АВТОНОМНЫЙ ПОСТ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Автономный пост зарядки электромобилей (АПЗЭМ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности энергии Солнца, ветра и Земли и может быть использован для выработки электроэнергии в целях электрической зарядки гибридных и электрических автомобилей, а также автомобилей, имеющих двигатели с маховичными накопителями энергии. Размещение АПЗЭМ предполагается вдоль автомобильных центральных трасс и дорог районного значения. Как вариант АПЗЭМ можно использовать в качестве автономной электростанции для нужд различных производственных и бытовых потребителей в городской и сельской местности.
Известна солнечная энергетическая установка [1], содержащая приемник солнечного излучения с фокусировочным устройством, полупроводниковые преобразователи, систему охлаждения с парогенератором. Недостатком этого изобретения являются наличие сложного механизма парогенератора с трущимися деталями, что со временем приведет к их износу и потере работоспособности устройства, кроме того, устройство требует постоянного технического облуживания и ремонта.
Известно изобретение [2], включающее массив непрерывно следящих за Солнцем фотоэлектрических установок, размещаемых в виде прямоугольной решетки с ориентацией с севера на юг и с запада на восток. Недостатком этого изобретения является большая площадь, занимаемая фотоэлектрическими преобразователями.
Известна автономная энергоэффективная установка для сушки сыпучих материалов [3], работающая на альтернативных источниках энергии и содержащая: конфузоры, объединенные в круговой сопловой блок из 6-16 и более сопрягаемых солнечных коллекторов; башню, окрашенную черной высокоселективной краской, служащей для подогрева вертикального воздушного потока; устройства загрузки, размещения и выгрузки сыпучего материала; роторную ветроэнергетическую установку (РВЭУ) с вертикальной осью вращения; турбину и электрогенератор, служащие для преобразования энергии воздушного потока и энергии ветра в электрическую энергию, которая используется для снабжения накапливаемыми энергоресурсами других объектов агропромышленного комплекса. Основным недостатком данного изобретения является низкая эффективность галечного аккумулятора тепловой энергии в зимние месяцы года, отсутствие фотоэлектрических солнечных модулей на внешней стороне башни в целях более полного использования солнечного излучения для выработки электроэнергии.
В качестве прототипа принята солнечноэнергетическая установка (СЭУ) [4], в которой наряду с солнечными батареями используется ветряной двигатель (ВД). Солнечноэнергетическая установка вырабатывает днем электроэнергию и передает ток на статический преобразователь, а ВД вырабатывает электроэнергию при наличии ветра, как днем, так и ночью и также передает ее на статический преобразователь. СЭУ и ВД могут работать раздельно. Рассмотренная СЭУ обладает недостатком, который выражается в низкой мощности вырабатываемой ветродвигателем электроэнергии при средней скорости ветра менее 7 м/с, однако известно, что средняя скорость ветра в большинстве регионов России составляет 3,5-4,5 м/с.
В заявленной полезной модели АПЗЭМ используется более эффективная система преобразования энергии ветра при скорости от 3,0 м/с, а также применяется система дополнительного солнечного освещения, что позволяет сократить площадь используемых фотоэлектрических модулей.
Технической задачей полезной модели АПЗЭМ является создание компактной конструкции, позволяющей максимально эффективно использовать энергию Солнца, ветра и Земли для выработки электроэнергии в целях организации зарядки аккумуляторов электромобилей и раскрутки маховиков транспортных средств, имеющих двигатели с маховичными накопителями энергии.
Указанный технический результат достигается:
- наличием тандемных фотоэлектрических солнечных модулей (ТФСМ), расположенных на поверхности и по бокам подвижной крыши здания АПЗЭМ.
- путем создания конструкции АПЗЭМ, обеспечивающей электрическую зарядку аккумуляторов электромобилей как контактным, так и бесконтактным способами;
- наличием гелиопрожекторов для дополнительного солнечного освещения ТФСМ с целью повышения КПД выработки ими электроэнергии;
- применением конструкции РВЭУ с криволинейными лопастями аэродинамического профиля, образующими криволинейные конфузоры, обеспечивающие выработку электроэнергии при скорости ветра от 3,0 м/с;
- наличием в конструкции магнитоэлектрического генератора (МЭГ) и накопителя энергии в виде ротора-маховика, при вращении которого сглаживается неравномерность скорости ветра;
- применением магнитной подвески ротора-маховика МЭГ с целью увеличения надежности и КПД выработки электроэнергии роторной ВЭУ при скорости ветра от 3,5 м/с;
- наличием системы охлаждения ТФСМ, что увеличивает их КПД и срок службы;
- применением теплового насоса для подогрева ТФСМ при температуре воздуха от -35°С и более, а также для получения горячей воды для нужд АПЗЭМ в любое время года;
- применением системы слежения за солнцестоянием в направлении восток-запад крыши здания АПЗЭМ, на поверхности которой расположены ТФСМ;
- наличием электронного блока управления АПЗЭМ;
- наличием автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора АПЗЭМ;
- наличием рабочего места зарядки АКБ гибридных и электрических автомобилей;
- наличием кобеля-разъема для контактной зарядки АКБ электромобилей и кабеля-мотора для раскрутки маховиков транспортных средств, имеющих двигатели с маховичными накопителями энергии;
- применением электроприводов с червячными редукторами, которые обеспечивают устойчивое положение подвижной крыши и гелиопрожектора при сильном ветре.
Конструктивные особенности полезной модели АПЗЭМ показаны на прилагаемых рисунках. На Фиг.1 изображен АПЗЭМ, вид сбоку. Вид по стрелке А показан на Фиг.2. Вид сверху АПЗЭМ представлен на Фиг 3. На Фиг.4 показано хранилище АКБ и пути их транспортировки. На Фиг.5 показан гелиопрожектор в разрезе, вид сбоку. Принципиальная схема подогрева (охлаждения) ТФСМ приведена на Фиг.6. На Фиг.7 показана РВЭУ в разрезе. Ротор РВЭУ в разрезе показан на Фиг.8. Принципиальная схема беспроводной зарядки АКБ гибридных и электрических автомобилей показана на Фиг.9. Технологическая блок-схема функционирования составных частей и устройств АПЗЭМ представлена на Фиг.10.
АПЗЭМ содержит следующие составные части и устройства: здание АПЗЭМ 1; подвижную, в направлении восток-запад, крышу 2 расположенную под углом 45° к горизонту (для средней полосы России) и ориентированную плоской поверхностью на Юг; ТФСМ 3, расположенные на подвижной крыше 2 (Фиг.1); ТФСМ 4, расположенные по бокам подвижной крыши 2 под углом 45° к плоскости подвижной крыши 2 (Фиг.1); коллектор нагрева (охлаждения) 5, заполненный теплоносящей жидкостью типа этиленгликоля и размещенной под медной подложкой ТФСМ 3, 4; утеплитель 6; переднюю и заднюю стенки здания 1 АПЗЭМ, имеющие дугообразную верхнюю часть с направляющими 7; силовые балки 8; опорные колеса 9; ведущие колеса 10; электропривод с червячным редуктором 11 ведущего колеса 10; цилиндрическая опора 12 силовых балок 8; рабочее место зарядки 13 гибридных и электрических автомобилей; хранилище АКБ 14 на втором этаже здания АПЗЭМ 1; распределительный электрощит-контроллер зарядки 15 АКБ; лифт 16 для перемещения АКБ; робот-транспортер 17 АКБ; кабель - разъем 18; кабель-мотор 19; система беспроводной зарядки 20 АКБ автомобилей; автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора 21 АПЗЭМ; электронный пульт управления 22 оператора 21; две и более РВЭУ 23; опора 24 РВЭУ 23; гелиопрожекторы 25 (не менее четырех); опора 26 гелиопрожектора 25; тепловой насос 27; бак-аккумулятор 28; бак-теплообменник 43; теплообменник 29 для охлаждения ТФСМ 3, 4 с использованием температуры грунтовой воды; датчики света 30, расположенные на верхней части гелиопрожектора 25 и верхней кромке подвижной крыши 2; датчики температуры 31, расположенные на медных подложках ТФСМ 3, 4, а также в баке-аккумуляторе 28; зубчатый механизм 32; электропривод с червячным редуктором 33 для перемещения гелиопрожектора 25 в вертикальной плоскости; цилиндрический шарнир 34 гелиопрожектора 25; зубчатый механизм 35; электропривод с червячным редуктором 36 для поворота гелиопрожектора 25 в горизонтальной плоскости; вертикальный вал 37 зубчатого механизма 35; подшипники 38 вертикального вала 37; опорный подшипник 39 гелиопрожектора 25; циркуляционный насос 40 подачи теплоносящей жидкости; теплообменник 41 бака аккумулятора 28; циркуляционный насос 42 для подачи грунтовой воды в теплообменник 43 теплового насоса 27; электроклапан 44; преобразователь постоянного тока в высокочастотное напряжение 45; катушка передающая 46; катушка приемная 47 с преобразователем высокочастотного напряжения в постоянный ток (выпрямитель) 48 (находятся на электромобиле); МЭР 49 РВЭУ 23; ротор-маховик 50 МЭГ 49; постоянные магниты 51 ротора-маховика 50; магнитное кольцо 52 ротора-маховика 50; корпус 53 МЭГ 49; обмотки катушек 54, расположенные на корпусе 53 напротив постоянных магнитов 51; магнитное кольцо 55, располагаемое на корпусе 53 напротив магнитного кольца 52 ротора-маховика 50 одинаковой полярностью друг к другу; ротор 56 РВЭУ 23; криволинейные лопасти аэродинамического профиля 57; криволинейный конфузор 58 (два и более), образованный двумя криволинейными лопастями аэродинамического профиля 57; вал 59 ротора 56; обгонная муфта 60; опорные подшипники 61 вала 59 ротора 56; сферический корпус 63 гелиопрожекторов 25; плосковыпуклая линза 64, закрывающая полость 65 сферического корпуса 63 гелиопрожектора 25; (Фиг.5); светоотражающая внутренняя поверхность 66 полости 65 сферического корпуса 63; двояковогнутая линза 67, размещенная на зеркальной внутренней поверхности 66 полости 65; электрический кабель 68, соединяющий обмотки катушек 54 МЭГ 49 РВЭУ 23 с электронным пультом управления 22; электрический кабель 69, соединяющий ТФСМ 3, 4 с электронным пультом управления 22; трубопроводы 70 для подачи воды, охлажденной грунтовыми водами.
АПЗЭМ функционирует следующим образом. Солнечные лучи воздействуют на ТФСМ 3 и 4, которые вырабатывают электроэнергию и с помощью электрического кабеля 69 через электронный пульт управления 22 обеспечивают подачу электроэнергии для зарядки АКБ, находящихся в хранилище 14. Одновременно при наличии ветра РВЭУ 23 также вырабатывают электроэнергию, которая с помощью электрического кабеля 68 через электронный пульт управления 22 подается для зарядки АКБ, находящихся в хранилище 14. Оператор АРМ 21 контролирует уровень заряженности АКБ, находящихся в хранилище 14. Зарядка и уровень заряженности АКБ электромобилей осуществляется с помощью электрощита-контролера 15, который находится на рабочем месте зарядки 13 гибридных и электрических автомобилей. Повышение эффективности электроотдачи АПЗЭМ достигается путем применения гелиопрожекторов 25, которые обеспечивают дополнительное освещение ТФСМ 3 и 4 на 80%-85%.
Поворот гелиопрожектора 25 в вертикальной плоскости для слежения за положением солнца над горизонтом осуществляется по сигналу датчика света 30, расположенного в верхней точке сферического корпуса 63. Через электронный пульт управления 22 подается команда на включение электропривода с червячным редуктором 33, который приводит во вращательное движение зубчатое колесо механизма 32. Зубчатый сектор механизма 35, контактируя с зубчатым колесом, поворачивает гелиопрожектор 25 вокруг цилиндрического шарнира 34. В горизонтальной плоскости слежение за положением солнца на небосводе в направлении восток-запад осуществляется по сигналу датчика света 30. Электронный пульт управления 22 по сигналу датчика света 30, установленного на гелиопрожекторе 25, подает команду на включение электропривода с червячным редуктором 36, который приводит во вращательное движение зубчатый механизм 35; вертикальный вал 37 зубчатого механизма 35 поворачивается вокруг вертикальной оси вместе с гелиопрожектором 25, кинематически связанным с опорным подшипником. Подвижная крыша 2 на здании 1 удерживается с помощью силовых балок 8 и цилиндрических опор 12. Перемещение подвижной крыши 2 по направляющим 7 в направлении восток-запад осуществляется с помощью опорных колес 9 и ведущего колеса 10, имеющего электропривод с червячным редуктором 11 (Фиг.1). Сигнал на электропривод с червячным редуктором 11 ведущего колеса 10 поступает через электронный пульт управления 22 с датчика света 30, расположенного на верхней части подвижной крыши 2, таким образом, отслеживается оптимальное положение подвижной крыши 2 относительно солнцестояния. Подвижная крыша 2 жестко связана силовыми балками 8, опирающимися на цилиндрические шарниры 12, вокруг которых происходит поворот подвижной крыши 2. В этом случае расположенные на-подвижной крыше 2 здания 1 ТФСМ 3 и 4 получают максимальную дозу солнечного излучения. Общая доза солнечного излучения, попадающая на ТФСМ 3, 4 с учетом освещения гелиопрожекторами 25, составляет 180-185%. Освещение ТФСМ 4 обеспечивается гелиопрожекторами 25, расположенными по углам подвижной крыши 2 (Фиг.1). Гелиопрожектор' 25 обеспечивает дополнительное освещение путем концентрации солнечных лучей на зеркальной поверхности 66 и последующего их отражения на 64, которая посылает параллельные лучи на поверхность ТФСМ 3, 4 (Фиг.5, Фиг.3). Солнечные лучи через плосковыпуклую линзу 64 проникают в полость 65, проходят сквозь двояковогнутую линзу 67, затем отражаются от внутренней зеркальной поверхности 66 и концентрируются двояковогнутой линзой 67. Кривизна двояковогнутой линзы рассчитана таким образом, чтобы фокусное расстояние обеспечивало полное прохождение отраженных лучей через площадь плосковыпуклой линзы 64, оптимально освещая поверхность ТФСМ 3, 4 (Фиг.3). Гелиопрожекторы устанавливаются на высоте h равной минимальной высоте нижней кромки подвижной крыши 2 (Фиг.1). Надежность выработки электроэнергии ТФСМ 3, 4 зависит от температуры окружающей среды, которая для большинства солнечных батарей находится в диапазоне от -50°С до 70°С. Однако критичной уже являются температура выше +40°С, при которой солнечные батареи теряют мощность на 10%-12%, а при температуре близкой к 65°С практически теряются свойства по выработке полезной электроэнергии. Техническое решение по выбору оптимального режима выработки ТФСМ 3, 4 электроэнергии заключается в следующем. Для подогрева ТФСМ 3, 4 применяется тепловой насос 27 (Фиг.6), который подогревает воду в баке-аккумуляторе 28. Циркуляционный насос 40 включается через электронный пульт управления 22 по показаниям датчика температуры 31 ниже -30°С. Датчик температуры 31 расположен на медной подложке ТФСМ 3, 4. В это время электроклапан 44 открыт для подачи теплоносящей жидкости в подогревающий теплообменник 41 и далее коллектор 5. ТФСМ 3, 4 подогреваются до температуры 10°С-15°С. При температуре окружающего воздуха выше 25°С датчик температуры 31, расположенный на медной подложке ТФСМ 3, 4, подает сигнал на электронный пульт управления 22, который включает циркуляционные насосы 42, 40 и электроклапан 44. Электроклапан 44 перекрывает доступ теплоносящей жидкости в подогревающий коллектор 41 и направляет ее в охлаждающий теплообменник 29, где теплоносящая жидкость охлаждается за счет температуры грунтовых вод (Фиг.6). Надежность охлаждения коллектора 5 обеспечивается циркуляционным насосом 42, который прокачивает воду по трубопроводам 70, проложенным на глубине 50м-100 м. Вода в трубопроводе 70, охлажденная грунтовыми водами до 4°С поступает в бак-аккумулятор 71, где происходит охлаждение теплоносящей жидкости в теплообменнике 29 (Фиг.6). Подогрев воды для нужд АПЗЭМ происходит следующим образом: включается тепловой насос 27, теплообменник 43 нагревает воду в баке-аккумуляторе 28. Холодная вода в бак-аккумулятор 28 подается по патрубку ХОЛ, отбор горячей воды происходит через патрубок ГОР. (Фиг.6)
1
Выработка электроэнергии при наличии ветра обеспечивается РВЭУ 23, которая работает следующим образом. РВЭУ 23 устанавливается на опоре 24, высотой Н не менее высшей точки подвижной крыши 2, которая должна отстоять от поверхности земли не менее 8 м, чем достигается увеличение КПД использования ветра на 10%-15% при ветрах южного, юго-восточного и юго-западного направлений. Ветровой поток воздуха со скоростью V воздействует на ротор РВЭУ, состоящий из криволинейных лопастей аэродинамического профиля 57 (Фиг.8), которые образуют криволинейные конфузоры 58 (не менее двух), и, проходя через эти конфузоры с увеличенной скоростью V равной 1,8V м/c, воздействует на последующую криволинейную лопасть аэродинамического профиля 57. Возникающий от силы ветра крутящий момент приводит во вращение вал с подшипниками 59 ротора 56 РВЭУ 23, а аэродинамический профиль криволинейных лопастей 57, при обтекании их воздушным потоком, в свою очередь, создает дополнительный крутящий момент за счет образованной подъемной силы, что увеличивает крутящий момент на валу 59 ротора РВЭУ 56. Ротор-маховик 50 на нижней поверхности имеет магнитное кольцо 52, которое располагается напротив магнитного кольца 55, размещенного на корпусе 53 МЭГ 49 (Фиг.7). Магнитные кольца 52 и 55 обращены друг к другу одинаковой полярностью, что обеспечивает разгрузку в осевом направлении подшипников 61 вала 59 ротора РВЭУ 56 и ротора-маховика 50, т.е. осуществляется магнитная подвеска. Учитывая сказанное, коэффициент использования ветра становится соизмеримым с классическими крыльчатыми ветродвигателями и, как показали испытания на модели, достигает величины 0,30-0,32. Вращательное движение ротора 56 от действия ветра передается на вал 59 РВЭУ 23 и далее через обгонную муфту 60 на ротор-маховик 50, при вращении которого магнитное поле постоянных магнитов 51 пересекает витки обмоток катушек 54, вырабатывая достаточное количество электрической энергии в виде постоянного тока. Электрическая энергия, выработанная РВЭУ 23 через электронный пульт управления 22, накапливается в АКБ, находящихся в хранилище 14, и в дальнейшем используется для зарядки АКБ электромобилей. Кроме того, ротор-маховик 50 МЭГ 49, вращаясь, накапливает механическую энергию при максимальной скорости ветра. Если скорость ветра уменьшается обгонная муфта 60 отключает вал 59 ротора 56 РВЭУ 23 от вала 62 ротора-маховика 50, который продолжает вращаться, превращая накопленную механическую энергию в электрическую энергию.
Зарядка АКБ электромобилей проводится на рабочем месте зарядки 13 двумя способами. Первый способ зарядки АКБ электромобилей предусматривает применение кабеля-разъема 18, который стыкуется со специальной розеткой (не обозначена) электромобиля. Уровень зарядки АКБ контролируется оператором на АРМ 21. Второй способ предусматривает беспроводную зарядку АКБ, принципиальная схема которого представлена на фиг.9. Электроэнергия, выработанная ТФСМ 3,4 и МЭГ 49 и накопленная в АКБ, находящихся в хранилище 14, через электронный пульт управления 22 и распределительный электрощит-контроллер зарядки 15 АКБ, подается в преобразователь 45. Постоянное напряжение преобразователем 45 преобразуется в переменное высокой частоты, которое через передающую катушку 46 генерируется на приемную катушку 47. Затем этот переменное напряжение высокой частоты снимается с приемной катушки 47 и выпрямляется в выпрямителе 48, который соединен с АКБ электромобиля, происходит беспроводная зарядка АКБ. Предусмотрен также способ простой замены разряженных АКБ электромобилей на заряженные. Оператор с АРМ 21 через электронный пульт управления 22 подает команду роботу-траспортеру 17 на транспортировку заряженных АКБ из хранилища 14. С помощью лифта 16 со второго этажа здания АПЗЭМ 1 АКБ доставляются на рабочее место зарядки 13. Следует указать на особенность работы АПЗЭМ: если направление ветра южное, юго-восточное, юго-западное, т.е. совпадает с направлением наклона подвижной крыши 2, тогда поток воздуха, воздействующий на плоскую поверхность подвижной крыши 2, дополнительно направляется на ротор 56 РВЭУ 23. Эти направления ветров обеспечивает концентрацию воздушного потока на роторе 56 РВЭУ 23, что увеличивает коэффициент использования ветра на 10%-15%. Таким образом, все составные части и устройства АПЗЭМ, механически и электрически связанные между собой, представляют единую автоматизированную технологическую систему, обеспечивающую надежную выработку электроэнергии для целевого использования в автономном режиме работы. Кроме того АПЗЭМ обеспечивает горячее водоснабжение как побочный продукт использования возобновляемых источников энергии. Следует отметить абсолютную экологическую чистоту вырабатываемой АПЗЭМ электрической энергии по сравнению с электроэнергией традиционных тепловых электростанций, которые выбрасывают в атмосферу парниковые газы. Сказанное соответствует мировой концепции перехода на безуглеродную энергетику.
Список литературы
1. Солнечная энергетическая установка. Патент RU №2141606 от 20.06.1996 г.
2. Солнечная электростанция. Патент RU №2395758 от 27.07.2010 г.
3. Автономная энергоэффективная установка для сушки сыпучих материалов. Патент RU №2440543 от 20.01.2012 г.
4. Энергоаккумулирующая установка для обогрева теплиц. Патент SU №1687113 от 30.10.1991 г.