Энергоэффективная солнечно-ветровая энергетическая установка

Энергоэффективная солнечно-ветровая энергетическая установка (ЭСВЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности к ветровым и солнечным энергетическим установкам, причем ветроэнергетическая установка и солнечная энергетическая установка объединены в единую конструкцию. Основное назначение ЭСВЭУ заключается в эффективной выработке электроэнергии от действия слабых ветров и воздействия солнечной радиации, характерных для регионов средней полосы России. Энергоэффективная солнечно-ветровая энергетическая установка используется в целях обеспечения электроэнергией различных потребителей, например, жилых и нежилых построек, спортивных комплексов, зон отдыха, сельскохозяйственных построек АПК, подразделений МО, МЧС, геологических разведывательных экспедиций, автоматических систем контроля и управления подачей углеводородного топлива по трубопроводным магистралям, частных мелких и средних предприятий, различных индивидуальных пользователей и прочее.

Известны различные типы ветродвигателей, где лопатки установлены так, чтобы максимально использовать давление ветра. Это достигается тем, что лопастям придают веретенообразную форму и устанавливают их соответственно на общей оси (см. Казневский В.П. Аэродинамика в природе и технике. М., Просвещение, 1985, с. 32-94).

В последнее время появились ветродвигатели с вертикальной осью и лопастями цепного очертания, где конец одной лопасти соединяется с началом другой, образуя кольцо (см. Дэвис А., Шуберт Р. Альтернативные источники энергии в строительном проектировании. М., СИ, 1983, с. 97-97).

Во всех этих конструкциях используется только давление воздушных потоков на поверхность лопастей для получения электричества, а в отсутствие ветра ветродвигатель не работает, т.е. не производит электроэнергию.

Известно изобретение Пленочный ветродвигатель патент, RU 2106523 F03D 3/00 от 10.03.1998, у которого лопасти выполнены из пьезопленки (например, поливинилиденфторид) и стянуты термочувствительными элементами из сплава с "обратимым эффектом памяти формы" на спицах крепежных колес, насаженных на общую ось и вращающихся от ветра. Кроме того, пьезопленка выделяет электричество от колебаний температуры наружного воздуха, от действия прямых солнечных лучей, а также от вибрации под действием ветра пленка, то натягиваясь, то удлиняясь, будет вырабатывать дополнительную электроэнергию. Недостатком этого изобретения является низкий КПД пьезопленки, а при низких температурах воздуха, в зимний период эксплуатации, от длительной вибрации происходит разрыв этой пленки.

Известно изобретение, патент RU 2101559 F03D 5/00 от 12.04.1986, Ветроэлектростанция, содержащая опору, на которой установлены три наклонных ротора с винтовыми лопастями. Верхние концы роторов соединены, нижние поддерживаются траверсами, образуя таким образом трехгранную пирамиду. К каждому ротору присоединен генератор. Все генераторы подключены к блоку управления. Генераторы электрически связаны с потребителем через суммирующее устройство диодного типа, позволяющее производить отбор мощности от каждого генератора. Недостатком данной конструкции является наличие трех генераторов, что усложняет конструкцию и не обеспечивает выдачу стандартного напряжения 220 В 50 Гц. При этом в случае воздействия воздушного потока в плоскости расположения двух наклонных роторов возникает эффект затенения одного наклонного ротора другим, что снижает КПД ветроэлектростанции.

Этот патент принят в качестве возможного прототипа, так как винтовые лопасти наклонных роторов имеют конфигурацию шнека.

