RU214357U1

RU214357U1 - Autonomous power supply device

Info

Publication number: RU214357U1
Application number: RU2020141331U
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Целищев; Галина Александровна Анохина; Раиль Идиятович Саитов; Сергей Петрович Кожевников
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-10-25

Abstract

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.The utility model relates to mechanical engineering and energy and can be used to create wind turbines, propellers and propellers to protect them. When creating wind turbines, the main danger is not only the well-known fact of vibration and bending of the supporting structure under strong wind loads, but also the behavior, in particular, the deformation of the propeller blades themselves.

Техническим результатом, ожидаемым от использования предполагаемой полезной модели, является повышение эффективности системы защиты лопастей винта от порывистого и(или) сильного ветра.The technical result expected from the use of the proposed utility model is to increase the efficiency of the propeller blade protection system from gusty and (or) strong winds.

Технический результат достигается тем, что в устройство автономного электропитания 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.

The technical result is achieved by the fact that a second propeller with blades, a guide shank with two plates holding the wind generator in the direction of the wind, a reduction gear, a metal coil, a cable, a guide spool, a rotation angle limiter between the shank and the wind generator connected to a shank, a limit stop connected to the wind generator, a return spring, a damping spring and a square with holes for selecting the tension force of the damping spring, the input shaft of the reduction gear is rigidly connected to the axis of the second screw, and a metal coil connected to the first end is rigidly mounted to the output shaft a cable, the second end of which is connected through a guide roller to a square with holes attached to the wind generator, and the return spring is attached to the wind generator and the tail with its ends so that there is no free play (backlash) between them, and the wind generator and the tail The wick is freely seated on the rack and can be rotated relative to each other within the limits allowed by the rotation angle limiter connected to the guide shank.

Description

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.The proposed utility model relates to mechanical engineering and energy and can be used to create wind turbines, propellers and propellers to protect them. When creating wind turbines, the main danger is not only the well-known fact of vibration and bending of the supporting structure under strong wind loads, but also the behavior, in particular, the deformation of the propeller blades themselves.

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.A mobile autonomous power supply system is known (patent RU No. 2452637, publ. 06/10/1911), containing a wind generator, a solar-to-electrical energy converter, batteries, the outputs of which are connected to the load through a voltage inverter and a switchgear, a control unit, a radio channel unit with an antenna connection , connected to the control node and a remote central control point. The control inputs/outputs of the control unit are connected to the corresponding control inputs/outputs of the inverter and switchgear. The batteries contain at least three sections. The wind generator and the solar-to-electrical energy converter are connected to the battery sections through the battery charge unit, the control input of which is connected to the output of the control unit. The body of the system is made in the form of a trailer mounted on a wheeled chassis, while the wheeled chassis is equipped with fasteners for transporting the trailer by air. The wheeled chassis is also equipped with a tow hitch for attaching to a tractor. In the transport state of the system, the wind generator is located inside the trailer, and in the expanded state it is fixed in the end part of the trailer or on the roof.

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.The disadvantage of the known solution is that the constantly changing battery charge current due to direct connection through the rectifier to the wind generator and solar energy converter, as well as pulsed currents in gusty winds, lead to accelerated wear of the batteries, and strong gusty winds can lead to very significant deformations of the blades. turbines (screws) close to critical.

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).In the patent CN 101450909, F03D 7/04, 1909-10-07, a wind turbine safety system is described that controls the dynamic balance of the blades and contains a group of sensors, a control unit, a balancing element and a drive. The signal from the group of sensors is fed to the control unit, the latter generates a signal that controls the drive, and the drive moves the balancing element. The wind generator is controlled by a corresponding computer (processor).

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.Its main disadvantage is the complexity in technical implementation and low efficiency due to the insensitivity of the balancing mechanism to the relative position of the blades, at the same time, even small unbalance values can correspond to very significant deformations of the propeller blades close to critical ones.

