ВСЕСЕЗОННАЯ ГИБРИДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ВЕРТИКАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ALL-SEASON VERTICAL HYBRID POWER UNIT

Изобретение относится к области гелио- и ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования ветровой и солнечной энергии в электрическую для обеспечения электроэнергией автономных потребителей различной мощности и назначения.
Известно устройство по использованию ветровой и солнечной энергии (RU 2347942, опублик. 27.02.2009), которое содержит соосно расположенные неподвижную ось и вертикальный вал. Вал выполнен в виде цилиндрической трубы и охватывает неподвижную ось. К валу жестко прикреплены попарно и параллельно друг другу коромысла. К концам каждой пары коромысел жестко прикреплены лопасти. Лопасти имеют аэродинамический профиль. Верхняя часть неподвижной оси снабжена неподвижной плоской круглой площадкой, на которой установлена солнечная батарея. Плоскость площадки с солнечными батареями наклонена в сторону солнцестояния.
К недостаткам этого устройства относится то, что ветер одновременно воздействует на лопасти, двигающиеся в попутном и обратном направлении, что не позволяет получить высокий коэффициент использования энергии ветра, особенно при большом количестве лопастей (более 4) и средних и высоких скоростях ветра, несмотря на примененный аэродинамический профиль лопастей. Кроме того, солнечная батарея и ветротурбина не оказывают взаимного положительного влияния, а используются, по сути, по отдельности, что также ограничивает суммарную эффективность энергетической установки.
Известна солнечная ветровая турбина (US 7453167, опублик. 18.11.2008), содержащая опорную конструкцию и турбинный корпус. К верхней части опорной конструкции прикреплена солнечная панель. Турбинный корпус состоит из множества лопастей. Лопасти расположены через равные промежутки по окружности вокруг оси. Данная конструкция содержит дополнительные солнечные панели, которые расположены на поверхности каждой из лопастей.
К недостаткам этого устройства относятся то, что используемая ветротурбина ковшового типа имеет малую быстроходность и низкую эффективность, которая еще больше снижается при скоростях ветра от 5 м/с.
Известна ветряная турбина на основе многокаскадного ротора Савониуса (US 7008171, опублик. 07.03.2006). На оси вращения расположен ротор Савониуса. Лопасти выполнены в виде S-образной формы. Ветряная турбина дополнительно содержит фотоэлектрические элементы. Фотоэлектрические элементы закреплены на внешней поверхности лопастей ротора Савониуса. В верхней части ротора Савониуса дополнительно закреплен солнечный коллектор.
К недостаткам этого устройства, как и в предыдущем случае, относится то, что лежащая в основе усовершенствованная ветротурбина ковшового типа (ротор Савониуса) имеет малую быстроходность и низкую эффективность, особенно при скоростях ветра более 5 м/с, а передача электроэнергии от фотоэлектрических элементов производится через прижимные контакты, в которых часть вырабатываемой энергии расходуется на трение, со временем они истираются и требуют замены.
Известна гибридная ветроэнергетическая вертикальная установка (US 20110025071, опублик. 03.02.2011), представляющая собой комбинацию роторов Савониуса и Дарье со скрученными лопастями. Опорная конструкция имеет цилиндрический вал. На нижнем конце вала закреплен электрогенератор для преобразования энергии ветра в электроэнергию.
К недостаткам этого устройства относится отсутствие фотоэлектрических преобразователей, что ограничивает ее суммарную эффективность.
Прототипом предложенного изобретения является ветровая турбина (US 2012133149, опублик. 31.05.2012), которая содержит вертикальную ось вращения, ротор, генератор с постоянными магнитами. Ротор установлен на штатив. На поверхности ротора закреплены отдельные фотоэлектрические панели. Данные панели обеспечивают энергией установку в отсутствие ветра. Ветровая энергия преобразуется через генератор с постоянными магнитами в электрическую.
