Устройство автономного электропитания

Предлагаемая полезная модель относится к машиностроению и энергетике и может быть использована при создании ветрогенераторов, пропеллеров и винтов для их защиты. При создании ветрогенераторов основной опасностью является не только общеизвестный факт вибрации и изгибов несущей конструкции при сильных ветровых нагрузках, но и поведение, в частности деформация непосредственно лопастей винта.
Известна мобильная система автономного электропитания (патент RU №2452637, опубл. 10.06.1911), содержащая ветрогенератор, преобразователь солнечной энергии в электрическую, аккумуляторные батареи, выходы которых через инвертор напряжения и распределительное устройство подключены к нагрузке, узел управления, узел радиоканала с антенной связи, подключенный к узлу управления и удаленный центральный пункт управления. Входы-выходы управления узла управления подключены к соответствующим входам-выходам управления инвертора и распределительного устройства. Аккумуляторные батареи содержат, по меньшей мере, три секции. Ветрогенератор и преобразователь солнечной энергии в электрическую соединены с секциями аккумуляторных батарей через блок заряда аккумуляторных батарей, вход управления которого подключен к выходу узла управления. Корпус системы выполнен в виде установленного на колесном шасси вагончика, при этом колесное шасси снабжено крепежными элементами для транспортировки вагончика по воздуху. Колесное шасси снабжено также прицепным узлом для крепления к тягачу. В транспортном состоянии системы ветрогенератор находится внутри вагончика, а в развернутом состоянии закреплен в торцевой части вагончика или на крыше.
Недостатком известного решения является то, что постоянно изменяющийся ток заряда АКБ за счет прямого подключения через выпрямитель к ветрогенератору и преобразователю солнечной энергии, а также импульсные токи при порывистом ветре ведут к ускоренному износу аккумуляторов, а также сильный порывистый ветер может привести к весьма значительным деформациям лопастей турбины (винта), близким к критическим.
В патенте CN 101450909, F03D 7/04, 1909-10-07 описана система безопасности ветрогенератора, осуществляющая контроль динамического баланса лопастей и содержащая группу датчиков, контрольный блок, элемент балансировки и привод. Сигнал от группы датчиков поступает на контрольный блок, последний вырабатывает сигнал, управляющий приводом, и привод перемещает элемент балансировки. Ветрогенератор управляется соответствующим вычислителем (процессором).
Его основным недостатком является сложность в технической реализации и невысокая эффективность из-за нечувствительности механизма балансировки к относительному положению лопастей, в то же время даже малым значениям дисбаланса могут соответствовать весьма значительные деформации лопастей винта, близкие к критическим.
Наиболее близким (прототип) является устройство автономного электропитания (патент RU №2692866, опубликовано: 28.06.1918 Бюл. №18), содержащее ветрогенератор, преобразователь солнечной энергии в электрическую, блок заряда аккумуляторных батарей, аккумуляторные батареи, выходы которых соединены через инвертор напряжения и распределительное устройство к нагрузке, и узел управления, блок заряда суперконденсаторов и блок суперконденсаторов, при этом блок заряда суперконденсаторов подключен входом параллельно блоку заряда аккумуляторных батарей к ветрогенератору и преобразователю солнечной энергии в электрическую, а выходом соединен с входом блока суперконденсаторов, выход которого соединен с входом блока заряда аккумуляторных батарей. В данном техническом решении за счет введения блока заряда суперконденсаторов и блока суперконденсаторов обеспечивается защита аккумуляторных батарей от быстрого износа, а защита от порывистого ветра лопастей винта никак не обеспечивается.
Техническим результатом, ожидаемым от использования предполагаемой полезной модели, является повышение эффективности системы защиты лопастей винта от порывистого и (или) сильного ветра.
Технический результат достигается тем, что в устройство автономного электропитания, содержащее ветрогенератор, блок заряда аккумуляторных батарей, аккумуляторные батареи, выходы которых соединены через инвертор напряжения и распределительное устройство к нагрузке, и узел управления, блок заряда суперконденсаторов, блок суперконденсаторов, при этом блок заряда суперконденсаторов подключен входом параллельно блоку заряда аккумуляторных батарей к ветрогенератору, а выходом соединен с входом блока суперконденсаторов, выход которого соединен с входом блока заряда аккумуляторных батарей, дополнительно введены второй винт с лопастями, направляющий хвостовик с двумя пластинами, удерживающими ветрогенератор по направлению ветра, понижающий редуктор, металлическая катушка, трос, направляющая катушка, ограничитель угла поворота между хвостовиком и ветрогенератором, соединенный с хвостовиком, ограничительный упор, соединенный с ветрогенератором, возвратная пружина, демпфирующая пружина и угольник с отверстиями, для подбора силы натяжения демпфирующей пружины, причем входной вал понижающего редуктора жестко соединен с осью второго винта, а к выходному валу жестко насажена металлическая катушка, соединенная с первым концом троса, второй конец которого через направляющий ролик соединен с угольником с отверстиями, прикрепленным к ветрогенератору, а возвратная пружина концами крепится к ветрогенератору и хвостовику так, чтобы между ними не было свободного хода (люфта), причем ветрогенератор и хвостовик свободно посажены на стойку и могут поворачиваться относительно друг друга в пределах, допустимых ограничителем угла поворота, соединенным с направляющим хвостовиком.
