Гибридная альтернативная энергетическая установка

Полезная модель относится к возобновляемой энергетике, а именно к ветродвигателям, солнечным коллекторам, тепловым насосным станциям и магнитным двигателям, преобразующим энергию естественного ветра, искусственного вихревого потока воздуха, организованного внутри башни, взаимодействие магнитных полей, тепло Земли, а также тепло солнечных лучей. Технический результат достигается путем увеличения мощности ветродвигателей 1,14, расположенных на верхней диффузорной части и внутри башни 10 за счет естественного ветра и вихревого потока, формируемого внутри башни 10, путем закручивания потока воздуха трубопроводом 11 расположенным внутри башни, по винтовой линии под углом 45°, путем подогрева воздуха солнечными лучами наружной части башни 10, закрытого прозрачным кожухом 12, выполненного из поликарбоната, и воздуха в круговом солнечно-вихревом концентраторе 23, имеющим боковые стенки 18 гиперболической формы, наружные листы прозрачные, а также тепловой насосной станцией 33, расположенной под круговым солнечно-вихревым концентратором 23 и скоростного напора естественного ветра, действующего на его входные окна 20 солнечно-вихревого концентратора 23 и вертикальные 2 и горизонтальные 3 лопасти внешней роторной ветроэнергетической установки 1. Одновременно восходящий вихревой поток воздуха внутри башни 10, при выходе из диффузорной части башни 10, воздействует на горизонтальные лопасти внешней роторной ветроэнергетической установки 1, тем самым создается дополнительный крутящий момент. Внутренний лопастной ветродвигатель 14 и внешняя роторная ветроэнергетическая установка 1 совершают встречные вращательные движения, за счет аэродинамической ориентации их горизонтальных и вертикальных лопастей. Внутренний 5 и внешний 6 роторы магнитоэлектрического генератора 7, также вращаются в противоположные стороны, обеспечивая эффективную выработку электроэнергии. Естественный ветер, воздействует на вертикальные 2 и горизонтальные 3 лопасти внешней роторной ветроэнергетической установки 1, вал 4, продолжение которого является вал внутреннего ротора магнитоэлектрического генератора 7, тем самым создается основной крутящий момент на МЭГ 7. Вал 4 и 5 крепится в подшипниковых узлах 19. Кроме указанного, на башне 10 установлено магнитное кольцо 8, имеющее радиальную намагниченность, магниты 9, жестко связанные с вертикальными лопастями 2 внешней роторной ветроэнергетической установки 1, за счет взаимодействия полюсов магнита 9 и магнитного кольца 8, обеспечивается постоянный крутящий момент на валу внешней роторной ветроэнергетической установки 1, что позволяет обеспечивать постоянный крутящий момент на валу 4 магнитоэлектрического генератора 7. В целом обеспечивается повышенный КПД гибридной альтернативной энергетической установки (ГАЭУ). Надежная выработка электроэнергии происходит даже при отсутствии естественного ветра и солнечного тепла, за счет создания вихря воздуха внутри башни 10 с помощью тепловой насосной станцией 33, а также крутящего момента создаваемого системой магнитное кольцо 8 и магнитами 9, последние связаны с вертикальными лопастями 2 внешней роторной ветроэнергетической установки 1.

Полезная модель относится к возобновляемой энергетике, а именно к ветродвигателям, солнечным коллекторам, тепловым насосным станциям и магнитным двигателям, преобразующим энергию естественного ветра, искусственного вихревого потока воздуха, организованного внутри башни, взаимодействие магнитных полей, тепло Земли, а также тепло солнечных лучей.

Известна, ветроэлектрическая установка, состоящая из двух вихревых концентраторов, расположенных непосредственно перед ветролопастями, которые вращаются в противоположные стороны и флюгер-стабилизатор [2]. Недостатком данного изобретения при всех его достоинствах является наличие флюгера для установки на ветер, а также предлагаемые вихревые концентраторы ветра не позволяют направить весь ветровой поток в зону ветролопастей, а при резком изменении ветра конструкция будет испытывать знакопеременные нагрузки, отсутствие тормозного устройства затрудняет эксплуатацию и текущее обслуживание.

