СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ВЕТРОСОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ Российский патент 2021 года по МПК F03D9/34 H02S10/12 

Изобретение относится к области ветросолнечной энергетики и может быть использовано для производства электроэнергии в городах, поселках, заводах, хуторах и в полевых условиях. Предлагаемое изобретение, используя, отраженные наружными плоскостями солнечных панелей (солнечных батарей) и архитектурных строений ветровые и солнечные потоки, где ветровые потоки ускоряются в конфузорно-диффузорном сопле, позволяет вырабатывать ветровую электроэнергию, а наружные плоскости конфузорно-диффузорного сопла, снабженные фотоэлементами, улавливают прямые и отраженные потоки фотонов, позволяет вырабатывать солнечную электроэнергию. Единая конструкция электростанции способная использовать ветровую и солнечную энергию позволяет снизить стоимость производства электроэнергии, а так же позволяет увеличить количество производимой электроэнергии на солнечной панели, куда устанавливается ветросолнечная панель, за счет отражения на нее дополнительных потоков фотонов. Ветросолнечная панель, используя водяное охлаждение, вырабатывает большее количество электроэнергии, дополнительно извлекая тепловую энергию. Для снижения стоимости и повышения выработки электроэнергии, вестросолнечная панель устанавливается с отражателем фотонов, выполненного из светоотражающего или светорассеивающего материала.

[1] В качестве аналога принят способ по патенту CA 2753979. Принципиальным отличием от аналога является то, что в заявляемом изобретении применяется турбина с горизонтальной осью вращения, а в аналоге турбина с вертикальной осью вращения (турбины карусельного типа), у которой КПД ниже почти в два раза. Вторым принципиальным отличием является то, что в заявляемом изобретении используется конфузор-диффузорное сопло, которое на турбине ускоряет поток воздуха до максимального значения, а в аналоге используется длинный угловой трубопровод, который не ускоряет на турбине поток, а наоборот его замедляет. Более того аналог конфузором захватывает не максимально ускоренный поток ветра, а только его часть, в отличие от него в заявляемом изобретении конфузор-диффузорное сопло с турбиной устанавливается в центр наиболее ускоренного потока, что позволяет вырабатывать максимально возможную мощность генератором. Учитывая, что мощность зависит от скорости ветра в кубе, разница в выработке по мощности может составлять десятки раз. Третьим принципиальным отличием является то, что в заявляемом изобретении конфузор, где прилегающая плоскость переходит в плоскость здания, а противоположная плоскость находится под тупым углом к плоскости здания, где турбина открыта для наиболее скоростного потока ветра, а в аналоге прилегающая и противоположная плоскость параллельны плоскости здания, куда попадает только часть ускоренного потока, где турбина закрыта для наиболее ускоренного потока. Аналог имеет большую материалоемкость конструкции, а, следовательно, большую себестоимость. Внутренние плоскости трубопровода в аналоге, подводящие воздушные потоки к турбине не открыты для облучения фотонами. Ветростанцию, которая предложена в заявке, можно собрать из обычных компьютерных электровентиляторов (кулеров), установив их в небольшое по материалоемкости конфузор-диффузорное сопло плоскости, с которого собирают ветер и прямые солнечные лучи, что значительно снижает себестоимость конструкции и повышает выработку электроэнергии, за счет охлаждения фотоэлементов и очистки поверхности от пыли потоком ветра.

[2] Другим аналогом, возможно, принять патент US 20110049904, где конфузор-диффузорная секция выполнена квадратного сечения и собрана в квадрат из множества этих секций. Сущность патента заключается в ускорении потока воздуха соплом, который вращает турбину.