К недостаткам этого устройства относится невысокая быстроходность и низкий коэффициент использования энергии ветра, которые обусловлены большим коэффициентом сопротивления лопастей используемой ветровой турбины типа Мэрилин, максимальная скорость вращения которой не превышает 150 об/мин и не позволяет преобразовывать энергию ветрового потока при высокой скорости ветра.
В изобретении достигается технический результат, заключающийся в повышении мощности гибридной ветроэнергетической установки и увеличении вырабатываемой электроэнергии за счет использования ветровой и солнечной энергии всесезонно при переменных погодных условиях.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Всесезонная гибридная энергетическая вертикальная установка, состоящая из установленного с возможностью вращения вертикального вала, выполненного в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную полую ось, закрепленную на основании.
На вертикальном валу соосно между двумя защитными куполами, покрытыми препятствующим обледенению слоем, закреплены ротор Савониуса и ротор Дарье, каждый из которых содержит, по крайней мере, две лопасти.
Ротор Савониуса установлен внутри ротора Дарье. Лопасти ротора Дарье выполнены в виде скрученных полос, покрытых препятствующим обледенению слоем. На всей поверхности лопастей ротора Савониуса, выполненных в виде скрученных пластин, с двух сторон закреплены фотоэлектрические преобразователи. Выходы фотоэлектрических преобразователей соединены с силовым входом устройства управления.
На вертикальном валу закреплен датчик скорости вращения вала, выход которого соединен с сигнальным входом устройства управления. Первый силовой выход устройства управления соединен через первый ключ со входом бесколлекторного двигателя постоянного тока. А второй силовой выход устройства управления соединен через второй ключ со входом индукционного передатчика энергии.
Выход индукционного передатчика энергии соединен через контроллер заряда с первым входом накопителя электрической энергии. Второй вход накопителя соединен через контроллер заряда с выходом электромагнитного генератора, расположенного в нижней части вертикального вала.
При этом защитные купола выполнены в виде полусферической конструкции.
Кроме того, препятствующий обледенению слой выполнен из квазикристаллов AlCuFe.
В частном случае лопасти ротора Дарье могут быть выполнены в виде прямоугольных скрученных полос из алюминиевого сплава.
В свою очередь, лопасти ротора Савониуса выполнены в виде прямоугольных скрученных пластин из армированного композиционного материала.
Также лопасти ротора Савониуса могут быть выполнены в виде прямоугольных скрученных пластин из алюминиевого сплава.
В отдельных частных случаях фотоэлектрические преобразователи выполнены гибкими аморфными.
Кроме того, фотоэлектрические преобразователи выполнены в виде множества монокристаллических прямоугольных многокаскадных гетероструктурных элементов на основе полупроводниковых соединений.
При этом бесколлекторный двигатель постоянного тока, расположен над электромагнитным генератором, выполнен в виде цилиндрической конструкции. Бесколлекторный двигатель постоянного тока содержит статор на постоянных магнитах, закрепленный на неподвижной полой оси, а также ротор, прикрепленный к вертикальному валу.
Наряду с этим индукционный передатчик энергии, расположен под электромагнитным генератором. Индукционный передатчик энергии содержит расположенные на вертикальном валу преобразователь постоянного напряжения в переменное и катушку индуктивности, обвивающую передающее проводящее кольцо, а также расположенные на неподвижной полой оси принимающее проводящее кольцо, обвитое катушкой индуктивности, и преобразователь переменного напряжения в постоянное.
В свою очередь, электромагнитный генератор, содержит нижний и верхний роторы, статор, магнитный подвес верхнего ротора в виде кольцевых магнитов.
Всесезонная гибридная энергетическая вертикальная установка дополнительно содержит солнечные коллекторы, установленные по периметру энергетической установки с возможностью изменения их угла наклона, оптически соединенные с фотоэлектрическими преобразователями.
