Устройство для использования вторичной энергии здания

Изобретение относится к области использования вторичной энергии, которая образуется вследствие функционирования жилых и/или промышленных или других зданий. Технической основой изобретения является получение энергии благодаря использованию разности давлений и температур, а также гравитационных сил, которые действуют естественно внутри и снаружи зданий. Использование вторичных источников энергии целесообразно на фоне неуклонного увеличения стоимости энергоносителей и отрицательного влияния на экологию, связанного с добычей энергоносителей, производством и потреблением энергии.

Одним из источников упомянутой вторичной энергии является энергия движения вентиляционных потоков. Здания с естественной (не принудительной) вентиляцией имеют систему встроенных или внешних каналов. В зависимости от природных факторов (ветер, перепад температур) сила вентиляционных потоков и их энергия могут изменяться в широких пределах. Поэтому эффективность (мощность) естественной вентиляции может изменяться от практически нулевой до возникновения сквозняков. Это создает определенные неудобства для людей, находящихся в таких зданиях. Очевидно, что эффективность вентиляции желательно регулировать, а даровую энергию вентиляционного потока желательно использовать. Естественно, что с ростом этажности и высотности других сооружений энергия вентиляционных потоков заметно возрастает.

Также целесообразно использование других источников вторичной энергии, которые связаны с существованием и функционированием зданий, таких как энергия ветра, обдувающего здания, и потенциальная гравитационная энергия канализационных стоков. Ресурсы этих видов вторичной энергии также возрастают с увеличением высоты зданий.

Известно использование рабочего колеса с радиальными лопастями вместе с генератором, установленного в вентиляционном канале здания, для получения электрической энергии из вентиляционного потока (заявка на патент Японии №2002276532, МПК F03D 3/04). Основными недостатками этого устройства являются: значительное аэродинамическое сопротивление воздушному потоку, невозможность регулировать скорость потока и невозможность создавать принудительную вентиляцию в условиях малых перепадов давлений и температур окружающей здание среды в условиях затишья. Для этого должно быть предусмотрено отдельное устройство.

Известно устройство (патент Германии №19506946, МПК Н02К 17/00) комбинированного осевого вентилятора и мотор-генератора, которое находится в вентиляционной трубе на наветренной или подветренной стороне так называемого сенного этажа здания. Оно используется как для принудительной вентиляции сенного этажа при отсутствии ветра, так и для получения электрической энергии при умеренном или сильном ветре. В качестве мотор-генератора может использоваться асинхронный короткозамкнутый электродвигатель с независимым возбуждением. Для создания оптимальных условий получения энергии из вентиляционного потока, который проходит через вентиляционную трубу, лопасти рабочего колеса вентилятора выполнены поворотными, а угол отклонения лопастей изменяется с помощью системы управления с учетом их аэродинамических свойств. Это устройство является ближайшим аналогом изобретения, которое предлагается.

Недостатками этого устройства являются: невозможность автономно, т.е. без специальной системы управления, регулировать эффективность вентиляции при изменении скорости вентиляционного потока, а также невозможность использования потенциальной энергии канализационных стоков.

Задачей изобретения является обеспечение автономного (без системы управления) уменьшения диапазона скоростей вентиляционного потока в условиях изменения скорости ветра от затишья до максимально возможной в данной местности, что способствует комфорту внутри зданий, и использование энергии движения вентиляционного, воздушного и канализационного потоков для преобразования ее в электрическую энергию и накопления. Далее она должна использоваться для питания мотор-генераторов принудительной вентиляции (в условиях затишья) или потребителей энергии в здании для экономии энергопотребления, для других целей.

Для этого соответственно изобретению в вентиляционном коллекторе устанавливается мотор-генератор с движителем в виде рабочего колеса, которое имеет радиальные поворотные лопасти и ступицу. На лопасти действует скоростной напор, обусловленный скоростью вентиляционного потока. Каждая лопасть рабочего колеса установлена на радиальной оси с возможностью упругого поворота относительно ее. Для этого между лопастью и ступицей рабочего колеса установлен упругий элемент, который действует на лопасть в сторону уменьшения угла отклонения относительно потока. Минимальный и максимальный углы отклонения лопастей ограничены упорами.

Для обеспечения автономного регулирования сопротивления вентиляционному потоку с изменением его скоростного напора лопасти рабочего колеса выполнены таким образом, что изменяют угол отклонения относительно вентиляционного потока под влиянием скоростного напора и соответственно его величине. Одно из возможных технических решений этой задачи состоит в том, что ось поворота каждой лопасти размещается таким образом, чтобы центр аэродинамического давления (ЦАД) на нее был перед осью поворота лопасти с учетом направления ее движения. Другое возможное техническое решение состоит в том, что на ступице рабочего колеса устанавливаются, по крайней мере, две (для исключения дисбаланса рабочего колеса) подвижно закрепленные инерционные массы, центробежная сила которых изменяется с изменением скорости вращения рабочего колеса под действием скоростного напора вентиляционного потока. Эта сила передается на лопасти через передаточные звенья и увеличивает или уменьшает их угол отклонения.