Известен также вихревой ветродвигатель, содержащий статор завихритесь, по меньшей мере, один конфузор с прямолинейными стенками, ротор с профилированными лопатками на валу и дополнительным источником восходящего воздушного потока в виде горелки [4].

Основным недостатком этого изобретения является использование традиционного источника энергии для формирования вихревого потока при отсутствии ветра, здесь очевидно, что традиционный источник энергии нужно использовать по прямому назначению. Прямолинейные стенки конфузора менее эффективны для закручивания потока воздуха внутри башни, чем стенки, имеющие гиперболическую поверхность.

Существует конструкция ветродвигателя, содержащего башню, внутри расположено ветроколесо на вертикальном валу, стенки которого представляют вертикальные спиральные каналы, в нижней части установлен завихритель потока воздуха [1]. В отсутствие ветра внизу башни и по ее высоте, расположены нагреватели для создания восходящего потока. Основным недостатком данного изобретения является тот факт, что при отсутствии энергии для подогревателей эффективность установки явно недостаточна для выработки электроэнергии.

Известна также конструкция вихревой ветроустановки, содержащей вытяжное устройство, направляющий аппарат в виде полых элементов, в форме усеченных гиперболоидов вращения и разделяющими перегородками, ветродвигатель, устройство эжекции., системы управления [3].

Недостатком этого изобретения является сложность конструкции, а при отсутствии источников подогрева и низкой скорости ветра до 3 м/с эффективность получения электроэнергии очень низкая.

Другое изобретение, содержащее ветреное колесо с лопастями ветровой турбиной, с вертикальной осью вращения, расположенных внутри воздухонаправляющего аппарата, с верхними и нижними крышками. Электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления, который накапливает энергию от солнечных панелей аккумуляторной батареи [5].

Наиболее близким по существу заявляемого изобретения является конструкция вихревого ветродвигателя, содержащая статор завихритель с конфузорами и устройство подогрева воздуха в виде горелки [4].

Существенным недостатком всех рассмотренных изобретений является тот факт, что выработка электроэнергии от ветра и солнца при длительном их отсутствии не эффективна.

На фиг.1 показан общий вид гибридной альтернативной энергетической установки (далее ГАЭУ), на фиг.2 представлена нижняя часть башни в разрезе, на фиг.3 показано магнитное кольцо и магниты (вид сверху).

ГАЭУ содержит: внешнюю роторную ветроэнергетическую установку (далее РВЭУ) 1 с вертикальными 2 и горизонтальными 3 лопастями; стержневую опорную конструкцию 13; башню 10 конической формы; магнитно-электрический генератор 7 (далее МЭГ) с лопастями 14; магнитное кольцо 8 радиальной намагниченности, магниты 9 продольной намагниченности; прозрачный кожух 12, расположенный на расстоянии 8-10 см от поверхности башни, и выполненный из поликарбоната; ось внутреннего ротора 5 и внешний ротор 6 магнитно-электрического генератора 7; круговой солнечно-вихревой концентратор 23 с боковыми стенками 18, покрытыми черной высоко-селективной краской, гиперболической формы и нижними листами 24, расположенными под углом 45° к горизонту, крышки 21; входные окона 20, выходных окон 22; сверху круговой солнечно-вихревой концентратор 23 покрыт стеклом с малым содержанием железа; трубопроводы 11, изготовленные из теплоемкого материала (например, из меди), расположенными внутри башни 10 по винтовой линии под углом 45° и имеющие электроклапаны 17 для подачи холодной воды, 15 для подачи горячей воды, 16 для подогрева воздушного вихря внутри башни 10; техническое помещение 30, высотой не менее 2-х метров, которое расположено под солнечно-вихревым концентратором 23; тепловая насосная станция 33 и ее составляющие тепловой насос 28 (компрессор); трубопровод 25, проложенный по винтовой линии и припаянный к внутренней поверхности нижних листов 24, коллектора 27 с дросселем 29, бак для воды 26, трубопровод 36, для низкотемпературного носителя, помещенный в скважину (не обозначена), опоры конструкции 31 (вне помещения 30), аккумуляторные батареи 32, пульт управления электроэнергией и электроклапанами 34.