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.The closest (prototype) is an autonomous power supply device (patent RU No. 2692866, published: 06/28/1918 Bull. No. 18), containing a wind generator, a solar-to-electrical energy converter, a battery charger, batteries, the outputs of which are connected through a voltage inverter and a switchgear to the load, and a control unit, a supercapacitor charge unit and a supercapacitor unit, wherein the supercapacitor charge unit is connected in parallel with the battery charge unit to the wind generator and the solar-to-electrical energy converter, and is connected with the output to the input of the supercapacitor unit, the output of which is connected to the input battery charger unit. In this technical solution, due to the introduction of a supercapacitor charging unit and a supercapacitor unit, the batteries are protected from rapid wear, and the propeller blades are not protected from gusty winds.

Техническим результатом, ожидаемым от использования предполагаемой полезной модели, является повышение эффективности системы защиты лопастей винта от порывистого и (или) сильного ветра.The technical result expected from the use of the proposed utility model is to increase the efficiency of the propeller blade protection system from gusty and (or) strong winds.

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.The technical result is achieved by the fact that in an autonomous power supply device containing a wind generator, a battery charge unit, batteries, the outputs of which are connected through a voltage inverter and a switchgear to the load, and a control unit, a supercapacitor charge unit, a supercapacitor unit, while the supercapacitor charge unit the input is connected parallel to the battery charger unit to the wind generator, and the output is connected to the input of the supercapacitor unit, the output of which is connected to the input of the battery charger unit, a second propeller with blades is additionally introduced, a guide shank with two plates holding the wind generator in the direction of the wind, a reduction gear, metal spool, wire rope, guide spool, rotation angle limiter between shank and wind turbine connected to shank, limit stop connected to wind generator, return spring, damping spring and square with holes, for selecting the tension force of the damping spring, wherein the input shaft of the reduction gear is rigidly connected to the axis of the second screw, and a metal coil is rigidly mounted to the output shaft, connected to the first end of the cable, the second end of which is connected through a guide roller to an angle with holes attached to the wind turbine, and the return spring is attached with its ends to the wind generator and the shank so that there is no free play (backlash) between them, and the wind generator and shank are freely seated on the stand and can rotate relative to each other within the limits allowed by the rotation angle limiter connected to the guide shank.

Для раскрытия сущности предлагаемой полезной модели рассмотрим структурную схему полезной модели фиг. 1)и фиг. 2-5, гдеTo reveal the essence of the proposed utility model, consider the block diagram of the utility model of Fig. 1) and fig. 2-5, where

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.1 - rack, 2 - wind generator, 3 - guide shank, 4 - second screw, 5 - reduction gear, 6 - metal coil, 7 - cable, 8 - damping spring, 9 - square with holes, 10 - return spring, 11 - battery charge unit, 12 - supercapacitor charge unit, 13 - supercapacitor unit, 14 - voltage inverter, 15 - control unit, 16 - rechargeable batteries (batteries), 17 - switchgear, 18 - guide roller, 19 - rotation angle limiter between the shank and a wind generator, 20 - limit stop.

