RO134769B1 - Dispozitiv mecano-electric cu compensare gravitaţională pentru generarea energiei electrice - Google Patents

Description

RO 134769 Β1

Invenția se referă la un dispozitiv și un sistem, prin intermediul cărora se generează în mod autonom energie electrică.

Domeniul tehnic al invenției se referă la sistemele de generare a energiei electrice, atât statice cât și dinamice, care transformă în energia electrică alte tipuri de energie.

Se cunosc mai multe invenții prin care se dorește obținerea energiei electrice utilizând energia cinetică a unui corp în mișcare.

Astfel în documentul US 2012152634 A1 este prezentat un ansamblu în care o a cincea roată montată sub vehicul este în contact cu un generator pentru a produce energie electrică.

Se mai cunoaște și documentul US 9425671 B1, care dezvăluie un dispozitiv de generare a energiei electrice obținută din deplasarea vehiculelor, format dintr-o bază mobilă cuprinzând o platformă și o axă cu o pereche de roți montate în capete, axa incluzând un set de angrenaje diferențiale și o pereche de arbori de ax care se extind de la setul de angrenaje diferențiale și având o roată montată pe fiecare axă, astfel încât rotația roților să rotească arborii și setul de angrenaje diferențiale, axa incluzând și un scripete de ieșire montat pe setul de angrenaje diferențiale care poate fi rotit, iar un ansamblu generator este montat pe baza mobilă, fiind format dintr-un generator electric având un arbore de intrare și un scripete de intrare montată pe arborele de intrare, o curea de transmisie este montată pe scripetele de intrare și scripetele de ieșire, un circuit de ieșire a puterii conectat electric la generator și o baterie conectată electric la generator pentru a primi energie de la circuitul de ieșire de putere al ansamblului generatorului.

De asemenea, mai este cunoscut documentul US 20110320074 A1, care dezvăluie un mecanism de recuperare și refolosire a energiei cinetice, care poate fi montat în partea de jos a unui vehicul pentru un centru de greutate scăzut și cu o reducere minimă a spațiului interior, energia cinetică recuperată fiind transformată în energie electrică prin intermediul unui generator electric.

Se mai știe și documentul US 20100327600 A1, în care este dezvăluit un sistem de generare a energiei, care conține cel puțin o roată, un braț de tracțiune este cuplat pivotabil la un tren de rulare al unui vehicul pentru a converti energia de rotație generată de cel puțin o roată în energie electrică.

Dezavantajul acestei invenții, precum și a altor soluții existente, este datorat faptului că producerea energiei electrice prin aceste metode implică un consum sporit de energie mecanică, respectiv un consum suplimentar al motorului, aceste soluții fiind ineficiente din punct de vedere al balanței energetice.

Problema tehnică pe care își propune să o rezolve invenția, constă în generarea de energie electrică cu un consum minim de energie mecanică.

Soluția rezolvă problema tehnică prin dispozitivul mecano-electric cu compensare gravitațională și sistemul autonom de generare a energiei electrice. Dispozitivul mecano-electric este constituit dintr-un ansamblu de două roți, un angrenaj de transmisie, un braț central care găzduiește un generator fixat într-o carcasă cilindrică, un amortizor și un cap de prindere la un ansamblu culisant fixat pe carcasa gazdă. Sistemul folosește diverse variante de asamblare statice sau mobile a dispozitivului mecano-electric și pe lângă acesta cuprinde un modul de comandă și control, niște senzori și o baterie cu acumulatori, cu scopul de a genera energie electrică în mod autonom.

Principiul de funcționare a sistemului folosește energia gravitațională, respectiv distribuția greutății pe mai multe axe ale unui ansamblu cinematic.

RO 134769 Β1

Gravitația nu este folosită pentru accelerarea ansamblului cinematic în sens clasic, 1 ci componenta ei pe o anumită axă creează un moment de rotație care se opune decelerării atunci când apar momentele forțelor de frânare, în cazul nostru frecările din ansamblul 3 cinematic și frânarea electromagnetică a generatorului.

Compensarea gravitațională este o formă de reacțiune la acțiunea de frânare a 5 generatorului electric.

