
Момент вертикальной силы давления Ро на вал 48 равен Po·cosa, где а - угол между шатуном 43 и радиальным рычагом 45.
При суммировании моментов в пределах от -π/4 до +π/4, т.е. в пределах 90° получим:
среднее значение момента равно:
Среднее значение момента за один период равен 2·0,9PoR=1,8 PoR. Для прототипа при суммировании моментов вращения в пределах от -П/2 до П/2, т.е в пределах 180° получим для среднего значения.
Таким образом, среднее значение момента при колебаниях рычага в пределах ±45° за период увеличивается по сравнению с обычным вращением лопасти по кругу в 1,8 PoR/0,6 PoR=3 раза.
Принцип действия узла изменения ориентации и фиксации положения лопастей, конструкция которого представлена на фиг.3, заключается в следующем.
Преобразователь энергии содержит первый 10 и второй 11 узлы изменения ориентации и фиксации положения лопастей. Каждый узел содержит обгонную муфту 16(25), ступица которой свободно вращается на штанге и связана с одним из концов пружины закрутки 34. На обойме обгонной муфты неподвижно установлена звезда 33. При колебаниях штанги в пределах ±45° звезда взаимодействует с сегментной цепью 21 (22), закрепленной на платформе 2, по сегменту окружности в пределах 90°. Другой конец пружины закрутки неподвижно связан со штангой. При колебании штанги в пределах 90° при взаимодействии звезды 3 с цепью пружина закручивается по часовой стрелке на 90°. Наконечник фиксатора 39, который входит в одно из диаметрально противоположных отверстий в штанге, удерживает неподвижное положение штанги относительно центральной втулки 36. Наконечник подпружиненного второго фиксатора скользит по поверхности кольца 35 и фиксирует его угловое положение после 180°, т.е. после двукратного поворота на 90°.
Второй узел изменения ориентации и фиксации положения лопастей 11 работает аналогично первому 10. Закрутка пружины в двух узлах происходит по очереди, т.к. обгонные муфты в них входят в сцепление по очереди. Причем закрутка пружин в обоих узлах происходит в одном направлении - по часовой стрелке. Фиксирующие отверстия в кольце 35 во втором узле смещены относительно диаметрально противоположных фиксирующих отверстий в кольце первого узла на 90°. Фиксаторы первого и второго узлов по очереди взаимодействуют с подпружиненным упором 20. При взаимодействии фиксатора с упором наконечник фиксатора выходит из отверстия в кольце 35, что приводит к повороту штанги с закрепленными на ней лопастями вокруг ее оси и изменению ориентации лопастей на ±90°. После этого начинается процесс обратного колебания штанги на -90°. Штанга колеблется в пределах 90°, где средний момент на валу равен 0,9RPo.
Вращение вала 17 передается на мультипликатор 26, который повышает скорость вращения до номинальной скорости вращения гидронасоса 27. Гидронасос подключен к гидромотору 28. Путем стравливания излишнего давления достигается синхронность вращения гидромотора 28. Гидромотор приводит во вращение электрогенератор 29. Электрическая энергия может быть использована непосредственно в быту или аккумулирована. Синхронизацию вращения электрогенератора возможно осуществить через синхронизацию частоты колебаний штанги. Для этого необходимо, чтобы фиксатор положения лопасти срабатывал от электромагнита, который срабатывает от импульсов с постоянной частотой, заданной электронным синхронизатором. Это происходит после взаимодействия узлов изменения ориентации лопастей с упором. Для смягчения ударов при колебаниях штанги упор 20 должен быть подпружиненным. На одном валу 17 могут быть параллельно установлены N-e количество параллельно работающих преобразователей движения предполагаемой конструкции. При этом работа их для синхронизации должна быть сдвинута по фазе на 2 π/N. Дополнительная синхронизация может быть достигнута, если на выходном валу установить маховик.
Аналогичный преобразователь может быть использован под водой. В этом случае отпадает необходимость во флюгере. Штанга должны колебаться в горизонтальной плоскости. Конструкция должна быть установлена на понтонах, чтобы обеспечить ей положительную плавучесть. При этом вал и кинематически связанные с ним мультипликатор, гидронасос, а также гидромотор и генератор должны оказаться в надводном положении.