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.The autonomous power supply device contains a wind generator 2, the output of which is connected to the input of the battery charge unit 11 and in parallel to the input of the supercapacitor charge unit 12, the output of the battery charge unit I is connected to the input of storage batteries (ACB) 16, and the output of the supercapacitor charge unit 12 is connected to the input of the unit supercapacitors 13, the outputs of batteries (batteries) 16 are connected to the input of the voltage inverter 14, the output of the block of supercapacitors 13 is connected to the input of the battery charge unit 11, the outputs of which are connected to the input of the battery 16 and the voltage inverter 14. The output of the voltage inverter 14 is connected to the input of the distribution device 17, which has load connection terminals. The control unit 15 is connected by inputs and outputs to the battery charge unit 11 and the supercapacitor charge unit 12, as well as to the voltage inverter 14 and switchgear 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.When wind and / or sunlight appears, the wind starts to rotate the wind wheel of the wind generator 2, connected to the shaft of the permanent magnet generator, which generates voltage. The voltage is applied to the input of the battery charge unit 11 and the supercapacitor charge unit 12. The moment when voltage appears at the inputs of the charge units is recorded by the control unit 15 and sends a signal to charge the supercapacitor unit 13. After the supercapacitor unit 13 is fully charged, the control unit 15 sends a signal to charge the battery 16 When the control unit 15 detects the absence of voltage at the input of the supercapacitor charge unit 12 from element 2, it sends a signal to the battery charge unit 11 to apply voltage from the output of the supercapacitor unit 13 to charge the battery 16. DC voltage from the output of the battery 16 and/or the charge unit Battery I is fed to the input of the voltage inverter 14, in which it is converted into alternating voltage and from the output of the voltage inverter 14 is fed to the input of the switchgear 17, to the outputs of which you can connect a phone, tablet, laptop, car battery, lighting of road barriers for recharging. With a sharp increase in current consumption by the load, for example, at the time of equipment start-up, to compensate for the voltage drop at the output of the voltage inverter 14, the energy stored on the supercapacitor plates of the supercapacitor unit 13 is consumed by applying voltage from the output of unit 13 to the input of the battery charge unit 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.In a moderate wind, the second screw 4 rotates the reduction gear 5, while the cable 7 is wound on the coil 6 and the damping spring 8 is stretched until its force of resistance to the wind force is balanced, the state of equilibrium is determined by the choice of a hole on the square with holes 9, to which the second end of the damping spring is attached. springs 8. The return spring 10 is in its original position, the wind generator 2 is oriented strictly against the wind.

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.With strong gusts of wind, the state of equilibrium between the resistance force of the damping spring and the wind force is disturbed, the second screw 4 begins to rotate the reduction gear 5, while the cable 7 is wound on the coil 6, and the damping spring 8 is stretched until its resistance force to the wind force is balanced, while at the same time, the angle between the wind generator 2 and the guide shank 3 changes, the return spring 10 stretches, at the same time the guide shank 3 rotates in the direction of the wind, while the wind generator 2 also rotates, moving away from the direction of the wind at the same angle, thereby protecting it from strong gusts of wind . The same thing happens with a constant high level of wind. When the wind strength changes, the described mechanism continuously monitors changes in wind strength, adjusting the position of the wind generator 2 to a safe angle, which is set by the initial tension of the damping spring 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.In FIG. 2-5 show fragments of an operating autonomous power supply device, implemented by the authors on the basis of the MBOU DO "Center for Technical Creativity" Gefest "Ufa city district of the Republic of Bashkortostan.

Claims

An autonomous power supply device containing a wind generator, a battery charger, batteries, the outputs of which are connected through a voltage inverter and a switchgear to the load, and a control unit, a supercapacitor charge unit, a supercapacitor unit, while the supercapacitor charge unit is connected in parallel to the battery charger unit to the wind generator, and the output is connected to the input of the supercapacitor unit, the output of which is connected to the input of the battery charge unit, characterized in that it additionally includes a second screw with blades, a guide shank with two plates holding the wind generator in the direction of the wind, a reduction gear, metal spool, rope, guide spool, rotation angle limiter between shank and wind generator connected to the shank, limit stop connected to the wind generator, return spring, damping spring and square with holes for I select the tension force of the damping spring, wherein the input shaft of the reduction gear is rigidly connected to the axis of the second screw, and a metal coil is rigidly attached to the output shaft, connected to the first end of the cable, the second end of which is connected through a guide roller to an angle with holes attached to the wind generator, and the return spring is attached with its ends to the wind generator and the shank so that there is no free play (backlash) between them, and the wind generator and the shank are freely seated on the stand and can rotate relative to each other within the limits allowed by the rotation angle limiter connected to the guide shank.