Известна также Ветроустановка, патент на изобретение SU авторское свидетельство №2002104, F03D 1/06, состоящая из двух скрещенных под прямым углом валов, на каждом из которых установлены ветроприемники в виде ветроколес сложной формы из бесконечной ленты и генератор. Эта ветроустановка работает без ориентации на ветер. Основным недостатком установки является сложная конструкция ветроколес. Кроме того, не решена проблема работы двух генераторов с разными частотами вращения на единого потребителя. Известна полезная модель, патент RU 1111894 U1 F03D 5/00 от 12.04.1986 Ветроротор для ветроэнергетической установки, который представляет собой вогнутую ленточно-винтовую поверхность в виде косого геликоида, выполненную из плоской ленты и навитую на ступицу, выполненную в форме тонкостенной трубы. Ленточно-винтовая поверхность соединяется со ступицей с помощью основных тонких спиц, расположенных в верхней и нижней части вогнутой ленточно-винтовой поверхности, и вспомогательных тонких спиц. Ступица выполнена в виде тонкостенной трубы и насажена на шток, являющийся одним из элементов рамы ветроэнергетической установки. Ступица соединена со штоком при помощи подшипниковых узлов. Преимуществами ветроротора является более эффективная работа, уменьшенное лобовое сопротивление, использование дополнительных аэродинамических качеств. Основным недостатком полезной модели является тот факт, что в вертикальном положении площадь ленточно-винтовой поверхности, воспринимающая энергию ветра, будет минимальной, кроме того, аэродинамическая форма ленточно-винтовой поверхности не будет столь эффективной, как утверждает автор, в силу кривизны этой аэродинамической формы по длине ленточно-винтовой поверхности. Очевидно, только узкая полоса ленточно-винтовой поверхности будет оптимально расположена к вектору скорости ветра.

Технический результат - повышение энергоэффективности выработки электроэнергии при слабых скоростях ветра и увеличение КПД выработки электроэнергии пленочными фотоэлектронными батареями. Технический результат данного изобретения достигается путем разработки принципиально новой конструкции солнечно-ветровой энергетической установки, которая содержит: прозрачные конфузор-диффузор, с цилиндрической частью между ними, позволяющий увеличить скорость ветрового потока в его цилиндрической части; трехлопастную конусно-шнековую ветроэнергетическую установку, закрепленную на горизонтальном вращающемся валу и встроенную внутрь цилиндрической части конфузора-диффузора; пленочную солнечную фотоэлектронную батарею, нанесенную на внешнюю поверхность трех лопастей конусно-шнековой ветроэнергетической установки, вырабатывающей электроэнергию от действия на нее солнечной радиации; продольные линзы, по четыре на каждую лопасть трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки, причем продольные линзы встроены в поверхность цилиндрической части конфузора-диффузора и имеют разные фокусные расстояния, соответствующие четырем расстояниям до различных участков, разноудаленных от продольных линз трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки.

На фиг. 1 изображен общий вид ЭСВЭУ в разрезе, на фиг. 2 - вид ЭСВЭУ по стрелке А, на фиг. 3 - вид ЭСВЭУ по стрелке Б, на фиг. 4 - крепление монтажных фигурных пластин к горизонтальному валу и спиральным цилиндрам, на фиг. 5 - расположение двояковыпуклых линз по периметру поперечного сечения цилиндрической части конфузора-диффузора (по разрезу В).

