Способ и устройство производства электроэнергии за счёт турбин и генераторов с переменным моментом инерции

Изобретение относится к способу и устройству производства электроэнергии под действием потока. Способ для производства электроэнергии с использованием турбин и генераторов с переменным моментом инерции за счет вращения винта под действием потока и вращения ротора внутри статора, где в одной части возбуждается магнитное поле за счет электромагнитов или постоянных магнитов, а в другой части в обмотке наводится ЭДС и при подключении нагрузки появляется электрический ток, в котором две группы роторов работают поочередно от одного винта в противоположных направлениях, при этом каждый ротор состоит из нескольких роторов, имеющих различные моменты инерции, которые во время вращения могут объединяться в единую систему вращения с винтом или разъединяться в зависимости от изменения мощности потока, вырабатывая электроэнергию на оптимальных оборотах вращения, при этом винт сначала раскручивает первую группу роторов и при смене потока на встречное направление переключается на другую группу роторов, при этом роторы первой группы при отключении винта и нагрузки могут работать в качестве маховиков, а другие роторы принимать эту энергию и вырабатывать электроэнергию. Изобретение направлено на повышение выработки электроэнергии при смене направления потока. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для оснащения турбинами и генераторами электростанций, работающих на неравномерных по скорости водных и воздушных потоках. Предлагаемое изобретение, используя в качестве энергоносителя водный и ветровой поток переменной скорости, позволяет делать электростанцию очень эффективной, легкой и недорогой.

Новая модификация турбин и генераторов, предназначена для нового типа электростанций, способных увеличивать скорость ветрового или водяного потока в несколько раз. Поток ветра или воды ускоряется специально спрофилированным конфузорно-диффузорным соплом. Это означает, что если, например, скорость ветра будет находиться в пределах от 0 до 10 м/с, то скорость ветрового потока ускоренного соплом может быть в пределах от 0 до 100 м/с. При таком широком диапазоне колебаний скорости ветрового потока становится сложно вырабатывать электроэнергию с помощью обычной турбины и генератора.

Первым аналогом технического решения является способ производства электроэнергии [1] (RU 2338089 С2 F03D 1/00, 05.01.2004) за счет синхронного шестиполюсного генератора с вращающимися магнитами и шестью неподвижными катушками. Электрогенераторы такого типа хороши тем, что требуют минимального ухода: здесь нет ни угольных щеток, ни коллектора, которые время от времени нужно чистить.

Вторым аналогом может служить способ производства электроэнергии за счет ветротурбины AIR-X, используемой для ветростанций, которая работает за счет небольшого скоростного винта диаметром 1,2 м, статора и ротора с постоянными магнитами. Для получения на генераторе мощности требуется раскрутить винт и ротор до 900 об/мин. Генератор выдает максимальную мощность при увеличении скорости вращения ротора до 2000 об/мин, далее с увеличением оборотов вращения включается механизм торможения оборотов вращения. Данное торможение предотвращает разрушение ветроколеса и предохраняет статор от выхода из строя при увеличении величины силы тока. Таким образом, генератор AIR-X, не вырабатывает энергию при ветре менее 5 м/с и не вырабатывает энергию при ветре более 20 м/с.

В качестве прототипа предложен способ [2] (RU 2348831 С2 F03D 11/00, 26.02.2007) производства энергии за счет обобщенной конструкции электрической машины. Такая конструкция состоит из неподвижной части, называемой статором, и вращающейся части, называемой ротором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит), а другая - имеет обмотку, которую будем условно называть рабочей обмоткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением.

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием водного или воздушного потока) в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении нагрузки появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети или источнику питания. При этом ток, возникший в проводниках этой обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потребляемая двигателем, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на приведение в действие какого-либо механизма. Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле, - на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним. Диапазон мощностей электрических машин весьма широк - от долей ватта до сотен тысяч киловатт.

Величина э.д.с, индуктируемой генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения ротора n:

Ε=СФn;

где C - постоянный коэффициент, учитывающий число витков обмотки якоря, число пар полюсов и другие постоянные величины, характеризующие данный генератор.

Мощность, отдаваемая генератором, всегда меньше мощности, затрачиваемой на вращение якоря и возбуждение, потому что внутри генератора происходят потери энергии. К этим потерям относятся механические потери (трение в подшипниках, трение коллектора о щетки), потери на нагрев проводов обмотки якоря и обмотки возбуждения, магнитные потери и т.д. Отношение полезной мощности генератора, т.е. той, которую он отдает во внешнюю цепь, к мощности, затрачиваемой для привода генератора и его возбуждения, называют коэффициентом полезного действия генератора. Если генератор работает с полной нагрузкой, его к.п.д. достигает 94÷95%, т.е. потери в нем весьма малы.

