Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ВОЛКОВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ МЕТОДОМ "ПАРУСНОГО ЗАХВАТА" ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ И СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ

Изобретение относится к области ветро-гелиоэнергетики и может быть использовано для развертывания электростанций на земных и водных пространствах, где присутствуют ветра и солнце. Предлагаемое изобретение, используя в качестве захвата ветрового и солнечного потока устройство в виде сопла Лаваля, позволяет делать электростанцию очень эффективной, легкой и недорогой.

Аналогом технического решения является способ производства электроэнергии [1] (RU 2338089 С2 F03D 1/00, 05.01.2004). В данном способе производится выработка электроэнергии за счет ветра, попадаемого на лопатки турбины, улавливаемого их поверхностью, а также за счет ветра, отраженного от поверхности сопла Лаваля. Устройство, снабженное парусом, выполненным в виде сопла Лаваля в верхней части, в нижней части выполнено плоским, на эту плоскость установлены генераторы

Другим аналогом служит солнечная электростанция - СЭС[3]. За год на Землю приходит 10⁸ кВт·ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2·10¹² т условного топлива. На 40-й широте световой поток, поступающий на поверхность Земли, примерно составляет 0,3 кВт/м², что в 5 раз меньше потока, поступающего на границу атмосферы. Он зависит также от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большей площади с помощью концентраторов, которые применяются в солнечных электростанциях, способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод. Более других распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым над землей, и большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг башни. Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, приводит в действие турбину с электрогенератором. Главное препятствие для распространения СЭС - высокая себестоимость электроэнергии - она в среднем в 7 раз выше, чем на ТЭС.

Также аналогом может служить наиболее перспективное преобразование солнечной энергии - прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток. На сегодня средний КПД фотоэлементов 10÷20%, но в последнее время идет разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих КПД до 40%.

Как известно, Макс Планк в 1900 г. определил, что электромагнитное излучение испускается и поглощается только порциями - квантами. Энергия излучаемого кванта Е пропорциональна частоте излучения ν и равна:

Е=hν,

где h - постоянная Планка.

Для возникновения фотоэффекта важна не интенсивность светового пучка, а главное хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальную энергию, необходимую для этого, называют работой выхода W. Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта:

hν=W+Е_к.

В левой части энергия, которую отдает фотон электрону вещества, в правой - работа выхода электрона из вещества плюс кинетическая энергия Е_к уже освобожденного электрона. Ясно, что фотоэффект может вызвать световая волна только достаточно высокой частоты, а сила фототока пропорциональна интенсивности поглощенного света, т.е. числу фотонов определенной частоты, способных выбить электроны из вещества.

В качестве прототипа предложен способ [2] (RU 2348831 С2, F03D 11/00, 26.02.2007). Способ производства энергии заключается в улавливании ветра системой концентратор-диффузор, образующей в продольном сечении сопло Лаваля. Поворот всей системы по ветру обеспечивают размещением поворотной оси перед концентратором.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет значительного увеличения площади захвата ветрового и солнечного потока. Также выполняемой задачей изобретения является значительное снижение стоимости электростанций за счет использования одной конструкции, способной одновременно захватить воздушные и солнечные потоки, а также снижения затрат при установке и эксплуатации электростанции. Кроме того, задачей изобретения является повышение эффективности электростанции за счет регулирования ее положения в воздушном и солнечном пространстве.

Поставленная задача достигается тем, что способ производства энергии заключается в том, что выработку энергии производят за счет вращения рабочих лопаток ветром, ускоренным сооружением, выполненным в виде сопла Лаваля в верхней части и в нижней - представляющей из себя плоскость, за счет солнечных батарей, а также за счет солнечных лучей, которые попадают на батарею, за счет их отражения от внутренней плоскости сопла Лаваля, отличающийся тем, что выработка электроэнергии может происходить как от солнечных лучей, так и от ветровых потоков, при этом ветровой поток направляет станцию с целью его захвата, а если отсутствует ветровой поток, станция направляется за улавливанием солнечных лучей. Устройство для производства энергии содержит в верхней части конструкцию в виде сопла Лаваля, а в нижней - плоскость, установленную на земле или воде, а также содержит ветротурбину и солнечные батареи, отличающееся тем, что на плоскость сверху установлены солнечные батареи и ветротурбины, плоскость представляет из себя поворотную платформу, на которой установлено сопло Лаваля из отражающего солнечные лучи материала. Для автономного поворота за солнцем платформа имеет собственный привод, по ветру станция поворачивается автоматически за счет того, что ее боковая площадь смещена в сторону от оси вращения.