Энергоэффективная солнечно-ветровая энергетическая установка содержит следующие составные части и устройства: поворотную платформу 1 с вертикальным валом 2; верхнюю опору 3 поворотной платформы 1 с вертикальным валом 2; упорный подшипник качения 4, нижнюю опору 5 поворотной платформы 1 и упорный шар 6 вертикального вала 2 поворотной платформы 1; солнечно-ветровую энергетическую установку, представляющую собой трехлопастную конусно-шнековую ветроэнергетическую установку 7, причем лопасти конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7 образованы тремя половинками спиральных цилиндров 8, размещенных относительно друг друга под углом 120°, которые усечены криволинейными поверхностями второго порядка 9; пленочную солнечную фотоэлектронную батарею 10, нанесенную на внешнюю поверхность трех лопастей конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7; основание 11, к которому крепятся примыкающие части трех лопастей конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7; вертикальную пластину 12, расположенную под поворотной платформой 1 и жестко скрепленную с ней и вертикальным валом 2, служащую ребром жесткости и дополнительно выполняющую роль ориентира на ветер трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7; горизонтальный вращающийся вал 13 трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7; монтажные фигурные пластины 14 для крепления к ним примыкающей части половинок спиральных цилиндров 8, причем монтажные фигурные пластины 14 неподвижно соединены с горизонтальным вращающимся валом 13 (Фиг. 4); стандартные крепежные элементы 15 для крепления половинок спиральных цилиндров 8 и горизонтального вращающегося вала 13 к монтажным фигурным пластинам 14; переднюю треугольную опорную стойку 16 с подшипниковым узлом 17, служащим для крепления передней части горизонтального вращающегося вала 13 трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7; две задние параллельные стойки 18; поперечные планки 19, служащие для крепления генератора; круговой контейнер для аппаратуры 20; тихоходный магнитоэлектрический генератор 21, установленный на двух задних параллельных стойках 18 и поперечных планках 19; вал 22 тихоходного магнитоэлектрического генератора 21; соединительную муфту 23, обеспечивающую кинематическую связь вала 22 тихоходного магнитоэлектрического генератора 21 с задней части горизонтального вращающегося вала 13; конфузор-диффузор 24, 25 с цилиндрической частью 26 между ними, выполненные из прозрачного полимерного материала, причем трехлопастная конусно-шнековая ветроэнергетическая установка 7 с горизонтальным вращающимся валом 13, передней треугольной опорной стойкой 16 и двумя задними параллельными стойками 18 расположены внутри цилиндрической части 26 конфузора-диффузора 24, 25; передний 27 и задний 28 ложементы, служащие для крепления к ним цилиндрической части 26 конфузора-диффузора 24, 25, в свою очередь, передний 27 и задний 28 ложементы крепятся к поворотной платформе 1; двояковыпуклые продольные линзы 29, расположенные по четыре напротив каждой лопасти трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7 и служащие для концентрации солнечной радиации на поверхности пленочной фотоэлектронной батареи 10, причем двояковыпуклые продольные линзы 29 встроены вдоль в поверхность цилиндрической части 26 конфузора-диффузора 24, 25 и имеют разные фокусные расстояния, соответствующие четырем расстояниям до различных участков, разноудаленных от продольных линз 29 трех лопастей конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7; литиевые аккумуляторные батареи 30; контроллер заряда-разряда 31 литиевых аккумуляторных батарей 30; инвертор 32; токопередающий контакт 33, служащий для передачи электроэнергии, выработанной тихоходным магнитоэлектрическим генератором с поворотной платформы 1 на токоприемное медное кольцо 34; подвижный подпружиненный граффито контакт 35; соединительные электрические провода 36, передающие электроэнергию от тихоходного магнитоэлектрического генератора 21 и пленочной солнечной фотоэлектронной батареи 10; токопередающий контакт 37, служащий для передачи электроэнергии, выработанной пленочной солнечной фотоэлектронной батареей на токоприемное медное кольцо 38; подвижный подпружиненный граффито контакт 39. Центр тяжести (ЦТ) энергоэффективной солнечно-ветровой энергетической установки расположен на расстоянии Н от оси вращения вертикального вала 2 поворотной платформы 1 (Фиг. 1). Заявленная энергоэффективная солнечно-ветровая энергетическая установка работает следующим образом. Воздушный поток, попадая в конфузор 24, согласно уравнению Бернулли, с учетом потерь увеличивает свою скорость на выходе из конфузора 24 в 1,5-1,6 раза, и далее воздушный поток с этой увеличенной скоростью проходит по цилиндрической части 26, воздействуя на усеченные криволинейные поверхности второго порядка 9, которые создают повышенный крутящий момент относительно горизонтального вращающегося вала 13. Горизонтальный