Мощность, вырабатываемая генератором, равна произведению тока нагрузки на напряжение на его выводах. При вращении ротора генератора водяным или особенно ветровым потоком скорость вращения может изменяться в несколько раз. Изменение скорости вращения ротора приводит к изменению в широких пределах напряжения и тока, потребляемого сетью от генератора. Следовательно, напряжение и ток генератора будет значительно изменяться в зависимости от скорости потока воды или ветра.

Однако ток и напряжение генератора могут меняться лишь в определенных пределах. Максимальное напряжение генератора не может быть превышено по условиям магнитного насыщения системы возбуждения, прочности изоляции электрической машины, допускаемому напряжению между коллекторными пластинами. Ток генератора также ограничен определенным предельным значением. В случае дальнейшего увеличения тока произойдет перегрев обмотки якоря, коллектора, начнется искрение под щетками, генератор может выйти из строя. В случае, когда ток и напряжение достигают предельно допустимой величины за счет превышения оптимальной частоты вращения ротора, генератор начинает уменьшать обороты вращения за счет различных электротехнических способов, для предупреждения дальнейшего увеличения тока и напряжения.

Характеристика ветра

Мощность потока P, проходящего через поперечное сечение площадью F, равна произведению этой площади на скорость потока V и кинетическую энергию единицы объема потока (или ρV2/2), т.е.

P=(FV)ρV2/2=ρFV3/2,

где ρ - плотность потока.

Удельная мощность потока, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения равна:

P/F=ρV3/2

Например, ветер обычно часто изменяет свою скорость, по оценкам Лаборатории Sandia кубическая зависимость между энергией ветра и его скоростью может в три раза превышать энергию, подсчитанную по среднегодовой скорости ветра в этом месте. Поэтому в зависимости от чувствительности ветрогенератора к этим изменениям скорости ветра, ожидаемые его характеристики, определяемые по среднегодовой скорости ветра, могут быть заниженными.

Наибольшую долю энергии содержат скорости ветра, превышающие среднюю. В виду неприспособленности ветротурбин и ветрогенераторов к высоким скоростям ветра, вклад в суммарную среднегодовую выработку энергии для скорости ветра, превышающей в три раза его среднюю скорость, обычно мал.

В момент выработки энергии при ветре в три раза большем, чем среднегодовой, увеличение мощности могло бы составить в 27 раз. Для наиболее полного использования энергии ветра в диапазоне его скоростей, больших расчетных, частота вращения ветроколеса должна увеличиваться пропорционально скорости ветра. Но при увеличении частоты вращения не обеспечиваются оптимальные условия работы генератора, который работает с наибольшим КПД при определенных, максимально возможных оборотах вращения.

Для решения проблем несоответствия необходимо обеспечить оптимальный механизм взаимосвязи между переменной скоростью вращения ветроколеса с постоянной скоростью вращения ротора. Для этого на обычных ветростанциях добиваются постоянного стабильного вращения ротора за счет различного передаточного отношения редуктора или за счет работы ветроколеса с фиксированной частотой вращения. При этом теряется КПД по выработке электроэнергии.

Целью изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей турбин и генераторов за счет более полной выработки электроэнергии с ветрового и водного потока, имеющего переменную скорость. Другой целью изобретения является снижение стоимости турбин и генераторов, за счет использования новой многоступенчатой конструкции, состоящей из различных частей и генераторов. Следующей целью изобретения является повышение эффективности работы многоступенчатого генератора за счет автоматической стабилизации оборотов вращения ротора при изменении ветрового и водяного потока.

Поставленная цель достигается тем, что способ для производства электроэнергии с использованием турбин и генераторов с переменным моментом инерции за счет вращения винта под действием водного или воздушного потока и вращения ротора внутри статора, где в одной части возбуждается магнитное поле за счет электромагнитов или постоянных магнитов, а в другой части в обмотке наводится ЭДС и при подключении нагрузки появляется электрический ток, отличающийся тем, что винт в зависимости от скорости потока, может передавать или не передавать вращение ротору, состоящему из нескольких роторов имеющих различные моменты инерции, которые во время вращения могут объединяться в единую систему вращения с винтом или разъединяться в зависимости от изменения мощности потока, вырабатывая электроэнергию на оптимальных оборотах вращения. Каждый узел системы вращения, включая винт и отдельные ротора, при отключении нагрузки могут работать в качестве маховиков, используя накопленную механическую энергию для превращения ее в электроэнергию, каждый отдельный статор может состоять из секций и путем включения-отключения секций может изменять длину рабочей зоны, оптимально вырабатывающую энергию при различной мощности рабочего потока. Способ может содержать две группы роторов, работающих поочередно от одного винта в противоположных направлениях, винт сначала раскручивает первую группу роторов и при смене потока на встречное направление переключается на другую группу роторов, при этом роторы первой группы с большим моментом инерции при отключении винта и нагрузки могут работать в качестве маховиков, а другие роторы принимать эту энергию и вырабатывать электроэнергию.

