Сонячно-вітрова установка

Реферат: Винахід належить до галузі вітро- та геліоенергетики і може бути використаний, наприклад, для автономного та цілорічного енергозабезпечення як побутових, так і промислових споживачів. Сонячно-вітрова установка містить вертикально-осьову вітротурбіну, виконану з лопатями у вигляді циліндричних поверхонь, механічно зв'язану з електрогенератором, концентратор сонячного випромінювання, блок стеження за положенням сонця і теплоприймач, виконаний у вигляді трубок з теплоносієм. Ввігнуті поверхні лопатей виконані з матеріалу, що віддзеркалює сонячне випромінювання на теплоприймач, розташований на осі обертання вітротурбіни, виконуючи функцію концентратора сонячної енергії. При цьому лопаті вітротурбіни механічно зв'язані з блоком управління кутами повороту лопатей навколо своєї вертикальної осі, забезпечуючи фокусування сонячного випромінювання, відбитого від кожної лопаті, на теплоприймач, а електрогенератор з'єднаний з блоком стеження за положенням сонця. Даний винахід в сукупності з високою компактністю забезпечує можливість цілорічного автономного енергозабезпечення або в вигляді теплової енергії, або електричної енергії, або одночасно обох видів. UA 112906 C2 (12) UA 112906 C2 UA 112906 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі вітро- та геліоенергетики і може бути використаний, наприклад, для автономного та цілорічного енергозабезпечення як побутових, так і промислових споживачів, в тому числі й на балконах багатоповерхових будинків. Найбільш доцільно використовувати винахід для енергозабезпечення заміських будинків, дач, туристичних баз, мотелів, придорожніх кафе або магазинів віддалених від центральних електро- та тепломереж. Відомо, що в помірних та приполярних широтах (40-65°) жоден вид альтернативних джерел енергії не здатен цілорічно покривати енергозатрати, необхідні для комфортного проживання навіть однієї людини. Тому вдаються до одночасного використання двох або навіть трьох джерел енергії, з метою згладити сезонні коливання надходження сонячної або вітрової енергії. Наприклад, відома сонячно-вітрова установка, що має в складі вітротурбіни та фотовольтаїчні сонячні батареї (патент РФ 2182674 F03D 3/00 від 20.05.2002 http://www. freepatent.ru/patents/2182674). Вказана установка являє собою суму двох незалежних пристроїв, що генерують електрику. Тому, матеріалоємність, вартість та вага цієї установки буде дорівнювати, або навіть перевищувати суму вартостей і суму ваги кожного з пристроїв окремо. Слід також зауважити, що використання електроенергії, отриманої від сонячних батарей для опалення та гарячого водопостачання не є раціональним, бо коефіцієнт корисної дії батарей становить лише 15-17 %. Для цього краще за допомогою сонячних колекторів безпосередньо використати 45-70 % сонячного тепла. Відома сонячно-вітрова установка (патент РФ № 2309339 F24J 2/42 від 27.10.2007 http://www.freepatent.ru/patents/2309339), що має в складі вітротурбіну, механічно зв'язану з електрогенератором та сонячний колектор. Як і попередній аналог, вказана установка являє собою суму двох пристроїв: вітроелектрогенератора та сонячного колектора. Матеріалоємність, вартість та вага цієї установки також буде дорівнювати сумі вартостей, матеріалоємності та ваги кожного пристрою, взятого по одинці. Крім того, вказана сонячно-вітрова установка займає велику площу, теж рівну сумі площ кожного пристрою, взятого окремо, що не дозволяє використовувати її на балконах багатоповерхівок. Найближчим аналогом є сонячно-вітрова установка, що має в складі вертикально-осьову вітротурбіну, виконану з лопатей у вигляді циліндричної поверхні, і механічно зв'язану з електрогенератором, блок стеження за положенням сонця та концентратор сонячного випромінювання оптично зв'язаний з теплоприймачем, виконаним у вигляді трубок, заповнених теплоносієм (http://bioenergy.com.ua/index.php?option=com_content&view=article&id=1856:wind&catid=47:2012-08-04-1807-56&Itemid=129). Дата публикации: 13.05.2013. Незважаючи на те, що вказана сонячно-вітрова установка більш компактна, ніж попередні аналоги, вона теж являє собою суму двох незалежних пристроїв, об'єднаних на спільній станині. Тому, матеріалоємність, вартість та вага цієї установки теж буде складатися з суми вартості, матеріалоємності та ваги кожного пристрою, взятого окремо. Крім того, конструктивні особливості цієї установки не дозволяють використовувати її на балконах багатоквартирних будинків. В основу винаходу поставлена задача зменшення матеріалоємності, вартості та ваги сонячно-вітрової установки, для того, щоб в сукупності з високою компактністю забезпечити можливість її використання навіть на балконах багатоквартирних будинків. Поставлена задача вирішується тим, що в сонячно-вітровій установці, що містить вертикально-осьову вітротурбіну, виконану з лопатями у вигляді циліндричних поверхонь, механічно зв'язану з електрогенератором, концентратор сонячного випромінювання, блок стеження за положенням сонця і теплоприймач, виконаний у вигляді трубок з теплоносієм, відповідно до винаходу, ввігнуті поверхні лопатей виконані з матеріалу, що віддзеркалює сонячне випромінювання на теплоприймач, розташований на осі обертання вітротурбіни, виконуючи функцію концентратора сонячної енергії, при цьому лопаті вітротурбіни механічно зв'язані з блоком управління кутами повороту лопатей навколо своєї вертикальної осі, забезпечуючи фокусування сонячного випромінювання, відбитого від кожної лопаті на теплоприймач, а електрогенератор з'єднаний з блоком стеження за положенням сонця. При цьому вітротурбіна разом з електрогенератором закріплена на рамі, що виконана з можливістю відхилення від вертикалі таким чином, щоб вісь обертання вітротурбіни була перпендикулярною сонячним променям. Опуклі поверхні лопатей виконані з матеріалу, який перетворює сонячне випромінювання в електрику. Відповідно до запропонованого винаходу, виконання увігнутих поверхонь лопатей з матеріалу, який добре відзеркалює сонячне випромінювання, перетворює вітротурбіну в концентратор сонячної енергії, забезпечуючи можливість збору сонячної енергії. 1 UA 112906 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Виконання лопатей вітротурбіни з можливістю повороту навколо своєї вертикальної осі та їх механічний зв'язок з блоком управління кутами повороту, призводить до того, що лопаті можна розташувати так, що вони будуть відбивати падаюче на них сонячне випромінювання таким чином, що відбиті пучки будуть перехрещуватися на осі обертання вітротурбіни. Але для досягнення цього результату кути повороту кожної лопаті повинні бути цілком визначеними, і ці кути залежать від кількості лопатей в вітротурбіні. Якщо кількість лопатей парна, то на основі законів геометричної оптики, кути повороту  для кожної лопаті визначаються по формулі =180/n(1/2+m), де n - кількість лопатей, а m=0,1,2…n-1 - номер лопаті, для якої виконується визначення кута повороту. Якщо кількість лопатей в вітротурбіні непарна, то розрахунок виконується по формулі =180 m/n. При цьому не має значення, яку саме лопать приймати за нульову, всі лопаті займуть таке положення, при якому відбиті від них сонячні промені перехрестяться на осі обертання вітротурбіни. Розташування теплоприймача, виконаного в вигляді, як мінімум, однієї трубки, заповненої теплоносієм на осі обертання вітротурбіни, дозволяє зібрати теплову енергію, відбиту кожною з лопатей вітротурбіни. При цьому теплоприймач механічно не пов'язаний з вітротурбіною і завжди залишається нерухомим. Це дозволяє здійснювати прокачку теплоносія і ефективно доставляти теплову енергію до споживача. Виконання ввігнутих поверхонь лопатей з матеріалу, який добре відбиває сонячне випромінювання підвищує ефективність збору теплової енергії. А якщо радіус кривизни циліндричної поверхні