В аналоге приводится конструкция очень длинного трубопровода одностороннего входа воздуха, то есть работающего только в одну сторону, где сопротивление ветровому потоку очень большое, а, следовательно, КПД очень низкое, конструкция имеет высокую себестоимость, так как имеет высокую материалоемкость. Для улавливания потока ветра требуется поворотный механизм и система слежения, что делает электростанцию дорогой для применения. В заявляемом изобретении турбины работают в обе стороны и размещаются в коротком трубопроводе (сопле) не требуя поворотной системы и системы слежения, что делает их себестоимость низкой. Если вестросолнечная панель устанавливается на солнечную панель с имеющейся поворотной системой, то это не увеличивает общую стоимость системы, а увеличивает выработку электроэнергии, тем самым повышая энергоэффективность конструкции.

[3] В качестве прототипа предложен способ и устройство, патент CA 2739535 А1, сущность которого заключается в выработке электроэнергии за счет ветра и солнца. Ветровой поток, ускоренный плоскостью здания, ускоряется конфузором, сделанным из солнечной панели (солнечной батареи), который вращает турбину и далее сбрасывается через диффузор, так же изготовленный из солнечной панели. Габариты конфузор-диффузорной секции по высоте и ширине меньше длины сопла, что повышает сопротивление ветростанции и соответственно снижает ее КПД, увеличивает материалоемкость и соответственно стоимость. В прототипе принципиальным отличием от заявляемого изобретения является то, что солнечные лучи улавливают плоскости, которые не улавливают воздушные потоки для турбины и, следовательно, ускоренный воздушный поток не охлаждает солнечные панели. В прототипе, как и в предыдущем аналоге конфузор и турбина устанавливаются на не максимально ускоренный поток ветра, а, следовательно, генератор будет вырабатывать меньшую мощность, чем генератор в заявляемом изобретении.

Задача, которую решает изобретение, связана с повышением эффективности по выработке электроэнергии, снижением себестоимости и расширением технических возможностей за счет объединения в одной конструкции солнечной и ветровой электростанции, которая служит для увеличения скорости ветрового потока, улавливания дополнительных отраженных солнечных потоков и увеличения общей площади захвата солнечных и ветровых потоков. Изобретение так же решает задачу по извлечению дополнительной электроэнергии на уже действующих солнечных электростанциях (СЭС), которые оснащаются ветросолнечными панелями, начинают работать как от солнечных, так и ветровых потоков и солнечных лучей, отраженных от плоскостей солнечной и ветросолнечной панели. Изобретение решает задачу выработки тепловой энергии ветросолнечной панелью за счет нагрева теплоносителя снижающего температуру фотоэлементов, что приводит к дополнительной выработке тепла и электроэнергии. Изобретение решает задачу по снижению стоимости оборудования, а так же снижению затрат при его установке и эксплуатации. Изобретение решает задачу по снижению негативного влияния шума на человека и окружающую среду, за счет уменьшения диаметра турбины и установки ее в корпус сопла, что значительно снижает шум винта.

Экономическая эффективность применения ветросолнечных панелей (ВСП) достигается за счет двойного применения уже имеющихся конструкций. Так, например, боковая плоскость поверхности здания одновременно служит конструктивным элементом для самого здания и одновременно конструктивным элементом конфузор-диффузорного сопла, который улавливает своей поверхностью поток ветра, ускоряя его и который улавливает поток фотонов, отражая его на панель. Расположение ветросолнечной панели непосредственно на здании снижает потери электроэнергии на транспортировке до потребителя и снижает расход электропроводки до места потребления, по схеме расположения она аналогична солнечной панели (солнечной батарее).