Устройство турбины и генератора с переменным моментом инерции включает винт, который удерживается на оси, соединенной с ротором, установленным в статор, где содержится муфта сцепления, отличающееся тем, что винт подключается к ротору через муфту сцепления при этом ротор состоит из отдельных роторов различной массы и диаметра, которые за счет муфт сцепления могут подключаться в систему вращения. Устройство может содержать, как общую единую ось вращения, к которой за счет муфт сцепления подключаются винт и роторы, так и ось, состоящую из отдельных осей вращения, может использовать, как механические, так и электромагнитные муфты сцепления, может содержать один винт и две группы генераторов, при этом винт может раскручивать одну группу генераторов в одну сторону, а другую группу в противоположную сторону.

В связи с изложенным, предлагается схема нового многоступенчатого генератора, способного с высоким КПД вырабатывать энергию в широком диапазоне скоростей ветрового и водного потока, постоянно меняющего свою скорость.

Для создания схемы нового многоступенчатого генератора, необходимо обеспечить стабильностационарное вращение системы, состоящей из ветроколеса, оси, роторов, подшипников и т.д. Для вращения системы с постоянной скоростью при изменении мощности потока необходим механизм, который изменяет момент инерции системы вращения. Как известно, момент инерции это сумма произведение массы каждой частицы тела на расстояние в квадрате от частицы до оси вращения. Эта величина называется моментом инерции тела i (в нашем случае системы вращения):

i=Σm⋅R2.

При изменении скорости потока, которая действует на систему вращения, необходимо для стабилизации оборотов вращения системы увеличивать или уменьшать ее момент инерции. Это возможно сделать за счет изменения массы системы вращения или за счет изменения радиуса вращения массы. Практически, чтобы осуществить данную схему необходимо систему вращения разбить на составляющие различной массы и диаметры вращения этой массы, которые могут в процессе вращения объединяться и разъединяться.

Объединение - разъединение отдельных составляющих может производиться за счет различных муфт сцепления. Муфты сцепления могут быть электромагнитными и приводиться в действие электроникой. Для снижения стоимости генераторов муфты сцепления могут быть механическими и приводиться в действие силой ветрового или водного потока, действующей на винт. Кроме того, муфты сцепления могут быть смешенного действия электромеханическими.

Принцип работы турбины с многоступенчатым генератором с изменяющимся моментом инерции, возможно, раскрыть на примере генератора выполненного с трехступенчатой системой.

Предложенный способ реализует новая турбина, представленная на фиг. 1. Многоступенчатый генератор включает винт 1, который приводится во вращение под действием водяного или воздушного потока. Винт установлен на подвижной оси 2, которая удерживается первой опорой 3 и второй опорой 4, функции, которых могут выполнять подшипники. Набегающий поток определенной скорости раскручивает винт и ось, при этом оказывает давление на винт вдоль оси. По достижению определенной величины давления, винт и ось сдвигаются под действием потока в сторону первого ротора 5, первого генератора, внутри которого установлена первая пружина 6. Сжимая первую пружину 6, ось с винтом поджимаются к ротору и сцепляются с ним за счет первой муфты сцепления 7. По достижении первым ротором 5 оборотов, при которых начинает оптимально вырабатывается энергия, идет включение первого статора 8 в рабочее состояние и производится выработка первым генератором энергии.

По мере нарастания скорости потока, на винт будет оказано большее давление, которое будет раскручивать его, до более высоких оборотов и перемещать вдоль оси, смещая винт с осью и первым ротором 5 в сторону второго ротора 9, второго генератора, при этом сжимая вторую пружину 10. Для сцепления роторов, на втором роторе 9 установлена вторая муфта сцепления 11, которая закрепляется на первом роторе 5, передавая второму ротору 9 обороты вращения. По достижении оптимальных оборотов со второго статора 12 начинает сниматься электроэнергия. Далее по нарастании скорости потока начинает сжиматься третья пружина 14, при этом третья муфта сцепления 15, закрепленная на третьем роторе 13, поджимается к ротору 9 и далее закрепляется на роторе 9. При достижении оптимальных оборотов с третьего статора 16 начинает сниматься электроэнергия. Таким образом, начинает работать третий генератор. Схема генератора может быть более многоступенчатая, где могут содержаться системы из четырех, пяти, шести и т.д. генераторов различной мощности. Для снижения трения в представленном трехступенчатом генераторе пружины опираются на оси через конуса 17, 18, 19.