Устройство для использования энергии канализационных стоков состоит из генератора или мотор-генератора с лопастным движителем, который работает по принципу водяного колеса.

Устройство использования энергии воздушных потоков, возникающих вокруг здания в результате перепада давлений, выполнено в виде генератора, который приводится в действие ветродвигателем, установленным на крыше здания.

Энергия, генерированная мотор-генератором вентиляционного коллектора, мотор-генератором или генератором канализационного коллектора и генератором ветродвигателя, преобразуется в соответствующих преобразователях электроэнергии и накапливается в аккумуляторе. Преобразователи электроэнергии от вентиляционного и канализационного коллекторов выполнены с возможностью двухстороннего преобразования электроэнергии, что обеспечивает не только зарядку аккумулятора, а и по потребности питание мотор-генераторов. Преобразователь электроэнергии от генератора ветродвигателя выполнен с возможностью одностороннего преобразования электроэнергии, что обеспечивает только зарядку аккумулятора от него. Управление направлением подключения преобразователей и их отключением осуществляет первый коммутатор. Аккумулятор может быть подключен к энергопотребителям здания через согласующее устройство и второй коммутатор. Второй коммутатор обеспечивает отключение внешней сети от энергопотребителей здания в то время, когда они подключены к аккумулятору через согласующее устройство, и наоборот.

Подробный вид устройства приведен на чертежах, где

Фиг.1 показывает общий вид устройства для использования вторичной энергии здания;

Фиг.2 - устройство для использования энергии вентиляционного потока;

Фиг.3 - рабочее колесо для вентилятора;

Фиг.4 - вид А на фиг.3;

Фиг.5 - устройство для использования энергии канализационных стоков;

Фиг.6 - электрическая блок-схема для использования вторичной энергии здания.

В вентиляционном коллекторе 2 (фиг.1) здания 1 установлен мотор-генератор 5, движитель которого состоит из лопастей 6 и ступицы 7 (фиг.2). Лопасть 6 рабочего колеса установлена на радиальной оси 8 с возможностью упругого поворота относительно нее (фиг.3, 4). Скоростной напор вентиляционного потока обусловлен скоростью потока Vпот (фиг.4). Мупр - момент сил упругости, направленный в сторону уменьшения угла отклонения лопасти от направления Vпот. Упругий элемент между лопастью 6 и ступицей рабочего колеса 7, который действует на лопасти в сторону уменьшения угла отклонения относительно потока, условно не показан. Возможен вариант с одним упругим элементом, который одновременно действует на все лопасти с помощью механизма синхронизации. Возможен также вариант упругого элемента в виде торсиона по оси поворота лопасти. Лопасти могут быть с геометрической или аэродинамической круткой, что способствует повышению КПД. Минимальный и максимальный углы отклонения лопастей ограничены соответствующими упорами (не показаны).

Vлоп - скорость вращения лопасти. Каждая лопасть имеет ЦАД 9 (фиг.3), который находится перед радиальной осью 8 поворота лопасти в направлении ее движения. По крайней мере две инерционные массы 10 подвижно закреплены на ступице симметрично оси вращения рабочего колеса, что обеспечивает балансировку механизма в целом. Центробежная сила от них передается на лопасти через передаточные звенья (например, через рычаг и тягу) и создает момент Мцб, который действует в сторону увеличения их углов отклонения относительно Vпот (и углов атаки α). Отклонение всех лопастей также может быть синхронизировано, например, синхронизатором в виде кольца, которое шарнирно присоединено к передним или задним кромкам лопастей возле ступицы и обеспечивает их одновременное перемещение.

Генератор или мотор-генератор 11, установленный в канализационном коллекторе 3, предназначен для использования энергии канализационных стоков (фиг.5). Генератор 12 на крыше 4 (фиг.1) предназначен для использования энергии воздушных потоков, которые образуются вокруг здания под действием перепада давлений.

В состав электрической схемы использования вторичной энергии здания (фиг.6) входят: мотор-генератор 5 вентиляционного коллектора, мотор-генератор или генератор 11 канализационного коллектора, генератор 12 ветродвигателя, аккумулятор электрической энергии 13, преобразователи 14, 15, 16. Направление подключения преобразователей и их отключение обеспечивает первый коммутатор 17. Аккумулятор 13 может быть подключен к энергопотребителям здания 1 через согласующее устройство 18 и второй коммутатор 19. Второй коммутатор 19 обеспечивает отключение внешней сети 20 от энергопотребителей здания 1 в то время, когда они подключены к аккумулятору 13 через согласующее устройство 18, и наоборот.