Поставленные задачи достигается тем, что способ производства электроэнергии ветроэлектростанцией, которая содержит, по меньшей мере, одно сопло, состоящее из конфузора и диффузора, в котором расположена ветротурбина, и генератор, производящий электроэнергию, заключается во вращении рабочих лопаток ветроколеса ветротурбины за счет потока ветра, отраженного от плоскостей сооружения, при этом размещенную в сопле ветротурбину устанавливают в месте наибольшего ускорения ветрового потока при огибании плоскостей сооружения, а именно на угле стыка плоскостей сооружения, таким образом, чтобы при смене ветра на противоположный ветротурбина продолжала работать, отличающийся тем, что плоскости диффузора и конфузора объединяют с плоскостями сооружения, что позволяет пропускать через ветротурбину поток ветра, собранный подветренной плоскостью сооружения совместно с конфузором и отводить этот поток за счет диффузора совместно с противоположной плоскостью сооружения, ветротурбина, через которую проходит ветровой поток, выполнена с горизонтальной осью вращения и разделяет на равные углы угол стыка плоскостей сооружения, причем генератор, производящий электроэнергию, установлен в сопле, при этом ускоренный плоскостями сооружения ветровой поток перекрывается на угле стыка плоскостей сооружения ветротурбинами, выстроенными в линию за счет объединения сопел по наружному периметру, обеспечивающими подвод сигналов управления работой ветротурбин и съем электроэнергии. Плоскости сопла представляют собой солнечные батареи, которые одновременно улавливают ветровой поток и улавливают фотоны, поступающие на эти плоскости непосредственно от солнца, и фотоны, отраженные от плоскостей сооружения, а секции ветроэлектростанции с фотоэлементами объединяют в две и более, создавая ветросолнечную панель (ВСП), из которых выстраивается электростанция в сплошную линию вдоль всей длины, где наиболее эффективно улавливаются ветровые и солнечные потоки. Для снижения себестоимости ВСП устанавливают на солнечные панели (СП) уже размещенные на сооружении, которые становятся частью плоскости корпуса сопла или сооружение, где вместо СП плоскость сооружения покрывается зеркальной или диффузной краской для отражения фотонов на плоскости ВСП, при этом ветросолнечные панели охлаждаются потоком воды, что позволяет производить дополнительную электроэнергию и тепловую энергию, для повышения выработки электроэнергии и снижения себестоимости ВСП устанавливается на уже эксплуатируемую солнечную панель, чтобы максимально захватывать ветровой поток ускоряемый плоскостью СП при этом солнечные потоки, отраженные от плоскостей ВСП, направляются на СП, то есть образуется единая система из двух панелей, которые объединяясь в солнечно-ветросолнечную панель (СВСП), используют уже имеющиеся электрокоммуникации для преобразования и передачи электроэнергии, при этом если эксплуатируемая солнечная панель снабжена поворотной системой слежения за солнцем при установке на нее ветросолненой панели, вращение производится в зависимости от выработки электроэнергии за счет солнца или ветра, при большей выработке электроэнергии за счет солнечных потоков, система слежения ориентирует СВСП по солнцу, а при большей выработке электроэнергии за счет ветровых потоков, система слежения ориентирует СВСП по ветру.