При падении скорости потока идет отключение третьего статора 16, что снижает сопротивление вращению за счет исчезновения электромагнитной силы между третьим ротором 13 и третьим статором 16. При этом третий ротор 13 превращается в маховик, в котором запасена кинетическая энергия. Эта энергия поддерживает работу первого и второго генераторов меньшей мощности. По мере дальнейшего падения скорости потока третья пружина 14 через конус 17, отжимает от третьего ротора 13 с муфтой 15, второй ротор 9 и первый ротор 5, что позволяет снизить массу вращения и момент инерции, тем самым позволяет обеспечить работу двух генераторов на более низком по скорости потоке.

При дальнейшем снижении скорости потока второй статор 12 отключается от нагрузки и второй ротор 9 второго генератора переходит в режим маховика. Далее при снижении скорости потока, за счет расцепления второй муфты 11 выходит из системы вращения второй ротор 9. При еще большем снижении скорости потока за счет отключения от нагрузки первого статора 8 первый генератор переходит в режим маховика. Далее при снижении скорости потока за счет расцепления первой муфты 7 выходит из системы вращения первый ротор 5. После снижения скорости потока ниже определенного значения в последнюю очередь останавливается винт 1 и ось 2. При резких порывах ветра или при быстром изменении скорости воды, запасенная механическая энергия в роторах, может использоваться и превращаться в электроэнергию, при отключении винта из системы вращения, так как на него перестает действовать поток. Отключение более массивных роторов, от менее массивных и от винта, происходит в момент, когда скорость частей с большим моментом инерции начинает превышать скорость вращения частей с меньшим моментом инерции включая винт, на который непосредственно действует рабочий поток.

Принцип работы многоступенчатого генератора, заключается в том, что он состоит из различных по мощности генераторов и различных по массе и диаметру роторов, входящих в эти генераторы, при разъединении и объединении которых за счет муфт сцепления, возможно, подстроиться под любой изменяющейся по скорости поток. Настройка под поток различной мощности осуществляется за счет изменения массы и момента инерции системы вращения, в которую входит винт, ось вращения, роторы и другие механизмы, которые в определенный момент выполняют функции маховика. Данный комплекс мер позволяет наиболее эффективно вырабатывать электроэнергию многоступенчатым генератором при изменении скорости рабочего потока.

Как известно, мощность ветроэлектростанции не постоянная, поэтому, когда позволяют возможности, ветряки объединяют в сети. Но когда энергией от ветряка питается отдельное хозяйство, тогда нужен дизель-генератор, который запускается автоматически при штиле. Штиль, длительностью от секунд до минут, может случаться несколько раз в день. Чтобы не запускать дизель-генератор так часто, используют различные виды аккумуляторов энергии - электрохимические, маховичные, конденсаторные. Электрохимические запасают значительную энергию, но дороги, недолговечны, плохо работают в морозы и имеют малый КПД. Конденсаторы долговечны, но тоже дороги, а энергии на единицу массы запасают в сотни раз меньше, чем электрохимические. Маховичные накопители энергоемки и имеют высокий КПД, но в относительно небольшом временном интервале. Для решения задачи - устранить запуск дизель-генератора в небольшом промежутке времени, маховики наиболее пригодны.

С этой целью производятся ветроэлектростанции с маховичным накопителем электроэнергии, где, например, от ветроколеса длинный вал идет вниз и через повышающую передачу, вращает генератор с сидящим на его валу маховиком. Маховик помещен в корпус, из которого выкачан воздух для снижения потерь энергии на вращение, маховик разгоняется во время порывов ветра и отдает энергию во время пауз. Если башня очень высокая, то генератор в гондоле связывается электропроводами с генератором маховика, образуя так называемый электрический вал. Обычный вал тогда уже не нужен. В большинстве случаев достаточно запаса энергии в маховике на 5-6 минут работы для ветроэлектростанции, чтобы она работала без запуска дизель-генератора. В 30-х гг. прошлого века в городе Курске уже существовала ветроэлектростанция с таким маховичным накопителем, построенная А.Г. Уфимцевым.

