Автономная система электроосвещения в зонах децентрализованного энергоснабжения

 

Изобретение относится к автономным электроосветительным установкам, точнее к светильникам для наружного освещения, установленным на опоре-стойке, предназначенным для освещения преимущественно объектов в зонах децентрализованного энергоснабжения. Автономная система электроосвещения содержит телескопическую опору-стойку, изготовленную из прозрачной пластмассы, каждый элемент которой по всей длине зачернен на половину ее диаметра, а в основании и верхней ее части выполнены осесимметричные отверстия, осветительную лампу, автономный источник электрической энергии - малогабаритную вихревую ветроустановку, использующую энергию ветра и энергию низкопотенциальных тепловых потоков, аккумуляторную батарею, датчик освещенности и блок управления системой освещения. Технический результат заключается в упрощении устройства и снижении финансовых затрат. 2 ил.

Изобретение относится к автономным электроосветительным установкам, точнее к светильникам наружного освещения, установленным на опоре-стойке и предназначенным для освещения преимущественно автотрасс и децентрализованных зон энергоснабжения.

В настоящее время разработаны различные конструкции систем уличного освещения и автотрасс, в том числе использующие автономные возобновляемые источники энергоснабжения.

Так, известна установка уличного освещения с питанием от солнечных батарей (см. патент США N 5367442, кл.21).

Здесь установка для автономного освещения имеет солнечные панели, воспринимающие солнечную энергию, аккумулятор электрической энергии и светильник. Такая система освещения заряжается и работает на основании суточного цикла прихода солнечной радиации. Основной недостаток такой установки: высокая стоимость солнечных панелей и ограниченная область использования для северных территорий в связи с малым суточным приходом солнечной радиации (0-2 кВтч/м²), особенно в зимнее время. Так как для обеспечения суточного цикла работы осветительной лампы мощностью 90 Вт для регионов с приходом суточной радиации 2-4 кВтч/м²требуется 3 солнечных модуля суммарной пиковой мощностью 90 Вт и стоимостью (с инвертором) не менее 540 ам. долларов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Система управления уличным освещением с питанием от солнечных батарей" (см. патент США N 9620369, кл. 21), которая содержит солнечные модули, аккумуляторную батарею, осветительную лампу, датчики освещенности, шума и движения, а также цифровую логическую систему. Система обеспечивает управление использованием вырабатываемой энергии, устанавливая уровень освещения, согласующийся с естественным солнечным наружным освещением. Датчики шума, освещенности и движения позволяют системе определить степень использования той зоны, которая должна быть освещена лампой. Логическая система обрабатывает данные датчиков и вырабатывает информацию о том, в какое время и насколько интенсивная освещенность должна обеспечиваться в освещаемой зоне.

Однако подобный аналог предназначен только для автотрасс, имеет высокую стоимость и сложность при производстве, кроме того, работоспособность этой системы напрямую зависит от гелиоэнергетического потенциала региона ее использования, что ограничивает сферу практического применения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание полностью автономной и автоматизированной системы освещения автотрасс и зон децентрализованного энергоснабжения в любой климатической зоне.

Решение этой задачи обеспечивается достижением результата, заключающегося в применении технических средств, использующих более простое конструктивное энергетическое решение с минимальными финансовыми затратами.

Вышеуказанный технический результат достигается за счет того, что автономная система электроосвещения в зонах децентрализованного энергоснабжения содержит аккумуляторную батарею, осветительную лампу, датчик освещенности и блок управления системы освещения. Автономный источник электрической энергии выполнен в виде вихревой ветроэнергетической установки с использованием как низкопотенциальной горизонтальной энергии ветра, так и энергии тепловых восходящих потоков воздуха, установлен в верхней части телескопической опоры-стойки, изготовленный из прозрачной (светопропускающей) пластмассы, каждый элемент которой по всей длине зачернен на половину ее диаметра, а в ее основании и в верхней части выполнены осесимметричные отверстия, причем он электрически соединен с блоком управления системой освещения, содержащим датчик освещенности, и управляющим использованием электрической энергии в зависимости от уровня естественного наружного освещения.

Предлагаемое изобретение основано на использовании именно "Вихревой ветроэнергетической установки", в которой вращающимся элементом является только ротор электрогенератора, а "генератор вихря", преобразующий поток ветра в вихреобразные закрученные потоки, использует низкопотенциальные горизонтальные и восходящие воздушные потоки (см. патент РФ N 2073111 и N 2093702, кл. 03). Блок управления системой выполнен на базе широко распространенной релейно-мостовой схемы с использованием датчика освещенности (фотоэлемента).

