Фотоветровая электростанция

Полезная модель относится к возобновляемым источникам энергии, а именно к солнечной и ветровой энергетике и может быть использовано для обеспечения автономного электропитания, в том числе в условиях слабых, порывистых ветров.
Фотоветровые электростанции, в которых ветрогенераторы и солнечные панели обьединены в одном устройстве, в том числе, использующих солнечные панели в качестве направляющих ветер створок (например, KR20130062662, KR20120080155, JP2014169671), вообще известны. Такое комбинирование позволяет повысить эффективность электростанции в условиях слабых, порывистых ветров и слабого солнечного освещения.
Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения (RU2550993), содержащий ветровую турбину с лопастями S-образной формы, снабженный каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами. Ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с них на лопасти S-образной формы ветровой турбины. Ветродвигатель выполнен в виде башни. Ветронаправляющие экраны выполнены поворотными с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса. S-образные лопасти характеризуются низкой скоростью и производительностью.
Известна фотоветровая автономная электростанция (RU188712) с вертикально-осевым ротором на магнитных подвесах и концентратором ветрового потока. Вертикально-осевой ротор ветрового электрогенератора вращается внутри концентратора ветрового потока, представляющего собой жесткие вертикальные пластины. Фотоветровая автономная электростанция оснащается мультипликатором, обеспечивающим оптимальную передачу крутящего момента с вала ротора на вал электрогенератора. Фотоэлектрические преобразователи размещены на одной стороне каждой из плоских направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока, а оборотные стороны направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока изготавливаются из светоотражающих материалов. Вертикально-осевой ротор электростанции опирается на магнитные подвесы, представляющие собой взаимно отталкивающиеся постоянные магниты, выполненные в форме дисков с отверстием посередине каждого диска для прикрепления дисков к валу вертикально-осевого ротора. Инвертор обеспечивает стабильные характеристики электроэнергии, направляемой потребителю от блока аккумуляторов. Использование одного асинхронного генератора на магнитных подвесах с демультипликатором имеет недостаток: создается дополнительный шум,  увеличивается момент трогания ротора. Жесткие вертикальные пластины имеют с одной из сторон светоотражающие поверхности,  с другой фотоэлектрические преобразователи. Недостатком конструкции является недостаточная эффективность работы светоотражающих поверхностей  в условиях возможного загрязнения, налипания снега, что в свою очередь снижает эффективность работы всего блока солнечных модулей.
Технической задачей полезной модели является расширение арсенала фотоветровых электростанций, эффективно использующих энергию солнца и порывистого, в том числе, слабого ветра.
Технический результат достигается в фотоветровой электростанции, содержащей каркас, на котором установлены, по-меньшей мере, два вертикально-осевых ротора с лопастями, один над другим, направляющие поток ветра жесткие солнечные панели, каждый ротор соединен с генератором, генераторы и солнечные панели соединены с контроллерами. Каждый контроллер соединен с общим аккумулятором. Жесткие солнечные панели выполнены двусторонними, с использованием закаленного стекла, и снабжены рамками, соединенными с каркасом поворотными держателями. Фотоветровая электростанция выполнена с возможностью регулировки угла атаки лопастей. Используются лопасти с крыльевым профилем, расположенные преимущественно вертикально.
Полезная модель поясняется рисунками:
фиг.1 – фотоветровая электростанция, общий вид;
фиг.2 – два вертикально-осевых ротора;
фиг.3-4 – каркас с двумя вертикально-осевыми роторами с лопастями и с солнечными панелями;
фиг. 5 - каркас с двумя вертикально-осевыми роторами с лопастями и с сложенными солнечными панелями, вид сверху;
фиг.6 – регулировка угла атаки лопасти;
фиг.7 – схема электромонтажа.
Фотоветровая электростанция содержит металлический каркас 1, имеющий в горизонтальном сечении форму правильного восьмигранника. На каркасе 1 установлены, по-меньшей мере, два вертикально-осевых ротора 2, 3 с лопастями 4, один над другим (фиг. 2).
Каждый вертикально-осевой ротор 2, 3 с лопастями 4 (далее, также – ротор) содержит центральную ось 5, от которой радиально отходят траверсы 6, расположенные, преимущественно, горизонтально. Каждый ротор, преимущественно содержит три пары траверс 6, расположенных одна под другой, пары располагаются равномерно по окружности, то есть, угол между ними в горизонтальной плоскости составляет 60 градусов. На концах пар траверс 6 закреплены лопасти 4: для повышения прочности и жесткости конструкции, каждая лопасть 4 закреплена на концах двумя горизонтальными траверсами 6. Лопасти 4 выполнены с аэродинамическим профилем, а именно с крыльевым профилем и располагаются преимущественно вертикально. Количество лопастей 4 и соответственно пар траверс 6, расположенных на роторе – от трех до пяти штук, в зависимости от мощности установки. При их меньшем количестве не происходит самозапуска и возникают проблемы балансировки. При увеличении числа лопастей 4, быстроходность роторов падает.
Траверса 6 выполнена в виде профилированной, например, металлической пластины и имеет вогнутую лопасть. Вогнутая лопасть может иметь в поперечном сечении форму радиусного закругления или форму углового загиба. Такая форма траверсы 6, позволяет снизить толщину материала и массу всей конструкции: кроме захвата воздушного потока, обеспечивает жесткость траверсы 6 – вогнутая лопасть образует ребро жесткости.