Недостатком, предоставленных ветроэлектростанций с накопительными маховиками, является присутствие дополнительных механизмов, на которые расходуются средства и энергия. В предлагаемом изобретении маховиком служит винт, ось, ротор и другие детали системы вращения, которые одновременно служат для выработки электроэнергии, то есть детали используются в двух назначениях, что экономит затраты и энергию.

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. В основе этого процесса лежит закон электромагнитной индукции. Внешняя сила F воздействует на помещенный в магнитное поле проводник и перемещает его, перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью υ, при этом в проводнике наводиться электродвижущая сила Е:

Ε=Βlυ,

где B - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника, находящаяся в магнитном поле, и; υ - скорость движения проводника, м/с. В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникает действующая на проводник электромагнитная сила

FЭМ=BIl.

Сила FЭМ направлена противоположно движению проводника. Таким образом, сила FЭМ является тормозящей по отношению к движущей силе F. При равномерном движении проводника эти силы равны, т.е. F-FЭМ. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника υ, получим:

Fυ=FЭМυ.

и далее получим:

Fυ=BlIυ=EI.

Левая часть последнего равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть - значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями еще раз подтверждает, что в генераторе механическая мощность Fυ, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую мощность EI. Из равенства:

UI=FЭМυ+I2R,

где U - напряжение в проводнике, R - сопротивление проводника, следует, что электрическая мощность (UI) преобразуется в механическую (F3M υ) и расходуется на электрические потери в проводнике (I2R), следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, это элементарный электродвигатель.

Описанные явления позволяют сделать вывод:

1. для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения;

2. при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение механической силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при прохождении по нему электрического тока;

3. взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют обратимостью.

Вышепредставленные закономерности работы электрической машины возможно использовать. Например, для включения-отключения муфт сцепления. Чтобы отключить один ротор от другого возможно один генератор перевести в режим двигателя и в момент, когда отсутствует нагрузка на муфту сцепления провести ее отключения. Кроме этого в многоступенчатом генераторе для стабилизации оборотов вращения ротора с целью производства максимального количества энергии возможно, использовать конструкцию секционного статора так, например, зная об эффекте электромагнитной силы F3M для стабилизации оборотов вращения ротора, возможно, изготавливать, например, статор, где находятся отдельные обмотки или электромагниты в виде отдельных секций, размещенных по длине статора.

При увеличении скорости потока для стабилизации оборотов вращения ротора, возможно электронным путем подключать секции к нагрузке. При снижении скорости потока отключать секции от нагрузки.

На фиг. 2 показан многоступенчатый генератор, в котором статоры 8; 12 и 16, разделены на отдельные секции - 8а; 8в; 8с; 12а; 12в; 12с; 12d; 12е; 16а÷16в, с, d, е, ж, з. Каждая секция может состоять из отдельного проводника или отдельного электромагнита. Данная конструкция согласно выше привиденным формулам позволяет снижать потери в проводнике при секционном включении, а так же потери рассеяния электромагнитного поля. Так, например, если статор определенной длины разбит на секции, то при включении одной секции потери на нагрев проводника I2R будут меньше, так как в одной секции длина проводника меньше, а значит меньше и сопротивление. Если статор, где наводится магнитное поле, состоит из секций, то при включении одной секции, которая находится посередине статора, возникает большая ЭДС, так как более полно используется магнитное поле. При данном включении уменьшаются краевые потери магнитного поля, и оно попадает на большую активную длину проводника ротора. Включение - отключение секций статора позволяет более плавно изменять FЭМ, а следовательно более точно регулировать величину изменения момента инерции вращающейся системы генератора.

На фиг. 3 изображена турбина, подобная турбине на фиг. 1 и фиг. 2, но состоящая из двух многоступенчатых генераторов, размещенных на одной оси по разные стороны винта. Данная турбина предназначена для выработки энергии с потоков, имеющих переменную скорость и направление движения.

