Парусный ветроагрегат
Изобретение относится к ветроэнергетике и позволяет использовать как энергию порывов ветра, так и постоянную составляющую его скорости. Парусный ветроагрегат содержит башню, расположенную на ней поворотную головку с флюгером и шарниром, закрепленную на оси шарнира мачту с парусом и механизм передачи движения рабочей машины. Ветроагрегат дополнительно содержит аккумулятор потенциальной энергии, парус выполнен изменяемой площади и содержит механизм ее изменения и датчики ускорений, причем мачта соединена с механизмом передачи движения рабочей машины и аккумулятором в плоскости ее качания с обеспечением возможности качания ее в диапазоне от исходного положения до прямого угла к этому положению. Аккумулятор потенциальной энергии выполнен в виде груза, закрепленного на мачте ниже оси ее качания, или в виде упругого элемента, один конец которого шарнирно прикреплен к поворотной головке, а второй шарнирно к мачте в плоскости качания последней. Механизм передачи движения рабочей машины может быть выполнен в виде поршневого насоса, цилиндр которого шарнирно закреплен на поворотной головке, а шток шарнирно соединен с мачтой, или в виде линейного электрогенератора, корпус которого шарнирно закреплен на поворотной головке, а сердечник шарнирно соединен с мачтой, или в виде электрогенератора с вращающимся сердечником, привод которого осуществлен посредством зубчатой рейки, которая шарнирно соединена с мачтой и зубчатым колесом. Изобретение при достаточной простоте конструкции позволяет эффективно использовать энергию ветра при любых его скоростях и ускорениях, вплоть до ураганных. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к парусным ветродвигателям, и может быть использовано для преобразования энергии ветра при любых его скоростях, вплоть до ураганных.
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель с гидронасосом, на напорном патрубке которого установлен клапан деления потока, постоянный поток которого питает гидродвигатель привода генератора, а переменный, зависящий от скорости вращения ветродвигателя, как функции скорости ветра, питает нагреватель (SU 969954 A1, F03D 9/00, 30.10.1982).
Известная ветроэнергетическая установка позволяет эффективнее использовать более широкий диапазон скоростей ветра без дополнительных регуляторов оборотов, но не работает при малых скоростях ветра, не в полной мере использует порывистый ветер и не защищена от ураганных ветров.
Известен парусный ветроагрегат, содержащий башню, расположенную на ней поворотную головку с качающимся парусом в виде поворотных лопастей, качание которых осуществлено поперек направления ветра путем смены угла атаки и качания которых передаются на рабочую машину посредством кривошипно-шатунного механизма (SU 1787212 A3, F03D 5/00, 07.01.1993).
Недостатками данного технического решения являются: сложность конструкции механизма поворота лопастей, необходимость введения в конструкцию механизмов защиты от ураганных скоростей ветра, причем при больших и малых скоростях ветра и при порывистом ветре работа этого ветроагрегата малоэффективна.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и обеспечение возможности эффективной работы ветроагрегата практически при любых скоростях ветра от минимальных до ураганных, ограниченных лишь прочностью башни, на которой смонтирована мачта с парусом без дополнительных устройств защиты самого паруса с мачтой от ураганных скоростей ветра, а также обеспечение возможности более полного использования энергии порывов ветра.
Технический результат достигается тем, что парусный ветроагрегат, содержащий башню, расположенную на ней поворотную головку с флюгером и шарниром, закрепленную на оси шарнира мачту с парусом и механизм передачи движения рабочей машины, дополнительно содержит аккумулятор потенциальной энергии, парус выполнен изменяемой площади и содержит механизм ее изменения и датчики ускорений, причем мачта соединена с механизмом передачи движения рабочей машины и аккумулятором в плоскости ее качания с обеспечением возможности качания ее в диапазоне от исходного положения до прямого угла к этому положению. Аккумулятор потенциальной энергии может быть выполнен в виде груза, закрепленного на мачте ниже оси ее качания, или в виде упругого элемента, один конец которого шарнирно прикреплен к поворотной головке, а второй шарнирно к мачте в плоскости качания последней. Механизм передачи движения рабочей машины может быть выполнен в виде поршневого насоса, цилиндр которого шарнирно закреплен на поворотной головке, а шток шарнирно соединен с мачтой, причем рабочая длина цилиндра обеспечивает его работу при качании мачты как около исходного положения мачты, так и в диапазоне отклонений мачты до величины прямого угла от этого положения. Механизм передачи движения рабочей машины может быть выполнен в виде линейного электрогенератора, корпус которого шарнирно закреплен на поворотной головке, а сердечник шарнирно соединен с мачтой, причем ход сердечника обеспечивает работу электрогенератора на всем диапазоне отклонений мачты от исходного положения. Механизм передачи движения рабочей машины может быть также выполнен в виде электрогенератора с вращающимся сердечником, привод которого осуществлен посредством зубчатой рейки, которая шарнирно соединена с мачтой и зубчатым колесом, которое посредством обгонной муфты передает вращение на вал сердечника электрогенератора с маховиком, жестко закрепленным на этом валу, а корпус электрогенератора закреплен на поворотной головке. Аккумулятор потенциальной энергии также может быть выполнен в нескольких вариантах: грузовым, пружинным или газовым диафрагменного типа, где соответственно мачта соединена с грузом либо шарнирно с поворотной головкой посредством пружины или штока диафрагмы при условии обеспечения возможности отклонения мачты от исходного положения до величины прямого утла.
На чертеже представлена схема описываемого парусного ветроагрегата.
