Система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы - RU2371603C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе генерации электроэнергии типа ветряной мельницы и более конкретно к ветроэнергетической установке, у которой четыре блока вращающихся лопастей различной длины создают большую силу вращения даже при небольшом ветре, и магнитный полюс и ротор электрического генератора вращаются в противоположных направлениях.

Уровень техники

Известны различные системы генерации электроэнергии, использующие силу ветра, т.е. ветроэнергетические установки. Одна из известных систем генерации электроэнергии типа ветряной мельницы известна из описания изобретения к корейской патентной заявке №2000-76789, которая является родственной настоящему изобретению.

Эта известная система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы содержит вращающиеся валы, соосно смонтированные в корпусе, первый и второй блоки вращающихся лопастей смонтированы на соответствующих вращающихся валах перед корпусом, так что упомянутые первый и второй блоки вращающихся лопастей могут вращаться в противоположных направлениях, и первый и второй электрические генераторы для генерации электроэнергии путем использования силы вращения упомянутого первого и второго блоков вращающихся лопастей. Известная система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы вышеуказанной конструкции имеет те преимущества, что два блока вращающихся лопастей, т.е. первый и второй блоки вращающихся лопастей смонтированы в одном корпусе, и количество генерируемой электроэнергии удваивается в результате использования двух электрических генераторов. Однако известная система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы имеет те недостатки, что расходы, необходимые для монтажа системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы, увеличиваются вследствие применения нескольких электрических генераторов и технически содержать и обслуживать такую систему генерации электроэнергии типа ветряной мельницы трудно.

Еще одна система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы известна из описания изобретения к корейской патентной заявке №2002-12965, которая подана в Корейское ведомство интеллектуальной собственности 11 мая 2002 г. Эта известная система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы отличается тем, что силы вращения двух блоков лопастей передаются на магнитный полюс и ротор электрического генератора в противоположных направлениях, в результате чего эффективность генерации электроэнергии удваивается, притом что эту систему генерации электроэнергии типа ветряной мельницы легко и удобно обслуживать. Для любой системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы необходимо, чтобы ветровое колесо, т.е. блоки вращающихся лопастей были обращены в сторону ветра. Для этого в конструкцию известной системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы, описанную в вышеупомянутой патентной заявке, дополнительно включен руль. В данном случае, однако, трудно регулировать направления блоков вращающихся лопастей таким образом, чтобы они были обращены к ветру. Кроме того, при слабом ветре два блока вращающихся лопастей не создают силу вращения,

Краткое описание изобретения

Техническая задача

Поэтому настоящее изобретение направлено на решение вышеуказанных проблем и одной целью настоящего изобретения является создание системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы, у которой четыре блока вращающихся лопастей различной длины смонтированы в порядке их длин для легкого создания начального вращения даже при слабом ветре, и эти четыре блока вращающихся лопастей вращаются в противоположных направлениях для передачи сил вращения четырех блоков вращающихся лопастей на магнитный полюс и ротор электрического генератора в противоположных направлениях, этим обеспечивая максимальную эффективность генерации электроэнергии.

Техническое решение

В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанная и другие цели могут быть достигнуты путем создания системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы, которая генерирует электроэнергию путем использования вращательного движения блоков вращающихся лопастей, смонтированных на противоположных концах соответствующих вращающихся валов, которые смонтированы через корпус, расположенный на верхнем конце опорной мачты, так чтобы блоки вращающихся лопастей могли вращаться в направлении ветра, причем упомянутая система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы содержит первый блок вращающихся лопастей, смонтированный на переднем конце соответствующего вращающегося вала на одной стороне корпуса, причем первый блок имеет вращающиеся лопасти наименьшей длины; второй блок вращающихся лопастей, смонтированный на соответствующем вращающемся вале, так чтобы второй блок вращающихся лопастей мог вращаться в направлении, противоположном направлению вращения первого блока вращающихся лопастей, причем второй блок вращающихся лопастей расположен на задней стороне первого блока вращающихся лопастей на определенном расстоянии от первого блока вращающихся лопастей, и причем второй блок имеет вращающиеся лопасти большей длины, чем лопасти первого блока; третий блок вращающихся лопастей, смонтированный на соответствующем вращающемся вале на другой стороне корпуса так, чтобы третий блок вращающихся лопастей мог вращаться в том же направлении вращения, что и второй блок вращающихся лопастей, причем третий блок имеет вращающиеся лопасти большей длины, чем лопасти второго блока; четвертый блок вращающихся лопастей, смонтированный на соответствующем вращающемся вале так, чтобы четвертый блок вращающихся лопастей мог вращаться в направлении, противоположном направлению вращения третьего блока вращающихся лопастей, причем четвертый блок вращающихся лопастей расположен на задней стороне третьего блока вращающихся лопастей на определенном расстоянии от третьего блока, и причем четвертый блок имеет вращающиеся лопасти большей длины, чем лопасти третьего блока; первый механизм передачи энергии для передачи вращательного движения второго и третьего блоков вращающихся лопастей на ротор электрического генератора; второй механизм передачи энергии для передачи вращательного движения первого и четвертого блоков вращающихся лопастей на магнитный полюс электрического генератора; и электрический генератор для генерации электроэнергии посредством вращения ротора и магнитного полюса в противоположных направлениях, что достигается путем передачи вращательного движения первого - четвертого блоков вращающихся лопастей на ротор и магнитный полюс первым и вторым механизмами передачи энергии.

