Автономное устройство освещения
SELF-CONTAINED ILLUMINATION DEVICE

Изобретение относится к области энергетики, а именно к автономным устройствам освещения, использующим кинетическую энергию движения воздушного потока для преобразования в электрическую энергию, и может быть использовано для освещения транспортных трасс и объектов в местах со сложными географическим и климатическими условиями.
Использование предлагаемых светильников позволит отказаться от необходимости в прокладке электрических кабелей, и позволит создавать системы освещения устойчивыми к аварийным ситуациям и технологическим сбоям.
Известен автономный уличный светильник, содержащий светодиодную панель, электрогенератор, крыльчатку в виде закрепленных на одной вертикальной оси изогнутых в обеих плоскостях пластин. Ось крыльчатки смонтирована на столбе и соединена с электрогенератором, который подключен к аккумулятору, питающему светодиодную панель. Аккумулятор и электрогенератор расположены внутри столба. Светильник снабжен датчиком освещенности для автоматического включения и выключения освещения (RU, №62444, кл. F21K 7/00, опубл. 10.04.2007).
Недостатком известного устройства является его зависимость от внешних условий, как погодных, так и климатических.
Известна автономная система электроосвещения в зонах децентрализованного энергоснабжения (RU 2157947, кл. F21S 8/10, F21S 9/00, F21K 7/00, F21W 111/02, F21W 131/10, F03D 9/02, 2000 г), которая содержит автономный источник электрической энергии, аккумуляторную батарею, осветительную лампу, датчик освещенности, блок управления системой освещения и полую телескопическую опору-стойку. Автономный источник установлен в верхней части телескопической опоры-стойки и выполнен в виде вихревой ветроэнергетической установки с возможностью использования, как при низкопотенциальной горизонтальной энергии ветра, так и при энергии тепловых восходящих потоков воздуха. Опора-стойка изготовлена из прозрачной пластмассы, каждый элемент которой по всей длине зачернен на половину ее диаметра. В основании опоры и в верхней ее части выполнены осесимметричные отверстия. Автономный источник электрически соединен с блоком управления системой освещения, содержащим датчик освещенности и управляющим использованием электрической энергии в зависимости от уровня естественного наружного освещения.
Известное устройство освещения, из-за его привязки к внешним условиям (наличие солнечного света и ветра), не достаточно эффективное и не может отвечать условиям стабильной работы. Для условий работы в северных широтах, где продолжительность светового дня на протяжении полугода не превышает 50%, а часто бывают и пасмурные дни, энергии солнца будет недостаточно. Использование аккумуляторов для накопления энергии, выработанной при выключенном освещении, влияет на стоимость всего устройства. Кроме того, ограниченное количество циклов заряда-разряда аккумуляторной батареи, снижение емкости и деградация элементов при отрицательных и околонулевых температурах, превращает ее в дорогой расходный элемент, требующий частой замены, а из-за кислотных испарений (свинцово-кислотных аккумуляторов) требуется наличие вентиляции, что усложняет конструкцию, требующую постоянную замену оборудования, и затрудняет обслуживание. Использование прозрачной пластмассы, с достаточным светопропусканием, имеет высокую стоимость и также требует дополнительного технического обслуживания для поддержания светопропускной способности опоры, увеличивая тем самым трудозатраты на обслуживание устройства. Наличие даже очень небольшого слоя пыли сильно снижает количество проникающего внутрь света, в том числе и в инфракрасном диапазоне, а половинчатая покраска темной краской приведет к неравномерному нагреву при воздействии прямой солнечной радиации, что вызовет либо нарушение геометрии конструкции, либо нарушение ее прочностных характеристик, либо и то и другое одновременно.
Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является автономный уличный светильник (RU, №92936, кл. F21K 99/00, опубл. 10.04.2010), содержащий источник света, в виде светодиодной панели, электрогенератор, датчик освещенности и полую опору, внутри которого расположены электрогенератор и аккумулятор. На валу электрогенератора установлена аэровакуумная турбина, наружная стенка столба выполнена в виде "теплых" остекленных ящиков с черной теплопроводной поверхностью для использования энергии солнца, а в верхней части опоры установлен дефлектор для использования энергии ветра, причем светильник снабжен блоком управления освещением, содержащим датчик движения и акустический датчик.
Недостатком устройства является его зависимость от интенсивности солнечного освещения и силы ветра. Применение автономного уличного светильника в регионах с небольшим числом солнечных дней будет не эффективным.
