Система енергопостачання

Система енергопостачання окремо розташованих будинків або споруджень, що містить акумулятор теплової енергії з підключеним до його входу фототермоперетворювачем, розміщеним у частково прозорому для світлового потоку корпусі, і акумулятор електричної енергії з підключеним до його входу фотоелектроперетворювачем, а вихід акумулятора електричної енергії з'єднаний з користувачами електричної енергії, яка відрізняється C2 1 3 83716 будинків або споруджень при одночасному різкому скороченні капітальних і експлуатаційних витрат і зниженні результуючої вартості одержуваної енергії в кілька разів, у виді, зручному для споживачів. Це досягається тим, що до входів акумулятора теплової енергії додатково підключені виходи вітротермоперетворювача і электротермоперетворювача, що керує вхід якого підключений до проміжного виходу стабілізатора вихідного сигналу фотоелектроперетворювача, конструктивно виконаного у виді єдиного блоку з фототермоперетворювача, у виді тіла обертання, вісь якого збігається з оптичним фокусом термоізолюючого корпуса, виконаного у виді тіла обертання зі світопрозорого матеріалу, частина якого покрита світовідбиваючим шаром, вихід якого через стабілізатор підключений до входу акумулятора електричної енергії, а вихід термоелектроперетворювача підключений до входу акум улятора електричної енергії. Суть пропонованого технічного рішення пояснюється Фіг.1 на якому приведена принципова схема пропонованого технічного рішення Фіг.2 і 3, на яких приведене взаєморозташоване світлового потоку, фотоелектроперетворювача, фототермоперетворювача і їхнього захисного корпуса в різних режимах роботи. На Фіг.1 поз. 1 позначений акумулятор теплової енергії, виконаний, наприклад, у виді термоізольованої циліндричної ємності, заповненою рідиною з високою питомою теплоємністю і теплопровідністю, наприклад, гідратом сульфату натрію [глауберовою сіллю], уздовж внутрішніх стінок якої встановлені теплообмінники 2, 3, 4, 5, електротермоперетворювач 6 і датчик температури 7. Теплоємність глауберової солі в 64 рази більше теплоємності води, тому акумулятор теплової енергії може бути виконаним досить компактним. У центральній частині теплоаккумулятора 1 установлений побудник рідини 36, кінематично, наприклад, через електромагнітну муфту 38, зв'язаний з ротором вітродвигуна 37. Теплообмінник 2 за допомогою насоса 8 гідравлічно зв'язаний із внутрішньою порожниною фототермоперетворювача 9, рухливо закріпленого у вузлах 12. Безпосередньо на робочій поверхні фототермоперетворювача 9 з гарним тепловим контактом закріплений, наприклад, наклеєний, плівковий фотоелектроперетворювач 11. Безпосередньо на корпусі фототермоперетворювача 9 установлений термозахисний корпус 10, виконаний зі світопрозорої плівки, частково покритої з внутрішньої сторони світовідбиваючим шаром 33. Внутрішня порожнина корпуса 10 з'єднана з виходом вентилятора 13, що створює у вн утрішній порожнині корпуса 10 надлишковий тиск заданої величини. Вихід фотоелектроперетворювача 11 через ваттметр 16 підключений до входу стабілізатора 17, вихід якого через перемикач 18 з'єднаний з акумулятором електричної енергії 19, вихід якого з'єднаний з лініями постачання електровикористовувачами постійного струму 20, входом регулятора 23 і входом електропереробника 21, вихід якого з'єднаний з лінією постачання електровикористувачів перемінного струму 22. Проміжний вихід стабілізатора 17 з'єднаний із входом електротермо 4 перетворювача 6, у якості якого може бути використаний, наприклад, що прохолоджує радіатор навантажувального реостата стабілізатора 17. Інформаційний вихід ватметра 16 підключений до першого керуючого входу екстремального регулятора 15, до другого керуючого входу якого підключений інформаційний вихід датчика температури 7. Вихід екстремального регулятора 15 з'єднаний з керуючим входом виконавчого механізму 14, вихід якого кінематично з'єднаний з корпусом фототермоперетворювача 9, із закріпленим на ньому теплоізолюючим корпусом 10 і фотоелектроперетворювачем 11. У центральній частині акумулятора теплової енергії 1 установлений побудник 36, кінематично з'єднаний з ротором вітродвигуна 37. Датчик температури в опалювальних приміщеннях 28 і датчик температури 29 підключені до керуючих входів регулятора 30, керуючий вихід якого підключений до керуючого входу насоса 31, гідравлічно з'єднаного з теплообмінником 3 і опалювальними батареями 32. Вхід теплообмінника 4 підключений до джерела холодної води, а його