Устройство производства электроэнергии содержит плоскости сооружения, отражающие поток ветра, по меньшей мере, одну секцию, которая включает ветротурбину с ветроколесом, установленную в узкой части сопла, состоящего из конфузора и диффузора, направляющий и выправляющий аппараты, генератор, производящий электроэнергию, при этом секции скреплены между собой в одну линию и установлены на угле стыка плоскостей сооружения таким образом, чтобы плоскости диффузора и конфузора объединились с плоскостями сооружения, увеличив их рабочие площади, отличающееся тем, что устройство представляет собой ветростанцию, при этом каждая секция выполнена квадратного сечения по наружному периметру, ветротурбина, через которую проходит ветровой поток, выполнена с горизонтальной осью вращения и разделяет на равные углы угол стыка плоскостей сооружения, а ветроколесо закреплено с генератором в корпусе, который со стороны конфузора удерживается направляющим аппаратом, выполненным в виде стационарного колеса и закрепленным на конфузоре, а со стороны диффузора выправляющим аппаратом, выполненным в виде стационарного колеса и закрепленным на диффузоре, причем секции скреплены между собой крепежными контактами, обеспечивающими подвод сигналов управления работой ветротурбин и съем электроэнергии. Плоскости сопла, улавливающие ветер, выполнены из фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электроэнергию, а корпус ветроэлектростанции, где плоскости сопла выполнены из фотоэлементов, состоящий из секции, объединяют в две и более, образуя ветросолнечную панель (ВСП), позволяя снижать себестоимость производства, при этом ширина ВСП, куда по длине укладывается конфузор-дифузорное сопло, не превышает ее высоту, а степень расширения сопла не должна превышать 10, где угол расширения не более 150°. За лопастями ветроколеса закреплен ротор, вращающийся в обе стороны на горизонтальной игольчатой оси, закрепленной в подшипниках удерживаемых лопастями направляющего и выправляющего аппарата закрепленных на внешних плоскостях корпуса, а для повышения энергоэффективности корпус ВСП охлаждается трубами представляющими каркас корпуса, ВСП устанавливается на стыке плоскостей солнечных панелей (СП), которые уже установлены на сооружении, а для повышения энергоэффективности прилегающая площадь сооружения покрывается отражающей фотоны зеркальной или матовой краской, ВСП размещают на верхний грани СП, которая является уже работающей солнечной электростанцией, образуя новую энергосистему, позволяя увеличить выработку электроэнергии за счет потоков солнца и ветра, а при оснащении СП, имеющих поворотную систему, ВСП начинают выработку электроэнергии, используя поворотную систему в зависимости от выработки электроэнергии, ВСП с фронтальной стороны закрывается двухсторонними СП, которые крепятся шарниром по верхней грани, открываясь под определенным углом в зависимости от выработки электроэнергии.

На фиг.1 изображена часть ветросолнечной панели, состоящая из одной секции содержащей одну турбину, где изображена одна секция в разобранном виде.

Предложенный способ реализует устройство, представленное на фиг.1, в виде одной секции включающее фотоэлементы 1, трубчатый каркас 2, турбину, состоящую из ветроколеса 3 с горизонтальной осью вращения 4, установленной в подшипники 5, генератора стоящего из ротора 6 и статора 7, находящегося в корпусе 8, на который крепятся фотоэлементы и подшипники, закрепленные через направляющий аппарат 9 и выправляющий аппарат 10. То есть ветроколесо закреплено с генератором в корпусе, который со стороны конфузора удерживается направляющим аппаратом, закрепленным на конфузоре, а со стороны диффузора выправляющим аппаратом, закрепленным на диффузоре. Произведенная электроэнергия турбиной снимается за счет одного кабеля, а фотоэлементами за счет другого кабеля, которые заведены в преобразователь электроэнергии, где размещаются инвертор, контроллер и другие устройства. Для охлаждения фотоэлементов и генератора в корпус через первый трубопровод 11 заводится, а через второй трубопровод 12 выводится вода, которая снимая излишки тепла, позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию.

[4] Мощность потока Р, проходящего через поперечное сечение площадью F, равна произведению этой площади на скорость потока V и кинетическую энергию единицы объема потока: Р=(ρFV³)/2, где ρ - плотность потока. Формула показывает, что наиболее высокого эффекта при выработке электроэнергии генератором добиваются не за счет увеличения площади захвата и плотности потока, а за счет увеличения скорости ветрового потока. При увеличении скорости в два раза мощность на генераторе возрастает в восемь раз, а при увеличении скорости потока в десять раз, мощность вырабатываемая генератором возрастает в тысячу раз.

На фиг. 1 секция ВСП с фронтальной стороны имеет форму квадрата, по высоте A достигая величины наиболее ускоренного потока ветра. Центральная часть секции, где расположена горизонтальная ось вращения ветроколеса с ротором устанавливается в центр наиболее ускоренного потока ветра солнечной панелью или архитектурным сооружением. Корпус сопла секции не перекрывает ветроколесо от самой ускоренной центральной части ветрового потока, поэтому КПД ВСП по выработке электроэнергии становиться максимальным. [5] Используя расчет аэродинамических характеристик крыла с использованием программного комплекса ANSYS CFX можно отметить, что по сравнению с высотой препятствия ширина наиболее ускоренного потока занимает величину меньшую, примерно в двадцать-пятьдесят раз. Поэтому, на зданиях высотой, например, десять метров целесообразно применять секцию со стороной не более полуметра.

