Электроэнергетическая установка

 

Изобретение относится к области электроэнергетики и предназначено для производства электроэнергии с использованием нетрадиционных источников, а именно лучистой энергии солнца и потоков воздуха. Технический результат, заключающийся в расширении области применения и независимости установки от наличия ветров, обеспечивается за счет того, что в электроэнергетической установке, содержащей блок преобразования механической энергии в электрическую с присоединенным к нему электрогенератором и блок преобразования лучистой энергии солнца в механическую через тепловую, согласно изобретению второй из блоков выполнен в виде вертикально установленной трубы переменного сечения, с расширением в верхнем и нижнем сечениях и сужением в средней части трубы, труба выполнена из двух разных материалов, состыкованных по продольному сечению трубы, один из них прозрачный, а другой с внутренней поверхностью с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии, причем блок преобразования механической энергии в электрическую выполнен в виде рамы с лопастями ветродвигателя и размещен в наиболее суженной части трубы с ориентацией лопастей перпендикулярно оси трубы, при этом установка в целом установлена в месте с наиболее благоприятными условиями для освещения трубы солнцем и сориентирована прозрачной частью в направлении к лучам солнца. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электроэнергетики и предназначено для производства электроэнергии с использованием нетрадиционных источников, а именно лучистой энергии солнца и потоков воздуха.

Известны устройства, которые используют энергию солнца, например солнечном нагревателе, данные о котором приведены в авторском свидетельстве СССР N SU 1615484 А1 (МКИ-5 F 24 J 2/10), который предназначен для использования солнечной энергии с целью нагрева. Он содержит неподвижный полусферический зеркальный отражатель и неподвижный теплоприемник и контротражатель в виде шарового сегмента.

Однако такое устройство непосредственно не может быть использовано как электростанция.

Также известны энергетические установки, которые преобразовывают энергию естественных потоков воздуха (ветра) в электрическую, данные о которых приведены в патентах Украины и авторских свидетельствах СССР. Например, опубликованы в бюллетене Украины "Промислова власнicть" (Промышленная собственность) N 2-94 пять патентов того же автора (Будревич Чеслав-Константин Альбинович) N 1594 (МКИ-4 F03D 1/06, Ветряной двигатель); N 1597 (МКИ-5 F 03 D 3/02, Ветросиловое устройство); N 1592 (МКИ-4 F 03 D 5/02, Ветряной двигатель Ч.-К.А.Будревича); N 1598 (МКИ-4 F 03 D 7/02, Ветряной двигатель); и N 1593 (МКИ-4 F 03 D 5/02, Ветряной двигатель) и др.

Известна также электроэнергетическая установка для преобразования энергии естественных потоков воздуха (ветра) в электрическую, описанная в патенте Украины N 21028 А, МПК-5 F 03 D 1/00. Электроэнергетическая установка содержит ветроколесо, кинематически соединенное с валом отбора мощности, связанным с электрогенератором и редуктором, расположенным на колонне или мачте.

Во всех этих устройствах для преобразования энергии ветра в электрическую применен ветродвигатель, который содержит опорную мачту, расположенный на ней обтекатель и раму с лопастями или ветроколесо, кинематически соединенное с валом отбора мощности, связанным с электрогенератором. Эти устройства представляют собой одну из главных составляющих электростанции, которая использует энергию ветра, как естественный поток воздуха, но такое устройство громоздко и в значительной степени зависит от наличия ветра и открытости местности.

Также известно использование вентиляционных устройств с целью создания обмена воздуха (вентиляции). Такие устройства описаны во многих литературных и патентных источниках, в частности в Официальном бюллетене "Промислова власнiсть" N 2-94 и N 3-94 (внесенные в Госреестр Украины). Например, приведены данные о вентиляционном устройстве, содержащем вытяжную трубу, установленный над ней вытяжной зонт, имеющий радиальные эжекторные каналы (патент Украины N 1554, МКИ-4 F 24 F 7/02. Вентиляционное устройство), или вентиляционный гибкий воздухопровод, содержащий раздельные секции, каждая из которых имеет каркас и эластичную оболочку (патент Украины N 1556, МКИ-4 F 24 F 13/02. Вентиляционный гибкий воздухопровод).

Однако эти устройства предназначены для создания вентиляции и непосредственно не могут быть использованы как электростанция.

Известны устройства, предназначенные для усиления тяги, например принятая к рассмотрению и опубликованная в бюллетене (Украины) N 3-94 заявка N 94020502, МКИ-5 F 02 K 1/00, F 02 K 9/00 на Центробежный усилитель тяги инженера Прохватилова И.Г., который состоит из источника потока текучей среды с соплом.

Однако это устройство само требует дополнительного притока энергии и не может непосредственно быть использовано как электростанция.

Наиболее близким по технической сути к заявленному техническому решению является энергетическая установка по патенту Германии (см. DE 4104770 А1, кл. F 03 D 9/00, 20.08.1992), которая содержит блок преобразования механической энергии в электрическую с присоединенным к нему электрогенератором и блок преобразования лучистой энергии солнца в механическую через тепловую, выполненный в виде элементов солнечной батареи.

Это устройство, как и предыдущие, использует, прежде всего, естественные потоки воздуха (ветер), а для меньшей зависимости от наличия ветра в данной местности и ее закрытости еще и лучистую энергию солнца через солнечные батареи. Однако это устройство не дает полной независимости от ветровых потоков, что приводит к некоторому ограничению области их применения.

Кроме того, все выше названные устройства главным образом предназначены для объектов промышленного назначения. В то же время имеется большая потребность в источниках электроэнергии, которые можно было бы использовать также и на бытовом уровне, например для питания небольших усадьб, садовых участков и т.п.

В основу заявленного технического решения поставлена задача - создать ресурсосберегающую электроэнергетическую установку, которая обеспечивает производство электроэнергии путем использования нетрадиционных источников энергии и при этом может быть использована как в промышленности, так и для бытовых нужд, или как средство резервного питания потребителей электроэнергии. При этом, сравнительно с прототипом, встает задача расширения области применения, полностью независимо от наличия ветров в данной местности и ее закрытости.

Поставленная задача решается тем, что электроэнергетическая установка содержит блок преобразования механической энергии в электрическую с присоединенным к нему электрогенератором, и блок преобразования лучистой энергии солнца, выполненный в виде вертикально установленной трубы переменного сечения, с расширением в верхнем и нижнем сечениях и сужением в средней части трубы, труба выполнена из двух разных материалов, состыкованных по продольному сечению трубы, один из них прозрачный, а другой с внутренней поверхностью с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии. Блок преобразования механической энергии в электрическую выполнен в виде рамы с лопастями и расположен в наиболее суженной части трубы с ориентацией лопастей перпендикулярно оси трубы. Установка в целом установлена в месте, где обеспечиваются наиболее благоприятные условия для освещения трубы солнцем, при этом она сориентирована прозрачной частью в направлении к лучам солнца.

Кроме того, для наибольшей эффективности установки, нижняя часть трубы перекрыта дном с поверхностью из материала, подобного материалу противоположной прозрачной части трубы, а именно - материала с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии. Со стороны нижнего края прозрачной части трубы выполнено отверстие, образованное между дном и сечением трубы с наклоном в направлении от верха отверстия со стороны прозрачной части трубы книзу со стороны противоположной части трубы. Наибольшая эффективность может быть получена при наклоне под углом 30-40^o. Кроме того, со стороны вершины угла (низ части трубы, противоположной прозрачной части) поглощающая поверхность выполнена в виде одной или нескольких площадок, размещенных приблизительно перпендикулярно направлению лучей солнца.

Кроме того, для более эффективного использования установки в часы недостаточного подогрева солнечными лучами, особенно в ночные часы, в нижней части трубы может быть дополнительно установлена горелка, которая дополнительно может усиливать тягу в трубе.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображено: на фиг.1 - общий вид установки в разрезе; на фиг.2 - вариант исполнения нижней части установки (разрез); на фиг. 3 - вариант исполнения нижней части установки с дополнительными элементами.

На фиг. 1 приведен общий вид электроэнергетической установки, которая содержит блок 1 преобразования лучистой энергии солнца и блок 2 преобразования механической энергии в электрическую. Блок 1 выполнен в виде вертикально установленной трубы 3 переменного сечения с расширением в верхнем 4 и нижнем 5 сечении и сужением в средней 6 части трубы 3. Труба 3 выполнена из двух частей 7 и 8, состыкованых по продольному сечению трубы 3.

Часть 7 выполнена из прозрачного материала, например стекла или прозрачного стеклопластика, а другая часть 8 выполнена с внутренней поверхностью 9 с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии, например покрашена черной краской и т.п. Блок 2 преобразования механической энергии в электрическую размещен в наиболее суженной части 6 трубы 3. Блок 2 состоит из основания 10 в виде рамы, на которой смонтирован электрогенератор 11, к валу которого (непосредственно или через редуктор) присоединены лопасти ветродвигателя 12. Ветродвигатель 12 сориентирован таким образом, чтобы лопасти были установлены перпендикулярно оси трубы 3. Установка в целом установлена в месте, где обеспечиваются наиболее благоприятные условия для освещения трубы солнцем, при этом она сориентирована прозрачной частью 7 в направлении к лучам солнца, которые изображены в виде стрелок S.

На фиг. 2 приведен вариант исполнения нижней части установки в разрезе, где труба 3 (с прозрачной частью 7 и непрозрачной - 8) перекрыта дном 13 с поверхностью из материала с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии; со стороны нижнего края прозрачной части 7 трубы 3 выполнено отверстие 14, образованное между дном 13 и сечением трубы 15-15 с наклоном в направлении от верха отверстия со стороны прозрачной части трубы книзу со стороны противоположной части трубы под углом ϕ, наиболее оптимальное значение которого лежит в пределах 30-40^o, причем со стороны вершины угла 16, поглощающая поверхность выполнена в виде одной или нескольких площадок 17, размещенных приблизительно перпендикулярно направлению лучей солнца S.

На фиг. 3 приведен возможный вариант исполнения нижней части установки, когда в нижней части трубы дополнительно установлена горелка 18.

Работа предложенного устройства поясняется фиг. 1. Лучи солнца (изображены как стрелки S) освещают трубу 3 и через ее прозрачную часть 7 проходят к внутренней части трубы 3. Достигая поверхности 9 противоположной части 8 трубы 3, лучи солнца поглощаются, вследствие чего лучистая энергия солнца преобразуется в тепловую. Происходит нагрев поверхности 9, которая, в свою очередь, нагревает окружающий воздух внутри трубы. Нагретый воздух в трубе приводит к созданию потока его в направлении вдоль трубы 3 снизу вверх (обозначено стрелками V). Таким образом, лучистая солнечная энергия преобразуется в механическую энергию перемещения воздуха (так называемая топочная тяга). Блок 2 воспринимает энергию потока воздуха и при помощи лопастей ветродвигателя 12 приводит в действие электрогенератор 11. В результате, предложенная электроэнергетическая установка позволяет вырабатывать электроэнергию, используя для этого нетрадиционные источники энергии, в частности энергию перемещения воздуха в трубах (тягу), усиленную действием лучистой энергии солнца. Мощность такой установки зависит от размеров трубы (ее высоты и поперечного сечения) и интенсивности солнечных лучей, которые попадают на активную поверхность поглощающей части трубы.

Работа дополнительных элементов, размещенных в нижней части установки поясняется фиг. 2. При перекрытии нижней части трубы дном 13 с лучепоглощающей поверхностью увеличивается активная поверхность. С такой же целью выполнены площадки 17, которые с одной стороны закрывают малоэффективный острый угол возле точки 16, и с другой стороны при установке этих площадок перпендикулярно лучам солнца способствуют увеличению концентрации солнечных лучей в этой части поверхности, вследствие чего их температура повышается. Это также способствует повышению эффективности установки. При этом подвод воздуха осуществляется через отверстие 14, которое при увеличении угла ϕ будет большим, что уменьшит сопротивление при входе. Но при этом уменьшается эффективная высота трубы, что приводит к снижению мощности установки. Оптимальным является значение угла наклона ϕ в пределах 30-45^o, когда дальнейшее увеличение сечения входа мало влияет на увеличение эффективности, а уменьшение эффективной высоты трубы еще не является существенным.

Кроме того, для более эффективного использования установки в часы недостаточного подогрева солнечными лучами, особенно в ночные часы, установка может быть дополнена размещенной в нижней части трубы горелкой, которая может дополнительно усиливать тягу в трубе. Работа дополнительных элементов поясняется фиг. 3, где показано, что когда нагрев со стороны солнечных лучей недостаточен, для увеличения мощности потока воздуха (тяги) через горелку 18 можно подавать в небольших количествах горючее, поджигая которое (пламя показано под цифрой 19) создается усиление тяги.

Таким образом, предложенная электроэнергетическая установка позволяет вырабатывать электроэнергию, используя для этого нетрадиционные источники энергии, и при этом может быть использована как в промышленности, так и для бытовых нужд. Особенно полезным может быть ее использование для электропитания потребителей, расположенных на расстоянии от действующих электросетей, или как средство резервного питания потребителей электроэнергии.

Формула изобретения

1. Электроэнергетическая установка, содержащая блок преобразования механической энергии в электрическую с присоединенным к нему электрогенератором и блок преобразования лучистой энергии солнца в механическую через тепловую, отличающаяся тем, что второй из блоков выполнен в виде вертикально установленной трубы переменного сечения с расширением в верхнем и нижнем сечениях и сужением в средней части трубы, труба выполнена из двух разных материалов, состыкованных по продольному сечению трубы, один из них прозрачный, а другой с внутренней поверхностью с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии, причем блок преобразования механической энергии в электрическую выполнен в виде рамы с лопастями ветродвигателя и размещен в наиболее суженной части трубы с ориентацией лопастей перпендикулярно оси трубы, при этом установка в целом установлена в месте с наиболее благоприятными условиями для освещения трубы солнцем и сориентирована прозрачной частью в направлении к лучам солнца.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть трубы перекрыта дном с поверхностью из материала с наибольшей степенью поглощения лучистой энергии, а со стороны нижнего края прозрачной части трубы выполнено отверстие, образованное между дном и сечением трубы с наклоном в направлении от верха отверстия со стороны прозрачной части трубы книзу со стороны противоположной части трубы под углом 30-40°, причем со стороны вершины угла поглощающая поверхность выполнена в виде одной или нескольких площадок, размещенных приблизительно перпендикулярно направлению лучей солнца.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нижней части трубы установлена горелка для усиления тяги в часы недостаточного подогрева солнечными лучами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3