Când generatorul intră în sarcină, apare o forță electromagnetică datorită forței 7 Laplace între electromagneții și magneții permanenți care se transmite prin intermediul axului generatorului la angrenajul de transmisie. Din interacțiunea roților dințate ce compun 9 angrenajul de transmisie, rezultă că ansamblul de roți este frânat. Mai precis, el împinge de la stânga spre dreapta prin brațul generatorului în punctul de fixare. 11 în contrapartidă, greutatea generatorului și a brațului împing, tot prin intermediul punctului de fixare, dar în sens opus. în momentul în care greutatea generatorului și greu- 13 tatea brațului (care sunt alese în faza de proiectare, raportat la dimensiunile generatorului, respectiv la puterea acestuia și la momentul de torsiune), compensează, în mare parte, în 15 modul explicat mai sus, frânarea generatorului, apare o scădere a cantității de energie mecanică necesară pentru acționarea ansamblului rulant, deci și un consum mic de energie 17 electrică la motor.

în mod obișnuit pentru a produce o anumită cantitate de energie electrică de către 19 un generator, este nevoie de o cantitate mai mare de energie mecanică (randament subunitar). De asemenea, pentru producerea unei cantități de energie mecanică de către un 21 motor electric este nevoie de o cantitate mai mare de energie electrică (din nou randament subunitar). Acest lucru se întâmplă și în cazul nostru cu fiecare element, motor și generator, 23 fiecare din ele separat, având randamente subunitare în cadrul funcționării în acest sistem. Dar datorită compensării gravitaționale care are loc ca urmare a acțiunii forței de greutate 25 a generatorului împreună cu cea a brațului, care exercită o forță de împingere pe axa brațului raportată la punctul de fixare din cadrul ansamblului culisant (punctul de fixare fiind o 27 suprafață de reacțiune/contră), „împingere” care are loc în direcția opusă față de direcția imprimată de frânarea generatorului în sarcină, rezultând diminuarea semnificativă a anergiei 29 de frânare transmisă în banda ansamblului rulant, de către ansamblul de roți, deci și consumul motorului electric, deoarece energia mecanică pe care acesta trebuie să o producă 31 pentru a învârti ansamblul de roți este mai mică.

Astfel, forța de frânare a generatorului, prin această compensare gravitațională, este 33 transformată într-o mică frânare în plan orizontal și o apăsare în plan vertical pe suprafața de contact dintre ansamblul de roți și suprafața rulantă. Această apăsare verticală nu 35 impactează consumul motorului electric în mod semnificativ, deoarece ea se transmite în rulmenții conectați la carcasa sistemului rulant, care au o frânare minimă. 37

Astfel, per total, cantitatea de energie electrică produsă de către sistem este mai mare decât cantitatea de energie electrică consumată de motor, în condițiile speciale de 39 funcționare cu viteză constantă a benzii rulante, cu toate că fiecare componentă în parte generator, motor - au randamente subunitare, toate acestea datorită faptului că energia 41 mecanică pe care trebuie să o producă motorul datorită frânării generatorului este compensată gravitațional în mare măsură. 43

De asemenea, culisarea capului de prindere pe ansamblul culisant se produce cu un anumit consum de energie electrică, dar această cantitate este una nesemnificativă per total, 45 deoarece această culisare nu este continuă, ci din contră, ea se întâmplă rar și anume doar în momentele în care brațul cu generator trebuie poziționat la un anumit unghi față de 47 orizontală.

RO 134769 Β1

Realizând controlul echilibrului dinamic al dispozitivului mecano-electric cu ajutorul gravitației și prin intermediul deciziilor luate la nivelul modulului de comandă și control, practic se reușește anihilarea momentelor forțelor de frânare ce se opun mișcării. Scopul acestui echilibru este mișcarea cu turație constantă a ansamblului de roți și implicit a rotorului generatorului electric.

Astfel procesul de generare de energie electrică la nivelul sistemului afectează foarte puțin consumul de energie mecanică.