Таким образом, одновременно в единой конструкции используются энергия ветра, Земли, Солнца, магнитных сил, то есть, получаем энергоэффективную и надежную конструкцию ГАЭУ.

Кроме электрической энергии, в необходимых случаях, можно получать горячую воду, используя солнечную энергии, которая поступает через прозрачный кожух 12 на трубопровод 11, расположенный внутри башни 10.

Подогрев воды в трубопроводах 11 осуществляется одновременно нагревом наружной поверхности башни 10 солнечными лучами и ее внутренней поверхности с использованием энергии вырабатываемой тепловой насосной станцией 33.

ГАЭУ работает следующим образом: тепловая насосная станция 33 нагревает трубопровод, расположенные под нижними листами 24 кругового солнечно-вихревого концентратора 23, подогретый воздух проходит через окна 20 и 22, закручивается в башне 10, боковые стенки которой имеют вид конфузора, боковые стенки 18, кругового солнечно-вихревого концентратора 22, имеют гиперболическую поверхность и расположенные под углом 15-20° к оси башни, верхняя поверхность нижних листов 24, покрыта высоко селективной черной краской, а нижняя поверхность этих листов подогревается трубопроводами тепловой насосной станцией 33, нижние листы 24 расположенного под углом 45° к горизонту, такое расположение указанных углов обеспечивает эффективное подачу и закручивание подогретого воздуха создаются осевая и тангенциальная составляющие скорости воздуха, то есть формируется вихревой поток воздуха внутри башни.

При отсутствии солнца, ветра вихревой поток формируется только тепловой насосной станцией 31 и круговым солнечно-вихревым концентратом 22, с боковыми стенками, имеющими гиперболическую поверхность, в этом случае нижняя поверхность пластины 16 кругового солнечно-вихревого концентратора 22 подогревается до температуры 80°, что способствует формированию вихря внутри башни и вырабатывается электроэнергия, турбиной 7, расположенной внутри башни в критическом сечении перехода от конфузорной части в диффузорную.

При необходимости получать горячую воду, кран 16 закрыт, краны 15 и 17 открыты. При отсутствии такой необходимости, электроклапаны 15 и 17 закрываются, а электроклапан 16 открывается и вода, нагретая в трубопроводе 11, циркулирует естественным образом, равномерно обогревая стенки башни 10, что способствует увеличению вертикальной составляющей вихревого потока внутри башни. Выработка электроэнергии осуществляется тремя устройствами и одним генератором. Первым устройством является магнитно-электрический генератор 7 с лопастями 14, расположенная внутри башни 10, связанная с внутренним ротором генератора 7, вращение этого ротора обеспечивается лопастями турбины. Внешний ротор генератора связан с РВЭУ (второе устройство), установленной на выходе диффузора башни 10. Восходящий вихревой поток воздуха воздействует на горизонтальные лопасти 3 РВЭУ 1, создавая крутящий момент, а набегающий поток воздуха, воздействуя на вертикальные лопасти, чем обеспечивается надежное вращение внешнего ротора-генератора.

Третьим устройством, обеспечивающим вращение РВЭУ, является магнитное кольцо 8, имеющее радиальную намагниченность, которое действует на магниты 9, обтекаемой формы, закрепленные на нижних частях вертикальных лопастей РВЭУ. Разноименные полюса магнитов 9 и кольца 8 расположены так, чтобы обеспечить вращение РВЭУ в требуемом направлении. В этом случае одноименные полюса магнитов отталкиваются от кольца 8, а разноименные притягиваются, создается крутящий момент, действующий на вертикальные лопасти. Полюса магнитов расположены таким образом, чтобы обеспечить вращение РВЭУ в требуемую сторону.

Достоинство предлагаемого изобретения заключается в том, что даже при отсутствии ветра и солнечных лучей в ночное и пасмурное время ГАЭУ все - равно вырабатывает электроэнергию, за счет разности температур подогрева нижних листов 24 с помощью теплового насоса 31 внизу и верху башни организуется вихревой восходящего поток воздуха, который в свою очередь вращает лопасти турбины, расположенные внутри башни, а также вращение РВЭУ, за счет воздействия магнитного кольца и магнитов, закрепленных на вертикальных лопастях РВЭУ. Для обеспечения надежной работы РВЭУ необходимо соблюдать следующие условия, что бы суммарная площадь входных окон 18 была больше площади входного сечения трубы в пределах 2-4 раза, высота башни должна быть больше в 2,5-3,5 раза диаметра кругового солнечно-вихревого концентратора 23.

