МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ГИБРИДНАЯ АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MULTIFUNCTIONAL HYBRID ALTERNATIVE POWER PLANT

Изобретение многофункциональная гибридная альтернативная электростанция (далее МГАЭС) относится к возобновляемым источникам энергии и предназначена для электроснабжения, независимого от традиционных источников энергии. Многофункциональная гибридная альтернативная электростанция может быть использована для освещения: городских улиц, складских территорий, остановок общественного автотранспорта на дорогах между населенными пунктами, речных и морских набережных, спортивных площадок, мест для парковки автотранспортной техники и других территорий социально-бытового назначения, а также для электроснабжения систем охраны различных объектов. В качестве альтернативных источников энергии используется энергия солнечной радиации и ветра. Планируемой мощности МГАЭС в 1,5 кВт вполне достаточно для организации освещения улицы светодиодными лампами размещенных на нескольких обычных опорах и других указанных объектах потребителей электроэнергии. Создание и эксплуатация МГАЭС в местах освещения значительно снизит нагрузку на традиционные электростанции, улучшит экологическую обстановку окружающей среды и оживит местную экономику за счет создания рабочих мест по производству и обслуживанию этих электростанций.
Известно изобретение Уличный светильник с питанием от солнечной и ветровой энергии, патент RU 2283985 С2 F2159/02, F21L 4/00 от 20.09.2008, содержащее вертикальную стойку, консольный опорный рычаг с размещенным на нем единым модулем, отличающийся тем, что в модуле между лампами с питанием от солнечной энергии, содержащими фотоэлектрические панели, аккумуляторы, блоки управления и линейки светодиодов, размещена ветроэнергетическая установка с колебательным рабочим движением, электрически соединенная с аккумуляторами ламп. Недостатком этого изобретения является низкая эффективность ветроэнергетической установки с колебательным рабочим движением. Известна полезная модель патент RU 105400 F21L 13/00 Автономный уличный фонарь, содержащий светодиодную панель, накопитель электрической энергии, через блок управления освещением соединенный со светодиодной панелью, и столб, внутри которого расположен электрогенератор, электрически соединенный с накопителем энергии, наружная стенка столба выполнена в виде «теплых» остекленных ящиков с черной теплопроводной поверхностью для использования энергии солнца. В верхней части столба установлен дефлектор для использования энергии ветра, отличающийся тем, что в полости столба размещен ионный электрогенератор, выполненный в виде электрически соединенных с источником высокого напряжения электродов, при этом в нижней части полости столба установлен коронирующий электрод, генерирующий ионы, а в верхней части полости столба установлены сетчатые некоронирующие электроды, собирающие ионы. Основным недостатком автономного уличного фонаря является зависимость от источника высокого напряжения, природа происхождения которого в описании не указана. Известна Лампа с питанием от солнечной энергии, патент РФ №36487, МПК F2IS 9/02, F2IL 4/00, от 25 06.2003, содержащая панель с фотоэлектрическими элементами, электрическую аккумуляторную батарею, осветительное устройство и блок управления, отличающаяся тем, что она содержит единый модульный корпус, в котором под прозрачной для солнечных лучей крышкой установлены панель с фотоэлектрическими элементами, электрическая аккумуляторная батарея, осветительное устройство, выполненное в виде линейки светодиодов, и блок управления. Недостатком известной лампы, при ее высокой экономичности, является невозможность подзарядки аккумуляторной батареи при отсутствии солнечного излучения. Известен патент на полезную модель RU 48617 U1 МПК F2IS 9/00 от 27.10.2005 Уличный осветитель с питанием от солнечной энергии, содержащий базовую панель фотоэлектрических преобразователей, электрическую аккумуляторную батарею, осветительное устройство, блок заряда-разряда, регулируемую крепежную арматуру, дополнительную панель фотоэлектрических преобразователей, осветительное устройство, которое выполнено в виде отдельного блока, при этом базовая и дополнительная панели фотоэлектрических преобразователей и осветительное устройство размещены в отдельных герметичных корпусах, установленных на регулируемой крепежной арматуре и соединены между собой электрическим кабелем. Технический результат заключается в возможности ориентировать базовую и дополнительную панели фотоэлектрических преобразователей оптимальным для данной широты установки уличного осветителя образом и освещать заданный объект или участок поверхности в условиях отсутствия электроснабжения, а также возможность длительной и круглогодичной эксплуатации в высоких и средних широтах. Известно изобретение Панель с фотоэлектрическими элементами, соединенная с электрической аккумуляторной