Предложенный способ реализует установка, представленная на фиг.1, фиг.2, фиг.3. (на фиг.1. установка изображена фронтально, на фиг.2 установка изображена сбоку, на фиг.3 установка изображена сверху). Установка, изображенная на этих фигурах, включает сопло Лаваля 1, которое состоит из конфузора (передняя часть) и диффузора (задняя часть), солнечные батареи 2 крепятся на поворотной платформе 3, вращающейся вокруг оси 4 и опирающейся на кольцо 5 через ролики качения или скольжения 6, кольцо 5 и ось 4 могут быть закреплены на твердой земле, песке, снегу и т.п. Если основой служит вода, то вместо кольца 5 и роликов 6 применяются поплавки, удерживающие конструкцию на плаву, а ось 4 закрепляется на грунте под водой. Если станция закреплена на льду, то опорного кольца 5 не требуется, так как ролики скольжения будут опираться непосредственно на лед. На платформу установлен механизм 8 фиксации и поворота платформы в автономном положении вне зависимости от направления ветра. То есть механизм 8, в случае безветрия или когда ветер вырабатывает за счет турбин меньше энергии, чем солнечные батареи, производит поворот платформы за солнцем таким образом, чтобы улавливать наибольший поток излучения. Сопло 1 создает для ветра определенную парусность, при этом ось на платформе и размещение сопла на платформе производится таким образом, чтобы при ветре определенной силы разворачивать сопло конфузором по направлению к ветру с какой бы стороны он не дул. Внутри, в самой узкой части сопла размещается ветровая турбина 9, содержащая ветроколесо с лопастями, а также она может содержать направляющие и выпрямляющие ветер лопатки. На платформе вдоль критического сечения сопла может быть установлено сразу несколько ветротурбин. Также ветротурбина может состоять из двух или более, установленных друг за другом, ветроколес.

Электростанция, снабженная турбиной 9 и солнечными батареями 2 (фиг.4) может освещаться солнцем, которое проходит с востока на запад и находится в разных положениях над уровнем горизонта, а также может обдуваться ветром со всех сторон. То есть ветровые и солнечные потоки в плоскости могут не совпадать по направлению, поэтому для того, чтобы сориентировать станцию относительно этих потоков, на ней установлена автоматизированная система управления с компьютерной программой, которая учитывает следующие параметры.

1. Световой поток ниже определенного уровня, включается режим работы только за счет ветротурбин, станция направляется по ветру.

2. Световой поток интенсивный, но за счет него выработка энергии ниже, чем за счет потока ветра, включается режим работы также за счет ветротурбин.

3. Световой поток вырабатывает энергии больше, чем ветровой поток, включается режим работы за счет солнечных батарей, станция направляется по солнцу.

4. Световой поток вырабатывает энергии одинаково с ветровым потоком, включается режим работы за счет ветротурбин, так как поворот станции осуществляет ветер, не затрачивая энергии для поворотного механизма.

Рассматривая последний режим, необходимо отметить, что солнечные лучи в любом случае будут попадать на батареи, так как конфузор в среднем открыт на угол 120°, а диффузор на угол 90°, т.е. станция для солнечных лучей открыта практически в плоскости на угол в 210°. Кроме того, ветровой поток в течение 5÷10 минут может изменять свое направление до 90°, тем самым за счет этого колебания открытие станции для солнца увеличивается до 300°.