В частном случае солнечные коллекторы выполнены в виде концентраторов вогнутой формы.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид энергетической установки, а на фиг.2 представлена схема распределения преобразованной солнечной энергии.
На чертеже показаны вертикальный вал 1, неподвижная полая ось 2, закрепленная на основании 3, защитные купола 4, 5, лопасти 6, 7, 8 ротора Дарье, лопасти 9, 10, 11 ротора Савониуса, фотоэлектрические преобразователи 12, 13, 14, устройство 15 управления, датчик 16 скорости вращения вала, бесколлекторный двигатель 17 постоянного тока, который содержит статор 22 на постоянных магнитах, а также ротор 23, индукционный передатчик 18 энергии, контроллер 19 заряда, накопитель 20 электрической энергии, электромагнитный генератор 21, состоящий из верхнего ротора 24 и нижнего ротора 25, статора 26, дополнительные солнечные коллекторы 27, преобразователь 28 постоянного напряжения в переменное, передающее проводящее кольцо 29 с катушкой индуктивности, принимающее проводящее кольцо 30 с катушкой индуктивности, преобразователь 31 переменного напряжения в постоянное.
Всесезонная гибридная энергетическая вертикальная установка работает следующим образом.
Под влиянием ветровой нагрузки лопасти 6, 7, 8 ротора Дарье и лопасти 9, 10, 11 ротора Савониуса приводят во вращение в направлении ветра вертикальный вал 1. Лопасти 6, 7, 8 ротора Дарье выполнены в виде прямоугольных скрученных полос из алюминиевого сплава, обеспечивающих более эффективную передачу энергии ветра гибридному ротору за счет уменьшения потерь на сопротивление воздуха и более равномерного распределения их массы.
Лопасти 6, 7, 8 покрыты слоем (на чертеже не показан) из квазикристаллов AlCuFe, что препятствует их обледенению.
При погружении в воду тестовых образцов, охлажденных в потоке паров жидкого азота до температуры -30°C, имитирующих лопасти ротора Дарье и защитные купола, было установлено отсутствие намерзания воды на тестовые образцы, имеющих покрытие на основе квазикристаллов AlCuFe толщиной 15-30 мкм.
Лопасти 9, 10, 11 ротора Савониуса выполнены в виде прямоугольных скрученных пластин из армированного композиционного материала, что обеспечивает более эффективную передачу энергии ветра ротора Савониуса в составе гибридного ротора при малых скоростях ветра и уменьшение потерь на сопротивление воздуха при средних и высоких скоростях ветра, когда передача энергии гибридному ротору происходит через ротор Дарье.
Материалы, из которых выполнены лопасти 6, 7, 8 ротора Дарье и лопасти 9, 10, 11 ротора Савониуса, а именно алюминиевые сплавы и армированные композиционные материалы обладают малой плотностью, высокой прочностью и являются технологичными с точки зрения придания сложной геометрической конфигурации.
Вращение лопастей 6, 7, 8 ротора Дарье и лопастей 9, 10, 11 ротора Савониуса обеспечивает образование кинетической энергии вращения, которая поступает на электромагнитный генератор 21, где преобразуется в электрическую энергию.
В электромагнитном генераторе 21 вращение верхнего ротора 24 и нижнего ротора 25 с постоянными магнитами создает индукционные токи в катушках статора 26.
Индукционный переменный ток с выхода электромагнитного генератора 21, преобразованный через контроллер 19, поступает на второй вход накопителя 20 электрической энергии. С выхода накопителя 20 накопленная электрическая энергия распределяется к потребителю.
Сигнал с датчика 16 скорости вращения вала постоянно поступает на сигнальный вход устройства 15 управления.
При поступлении сигнала о недостаточной скорости вращения вала, которая характерна для слабой силы ветра, устройство 15 управления направляет преобразованную солнечную энергию с фотоэлектрических преобразователей 12, 13, 14 через первый ключ на вход бесколлекторного двигателя 17. Двигатель 17 приводит во вращение лопасти 6, 7, 8 ротора Дарье и лопасти 9, 10, 11 ротора Савониуса.