Ветросолнечные панели под действием потока ветра и фотонов могут работать в обе стороны. Ветросолнечные панели имеют относительно небольшую высоту, так как они предназначены для улавливания очень узкой по высоте полоски ветра, которая получает наибольшую скорость потока при огибании препятствия. При строительстве секции ВСП, необходимо учитывать особенности работы конструкции, которая должна с минимальными потерями на трение захватывать ветровой поток, при этом так же захватывать солнечный поток и иметь небольшую материалоемкость.

Поэтому вестросолнечная панель имеет небольшую ширину, что снижает как материалоемкость, так и сопротивление ветровому потоку. [6] Согласно практических наработок характеристики конфузор-диффузорных сопел будут зависеть от угла расширения α, степени расширения , где F₁ - площадь захвата конфузора, F₀ - площадь наименьшего сечения сопла и относительной длины , где - длина критической части сопла, а D - диаметр критической части сопла. Согласно данных справочника для снижения потерь на трение и повышения КПД генератора, корпус секции ВСП должен иметь как можно меньшую ширину. По направлению потока ветра длина критической части сопла так же должна быть минимальной, при этом степень расширения не должна превышать 10, а угол расширения не превышать 150°.

Таким образом, если мы строим секцию для здания высотой 10м, где ускоренный поток имеет высоту огибания препятствия не более 0,5м, оптимальная высота ВСП должна быть примерно 400мм. Исходя из этого, на фиг. 1 секция будет квадратного сечения 400х400мм по высоте A и длине Б. Для того, чтобы уменьшить материалоемкость и снизить сопротивление, ширина В секции должна быть минимальна, не превышая высоту А. Для расчета принята секция, где при угле расширения 140° ширина секции составит 162 мм, длина критической части сопла будет 10мм, что необходимо для размещения креплений между лопастями винта и ротором. При пятикратной степени расширения фронтальная площадь секции составит 16 дм², следовательно, диаметр ветроколеса составит 200 мм, где площадь 3,14 дм².

По оценкам Лаборатории Sandia кубическая зависимость между энергией ветра и его скоростью может значительно превышать энергию, вырабатываемую мачтовыми ветроэлектростанциями по среднегодовой скорости ветра в определенном месте. Работа мачтовых ветростанций начинается со скорости ветра 5 м/сек и заканчивается скоростью 12,5 м/сек, начиная с которой до скорости 22 м/сек ветроколесо переходит в режим торможения до полной остановки, поэтому они работают в очень узком ветровом диапазоне. В виду неприспособленности мачтовых ветрогенераторов к низким и высоким скоростям ветра вклад в суммарную среднегодовую выработку энергии обычно мал. Предлагаемая ветротурбина, установленная в ВСП обладает способностью работать практически во всем ветровом диапазоне от 0,5 до 25 м/сек и более, так как имеет габариты не превышающие 500 мм по своему диаметру. Поэтому генератор может производить энергию при ветре в три раза большем, позволяя увеличить выработку мощности в 27 раз. На обычных ветростанциях добиваются стабильного вращения ротора за счет редуктора, что снижает КПД по выработке электроэнергии. Предлагаемая схема использует размещение ротора за винтом на горизонтальной оси вращения, что повышает КПД, стабилизирует скорость вращения за счет большого момента инерции, который сглаживает изменение скорости ветра.