Технической проблемой изобретения является разработка устройства автономного освещения, работа которого не зависит от внешних условий.
Техническим решением изобретения является повышение стабильности работы устройства и снижении трудозатрат на его обслуживание.
Решение, на которое направлено изобретение, заключается в разработке автономного устройства освещения, не зависящее от погодных и климатических условий окружающей среды, а также отсутствие потребности в солнечном свете и ветре.
Указанная проблема решается за счет того, что автономное устройство освещения включает полую опору, в верхней части которой смонтированы источник освещения и дефлектор, снизу образованы отверстия для поступления воздуха вовнутрь опоры, а внутри опоры расположено технологическое оборудование, включающее крыльчатку, соединенную через вал с электрогенератором, и блок управления. Согласно изобретению технологическое оборудование размещено в съемной кассете, для установки ее внутри опоры. Технологическое оборудование дополнительно включает блок нагрева, выполненный в виде нагревательных элементов, смонтированных в радиаторах, расположенных в нижней части кассеты и верхней ее части над крыльчаткой. Крыльчатка выполнена составной, включающая пропеллер, установленный на валу электрогенератора, и дополнительные лопасти, жестко смонтированные на внутренней стенке кассеты под углом, противоположным углу установки лопастей пропеллера над и под пропеллером. Отверстие для поступления воздуха внутрь опоры выполнено в виде кольцевого зазора, образованного между нижним концом опоры и основанием на котором закреплена опора.
Электрогенератор установлен в блоке управления, который также включает модуль телеметрии и контроля, модуль управления освещением, модуль связи, модуль дополнительных функций, связанный с камерой видеонаблюдения, микрофоном, системой оповещения, датчиками движения и экологического контроля.
Электрогенератор выполнен преимущественно низкооборотистым, многополюсным аксиальным с вертикальной осью на постоянных магнитах.
Радиатор блока нагрева выполнен в виде ребристого цилиндра, с радиально ориентированными ребрами, при этом ребра занимают 2/3 диаметра радиатора.
В центральной части радиатора выполнены глухие отверстия, в которых установлены нагревательные элементы.
Дополнительная крыльчатка смонтирована на внутренних стенках кассеты посредством винтовых соединений.
Дефлектор выполнен турбинного типа шарообразной формы с возможностью свободного вращения в подшипниках, установленных на оси, жестко закрепленной на верхнем конце опоры.
Для образования кольцевого зазора между нижним концом опоры и основанием, нижний конец опоры снабжен фланцем для его фиксации с помощью болтового соединения с закладным элементом в основании, также снабженным фланцем, или для анкерного крепления к основанию
Высоту кольцевого зазора целесообразно выполнить от 15 до 35 мм между фланцем, закрепленным на нижнем конце опоры, и основанием.
Источники освещения закреплены на кронштейнах, смонтированных сверху полой опоры.
Количество кронштейнов с источниками освещения от 1 до 5.
Полая опора снабжена технологическим люком для технологического обслуживания съемной кассеты с блоком управления.
С внешней стороны полой опоры и источника освещения закреплены телеметрические датчики, связанные с блоком управления.
Полая опора выполнена с постоянным и/или переменным поперечным сечением ступенчатой или конической формы при разнице между площадью поперечного сечения нижнего и верхнего концов ≤35%.
Наличие блока нагрева, включающего радиатор с нагревательными элементами, расположенными внутри радиатора усиливает тяговый эффект подъема воздуха снизу вверх, за счет явления естественной конвекции, возникающей в воздушной массе, находящейся внутри полой опоры вокруг радиатора нагревателя. При такой конвекции нижние слои воздуха нагреваются, становятся легче и поднимаются вверх, а их место занимают более холодные, плотные и тяжелые массы воздуха, поступающие снаружи через входное отверстие в нижнем краю опоры.
Выполнение крыльчатки составной, включающей пропеллер, установленный на одном валу с электрогенератором, и дополнительные лопасти, жестко смонтированные на внутренней стенке полой опоры снизу и сверху от вращающегося пропеллера посредством винтовых соединений, повышают плотность проходящего через них воздушного потока и позволяют задать его направление по восходящей спирали для формирования вихря и для увеличения угла атаки по отношению к рабочей поверхности лопастей вращающегося пропеллера.