При поступлении сигнала о достаточной скорости вращения вала, при которой отсутствует необходимость срабатывания бесколлекторного двигателя 17, устройство 15 управления направляет энергию с фотоэлектрических преобразователей 12, 13, 14 через второй ключ на вход индукционного передатчика 18 энергии.
Индукционный передатчик 18 энергии передает энергию постоянного тока от фотоэлектрических преобразователей 12, 13, 14 беспроводным способом методом электромагнитной индукции за счет ближнего электромагнитного поля и направляет электрическую энергию через контроллер 19 на первый вход накопителя 20 электрической энергии. С выхода накопителя 20 накопленная электрическая энергия распределяется к потребителю.
Верхний защитный купол 4 и нижний защитный купол 5 закреплены на вертикальном валу 1 и покрыты слоем (на чертеже не показан) из квазикристаллов AlCuFe, что препятствует их обледенению.
Полусферическая конструкция защитных куполов 4, 5 позволяет защитить энергетическую установку от наледи и снежного покрова, а также от попадания воды вовнутрь вертикального вала 1 и неподвижной полой оси 2.
Солнечные коллекторы 27, оптически соединенные с фотоэлектрическими преобразователями 12, 13, 14 установлены по периметру энергетической установки с возможностью изменения их угла наклона, что позволяет сконцентрировать и направить световой поток на фотоэлектрические преобразователи 12, 13, 14, дополнительно увеличить эффективность преобразования солнечной энергии и повысить мощность установки.
При условии рассеянного солнечного излучения эффективно использовать фотоэлектрические преобразователи 12, 13, 14 выполненные в виде гибких аморфных. При отсутствии рассеяния света и высокой концентрации солнечного излучения эффективно использовать фотоэлектрические преобразователи 12, 13, 14, выполненные в виде множества монокристаллических прямоугольных многокаскадных гетероструктурных элементов на основе полупроводниковых соединений.
Предложенная конструкция обеспечивает увеличение эффективности и срока службы фотоэлектрических преобразователей 12, 13, 14, так как при размещении их на всей поверхности лопастей 9, 10, 11 ротора Савониуса происходит дополнительное охлаждение в результате вращения.
2
2
Были проведены экспериментальные исследования с гибридной вертикально-осевой турбиной диаметром 1,2 м и массой 30 кг. Гибкие фотоэлектрические преобразователи общей площадью около 0,4 м и эффективностью 8% при рассеянном солнечном излучении удельной мощностью 800 Вт/м закреплены на лопастях ротора Савониуса. Фотоэлектрические преобразователи вырабатывают не менее 25 Вт электроэнергии, которой достаточно для увеличения скорости вращения вала за счет срабатывания бесколлекторного двигателя постоянного тока до значения, которое обеспечивается при скорости ветра 2,5 м/с, что сопоставимо или превышает энергию ветрового потока.
Для зарядки накопителей энергии от ветрогенераторов аналогичных конструкций требуется стабильное воздействие ветрового потока со средней скоростью не менее 2,5 м/с, обеспечивающего вращение ветротурбины с определенным числом оборотов в минуту. Кратковременное срабатывание бесколлекторного двигателя постоянного тока при недостаточной скорости вращения вала позволяет увеличить скорость вращения до среднего значения, обеспечивающего зарядку накопителя энергии при средней скорости ветра, соответствующей страгиванию ротора на магнитном подвесе, т.е. около 1,5 м/с. При этом увеличение количества накопленной энергии более чем на порядок величины превышает расход энергии, требуемой на срабатывание бесколлекторного двигателя постоянного тока.
Совместное использование ветровой и солнечной энергии позволяет повысить мощность и эффективность гибридной установки, а также увеличить стабильность вырабатываемой электроэнергии от альтернативных источников энергии при переменных погодных условиях.