Устройство работает следующим образом.

При взаимодействии природных внешних факторов и здания в вентиляционном коллекторе 2 возникает перепад давлений между нижней и верхней частями, который инициирует вентиляционный поток. Слабый поток слабо действует на подпружиненные лопасти рабочего колеса. Они медленно вращаются или стоят. При этом сила упругости прижимает лопасти к упору (не показан), который ограничивает минимальный угол отклонения. Лопасти рабочего колеса оказывают минимальное аэродинамическое сопротивление вентиляционному потоку, который проходит сквозь него, и в этом состоянии эффективность вентиляции почти не отличается от естественной. Больший перепад давлений побуждает более сильный вентиляционный поток. Под действием этого потока лопасти 6 рабочего колеса раскручивают вал мотор-генератора 5. Увеличение скоростного напора вентиляционного потока приводит к отклонению лопастей рабочего колеса в сторону увеличения угла отклонения (и увеличения угла атаки α) и более энергичному, чем при фиксированном угле отклонения лопастей, раскручиванию рабочего колеса. Это приводит, с одной стороны, к увеличению аэродинамического сопротивления рабочего колеса, вследствие чего вентиляционный поток эффективно тормозится. С другой стороны, скорость рабочего колеса увеличивается, вследствие чего мощность генерированной электроэнергии увеличивается.

Для того чтобы корпус мотор-генератора 5 не создавал локальное сужение вентиляционного потока, в месте его монтажа возможно локальное расширение вентиляционного коллектора 2 (пунктирная линия на фиг.2).

Автономное отклонение лопастей рабочего колеса в соответствии с изменением скоростного напора вентиляционного потока осуществляется следующим образом. При максимально возможном вентиляционном потоке экспериментальным или расчетным путем определяют действующий на лопасть 6 аэродинамический момент Мад поворота вокруг радиальной оси, который обусловлен равнодействующей аэродинамической силой, приложенной к ЦАД, и плечом этой силы относительно радиальной оси 8 поворота лопасти. При этом Мад должен быть равен моменту Мупр упругого отклонения лопасти на максимальный (до упора) угол отклонения (фиг.4).

Для механизма поворота лопасти центробежной силой (фиг.3 и 4) также при максимально возможном вентиляционном потоке экспериментальным или расчетным путем определяют действующий на лопасть 6 момент поворота Мцб, который обусловлен центробежной силой на инерционные массы 10, и должен быть равен моменту упругого отклонения Мупр лопасти на максимальный угол отклонения. Упор (не показан) ограничивает угол максимального отклонения лопасти.

В положении максимального отклонения лопасти рабочего колеса оказывают максимально возможное сопротивление максимально возможному вентиляционному потоку, что способствует эффективному торможению потока и, как следствие, устранению дискомфорта от сквозняков. Мощность генерированной электроэнергии при этом также максимальна.

При уменьшении скоростного напора вентиляционного потока уменьшается момент, действующий в сторону увеличения угла отклонения лопастей рабочего колеса, и они уменьшают угол отклонения под действием упругого элемента. Это приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления рабочего колеса. Таким образом осуществляется автономное (без системы управления) регулирование лопастями рабочего колеса эффективности вентиляции в режиме торможения потока и генерации электроэнергии, которая может накапливаться в аккумуляторе.

Следует отметить, что аэродинамический и центробежный механизмы отклонения лопастей на фиг.3 и 4 условно показаны вместе, но понятно, что каждый из них сам по себе способен обеспечить достижение техничного результата. При этом в механизме с инерционными массами целесообразно (но не обязательно), чтобы НАД совпадал с радиальной осью 8 поворота лопасти.

В условиях затишья отсутствие или недостаточная эффективность вентиляции также вызывают ощущение дискомфорта в помещениях. Устройство обеспечивает принудительную вентиляцию зданий путем подведения накопленной электроэнергии от аккумулятора 13 через коммутатор 17 и преобразователь 14 к мотор-генератору 5, который в данном случае работает как электродвигатель вентилятора.

В канализационном коллекторе потенциальная энергия стоков преобразуется в кинетическую. Последняя действует на лопасти рабочего колеса мотор-генератора 11 (фиг.5) и приводит его в действие. Он генерирует электроэнергию, которая далее может накапливаться в аккумуляторе. Для того чтобы мотор-генератор не суживал проходное сечение коллектора, его целесообразно устанавливать в соответствующей нише (фиг.5). Дополнительным преимуществом этого устройства является возможность создавать избыточное давление на канализационные стоки, так как, если к мотор-генератору подать электричество, то он будет осуществлять принудительное вращение рабочего колеса.

Генерирование электроэнергии генератором 12 ветродвигателя осуществляется по известным правилам.

Как происходит накопление и использование генерированной электроэнергии показано на схеме (фиг.6).

Переменное по амплитуде (от генераторов постоянного тока) или по амплитуде и частоте (от генераторов переменного тока) электрическое напряжение от мотор-генератора 5, а также от мотор-генератора 11 i генератора 12 вместе или в их разных комбинациях преобразуется в соответствующих преобразователях 14, 15, 16 в постоянное напряжение, величина которого соответствует оптимальному диапазону напряжений зарядки аккумулятора 13 (например, 55-60 Вольт). В качестве преобразователей могут быть использованы такие известные устройства, как автотрансформатор с выпрямителем, умформер, электронные преобразователи и т.д. При этом преобразователи 14 и 15 выполнены с возможностью преобразования электроэнергии как в прямом (от генераторов к аккумулятору), так и в обратном направлениях. Преобразователь 16 электричества от генератора 12 ветродвигателя работает только в прямом направлении (стрелки на блоках 14, 15 и 16 на фиг.6). Раздельное переключение преобразователей 14 и 15 с прямого на обратный режим работы или их выключение осуществляется вручную или автоматически первым коммутатором 17 в зависимости от погодных условий и режима работы канализации. Включение или выключение преобразователя 16 также осуществляется первым коммутатором 17.

Накопленная в аккумуляторе 13 электроэнергия может быть использована на внутренние потребности здания. Для этого к аккумулятору 13 через второй коммутатор 19 подключают согласующее устройство 18. На выходе этого устройства во включенном состоянии параметры напряжения и частоты соответствуют показателям внешней электросети. Таким образом согласуются показатели напряжения на выходе согласующего устройства 18 с показателями потребителей электроэнергии в здании. Подключение или отключение согласующего устройства 18 к аккумулятору 13 и к электросети здания осуществляется одновременно с помощью второго коммутатора 19. При этом синхронно происходит отключение или подключение к электросети здания внешней электросети 20.

Накопленная электроэнергия может использоваться в аварийных случаях, на потребности здания с целью экономии электроэнергии или как автономный источник питания маломощных потребителей, например рабочего колеса с мотор-генератором 5 для принудительной вентиляции здания во время затишья, рабочего колеса с мотор-генератором 11 для принудительного прокачивания канализационных стоков, а также систем сигнализации, дежурного освещения, охраны здания и т.п.

Предложенное устройство обеспечивает автономное уменьшение диапазона скоростей вентиляционного потока в здании в условиях от затишья до максимально возможных в данной местности ветров, что повышает комфортность помещений и делает возможным выработку, накопление и разнообразное использование вторичной энергии здания, полученной преобразованием кинетической энергии вентиляционных, воздушных и канализационных потоков в электрическую.

1. Устройство для использования вторичной энергии здания, которое имеет установленный в вентиляционном коллекторе электрический мотор-генератор с рабочим колесом в виде ступицы с закрепленными на ней поворотными радиальными лопастями, отличающееся тем, что лопасти установлены с возможностью автономного увеличения угла отклонения относительно направления вентиляционного потока с увеличением его скоростного напора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поворотные лопасти рабочего колеса установлены упруго на радиальных осях, при этом сила упругости направлена в сторону минимального угла отклонения лопастей относительно вентиляционного потока, а углы минимального и максимального поворота лопастей ограничены упорами.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на ступице рабочего колеса подвижно и симметрично установлены, по крайней мере, две инерционные массы с возможностью преобразования их перемещения под действием центробежных сил в поворот лопастей относительно радиальных осей в сторону увеличения угла отклонения.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что центр аэродинамического давления лопасти находится впереди радиальной оси поворота лопасти в направлении ее движения.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что в канализационном коллекторе внизу установлен мотор-генератор, присоединенный к рабочему колесу в виде водяного колеса.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что на крыше здания дополнительно установлен генератор с ветродвигателем.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что мотор-генератор вентиляционного коллектора и подключенные или отключенные вместе или в разных комбинациях мотор-генератор канализационного коллектора и генератор ветродвигателя присоединены к аккумулятору через первый коммутатор и соответствующие преобразователи электроэнергии, которые выполнены с возможностью преобразования электроэнергии как в прямом, так и в обратном направлениях, кроме преобразователя для генератора ветродвигателя, а через второй коммутатор к аккумулятору присоединено согласующее устройство, на выходе которого во включенном состоянии показатели напряжения и частоты соответствуют показателям внешней электросети, с возможностью присоединения или отсоединения согласующего устройства одновременно к аккумулятору и к электросети здания с синхронным соответствующим отсоединением или присоединением к ней внешней электросети.