Avantajele sistemului autonom pentru generarea energiei electrice prin compensare gravitațională sunt următoarele:

- este un sistem relativ simplu și ușor de construit;

- nu are un impact negativ asupra mediului;

- face posibilă generarea autonomă și distribuită a energiei electrice, independent de prezența altor surse de energie, amplasarea sistemelor urmărind cu eficiență nevoia de consum;

- crește în mod considerabil autonomia vehiculelor cu propulsie electrică, cu condiția adoptării unui regim de circulație preponderent cu viteză constantă.

Se dă un prim exemplu de realizare practică a dispozitivului mecano-electric cu compensare gravitațională și a sistemului autonom pentru generarea energiei electrice în legătură și cu figurile:

- fig. 1, dispozitivul mecano-electric cu compensare gravitațională;

- fig. 2, sistem autonom pentru generarea energiei electrice.

Dispozitivul mecano-electric cu compensare gravitațională este format dintr-un ansamblu 1 de roți, un braț 2 central, un angrenaj 3 de transmisie și un ansamblu 4 culisant. Ansamblul 1 de roți este format din două roți la identice conectate între ele prin intermediul unui arbore 1b central, care este fixat de roțile 1a, rotindu-se o dată cu ele și are în centru roata 3a dințată motoare a angrenajului 3 de transmisie. Arborele 1b central se conectează cu cele două brațe 2a laterale ale brațului 2 central și cu amortizoarele 1c verticale prin intermediul unor rulmenți 1 d. Roata 3a dințată motoare acționează roata 3b dințată antrenată conectată la axul generatorului 2b. Amortizoarele 1 c verticale au rolul de a amortiza vibrațiile și de a acționa în plan vertical asupra ansamblului 1 de roți la nevoie.

Brațul 2 central este format din două brațe 2a de conectare la arborele 1b central al ansamblului 1 de roți, un generator 2b fixat într-o carcasă 2e cilindrică și conectat la ansamblul 1 de roți prin intermediul angrenajului 3 de transmisie, un amortizor2c longitudinal și un cap 2d de prindere la un ansamblul 4 culisant. Ansamblul 4 culisant este fixat pe gazda sistemului, care poate fi o carcasă fixă sau un vehicul mobil, permițând mișcarea brațului 2 central pe un arc de cerc în jurul arborelui 1b central.

Brațele 2a de conectare se fixează prin intermediul rulmenților 1d la arborele 1b central fiind situate de-o parte și de alta a roții 3a dințate motoare și sunt conectate și susțin carcasa 2e cilindrică ce fixează generatorul 2b. Acestea se întâlnesc după carcasa 2e cilindrică într-un corp comun care se continuă cu amortizorul 2c longitudinal. în vederea protejării angrenajului 3 de transmisie, se poate fixa în partea din față a brațelor 2a de conectare o carcasă de protecție a acestuia.

Generatorul 2b este centrat longitudinal, fixat într-o carcasă 2e cilindrică și este conectat de ansamblul 1 de roți prin intermediul unui angrenaj 3 de transmisie cu roți dințate. Are dublu rol, pe de o parte de a genera energia electrică prin turația transmisă de la ansamblul 1 de roți și pe de altă parte greutatea lui este folosită, împreună cu cea a brațului 2 central pentru generarea în ansamblul 1 de roți a momentului de compensare a frânărilor datorate frecărilor și funcționării în sarcină a generatorului 2b.

RO 134769 Β1

Amortizorul 2e longitudinal face legătura dintre carcasa 2e a generatorului și capul 1 2d de prindere de ansamblul 4 culisant. Are ca rol principal preluarea vibrațiilor care apar în timpul funcționării, datorate interacțiunilor care au loc în ansamblul 1 de roți, precum și 3 tendința de alunecare în anumite condiții a ansamblului 1 de roți.

Capul 2d de prindere face legătura între amortizorul 2e și ansamblul 4 culisant și este 5 prevăzut cu două brațe 2g laterale care culisează pe un arc de cerc având ca rază lungimea brațului 2 central. 7

Ansamblul 4 culisant este fixat pe gazda sistemului și are rolul de a mișca și fixa capul 2d de prindere al brațului 2 central, în jurul ansamblului 1 de roți astfel încât să se 9 obțină poziția optimă a brațului 2 raportată la nevoile sistemului.

