ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ДОЖДЯ
POWER PLANT FOR CONVERTING RAIN ENERGY

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в качестве альтернативного источника электричества для обеспечения удаленных объектов (жилого дома, гостиницы, охотхозяйства, турбазы, фермерского хозяйства и др.) за счет преобразования энергии дождя в электроэнергию при размещении в водосточной трубе объекта.
Известна электроэнергетическая дождевая установка (RU 148622 U1 (Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа "школа будущего") 10.12.2014, F03B 13/00), содержащая водозабор в виде водосточной трубы, генератор с лопастями, расположенные в защитном кожухе, выход генератора подключен к накопителю электроэнергии, а водосточная труба снабжена лотком в виде конуса с отверстием в вершине, ориентированным вершиной вниз, установленным с натягом внутри водосточной секции, расположенной на максимальной высоте прямого водостока здания.
Недостатками известного устройства являются низкая эффективность использования энергии падающей дождевой воды, из-за эффекта "бутылочного горлышка ", возникающего при прохождении воды через отверстие лотка в виде конуса, - скорость истекания воды ограничена сечением этого конуса, а также уязвимость к засорам, так как при попадании листьев или мелкого мусора в лоток будет создаваться затор, что приведет к прекращению функционирования водосточной системы в целом.
Известна другая (DE 19858609 А1, 22.07.1999, E04D 13/08) энергоустановка для преобразования энергии дождя, содержащая гидравлическую турбину, смонтированную внутри вертикального водосточного стояка, электрогенератор, соединенный с валом, карман, расположенный в плоскости вращения лопастей турбины и с половиной лопастей, находящихся внутри него, вертикальный водосточный стояк снабжен фокусирующим устройством в виде конуса.
Этой энергоустановке присущи те же недостатки, что и предыдущей. Кроме того, карман, расположенный в плоскости вращения лопастей турбины, также снижает эффективность энергоустановки, так как при вращении турбины вода неизбежно попадает в карман и стекая по его стенкам создает поток, направленный против вращения лопастей турбины, снижая таким образом скорость ее вращения. Наличие кармана излишне усложняет конструкцию и удорожает ее изготовление.
Кроме того, указанные энергоустановки в силу своей конструкции предназначены для использования как оконечное устройство в конце потока на выходе дождевой трубы. Это означает, что попытка смонтировать несколько устройств в одной водосточной трубе каскадным способом (одно над другим) для повышения эффективности отбора и преобразования энергии стекающей по трубе дождевой воды, не приведет к желаемому результату, из-за потери мощности потока воды в конусообразных водосборниках и карманах вышерасположенных устройств.
Ближайшим аналогом является энергоустановка (DE 10217629 А1, 21.08.2003, H02K 7/18) для преобразования энергии дождя в электричество, содержащая корпус, имеющий форму и сечение водосточной трубы, внутри которого установлены концентратор дождевой воды и турбина с ковшовыми лопастями на валу, который выступает по краю корпуса, лопасти турбины расположены по направлению потока дождевой воды с возможностью свободного вращения вокруг оси вала, а концентратор представляет собой желоб, перекрывающий сечение корпуса, и имеющий конусную форму с возможностью стекания в него дождевой воды и направления струи на лопасти турбины, вращая их в одну и ту же сторону, а также генератор, установленный на внешней стороне корпуса и соединенный с концом вала турбины. При этом вал и турбина установлены в боковом кармане, расположенном в плоскости вращения лопастей турбины и с частью лопастей, находящихся внутри кармана.
Недостатками известного устройства являются низкая эффективность использования энергии падающей дождевой воды, из-за эффекта "бутылочного горлышка", возникающего при прохождении воды через сужающееся отверстие желоба в виде конуса, - скорость истекания воды ограничена сечением этого желоба, уязвимость к засорам, так как при попадании листьев или мелкого мусора в желоб будет создаваться затор, что приведет к прекращению функционирования водосточной системы в целом, наличие кармана, расположенного в плоскости вращения лопастей турбины, также снижает эффективность энергоустановки, так как при вращении турбины вода неизбежно попадает в карман и, стекая по его стенкам, создает поток, направленный против вращения лопастей турбины, снижая таким образом скорость ее вращения, а также излишняя сложность конструкции и удорожание ее изготовления за счет наличия кармана.
Таким образом, предложенный вариант энергоустановки неэффективен и излишне усложнен.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение состоит в повышении эффективности использования энергии дождевых сточных вод, упрощении конструкции энергоустановки, а также повышении компактности энергоустановки для обеспечения возможности ее размещения в водосточной трубе объекта.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что предлагается энергоустановка для преобразования энергии дождя в электричество, содержащая корпус, имеющий форму и сечение водосточной трубы, внутри которого установлены концентратор дождевой воды и турбина с ковшовыми лопастями на валу, лопасти турбины расположены по направлению потока дождевой воды с возможностью свободного вращения вокруг оси вала, генератор, установленный на внешней стороне корпуса и соединенный с валом турбины, отличающаяся тем, что турбина устанавливается таким образом, что ее вал пересекает центральную ось корпуса, концы вала выступают по краям корпуса, а лопасти турбины полностью располагаются внутри корпуса, перекрывая внутреннее пространство корпуса по диаметру, при этом имея возможность свободно вращаться внутри корпуса вокруг оси вала, а концентратор представляет собой два желоба, расположенных один над другим напротив друг друга, так, чтобы перекрывать сечение корпуса, при этом нижний желоб имеет сужающуюся форму, так, что размер нижней части этого желоба равен ширине лопастей турбины и дождевая вода, стекая случайным образом в водосточной трубе, попадает в желоба концентратора и направляется струей на лопасти турбины, вращая их в одну и ту же сторону, а также второй генератор постоянного тока, установленный на внешней стороне корпуса, при этом оба генератора установлены диаметрально друг другу и соединены с концами вала турбины.