Выполнение отверстия для поступления воздуха внутрь полой опоры в виде зазора высотой от 15 до 35 мм между фланцем, закрепленным на нижнем конце опоры, и основанием обеспечивает беспрепятственное проникновение внутрь опоры воздуха. Такой способ доступа наружного воздуха является более предпочтительным по сравнению с отверстиями в стенках опоры еще и потому что не нарушается целостность материала стенок конструкции, не происходит его ослабление при эксплуатации. Высота зазора от 15 до 35 мм достаточна для поступления необходимого объема воздуха и создания внутри полой опоры достаточной тяги и силы для вращения крыльчатки, обеспечивающей вращение электрогенератора для выработки электроэнергии. Этот зазор должен обеспечить попадание внутрь опоры не меньшего объема воздуха, чем сможет выйти через верхнее отверстие.
Расположение блока управления в съемной кассете, а также включение в блок управления электрогенератора, модуля телеметрии и контроля, модуля управления освещением, модуля связи, модуля дополнительных функций, связанного с камерой видеонаблюдения, микрофоном, системой оповещения, датчиками движения и экологического контроля упрощает обслуживание, ремонт - замену или подключение - отключение модулей без полной остановки устройства.
Выполнение радиатора блока нагрева в виде металлического ребристого цилиндра, с радиально ориентированными ребрами, обеспечивает повышение интенсивности теплообмена внутри опоры. Выполнение центральной части тела радиатора цельной, позволяет выполнить в нем глухих отверстий для установки нагревательных элементов.
Расположение блока нагрева в нижней части полой опоры и сверху над крыльчаткой усиливает эффект тяги воздуха внутри полой опоры.
Выполнение дефлектора турбинного типа шарообразной формы с возможностью свободного вращения в подшипниках, установленных на оси, жестко закрепленной на верхнем конце опоры, с одной стороны не позволяет проникновению в внутрь опоры посторонних предметов, а также птиц, а с другой стороны повышает тягу внутри опоры.
Установку на нижнем конце полой опоры фланца и снабжение его болтовым креплением для соединения опоры с фланцем закладного элемента или для анкерного крепления к основанию облегчает установку опоры и обеспечивает наличие необходимого по величине зазора для поступления воздуха внутрь.
Выполнение полой опоры с постоянным или с переменным ступенчатым или коническим поперечным сечением зависит от того, какой высоты предполагается быть опора. При этом разница между площадью поперечного сечения нижнего и верхнего концов должна быть в пределах от ≤35%. Указанное значение является максимальной расчетной разницей, обусловленной разностью в плотности между входящим холодным и выходящим подогретым воздухом. Если разница в площадях сечений будет больше, то верхнее отверстие не справится с объемом выходящего воздуха, и внутри опоры будет создаваться избыточное давление, препятствующее возникновению тяги.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено автономное устройство освещения, общий вид; на фиг. 2 - съемная кассета в продольном разрезе; на фиг. 3 - верхняя часть опоры с дефлектором, на фиг. 4 - поступление воздуха в зазор между фланцами; фиг. 5 - схема прохождения воздуха внутри полой опоры; на фиг. 6 - радиатор с нагревательными элементами, вид сверху; на фиг. 7 - радиатор с нагревательными элементами, в продольном разрезе.
Автономное устройство освещения включает полую опору 1, выполненную цилиндрической, конической или ступенчатой формы. В верхней части опоры 1 смонтированы источник 2 освещения, закрепленный на кронштейне 3 и дефлектор 4, выполненный турбинного типа шарообразной формы с возможностью свободного вращения в подшипниках, установленных на оси, жестко закрепленной на верхнем конце опоры 1 (на фиг. не показано). Количество кронштейнов 3 с источниками 2 освещения может быть от 1 до 5. Снизу опоры 1 образованы отверстия в виде зазора 5 для поступления воздуха внутрь опоры 1. Зазор 5, выполнен размером от 15 до 35 мм и образован между фланцами 6 и 7, один из которых - 6, установлен на нижней части опоры 1, а другой фланец 7 установлен на закладном элементе 8, забетонированном в основании 9. Фланцы 6 и 7 скреплены болтовым соединением 10. С внешней стороны опоры 1, кронштейна 3, на источнике 2 освещения закреплены телеметрические датчики 11, связанные с блоком управления, расположенном внутри полой опоры 1. В нижней части опоры 1 расположен технологический люк 12 для доступа к блоку управления и его обслуживания. Блок управления помещен в съемную кассету 13 и содержит электрогенератор 14 выполненный низко оборотистым, многополюсным аксиальным с вертикальной осью на постоянных магнитах, модуль 15 телеметрии и контроля, модуль 16 управления освещением, модуль 17 связи, модуль 18 дополнительных функций. Модуль 18 связан с камерой видеонаблюдения, микрофоном, системой оповещения, датчиками движения и экологического контроля (на фиг. не показано). Внутри опоры 1 расположена составная крыльчатка, включающая пропеллер 19, установленный на валу 20 электрогенератора 14, входящий в блок управления. Крыльчатка также включает дополнительные лопасти 21, жестко смонтированные посредством винтовых соединений на внутренней стенке кассеты 13 под углом, противоположным углу установки лопастей пропеллера 19, над и под пропеллером 19. В нижней части кассеты 13 установлен радиатор 22, который выполнен с ребрами 23. В теле радиатора 22 образованы глухие отверстия 24, в которых установлены нагревательные керамические элементы 25. Над крыльчаткой, в верхней части кассеты 13, установлен второй радиатор 26 с нагревательными элементами 27.
