Пристрій-модуль для одержання механічної сили та електроенергії

Реферат: Пристрій-модуль для одержання механічної сили та електроенергії складається з півмодуля, який містить поплавок, механізм перетворення, електрогенератор, важелі, один кінець яких механічно пов'язаний з поплавками, а другий кінець з механізмом перетворення, який пов'язаний з ротором електрогенератора. Поплавок з тягарем розміщено в ємності, що наповнена рідиною різної щільності. Важелі сполучені з пристроєм перетворення диференціалом та ротором. Поплавок обладнано клапаном, який дозволяє частково заповнювати поплавок рідиною у верхньому положенні. Додатково введено другий подібний півмодуль, з′єднаний з першим півмодулем паралельно. UA 100608 U (12) UA 100608 U UA 100608 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області поновлюваних джерел енергії, а саме потенційної енергії рідини і кінетичної і гравітаційної енергії занурених в рідину предметів в інші види, переважно в електричну. Відомий спосіб здобуття енергії на основі використання енергії морських хвиль (СА № 2503607 АІ, 11.10.2006, МПК Е 02 В9/08, 17с. Canadian intellectual property office, Chiasson, M. Mario, "Appareil de production d'energie electrique a partir de la force des vagues, apparatus for generating electric power using wave force"). Суть способу полягає в наступному. У прибережній зоні, на невеликій глибині, будують установку, що складається з модулів. Одиничний модуль установки є укріпленою в донному ґрунті стійкою, на якій шарнірно закріплений двоплечий важіль, на одному кінці якого знаходиться поплавець, а інший зв'язаний за допомогою приводу з ротором електрогенератора, що знаходиться в герметично закритому внутрішньому просторі основи, яка кріпиться на дні в прибережній зоні. Коливання поплавка викликають рух двоплечого важеля і через привід обертання ротора електрогенератора, що виробляє електроенергію. Недоліками цього способу є: - модулі можуть піддаватися руйнівній дії штормів; - обмежені принципові можливості по нарощуванню потужностей; - в процесі здобуття енергії не повною мірою використовується потенційна енергія води; - залежність отримуваної енергії від природно кліматичних умов; - непередбачуваність на тривалий термін; - складність виконання конструкції; - дорожнеча конструкції; - низька якість електроенергії через непостійність хвилювання моря. Найбільш близьким аналогом за технічною суттю і позитивному ефекту, що досягається, до пристрою, що пропонується, є пристрій для отримання механічної сили та електроенергії (Устінський Г.І., Устінський М.Г., Шадхіна I.E., Шадхін Е.С., "Пристрій для отримання механічної сили та електроенергії", патент України № 81640, МПК F03B 13/00, Е02В 9/00 від 10.07.2013 p.), який містить поплавок, механічний привод, електрогенератор, важіль, один кінець якого механічно з'єднаний з поплавком, а другий кінець - з механічним приводом, який з'єднаний з ротором електрогенератора. Поплавок встановлено в ємність, заповнювану рідиною. Недоліками цього пристрою є: - недостатній ККД, оскільки поплавок здійснюючи роботу витрачає частину енергії на підйом тягаря; - складність конструкції. Основним недоліком найближчого аналога є: використання тягаря, який знижує ККД. Задачею корисної моделі є здійснення екологічно чистого здобуття енергії на основі використання підіймальної сили Архімеда і гравітаційної сили Ньютона, шляхом одночасного складання кінетичної і гравітаційної енергії двох півмодулей, для здобуття більшого ККД. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій-модуль для одержання механічної сили та електроенергії, що складається з півмодуля, який містить поплавок, механізм перетворення, електрогенератор, важелі, один кінець яких механічно пов'язаний з поплавками, а другий кінець з механізмом перетворення, який пов'язаний з ротором електрогенератора, згідно з корисною моделлю, поплавок з тягарем розміщено в ємності, наповненої рідиною різної щільності, а важелі сполучені з пристроєм перетворення – диференціалом та ротором, при цьому поплавок обладнано клапаном, який дозволяє частково заповнювати поплавок рідиною у верхньому положенні та додатково введено