Предпочтительно отношение длин вращающихся лопастей первого - четвертого блоков составляет 1:1,2:3,8:4.

Предпочтительно первый механизм передачи энергии содержит первое промежуточное зубчатое колесо, смонтированное на внутренней стенке опорной мачты так, что упомянутое первое промежуточное зубчатое колесо может вращаться подшипником; зубчатое колесо, смонтированное на вращающемся вале второго блока вращающихся лопастей так, что упомянутое зубчатое колесо может вращаться вместе с вращающимся валом второго блока вращающихся лопастей, причем упомянутое зубчатое колесо находится в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом; зубчатое колесо, смонтированное на вращающемся вале третьего блока вращающихся лопастей так, что упомянутое зубчатое колесо может вращаться вместе с вращающимся валом третьего блока вращающихся лопастей, причем упомянутое зубчатое колесо находится в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом на стороне, противоположной зубчатому колесу; ведомое зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом под первым промежуточным зубчатым колесом так, что упомянутое ведомое зубчатое колесо может вращаться вместе с первым промежуточным зубчатым колесом; и вращающийся вал, смонтированный в центре упомянутого приводного зубчатого колеса, для передачи вращательного движения приводного зубчатого колеса на ротор электрического генератора, и второй механизм передачи энергии содержит второе промежуточное зубчатое колесо, смонтированное на опорном вале так, что упомянутое второе промежуточное зубчатое колесо может вращаться подшипником, причем упомянутое второе промежуточное зубчатое колесо расположено соосно с первым промежуточным зубчатым колесом; зубчатое колесо, смонтированное на вращающемся вале первого и четвертого блоков вращающихся лопастей так, что упомянутое зубчатое колесо может вращаться вместе с вращающимся валом первого и четвертого блоков вращающихся лопастей, причем упомянутое зубчатое колесо находится в зацеплении с вторым промежуточным зубчатым колесом; ведомое зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с вторым промежуточным зубчатым колесом под вторым промежуточным зубчатым колесом так, что упомянутое ведомое зубчатое колесо может вращаться вместе с вторым промежуточным зубчатым колесом; и вращающийся вал, смонтированный в центре упомянутого ведомого зубчатого колеса для передачи вращательного движения упомянутого ведомого зубчатого колеса на магнитный полюс электрического генератора, посредством чего ротор и магнитный полюс электрического генератора вращаются в противоположных направлениях первым и вторым механизмами передачи энергии.

Преимущества

Согласно настоящему изобретению с вышеуказанной конструкцией система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы содержит всего четыре блока вращающихся лопастей, смонтированных на вращающихся валах парами, т.е. по два блока вращающихся лопастей смонтированы на соответствующих вращающихся валах на каждой стороне опорной мачты. Следовательно, длина и высота каждого блока вращающихся лопастей уменьшена по сравнению с известным уровнем техники и поэтому можно легко и удобно транспортировать блоки вращающихся лопастей в регионы с крутым и труднодоступным рельефом и устанавливать их в таких регионах. Кроме того, блоки вращающихся лопастей расположены на обеих сторонах опорной мачты и поэтому проблемы внецентренной нагрузки могут быть в значительной степени устранены.