батареей, которая при помощи блока управления обеспечивает питание осветительного устройства лампы (описание изобретения к патенту США №5191188, МПК F21L 15/08, от 22.09.02 г.). Недостатком известного светильника является его недостаточная экономичность и неспособность подзарядки аккумулятора при отсутствии солнечной радиации особенно в средних и высоких широтах России. Известен патент на полезную модель RU 91406 U1 МПК F2IK 2/00 от 10.02.2010 Автономный уличный осветитель с питанием от солнечной энергии. Он включает установленное на столбе осветительное устройство, солнечную батарею, состоящую из фотоэлектрических преобразователей, аккумуляторную батарею и блок заряда-разряда, электрогенератором с крыльчаткой. Блок заряда-разряда аккумуляторной батареи дополнительно содержит блок управления и распределения потока электроэнергии. Солнечная батарея, состоящая из фотоэлектрических преобразователей, может быть выполнена из нескольких последовательно соединенных солнечных батарей. Основным недостатком уличного осветителя с питанием от солнечной энергии является незначительная мощность электрогенератора с крыльчаткой при скорости ветра от 1 м/с до 4 м/с. Весьма проблематичным является получение лишней электроэнергии и передача ее в промышленную электросеть, так как полученной уличным осветителем от альтернативных источников электроэнергии в период низкого солнцестояния на большей территории России едва хватит на питание осветительного устройства.
Наиболее близкими по техническому замыслу и сущности к заявляемому изобретению являются патенты Уличный светильник с питанием от солнечной и ветровой энергии, патент RU 2283985 С2 МПК F2159/02, F21L 4/00 от 20.09.2008, Автономный уличный осветитель, патент RU 91406 U1 МПК F2IK 2/00 от 10.02.2010.
Задачей изобретения является создание энергоэффективной гибридной альтернативной электростанции уличного освещения, предназначенной для работы в условиях независимости от традиционного электроснабжения.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании энергоэффективной электростанции, работающей на энергиях солнца и ветра и предназначенной для освещения окружающего пространства в любом месте эксплуатации.
Сущность изобретения заключается в том, что МГАЭС, работающая на энергии солнца и ветра, содержит: полую опору корпуса ветродвигателя, выполненного в виде полого шара с конфузором и диффузором, которые встроены в центральную часть полого шара; сетку, установленную на входе в конфузор для защиты от птиц; ветродвигатели с лопастями аэродинамического профиля, вращающихся в трех параллельных плоскостях, которые расположены в средней части между конфузором и диффузором; узкое кольцо высотой не более 3 см, установленное на выходе диффузора с наружной стороны, создающее дополнительное разряжение за шаровидным корпусом ветродвигателя, что увеличивает скорость потока воздуха, проходящего через конфузор и диффузор; трехлопастной ветродвигатель с лопастями аэродинамического профиля, которые ориентированы на вращение по направлению движения часовой стрелки, причем сам трехлопастной ветродвигатель свободно вращается относительно оси ветродвигателей на шариковом подшипнике; средний фигурный подвижный обод расположен в средней параллельной плоскости и крепится к трехлопастному ветродвигателю; два крайних подвижных обода, расположенных в крайних параллельных плоскостях, для двухлопастных ветродвигателей с лопастями аэродинамического профиля и ориентированных на вращение по направлению против движения часовой стрелки, причем лопасти двухлопастных ветродвигателей жестко закреплены на вращающемся валу ветродвигателей и смещены относительно друг друга на 90°; вал ветродвигателей, который с помощью шариковых подшипников закреплен в стойках полого шара; магниты, размещенные с чередованием полюсов на внешней стороне крайних подвижных ободов двухлопастных ветродвигателей; обмотки катушек, расположенных на внутренней стороне фигурного подвижного обода напротив магнитов, размещенных с чередованием полюсов на внешней стороне крайних подвижных ободов двухлопастных ветродвигателей; три магнита продольной намагниченности, размещенных со смещением в 120° на внешней стороне среднего фигурного подвижного обода напротив концов лопастей аэродинамического профиля трехлопастного ветродвигателя; неподвижный обод с магнитным кольцом радиальной намагниченности, которое расположено в плоскости вращения трех магнитов продольной намагниченности; две пары параллельных кольцевых канавок под подшипниковые шарики, расположенных напротив друг друга на внешней стороне фигурного подвижного обода и на внутренней поверхности неподвижного обода; тандемные солнечные батареи, расположенные на наружной поверхности полого шара, и полой опоры МГАЭС; аккумуляторные батареи; реле-регулятор зарядки аккумуляторных батарей; электронный пульт управления; датчик света; две светодиодные лампы, размещенные на определенной высоте полой опоры МГАЭС.