другий подібний півмодуль, з'єднаний з першим півмодулем паралельно. Коливання поплавків півмодулей відбувається за допомогою важелів, в яких розміщені зубчасті рейки, сполучені з одним пристроєм перетворення (без застосування мультиплікатора) передаються на ротор. За рахунок введення синхронізатора та диференціала півмодулі з'єднано паралельно. Таким чином, пристрій-модуль, що запропоновано, дозволяє отримати більше корисної механічної сили при використанні тієї ж самої кількості рідини і можливість виробляти електроенергію. На фіг. 1 зображено загальну принципову схему пристрою для отримання механічної сили. На фіг. 2 наведено конструктивну схему пристрою для перетворення прямолінійного зворотно-поступового руху робочого органу в обертальний рух двох валів. На фіг. 3 Вид А фіг. 2 на елементи передачі кручення. На фіг. 4 наведено схему установки пристроїв - модулів для одержання механічної сили та електроенергії в гірських умовах, використовуючи природне або штучне водоймище. Ланцюг пристроїв-модулів встановлено для збільшення сумарної потужності, отриманої на кожному 1 UA 100608 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пристрої-модулі. Кількість модулів обмежується довжиною траси від верхнього рівня до самого нижнього в залежності від геодезичної висоти місцевості. Пристрій-модуль для отримання механічної сили і електроенергії складається з ємностей 1 та 2 (фіг. 1), поплавків 3, 4, в верхній частині яких розташовані баластні камери 5, 6, які виконують роль додаткових поплавків і тягарів, штанги 7, 8, в яких розміщені зубчасті рейки 9, 10, пристрою перетворення 11, бака витратного 12, ємності накопичувальної 13, трубопроводу 14, засувки 15, засувки 17, трубопроводу 18, засувки 20, трубопроводу 21, засувки 23, трубопроводу 24, засувки 26, трубопроводу 27, жорсткий механічний зв'язок, що складається зі стійки 29, 30, зубчастого колеса 31 (синхронізатора), природне або штучне водоймище 32, що знаходиться вище рівня пристрою, засувки 33, трубопроводу 34; верхнього фіксатора 36; модуля 37; трубопроводу 38; засувки 39; циркуляційного насоса 40, трубопроводу 41, трубопроводу 42, трубопроводу 43, автоматичних клапанів 44, 45. На Фіг. 2 наведено конструктивну схему пристрою для перетворення зворотно-поступового руху робочого органу в обертальний рух валів, що складається з: диференціала 46 - який містить шестерні 47, 48, що розміщені навпроти зубчастих рейок 9, 10, які по черзі входять в зачеплення; шестерні 49, 50, що постійно знаходяться в зачепленні з шестернями 47, 48 на осі 51 на підшипниках качання знаходяться шестерні 47, 48 та 31 - які виконують роль синхронізатора; маховик 52 встановлений на валу 53 шестірні 49; на валу шестірні 49 розташований маховик, вал якого з'єднаний з споживачем крутного моменту наприклад з ротором електрогенератора 54; маховик 55 встановлений на валу 56 шестірні 50, шків 57 встановлений на валу шестірні 50 для передачі крутного моменту на циркуляційний насос 40. На Фіг. 3 наведена конструктивна схема штанг 7, 8, в яких розміщені зубчасті рейки 9, 10 рамки 58, що утримує зубчасті рейки 9, 10 від випадіння зі штанг 7, 8, зчеплення з зубчастими колесами 47, 48 і передачі руху поплавків 3, 4 на штанги 7, 8, стійки 59, роликів 60, тяги 61, верхній фіксатор 35, нижній фіксатор 36. Додатково на Фіг. 1 умовно зображено частина описаного пристрою-модуля 37, що складається з таких самих ємкостей 1, 2, поплавків 3, 4, штанг 7, 8, механізму перетворення 11, бака витратного 12, трубопроводу 38 з засувкою 39. Циркуляційний насос 40 може бути з'єднаний всмоктуючим трубопроводом 38 з ємністю 2, а трубопроводом 41 з ємністю накопичувальною 13. Перелічені вище елементи виконані наступним чином: ємкості 1, 2 - вертикально розташовані баки циліндричної або іншої форми заданих розмірів; поплавки 3, 4 (порожні герметичні тіла) суміщені з баластними камерами 5, 6, які виконують роль додаткових поплавків та тягарів з автоматичними клапанами 44, 45 для швидкого випуску рідини у внутрішній об'єм ємкостей 1, 2; штанги 7, 8 розташовані вертикально на поплавках 3, 4; механізм перетворення 11 - група елементів кінематично зв'язаних між собою