Если продольную ось конфузора направить на солнечный диск, то солнечные батареи будут получать не только свет, падающий на них непосредственно от солнца, но и свет, отраженный от внутренней поверхности конфузора. Если платформа будет расположена на снегу, льду или воде, солнечные лучи, отражаясь от их поверхности, будут попадать на внутреннюю часть сопла, а затем на солнечные батареи, усиливая интенсивность их освещения. Кроме того, интенсивность освещения батарей, усиливается за счет лучей, отраженных от поверхности самой батареи, которые в дальнейшем попадая на сопло и отражаясь от него, снова попадают на батарею. Такие отражения могут быть многократными, тем самым сопло Лаваля будет работать своеобразной ловушкой для солнечных лучей и направлять их на батареи для выработки электроэнергии, при этом вырабатываемая мощность увеличивается в несколько раз по сравнению с мощностью, которую смогли бы вырабатывать батареи без сопла Лаваля.

Особенность работы ветро-солнечной электроэнергии будет заключаться в следующем.

1. В ночное время, когда солнечный свет отсутствует, станция работает как ветроэлектростанция.

2. В дневное время, когда ветер ниже определенной скорости, станция работает как солнечная электростанция, перемещая конфузор за диском солнца.

В дневное время, когда ветер выше определенной скорости, станция работает, как ветро-солнечная электростанция.

Для дополнительной выработки энергии конструкция сопла Лаваля может состоять из ткани, которая отражает солнечные лучи изнутри, а снаружи она выполнена полупрозрачной. Кроме того, если знать направление розы ветров в той или иной местности, можно изготовить сопло из различного материала. Так, например, если часть сопла выполнить из отражающего солнечные лучи материала, а слева из прозрачного для солнечных лучей материала и если роза ветров будет преобладать с востока, то за счет прозрачной боковой стенки солнечные лучи практически всегда будут улавливаться батареями, так как станция для них будет раскрыта на угол в среднем 285°. Если ветер западный, прозрачная стенка делается с противоположной стороны. Если ветер преобладает в розе ветров южный или северный, прозрачных стенок не делается, так как лучи будут попадать на батарею через конфузор или диффузор.

На фиг.4 изображена станция, где солнце находится в положении 37° относительно плоскости батареи. На фиг.5 изображена станция, над которой солнце находится в положении - 19°. На фиг.6 изображена станция, на которой солнце находится в положении - 10°, характерном в случае, если станция находится на возвышенности, а солнце находится ниже горизонта. Данные фигуры показывают, что при различном положении солнца над уровнем горизонта в любом случае производится освещенность солнечных батарей. Если батареи находятся на ровной плоскости без сопла Лаваля, то максимально возможная их освещенность будет производиться в момент поднятия солнца на максимальный угол, который стремится к 90°. С уходом солнца ниже горизонта освещенность прекращается. При оснащении солнечных батарей соплом Лаваля, которое изготовлено из светоотражающей ткани или металла, картина освещенности солнечных батарей меняется. Лучи солнца, в любом месте нахождения его на небосводе, будут попадать на отраженную поверхность сопла и, отражаясь, достигать поверхности батарей.

На фиг.7, 8, 9 показаны полные углы падения лучей непосредственно на поверхность солнечных батарей и полные углы падения солнечных лучей на поверхность батарей и внутреннюю поверхность сопла Лаваля. На фиг.7 показано, что полный угол падения на солнечную батарею равен 14°, а полный угол падения на батарею и внутреннюю часть сопла достигает 18°. При снижении солнца к горизонту до 19° на батарею попадают лучи под развернутым углом всего в 5°, когда развернутый угол падения на батарею и сопло остается достаточно большим и составляет 14°. При снижении солнца за уровень горизонта прямые лучи на батарею не падают, но, как показано на фиг.9, они попадают на внутреннюю плоскость сопла под достаточно большим развернутым углом в 11°. Это означает, что станция будет вырабатывать энергию даже в том случае, когда солнце опустится ниже уровня плоскости солнечных батарей.