Отличием изобретения МГАЭС от прототипа является: наличие ветродвигателей с лопастями аэродинамического профиля, вращающихся в трех параллельных плоскостях, которые расположены в средней части между конфузором и диффузором, причем двухлопастные ветродвигатели, расположенные в крайних параллельных плоскостях, вращаются против движения часовой стрелки, а трехлопастной ветродвигатель, расположенный в средней параллельной плоскости, вращается в сторону движению часовой стрелки; использование конфузора и диффузора обеспечивает увеличение скорости ветра в 1,5-1,8 раза, что определяется относительной разностью диаметров конфузора входного и выходного, что позволяет максимально увеличить КПД многофункциональной гибридной альтернативной электростанции; использование встречного движения магнитов, размещенных с чередованием полюсов на внешней стороне крайних подвижных ободов двухлопастных ветродвигателей и обмоток катушек, расположенных на внутренней стороне фигурного подвижного обода в средней плоскости, обеспечивает выработку электроэнергии при малых скоростях ветра в диапазоне 1,5 м/с - 1,8 м/с; использование взаимодействия магнитных полей магнитного кольца радиальной намагниченности и трех магнитов продольной намагниченности дополнительно обеспечивает снижение момента страгивания трехлопастного ветродвигателя при скорости ветра меньше 1,5 м/с, что улучшает эффективность работы МГАЭС при малых скоростях ветра; наличие токосъемного кольца и подвижного контакта обеспечивают передачу электроэнергии, вырабатываемой ветродвигателем; применение тандемных солнечных батарей, которые размещены на поверхности полого шара, диаметром 1,8-2,0 м, и полой опоры стандартной высоты 6-8 м, позволяет совместно с ветродвигателями обеспечить выработку электроэнергии мощностью до 1,5 кВт/ч, что достаточно, например, для уличного освещения светодиодными лампами, размещенных на нескольких стандартных опорах; наличие электронного пульта управления, реле-регулятора для контроля уровня зарядки аккумуляторных батарей, датчика света для включения и выключения светодиодных ламп в зависимости от требуемой освещенности или элементов системы охраны объекта; расположение электронного пульта управления, реле-регулятора и аккумуляторных батарей в основании полой опоры обеспечивает доступ для технического обслуживания и ремонта указанной аппаратуры; наличие шаровидной формы корпуса ветродвигателей и узкого кольца, установленного снаружи на выходе из диффузора, при их обдувании воздушным потоком способствует образованию вихревого потока, который создает разряжение на выходе из диффузора, что обеспечивает увеличение скорости ветра, проходящего через конфузор и диффузор; расположением центра тяжести поворотной части МГАЭС смещенной относительно оси вращения, что способствует установке конфузора-диффузора на ветер; наличие сетки, установленной на входе в конфузор для защиты от птиц. Таким образом, указанные отличия составляют новизну технических решений, принятых в заявляемом изобретении. Сущность изобретения показана на следующих рисунках: фиг.1 - показан общий вид МГАЭС, фиг.2 - изображена верхняя часть МГАЭС сбоку в разрезе, фиг.3 - показана верхняя часть МГАЭС вид спереди; фиг.4 - показаны двухлопастные и трехлопастной ветродвигатели с подвижными ободами и магнитами, фиг.5 - показано размещение пульта управления, реле-регулятора и аккумуляторных батарей в основании полой опоры корпуса ветродвигателя, фиг.6 - изображена принципиальная схема управления работой МГАЭС.