Опора-стойка, на которой устанавливается автономная система электроосвещения, изготовлена из прозрачной (светопропускающей) пластмассы, конструктивно-телескопическая, каждый элемент которой по всей длине зачернен наполовину диаметра, а в основании и в верхней части опоры-стойки выполнены осесимметричные отверстия.

Вышеуказанное изготовление автономной системы освещения обусловлено тем, что низкооборотная и высокочувствительная вихревая установка независимо от времени года и погодных условий постоянно обеспечивается автономным источником энергии - воздушным потоком (ветер, тепловой восходящий поток). Кроме того, вихревая ветроустановка, установленная на столбе-стойке высотой 8 м, использует несколько естественных дополнительных источников энергии (см. Маркус Т. А., Моррис Э.Н. "Здания, климат, энергия", Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985 г.): - "парниковый эффект" (эффект вытяжной трубы или дымохода) - возникает, когда теплый воздух попадает в высокую цилиндрическую трубу. Этот воздух, естественно, поднимается вверх, возникает сильная тяга, в основание трубы (в осесимметричные отверстия) подсасывается окружающий воздух, и, если он нагревается, процесс продолжается непрерывно. Этот эффект используется в аэротурбинных электростанциях (генератор Дюбо), где источником подогретого воздуха могут быть теплицы, сбросное тепло электростанций и т.п. (см. ж. "Наука и жизнь", 1981, N 1, ж. "Bildder vissechaft", 1982, N 2; ж. "Энергия: экономика, техника, экология", 1991, N 6).

- "ветровое давление" (естественная вентиляция) возникает в вытяжной трубе вследствие разности давлений между наружным воздухом (потоком ветра) и воздухом внутри трубы (опоры-стойки), причем давление внутри трубы и скорость наружного потока ветра связаны соотношением: P_в= _вv_в/2, Па, а расход воздушного потока через трубу определяется как: G_ВП=EAV_ВП, м³/с.

где _в плотность воздуха, кг/м³, V_в - скорость ветра, м/с, А - площадь сечения трубы, м³, - "разность температур - гравитационное давление". Хорошо известно, что теплый воздух стремится вверх, при этом образуются конвективные потоки, которые с успехом используются в аэродинамике. Теплый воздух поднимается потому, что его плотность меньше, чем холодного, причем изменение плотности воздуха прямо пропорционально его абсолютной температуре. Плотность воздуха при 0^oC (273 К) равна 1,293 кг/м³. Отсюда 1 м³ воздуха при 273 К имеет массу 1,293 кг. Но поскольку плотность воздуха пропорциональна абсолютной температуре, то при некоторой другой температуре Т масса m такого же объема воздуха изменится в число раз, равные отношению температур, т.е. m = 1,293 273/T, кг. Если высота трубы (опоры-стойки) H, то масса столба воздуха в ней с температурой T₁ равна m₁) =(1,293273/T₁)H, кг, а поскольку давление есть сила на единицу площади, то давление такого столба воздуха: P₁=9,81(1,293273/T)H, Па.

Для наружного воздуха с температурой Т₀: P₀=9.81(1,293273/T₀)H,Па,
отсюда разность давлений воздуха внутри и снаружи трубы (опоры-стойки):

или
p =0.043H(t₁-t₀),Па.

Расчет эффективности использования этих дополнительных источников энергии показывает, что их мощность при суммарном воздействии соизмерима с мощностью потока ветра при скоростях 4 - 7 м/с, что соответствует удельным энергетическим показателям более 80 кВтч/м² (см. ж. "Возобновляемая энергетика", 1998, N 4).

Выполнение логических схем блока управления с помощью релейных элементов "да-нет" значительно упрощает систему автоматизации освещения, что экономически целесообразно при ее массовом применении.

Выполнение телескопической опоры-стойки осуществляется из современных пластических материалов (например, стеклопластика). Такие опоры выдерживают высокое давление, температуру до 120^oC, длительно устойчивы к кислотам, щелочам и растворам. В основании и в верхней части опоры выполняются осесимметричные отверстия для использования восходящих тепловых потоков. Опора-стойка по всей длине на половину ее диаметра зачернена материалом с максимально возможным коэффициентом поглощения (например: сажа с =0,96, лак черный, матовый с =0,97 и т.п.) для более полного преобразования лучистого потока (солнечной энергии) в тепло, которое подогревает воздух, поступающий внутрь опоры-стойки через отверстия в ее основании.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1 и 2.