На фиг.10, 11, 12 показаны отражающие лучи плоскости, находящиеся вне плоскости солнечных батарей, от которых солнечные лучи, отражаясь, попадают на поверхность сопла, а затем на поверхность солнечных батарей. Данная особенность позволяет компенсировать интенсивность светового излучения, которая снижается за счет уменьшения развернутого угла прямых солнечных лучей, направленных от солнца непосредственно на батарею при его снижении над горизонтом за счет увеличения площади отражения солнечных лучей от внешних плоскостей, находящихся вне станции. Так с понижением солнца над горизонтом величина площади отражения увеличивается. Длина Н этой площади на фиг.10 меньше, чем на фиг.11, а на фиг.11 меньше, чем на фиг.12, где солнце изображено практически у горизонта.

Предлагаемое изобретение в отличие от солнечных классических электростанций на батареях, куда фотоны попадают непосредственно от солнца, используя то же количество батарей, может в несколько раз больше вырабатывать электроэнергию. Это можно раскрыть на физических особенностях работы солнечных батарей [4].

Приемники оптического излучения, к которым относятся солнечные батареи, преобразуют энергию фотонов в электрическую энергию. Они реагируют на интенсивность излучения, усредненную по многим периодам колебания поля, так как время реакции приемника определяется процессами переноса и релаксации, которые происходят медленнее, чем колебания светового поля. Важным параметром приемника является пороговая чувствительность - минимальный поток излучения, отнесенный к единице полосы рабочих частот (измеряется в Вт/Гц^1/2), при котором начинает вырабатываться электроэнергия, а также максимальный поток излучения, выше которого не вырабатывается электроэнергия, больше достигнутой при оптимальном потоке излучения.

Коэффициент преобразования связывает падающий поток излучения с величиной производимой энергии. Постоянная времени - это время, за которое производимая энергия нарастает до определенного уровня. Этот параметр служит мерой способности батареи улавливать падение на нее фотонов за время минимальной длительности. Спектральная характеристика - зависимость чувствительности батареи от длины волны излучения.

На основании вышеизложенного, можно заключить следующее - солнечная батарея для того, чтобы начала вырабатывать оптимальный ток, должна освещаться фотонами, не только определенной частоты, но также падающий поток фотонов должен быть определенной интенсивности и определенной длительности.

В связи с этим обычные батареи, которые вырабатывают электроэнергию от фотонов, непосредственно падающих на их плоскость, в пасмурные дни из-за малой интенсивности потока излучения солнца могут не работать. Применяя Парусную солнечную ветроэлектростанцию (ПСВЭС), солнечная батарея может принимать на себя не только фотоны, поступающие со стороны солнца, но и улавливаемые внутренней плоскостью Паруса, куда в свою очередь фотоны поступают как на прямую от солнца, так и от различных отражающих плоскостей.

Из повседневного опыта известно, что две лампы вместе могут давать больше света, чем каждая в отдельности. Это явление проявляется за счет интерференции. Интенсивность J_c интерферирующих пучков:

J_c=J₁+J₂+2√J₁·J₂cosΔφ,

где J₂ и J₁ - интенсивность первого и второго световых пучков.

Разность фаз Δφ плавно меняется от одной точки к другой. В точках, где косинус разности фаз световых колебаний положителен, падающие пучки усиливают друг друга. При cosΔφ, равном единице, благодаря интерференции может получиться свет с четырехкратной интенсивностью. Где cos отрицателен, пучки от разных источников могут гасить друг друга до нуля, поэтому при интерференции с темной областью соседствует светлая.

