ВЕТРО-ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Область применения.
Полезная модель относится к устройствам преобразования энергии ветра и предназначена для создания ветроэлектростанций с двумя типами преобразования энергии, а именно: для энергии ветрового потока - ветроколесо и блок гироскопического инерционного маховика, преобразующего энергию прецессии своего вращения, обусловленной действием на него гравитационного поля Земли, создающего гироскопические моменты на поворотных штангах с вращающимися на их концах роторами-турбинами, под действием воздушных потоков, создаваемых центробежным компрессором, и пусковыми механическими моментами под действием электродвигателей, размещенных на концах поворотных штанг, электропитание которых осуществляется от электрической энергии, накапливаемой на блоке аккумуляторных батарей и поступающих на них через блок коммутации и управления.
Уровень техники.
Известно из теории и практики ветроэнергетическая установка, содержащая зубчатую дифференциальную передачу, ветродвигатель, датчик частоты вращения вала ветродвигателя, машину постоянного тока, инвертор напряжения, аккумуляторную батарею, регулятор возбуждения, блок отключения возбуждения и электрическую нагрузку.
Электрическая нагрузка подключается к инвертору напряжения, который соединен с машиной постоянного тока, приводимой в движение ветродвигателем. Накопителем энергии является аккумуляторная батарея. При наличии ветра машина постоянного тока вырабатывает электрическую энергию, которая поступает к электрической нагрузке через инвертор напряжения. Одновременно подзаряжается аккумуляторная батарея. Когда ветер слабый или отсутствует, блок отключения возбуждения препятствует разряду аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения машины постоянного тока [1].
Рассмотренная ветроэнергетическая установка обладает рядом недостатков, определяемых сложной кинематической схемой в виде зубчатой дифференциальной, передачи, необходимостью регулирования возбуждением машины постоянного тока и отключения электрической нагрузки при снижении скоростного напора ветра, что снижает КПД.
Известно устройство резервуарный ветро-гидравлический преобразователь, содержащий ветрогенератор и гидрогенератор, работающие на общий накопитель электрической энергии - аккумуляторную батарею, гидропривод выполнен в виде реактивной гидротурбины и приводится в действие от пускового электродвигателя, питание которого осуществляется от суммарно накопленной энергии на аккумуляторной батареи [2].
Недостатком такого ветро-гидравлического преобразователя энергии ветра является необходимость применять для инерционного накопителя механической энергии вращения гидрореактивной турбины, помещенной в резервуар с водной средой, что приводит к увеличению массогабаритных размеров, применение двух рабочих сред - воздушного потока и водной среды, а также усложнение кинематического привода для пускового электродвигателя гидрореактивной турбины, что требует для всего устройства сложного технического обслуживания, повышение эксплуатационных затрат, и, соответственно имеет низкую надежность.
Известен способ повышения мощности ветроэлектростанций, где производится инерционное воздействие на поток воздуха путем его сжатия за счет центробежной силы в пустотелых лопастях, и истечение его из тангенциально размещенных на них сопел. При вращении ветроколеса набегающий поток воздуха подают, внутрь пустотелых лопастей через центральный диффузор [3].
Недостатком такой ветроэлектростанций является невозможность ее запуска под нагрузкой.
Известен способ повышения мощности и запуска ветроэлектростанций путем всасывания набегающего потока воздуха внутрь пустотелых лопастей пропеллера через центральный диффузор, сжатия воздуха за счет центробежной силы и выпуска наружу через сопла. Воздух засасывается через предохранительную сетку и управляемый электромагнитный клапан, встроенный в конструкцию диффузора, который при штатной работе ветроэлектростанций открывают, обеспечивая проход воздуха к реактивным соплам. Причем часть сжатого воздуха нагнетают через встроенные в лопасти трубки, и через управляющий клапан в емкость сжатого газа, после наполнения, которой управляющий клапан закрывают, запуск станции осуществляют путем закрытия диффузорного клапана, а сжатый воздух, для запуска устройства, направляют в те же тангенциально расположенные реактивные сопла, при этом управляющий клапан открывают [4].
Недостатком данного способа повышения мощности устройства является ограничение коэффициента сжатия воздуха за счет инерционных сил, обусловленных термодинамическими характеристиками воздушной среды. Как показано в статье [5] максимальное значение коэффициента сжатия воздушной среды, в силу термодинамических характеристик воздуха ограничено, и не превышает величины равной - 2,3 раза.