Многофункциональная гибридная альтернативная электростанция состоит из следующих частей: полой опоры 1; корпуса ветродвигателя 2, выполненного в виде полого шара с конфузором 3 и диффузором 4, который встроен в центральной части шара; поворотного механизма 5 корпуса ветродвигателя 2; узкого кольца 6 высотой не более 3 см, установленного на выходе диффузора 4 с наружной стороны, создающее дополнительное разряжение за шаровидным корпусом ветродвигателя 2, что увеличивает скорость потока воздуха, проходящего через конфузор 3 и диффузор 4; цилиндрического штыря 7 поворотного механизма 5; подшипников скольжения 8; цилиндрической опорной шайбы 9; крепежных болтов 10; опорного шарика 11; защитной сетки 12, установленной на входе в конфузор 3 для защиты от птиц (фиг.2); ветродвигателей (ВД) с лопастями аэродинамического профиля, вращающихся в трех параллельных плоскостях 13-13, 14-14, 15-15 (фиг.2), которые расположены в средней части между конфузором 3 и диффузором 4; вала 16 ветродвигателей, который с помощью шариковых подшипников 17, закрепленного в стойках 18, встроенных в корпус ветродвигателя 2, имеющих вид полого шара фиг.2; среднего фигурного подвижного обода 19 для трехлопастного ветродвигателя 20, расположенного в средней параллельной плоскости 14-14; двух подвижных ободов 21, 22 для двухлопастных ветродвигателей 23, 24, расположенных в крайних параллельных плоскостях 13-13, 15-15 и неподвижно закрепленнных на валу 16; магнитов 25 (фиг.4), размещенных с чередованием полюсов, на внешней стороне подвижных ободов 21, 22; обмоток катушек 26, расположенных на внутренней стороне среднего фигурного подвижного обода 19 напротив магнитов 25, размещенных с чередованием полюсов, на внешней стороне крайних подвижных ободов 21, 22 двухлопастных ветродвигателей 23, 24 с лопастями аэродинамического профиля (фиг.2, фиг.4); трех магнитов продольной намагниченности 27, размещенных со смещением в 120° на внешней стороне среднего фигурного подвижного обода 19 напротив концов лопастей аэродинамического профиля трехлопастного ветродвигателя 20 (фиг.4); шарикового подшипника 28, установленного на валу 16 для трехлопастного ветродвигателя 20, неподвижного обода 29 с магнитным кольцом 30, радиальной намагниченности, которое расположено напротив трех магнитов продольной намагниченности 27 в плоскости 14-14 (фиг.4); двух параллельных кольцевых канавок 31 под подшипниковые шарики 32, расположенных напротив друг друга на внешней стороне фигурного обода 19 и на внутренней поверхности неподвижного обода 29; тандемных солнечных батарей 33 (ТСБ), расположенные на наружной поверхности корпуса ветродвигателя 2, имеющего вид полого шара, и полой опоры 1 МГАЭС; аккумуляторных батарей 34 (АКБ); реле-регулятора 35 (РР) зарядки аккумуляторных батарей 34; электронного пульта управления 36 (ЭПУ); датчика света 37 (ДС); двух светодиодных ламп 38 (СДЛ), размещенных на определенной высоте полой опоры 1; токосъемное кольцо 39; подвижный контакт 40.