Помимо этого, ротор и магнитный полюс могут вращаться в противоположных направлениях, этим удваивая количество оборотов, и поэтому максимально увеличивая эффективность генерации электроэнергии.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанная и другие цели, признаки и другие преимущества настоящего изобретения станут более понятны из последующего подробного описания, взятого вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую систему генерации электроэнергии типа ветряной мельницы согласно настоящему изобретению;

фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую отношения длин вращающихся лопастей блоков системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы согласно настоящему изобретению; и

фиг.3 представляет собой детализированный чертеж механизмов передачи энергии для передачи сил вращения от системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы на электрический генератор.

Описание лучшего варианта осуществления изобретения

Теперь лучший вариант осуществления настоящего изобретения будет подробно описан со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую систему генерации электроэнергии типа ветряной мельницы согласно настоящему изобретению.

Со ссылкой на фиг.1 корпус 3 смонтирован на верхнем конце опорной мачты, и вращающиеся валы, на которых надежно установлены несколько блоков вращающихся лопастей и механизмы передачи энергии, смонтированы в корпусе 3 так, что блоки вращающихся лопастей могут вращаться по направлению ветра. Как показано на фиг.1, система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы содержит два передних блока 10 и 12 вращающихся лопастей, которые расположены перед корпусом 3, и два задних блока 14 и 16 вращающихся лопастей, которые расположены позади корпуса 3. Вращающиеся лопасти этих четырех блоков 10, 12, 14 и 16 имеют различную длину. Более конкретно длина вращающихся лопастей второго блока 12, который расположен позади первого блока 10, больше длины вращающихся лопастей первого блока 10, длина вращающихся лопастей третьего блока 14, который расположен перед четвертым блоком 16, больше длины вращающихся лопастей второго блока 12, и длина вращающихся лопастей четвертого блока 16 больше длины вращающихся лопастей третьего блока 14, как будет описано ниже более подробно.

Поскольку четыре блока 10, 12, 14 и 16 вращающихся лопастей, имеющих различную длину, последовательно установлены на вращающихся валах в порядке длины, как сказано выше, эти четыре блока 10, 12, 14 и 16 вращающихся лопастей последовательно расположены от блока с самыми короткими вращающимися лопастями, имеющими наименьшее сопротивление ветру, до блока с самыми длинными вращающимися лопастями, имеющими высокое сопротивление ветру. Если блоки 10, 12, 14 и 16 вращающихся лопастей расположены как указано выше, первый блок 10 вращающихся лопастей, имеющих низкое сопротивление ветру, вращается даже при слабом ветре, посредством чего облегчается вращение других блоков 12, 14 и 16 вращающихся лопастей, имеющих высокое сопротивление ветру, которые расположены позади первого блока 10.

Обычно система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы устанавливается на островах или в горных районах с сильными ветрами. Кроме того, необходимо, чтобы длина вращающихся лопастей была увеличена для получения высокого отношения силы вращения к силе ветра. Однако острова или горные районы, где устанавливается система генерации электроэнергии типа ветряной мельницы, являются труднодоступными. В результате очень трудно транспортировать крупногабаритные блоки вращающихся лопастей на острова или в горные районы и поэтому их транспортировка и монтаж требует больших расходов. Следовательно, предпочтительно получать такую же силу вращения, используя вращающиеся лопасти меньшей длины, поскольку такой малогабаритный блок вращающихся лопастей легче транспортировать и устанавливать. Для решения вышеуказанной проблемы используются четыре малогабаритных блока вращающихся лопастей согласно настоящему изобретению. Кроме того, при монтаже крупногабаритного блока вращающихся лопастей, который очень тяжелый, на одной стороне корпуса, как это известно из уровня техники, необходимо дополнительно укреплять опорную мачту, чтобы последняя могла выдержать массу такого крупногабаритного блока вращающихся лопастей.

Также опорная мачта испытывает внецентренную нагрузку. Согласно настоящему изобретению блоки вращающихся лопастей расположены на противоположных сторонах корпуса, благодаря чему проблема внецентренной нагрузки отчасти решается.