[7] Момент инерции - это сумма произведения массы каждой частицы тела на расстояние в квадрате от частицы до оси вращения. Эта величина называется моментом инерции тела i (в нашем случае системы вращения): i =Σ m⋅R². Перемещая массу ротора дальше от оси вращения и увеличивая момент инерции можно гасить порывы ветра, то есть ротор начинает работать более плавно. При повышении скорости ветра он плавно увеличивает обороты, а при снижении плавно снижает обороты вращения.

[8] Величина Э.Д.С, индуктируемая генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения ротора n: Е = СФn, где С - постоянный коэффициент, учитывающий число витков обмотки якоря, число пар полюсов и другие постоянные величины, характеризующие данный генератор.

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. В основе этого процесса лежит закон электромагнитной индукции. Внешняя сила F воздействует на помещенный в магнитное поле проводник и перемещает его перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью ν, при этом в проводнике наводиться электродвижущая сила Е: Е = Blν, где В - магнитная индукция, Тл; - активная длина проводника, находящаяся в магнитном поле, м; ν - скорость движения проводника, м/с. Поэтому используя ротор большего диаметра, чем винт, генератор способен вырабатывать большее количество электроэнергии, так как скорость движения проводника в роторе будет большей. Ротор может быть выполнен на постоянных магнитах или в виде “беличьей клетки”, которая применяется в асинхронных электрических машинах. Ротор, закрепленный снаружи винта, предотвращает его разрушение практически при любых скоростях вращения, которые может обеспечить ветровой поток.

На фиг.2 изображена ветросолнечная панель (ВСП) 13, соединенная из пяти секций, корпус которых для снижения себестоимости объединен в единый корпус. Панели, состоящие из двух и более секций, позволяют снижать их себестоимость и затраты при монтаже оборудования. Верхняя плоскость ВСП, для повышения выработки электроэнергии закрывается фотоэлементами 1. Несколько ветросолнечных панелей легко выстраивать в линию большой длины, которая будет собирать значительные по мощности потоки ветра и солнца. Дополнительного эффекта при эксплуатации ВСП по выработке электроэнергии и значительному снижению себестоимости можно добиться, размещая ее, стыкуя по нижней грани с солнечной панелью (СП) 14. Поток фотонов будет напрямую попадать на фотоэлементы 1, размещенные на корпусе ВСП и СП, а так же отражаясь от их плоскостей перенаправляться на их фотоэлементы, ВСП и СП устанавливаются под угол β находящийся в пределах 110÷160°, который позволяет эффективно собирать как ветровые потоки 15, так и солнечные потоки 16. Для снижения стоимости перед ВСП вместо солнечной панели устанавливается той же площадью или большей отражающая фотоны плоскость отражателя. В качестве отражателя может быть использована зеркальная или матовая плоскость с гладкой или рифленой поверхностью.

[9] Для повышения эффекта по выработке электроэнергии в качестве отражателя можно использовать диффузный отражатель. Отражателем может служить плоскость здания, которую можно покрасить отражающей или диффузной краской для повышения эффекта.

Устройство, представленное на фиг.3, включает архитектурное сооружение 17, на котором закреплены пять ветросолнечных панелей 13, в общем состоящие из 25-и секций, собранных в линию, с каждой стороны от панели установлена солнечная панель 14. Ветровой поток 15 ускоренный плоскостями архитектурного сооружения 18 попадает в ВСП 13, которую размещают в наиболее ускоренном потоке ветра, по биссектрисе на стыке плоскостей. Ветровой поток охлаждает фотоэлементы солнечной панели 14, позволяя вырабатывать фотоэлементам большее количество электроэнергии. В жаркие дни фотоэлементы ВСП охлаждаются водой поступающей по трубам, что так же позволяет вырабатывать дополнительную электроэнергию и получать тепло для дома. Солнечные потоки 16, попадающие на плоскость архитектурного сооружения 18 и плоскости ВСП, отражаются на фотоэлементы ВСП. Солнечные потоки, попадающие на плоскости ВСП, отражаются на плоскости СП, что позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию.