і з'єднаних з одної сторони почергово зубчастими рейками 9, 10, а з іншої сторони зі споживачем крутного моменту; бак витратний 12 - ємність для розміщення частини робочої рідини розташований вище баластних камер 5 та 6; ємність накопичувальна 13 для збору, накопичення та зберігання робочої рідини розташована вище бака витратного; трубопроводи 14, які з'єднують ємність накопичувальну 13 з баком витратним 12; засувка 15 - керований механізм для пропуску рідини із ємності накопичувальної 13 до витратного бака 12; трубопровід 21, який з'єднує бак витратний з баластною камерою 6, а трубопровід 18 з баластною камерою 5; засувки 17, 20 - керовані механізми для пропуску рідини із бака витратного почергово в баластні камери 5 та 6; трубопровід 24, з'єднує ємність накопичувальну з ємністю 1; засувка 23 - керований механізм для пропуску рідини з бака накопичувального в ємність 1; трубопровід 34, який з'єднує ємність 1 з ємністю 2; засувка 33 керований механізм для пропуску рідини з ємності 1 в ємність 2; трубопровід 42 для відводу рідини з ємності 2; пристрій-модуль 37 - пристрій для повторного використання робочої рідини використаної в першому модулі, розташований нижче ємності 2 першого модуля; трубопровід 43 для відводу робочої рідини з модуля 37. Стійки 29 та 30, виконані у вигляді зубчастих рейок, розташовані вертикально, жорстко закріплені на поплавках 3 та 4 - що знаходяться у постійному зачепленні із зубчастим колесом 31. На Фіг. 4 наведена схема роботи модулів в гірських умовах. Запропонований пристрій-модуль для одержання механічної сили та електроенергії користуються наступним чином. Ємність накопичувальна 13 заповнюється робочою рідиною, наприклад водою, створивши достатній запас її для безперервної роботи пристрою-модуля. При відкритті засувки 15 рідина по трубопроводу 14 потрапляє в бак витратний 12. Відкривши засувку 23 рідина самопливом надходить до ємності 1. Поплавок 3 підіймається рідиною під впливом виштовхуючої сили 2 UA 100608 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Архімеда, а під дією рідини, що безперервно надходить, переміщується вверх до верхнього крайнього положення, створюючи при цьому направлену, корисну механічну силу заданої величини і за допомогою штанги 7 і рейки 9 проходить передача цієї механічної сили механізму перетворення 11 для перетворення її в корисний крутний момент. При досягненні поплавком 3 верхнього граничного положення, стійка 59 упирається в нижній фіксатор 36, а штанга 7 продовжує переміщення до гори, що призводить до розчеплення рейки 9 з шестірнею 48 за рахунок зміщення роликів 60. 3 з пазів рамки 58 та зміщення роликів 60 в пази рейки 9, при виході рейки 9 з зачеплення з шестірнею 48 автоматично включаються засувки 17 та 33, а робоча рідина по трубопроводу 18 наповнює баластну камеру 5, а по трубопроводу 34 робоча рідина надходить самопливом з ємності 1 в ємність 2, розташовану нижче ємності 1, поплавок 4 підіймається рідиною аналогічно поплавку 3 в ємність 1, оскільки баластна камера наповнюється рідиною, то рух поплавка до низу посилюється шляхом додавання гравітаційної сили Ньютона та кінематичної сили. Отримана кінетична сила в ємності 1 передається за допомогою жорсткого механічного зв'язку зубчатої рейки 29, яка постійно знаходиться в зчепленні з зубчатим колесом 31 та зубчатою рейкою 30, жорстко закріпленою на поплавку 4 ємності 2. Поплавок 4 ємності 2 підіймається до гори під дією виштовхуючої сили Архімеда, тим самим створює кінетичну силу, до якої додається кінетична сила, що отримується в ємності 1 за допомогою жорсткого механічного зв'язку, що призводить до підвищення ККД пристрою-модуля. При виході рейки 9 зі зчеплення з зубчатим колесом 48 та досягненні поплавка 3 верхнього положення в ємності 1, поплавок 4 займає нижнє положення, при цьому тяга 61 упирається у верхній фіксатор 35, зв'язаний з конструкцією модуля, при цьому стійка 59 залишається на місці. Штанга 8 з зубчатою рейкою 10 переміщується вниз, ролики 60 виходять з пазів рейки 10 та притискають її до зубчатого колеса 47. При русі поплавка 4 догори створюється направлена корисна механічна сила заданої величини, а за допомогою