Согласно настоящему изобретению четыре блока вращающихся лопастей установлены на вращающихся валах, так что первый блок 10 вращающихся лопастей и четвертый блок 16 вращающихся лопастей могут вращаться в одном направлении, и второй блок 12 вращающихся лопастей и третий блок 14 вращающихся лопастей могут вращаться в направлении, противоположном направлению вращения первого блока 10 и четвертого блока 16. Более конкретно, если первый блок 10 вращающихся лопастей и четвертый блок 16 вращающихся лопастей вращаются по часовой стрелке, второй и третий блоки 12 и 14 вращающихся лопастей вращаются против часовой стрелки. Противоположные направления вращения блоков вращающихся лопастей могут быть легко установлены путем размещения блоков лопастей так, чтобы углы лопастей, входящих в соответствующие блоки, были противоположны друг другу, подробного изложения порядка такой установки приведено не будет. В этом смысле предпочтительно, чтобы первый блок 10 и четвертый блок 16 вращающихся лопастей были, по возможности, установлены на один вращающийся вал. Также вращающийся вал первого и четвертого блоков 10 и 16 вращающихся лопастей расположен соосно с вращающимся валом второго и третьего блоков 12 и 14 вращающихся лопастей.

Третий и четвертый блоки 14 и 16 вращающихся лопастей служат в качестве руля известной ветроэнергетической установки помимо создания силы вращения. Более конкретно ветроэнергетическая установка обращена прямо в направлении ветра благодаря наличию третьего и четвертого блоков 14 и 16 вращающихся лопастей.

В то же время предпочтительно сохранять установленные расстояния между первым и вторым блоками 10 и 12 и третьим и четвертыми блоками 14 и 16 вращающихся лопастей для того, чтобы завихрения, создаваемые на задних блоках передними блоками, способствовали вращению задних блоков вращающихся лопастей. Более конкретно завихрение, создаваемое первым блоком 10 вращающихся лопастей, способствует вращению второго блока 12 вращающихся лопастей в направлении, противоположном направлению вращения первого блока 10, и поэтому сила вращения второго блока 12, который вращается в направлении, противоположном направлению вращения первого блока 10, увеличивается. Такое же воздействие завихрения также относится к третьему блоку 14 и четвертому блоку 16 вращающихся лопастей.

Фиг.2 представляет собой схему, иллюстрирующую отношения длин вращающихся лопастей блоков системы генерации электроэнергии типа ветряной мельницы согласно настоящему изобретению.

Со ссылкой на фиг.2 предполагается, что длины вращающихся лопастей первого - четвертого блоков 10, 12, 14 и 16 от соответствующих вращающихся валов равны l₁, l₂, l₃ и l₄ оответственно. Эксперименты, в большом количестве проведенные автором настоящего изобретения, определили, что наиболее предпочтительным отношением длин является l₁, l₂, l₃ и l₄=1:1,2:3,8:4. После установления длин в соответствии с этим отношением было определено, что завихрения, создаваемые.передними блоками вращающихся лопастей, оптимально влияют на вращение задних блоков вращающихся лопастей.

Теперь конструкция передачи энергии от блоков вращающихся лопастей будет описана подробно со ссылкой на фиг.3.

Как сказано выше, первый и четвертый блоки 10 и 16 вращающихся лопастей вращаются в направлении, противоположном направлению вращения лопастей второго и третьего блоков 12 и 14. По этой причине структура передачи энергии от блоков вращающихся лопастей будет описана на основе первого механизма передачи энергии и второго механизма передачи энергии, на которые разделена конструкция передачи энергии.

Первый механизм передачи энергии служит для передачи вращательного движения второго и третьего блоков 12 и 14 вращающихся лопастей на ротор 110 электрического генератора 100, тогда как второй механизм передачи энергии служит для передачи вращательного движения первого и второго блоков 10 и 16 вращающихся лопастей на магнитный полюс 120 электрического генератора 100, и наоборот.

Первый механизм передачи энергии содержит первое промежуточное зубчатое колесо G1, смонтированное на внутренней стенке опорной мачты 1 так, что первое промежуточное зубчатое колесо G1 может вращаться подшипником; зубчатое колесо G2, смонтированное на вращающемся вале S2 второго блока 12 вращающихся лопастей так, что зубчатое колесо G2 может вращаться вместе с вращающимся валом S2 второго блока 12 вращающихся лопастей, причем зубчатое колесо G2 находится в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом G1, зубчатое колесо G3, смонтированное на вращающемся вале S3 третьего блока 14 вращающихся лопастей так, что зубчатое колесо G3 может вращаться вместе с вращающимся валом S3 третьего блока 14 вращающихся лопастей, причем зубчатое колесо G3 находится в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом G1 на стороне, противоположной зубчатому колесу G2, ведомое зубчатое колесо G4, находящееся в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом G1 под первым промежуточным зубчатым колесом G1 так, что ведомое зубчатое колесо G4 может вращаться вместе с первым промежуточным зубчатым колесом G1, и вращающийся вал S4, смонтированный в центре приводного зубчатого колеса G4, для передачи вращательного движения приводного зубчатого колеса G4 на ротор 110 электрического генератора 100. Первый механизм передачи энергии вышеуказанной конструкции используется для передачи сил вращения от второго и третьего блоков вращающихся лопастей на то же самое первое промежуточное зубчатое колесо G1 через противоположные зубчатые колеса G2 и G3. То есть первое промежуточное зубчатое колесо G1 вращается в том же направлении на своих противоположных сторонах. Следовательно, эффективность передачи силы вращения увеличивается.