На архитектурном сооружении размещение ветросолнечной панели может быть на вертикальном и горизонтальном стыке плоскостей здания в месте наибольшего ускорения ветрового потока. Ускоренный поток за счет попадания на боковую плоскость здания, огибая угол, так же проходит через конфузор, при этом дополнительно ускоряясь и раскручивая ветроколесо, выходит через диффузор. Таким образом, ветросолнечная панель может быть расположена вдоль горизонтального, вертикального и вдоль наклонного угла здания.

Предлагаемая ветроссолнечная панель, по сравнению с отдельно стоящими на мачтах классическими ветростанциями и отдельными солнечными батареями, позволяет собирать одновременно ветровую и солнечную энергию с больших по площади плоскостей поверхности.

Эффективность ВСП достигается за счет увеличения скорости ветра на больших по площади плоскостях, то есть, имея значительно меньшую площадь ветроколеса, ВСП будет вырабатывать то же количество электроэнергии, что и мачтовая ветростанция с большим ветроколесом. Например, если диаметр ветроколеса ВСП равен 200 мм его площадь составляет 3 дм² и если на него поступает поток ветра ускоренный в десять раз, это означает что выработка электроэнергии будет равна, как на мачтовой ветроэлектостанции куда попадает обычный ветер с диаметром колеса площадью 3000 дм² (диаметром 6м). Эффективность использования ВСП достигается за счет сбора ветровой и солнечной энергии с больших по площади плоскостей зданий, с которыми сталкивается поток ветра и фотонов.

Низкоскоростной ветровой поток, встречая препятствие в виде стены здания, расходует свою энергию на трение не значительно, так как его интенсивность не высока, но за счет большой площади стены здания поток ветра может сжиматься и при огибании плоскости стены может значительно ускоряться. Далее ускоренный поток, попадая в конфузор турбины, еще более ускоряется и далее раскручивает ротор. Оптимальная степень сужения конфузора, где развивается незначительное сопротивление находится в пределах от 0,5 до 10 раз. Поэтому степень рассширения конфузора для расчета эффективности секции панели была принята в пределах 5.

Рассмотрим вариант применения изобретения с участием загородного дома площадью 90 м² с высотой по вертикали, равной 9м, изображенный на фиг. 3. Вдоль угла крыши дома установлены ветросолнечные панели. Крыша дома состоит из двух наклонных плоскостей, площадь каждой 80 м², длина в месте стыка плоскостей составляет 11,5м. Площадь боковой стены под плоскостью крыши составляет 60м². Ветросолнечная панель состоит из 25 секций и установлена вертикально на углу крыши вдоль периметра конька на длине 10м. На каждую секцию приходится площадь 5,6м², с которой собирается ветровой поток огибающий здание. Секция панели выполнена в виде квадратного корпуса с габаритами 400×400×162, где диаметр ветроколеса равен 200мм, который перекрывает площадь равную 3дм², на который за внешним периметром ветроколеса установлен ротор. Ротор, имея радиус больший радиуса ветроколеса, соответственно имеет большой момент инерции, что позволяет в момент порыва ветра, который может разогнать поток до очень высоких скоростей, плавно вращать ротор, а при сбросе напора ветра плавно его тормозить. Данная особенность позволяет винту и ротору не нарушаясь выдерживать очень большие ускорения и работать при любых скоростях ветра, а плавность вращения ротора позволяет упростить электронику для преобразования механической энергии вращения ротора в электроэнергию. По предварительной оценке себестоимость одной секции будет примерно 10 тыс. рублей. Следовательно, одной ветросолнечной панели состоящей из пяти секций будет 50 тыс. руб. Площадь фотопанелей, размещенных на одной секции панели достигает 35дм², следовательно их себестоимость будет примерно 3,5 тыс.руб.