Наиболее эффективно использование подобной турбины для выработки энергии на вертикальных волнах. Установив турбину вертикально, волна будет раскручивать винт от нулевой скорости до максимальной и снова до нулевой в одном направлении и в той же последовательности в другом направлении. Чтобы произвести электроэнергию с наибольшим КПД, предлагаемая турбина при ускорении потока в одном направлении, во вращение приводит на первой стадии винт с осью, затем первый ротор, второй, третий и т.д. до момента достижения потоком максимальной скорости. С уменьшением скорости потока наиболее массивные ротора за счет муфт сцепления будут отключаться от основной оси вращения с винтом, и переходить в маховик, преобразуя накопленную энергию вращения в электроэнергию. По достижении скорости потока нулевого значения винт с осью прекращает вращение, при этом ротора генераторов могут вращаться независимо друг от друга и вырабатывать электроэнергию. При смене направления движения волны в работу включается по той же схеме многоступенчатый генератор, находящийся по другую сторону винта, при этом роторы на первом многоступенчатом генераторе могут вращаться и вырабатывать энергию. После остановки потока винт с осью останавливаются, и при смене направления потока второй генератор будет работать на запасенной энергии маховика, а первый снова будет принимать энергию от потока воды противоположного направления.

На фиг. 4 изображена турбина с многоступенчатым генератором, где детали системы вращения, к которым относятся винт и ротора различной массы, подключаются во вращение через единую ось за счет муфт сцепления, расположенных вокруг этой оси. Так, например, винт 1 установлен на ось 2 через муфту сцепления 3. При потоках малой мощности винт, вращаясь отдельно, накапливает определенную энергию, чтобы затем через муфту 3 передать вращение на ось 2, установленную на подшипниках 4. По мере усиления скорости потока через муфту сцепления 5 вращение передается на ротор 6, далее через муфту 7 - ротору 8, далее через муфту 9 - ротору 10 и т.д. Устройство, использующее общую ось вращения, позволяет при смене направления потока вырабатывать электроэнергию этими же роторами, но вращающимися в противоположную сторону.

Предложенная турбина, использующая систему вращения, состоящую из ветроколеса, оси, ротора, муфт сцепления и подшипников, позволяет на потоках различной скорости и направления вырабатывать электроэнергию с наибольшей эффективностью. Этого удается добиться за счет изменения момента инерции системы вращения, относительно изменения скорости потока. При наименьшей скорости потока в системе вращения участвует только ветроколесо, накапливая в качестве маховика определенную энергию. При наибольшей скорости потока в системе вращения участвуют все входящие узлы, включая множество роторов с наибольшим моментом инерции.

По достижении определенной величины энергии за счет муфт сцепления идет подключение к системе вращения первой ступени ротора, имеющей минимальный момент инерции. По мере накопления энергии вращения ротором идет подключение к нагрузке статора, который начинает производить электроэнергию. По мере нарастания скорости потока за счет муфт сцепления подключаются ступени роторов с большим моментом инерции, по мере накопления определенный энергии вращения включатся нагрузки и со статоров снимается электроэнергия. По мере снижения скорости вращения схема отключения нагрузки и отключение роторов из системы вращения происходит в обратном порядке. Например, при отключенной нагрузке, пока ротор не отключен из системы вращения, он служит в роли маховика. Винт, ось, ротор и другие детали, входящие в систему вращения, при определенной скорости потока одновременно могут служить по прямому назначению и одновременно исполнять роль маховиков, накапливающих кинетическую энергию.

Данная схема работы турбины, позволяет настраиваться практически на любой по скорости поток.

В связи с вышеизложенным предлагаемое изобретение может быть полезным для широкого внедрения в народное хозяйство.

Литература

[1]. Волков А.Е. - RU 2338089 С2 F03D 1/00, 05.01.2004.

[2]. Волков А.Е. - RU 2348831 С2 F03D 11/00, 26.02.2007.

1. Способ для производства электроэнергии с использованием турбин и генераторов с переменным моментом инерции за счет вращения винта под действием потока и вращения ротора внутри статора, где в одной части возбуждается магнитное поле за счет электромагнитов или постоянных магнитов, а в другой части в обмотке наводится ЭДС и при подключении нагрузки появляется электрический ток, отличающийся тем, что содержит две группы роторов, работающих поочередно от одного винта в противоположных направлениях, при этом каждый ротор состоит из нескольких роторов, имеющих различные моменты инерции, которые во время вращения могут объединяться в единую систему вращения с винтом или разъединяться в зависимости от изменения мощности потока, вырабатывая электроэнергию на оптимальных оборотах вращения, при этом винт сначала раскручивает первую группу роторов и при смене потока на встречное направление переключается на другую группу роторов, при этом роторы первой группы при отключении винта и нагрузки могут работать в качестве маховиков, а другие роторы принимать эту энергию и вырабатывать электроэнергию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый отдельный статор состоит из секций, выполненных с возможностью включения-отключения.