Полую опору 1 автономного устройства освещения устанавливают вертикально и прикрепляют к почве, бетонному или асфальтобетонному основанию 9 посредством фланцев 6 и 7 к закладной части фундаментного блока с помощью болтового крепления 10. Стальные фланцы 6 и 7 в креплении используется стандартной конструкции.
Устройство работает следующим образом.
Запуск устройства осуществляется через технологический люк 12. К клеммам нагревательных элементов 25 подсоединяют переносной аккумулятор (на фиг. не показано) для нагрева элементов 25. После нагрева элементов 25 и достижения необходимой температуры возникает тяга и воздух, поступивший из зазора 5, направляется вверх, осуществляя вращение крыльчатки. Вращающийся пропеллер 19 через вал 20 запускает электрогенератор 14 блока управления. Блок управления производит автоматическую диагностику системы и сигнализирует об успешном запуске устройства. Аккумулятор отсоединяют от клемм. Закрывают технологический люк 12. Устройство готово к эксплуатации в автоматическом режиме.
Благодаря зазору 5 между фланцами 6 и 7, воздух беспрепятственно проникает внутрь полой опоры 1 и поднимается вверх. На верхнем конце опоры 1 дефлектор 4 турбинного типа за счет своего вращения при наличии даже слабого ветра создает дополнительное разряжение и тем самым усиливает эффект конвекции. Кроме того, дефлектор 4 предотвращает попадание внутрь опоры 1 осадков и частиц мусора. Воздушный поток проходит между конвекционными ребрами 23 радиатора 22 с керамическими нагревательными элементами 25, нагревается и стремится вверх, увеличивая эффект тяги. Ускоренный воздушный поток попадает на лопасти дополнительной крыльчатки 21. Формируется вихрь за счет увеличения плотности и скорости воздушного потока и усиливает давление на лопасти пропеллера 19, вращающегося на валу 20. После чего электрогенератор 14, соединенный с пропеллером 19 через вал 20, преобразует кинетическую энергию воздушного потока в электрическую энергию. Кроме того, нагревательные элементы 25 осуществляют нагрев воздуха за счет части электрической энергии, вырабатываемой электрогенератором 14. Для подогрева воздушного потока используется часть (не более 25%) выработанной генератором 14 энергии.
При полном отсутствии ветра дефлектор 4 турбинного типа вращается за счет проходящего сквозь него выходящего из полой опоры 1 конвекционного вихревого потока, при этом дефлектор 4 не создает дополнительное разрежение в воздуховоде 1 и не создает помех конвекционному потоку.
Блок управления - это электронное микропроцессорное устройство с использованием модульной архитектуры, имеющее свое отдельное программное обеспечение. Блок управления необходим для сбора телеметрической информации и контролем за работой устройством с помощью телеметрических датчиков 11, расположенных на внешней поверхности опоры 1, и управления дополнительным оборудованием. Телеметрические датчики 11 позволяют полностью контролировать работу устройства по электрическим, механическим и по климатическим параметрам. Также с помощью блока управления осуществляется управление автономным устройством освещения в автоматическом режиме в зависимости от освещенности окружающего пространства или по расписанию, а также удаленно.
Использование предлагаемого устройства позволит отказаться от необходимости в прокладке электрических кабелей, подключения к внешним источникам электрической энергии, а также не требует периодической заправки топливом, не зависит от солнечного света или ветра, и делает систему освещения устойчивой к авариям и технологическим сбоям.