ви хід підключений до входів водорозбірних кранів 26. Керуючий вхід регулятора 23 підключений до виходу акумулятора електричної енергії 19, вихід регулятора 23 підключений до керуючого входу насоса 24, гідравлічно зв'язаного з теплообмінником 5 і термоелектроперетворювачем 25. Внутрішня порожнина захисного корпуса 10 з'єднана з виходом повітряного компресора 13. Ротор вітродвигуна 37 через електромагнітну муфту 38 з'єднаний з побудником 36. Керуючий вхід електромагнітної муфти 38 з'єднаний з виходом датчика температури 7 акумулятора теплової енергії 1. На Фіг.2 схематично показана взаємна орієнтація фототермоперетворювача 9, зовнішнього корпуса 10, частково покритого з внутрішньої сторони світловідбиваючим шаром 33, і фотоелектричного перетворювача 11, щодо сонячних променів 34 і 35 при зарядженому акумуляторі електричної енергії 19 і теплової енергії 1. На Фіг.3 схематично показана взаємна орієнтація фототермоперетворювача 9, зовнішнього корпуса 10, частково покритого з внутрішньої сторони світловідбиваючим шаром 33 і фотоелектричного перетворювача 11, щодо сонячних променів 34 і 35 при цілком зарядженому акумуляторі електричної енергії 19 і теплової енергії 1. Працює пропонована система автономного енергопостачання в такий спосіб. При включенні системи в роботу температура теплоносія в акумуляторі теплової енергії 1 низька і вихідний сигнал датчика температури 7 електромагнітною муфтою 38 підключає ротор вітродвигуна 37 до побудника 36, а екстремальний регулятор 15 переключає на пошук екстремума - максимального значення вихідної потужності фотоелектроперетворювача 11, що може бути отримана в даний період часу в конкретних погодних умовах. При цьому повітряний компресор 13 нагнітає повітря з заданим надлишковим тиском у внутрішню порожнину корпуса 10, що приймає геометричну форму при якій оптичний фокус його вн утрішньої поверхні, покритої світловідбиваючим шаром 33 збігається з подовжньою віссю симетрії пустотіло 5 83716 го фото термоперетворювача 9. Одночасно починає працювати насос 8, прокачуючи о холодну рідину через внутрішню порожнину фото термоперетворювача 9, де вона підігрівається і через теплообмінник 2, де вона віддає отриману теплову енергію наповнювачу акумулятора теплової енергії 1. Екстремальний регулятор 15, відшукуючи положення, у якому вихідний сигнал ваттметра 16 максимальний, установлює блок перетворювачів 9, 11 і їхнього зовнішнього корпуса 10 у положення, показане на малюнку 2, при якому на фотоелектроперетворювач 11 падає максимально можливий у даних погодних умовах світловий потік сонячних променів 34 і 35, що збирається з усієї робочої площі світловідбиваючого покриття 33 захисного корпуса 10, що забезпечує одержання максимально можливої потужності фотоелектроперетворювача при заданих конструктивних параметрах захисного корпуса 10, потужності світлового потоку і конструктивному коефіцієнті корисної дії фотоелектроперетворювача 11, що досягає в сучасних плівкових перетворювачах 30 відсотків. Інша потужність світлового потоку перетворюється в тепло, розігріваючи фотоелектроперетворювач 11 і знаходиться з ним у тепловому контакті фютотермоперетворювач 9, постійно охолоджуваний потоком рідини від насоса 8, тому його температура практично дорівнює температурі рідини в акумуляторі теплової енергії 1, що виключає вихід з ладу фотоелектроперетворювача 11 від перегріву. Через реальні фізичні розміри фототермоперетворювача 9, світловий потік від сонячних, променів 34 не збирається точно в оптичному фокусі світло відбиваючого покриття 33 захисного корпуса 10, а розподіляється по всій робочій поверхні фотоелектроперетворювача 11, що виключає пропалювання його окремих ділянок сфальцьованим світловим потоком і вихід з ладу перетворювача 11. Через реальні фізичні розміри фото термоперетворювача 9 не весь світловий потік, що падає на робочу поверхню корпуса 10, падає на поверхню фотоелектроперетворювача 11. Світлові промені 35 падають безпосередньо на світло поглинаюча поверхня фототермоперетворювача 9 і цілком перетворюються в тепло, розігріваючи його корпус. У залежності від власного коефіцієнта корисної дії плівкового фотоелектроперетворювача 11 від 25 до 30 відсотків енергії світлового потоку 34 перетворюється в електричний струм, а від 70 до 75 відсотків енергії світлового потоку 34 перетворюється в тепло, що розігріває корпус фототермоперетворювача 9. У результаті енергія світлового потоку сонячних променів 34 і 35, що падають на робочу поверхню корпуса 