Технический результат заключается в том, что достигается повышение эффективности энергоустановки, за счет конструкции концентратора, обеспечивающей устранение эффекта "бутылочного горлышка" и устранение уязвимости к засорам, возможность использования энергоустановки не только в качестве оконечного устройства в конце потока, но и в любом месте водосточной трубы, в промежутке потока, в том числе и при размещении в одной трубе нескольких устройств каскадным способом, а также за счет введения второго генератора, расположенного диаметрально первому, так что вал турбины передает энергию одновременно на оба генератора, повышается ее компактность и снижается стоимость изготовления, за счет устранения кармана.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на Фиг. 1 схематично представлена конструкция энергоустановки,
на Фиг. 2 сечение А-А, указанное на Фиг. 1,
на Фиг. 3 схематично представлена конструкция концентратора,
на Фиг. 4 схематично иллюстрируется применение энергоустановки в водосточной трубе.
Обозначения, принятые на чертежах:
1 - корпус,
2 - концентратор дождевой воды,
3 - турбина,
4 - вал турбины,
5 - генератор постоянного тока.
Энергоустановка для преобразования энергии потоков дождевой воды содержит корпус 1, имеющий форму и сечение водосточной трубы, внутри которого установлены концентратор 2 дождевой воды и турбина 3 с ковшовыми лопастями на валу 4, лопасти турбины 3 расположены по направлению потока дождевой воды с возможностью свободного вращения вокруг оси вала 4, генераторы 5, установленные на внешней стороне корпуса 1 и соединенные с валом 4 турбины 3, которая устанавливается таким образом, что ее вал 4 пересекает центральную ось корпуса 1, концы вала 4 выступают по краям корпуса 1, а лопасти турбины 3 полностью располагаются внутри корпуса 1, перекрывая внутреннее пространство корпуса 1 по диаметру, при этом имея возможность свободно вращаться внутри корпуса 1 вокруг оси вала 4, а концентратор 2 представляет собой два желоба, расположенных один над другим напротив друг друга, так, чтобы перекрывать сечение корпуса 1, при этом нижний желоб имеет сужающуюся форму, так, что размер нижней части этого желоба равен ширине лопастей турбины 3 и дождевая вода, стекая случайным образом в водосточной трубе, попадает в желоба концентратора 2 и направляется струей на лопасти турбины 3, вращая их в одну и ту же сторону.
Как показано на Фиг. 1 энергоустановка для преобразования энергии потоков дождевой воды сконструирована по модульному принципу. Все элементы энергоустановки (кроме генераторов) могут быть изготовлены из промышленного пластика методом литья или напечатаны на 3D принтере. В качестве генератора постоянного тока может использоваться любой из генераторов, выпускаемых промышленностью (например, "Миниатюрный генератор." - Режим доступа: http://www.mobiledevice.ru/miniatiurnaia-turbina.aspx свободный, или "Миниатюрные генераторы". - Режим доступа: https://ru.aliexpress.com/popular/miniature-dc-generator.html свободный).
Работа энергоустановки осуществляется следующим образом. Энергоустановка монтируется в водосточной трубе объекта энергообеспечения, как часть водосточной трубы. При стекании дождевой воды по водосточной трубе часть ее стекает по стенкам, часть свободно падает в середине трубы. Благодаря наличию концентратора вся вода собирается в единый поток и усиленной струей попадает на лопасти турбины. При этом конструкция концентратора обеспечивает свободное протекание воды при любой интенсивности потока, не ограничивая скорость ее протекания, а попадание листьев и мелкого мусора не приводит к засорам, так как между желобами концентратора существует пространство, через которое листья и мусор свободно уносятся потоками воды. Конструкция энергоустановки позволяет менять турбину и желоба концентратора, подбирая размеры лопастей турбины и нижнего желоба концентратора в зависимости от средней интенсивности осадков в определенной местности с целью наиболее эффективного использования энергии падающей дождевой воды. Под воздействием потоков воды лопасти турбины начинают вращаться, приводя в движение вал турбины. Вращение вала турбины синхронно передается на валы генераторов постоянного тока, на выходе которых возникает напряжение. Напряжения, вырабатываемые генераторами постоянного тока, складываются, образуя выходное напряжение энергоустановки.
Для автономного обеспечения удаленного объекта, достаточно смонтировать в водосточных трубах несколько энергоустановок, например, так как показано на Фиг. 4. При этом смонтированные энергоустановки образуют многоуровневый каскад, по которому стекающая дождевая вода отдает энергию на каждом уровне, вырабатывая электричество. Благодаря модульному принципу конструкции энергоустановки имеется возможность последовательно соединять несколько энергоустановок. Можно легко соединять несколько энергоустановок в батареи, компактно используя водосточные трубы, добиваясь необходимых выходных электрических характеристик для объекта энергообеспечения. При этом предложенная энергоустановка может служить эффективным дополнением к солнечным батареям, снабжая электроэнергией объект, когда солнечные батареи оказываются бесполезны.