Ветроагрегат состоит из башни 1, на которой расположена поворотная головка 2 с шарниром 3, на котором закреплена мачта 4 с парусом 5. Механизм передачи движения рабочей головке машины 6 закреплен на поворотной головке 2 и шарнирно соединен с мачтой 4 в плоскости качания мачты. К поворотной головке 2 прикреплен флюгер 7 для установки паруса 5 "на ветер". Мачта 4 соединена также с аккумулятором потенциальной энергии 8.
Работает описываемый ветроагрегат следующим образом. При воздействии ветра на парус 5 последний вместе с мачтой 4 отклоняется от исходного положения, передавая часть энергии давления ветра на парус 5 посредством механизма передачи движения рабочей машины, а часть энергии расходуется на зарядку аккумулятора потенциальной энергии 8. При достижении равенства сил от давления ветра на парус 5 и воздействия аккумулятора 8 на мачту 4 последняя останавливается. Причем, чем больше скорость ветра, тем сильнее отклонение мачты 4 от исходного положения. При уменьшении скорости ветра, при порывистом ветре сила давления ветра на парус 5, а следовательно, и на мачту 4 снизится, в результате чего мачта 4 с парусом 5 качнется к исходному положению, расходуя на это часть энергии, запасенной в аккумуляторе 8. При достаточно большой постоянной составляющей скорости ветра мачта 4 с парусом 5 остановится не доходя до исходного положения при состоянии, когда величина силы давления на парус 5 и остаточная величина силы воздействия аккумулятора 8 на мачту 4 уравновесят друг друга. При последующем порыве ветра цикл повторится. Чем выше постоянная составляющая скорости ветра на парус 5, тем на больший от исходного положения угол отклоняется мачта 4, соответственно уменьшится лобовое сопротивление паруса 5 ветру и усилие, воспринимаемое башней 1. При ураганных скоростях ветра парус 5 с мачтой 4 займут положение, близкое к параллельному потоку воздуха, предельно снизив, таким образом, силу давления ветра на башню 1. Причем и в этом положении ветроагрегат продолжает при порывах ветра работать по вышеописанному циклу, приводя в действие рабочую машину.
При постоянной скорости ветра, а также для использования энергии постоянной составляющей скорости ветра при порывистом ветре, для обеспечения возможности качания мачты 4 парус 5 выполнен изменяемой площади и содержит механизм ее изменения, управляемый датчиками ускорений. В исходном положении парус 5 полностью раскрыт и под действием ветра отклоняет мачту 4 до достижения равенства сил от давления ветра на парус 5 и воздействия аккумулятора 8. Отклонение мачты 4 прекратится, мачта остановится, следовательно, ускорения мачты 4 будут равны нулю, и датчики ускорений дадут команду механизму изменения площади паруса на ее уменьшение. В результате сила воздействия аккумулятора 8 на мачту 4 не будет уравновешена силой давления ветра на уменьшенную площадь паруса 5, и мачта 4 качнется в сторону исходного положения, пока сила давления ветра на уменьшенную площадь паруса 5 не уравновесится остатком потенциальной энергии в аккумуляторе 8. Мачта 4 вновь остановится, но в положении, ближе к исходному. Поскольку мачта 4 остановилась, ускорения равны нулю, и датчики ускорений дают команду механизму изменения площади паруса 5 на ее увеличение. Сила давления ветра на увеличенную площадь паруса 5 увеличится, и мачта 4 вновь отклонится в сторону от исходного положения, процесс повторится. Таким же образом ветроагрегат работает и при ураганных ветрах, только качание мачты 4 происходит при большем отклонении ее от исходного положения.
Описываемый парусный ветроагрегат при относительной простоте его конструкции позволяет достаточно эффективно использовать энергию ветра при любых его скоростях и ускорениях без дополнительных устройств для защиты агрегата от ураганных скоростей и ускорений ветра, что актуально в настоящее время ввиду усиления циклонической активности атмосферы.
1. Парусный ветроагрегат, содержащий башню, расположенную на ней поворотную головку с флюгером и шарниром, закрепленную на оси шарнира мачту с парусом и механизм передачи движения рабочей машины, отличающийся тем, что ветроагрегат дополнительно содержит аккумулятор потенциальной энергии, парус выполнен изменяемой площади и содержит механизм ее изменения и датчики ускорений, причем мачта соединена с механизмом передачи движения рабочей машины и аккумулятором в плоскости ее качания с обеспечением возможности качания ее в диапазоне от исходного положения до прямого угла к этому положению.
2. Парусный ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор потенциальной энергии выполнен в виде груза, закрепленного на мачте ниже оси ее качания.
3. Парусный ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что аккумулятор потенциальной энергии выполнен в виде упругого элемента, один конец которого шарнирно прикреплен к поворотной головке, а второй - шарнирно к мачте в плоскости качания последней.
4. Парусный ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что механизм передачи движения рабочей машины выполнен в виде поршневого насоса, цилиндр которого шарнирно закреплен на поворотной головке, а шток шарнирно соединен с мачтой, причем рабочая длина цилиндра обеспечивает его работу при качании мачты как около исходного положения мачты, так и в диапазоне отклонений мачты до величины прямого угла от этого положения.
5. Парусный ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что механизм передачи движения рабочей машины выполнен в виде линейного электрогенератора, корпус которого шарнирно закреплен на поворотной головке, а сердечник шарнирно соединен с мачтой, причем ход сердечника обеспечивает работу электрогенератора на всем диапазоне отклонений мачты от исходного положения.
6. Парусный ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что механизм передачи движения рабочей машины выполнен в виде электрогенератора с вращающимся сердечником, привод которого осуществлен посредством зубчатой рейки, которая шарнирно соединена с мачтой и зубчатым колесом, которое посредством обгонной муфты передает вращение на вал сердечника электрогенератора с маховиком, жестко закрепленным на этом валу, а корпус электрогенератора закреплен на поворотной головке.