10 використовується практично на 100 відсотків, причому близько1 відсотка іде на саморозігрів захисного корпуса 10 і повітря, що знаходиться в ньому, компенсуючи втрати тепла зовнішньою поверхнею корпуса 10, від 24 до 29 відсотків перетворюється в електричну енергію, а від 70 до 75 відсотків енергії усього світлового потоку перетворюється в теплову енергію, через теплообмінник 2, що надходить в акумулятор теплової енергії 1, що приводить до посту 6 пового росту температури рідини, що заповнює акумулятор теплової енергії 1. Через мінливість світлового потоку 34, що падає на робочу поверхню фотоелектроперетворювача 11 і його значного внутрішнього опору, на його виході формується постійний електричний струм різної сили і напруги, кидки якого виключаються стабілізатором напруги 17, що регулює елемент якого, наприклад, могутній тріод, включений за схемою регульованого опору, фактично є електротермоперетворювачем 6. При цьому частина електроенергії не губиться беззворотно, а надходить на додатковий розігрів акумулятора теплової енергії 1, у результаті чого в ньому зосереджується близько 80 відсотків усієї падаючої на корпус 10 енергії світлового потоку, а близько 20 відсотків нормалізованої по напрузі електричної енергії через перемикач 18 з виходу стабілізатора 17 надходить на вхід акумулятора електричної енергії 19, у результаті чого він заряджається. З виходу акумулятора 19 електрична енергія розподіляється по низьковольтних споживачах постійного струм у 20, а також надходить на вхід електроперетворювача 21, яким вона перетвориться в нормалізований перемінний струм промислової частоти і напруги, що розподіляється по споживачах перемінного струму 22, і вхід регулятора 23.Таким чином, у результаті спільної роботи фототермоперетворювача 9 і фотоелектроперетворювача 11 близько 20 відсотків усієї падаючої на корпус 10 енергії світлового потоку перетворюється в нормалізований по напрузі і частоті електричний струм постійної і перемінної напруги для постачання споживачів постійного 20 і перемінного 22 струму, а близько 80 відсотків усієї падаючої на корпус 10 енергії світлового потоку накопичується в акумуляторі теплової енергії 1, з якого тепло розбирається на опалення радіаторами 32 через теплообмінник 3 за допомогою датчика температури 29, датчика температури 28, регулятора 30 і електронасоса 31, а також розбирається на гаряче водопостачання через теплообмінник 4 за допомогою водорозбірних кранів 26. Під час пікових навантажень на систему електропостачання, як правило, у період з 20-00 до 2400, з урахуванням припинення підживлення акумулятора 19 фотоелектроперетворювачем 11 або з іншої причини може відбутися розряд акумулятора 19 нижче заданого рівня. При цьому його вихідна напруга незначна падає. При падінні вихідної напруги на акумуляторі 19 нижче рекомендованого рівня розрядки спрацьовує регулятор 23, що включає насос 24, котрий приводить до прогону теплоносія через теплообмінник 5, розігрівові робочих поверхонь термоелектроперетворювача 25 і додатковій підзарядці акумулятора електричної енергії 19 за рахунок тепла, накопиченого в акумуляторі теплової енергії 1. Потік світлової енергії нестабільний як через обертання Землі навколо своєї осі, так і через зміну погодних умов, наприклад, при випаданні опадів, густої хмарності й інших причин, що приводить до зниження реальної вихідної потужності фотоелектроперетворювача 11 і фототеплоперетворювача 9, однак, як правило, будь-які зміни погодних 7 83716 умов супроводжуються інтенсивним переміщенням повітряних мас, що приводить до розкручування ротора вітродвигуна 37, що через електромагнітну муфту 38 приводить в обертання побудник 36, в результаті чого рідина в акумуляторі теплової енергії 1 приходить в обертання, що при наявності в ньому значної кількості гідродинамічних опорів у виді теплообмінників 2, 3, 4, 5 і електротермоперетворювача 6 приводить до додаткового розігріву акумулятора теплової енергії 1, що контролюється датчиком температури 7. Якщо тривалий час надходження теплової енергії в акумулятор теплової енергії 1 перевищує її витрата, температура в ньому підвищується і при досягненні її значення 90-95 градусів Цельсія, для виключення можливості закипання води в системі гарячого водопостачання й у теплообмінниках 2, 3, 4, 5, а також для захисту від перегріву робочих елементів фотоелектроперетворювача 11, спрацьовує датчик температури 7, по сигналі якого відключається електромагнітна муфта 38, що з'єднує ротор вітродвигуна 37 з побудником 36, що приводить до припинення розігріву акумулятора 1 вітродвигуном 37. Одночасно вихідним сигналом датчика температури 7 екстремальний регулятор 15 переключається з пошуку максимального значення вихідної потужності фотоелектрорперетворювача 11 на мінімальне, що приводить до розвороту перетворювачів 9, 11 і їхнього зовнішнього корпуса 10 з положення, показаного на малюнку 2 у положення, показане на малюнку 3, у якому вся падаюча на корпус 10 світлова енергія відбиває його покриттям 33 у навколишнє середовище, причому не сфальцьованим пучком світла, а розсіяним, що виключає нанесення збитку навколишньому середовищу, наприклад, за рахунок ненавмисного осліплення людей, тварин, птахів концентрованими пучками світла або запалення будівель . Пропоноване технічне рішення володіє наступними принциповими перевагами перед відомими технічними рішеннями тієї ж задачі. У відомих технічних рішеннях в силу нестабільності світлового потоку і великого внутрішнього опору фотоелектроперетворювачів 11, незважаючи на їхній коефіцієнт корисної дії, що досягає в кращих зразках 30 відсотків, після нормалізації їхнього вихідного сигналу до загальноприйнятих стандартів, що результують коефіцієнт корисної дії не перевищує 4-20 відсотків, а вся інша частина енергії викидається в атмосферу у виді тепла, що розсіюється на радіаторах регулюючих елементів стабілізаторів. У літню пору, при необхідності кондиціонування повітря в приміщеннях, це не тільки даремно, але і приносить істотну шкоду, тому що на одержання одного кіловата холоду потрібна витрата електричної потужності порядку десяти кіловатів. У пропонованому технічному рішенні ця енергія не викидається, а накопичується в тепловому акумуляторі 1 і, у міру необхідності, перетворюється в нормалізовану по амплітуді, частоті і формі електроенергію термоелектроперетворювачем 25, що різко підвищує результуючий коефіцієнт корисної дії енергоустановки. 8 У пропонованому технічному рішенні додатково використовується термоелектроперетворювач 25, раніше в системах геліоенергетики не застосовувався, хоча саме застосування термоелектроперетворювача відомо кілька десятків років. Зокрема, на території Росії в середині минулого століття вони знаходили широке застосування в сільській місцевості, що не мала ліній електропостачання, для живлення электроламповых радіоприймачів від гасових ламп. їхнє застосування на сучасному рівні в пропонованій системі автономного енергопостачання дозволяє різко, у десятки разів знизити загальну вартість енергоустановки, якщо врахувати, що звичайне цебро нагрітої води має запас теплової енергії в 2 рази більше чим свинцевий акумулятор вагою 120кг, а мінімальні перерви в підзарядці електричних акумуляторів 19 фотоелектроперетворювачами 11 коливаються від 12-14 годин при ясній погоді до 120-140 годин при настанні негожої погоди в зимових умовах, коли витрата електроенергії досягає максимальних значень. Пропоноване рішення дозволяє різко, у десятки разів знизити ємність електричних акумуляторів, витрати на їхнє придбання й обслуговування без знижки якості енергозабезпечення, і більш того, при росту результуючого коефіцієнта корисної дії по наступній причині. Як правило, вода, що надходить із зовнішніх джерел водопостачання [артезіанська шпара, озеро, накопичувальна ємність, водопровід] має температуру від 2 до 14 градусів Цельсія і фактично ні людям, ні теплокровною домашньою твариною вода з такою температурою не потрібна, у тому числі і для допоміжних робіт, наприклад, миття посуду, прання, змиву унітаза і так далі. Тому для більшості господарських непотреб вона підігрівається з додатковою витратою теплової енергії на ці цілі. Використання холодної води для охолодження радіаторів термоелектропреобразователя 25 не тільки забезпечує ефективну роботу термоелектроперетворювача 25, але і різко, у кілька разів дозволяє знизити витрату енергії на підігрів води, тому що на господарські цілі людей необхідна температура води звичайно не перевищує 45-50 градусів Цельсія. Як правило щодобова витрата води на одну людину по нормах СНІП коливається від 300 до 500 літрів на добу, у залежності від комфортності житлового приміщення, що практично цілком покриває потреби термолектроперетворювача 25 в ефективному охолодженні без додаткових засобів охолодження, навіть для умов середньої кліматичної зони. При тимчасовій відсутності в будинку людей, що не обслуговується, наприклад, від'їзді у відпустку, скорочується витрата води в будинку, однак, одночасно різко скорочується і загальна витрата електроенергії на задоволення потреб людей радіо, телебачення, висвітлення і так далі, так що потреба в частому включенні термоелектроперетворювача 25 відпадає. У пропонованому рішенні вітрова енергія не перетворюється в електричну як у традиційних вітроелектропристроях, а прямо перетвориться в тепло за рахунок внутрішнього тертя рідини, що заповнює акумулятор теплової енергії 1, що дає наступні переваги. По - перше, це різко спрощує й 9 83716 здешевлює конструкцію. По-друге, це не вимагає застосування додаткових перетворювачів із супутніми втратами енергії в кожнім з них, з обліком украй різкої нестабільності вихідної потужності вітродвигунів. По-третє, відповідно до закону Кулона коефіцієнт перетворення електричної енергії в теплову складає 0,24, тобто використане ПРЯМЕ перетворення енергії вітру в теплову енергію в чотири рази енергетично вигідніше її перетворення в теплову з проміжним перетворенням в електричну енергію. Крім того, виключається необхідність застосування додаткових акумуляторів у лінії перетворення і нормалізації вітрової енергії. У відомих технічних рішеннях і навіть у космічних літальних апаратах сонячні батареї займають величезні площі, у десятки разів перевищуючі загальну поверхню самих космічних літальних апаратів. Це виглядає, дуже ефектно на тлі Землі, але не дуже економічно, якщо врахувати космічну вартість фотоелектричних перетворювачів, що практично виключає можливість їхнього комерційного використання в реальних умовах експлуатації на поверхні Землі, де традиційні теплові електростанції, включаючи АЕС, поки забезпечують собівартість виробленої електроенергії в десять разів нижче собівартості електроенергії, виробленої фотоелектроперетворювачами. Використання в пропонованому рішенні захисних теплоізолюючих корпусів як оптичні концентратори світлового потоку дозволяє різко, у сотні разів, зменшити як геометричні розміри фотоелектроперетворювачів, так і охолодити фототермоперетворювачів, що фактично дозволяє не тільки в сотні разів знизити їхню кінцеву вартість і матеріалоємність, але і різко підвищити загальну ефективність їхньої праці за рахунок різкого зниження теплового випромінювання самих перетворювачів. Фактично від величезної сонячної батареї космічної станції залишилася прозора повітряна кулька, посріблений з однієї сторони із сірниковою голівкою фотоелектроперетворювача усередині. Пропоноване технічне рішення може бути застосовано й у космічних літальних апаратах, особливо при 10 дослідженнях планет на периферії Сонячної системи, тим більше що воно забезпечує ефективну орієнтацію в просторі фотоелектроперетворювачів щодо напрямку потоку сонячної енергії з витратами енергії і матеріальних ресурсів у сотні разів меншими, чим в існуючих системах орієнтації зі спеціальними системами спостереження за взаємним положенням Сонця і сонячних батарей. Незважаючи на невелику кількість потоку світлової енергії, сонячної енергії, що падає на Землю цілком достатньо не тільки для підтримки органічного життя на Землі але і для часткового її збереження у виді кам'яного вугілля, нафти, торфу і так далі. Однак, навіть у середніх широтах жодна з відомих систем автономного енергопостачання не забезпечує ні реальної автономії від магістральних систем централізованого енергопостачання, ні достатнього рівня енергозабезпечення в силу низької ефективності використання світлового джерела. У досвідченому зразку пропонованої системи автономного енергопостачання отриманий кінцевий коефіцієнт корисної дії 137 відсотків з одиниці використовуваної поверхні. Для виключення відмовлення у видачі патенту на пропоноване рішення через теоретично неможливе одержання коефіцієнта корисної дії більш 100 відсотків, пояснюємо причину одержання такої енерговіддачі з одиниці площі. Будь-який будинок на поверхні Землі розташовується нерухомо, з фіксованим розташуванням щодо траєкторії її руху навколо Сонця що дозволяє розташовувати вітродвигуни 37 у зоні затемнення від корпусів 10, на площі, займаної корпусами 10. Фактично при цьому з навколишньої атмосфери відбирається сонячна енергія, раніше вже перетворена на інших ділянках поверхні Землі в кінетичну енергію руху повітряних мас. Це важливо при монтажі систем автономного енергопостачання в стиснутих умовах, наприклад, в умовах щільної забудови мегаполісів. 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83716 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601