Второй ротор 3 выполняется аналогично первому и устанавливается относительного первого со поворотом друг относительно друга в горизонтальной плоскости. Таким образом, на каркасе 1 установлены, по-меньшей мере, два вертикально-осевых ротора 2, 3 с лопастями 4, один над другим. При этом, повышается стабильность работы при разнонаправленных ветрах.
Каждый ротор 2, 3 соединен со своим генератором 7. Это позволяет настраивать их работу на разные режимы: в случае почти полной зарядки аккумулятора или малого потребления энергии, один генератор 7 может быть остановлен. При этом, снижается износ узлов фотоветровой электростанции. Использование двух генераторов 7 позволяет снизить массу и инерционность роторов 2, 3, что позволяет им легче раскручиваться на малых ветрах.
Использование восьмигранного каркаса 1 позволяет установить на одном уровне, с разных сторон, по четыре, направляющих на лопасти 4 роторов 2, 3 поток ветра, жестких солнечных панелей 8. Возможна установка на разных уровнях разного количества солнечных панелей 8: в нижнем роторе 3 их может быть больше, чем в верхнем роторе 2, поскольку поток ветра у земли меньше. Количество солнечных панелей 8, их ориентация относительно сторон света и ротора выбираются исходя из результатов компьютерного моделирования, учитывающего розу ветров в месте установки фотоветровой электростанции. Таким образом, реализуется оптимальная конструкция по выработке электроэнергии, способная стабильно вырабатывать энергию в условиях малых, порывистых  ветров. В случае сильных ветров, превышающих допустимые пределы, солнечные панели принудительно складываются (фиг.4,5, уменьшая ветровую нагрузку на роторы ветростанции.
Жесткие солнечные панели 8 выполнены двусторонними, с использованием закаленного стекла, и снабжены рамками 9, соединенными с каркасом 1 поворотными держателями 10: солнечная панель 8 имеет прозрачную конструкцию - закаленное стекло 11 установлено с  обеих сторон от фотоэлектрического слоя. Благодаря этому обеспечивается высокий КПД: солнечные панели 8 равномерно размещены вокруг каркаса 1 – вероятность попадания солнечной энергии на фотоэлектрический слой значительно увеличивается.
Использование двух слоев закаленного стекла 11 и рамок 9 обеспечивает жесткость солнечной панели 8 и конструкции вцелом: солнечная панель 8 выполняет функцию конструкционного элемента, придающего дополнительную жесткость и направляющего ветер на роторы 2, 3 с лопастями 4. Конструкция каркаса 1 рассчитывается  в том числе на допустимую вибрационную нагрузку.  Солнечные панели 8, установленные на каркасе 1, минимально подвержены вибрации в условиях переменного ветра.
Каждый ротор 2, 3 соединен со своим генератором 7, генераторы 7 и солнечные панели 8 соединены с контроллерами 12. Мощность фотоветровой электростанции – 3-9 кВт, зависит от типа и количества применяемых солнечных панелей. Каждый ротор 2, 3 опирается в нижний опорный подшипник генератора 7 мощностью, примерно 1.5 кВт, соединенного со своим управляющим контроллером 12. Используются генераторы 7 без сердечника из электротехнической стали, например, генератор 7 может быть образован крышками из немагнитного материала  с  установленными магнитами (они вращаются совместно друг с другом и являются ротором), между которыми помещен невращающийся статор - катушки, залитые в пластмассовый диск, с которых снимается напряжение.
Каждый генератор 7 соединен со своим контроллером 12 (фиг. 7). Контроллер 12 служит для преобразования энергии ротора 2, 3 для передачи ее, например, на заряд аккумуляторов 13. Кроме того, с каждым контроллером 12 соединена часть солнечных панелей 8. Гибридный контроллер 12 позволяет оптимизировать потоки электроэнергии от роторов 2, 3 и солнечных панелей 8 для получения  одинакового потенциала на выходе. Выходы с контроллеров 12 могут быть подсоединены на инвертор 14 (если необходима передача энергии в общую сеть). Кроме того, каждый контроллер 12 может быть соединен с общим аккумулятором 13. Можно с помощью контроллера 12 влиять на параметры системы - задать максимальные и минимальные обороты каждого генератора 7, затормозить его, в случае бури. Использование контроллера 12 позволяет следить за параметрами работы фотоветровой электростанции удаленно.
Аккумулятор 13 может не применяться. Он необходим, если фотоветровая электростанция работает как резервный (аварийный) источник питания. Алгоритм работы контроллеров 13 позволяет снижать нагрузку на ветростанцию  для облегчения страгивания ротора 2, 3 с лопастями 4 при малых ветрах.
Фотоветровая электростанция выполнена с возможностью регулировки угла атаки лопастей 4 в диапазоне от +6 до +15 градусов от касательной к окружности, описываемой лопастью 4 при вращении, для чего предусмотрена шкала углов атаки с шагом 3 градуса. При расчетных малых ветрах угол атаки увеличен, что облегчает страгивание роторов 2, 3 на малых ветрах. При таком положении, КПД ротора с лопастями на больших ветрах уменьшается - он начинается сам себя тормозить. На фиг. 6 положение лопасти 4, выполненной сплошой линией, - при малых ветрах; пунктиром -   положение при больших ветрах. Лопасть 4 крепится к траверсе 6 с помощью 2 винтов с гайками, которые проходят через 2 отверстия в боковой стенке крышки 15 лопасти 4 и в траверсе 6. Для возможности регулировки угла атаки лопасти 4, одно из отверстий в траверсе  6 выполнено в виде  регулировочного паза 16, позволяющее менять угловое  положение лопасти 4 относительно траверсы 6.