1
2
Многофункциональная гибридная альтернативная электростанция работает следующим образом. Солнечная радиация, воздействуя в светлое время суток на ТСБ 33, размещенных на наружных поверхностях корпуса ветродвигателя и полой опоры 1 МГАЭС, вырабатывают электроэнергию, которая через ЭПУ 36 подается через РР 35 на зарядку АКБ 34. При наступлении темного времени суток ДС 37 подает сигнал на ЭПУ 36, который подключает АКБ 34 к СДЛ 38 (фиг.6), происходит освещение окружающего пространства различных объектов. Ветровой поток, при его наличии, проходя через защитную сетку 12, попадает в конфузор 3, где ускоряется, в зависимости от разности диаметров входа в конфузор и выхода из него, в 1,5-1,8 раза. Ускоренный таким образом ветровой поток попадает в среднюю часть, между конфузором 3 и диффузором 4, сначала на первый крайний двухлопастной ветродвигатель 24, вращающийся против движения часовой стрелки в параллельной плоскости 15-15 (фиг.2), затем на трехлопастной ветродвигатель 20, который вращается по движению часовой стрелки в средней параллельной плоскости 14-14 (фиг.2) на шариковом подшипнике 28, установленного на валу 16, и далее на двухлопастной ветродвигатель 22, вращающийся против движения часовой стрелки в параллельной плоскости 13-13. Причем лопасти аэродинамической формы двухлопастных ветродвигателей 23, 24 неподвижно закреплены на валу 16 со смещением на 90° и ориентированы таким образом, чтобы их вращение осуществлялось против движения часовой стрелки. Смещение лопастей аэродинамической формы двухлопастных ветродвигателей 23, 24 на 90° необходимо для устранения ветровой тени от ветролопастей ветродвигателя 24, расположенного в плоскости 15-15, и увеличения коэффициента использования энергии ветрового потока. Устойчивое без перекосов вращение среднего фигурного подвижного обода 19 относительно неподвижного обода 29 происходит на подшипниковых шариках 32, качение которых происходит по двум параллельным кольцевым канавкам 31. Встречное вращение двухлопастных ветродвигателей 23, 24 и трехлопастного ветродвигателя 20 обеспечивает встречное вращение магнитов 25 (фиг.4), размещенных с чередованием полюсов, на внешней стороне подвижных ободов 21, 22 и обмоток катушек 26, расположенных на внутренней стороне среднего фигурного подвижного обода 19 напротив магнитов 25, тем самым увеличивается относительная скорость пересечения магнитными силовыми линиями магнитов 25 обмоток катушек 26, что способствует выработки электроэнергии при малых скоростях ветрового потока от 1,5 м/с. Использование пары сил (F, F), возникающих от взаимодействия магнитных полей магнитного кольца 30 радиальной намагниченности и трех магнитов 27 продольной намагниченности (фиг.4) дополнительно обеспечивает снижение момента страгивания трехлопастного ветродвигателя при скорости ветра меньше 1,5 м/с, что улучшает эффективность работы МГАЭС. Съем с обмоток катушек 26 электроэнергии, вырабатываемой ветродвигателями 20, 23, 24, осуществляется с токосъемного кольца 39 подвижным контактом 40. Вырабатываемая ветродвигателями 20, 23, 24 электроэнергия через ЭПУ 36 подается на РР 35 и запасается в АКБ 34, которая затем используется по назначению. Расположение АКБ 34, РР 35, ЭПУ 36 в основании полой опоры 1 (фиг.5) обеспечивает свободный доступ для их регулировки, технического обслуживания и ремонта. Установка корпуса ветродвигателя 2 навстречу ветру со стороны конфузора 3 осуществляется за счет смещения центра тяжести поворотной части МГАЭС относительно оси вращения. Цилиндрический штырь 7 поворотного механизма 5 жестко связан с корпусом ветродвигателя 2. Подшипники скольжения 8 служат для уменьшения трения при повороте цилиндрический штыря 7 в процессе установки корпуса ветродвигателя 2 навстречу ветру. Цилиндрическая опорная шайба 9 фиксируется внутри опоры 1 крепежными болтами 10. Между торцевой поверхностью цилиндрического штыря 7 и опорной шайбы 9 установлен опорный шарик 11, который служит для восприятия осевой нагрузки от силы тяжести корпуса ветродвигателя 2, а также для уменьшения трения при поворотных движениях. Защитная сетка 12 установлена на входе в конфузор 3 с целью обеспечения защиты от птиц и других летящих предметов (фиг.2).