3. Устройство турбины и генератора с переменным моментом инерции включает винт, который удерживается на оси, соединенной с ротором, установленным в статор, где содержится муфта сцепления, отличающееся тем, что винт подключается к ротору через муфту сцепления, при этом ротор состоит из отдельных роторов различной массы и диаметра, которые за счет муфт сцепления могут подключаться в систему вращения, а каждый статор состоит из секций, выполненных с возможностью включения-отключения.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что может содержать, как общую единую ось вращения, к которой за счет муфт сцепления подключаются винт и роторы, так и ось, состоящую из отдельных осей вращения.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что может использовать, как механические, так и электромагнитные муфты сцепления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству связи и к модулю энергоснабжения для устройства связи. Технический результат – повышение технологичности.

Изобретение относится к пневмоаккумуляторной станции. Пневмоаккумуляторная электростанция содержит электрический входной/выходной контур, компрессорные и расширительные средства и искусственно изготовленный пневмоаккумулятор.

Изобретение относится к приводам с блокировкой. Технический результат состоит в обеспечении объединения элемента блокировки заклиниванием и ограничителя усилия.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение соединения роторного вала и сердечника.

Изобретение относится к энергомашиностроению. Технический результат состоит в обеспечении максимальной эффективности трансформации тепловой энергии в электроэнергию при неравномерном подводе тепла к теплообменнику.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в агрегатах и приводных механизмах с быстрым и точным автоматическим остановом при работе приводного электродвигателя в одном направлении, т.е.

Изобретение относится к электротехнике, к электромеханическим преобразователям энергии, и может быть использовано в качестве преобразователя механической энергии вращения, например энергии ветра, подаваемой на механический вход машины, и электрической энергии постоянного тока, например световой энергии Солнца, преобразованной фотоэлектрическими преобразователями в электроэнергию постоянного тока, одновременно подаваемой на ее электрический вход, в суммарную электрическую энергию переменного тока.

Изобретение относится к энергомашиностроению. Технический результат состоит в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электроэнергию при неравномерном подводе тепла к теплообменнику.

Изобретение относится к энергомашиностроению. Технический результат состоит в повышении эффективности преобразования.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроколесо содержит вал, ступицу, лопасти и дуги с роторными элементами, закрепленными на внешних краях лопастей, согласно изобретению, ступица выполнена в виде пластины, на пластине закреплены внутренние края лопастей и стойки, причем между стойками и дугами с роторными элементами установлены стержни.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроколесо содержит ступицу, лонжероны и парусные плоскости, ступица выполнена в виде пластин, расположенных в параллельных плоскостях, между пластинами закреплены концы лонжеронов.

Изобретение относится к области энергетики. Устройство генерации электроэнергии с использованием пневмоаккумуляторов содержит электростанцию, подключенную к приводу воздушного компрессора с системой жидкостного охлаждения, выход компрессора подключен к пневмоаккумуляторам.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении мощности в области применения установки для производства электроэнергии и достигается благодаря тому, что гелиоветряная установка для выработки электроэнергии состоит из полотна элементов, являющихся несоединенными между собой пластинами солнечной батареи, электрически связанными между собой и через аккумулятор и инвертор соединенными с нагрузкой, образующими общую плоскость, каждая пластина жестко соединена с поршнем гидравлического цилиндра, имеющим впускной и выпускной клапаны, через общую систему трубопроводов, снабженную расширительной емкостью, соединенную с гидротурбиной с редуктором на валу, выход которого соединен с генератором электроэнергии и через аккумулятор и систему управления с нагрузкой.

Изобретение относится к области автономных систем электроснабжения, использующих энергию ветра и солнца. Ветросолнечная установка автономного электроснабжения состоит из ветродвигателя 1, механически соединенного с мультипликатором 2, который через обгонную муфту 3 механически соединен с генератором 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, к которому подключены первый и второй диодные мосты 5 и 6, соответственно, при этом первый диодный мост 5 связан с инвертором 7, соединенным со стабилизатором 8 напряжения, соединенным с реле 9 обратного тока, подключенного к однофазной сети 10 переменного напряжения, к которой подключена система управления 11, соединенная с инвертором 7, с системой 12 ориентации солнечных батарей, управляемой устройством 13 ориентации по солнцу, на котором расположены гибкие солнечные панели 14, подключенные к контроллеру 15 заряда аккумуляторных батарей, который соединен с балластной нагрузкой 16 в виде электрических нагревательных элементов и аккумуляторными батареями 17, причем второй диодный мост 6 соединен с компаратором 18 напряжения, имеющим петлю гистерезиса и выход которого соединен с системой 11 управления и с базой силового транзистора 19, через который идет подключение аккумуляторных батарей 17 к инвертору 7 напряжения, к системе 11 управления подсоединены бензогенератор 20 и реле 21 подключения бензогенератора 20 к однофазной сети 10 переменного напряжения, к однофазной сети 10 переменного напряжения подключены потребители 22 электрической энергии.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроэлектростанция включает опорную раму с расположенным на ней валом и лопастную систему, закрепленную на валу.

