УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И БЕСПРОВОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2007 года по МПК H03D9/00 

Изобретение относится к электрическим электронным устройствам для использования в качестве источника питания различных приборов и освещения физических объектов как в народном хозяйстве, так и в быту, в частности для освещения надписей, рекламы и государственных символов.

Известны устройства для преобразования энергии ветра в механическую энергию для выработки электрической энергии, но не для беспроводного освещения объекта, используемых в народном хозяйстве и называются они ветровыми установками. С применением электрогенераторов энергию ветра улавливают с помощью ветряных установок и преобразуют эту энергию в электрическую. Аналоги ветровых установок для выработки электроэнергии широко описаны в популярных отечественных и зарубежных журналах.

Недостатком всех ветровых установок для выработки электроэнергии является то, что их целесообразно размещать только в районах с устойчивыми ветряными потоками. Схема типовой ветряной установки включает в себя: пропеллер с механизмом поворота лопастей, установленных на высокой колонне, передаточным механизмом с фрикционом, механизма поддержания оборотов ротора в устойчивом режиме, генератора электрической энергии и механизма разворота лопастей против ветра. При применении ортогональных роторов Дарье, работающих при любом направлении ветра, этот механизм разворота не требуется.

Относительная величина материальных затрат на выработанный киловатт электроэнергии с помощью ветроустановок по мере увеличения их мощности существенно снижалась, следовательно, стало возможным использовать энергию ветра для промышленных целей в массовом порядке, как это делается в Калифорнии США.

В настоящее время мощность таких ветровых установок достигает миллион ватт и они становится самым экологическими устройствами для выработки электроэнергии.

К существенным недостаткам ветровых установок для выработки электроэнергии с помощью энергии ветра относится климатическая территориальность применения установок, сезонность, а также сравнительная дороговизна эксплуатации и доставки электроэнергии к потребителю из-за отдаленных мест расположения этих установок вдали от промышленных центров. Одной из особенностей применения ветровых установок является обязательное наличие проводной связи и дороговизна электроэнергии при доставке к маломощным энергетическим объектам, то есть нерентабельность эксплуатации.

В настоящее время в бытовых приборах стали широко использоваться, для преобразования механической энергии в электрическую пьезоэлементы. В основе пьезоэлементов лежит пьезоэффект, открытый еще в конце 19 века французскими физиками Кюри. В основе пьезоэффекта лежит сжатие кристаллической решетки некоторых природных материалов, результатом чего появляется электрический заряд очень большого напряжения. Сегодня известно более полутора тысяч веществ, обладающих такими электростатистическими свойствами. Из них широко используются сегнетова соль и титанат бария. На их базе промышленность выпускает пьезоэлементы. Наиболее распространенными на сегодняшний день приборами, в которых используются пьезоэлементы, являются бытовая зажигалка и дверной замок.

Другим известным прибором для преобразования электрического тока пьзоэлемента является пьезоконвертор, состоящий из трансформатора, двух диодов и конденсатора. С помощью этих двух приборов, в основе работы которых лежит пьезоэффект, можно добиться обеспечения автономного беспроводного свечения объекта, питаемого преобразованной механической энергией природного окружения, в нашем случае энергии ветра. Применение пьезоэлементов для получения электрического тока и использование этой энергии в быту описано в популярной печати.

Таким образом, ближайшим аналогом изобретения по достигаемому эффекту преобразования природной энергии в электрическую является устройство для преобразования энергии ветра (ветровой теплоэлектрический генератор), содержащее опору, элементы-преобразователи механических воздействий в электрические сигналы (импульсы), выполненные на основе пьезоэлементов и аккумулятора электрической энергии (см., например, RU 2226620 С2, кл. F03D 9/00, 6 с., 10.04.2004, где поз.27 - пьезоэлементы).

Эффективность любой ветроэнергетической установки возрастает с увеличением ее высоты над земной поверхностью в связи с увеличением скорости ветра в высотой. Поэтому все ветроэнергетические установки в своей конструкции имеют мачту. Строительство мачты под ветроэнергетическую установку оправдано, когда мощность снимаемой энергии достаточно велика. Но есть ряд задач, где нужны портативные ветроэнергетические установки, быстро разворачиваемые и вводимые в действие в считанные минуты: это военная сфера и МЧС, где возникают трудно предсказуемые ситуации и задачи, а экипировка сводятся к минимуму. Это же необходимо и для людей таких профессий, как альпинисты, геологи, а также для туристов, путешественников.

Поскольку в своей основе привязные летательные аппараты, плавающие в земной атмосфере, имеет эластичную ткань, установка на них ветроэнергетической установки позволит обеспечить подсветку такого аппарата в ночное время, что снизит вероятность столкновения с ними свободно летающих аппаратов. Одновременно, это же позволит расширить возможности оформителей для создания световых эффектов.

Целью изобретения является получение электроэнергии от движения воздушной массы вне зависимости от климата и времени годы и использования этой полученной электрической энергии для беспроводного освещения физического объекта в условиях плохой видимости.

Сущность изобретения «Устройство для преобразования энергии ветра в электричество и беспроводного освещения объекта» состоит в том, что в ткань эластичного полотнища, укрепленного на опоре в зоне воздушных максимальных ускорений, вмонтированы элементы-преобразователи механических воздействий в электрические сигналы (импульсы), гибко подключенные к пьезоконвертору-преобразователю импульсных электрических сигналов в постоянное напряжение, а пьезоконвертор соединен приборами преобразующими электрический ток в электромагнитное излучение и аккумулятором. В качестве приборов, способных непосредственно преобразовывать электрический ток в электромагнитное излучение использованы светодиоды, излучающие в заданном электромагнитном спектре. Полотнище же с пьезоэлементами укрепляется на вертикальном древке или штанге или укреплено на горизонтальной растяжке или растяжках. Элементы - преобразователи механических воздействий (давления, изгиба, растяжения и т.д.) в электрические сигналы (импульсы), размещены на полотнище в зоне максимальных механических воздействий турбулентного воздушного потока, в краевых зонах полотнища. Пьезоконвертор может быть вынесен на опору полотнища и гибко подключен к пьезоэлементам, расположенным в ткани полотнища. На опоре и полотнище установлены сигнальные световые приборы, а приборы, преобразующие электрический ток в электромагнитное излучение, выполнены в виде световолоконных нитей. Сигнальные световые приборы, преобразующие электрический ток в электромагнитное излучение, выполнены в виде нитей, вплетенных в ткань полотнища, и могут образовывать светящийся рисунок. Отдельные устройства преобразования энергии ветра (полотнища) могут объединяться в батареи с параллельным или последовательным включением.

Другие варианты выполнения «Устройства для преобразования энергии ветра в электричество и беспроводного освещения объекта»: пьезодатчики, воспринимающие давление или изгиб, расположены в эластичной кровле шатра или палатки или другого легкого строения. Среди вновь создаваемых полимерных материалов имеются такие, которые под воздействием натяжения выдают электрические импульсы. Такие материалы могут быть использованы как преобразователи механического воздействия в электрический ток и использованы в конструкциях «Устройства для преобразования энергии ветра в электричество и беспроводного освещения объекта».

Возможны различные крепления гибкого полотнища, например на вертикальном древке, штанге или горизонтальной растяжке или растяжках.

Пьезоконвертор, в зависимости от конструкции, может быть расположен как в полотнище, так и вынесен на опору полотнища, и гибко подключен к пьезоэлементам-акселерометрам и пьезоконвертору, расположенным в ткани полотнища.

Преимуществом предлагаемого устройства перед аналогичными устройствами для выработки электроэнергии является тот факт, что из конструкции полностью исключены сложные прецизионные узлы и устройства, а преобразующие энергию ветра элементы интегрированы и изготавливаются более высокими технологическими средствами, массово освоенными в промышленности. Это положение относится как к производству высокопрочного материала ткани, используемого для полотнищ, так и к электронным элементам преобразования энергии ветра непосредственно в электрическую энергию - пьезоэлементам и элементам конверторов и световодам.

На фигурах 1, 2 и 3 изображены элементы предлагаемого устройства, где

1. Фундамент-основание.

2. Вертикальная опора.

3. Древко или штанга.

4. Полотнище.

5. Растяжка.

6. Пьезоэлементы.

7. Трансформатор.

8. Первичная обмотка трансформатора.

9. Вторичная обмотка трансформатора.

10. Диодный мостик.

11. Конденсатор.

12. Пьезоконвертор.

13. Буфер-накопитель.

14. Световод

15. Световодные нити.

На фигуре 1 показано устройство при вертикальном расположении полотнища, где фундамент-основание (поз.1), опорная колонна (поз.2), на которой установлен древко или штанга (поз.3), с полотнищем (поз.4).

На фигуре.2 показано устройство при креплении полотнища (поз.4) с помощью горизонтальных растяжек (поз.5), закрепленных между двумя опорами (поз.2), установленными на фундаменте (поз.1).

На фигуре 3 изображена электрическая схема пьезоконвертора, содержащая трансформатор (поз.7), диодный мостик (поз.10) и конденсатор (поз.11). К первичным обмоткам (поз.8) трансформатора (поз.7) подключены пьезоэлементы (поз.6). Вторичная обмотка (поз.9) трансформатора (поз.7) соединена с диодным мостиком (поз.10). Между положительным и отрицательным выходом диодного мостика (поз.10) включен конденсатор (поз.11).

На фигуре 4 изображена электрическая схема пьезоконвертора, содержащая трансформатор (поз.7), диодный мостик (поз.10) и конденсатор (поз.11). Пьезоэлементы-акселерометры (поз.6) подключены к первичным обмоткам (поз.8) трансформатора (поз.7). Вторичная обмотка (поз.9) трансформатора (поз.7) соединена с диодным мостиком (поз.10) между положительным и отрицательным выходом диодного мостика (поз.10) включен конденсатор (поз.11) и далее при необходимости конденсатор-накопитель (поз.13) - аккумулятор энергии или потребитель энергии.

В упрощенном варианте устройства для преобразования энергии ветра возможно использование энергии, снимаемой с пьезодатчиков-акселерометров, непосредственно для обогрева оборудования или помещения.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом. Свободная сторона полотнища (поз.4) под порывами ветра совершает колебательное или размахивающее движение, при которых на ткани возникают значительные местные ускорения. Пьезоэлементы (поз.6), вшитые в ткань полотнища (поз.4), под воздействием возникающих ускорений деформируется и выдают электрический заряд высокого напряжения, поступающий на первичную (первичные) обмотку (поз.8) понижающего трансформатора (поз.7), где происходит интегрирование электрических импульсов, снимаемых с пьезоэлементов, при хаотическом воздействии ветрового потока на полотнище. С вторичной обмотки (поз.9), подключенной к диодному мостику (поз.10), снимается пониженное разнополярное напряжение и с помощью диодного мостика (поз.10) преобразуется в однополярное импульсное напряжения, пульсации которого сглаживается с помощью конденсатора (поз.11) и поступают в буфер-накопитель энергии (поз.12), например аккумулятор или непосредственно на питание потребителей, не требующих стабилизации напряжения и тока, например питание контрольно-сигнальных осветительных приборов - светодиодов (поз.13), устанавливаемых на древке, или штанге (поз.3), или растяжках (поз.5), или вплетенных в основу ткани полотнища (поз.4).

При использовании вертикально расположенного полотнища отсутствует зависимость от направления ветра, воздействующего на полотнище по сравнению с горизонтальным его расположением. Но эта зависимость также отсутствует для горизонтального расположенного полотнища при его принудительном движении относительно потока, когда устройство расположено на движущимся объекте, например на автомобиле или судне.

Предлагаемое изобретение «Устройство для преобразования энергии ветра в электричество и беспроводного освещения объекта» может быть использовано для обозначения в темноте какого-либо сооружения, например метеостанции, аэродрома, маломерного судна, подвижных транспортных средств, где потребляется мало электрической энергии. Другое применение может найти для подсветки рекламы, полотна флага, создания световых эффектов, без подключения к внешнему источнику электроэнергии, что снижает затраты при монтаже приборов и последующей эксплуатации. «Устройство для преобразования энергии ветра в электричество и беспроводного освещения объекта» может быть поднято достаточно высоко, в зону устойчивых ветров.

Поскольку наиболее эффективно располагать «Устройство для преобразования энергии ветра в электричество и беспроводного освещения объекта» на высоких опорах, то на полотнище опоре установлены сигнальные световые приборы, преобразующие электрический ток в электромагнитное излучение, которые могут быть выполнены в виде световолоконных нитей, обладающих высокими коэффициентом преобразования и долговечности.

Отдельные устройства преобразования энергии ветра (полотнища) могут объединяться в батареи с параллельным или последовательным включением.

В настоящее время создано достаточно много различных материалов, которые под механическим воздействием вырабатывают электрические сигналы и могут быть достаточно эффективно использованы в устройствах преобразования энергии ветра. Установка таких устройств на мачтах, трубах и высотных сооружениях понижает стоимость монтажных работ, делает их автономными и массовыми, что позволяет повысить безопасность для воздушного и водного транспорта, выполняющего рейсы в темное время суток.

Изобретение относится к области электричества и представляет собой, в частности, устройство для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Технический результат заключается в получении электроэнергии от турбулентного движения воздуха как для обогрева оборудования, так и для освещения какого-либо объекта в условиях плохой видимости. Устройство для преобразования энергии ветра содержит опору, элементы-преобразователи механических воздействий в электрические сигналы (импульсы), выполненные на основе пьезоэлементов, и аккумулятор электрической энергии, при этом элементы-преобразователи вмонтированы в ткань полотнища, укрепленную на опоре устройства, и гибко подключены к пьезоконвертору-преобразователю импульсных электрических сигналов в постоянное напряжение, пьезоконвертор соединен с приборами, преобразующими электрический ток в электромагнитное излучение, и аккумулятором электрической энергии, вмонтированными в ткань полотнища, при этом устройство дополнительно содержит сигнальные световые приборы, выполненные из эластичных светодиодных нитей, вплетенных в ткань полотнища. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для преобразования энергии ветра, содержащее опору, элементы-преобразователи механических воздействий в электрические сигналы (импульсы), выполненные на основе пьезоэлементов, и аккумулятор электрической энергии, отличающееся тем, что элементы-преобразователи механических воздействий в электрические сигналы (импульсы) вмонтированы в ткань полотнища, укрепленную на опоре устройства, и гибко подключены к пьезоконвертору-преобразователю импульсных электрических сигналов в постоянное напряжение, а пьезоконвертор соединен с приборами, преобразующими электрический ток в электромагнитное излучение, и аккумулятором электрической энергии, вмонтированных в ткань полотнища, при этом устройство дополнительно содержит сигнальные световые приборы, выполненные из эластичных светодиодных нитей, вплетенных в ткань полотнища.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приборы, преобразующие электрический ток в электромагнитное излучение, выполнены в виде светодиодов.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полотнище укреплено на вертикальном древке или штанге.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полотнище укреплено на горизонтальной растяжке или растяжках.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы-преобразователи механических воздействий (давления, изгиба, растяжения и т.д.) в электрические сигналы (импульсы) размещены на полотнище.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоконвертор вынесен на опору полотнища и гибко подключен к пьезоэлементам, расположенным в ткани полотнища.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сигнальные световые приборы установлены на опоре и полотнище.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приборы, преобразующие электрический ток в электромагнитное излучение, выполнены в виде световолоконных нитей.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сигнальные приборы, преобразующие электрический ток в электромагнитное излучение и выполненные в виде нитей, вплетенных в ткань полотнища, могут образовывать светящийся рисунок.10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отдельные устройства преобразования энергии ветра - полотнища могут объединяться в батареи с параллельным или последовательным включением.