лопатей вибрати рівним діаметру кола, на якому розташовані осі повороту лопатей вітротурбіни, то лопаті будуть ще й фокусувати сонячне випромінювання на поверхні теплоприймача, забезпечуючи при цьому максимальну ефективність збору сонячної енергії. Це випливає з відомої формули для сферичного дзеркала: фокусна відстань - це половина радіуса кривизни сферичної поверхні дзеркала. Виконання випуклих поверхонь лопатей вітротурбіни з матеріалу, що перетворює енергію світла в електрику, дозволяє сонячно-вітровій установці давати енергію навіть тоді, коли сонце за хмарами і не має вітру. В цьому випадку вітротурбіна повертається так, щоб випуклі поверхні лопатей були направлені на ту ділянку неба, де за хмарами знаходиться сонце. Розсіяне сонячне світло перетворюється в електричну енергію і заряджає акумулятор. Такий режим роботи може використовуватись і тоді, коли першочергове значення має електрична енергія, а не теплова, наприклад, влітку. Для того, щоб теплоприймач був рівномірно освітлений по всій довжині, і щоб передні лопаті не затіняли задніх, вітротурбіну необхідно нахилити так, щоб сонячне випромінювання було перпендикулярним до осі обертання вітротурбіни. Для цього вітротурбіна разом з електрогенератором закріплена на рамі, яка має можливість відхилення від вертикалі на кут, що залежить від висоти сонця над горизонтом. А підключення електрогенератора до блока стеження за положенням сонця призводить до того, що електрогенератор в цьому випадку працює як двигун, і забезпечує постійну орієнтацію лопатей вітротурбіни на сонце, що також сприяє підвищенню ефективності збору теплової енергії. Таким чином, всі елементи вітротурбіни чудово справляються з функціями концентратора сонячної енергії, і не має необхідності вводити до складу сонячно-вітрової установки будь-які додаткові пристрої. В результаті, матеріалоємність, вартість та вага установки зменшується практично вдвічі, бо кожен елемент виконує по дві функції без будь-яких обтяжень. Оскільки теплоприймач знаходиться всередині вітротурбіни, то геометричні розміри всієї сонячновітрової установки визначаються виключно розмірами вітротурбіни. Тобто, сонячно-вітрова установка зменшується до розмірів вітротурбіни. Враховуючи компактність, і те, що вертикально-осьова вітротурбіна сприймає вітер будь-якого напрямку, то її можна використовувати навіть на балконах багатоквартирних будинків. Спільне використання сонячної та вітрової енергії дозволяє отримати цілорічне автономне енергозабезпечення. Це пов'язано з тим, що максимум продуктивності у вітровій і сонячній системах припадають на різний час доби і року. Таким чином, наведений вище причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу та технічним результатом не є очевидним для середнього спеціаліста, не відомий з рівня техніки, що свідчить про те, що запропонований нами винахід відповідає критеріям "новизна" та "винахідницький рівень". Суть винаходу пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 зображена схема розташування лопатей вітротурбіни в режимі вітроелектрогенератора, де позначено: корпус 1 вітротурбіни, лопаті 2 вітротурбіни, блок 3 управління кутами повороту лопатей, теплоприймач 4, потік 5 вітру. На Фіг. 2 зображена схема розташування лопатей вітротурбіни в режимі концентратора сонячного випромінювання, де позначено: корпус 1 вітротурбіни, лопаті 2 вітротурбіни, блок 3 2 UA 112906 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 управління кутами повороту лопатей, теплоприймач 4, потік 6 падаючого сонячного випромінювання, напрямок 7 відбитого сонячного випромінювання. На Фіг. 3 зображена сонячно-вітрова установка в положенні оптимальної орієнтації на сонце, де позначено: корпус 1 вітротурбіни, лопаті 2 вітротурбіни, потік 6 падаючого сонячного випромінювання, електрогенератор 8, рама 9, що має можливість відхилення від вертикалі, та пристрій 10 відхилення рами від вертикального положення. Працює сонячно-вітрова установка наступним чином. Вранці, коли блок стеження за положенням сонця виявляє сонячне випромінювання з інтенсивністю, достатньою для початку нагріву теплоносія, що знаходиться в теплоприймачі 4, а вітротурбіна при цьому не обертається або не забезпечує номінальну потужність, включається блок 3 управління кутами повороту лопатей і переводить їх в положення, що відповідає концентрації сонячного випромінювання, тобто так, як показано на Фіг. 2. В цьому випадку вітротурбіна перестає відчувати вітер і зупиняється. Зупинка суттєво прискорюється при підключенні електрогенератора 8 до системи стеження за положенням сонця. Шляхом подачі відповідних сигналів з блока стеження за положенням сонця на пристрій 10 відхилення рами від вертикального положення, та на обмотки електрогенератора 8 здійснюється точна орієнтація лопатей вітротурбіни на сонце, що забезпечує максимальний потік сонячного випромінювання на теплоприймач 4. У міру руху сонця по небосхилу, система стеження постійно корегує орієнтацію вітротурбіни, утримуючи теплоприймач 4 в точці перехрестя всіх променів, відбитих ввігнутими поверхнями лопатей 2. Ввечері, коли інтенсивність сонячного випромінювання стає нижчою допустимого порогу, знову включається блок 3 управління кутами повороту лопатей і переводить їх в положення, що відповідає режиму вітроелектрогенератора, тобто так, як показано на Фіг. 1. Електрогенератор 8 відключається від системи стеження за положенням сонця. Пристрій 10 відхилення рами від вертикального положення повертає раму в вертикальне положення і вітротурбіна продовжує генерацію електрики при наявності вітру. Якщо на наступний ранок сонце буде за хмарами, то сонячно-вітрова установка буде продовжувати роботу в режимі вітроелектрогенератра доти, поки блок стеження за положенням сонця не виявить достатній рівень сонячного випромінювання. Якщо ж сонце зранку за хмарами і відсутній вітер, то блок 3 управління кутами повороту лопатей знову переводить їх в положення, що відповідає концентрації сонячного випромінювання, але система стеження так орієнтує вітротурбіну, щоб випуклі поверхні лопатей були направлені на ту ділянку неба, де за хмарами знаходиться сонце. В цьому випадку джерелом енергії буде електрична енергія, що отримується від перетворювачів енергії світла в електрику, нанесених на випуклі поверхні лопатей. Такий режим роботи сонячно-вітрової установки можливий і в випадку, коли вода в бойлері вже нагріта до потрібної температури, інтенсивність сонячного випромінювання велика, а вітер відсутній. Слід зауважити, що перетворювачі енергії світла в електрику, які нанесені на випуклі поверхні лопатей, будуть працювати і в тому випадку, коли сонячно-вітрова установка буде знаходитись в режимі вітроелектрогенератора. Тобто, якими б не були погодні умови, сонячно-вітрова установка простоювати не буде, і завжди буде давати енергію або в вигляді теплової, або електричної, або одночасно обох видів. В одному з варіантів виконання сонячно-вітрової установки корпус 1 вітротурбіни був виготовлений з композитного матеріалу (полістирол з двох боків ламінований алюмінієвою фольгою) товщиною 3 мм. Діаметр вітротурбіни 45 см, висота 47 см. Лопаті 2 вітротурбіни виготовлені із дзеркального алюмінію товщиною 0,5 мм і мають ширину 9 см, висоту 45 см та радіус кривизни циліндричної поверхні 36,5 см. На випуклу поверхню лопатей 2 нанесена гнучка фотовольтаїчна плівка, близька по характеристиках до цієї http://vipmart.com.ua/p21505986gibkaya-solnechnaya-batareya.html Управління кутами повороту лопатей здійснювалось вручну шляхом фіксації кожної лопаті в потрібному положенні. Кількість лопатей 12, тому кут повороту становив =7,5+7,5m, де m=0,1,2…11. Як теплоприймач 4 використовувалась вакуумна трубка виробництва фірми "Star-energy" (http://www.star-energv.com.ua) довжиною 85 см і зовнішнім діаметром 58 мм. Блок стеження за положенням сонця виконаний по схемі, близькій до описаної тут http://www.solarhome. ru/biblio/pv/tracking.htm. Як концентратор сонячного випромінювання вказана сонячно-вітрова установка мала потужність 140 Вт. При переключенні сонячно-вітрової установки в режим вітроелектрогенерації кут установки лопатей (або, як його ще називають, кут "заклинювання") був вибраний 45 градусів. В цьому випадку одна з лопатей не змінює свого положення, бо в режимі сонячного концентратора також знаходилась під кутом 45 градусів дотичної до кола. Електрогенератор 8 був виконаний в вигляді постійних магнітів, приклеєних до нижнього диска корпусу 1 вітротурбіни та котушок мідного дроту, закріплених на рамі 9. Як вітроелектрогенератор вказана сонячно-вітрова установка мала потужність 10 Вт, а як сонячна батарея 15 Вт. 3 UA 112906 C2 5 10 15 20 В другому варіанті виконання сонячно-вітрової установки корпус 1 вітротурбіни був виготовлений з композитного матеріалу (полістирол з двох боків ламінований алюмінієвою фольгою) товщиною 3 мм. Діаметр вітротурбіни 85 см, висота теж 85 см. Лопаті 2 вітротурбіни виготовлені із дзеркального композитного матеріалу, товщиною 3 мм, і мають ширину 29 см, висоту 84 см та радіус кривизни 67,5 см. Кількість лопатей - 7. На випуклу поверхню лопатей нанесена гнучка фотовольтаїчна плівка з параметрами близькими до описаної тут http://www.ataba.com.ua/product_info.php?products_id=438&osCsid=2581f95d428598a48c4f88994e ce43e4. Блок 3 управління поворотом лопатей виконаний в вигляді важільного механізму, що має два фіксованих положення відповідно, для режиму концентрації сонячного випромінювання, та для режиму вітроелектрогенерації. Перемикання з одного режиму в інший здійснюється або з допомогою електромагніта, або вручну. Як теплоприймач 4 використовувалась вакуумна трубка виробництва фірми "Star-energy" (http://www.star-energy.com.ua) довжиною 85 см і зовнішнім діаметром 58 мм. Як концентратор сонячного випромінювання, вказана сонячно-вітрова установка виробляла до 500 Вт теплової енергії. Цього достатньо для нагріву протягом дня 80100 літрів води до температури 50-70 градусів. В режимі вітроелектрогенерації при швидкості вітру 7-8 м/сек., вказана сонячно-вітрова установка виробляла до 50 Вт електричної потужності, і стільки ж в режимі сонячної батареї. Цього достатньо, щоб завжди мати заряджені акумулятори ємністю 80-120 ампер-годин. Таким чином, запропоноване нами технічне рішення відповідає всім критеріям охороноздатності винаходу, так як має світову новизну, високий винахідницький рівень, не є очевидним для середнього спеціаліста в даній області і має промислове застосування. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 1. Сонячно-вітрова установка, що має в складі вертикально-осьову вітротурбіну, виконану з лопатями у вигляді циліндричних поверхонь, механічно зв'язану з електрогенератором, концентратор сонячного випромінювання, блок стеження за положенням сонця і теплоприймач, виконаний у вигляді трубок з теплоносієм, яка відрізняється тим, що ввігнуті поверхні лопатей виконані з матеріалу, що віддзеркалює сонячне випромінювання на теплоприймач, розташований на осі обертання вітротурбіни, виконуючи функцію концентратора сонячної енергії, при цьому лопаті вітротурбіни механічно зв'язані з блоком управління кутами повороту лопатей навколо своєї вертикальної осі, забезпечуючи фокусування сонячного випромінювання, відбитого від кожної лопаті, на теплоприймач, а електрогенератор з'єднаний з блоком стеження за положенням сонця. 2. Сонячно-вітрова установка за п. 1, яка відрізняється тим, що вітротурбіна разом з електрогенератором закріплена на рамі, що виконана з можливістю відхилення від вертикалі таким чином, щоб вісь обертання вітротурбіни була перпендикулярною сонячним променям. 4 UA 112906 C2 5 UA 112906 C2 6 UA 112906 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7