Источники информации

1.Патент SU 1539382 от 30.01.1990 г.

2. Заявка на изобретение RU 94032497 от 20.06.1996 г.

3. Патент SU 2093702 от 20.10.1997 г.

4. Патент RU 2182985 от 27.05.2000 г.

5. Патент RU 2251022 от 27.04.2005 г.

1. Гибридная альтернативная энергетическая установка, содержащая башню, выполненную в виде конфузора, верхняя часть башни имеет форму диффузора, кругового солнечно-вихревого концентратора, имеющего, по крайней мере, не менее двух входных окон, внешнюю роторную ветроэнергетическую установку с вертикальными и горизонтальными лопастями, внутренний лопастной ветродвигатель, тихоходный магнитоэлектрический генератор тепловой насосной станции, кольцевой магнит радиальной намагниченности, установленный на верхней кромке башни, силовые элементы крепления внешней роторной ветроэнергетической установки и внутреннего лопастного ветродвигателя.

2. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что на вертикальные лопасти внешней роторной ветроэнергетической установки закреплены магниты, ориентированные полюсами так, чтобы обеспечить вращение в необходимую сторону путем их взаимодействия полюсом кольцевого магнита.

3. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что наружная сторона башни закрыта на расстоянии от ее поверхности не менее 8-10 см прозрачным поликарбонатом.

4. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что вертикальные стенки кругового солнечно-вихревого концентратора выполнены в виде гиперболических поверхностей.

5. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в техническом помещении под круговым солнечно-вихревым концентратором расположена тепловая насосная станция с нагревающими медными трубками, которые по спирали прилегают к нижним пластинам солнечно-вихревого концентратора с целью создания вихревого потока подогретого воздуха во внутренней полости башни.

6. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что по внутренней стороне башни закреплен по спирали трубопровод из теплоемкого металла (медь, алюминий), воспринимающий тепло солнечных лучей через прозрачное покрытие поликорбанатом, чем обеспечивается подогрев воздуха внутри башни, происходит ускорение вихревого потока воздуха.

7. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.4, отличающаяся тем, что вертикальные стенки кругового солнечно-вихревого концентратора расположены под углом 20-25° к касательной окружности основания башни в точке перехода вертикальной стенки вовнутрь башни, чем обеспечивается интенсивный вихревой поток воздуха в полости башни.

8. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что нижние пластины кругового солнечно-вихревого концентратора расположены под углом 45° в целях достижения большей вертикальной составляющей скорости вихревого потока воздуха в башне.

9. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальные лопасти внешней роторной ветроэнергетической установки имеют аэродинамический профиль, которые воспринимают энергию воздушного потока, выходящего из диффузора, чем обеспечивается дополнительный крутящий момент и увеличение КПД.

10. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что, в целях максимального использования энергии вихревого потока воздуха, внутренний лопастной ветродвигатель расположен в зоне перехода конфузора в диффузор, где вертикальная составляющая вихря достигает своего максимума.

11. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что теплоносящая жидкость в трубопроводах, прилегающих по спирали к внутренней стороне башни, нагревается солнечными лучами с внешней стороны башни и теплом воздушного вихря внутри башни, обеспечиваемого тепловой насосной станцией, т.е. обеспечивается горячее водоснабжение.

12. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что для обеспечения надежной работы РВЭУ необходимо, чтобы суммарная площадь входных окон была большей площади входного сечения трубы в 2-4 раз, высота башни должна быть больше в 2,5-3,5 раза диаметра кругового солнечно-вихревого концентратора.

13. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что на входе и выходе и между входом и выходом трубопровода, прилегающего к внутренней стороне башни, установлены электроклапаны, выполняющие функцию горячего водоснабжения или только подогрева воздуха внутри башни.

14. Гибридная альтернативная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что в техническом помещении под круговым солнечно-вихревым концентратором расположены: батарея электроаккумуляторов, тепловая насосная станция и пульт управления электроклапанами.