Angrenajul 3 de transmisie este compus dintr-o roată 3a dințată motoare fixată pe 11 arborele 1b central și una sau mai multe roți 3b dințate antrenate, conectate la rotorul generatorului 2b prin axul acestuia. Rolul lui este de a transmite către generatorul 2b o 13 turație suficientă pentru funcționarea lui în sarcină. Raportul de transmisie este calculat în funcție de parametri dinamici și dimensiunile ansamblului 1 de roți. 15

Modulul 5 de comanda și control preia informațiile venite de la senzorii 7, analizează și decide funcționarea optimă a sistemului. Modulul 5 de comandă și control are rolul de a 17 menține starea de echilibru dinamic a sistemului, ansamblul 1 de roți fiind păstratîn mișcarea de rostogolire fără alunecare pe calea de rulare. 19

Sistemul autonom pentru generarea energiei electrice, în acest exemplu de realizare practică este static și este compus din dispozitivul mecano-electric, ansamblul 6 rulant care 21 antrenează ansamblul 1 de roți, senzori 7, un modul 5 de comandă și control, o baterie 8 cu acumulatori cu rol în alimentarea motorului 6c și o carcasă 9 fixă și care conține toate 23 elementele componente ale sistemului.

Ansamblul 6 rulant este format dintr-o bandă 6a continuă care se mișcă între două 25 role, o rolă 6b motoare acționată de un motor 6c electric și o rolă 6d simplă care are și rol de întindere a benzii. între rola 6b motoare și rola 6c simplă mai sunt dispune una sau mai 27 multe role 6e de preluare a greutății dispozitivului mecano-electric, toate rolele fiind fixate pe niște elemente laterale conectate la carcasa 9, care e fixă. Carcasa 9 poate conține și niște 29 ghidaje laterale pentru fixarea ansamblului 1 de roți în timpul rotației acestuia.

Carcasa 9 este construită în funcție de locul unde va fi amplasată, este fixată, 31 găzduiește și susține elementele constitutive ale sistemului.

Sistemul autonom pentru generarea energiei electrice funcționează în felul următor: 33 Se poziționează dispozitivul mecano-electric cu centrul de rotație pe aceeași verticală cu centrul rolei 6e de preluare a greutății, iar prin intermediul ansamblului 4 culisant se 35 fixează brațul 2 central la un anumit unghi cu verticala, astfel încât momentul creat de greutatea acestuia la nivelul ansamblului 1 de roți să fie opus ca sens momentului forțelor 37 de frânare (fig. 2).

Se pornește motorul 6c electric alimentat de la bateria 8 de acumulatori, care 39 antrenează prin intermediul rolei 6b motoare a ansamblului rulant banda 6a rulantă respectiv ansamblul 1 de roți și generatorul 2b, într-o mișcare accelerată, până se imprimă rotorului 41 generatorului 2b turația dorită. Pe acest tronson solicitarea motorului 6c este maximă, iar generatorul nu este în sarcină. Pentru a evita alunecarea roților pe zona aceasta de accele- 43 rație, amortizoarele 1c verticale pot genera o apăsare suplimentară pe ansamblul 1 de roți.

în acest moment viteza de rotație rămâne constantă iar generatorul 2b este pornit în 45 sarcină. Cuplul de rotație generat ansamblului 1 de roți de către forțele de frânare datorate funcționării în sarcină a generatorului și frecărilor din ansamblul cinematic este maxim și este 47

RO 134769 Β1 compensat de cuplul generat de componenta în lungul brațului 2 central a greutății acestuia față de punctul de contact cu suprafața de rulare a ansamblului 1 de roți. Capul 2d de prindere al dispozitivului este poziționat prin intermediul ansamblului 4 culisant până la nivelul la care sistemul este echilibrat dinamic, apăsarea pe ansamblul 6 rulant este minimă, iar din echilibrul momentelor forțelor care acționează asupra ansamblului 1 de roți rezultă că roțile 1 pot să-și continue mișcarea cu viteză constantă.