Второй механизм передачи энергии содержит второе промежуточное зубчатое колесо G5, смонтированное на опорном вале так, что второе промежуточное зубчатое колесо G5 может вращаться подшипником, причем второе промежуточное зубчатое колесо G5 расположено соосно с первым промежуточным зубчатым колесом G1, зубчатое колесо G6, смонтированное на вращающемся вале S1 первого и четвертого блоков 10 и 16 вращающихся лопастей так, что зубчатое колесо G6 может вращаться вместе с вращающимся валом S1 первого и четвертого блоков 10 и 16 вращающихся лопастей, причем зубчатое колесо G6 находится в зацеплении с вторым промежуточным зубчатым колесом G5, ведомое зубчатое колесо G7, находящееся в зацеплении с вторым промежуточным зубчатым колесом G5 под вторым промежуточным зубчатым колесом G5 так, что ведомое зубчатое колесо G7 может вращаться вместе с вторым промежуточным зубчатым колесом G5, и вращающийся вал S5, смонтированный в центре ведомого зубчатого колеса G7 для передачи вращательного движения ведомого зубчатого колеса G7 на магнитный полюс 120 электрического генератора 100.

Для удобства описания подшипники для вращательной опоры вышеупомянутых вращающихся валов на чертеже не показаны, поскольку конструкции подшипников хорошо известны специалистам в данной области техники. Предпочтительно вышеупомянутые зубчатые колеса являются коническими. Также не будет приведено подробное описание вращающейся конструкции ротора и магнитного полюса, поскольку вращающаяся конструкция ротора и магнитного полюса хорошо известна специалистам в данной области техники.

Ротор 100 и магнитный полюс 120 электрического генератора 100 вращаются в противоположных направлениях первым и вторым механизмами передачи энергии, имеющими вышеуказанную конструкцию, для генерации электроэнергии.

Например, в случае генератора, который генерирует электроэнергию только путем вращения ротора, при частоте вращения 10 об/с генерируется 1 кВт. У генератора согласно настоящему изобретению, с другой стороны, ротор вращается с частотой 10 об/с по часовой стрелке, и магнитный полюс вращается с частотой 10 об/с против часовой стрелки, генерируя в совокупности 20 кВт.

Следовательно, количество генерируемой электроэнергии может быть удвоено при использовании такой же конструкции. Кроме того, такое же количество электроэнергии может быть произведено генератором, имеющим меньшую мощность, и поэтому можно снизить нагрузку, прилагаемую к ветроэнергетической установке.

Промышленная применимость

Из вышеприведенного описания очевидно, что настоящее изобретение подходит для использования в качестве ветроэнергетической установки.

Хотя лучший вариант осуществления настоящего изобретения был описан для иллюстративных целей, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны различные модификации, добавления и замены без отхода от объема и сущности изобретения, описанного в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для производства электроэнергии. Система генерации электроэнергии содержит четыре блока вращающихся лопастей, смонтированных парами на противоположных концах соответствующих вращающихся валов, которые размещены в корпусе на верхнем конце опорной мачты. Система также содержит механизм передачи энергии для передачи вращательного движения двух блоков на ротор электрического генератора, механизм передачи энергии для передачи вращательного движения двух других блоков на магнитный полюс электрического генератора и электрический генератор для генерации электроэнергии посредством вращения ротора и магнитного полюса в противоположных направлениях, обеспечиваемого путем вращательного движения блоков, передаваемого на ротор и магнитный полюс механизмами передачи энергии. Лопасти каждого последующего блока выполнены с длиной, превосходящей длину лопастей предыдущего блока. Механизмы передачи энергии выполнены в виде системы зубчатых колес. Система генерации электрической энергии обеспечивает повышение производства электроэнергии при слабых ветрах. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула