СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SOLAR-WIND POWER PLANT

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии: ветровой и солнечной энергетики и может быть использовано в устройствах получения электроэнергии за счет использования силы ветра и солнечного излучения.
Известна ГЕЛИОВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (патент RU 2187693), содержащая ветроагрегат, электрогенератор которого установлен на вертикальном стволе, и солнечные батареи. К тыльной части электрогенератора прикреплена балка на подвижном шарнире, при этом одна горизонтальная и две боковые солнечные батареи, связанные между собой поворотными шарнирами и подпружиненные с обоих концов, прикреплены на шарнирах к верхней части балки, а дугообразные солнечные батареи прикреплены на шпильках и стержнях к стволу по его высоте, причем между тыльной частью электрогенератора и глухим днищем балки установлен клин, связанный с ручным приводом через сухарь, прикрепленный к нижней части электрогенератора с помощью планки.
Недостатком гелиоветровой энергетической установки является низкая эффективность преобразования ветровой и солнечной энергий в электрическую и сложная конструкция для ориентирования по направлению ветра.
Известна ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ВЕТРОВОЙ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (патент RU 2347942), содержащая платформу, на которой в подшипниковых опорах установлен вертикальный вал, сообщающийся с ротором электрогенератора, при этом на вертикальном валу жестко закреплены коромысла, на концах которых размещены аэродинамические лопасти, также установка содержит солнечные батареи.
Недостатком энергетической установки является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, связанная с расположением солнечных батарей в одной плоскости, а также сложность конструкции, ее большие масса и габаритные размеры.
Также известна ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ВЕТРОВОЙ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ (патент RU 2347942), содержащая расположенный на фундаменте вертикальный вал с электрогенератором, состоящим из статора и ротора, и коромыслами, на которых установлены лопасти. На фундаменте дополнительно установлена неподвижная ось, выполненная в виде цилиндрической трубы, вертикальный вал выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось и расположенной соосно с ней, лопасти установлены неподвижно по отношению к коромыслам и имеют аэродинамический профиль, состоящий из выпуклой и плоской поверхности, причем лопасти состоят из нескольких параллельных ярусов, разделенных промежутками, верхняя часть неподвижной оси снабжена неподвижной плоской круглой площадкой, на которой установлена солнечная батарея.
Недостатком указанной энергетической установки является низкая эффективность преобразования ветровой и солнечной энергий в электрическую. Из-за сравнительно ограниченного диапазона скоростей ветра, при которых может работать ветровая установка: при низких скоростях ветра 3 м/с и менее ветровые лопасти просто не смогут начать вращаться, а при скорости ветра больше максимально допустимой оно будет работать на излом лопаток до полной их поломки. Солнечные же батареи имеют ограниченную площадь, что приводит к снижению относительной эффективной мощности электроэнергии, производимой установкой.
Прототипом выбрана ВЕТРОГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (полезная модель RU 148242), содержащая платформу, на которой в подшипниковой опоре установлен вертикальный вал, сообщающийся с ротором электрогенератора и солнечные батареи, размещенные сверху. На вертикальном валу жестко закреплена неподвижная аэродинамическая конструкция, содержащая вертикально установленные панели, на которых размещены солнечные батареи, электрические выходы которых параллельно соединены с обмоткой ротора электрогенератора и блоком преобразования напряжения, к которому также подключена обмотка стартера электрогенератора. Аэродинамическая конструкция состоит из нижнего и верхнего основания, которые соединены вертикальными аэродинамическими лопастями, вокруг аэродинамической конструкции на платформе установлен корпус, который состоит из нижнего основания, жестко установленного на платформе, и верхнего основания, соединенного с нижним основанием направляющими панелями, при этом на поверхности верхнего основания корпуса и на поверхности направляющих панелей размещены солнечные батареи. Электрические выходы солнечных батарей и/или стартера электрогенератора подключены к аккумуляторной батареи, к выходу которой подключен блок преобразования напряжения.
Недостатками устройства-прототипа являются:
1. Недостаточно высокий коэффициент полезного действия (КПД) установки, связанный со следующими причинами:
- наличие свободно открытой аэродинамической конструкции, при которой значительная часть воздушного потока не попадает на аэродинамические лопасти, так как она отгорожена и отбивается направляющими панелями в стороны от направления ветра;
- вращающее воздействие потока воздуха на аэродинамическую лопасть осуществляется только на половину ветрового миделя лопасти (которая при вращении уходит от ветра), а вторая половина его, которая при вращении лопасти находит на встречный поток, тормозит ее вращение, даже при неподвижном воздухе;
- недостаточно развитая площадь установленных солнечных элементов для преобразования солнечной энергии в электрическую;
- отсутствие резервирования составных частей устройства для возможного их использование по двойному применению.
2. Недостаточно высокая надежность и срок работы устройства из-за отсутствия резервирования частей устройства и применения традиционных металлических материалов, более тяжелых и менее прочных по сравнению с современными, например, композиционными материалами. Это не только снижает прочность прототипа, но и увеличивает его массу и стоимость устройства.
3. Не решен вопрос передачи электрической энергии от вращающейся части установки к стационарной части, связанной с потребителем энергии.
Задачами заявленного устройства являются:
- повышение КПД и надежности работы устройства;
- снижение массы и повышение прочности конструкции;
- увеличение срок службы устройства;
- снижение стоимости устройства.
Решение поставленных задач заявленного устройства выполнено за счет следующих его отличительных признаков:
1. Аэродинамическая конструкция выполнена в виде горизонтально расположенного своей продольной осью цилиндрического раструба с входом и выходом воздушного потока от ветра и с возможностью флюгерного вращения в горизонтальной плоскости. В полости цилиндрического раструба установлены вращающиеся аэродинамические лопасти непосредственно соединенные с ротором электрогенератора соосно с продольной осью раструба. Раструб жестко установлен своей нижней образующей линией на верхнем конце вращающегося вала своим центром тяжести, выполненным смещенным к входу раструба. Солнечные элементы закреплены непосредственно на верхней и боковых наружных поверхностях раструба. Вертикальный вращающийся вал выполнен трубчатым, в полости которого проходят электрокабели к блокам преобразования напряжения и распределения электроэнергии потребителям. Блоки преобразования напряжения и распределения электроэнергии потребителям установлены на неподвижной платформе, причем подвод электрокабелей к ним осуществлен посредством подвижных в горизонтальной плоскости и неподвижных электроконтактов. Конструкция подвижных электроконтактов выполнена заодно с трубчатым вертикальным валом на его конце в виде фланца, а конструкция неподвижных электроконтактов - на указанной неподвижной платформе.
2. Солнечно-ветровая энергетическая установка снабжена по меньшей мере одним дополнительным раструбом, выполненным аналогично основному и установленным своей нижней образующей линией по верхней образующей линии основного раструба.
3. Солнечно-ветровая энергетическая установка выполнена с плоским вертикально расположенным килем, лежащим в плоскости расположения продольной оси основного раструба, или в плоскости расположения продольных осей основного и дополнительного раструбов. Киль вертикально расположен сзади выхода основного раструба или выходов основного и дополнительного раструбов, а также снизу и сверху от выходов основного и дополнительного раструбов. С обеих сторон киля закреплены солнечные элементы солнечных батарей.
4. В солнечно-ветровой энергетической установке раструбы, аэродинамические лопасти и плоский вертикально расположенный киль выполнены из композиционного материала, например углепластика.
5. В солнечно-ветровой энергетической установке над верхней образующей линией дополнительного раструба и параллельно ей выполнена жидкостная магистраль с равномерно расположенными снизу нее отверстиями для слива через них жидкости, например спирта, для смывания снега, или обледенения с раструбов. Подвод жидкости к указанной горизонтальной жидкостной магистрали выполнен к среднему ее участку снизу посредством вертикальной жидкостной магистрали. Вертикальная жидкостная магистраль выполнена проходящей насквозь через раструбы и полость вертикального вращающегося вала. На нижней выступающей из вала части вертикальной магистрали жестко установлен насос с возможностью управления его работой, например, посредством автоматики. Насос подает жидкость в горизонтальную жидкостную магистраль через трубчатый заборник, который выполнен ниже насоса. При этом трубчатый заборник вращается вместе с вертикальным валом и своим концом погружен в жидкость неподвижной емкости, установленной на платформе. Неподвижная емкость выполнена с крышкой, снабженной уплотнителем для прохода в нее вращающегося трубчатого заборника. Неподвижная емкость выполнена с вертикальной жидкостной трубкой для подачи в нее жидкости с земли с автоматическим управлением по датчикам уровня жидкости в указанной неподвижной емкости.
6. В солнечно-ветровой энергетической установке в каждом цилиндрическом раструбе установлено по меньшей мере по одной дополнительной аэродинамической лопасти соосно с основной аэродинамической лопастью со своим самостоятельным электрогенератором или без него, напрямую соединенной своей осью вращения с осью вращения основной аэродинамической лопасти.
Предложенное техническое решение поясняется чертежом.
На фиг. 1 показан общий вид солнечно-ветровой энергетической установки.
Предложенная солнечно-ветровая энергетическая установка, содержит: неподвижную платформу 1, на которой в подшипниковой опоре 2 установлен вертикальный вращающийся вал 3, на верхнем конце которого жестко закреплена аэродинамическая конструкция 4 с аэродинамическими лопастями 5 и солнечные батареи с солнечными элементами 6, которые функционально соединены посредством электропроводов с обмоткой ротора электрогенератора 7, аккумуляторную батарею (не показана) и блоки 8, 9 преобразования напряжения и распределения электроэнергии потребителям.
Аэродинамическая конструкция 4 выполнена в виде горизонтально расположенного цилиндрического раструба 10 со своей продольной осью, с входом 11 и выходом 12 воздушного потока от ветра и с возможностью флюгерного вращения в горизонтальной плоскости. В полости цилиндрического раструба 10 установлены вращающиеся аэродинамические лопасти 5, непосредственно соединенные с ротором электрогенератора 7, соосно с продольной осью раструба 10. Раструб 10 жестко установлен нижней образующей линией на верхнем конце вращающегося вала 3 со своим центром тяжести 13, выполненным смещенным к входу 11 раструба 10.
Солнечные элементы 6 закреплены непосредственно на верхней и боковых наружных поверхностях раструба 10.
Вертикальный вращающийся вал 3 выполнен трубчатым, в полости которого проходят электрокабели 14 от ротора электрогенератора 7 к блокам 8, 9 преобразования напряжения и распределения электроэнергии потребителям, установленным на неподвижной платформе 1. Подвод электрокабелей 14 к блокам 8, 9 неподвижной платформы 1 осуществлен посредством подвижных в горизонтальной плоскости электроконтактов 15 и неподвижных электроконтактов 16. Конструкция подвижных электроконтактов 15 выполнена заодно с трубчатым вертикальным валом 3 на его конце в виде фланца, а неподвижная конструкция электроконтактов 16 - на указанной неподвижной платформе 1.
Предложенная солнечно-ветровая энергетическая установка снабжена по меньшей мере одним дополнительным раструбом 17, выполненным аналогично основному раструбу 10 и установленным своей нижней образующей линией по верхней образующей линии основного раструба 10.
Предложенная установка выполнена с плоским вертикально расположенным килем 18, лежащим в плоскости расположения продольной оси основного раструба 10, или в плоскости расположения продольных осей основного 10 и дополнительного 17 раструбов. Киль расположен сзади выхода 12 основного раструба 10 или выходов 12, 19 основного 10 и дополнительного 17 раструбов, а также снизу и сверху от выходов 12, 19 основного 10 и дополнительного 17 раструбов. С обеих сторон киля 18 закреплены солнечные элементы 6 солнечных батарей.
В предложенной установке цилиндрические раструбы 10, 17, аэродинамические лопасти 5 и плоский вертикальный киль 18 выполнены из композиционного материала, например углепластика.
В предложенной установке над верхней образующей линией дополнительного раструба 17 и параллельно ей выполнена жидкостная магистраль 20 с равномерно расположенными снизу нее отверстиями 21 для слива через них жидкости, например спирта, для смывания снега или обледенения с раструбов 10, 17. Подвод жидкости к указанной горизонтальной жидкостной магистрали 20 выполнен к среднему ее участку снизу посредством вертикальной жидкостной магистрали 22, выполненной проходящей насквозь через раструбы 10, 17 и полость вертикального вращающегося вала 3. На нижней выступающей из вала 3 части горизонтальной жидкостной магистрали 20 жестко установлен насос 23 с возможностью управления его работой, например, посредством автоматики для подачи жидкости в горизонтальную жидкостную магистраль 20 через трубчатый заборник 24 вертикальной жидкостной магистрали 22. Трубчатый заборник 24 выполнен ниже насоса 23. Трубчатый заборник 24 вращается вместе с вертикальным валом 3 и своим концом погружен в жидкость неподвижной емкости 25, установленной на платформе 1. Неподвижная емкость 25 выполнена с крышкой 26, снабженной уплотнителем 27 для прохода в ней вращающегося трубчатого заборника 24. Неподвижная емкость 25 выполнена с вертикальной жидкостной трубкой 28 для подачи в нее жидкости с земли с автоматическим управлением по датчикам 29 уровня жидкости в указанной неподвижной емкости 25.
В предложенном устройстве в каждом цилиндрическом раструбе 10, 17 установлено по меньшей мере по одной дополнительной аэродинамической лопасти 30, соосно с основной аэродинамической лопастью 5, со своим самостоятельным электрогенератором 31, или без него, напрямую соединенной свое осью вращения с осью вращения основной аэродинамической лопасти 5.
Предложенная солнечно-ветровая энергетическая установка работает следующим образом. Так как установка 4 выполнена по принципу флюгера, то она под действием ветра все время разворачивается своими продольными осями раструбов по направлению ветра и своими входами 11 раструбов к ветру. Это обеспечивается особенностями конструкции установки. Так, если ветер подул сбоку, то сила его воздействия на части конструкции относительно ее оси вращения (вертикального вращающегося вала 3) будут пропорциональны их площадям. Так как площадь каждого раструба относительно оси вращения со стороны выхода 12, 19 больше, то именно эта сторона, под действием ветра, будет отворачиваться от него, и раструбы своими продольными осями будут постоянно занимать положение по направлению ветра, а своими входами 11 - навстречу ему. Продувая раструбы 10, 17, ветер будет вращать аэродинамическими лопастями 5, 30. Так как обдув аэродинамических лопастей 5, 30 осуществляется в условиях аэродинамической трубы, то он весь будет использоваться для создания вращательного движения лопастей 5, 30, за счет чего повышается КПД устройства. В прототипе же значительная часть потока ветра отбивается лопастью в сторону по направлению ветра, что приводит к снижению КПД использования потока ветра, находящего на лопасть.
Установка по меньшей мере одной дополнительной аэродинамической лопасти 30 в раструбах 10, 17, соосно с основной аэродинамической лопастью 5 со своим самостоятельным электрогенератором 31, или без него, соединенной своей осью вращения с осью основной лопасти 5, позволяет дополнительно повысить КПД устройства.
На верхние и боковые поверхности раструбов 10, 17 непосредственно закреплены (например, наклеены) солнечные элементы 6, что позволяет двойное использование рабочей площади раструбов 10, 17 и тем самым снизить массу устройства. Солнечные элементы 6 преобразуют солнечную энергию в электрическую, часть которой подается на обмотку роторов электрогенераторов 7, 31 для повышения КПД их работы. Кроме того, двойное использование рабочей поверхности обеспечено килем 18, с одной стороны, для получения электроэнергии от солнечных элементов 6, закрепленных с обеих его сторон, а с другой стороны, для повышенной эффективности и надежности работы устройства даже при слабой скорости ветра, так как киль создает дополнительное усилие по ориентации и стабилизации раструбов 10, 17 с их направлением своими продольными осями по направлению движения ветра. Это не только повышает надежность работы устройства, но и дополнительно увеличивает его КПД, как и то, что солнечные элементы 6 закреплены с обеих сторон киля 18, что позволяет получать с них электроэнергию независимо от того, с какой стороны светит Солнце.
В предложенном устройстве цилиндрические раструбы 10, 17, аэродинамические лопасти 5, 30 и киль 18 выполнены из композиционного материала, например углепластика. Это позволило значительно облегчить и упрочнить конструкцию и, тем самым, увеличить ее срок службы и снизить стоимость. Действительно, если конструкция тяжелая, то монтаж и удержание ее на большой высоте требует более мощного основания, а значит более тяжелого и дорогостоящего.
В предложенном устройстве над верхней образующей линией дополнительного раструба 17 и параллельно ей выполнена жидкостная магистраль 20 с равномерно расположенными снизу нее отверстиями 21 для слива через них жидкости, например спирта, для смывания снега, или обледенения с раструбов 10, 17. Подвод жидкости к указанной горизонтальной жидкостной магистрали 20 выполнен к среднему ее участку снизу посредством вертикальной жидкостной магистрали 22, выполненной проходящей насквозь через раструбы 10, 17 и полость вертикального вращающегося вала 3. На нижнем конце горизонтальной жидкостной магистрали 20, выступающем из вала 3, жестко установлен насос 23 с возможностью управления его работой, например, посредством автоматики для подачи жидкости в горизонтальную жидкостную магистраль 20 через трубчатый заборник 24 вертикальной жидкостной магистрали 22. Трубчатый заборник 24 выполнен ниже насоса 23 со своим концом, находящимся в неподвижной емкости 25 с жидкостью, установленной на платформе 1. Неподвижная емкость 25 выполнена с крышкой 26 с уплотнителем 27 для герметичного вращения заборника 24 в крышке 26.
Подача жидкости с земли в неподвижную емкость 25 выполнена посредством выполненной дополнительной вертикальной магистрали 28 с автоматическим управлением по датчикам уровня жидкости 29 в указанной неподвижной емкости 25. Это позволяет дополнительно повысить надежность и КПД устройства.
Предложенное изобретение в настоящее время находится на стадии подготовки к изготовлению действующего опытного образца с перспективой запуска его в серийное производство.