Din echilibrul momentelor care acționează asupra ansamblului 1 de roți și apăsarea pe verticală minimă rezultă și un consum redus al motorului electric, acesta putând fi alimentat direct de la generator în timpul mișcării cu turație constantă.

în funcție de capacitatea generatorului 2b și nevoile de energie electrică sistemul poate să conțină mai multe dispozitive mecano-electrice antrenate de același ansamblu 6 rulant, cu lungime mai mare și un număr corespunzător de role 6e de preluare a greutății, în acest caz trebuie ales un motor suficient de puternic pentru a putea accelera dispozitivele până la turația de lucru.

Astfel sistemul generează suficientă energie electrică pentru alimentarea consumatorilor, independent de existența altor surse de energie.

Se prezintă al doilea exemplu de realizare practică a sistemului autonom de generare a energiei electrice în legătură și cu figurile:

- fig. 3, vedere de ansamblu a sistemului autonom de generare a energiei electrice în varianta mobilă cu dispozitivul conectat la un vehicul auto;

- fig. 4, vedere de ansamblu a sistemului autonom de generare a energiei electrice în varianta mobilă cu dispozitivul conectat la un vagon de tren.

Sistemul autonom de generare a energiei electrice are dispozitivul mecano-electric conectat în partea inferioară a caroseriei unui vehicul, de preferat în zona lui mediană, unde a fost stabilit locul suficient pentru dimensiunile acestuia, având ansamblul 11 de roți în contact cu carosabilul, astfel încât momentul creat de greutatea brațului 2 central la nivelul ansamblului de roți să fie opus ca sens momentului forțelor de frânare (fig. 3). Ansamblul 11 de roți are o construcție specială, pentru a putea fi fixat la nivelul unui vehicul. Roțile 11 sunt adaptate pentru calea de rulare utilizată (carosabil, cale ferată).

Scopul sistemului este de a produce energie electrică la nivelul vehiculelor aflate în mișcare, cu un consum minim de energie mecanică. Cantitatea de energie electrică produsă nu este suficientă pentru a putea acoperi nevoile energetice ale vehiculului pe parcursul mișcării accelerate ale acestuia, motorul fiind alimentat de pe bateria de acumulatori în această fază. Pentru palierele de mișcare cu viteză constantă corespunzătoare cu turația de lucru a generatorului 2b, când consumul motorului este minim, cantitatea de energie electrică poate fi suficientă pentru a alimenta direct motorul electric și pentru a încărca bateria.

La pornirea de pe loc, motorul este alimentat de bateria vehiculului, capul 2d de prindere este coborât la un unghi care să-i permită preluarea forțelor de accelerație cu impact minim asupra sistemului. Amortizoarele 1 c verticale pot să exercite o apăsare suplimentară asupra ansamblului 11 de roți în caz de nevoie. Generatorul 2b nu este în sarcină la acest moment. în momentul ajungerii la viteza corespunzătoare turației de lucru, vehiculul se oprește din accelerație, rulând cu o viteză constantă, deci cu un consum minim. Generatorul 2b intră în sarcină alimentând motorul sau modulul de încărcare a bateriei. în acest moment cuplul de rotație al forțelor de frânare datorat producerii de energie electrică și frânărilor din ansamblul cinematic este maxim și este compensat de cuplul generat de componenta în lungul brațului 2 central a greutății acestuia. Capul 2d de prindere va fi culisat în față până la un punct la care sistemul devine echilibrat dinamic. Astfel acțiunea mecanică asupra vehiculului, deci consumul energetic datorat funcționării generatorului 2b este minim.

RO 134769 Β1

Sistemul are angrenajul 10 de transmisie tip cutie de viteze, astfel vor putea fi mai 1 multe viteze constante la care să se poată genera energie electrică, deci mai multe nivele de turații ale ansamblului 11 de roți pentru aceeași turație a generatorului 2b. în cazul în care 3 se schimbă condițiile de drum respectiv coeficientul de frecare între ansamblul 11 de roți și carosabil, brațul 2 central va fi culisatînainte sau înapoi prin acțiunea ansamblului 4 culisant, 5 pentru a echilibra aceste condiții.