При этом, учитывая интерференцию волн, в отдельных зонах солнечных батарей на ПСВЭС интенсивность излучения будет повышаться четырехкратно. Следовательно, если в пасмурный день обычной батарее будет не хватать света для ее работы, Парусная СВЭС будет вырабатывать электроэнергию. Кроме того, если на обычную батарею в какой-то момент времени прекратилось падение фотонов из-за того, что солнце перекрылось облаком, в случае с ПСВЭС падение фотонов будет прекращено не сразу, так как фотоны могут приходить на батарею от внутренней плоскости паруса и отражающих поверхностей земли, куда они попадают от солнца под другим углом. Тем самым длительность освещения батарей будет большей, что увеличивает выработку энергии во времени. Необходимо также учесть, что обычные батареи устанавливают под более прямым углом к солнечным лучам для большего перекрытия солнечного излучения и, следовательно, выработки большего количества энергии. Но в то же время известно, что, если лучи будут падать на батарею под углом 30° и менее, они в результате полного внутреннего отражения могут поглощаться стеклом практически полностью, оставаясь в кремниевой пластине, хотя при этом будет снижаться площадь перекрытия солнечного излучения. На обычных станциях солнечные лучи после отражения от батареи уходят в пространство, что сокращает выработку энергии. В случае с ПСВЭС отраженные лучи от батареи попадают на внутреннюю плоскость паруса и, отражаясь от него под другим углом, снова попадают на батарею. Это отражение может быть многократным, причем под углом, меньшим 30°, что в свою очередь увеличивает период работы солнечного луча на батарее, а следовательно, увеличивает выработку электроэнергии.

При условии наличия ветро- и гелиоресурсов складывается идеальная система для полностью автоматизированного электроснабжения, удаленного от промышленных электросетей хозяйства, в котором имеется ветро и солнечная электростанция.

Обычно отдельно стоящие фермы снабжаются ветрогенератором на 1,5кВт и солнечными батареями на 150 Вт, которые ставятся на крыше под углом 30-60° к горизонту, направлением на юг. Ветрогенератор устанавливается на стальную мачту высотой 10÷18 м. Полная стоимость комплекта оборудования может составлять 10÷12 тыс.$.

В предлагаемом изобретении одновременная установка ветрогенератора и солнечных батарей на единую конструкцию выгодна как по использованию денежных средств, так и по реальному получению энергии, так как коэффициент использования оборудования при этом существенно возрастает. Для ветрогенератора и солнечных батарей требуется один и тот же инвертор и одни и те же аккумуляторные накопители. В безветренные дни солнечные батареи будут давать энергию на протяжении всего светового дня, тем самым повышая эксплуатационные возможности станции.

Сравнивая обычную ветроэлектростанцию на мощность 1,5 КВт и солнечную электростанцию на 150 Вт с Парусной солнечно-ветровой электростанцией на ту же мощность, можно отметить следующее.

Парусная ВЭС по стоимости ниже обычной ВЭС на равную мощность примерно в 5 раз, так как ее конструкционный вес примерно в 9 раз меньше и начало ее работы происходит при ветре 2 м/сек, когда обычной станции требуется ветер 5 м/сек. Солнечная батарея в обычной станции, имея средний КПД 15%, стоит 2$/Вт, следовательно, батарея на 150 Вт будет стоить 300$. На 1 м² поверхности в сороковых широтах приходит 300 Вт солнечной энергии, при этом с 1 м² данная батарея будет вырабатывать 45 Вт. Для выработки 150 Вт потребуется площадь батарей, равная 3,4 м². В случае использования захвата солнечных лучей соплом, дополнительно на батарею будет поступать в 2÷3 раза больше солнечных лучей, следовательно, площадь солнечных панелей можно снизить в 2÷3 раза для выработки тех же 150 Вт. В среднем общая стоимость Парусной СВЭС будет меньше примерно в 6 раз комплекта из ветро- и солнечной станции. Ее стоимость не превысит 2 тыс.$. Это в равной степени относится и к более мощным электростанциям, способным вырабатывать десятки и сотни МВт энергии. При этом чем более мощной будет ПСВЭС, тем значительнее будет ее экономический эффект по сравнению с классическими ветровыми и солнечными электростанциями.

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.

3. Журнал ”Наука и жизнь” №12, 2002 г. - Солнечный дом - солнечный город.

4. Прохоров A.M. и др. - Физический энциклопедический словарь. - М.: Научное из-во "Большая российская энциклопедия", 1995 г., стр.585÷586 - Приемники оптического излучения; стр.830; стр.823÷824.

5. В. Володин. - Энциклопедия для детей. Физика. Том 16. - М.: Из-во "Аванта+", стр.214÷219.