Для раскрытия сущности предлагаемой полезной модели рассмотрим структурную схему полезной модели фиг. 1)и фиг. 2-5, где
1 - стойка, 2 - ветрогенератор, 3 - направляющий хвостовик, 4 - второй винт, 5 - понижающий редуктор, 6 - металлическая катушка, 7 - трос, 8 - демпфирующая пружина, 9 - угольник с отверстиями, 10 - возвратная пружина, 11 - блок заряда АКБ, 12 - блок заряда суперконденсаторов, 13 - блок суперконденсаторов, 14 - инвертор напряжения, 15 - узел управления, 16 - аккумуляторные батареи (АКБ), 17 - распределительное устройство, 18 - направляющий ролик, 19 - ограничитель угла поворота между хвостовиком и ветрогенератором, 20 - ограничительный упор.
Устройство автономного электропитания содержит ветрогенератор 2, выход которого подключен к входу блок заряда АКБ 11 и параллельно ко входу блока заряда суперконденсаторов 12, выход блока заряда АКБ И соединен со входом аккумуляторных батарей (АКБ) 16, а выход блока заряда суперконденсаторов 12 соединен со входом блока суперконденсаторов 13, выходы аккумуляторных батарей (АКБ) 16 соединены со входом инвертора напряжения 14, выход блока суперконденсаторов 13, соединен с входом блока заряда АКБ 11, выходы которого подключены ко входу АКБ 16 и инвертора напряжения 14. Выход инвертора напряжения 14 соединен со входом распределительного устройства 17, которое имеет клеммы подключения нагрузки. Узел управления 15 соединен входами и выходами с блоком заряда АКБ 11 и блоком заряда суперконденсаторов 12, а также с инвертором напряжения 14 и распределительным устройством 17.
При появлении ветра и/или солнечного света, ветер начинает вращать ветроколесо ветрогенератора 2, соединенное с валом генератора на постоянных магнитах, который вырабатывает напряжение. Напряжение подается на вход блока заряда АКБ 11 и блока заряда суперконденсаторов 12. Момент появления напряжения на входах блоков заряда регистрируется узлом управления 15 и подает сигнал на заряд блока суперконденсаторов 13. После полного заряда блока суперконденсаторов 13, узел управления 15 подает сигнал на заряд АКБ 16. Когда узел управления 15 регистрирует отсутствие напряжения на входе блока заряда суперконденсаторов 12 от элемента 2, он подает сигнал на блок заряда АКБ 11 на подачу напряжения с выхода блока суперконденсаторов 13 для зарядки АКБ 16. Постоянное напряжение с выхода АКБ 16 и/или блока заряда АКБ И подается на вход инвертора напряжения 14, в котором преобразуется в переменное напряжение и с выхода инвертора напряжения 14 подается на вход распределительного устройства 17, к выходам которого можно подсоединить для подзарядки телефон, планшет, ноутбук, аккумулятор автомобиля, освещение дорожных ограждений. При резком повышении потребления тока нагрузкой, например, в моменты пуска оборудования, для компенсации просадки напряжения на выходе инвертора напряжения 14, потребляется энергия, запасенная на обкладках суперконденсаторов блока суперконденсаторов 13, путем подачи напряжения с выхода блока 13 на вход блока заряда АКБ 11.
При умеренном ветре второй винт 4 вращает понижающий редуктор 5, при этом трос 7 наматывается на катушку 6 и демпфирующая пружина 8 растягивается до достижения равновесия ее силы сопротивления силе ветра, состояние равновесия определяется выбором отверстия на угольнике с отверстиями 9, к которому крепится второй конец демпфирующей пружины 8. Возвратная пружина 10 находится в исходном положении, ветрогенератор 2 ориентирован строго против ветра.
При сильных порывах ветра состояние равновесия между силой сопротивления демпфирующей пружины и силой ветра нарушается, второй винт 4 начинает вращать понижающий редуктор 5, при этом трос 7 наматывается на катушку 6, и демпфирующая пружина 8 растягивается до достижения равновесия ее силы сопротивления силе ветра, при этом одновременно меняется угол между ветрогенератором 2 и направляющим хвостовиком 3, возвратная пружина 10 растягивается, одновременно происходит поворот направляющего хвостовика 3 по направлению ветра, при этом также поворачивается ветрогенератор 2, уходя от направления ветра на тот же угол, тем самым он защищается от сильных порывов ветра. При постоянном повышенном уровне ветра происходит то же самое. При изменении силы ветра описанный механизм непрерывно отслеживает изменения силы ветра, регулируя положение ветрогенератора 2 до безопасного угла, который выставляется исходным натяжением демпфирующей пружины 8.
На фиг. 2-5 показаны фрагменты действующего устройства автономного электропитания, реализованного авторами на базе МБОУ ДО «Центр технического творчества «Гефест» городского округа город Уфа Республики Башкортостан.