în timpul deplasării amortizoarele 1 c, 2c, preiau vibrațiile datorate interacțiunii dintre 7 ansamblu 11 de roți și carosabil, iar la situația de echilibru, acestea nu acționează asupra ansamblului 11 de roți. 9

Modulul 5 de comandă și control preia informațiile venite de la senzorii 7, analizează și decide funcționarea optimă a sistemului. Modulul 5 este conectat la computerul central al 11 vehiculului de unde preia în timp real datele cu privire la parametri dinamici și ia decizii în conformitate cu nevoile sistemului. 13

Modulul 5 de comandă și control are rolul de a menține starea de echilibru dinamic a sistemului, cu ajutorul senzorilor 7, ansamblul 11 de roți fiind păstrat în mișcarea de 15 rostogolire fără alunecare pe calea de rulare.

în cazul în care apare un eveniment cu impact mecanic mare asupra brațului 2 17 central, cum ar fi un viraj strâns, o groapă mare, o frânare bruscă, eveniment identificat de senzorii existenți, modulul 5 de comandă și control poate să decidă ridicarea ansamblului 11 19 de roți de pe carosabil, prin intermediul amortizoarelor 1c verticale. Atunci când ansamblul 11 de roți este ridicat de la pământ, fie la plecarea de pe loc, fie în timpul mersului, ansam- 21 blul 11 de roți poate fi adus la turația corespunzătoare vitezei de deplasare a vehiculului și prin conversia generatorului 2b în motor și alimentarea acestuia de la baterie. 23

Astfel sistemul produce suficientă energie încât să contribuie la o autonomie semnificativă a vehiculelor în condițiile deplasării cu viteză preponderent constantă. 25

Același sistem poate fi montat și la vehicule comerciale, remorci sau la nivelul trenurilor (fig.4), unde acesta poate fi montat la fiecare vagon, numărul sistemelor depinzând 27 de nevoile de energie electrică și capacitatea locomotivei de a accelera până la atingerea vitezei de lucru a generatoarelor. Trenul poate să transporte și containere de baterii cu 29 acumulatori care se pot încărca pe parcursul călătoriei.

Claims (3)

1. RO 134769 Β1

   Revendicări

   1. Dispozitiv mecano-electric cu compensare gravitațională, constituit dintr-un ansamblu (1) de roți care cuprinde două roți (1a) identice conectate între ele prin intermediul unui arbore (1b) central, caracterizat prin aceea că în mijlocul arborelui (1b) central este montată o roată (3a) dințată motoare, de o parte și de alta a roții (3a) sunt fixate două amortizoare (1c) verticale, un braț (2) central este conectat la arborele (1b) central prin intermediul a două brațe (2a) laterale, brațul (2) central se continuă cu un generator (2b) amplasat într-o carcasa (2e) cilindrică, un amortizor (2c) longitudinal și un cap (2d) de prindere sunt fixate pe un ansamblu (4) culisant, antrenarea generatorului (2b) realizându-se prin intermediul unui angrenaj (3) de transmisie format din roata (3a) dințată motoare și o roată (3b) dințată antrenată de pe axul generatorului (2b).
2. 2. Dispozitiv mecano-electric cu compensare gravitațională, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că acesta este pus în mișcare de un ansamblu (6) rulant ce conține o bandă (6a) rulantă, o rolă (6b) motoare acționată de un motor (6c) electric, o rolă (6d) simplă cu rol de întindere, o rolă (6e) de preluare a greutății dispozitivului, niște senzori (7), un modul (5) de comandă și control, o baterie (8) cu acumulatori și o carcasă (9) cu o poziție fixă, pentru montarea și protejarea elementelor componente.
3. 3. Dispozitiv mecano-electric cu compensare gravitațională, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că acesta este montat pe un vehicul mobil, un ansamblu (11) de roți cu construcție particularizată pentru calea de rulare utilizată, carosabil sau cale ferată, un angrenaj (10) de transmisie tip cutie de viteze, niște senzori (7) și un modul (5) de comanda și control conectat la computerul central al vehiculului, care asigură echilibrul dinamic al sistemului.