Известно устройства [6] преобразования энергии ветра с применением двух преобразователей энергии ветрового потока - ветроколеса, и реактивной ветротурбины, преобразующей потенциальную энергию уплотненного потока воздуха за счет энергии инерции воздушной среды, под действием центробежной силы, в кинетическую энергию, и истечение воздуха из насадок - сопел Лаваля. При этом, применяется центробежный компрессор для принудительной подачи воздуха в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины и объединение массы этого потока воздуха с массой потока воздуха, набегающего в тангенциально размещенные насадки - сопла Лаваля, на концах пустотелых лопастей реактивной ветротурбины.
Реализация принципа регулирования скорости вращения реактивной ветротурбины, при нестабильном ветровом потоке, поступающим на ветроколесо, посредством контроля скорости оборотов реактивной ветротурбины, и, изменение массы потока воздуха, нагнетаемого центробежным компрессором в ее пустотелые лопасти, для регулирования и обеспечения повышения мощности и КПД устройства.
Недостатком этого устройства является сложная кинематическая, и аэродинамическая схема по объединению масс воздушный потоков в реактивной ветротурбине, что снижает надежность устройства, требует сложного технического обслуживания и повышает эксплуатационные затраты.
Ближайшим аналогом и прототипом заявляемого устройства следует считать патент России [6].
Задачей изобретения полезной модели ветро-гироскопический энергетический модуль является применение двух преобразователей энергии: ветрового потока - ветроколеса и блок гироскопического инерционного маховика, преобразующего энергию прецессии его вращения, обусловленной действием на него гравитационного поля Земли, создающего гироскопические моменты на поворотных штангах с вращающимися на их концах роторами-турбинами, под действием воздушных потоков, создаваемых центробежным компрессором, и пусковыми механическими моментами под действием электродвигателей, размещенных на концах поворотных штанг, электропитание которых осуществляется от электрической энергии, накапливаемой на блоке аккумуляторных батарей и поступающих на них через блок коммутации и управления. Пуск электродвигателей, для создания пусковых механических моментов роторов-турбин осуществляется блоком коммутации и управления по командам формируемым по сигналу тахометра, действие которого определяет моменты пуска электродвигателей в начальный момент, а также при условии снижении числа оборотов блока гироскопического инерционного маховика при возникающих переходных нагрузках.
Технический результат, заключается в повышение КПД, увеличение суммарной электрической мощности устройства, и повышении стабильности получения электрической энергии независимо от изменения скорости ветрового потока.
Технический результат достигается за счет объединения энергии воздушного потока, получаемой ветроколесом и дополнительной механической энергии, создаваемой блоком гироскопического инерционного маховика, за счет преобразования энергии прецессии его вращения, обусловленной действием на него гравитационного поля Земли, создающего гироскопические моменты на поворотных штангах с вращающимися на их концах роторами-турбинами, и упрощении механизма привода инерционного маховика.
Реализация полезной модели.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что ветро-гироскопический энергетический модуль содержит ветроколесо, на валу которого размещен генератор, электрический выход которого подсоединен, к первому входу блока аккумуляторных батарей, выход которого соединен к инвертором, выход инвертора соединен с контроллером, а выход контроллера соединен с блоком коммутации и управления,
отличающийся тем,
что к второму входу блока аккумуляторных батарей подключен электрический выход генератора блока гироскопического инерционного маховика, который через вал соединен с мультипликатором, который непосредственно соединен с валом инерционного маховика, на котором размещен соленоид, якорь соленоида и арретирующий механизм, и муфта для поворотных штанг, обеспечивающих передачу гироскопических моментов от поворотных штанг, один конец которых присоединен через оси вращения к муфте, на другом конце поворотных штанг, размещены пусковые электродвигатели, которые через обгонные муфты передают пусковые механические вращательные моменты роторам-турбинам, на которые через сопла поступает воздушный поток по воздуховодам от центробежного компрессора, для поддержания скорости их вращения, электрическое питание компрессора и пусковых электродвигателей, осуществляется через блок коммутации и управления от пусковых кнопок от накапливаемой энергии на блоке аккумуляторных батарей.
При подаче электрической энергии с блока коммутации и управления на соленоид, якорь соленоида втягивается и освобождает штанги от фиксирующего действия арретирующего механизма. Под действием силы тяготения Земли, действующей на поворотные штанги, с размещенными на их концах вращающимися роторами-турбинами, возникает гироскопический момент, действие которого направлено по оси вала блока гироскопического инерционного маховика.