Изобретение относится к альтернативной энергетике. Энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра содержит миниатюрный генератор постоянного тока, каркас, на котором установлены желобчатый концентратор дождевой воды или снега с желобами, турбина с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал, причем турбина устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора дождевой воды или снега, концентратор ветра с установленными во входной части вертикальными перегородки, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический, установленный под концентратором дождевой воды или снега, причем концентратор ветра монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе турбину, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины и вал генератора соединяются посредством магнитных муфт.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Аэроэнергостат наземно-генераторный содержит в составе воздухоплавательного модуля выполненные за одно целое аэростатную оболочку, крепежное базовое кольцо, прижатое к днищу оболочки меридианными лентами, опорную раму в плоскости, перпендикулярной ветру, к горизонтальной перекладине которой подвешена гондола с радиально-лопастной турбиной, ось вращения которой совпадает с направлением ветра, гибкий вал, привязные тросы, силовой блок из мультипликатора и генератора, свободно раскачивающийся внутри вертикальных стоек, причальную тумбу с расположенной на ней поворотной платформой с двумя соосными лебедками.

Изобретение относится к устройству для рекуперации кинетической энергии торможения высокоскоростных железнодорожных составов. Энергетическая установка на воздушном потоке содержит полый цилиндрический корпус, снабженный входным и выходным воздушными каналами и направляющими ребрами для закручивания воздушного потока, внутри которого размещен шнековый ротор, механически связанный с электрическим генератором, при этом в нее введен второй электрический генератор, причем торцы электрических генераторов жестко присоединены к торцам полого электрического корпуса, а оси их роторов соединены с осью шнекового ротора, входной и выходной воздушные каналы выполнены в виде отверстий в полом электрическом корпусе и накрыты снаружи подвижно закрепленными к верхней части корпуса секторами с магнитными защелками, бесконтактно взаимодействующими с дистанционно управляемыми электромагнитными деблокираторами.

Изобретение относится к устройствам автономного энергоснабжения маломощных потребителей. Устройство автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения, содержащее, по меньшей мере, две солнечные панели из монокристаллических или поликристаллических фотогальванических модулей, ветрогенератор, по меньшей мере, одну аккумуляторную батарею, блок управления и контроля, состоящий из контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности и контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и/или гибридного контроллера заряда аккумуляторной батареи, совмещающего функции контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности и контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и позволяющего одновременно использовать ветрогенератор и фотогальванические модули, климатический модуль, исполнительный модуль светового ограждения, включающий модуль автоматики включения/отключения с возможностью подключения контроллера управления по GSM каналам и выносные сдвоенные заградительные огни.

Группа изобретений относится к устройству и системе для производства электроэнергии с использованием потока воды. Устройство 14 содержит сужающуюся часть 16, соединенную с первым концом смесительной трубы 18 с образованием трубы Вентури 20 между концом части 16 и смесительной трубой 18; диффузор 22, соединенный со вторым концом трубы 18 и выполненный таким образом, что в процессе эксплуатации давление на его выходе превышает давление в трубе Вентури 20; трубу 24 турбины, содержащую пакет лопаток 30.

Изобретение относится к способу и устройству производства электроэнергии под действием потока. Способ для производства электроэнергии с использованием турбин и генераторов с переменным моментом инерции за счет вращения винта под действием потока и вращения ротора внутри статора, где в одной части возбуждается магнитное поле за счет электромагнитов или постоянных магнитов, а в другой части в обмотке наводится ЭДС и при подключении нагрузки появляется электрический ток, в котором две группы роторов работают поочередно от одного винта в противоположных направлениях, при этом каждый ротор состоит из нескольких роторов, имеющих различные моменты инерции, которые во время вращения могут объединяться в единую систему вращения с винтом или разъединяться в зависимости от изменения мощности потока, вырабатывая электроэнергию на оптимальных оборотах вращения, при этом винт сначала раскручивает первую группу роторов и при смене потока на встречное направление переключается на другую группу роторов, при этом роторы первой группы при отключении винта и нагрузки могут работать в качестве маховиков, а другие роторы принимать эту энергию и вырабатывать электроэнергию. Изобретение направлено на повышение выработки электроэнергии при смене направления потока. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх