ЭНЕРГОУСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ДОЖДЯ ИЛИ СНЕГА И ВЕТРА Российский патент 2018 года по МПК F03G3/00 F03D9/00 F03B13/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в качестве альтернативного источника электричества для обеспечения удаленных объектов, например жилого дома, гостиницы, охотхозяйства, турбазы, фермерского хозяйства и других, за счет комплексного преобразования энергии дождя или снега и ветра в электроэнергию при размещении на крыше объекта.

Известны несколько способов получения энергии из возобновляемых источников и реализующих их энергоустановок.

Например, ученые из Комиссии по ядерной энергии в Гренобле (Франция) [1] продемонстрировали новую технологию извлечения энергии из падающих дождевых капель. При этом в качестве энергоустановки используются специальные пьезоэлектрические пластины, которые способны вырабатывать электроэнергию в ответ на механическое воздействие. Дождевая капля диаметром 1 мм обладает энергией порядка 2 микроДж, ливневая капля диаметром 5 мм способна выдавать до 1 миллиДж. В худшем случае это соответствует мощности порядка одного микроВт, а в лучшем - 12 миллиВт, что заметно уступает солнечным батареям подобных размеров. Таким образом, предложенный [1] вариант энергоустановки неэффективен, не позволяет использовать его в практических целях, например в удаленных объектах для электропитания бытовых приборов. Кроме того, энергоустановка [1] предназначена только для преобразования энергии дождя и не использует энергию ветра и снега.

Известен другой вариант энергоустановки для преобразования энергии дождя. В Китае [2] создали солнечные батареи, способные генерировать электроэнергию даже в дождливую погоду. Для этого применяется слой графена, который является высокопроводящим материалом. Соль в дождевой воде распадается на ионы кальция, магния или аммония - положительно заряженные они взаимодействуют с водой и графеном, что приводит к получению электроэнергии. Происходит формирование двойного слоя воды с электронами графена, энергетическая разница между слоями достаточна для того, чтобы началась выработка электричества. Хотя этот способ отличается высокой оригинальностью, ученые признают, что у графена есть существенный минус - он ухудшает показатели производства энергии от солнца, то есть снижает эффективность солнечных элементов и отрицательно сказывается на окружающей среде. Предложенная [2] энергоустановка также использует только энергию дождя и не решает поставленной задачи - одновременного эффективного использования энергии дождя, ветра и снега.

Известны энергоустановки [3, 4] для преобразования энергии, в которых электричество вырабатывается за счет вибрации пьезоэлектрических пластин под действием дождя или ветра. Этим энергоустановкам присущи те же недостатки, что и [1].

Таким образом, в известных энергоустановках используется только один из источников энергии - либо ветер (ветряки различного типа), либо дождь (энергия падающих капель на пьезоэлектрическую пластину) и только один вид энергии - либо только кинетическая, либо только потенциальная. Кроме того, энергоустановки, использующие энергию ветра, имеют большие габариты и не позволяют размещать их на крышах объектов электроснабжения.

Компактные энергоустановки, пригодные для размещения на крыше удаленных объектов, обеспечивающие комплексное преобразование в электричество кинетической и потенциальной энергии возобновляемых источников энергии, таких как дождь или снег и ветер авторам неизвестны.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности энергоустановки за счет обеспечения возможности комплексного преобразования в электричество кинетической и потенциальной энергии дождя или снега и кинетической энергии ветра, а также повышение компактности энергоустановки для обеспечения возможности ее размещения на крыше объекта.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра, содержит миниатюрный генератор постоянного тока, каркас, на котором установлены желобчатый концентратор дождевой воды или снега с желобами, турбина с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал, причем турбина устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора дождевой воды или снега, концентратор ветра с установленными во входной части вертикальными перегородками, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический, установленный под концентратором дождевой воды или снега, причем концентратор ветра монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе турбину, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины и вал генератора соединяются посредством магнитных муфт.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение эффективности энергоустановки, за счет комплексного преобразования в электричество кинетической и потенциальной энергии дождя или снега, а также кинетической энергии ветра, повышается ее компактность, расширяется область применения - в качестве альтернативного источника электричества для обеспечения удаленных объектов при размещении на крыше объекта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На Фиг. 1 схематично представлена конструкция энергоустановки,

на Фиг. 2 иллюстрируется принцип работы энергоустановки,

на Фиг. 3 схематично представлен вариант применения энергоустановки,

на Фиг. 4 схематично иллюстрируется вариант последовательного соединения нескольких энергоустановок.

Обозначения, принятые на чертежах:

1 - генератор постоянного тока,

2 - каркас,

3 - концентратор дождевой воды или снега,

4 - турбина,

5 - вал турбины,

6 - концентратор ветра,

7 - вертикальные перегороди концентратора ветра,

8 - генератор пьезоэлектрический,

9 - муфта магнитная

Энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра содержит миниатюрный генератор постоянного тока 1, каркас 2, на котором установлены желобчатый концентратор 3 дождевой воды или снега с желобами, турбина 4 с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу 5, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал 5, причем турбина 4 устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора 3 дождевой воды или снега, концентратор ветра 6 с установленными во входной части вертикальными перегородками 7, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический 8, установленный под концентратором дождевой воды или снега 3, причем концентратор ветра 6 монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе 2 турбину 4, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины 5 и вал генератора 1 соединяются посредством магнитных муфт 9.

Как показано на Фиг. 1 энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра сконструирована по модульному принципу. Все элементы энергоустановки (кроме генераторов и муфт) могут быть изготовлены из промышленного пластика методом литья или напечатаны на 3D принтере. В качестве генератора постоянного тока может использоваться любой из миниатюрных генераторов, выпускаемых промышленностью [5, 6]. Наиболее целесообразно использовать миниатюрный генератор [5], обладающий малыми габаритами (размером в 50 центовую монетку) и способный вырабатывать высокую мощность. Несколько таких генераторов, объединенных в батарею, способны обеспечить электроэнергией практически любой объект [5].

В качестве генератора пьезоэлектрического также может использоваться любой из промышленно производимых, например [7].

Магнитные муфты могут применяться любые (соответствующих размеров), производимые отечественной или зарубежной промышленностью, например [8].

Работа энергоустановки осуществляется следующим образом. Энергоустановка монтируется на наклонной крыше объекта энергообеспечения. При стекании дождевой воды по крыше заполняется концентратор 3 дождевой воды или снега. Дождевая вода по желобам попадает на лопасти турбины 4. Под воздействием потоков воды лопасти турбины 4 начинают вращаться, приводя в движение вал 5 турбины. Благодаря автономному монтажу каждый отдельный блок лопастей турбины 4 может вращаться даже при слабом потоке дождевой воды. При усилении потока воды во вращение вовлекаются все больше блоков лопастей турбины 4 и увеличивается скорость вращения вала 5 турбины 4. Одновременно с потоками дождевой воды на лопасти турбины 4 воздействуют воздушные потоки - ветер через каналы концентратора ветра 6, усиливая вращение вала 5 турбины 4. Вращение вала 5 турбины 4 через магнитные муфты 9 синхронно передается на вал генератора постоянного тока 1, на выходе которого возникает напряжение.

В то же время заполнение концентратора 3 дождевой воды или снега приводит к усилению давления на рабочий элемент генератора пьезоэлектрического 8, расположенного под концентратором 3 дождевой воды или снега. Под воздействием силы тяжести воды рабочий элемент генератора пьезоэлектрического 8 деформируется, вырабатывая электрическое напряжение. Чем сильнее давление, тем больше деформация, тем больше напряжение на выходе.

Аналогичный процесс происходит при заполнении концентратора 3 дождевой воды или снега снегом, - под его тяжестью деформируется рабочий элемент генератора пьезоэлектрического 8, вырабатывая электрическое напряжение. а при таянии снега талая вода попадает на лопасти турбины 4, вращая их.

Напряжения, вырабатываемые генератором постоянного тока 1 и генератором пьезоэлектрическим 8, складываются, образуя выходное напряжение энергоустановки.

Для автономного обеспечения удаленного объекта, достаточно смонтировать на крыше несколько энергоустановок, например, так как показано на Фиг. 3. При этом смонтированные энергоустановки образуют многоуровневый каскад, по которому стекающая дождевая или талая снеговая вода отдает энергию на каждом уровне, вырабатывая электричество. Благодаря модульному принципу конструкции энергоустановки имеется возможность последовательно соединять несколько энергоустановок (Фиг. 4) таким образом, что вращение валов турбин каждой энергоустановки через магнитные муфты синхронно передается на вал одного генератора постоянного тока, увеличивая скорость его вращения и соответственно выходное напряжение. Комбинируя варианты (Фиг. 3, Фиг. 4) размещения, можно легко соединять несколько энергоустановок в батареи, компактно используя поверхности крыши, добиваясь необходимых выходных электрических характеристик для объекта энергообеспечения.

Следует отметить, что использование предложенной энергоустановки возможно и в том случае, если на крыше уже смонтированы солнечные батареи. При этом предложенная энергоустановка может служить эффективным дополнением к солнечным батареям, снабжая электроэнергией объект, когда солнечные батареи оказываются бесполезны.

Использованные источники

1. Способ получения энергии из дождя. - Режим доступа: http://aenergy.ru/152 свободный.

2. Солнечные батареи научили собирать энергию из дождя. - Режим доступа: https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/18792-solnechnye-batarei-nauchili-sobirat-yenergiyu-dozhdya/ свободный.

3. 1020150139737, RAIN GENERATOR, KR 14.12.2015 H02N 2/18, KIM, KYUNG JUNNEKIM. - Режим доступа: http://www.wipo.int/patentscope/search/ru/search.jsf свободный.

4. 1020150095345, ALL-WEATHER GENERATOR USING NATURE ENERGY, KR 21.08.2015, H02N 2/18, LEE, JIN YONGLEE, JIN YONG.-Режим доступа: http://www.wipo.int/patentscope/search/ru/search.jsf свободный.

5. Миниатюрный генератор. - Режим доступа: http://www.mobiledevice.ru/miniatiurnaia-turbina.aspx свободный 6. Миниатюрные генераторы. - Режим доступа: https://ru.a1iexpress.com/popular/miniature-dc-generator.html свободный.

7. Генераторы пьезоэлектрические. - Режим доступа: https://ru.aliexpress.com/w/wholesale-piezoelectric-power-generator.htm свободный.

8. Магнитные муфты. - Режим доступа: http://automatika.ru/magnitm_rus.html свободный.

Изобретение относится к альтернативной энергетике. Энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра содержит миниатюрный генератор постоянного тока, каркас, на котором установлены желобчатый концентратор дождевой воды или снега с желобами, турбина с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал, причем турбина устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора дождевой воды или снега, концентратор ветра с установленными во входной части вертикальными перегородки, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический, установленный под концентратором дождевой воды или снега, причем концентратор ветра монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе турбину, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины и вал генератора соединяются посредством магнитных муфт. Изобретение направлено на повышение эффективности энергоустановки за счет комплексного преобразования в электричество энергии дождя или снега и ветра и повышение ее компактности. 4 ил.

Энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра, характеризующаяся тем, что содержит миниатюрный генератор постоянного тока, каркас, на котором установлены желобчатый концентратор дождевой воды или снега с желобами, турбина с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал, причем турбина устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора дождевой воды или снега, концентратор ветра с установленными во входной части вертикальными перегородками, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический, установленный под концентратором дождевой воды или снега, причем концентратор ветра монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе турбину, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины и вал генератора соединяются посредством магнитных муфт.