Энергия вращения блока гироскопического инерционного маховика преобразуется генератором в электрическую энергию, поступающую на второй вход блока аккумуляторных батарей. Подключение внешней нагрузки к ветро-гироскопическому энергетическому модулю выполняется через кнопку подключения внешней нагрузки на блоке коммутации и управления.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 показана конструктивная схема ветро-гироскопического энергетического модуля, где 1 - Ветроколесо, 2 - Генератор ветроколеса, 3 - Цепь генератора ветроколеса, 4 - Блок аккумуляторных батарей, 5 - Инвертор, 6 - Контроллер, 7 - Цепь контроллера. 8 - Блок коммутации и управления, 9 - Цепь питания электродвигателей блока гироскопического инерционного маховика, 10 - Цепь питания центробежного компрессора, 11 - Цепь питания соленоида, 12 - Цепь тахометра, 13 - Кнопка подключения внешней нагрузки, 14 - Кнопка цепи центробежного насоса, 15 - Кнопка включения соленоида, 16 - Первое контактное кольцо, 17 - Цепь подключения второго контактного кольца, 18 - Центробежный компрессор, 19 - Воздуховод, 20 - Вал, 21 - Второе контактное кольцо, 22 - Цепь питания электродвигателя, 23 - Электродвигатель, 24 - Штанга поворотная, 25 - Муфта, 26 - Ось, 27 - Арретирующий механизм, 28 - Сердечник, 29 - Соленоид, 30 - Мультипликатор, 31 - Вал генератора, 32 - Генератор, 33 - Цепь генератора, 34 - Тахометр, 35 - Сопло, 36 - Ротор-турбина, 37 - Обгонная муфта, 38 - Вал ротора-турбины, 39 - Цепь нагрузки, 40 - Блок гироскопического инерционного маховика, Мр - момент действия силы веса ротора-турбины относительно оси - 26, Мд - момент действия силы веса электродвигателя относительно оси - 26, Мш - момент действия силы веса штанги относительно оси - 26, Lр - плечо момента - Мр, Lд - плечо момента - Мд, Lш = 0,5 × Lд - плечо момента - Мш, ω - угловая скорость вращения ротора-турбины, Ω - угловая скорость прецессии блока гироскопического инерционного маховика,
Осуществление полезной модели.
Ветро-гироскопический энергетический модуль может быть реализован следующим образом. Посредством объединения ветроколеса, преобразующего энергию ветрового потока в электрическую энергию и генератора вырабатывающую электрическую энергию, при этом электрическая энергия накапливается на блоке аккумуляторных батарей, выход которого подсоединен к инвертору, а выход инвертора подсоединен к контроллеру, выход которого подключен к блоку коммутации и управления. При этом электрическая энергия, через кнопки управления блока коммутации и управления, поступает на центробежный компрессор, подающий через воздуховоды и сопла воздушные, потоки на роторы-турбины, а также электрическая энергия поступает на пусковые электродвигатели роторов-турбин, обеспечивающие ускоренный запуск вращения роторов-турбин в начальный момент, а также на соленоид, якорь которого втягивается в него, и, приводит арретирующий механизм в состояние освобождающее поворотные штанги. На освобожденные арретирующим механизмом поворотные штанги, с вращающимися роторами-турбинами на концах, под действием гравитационной силы Земли, действуют гироскопические моменты, приводящие во вращение муфту. К которой вторыми концами через оси вращения подсоединены поворотные штанги. Муфта, с поворотными штангами и вращающимися роторами-турбинами на концах, образует инерционный маховик, который прецессирует под действием гироскопических моментов, и передает крутящий момент на вал, который соединен с мультипликатором, а выходной вал, которого соединен с генератором блока гироскопического инерционного маховика.
Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, поступает на второй вход блока аккумуляторных батарей. Пуск электродвигателей в начальный момент, а также последующие пуски электродвигателей, при условии снижении числа оборотов блока гироскопического инерционного маховика, при возникающих переходных нагрузках, задается значениями тахометра, размещенного на валу генератора. Увеличение скорости вращения роторов-турбин за счет действия крутящих моментов пусковых электродвигателей приводит к увеличению гироскопического момента на поворотных штангах, то есть к увеличению мощности устройства в целом.
Блок коммутации и управления содержит простейшую логику - конечного автомата, анализирующего положение кнопок, значения параметров тахометра и соответственно определят моменты пуска и останова электродвигателей.
Работа устройства.
Ветро-гироскопический энергетический модуль работает следующим образом.
Режим запуска.
Набегающий поток воздуха раскручивает ветроколесо - 1, на генераторе - 2 вырабатывается электрическая энергия, которая поступает по цепи - 3 на первый вход блока аккумуляторных батарей - 4, где и происходит накопление электрической энергии устройства, и далее через инвертор - 5 и контроллер - 6 по цепи - 7 поступает на блок коммутации и управления - 8.