штанги 8 та зубчатої рейки 10 відбувається передача цієї механічної сили механізму перетворення 11 та через шестерні 49, 50 та 47 для перетворення її в корисний крутний момент. При досягненні поплавка 4 крайнього верхнього положення та поплавка 3 крайнього нижнього положення, автоматично вмикається клапан 44 і рідина баластної камери 5 переходить самопливом в ємність 1, клапан 44 закривається і автоматично включається засувка 23, і рідина по трубопроводу 24 заповнює ємність 1. Поплавок 3 знаходиться в піднесеному положенні за рахунок рідини в ємності 1, яка перейшла з баластної камери 5, усунувши при цьому стан перехідного процесу, починає підійматися догори виконуючи корисну механічну роботу, що описана вище. Поплавки 3, 4 при русі догори виконують корисну механічну силу. При передачі корисної механічної сили рейкою 9 на зубчате колесо 48 зубчате колесо обертається за годинниковою стрілкою, а зубчате колесо 47 здійснює обертання проти годинникової стрілки, при цьому зубчате колесо 49 постійно обертається проти годинникової стрілки, а зубчате колесо 50 обертається постійно за годинниковою стрілкою. Корисний крутний момент шестірні 50 через вал шестірні 56, на який встановлений маховик 55, передається на шків, пасову передачу на циркуляційний насос 40 для роботи модуля в автономному режимі. Шестірня 31 виступає як синхронізатор і обертається поперемінно за годинниковою стрілкою, коли поплавок 3 підіймається до гори, а поплавок 4 опускається до низу, коли поплавок 4 підіймається догори, то поплавок 3 опускається до низу, шестірня 31 обертається проти годинникової стрілки. Завдяки шестірні 31 стійок 29 та 30 проходить точне співпадіння зубчастих рейок 9 та 10 з відповідними зубчатими колесами 48 та 47 у момент їх зчеплення та розчеплення і передача додавання кінетичної сили, що створюється наповненням робочої рідини баластних камер 5 та 6. Швидкість витоку робочої рідини з ємності 1 в ємність. 2 визначає швидкість підйому або швидкість опускання поплавків 3 та 4 з баластними камерами повними рідини, що суттєво впливає на обороти вихідних валів 53 та 56. Об'єм робочої рідини, що відпрацювала в ємності 1 та 2 по трубопроводах 38 та 42 самопливом надходить в накопичувальну ємність пристрою-модуля 37 для повторного аналогічного використання при умові, що цей пристрій-модуль 37 встановлений нижче першого пристрою-модуля, а наступний пристрій-модуль відповідно, нижче попереднього, в залежності від геодезичної висоти місцевості, що дозволяє отримати сумарну потужність електроенергії. Використану рідину в одному чи кількох пристроях-модулях можливо направити самопливом в природне використання. При замкнутому циклі роботи пристрою-модуля можливо використовувати як робочу рідину воду або рідину з більшою густиною, що дозволить отримати більшу, в порівнянні з водою, виштовхуючу силу Архімеда та, відповідно, більшу механічну силу. На фіг. 4 наведена схема установки "Пристроїв-модулів для одержання механічної сили та електроенергії" в гірських умовах використовуючи природне або штучне водоймище 32. Ланцюг пристроїв-модулів встановлюється для збільшення сумарної потужності отриманої на кожному 3 UA 100608 U пристрої-модулі. Кількість модулів обмежується довжиною траси від верхнього рівня до самого нижнього в залежності від геодезичної висоти місцевості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Пристрій-модуль для одержання механічної сили та електроенергії, що складається з півмодуля, який містить поплавок, механізм перетворення, електрогенератор, важелі, один кінець яких механічно пов'язаний з поплавками, а другий кінець з механізмом перетворення, який пов'язаний з ротором електрогенератора, який відрізняється тим, що поплавок з тягарем розміщено в ємності, що наповнена рідиною різної щільності, а важелі сполучені з пристроєм перетворення - диференціалом та ротором, при цьому поплавок обладнано клапаном, який дозволяє частково заповнювати поплавок рідиною у верхньому положенні та додатково введено другий подібний півмодуль, з′єднаний з першим півмодулем паралельно. 4 UA 100608 U 5 UA 100608 U 6 UA 100608 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7