Автономная система освещения зон децентрализованного энергоснабжения состоит из телескопической опоры-стойки 1 с расположенными в основании 2 и в верхней части 3 осесимметричными отверстиями, осветительной лампы 4, датчика освещенности 5, автономного источника электрической энергии 6 и блока управления системой освещения с аккумуляторной батареей 8.

Работает автономная система электроосвещения зон децентрализованного энергоснабжения следующим образом.

Источником электрической энергии является вихревая ветроэнергетическая установка, которая использует энергию набегающего потока воздуха (поток ветра) и восходящие тепловые потоки. Для осуществления номинального режима работы вихревой ветроустановки достаточен поток ветра со скоростью 3 - 4 м/с. Эти источники энергии могут работать раздельно и одновременно, в зависимости от погодных условий и времени года.

Так, при воздействии на систему потока ветра со скоростью более 3 м/с, вихревая ветроустановка 6 начинает вырабатывать электрическую энергию, которая поступает на блок управления 7 и осуществляет зарядку аккумуляторной батареи 8.

При отсутствии ветрового потока необходимой мощности источником энергии могут быть тепловые потоки, для возникновения которых достаточно наличие солнечного излучения или любого другого источника тепла. В этом случае солнечное излучение (источник тепла) нагревает воздух внутри опоры-стойки 1. Для интенсификации этого процесса одна половина диаметра опоры-стойки 1 выполнена прозрачной, а другая - зачернена. Теплый воздух поднимается внутри опоры-стойки 1, в трубе (опоре-стойке) возникает сильная тяга и в осесимметричные отверстия 2 в основании опоры-стойки 1 подсасывается окружающий воздух, снова подогревается и так далее. При этом происходит довольно сложный физический процесс, в основе которого лежат "парниковый эффект", "ветровое давление" и "разность температур - гравитационное давление". Восходящий тепловой поток поступает в вихревую ветроустановку 6, дополнительно всасывая в нее наружный воздух еще и через осесимметричные отверстия 2 в верхней части опоры-стойки 1. Ветроустановка 6 начинает вырабатывать электрическую энергию, которая поступает на блок управления 7 и осуществляет зарядку аккумуляторной батареи 8.

В зависимости от времени суток (день, ночь) и естественной освещенности (туман, большая облачность, пылевая буря и т.д.) по команде датчика освещенности (фотоэлемент) 5 подается электрическая энергия на осветительную лампу 4.

Таким образом, автономная система освещения зон децентрализованного энергоснабжения, используя низкопотенциальные воздушные потоки, одновременно позволяет максимизировать количество накапливаемой и используемой энергии за счет гибкого алгоритма его расходования, учитывающего время дня и года, уровня естественной освещенности на местности.

Изобретение может быть использовано в светотехнических устройствах, в частности в осветительных приборах, светильниках наружного освещения, преимущественно лесопарковых зон, улиц, железнодорожных переездов, подъездов жилых домов, грунтовых и шоссейных дорог в неэлектрифицированных зонах.

Расчетная стоимость автономного источника энергии на базе вихревой ветроэнергетической установки в предлагаемом изобретении будет в 3-4 раза меньше стоимости солнечных панелей при более широкой области применения в различных климатических зонах и аналогичной надежности и сроке службы.

Формула изобретения

Автономная система электроосвещения в зонах децентрализованного энергоснабжения, содержащая автономный источник электрической энергии, аккумуляторную батарею, осветительную лампу, датчик освещенности, блок управления системой освещения и телескопическую опору-стойку, отличающаяся тем, что автономный источник электрической энергии выполнен в виде вихревой ветроэнергетической установки с использованием как низкопотенциальной горизонтальной энергии ветра, так и энергии тепловых восходящих потоков воздуха, установлен в верхней части телескопической опоры-стойки, изготовленной из прозрачной пластмассы, каждый элемент которой по всей длине зачернен на половину ее диаметра, а в ее основании и в верхней части выполнены осесимметричные отверстия, причем он электрически соединен с блоком управления системой освещения, содержащим датчик освещенности и управляющим использованием электрической энергии в зависимости от уровня естественного наружного освещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2