Запуск электродвигателя - 23 для начальной раскрутки ротора-турбины - 36 осуществляется за счет ранее накопленной электрической энергии на блоке аккумуляторных батарей, путем нажатия кнопки 14, при этом электрическая энергия по цепи - 9 через первое контактное кольцо - 16, далее по цепи - 17 и второе контактное кольцо - 21 по цепи - 22 поступает от блока коммутации и управления - 8 на электродвигатель - 23.
Запуск центробежного компрессора - 18 осуществляется за счет ранее накопленной электрической энергии на блоке аккумуляторных батарей, путем нажатия кнопки - 14, при этом по цепи - 10 поступает электрическая энергия от блока коммутации и управления - 8 на центробежный компрессор - 18, нагнетаемый воздух центробежным насосом - 18 по воздуховоду 19 через сопло - 35 поддерживает вращение ротора-турбины - 36 с угловой скоростью - ω.
Отключение арретирующего механизма - 27 выполняется путем нажатия кнопки - 15 на блоке коммутации и управления - 8, при этом по цепи - 11 электрическая энергия, ранее накопленная на блоке аккумуляторных батарей поступает на соленоид - 29, который втягивает якорь - 28 и освобождает поворотную штангу - 24.
Режим работы блока гироскопического инерционного маховика - 40.
Динамические характеристики гироскопического инерционного маховика определяется известной формулой Н.Е. Жуковского [7] , где параметры для вычисления Ω полностью определяются геометрическими параметрами инерционного маховика ветро-гироскопического энергетического модуля, представленными на Фиг. 1.
Момент сил М, вызывающий угловую прецессию, определяется действием гравитационного поля Земли на поворотную штангу - 24 с массами, где масса mp - вращающегося ротора-турбины - 36 с установившейся угловой скоростью вращения - ω, масса - mд пускового двигателя - 23 без вращения, и масса - mш поворотной штанги, которые и определяют М через сумму моментов
или
которые после подстановки своих значений определяют соотношение
Угловая скорость прецессии Ω определяется соотношением
где r - радиус инерции ротора-турбины.
Из соотношения (5) в соответствии с [7,8] следует вывод, а именно: угловая скорость прецессии Ω зависит от геометрии точек распределения масс, размещенных на поворотной штанге - 24.
То есть, угловая скорость вращения для нескольких одинаково конструктивно изготовленных поворотных штанг - 24 с одинаковым размещением масс роторов-турбин - 36, пусковых двигателей - 23 обеспечивает одну и ту же угловую скорость прецессии вращения, что и единичная штанга - 24 с аналогичной геометрией точек размещения масс.
Суммарный гироскопический момент Мсум, при этом определяется соотношением
где b число поворотных штанг - 24.
Мощность на валу блока инерционного гироскопического маховика - 40 определяется по известной формуле приведения мощности с учетом коэффициента равным - 9550.
где Кр - коэффициент полезного действия мультиплексора - 30,
Мсум = М×b суммарный гироскопический момент на валу - 20
от действия b поворотных штанг - 24,
а значение f=(60×Ω)/2π - определяет число оборотов вала - 20 за 1 (одну) минуту (60 секунд).
Таким образом, общая мощность ветро-гироскопического энергетического модуля определяется суммой мощностей электрической энергии двух преобразователей: от ветроколеса, преобразующего энергию ветрового потока и гироскопического инерционного маховика, преобразующего энергию прецессии своего вращения, обусловленного действием на него гироскопических моментов поворотных штанг - 24 с вращающимися на концах роторами-турбинами - 36, под действием гравитационного поля Земли, что и определено задачей изобретения.
Литература.
1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, патент RU 2287718, МПК F03D 9/02, опубликовано: 20.11.2006.
2. РЕЗЕРВУАРНЫЙ ВЕТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, патент RU №11206, МПК F03D 5/00 (206/01), F03B 17/06 (2005/01), опубликовано: 10.12.2011
3. Авторское свидетельство СССР №55996, F03D 1/00 с приоритетом 16 сентября 1937 г.
4. СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА И ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ, патент RU 2179655, опубликовано 20.02.2002.
5. Статья «К вопросу о режиме самофункционирования преобразователя даровой инерционной энергии окружающей среды», автор С.К. Баранов, УДК 621.43.018., Альтернативная Энергетика и Экология (АЭЭ) №3 (35) 2006 г., стр. 21-27, формула [3].
6. ВЕТРОРЕАКТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, патент RU №129569, МПК: F03D, опубликовано 27 июня, 2013.
7. Жуковский Н.Е., Теоретическая механика. Гос. Издательство технико-теоретической литературы: М; 812 стр.; 1952 г.
8. К. Магнус, Гироскоп. Теория и применение. Издательство: М. МИР; 526 стр.; 1974 г.