Суммарная мощность преобразователя энергии будет зависеть от мощности единичного модуля (по фиг.1 и фиг.2) и от числа параллельно работающих модулей.
Механическая энергия от вращающего вала может быть передана от мультипликатора непосредственно на электрогенератор или насос. Регулировка скорости вращения электрогенератора может быть осуществлена путем изменения эффективной площади лопастей в зависимости от скорости ветра или течения реки. Для этого достаточно изменить ориентацию лопастей относительно плоскости колебания штанги.
Принцип действия второго варианта преобразователя энергии, который может быть использован в качестве волновой энергетической установки, конструкция которого представлена на фиг.4, заключается в следующем.
Второй вариант преобразователя энергии предназначен для преобразования потенциальной энергии волн в электрическую энергию. Преобразователь может быть установлен на вертикальных стойках 50 или непосредственно на берегу моря. Все механизмы преобразователя энергии установлены на горизонтальной платформе 49, закрепленной на стойках 50 или на балках, связанных с сушей или с нефтедобывающими платформами.
Силовой рычаг 41 одним концом неподвижно соединен с понтоном 56, а другой конец плоским шарниром связан со стойкой 50 или непосредственно с берегозащитной стенкой.
Мощность преобразователя определяет длину силового рычага, объем и вес понтона. Для выравнивания моментов, создаваемых на валу 48 при подъеме и опускании понтона на волнах, необходимо, чтобы понтон погрузился в воду под собственным весом на половину своего объема.
Силовой рычаг колеблется только в вертикальной плоскости. Для этого используется плоский шарнир 42. Кроме того, для ограничения поперечных колебаний рычага 41 могут быть установлены вертикальные стойки или направляющие с двух его сторон.
На валу 48 неподвижно устанавливаются ступицы первой 47 и второй 51 обгонных муфт. Обоймы указанных муфт неподвижно связаны с первым 45 и вторым 46 радиальными рычагами соответственно. Наконечники радиальных рычагов 45 и 46 шарнирно связаны с верхними наконечниками первого 43 и второго 44 шатунов соответственно. Корневые наконечники указанных шатунов шарнирно соединены с силовым рычагом 41. Соотношение расстояния между шарнирными соединениями шатунов и шарниром 42(г) относительно всей длины силового рычага 41(R) определяет момент вращения на втором валу 48
Обгонные муфты 47 и 51 установлены на втором валу 48 так, чтобы они входили в сцепление по очереди. Первый и второй шатуны 43 и 44, шарнирно связанные с соответствующими радиальными рычагами 45 и 46, работают в активном режиме по очереди. При подъеме понтона 56 первый радиальный рычаг, связанный с обоймой пятой обгонной муфты 51, приводит во вращение второй вал 48 по часовой стрелке. При опускании понтона усилие на вал передается через второй шатун 44, радиальный рычаг 46 и обгонную муфту 47. При этом направление вращения вала сохраняется прежним - по часовой стрелке.
На фиг.5 представлен вид В на фиг.4 на конструкцию второго варианта преобразователя энергии. Обойма второй обгонной муфты 51 неподвижно соединена с первым радиальным рычагом 45. Соединение радиальных рычагов 45 и 46 с обоймами обгонных муфт 51 и 47 осуществляется с диаметрально противоположных сторон от вала 48. При поочередном вхождении в сцепление обгонных муфт 51 и 47 соединение радиальных рычагов с их обоймами также обеспечивает постоянное направление вращения выходного вала 48. Вращение выходного вала через мультипликатор 52 передается на гидронасос 53. Мультипликатор повышает обороты вала до номинальной скорости вращения гидронасоса.
На один вал может передать вращение N-e количество преобразователей энергии по фиг.4, которые включает в себя позиции 47-51. При этом моменты вращения преобразователей энергии суммируются. Излишки давления гидронасоса 53 стравливаются, что позволяет синхронизировать скорость вращения гидромотора 54, подключенного к гидронасосу. Гидромотор приводит во вращение электрогенератор 55. Вырабатываемая электрическая энергия может быть использована непосредственно в быту или аккумулирована. Перспективным направлением является получение водорода путем электролиза в качестве альтернативного топлива для ДВС.