вращающийся вал 13, установленный в подшипниковом узле 17 передней треугольной опорной стойки 16 и между двумя задними параллельными стойками 18, передает крутящий момент через соединительную муфту 23 на вал 22 тихоходного магнитоэлектрического генератора 21, установленный на двух задних параллельных стойках 18 и поперечных планках 19. Тихоходный магнитоэлектрический генератор 21 преобразует вращательное движение от крутящего момента в электрическую энергию. Выработанная тихоходным магнитоэлектрическим генератором 21 электроэнергия с помощью соединительных электрических проводов 36 с поворотной платформы 1 передается на токопередающий контакт 33 и далее на токоприемное медное кольцо 34 и подвижный подпружиненный граффито контакт 35. С подвижного подпружиненного граффито контакта 35 электроэнергия с помощью соединительных электрических проводов 36 через контроллер заряда-разряда 31 поступает в литиевые аккумуляторные батареи 30, где запасается. Запасенная в литиевых аккумуляторных батареях 30 электроэнергия поступает в инвертор 32, где преобразуется в переменное напряжение 220 В 50 Гц, необходимое для пользователей. В дневное время солнечная радиация действует на двояковыпуклые продольные линзы 29, встроенные вдоль в цилиндрической части 26 конфузора-диффузора 24, 25 и концентрирующие солнечную радиацию в виде фокусных линий от двояковыпуклых продольных линз 29, с различной кривизной, на четыре разноудаленных участка каждой лопасти трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7, покрытых пленочной солнечной фотоэлектронной батареей 10. Причем, количество двояковыпуклых продольных линз 29 с различными фокусными расстояниями рассчитывается по четыре на каждую лопасть трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7. Концентрация солнечной радиации в виде фокусных линий на поверхности пленочной солнечной фотоэлектронной батареи 10 увеличивает КПД выработки электроэнергии пленочной солнечной фотоэлектронной батареей 10. Выработанная пленочной солнечной фотоэлектронной батареей 10 электроэнергия с помощью соединительных электрических проводов 36 с поворотной платформы 1 также передается на токопередающий контакт 37, далее на токоприемное медное кольцо 38 и на подвижный подпружиненный граффито контакт 39. С подвижного подпружиненного граффито контакта 39 электроэнергия с помощью соединительных электрических проводов 36 через контроллер заряда-разряда 31 поступает в литиевые аккумуляторные батареи 30, где запасается. Запасенная в литиевых аккумуляторных батареях 30 электроэнергия от пленочной солнечной фотоэлектронной батареи 10 также поступает в инвертор 32, где преобразуется в переменное напряжение 220 В 50 Гц, необходимое для пользователей. Уверенная установка ЭСВЭУ на ветер осуществляется следующим образом. Набегающий сбоку воздушный поток воздуха воздействует на всю площадь конфузора-диффузора 24, 25, но так как центр тяжести ЦТ расположен на расстоянии Н до оси вращения вертикального вала 2, то вектор равнодействующей воздушного потока R, будучи приложенным в центре тяжести ЦТ, создает крутящий момент M_кр, равный произведению вектора равнодействующей R на расстояние Н до оси вращения вертикального вала 2. Поворот ЭСВЭУ осуществляется до тех пор, пока M_кр не станет равным нулю за счет уменьшения проекции Н на линию, перпендикулярную вектору равнодействующей воздушного потока R до нуля. В этом случае линия Н становится параллельной вектору равнодействующей воздушного потока R. Таким образом, энергоэффективная солнечно-ветровая энергетическая установка устанавливается по ветру. Аналогичным образом установка ЭСВЭУ на ветер одновременно осуществляется с помощью вертикальной пластины 12, расположенной под поворотной платформой 1. Таким образом, достигается уверенная установка ЭСВЭУ на ветер. При повороте ЭСВЭУ на ветер вертикальный вал 2 поворотной платформы 1 вращается на упорном подшипнике качения 4 и на упорном шаре 6 вертикального вала 2 поворотной платформы 1. Существенными отличиями от прототипа и аналогов в заявленном изобретении ЭСВЭУ является то, что она представляет собой принципиально новую конструкцию и снабжена: трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установкой 7, внешние поверхности лопастей которых покрыты пленочной солнечной фотоэлектронной батареей 10; конфузором-диффузором 24, 25 с цилиндрической частью 26 между ними, выполненными из прозрачного полимерного материала; двояковыпуклыми продольными линзами 29 различной кривизны по четыре на каждую лопасть трехлопастной конусно-шнековой ветроэнергетической установки 7, то есть с разными фокусными расстояниями, встроенными вдоль цилиндрической части 26 конфузора-диффузора 24, 25. Заявленная ЭСВЭУ энергоэффективна, так как вырабатывает электроэнергию при слабом ветре, использует концентрируемую солнечную радиацию для получения электроэнергии, при изготовлении не требует специального технологического оборудования, не требует высоких опор, надежна в эксплуатации.