Ветросолнечная панель, состоящая из двадцати пяти секций, сможет разместить на себе фотоэлементы площадью 8,75 м², которые в южных широтах могут вырабатывать 180Вт с одного метра квадратного. Следовательно, вся панель будет вырабатывать в максимуме 1,6кВт. Стандартная ветротурбина, площадью 1м², на ветре 12,5м/c вырабатывает 500 Вт, следовательно, на неускоренном потоке ветра один генератор секции панели будет вырабатывать 15Вт. Учитывая, что ветровой поток ускоряется зданием, примерно в два раза, а соплом еще в пять раз, то скорость на турбине может достигать 125м/c. При ускорении ветра в десять раз, мощность вырабатываемая генератором возрастает в тысячу раз, то есть генератор в максимуме может вырабатывать 15кВт. С учетом потерь на трение, которые будут не более ²/₃, можно принять, что при данном ветре генератор практически будет вырабатывать 5кВт. Следовательно, все ВСП на этом ветре смогут вырабатывать 125кВт. В средней полосе России скорость ветра, примерно, в два раза ниже, это означает, что выработка энергии будет меньше в восемь раз и составит 15,6 кВт, но это все равно в десять раз больше, чем может выработать ВСП за счет солнца. Таким образом, ветросолнечная панель на ветровой и солнечной энергии в среднем будет вырабатывать 17,2 кВт/час. На данный момент времени солнечная электростанция мощностью 17 кВт имеет стоимость на рынке, примерно, четыре, а ветровая электростанция полтора млн.рублей. Если одну половину электроэнергии вырабатывать на солнечной, а вторую половину на ветровой электростанции, общая стоимость составит два миллиона семьсот пятьдесят тысяч рублей. Ветросолнечная панель на 17,2 кВт будет в серии по себестоимости не более 550 тыс.рублей, где фотоэлементы будут стоить 90 тыс.руб., генераторы 250 тыс.рублей, а остальная стоимость уйдет на контроллер и инвертор. На рынок электостанцию можно выставлять в пределах одного млн. руб. это будет достаточно низкая стоимость электростанции имеющей большую мощность, чтобы обеспечить не только энергетические нужды одного дома, но и сразу нескольких домов.

[10] Экономическая эффективность, предлагаемого способа в народном хозяйстве для производства энергии может быть очень высокой. Это особенно касается использования ветросолнечных панелей (ВСП) совместно с солнечными панелями, которые собраны в мощные электростанции. Оборудовав солнечные панели 14 ветросолнечными панелями 13 (фиг.4), установленными на верхний угол, возможно, решить проблему выработки электроэнергии в ночное время. На фиг. 4 показана СП установленная на стойке 19 с поворотной системой и системой слежения за солнцем. При совместном использовании ВСП и СП, система дополняется слежением за ветром и в зависимости от величины выработки электроэнергии фотоэлементами и генераторами она следует за солнцем или за ветром.

Всю площадь СП захватывает ветровой поток 15, ускоряет его и направляет на ветроколеса ВСП, а солнечный поток 16, отражаясь от СП направляется на фотоэлементы ВСП и наоборот. Солнечный поток 16, отраженный от плоскости ВСП, попадает на плоскость СП. Количество энергии, вырабатываемого солнечной электростанцией ограничено присутствием солнца, в отсутствие которого электростанция не вырабатывает электроэнергию и оборудование простаивает. Это особенно важно, когда наступает час пик после захода солнца и потребитель особенно зависит от поставок электроэнергии. Отдельная солнечная панель достигает большой площади, например, в США используют панели со стороной 8х8м, что составляет 64м², которые могут захватывать не только потоки фотонов, но и ветровые потоки. Размещая на верхней грани этой панели ветросолнечную панель, возможно, производить дополнительную электроэнергию круглосуточно если имеется ветер. В ночное время система слежения за солнцем, будет отслеживать систему слежения за ветром, при этом оптимальный наклон СП к горизонту будет так же равняться 45°. Это позволит максимально перекрывать площадь ветрового потока и не перекрывать соседние СП. По этой же схеме ветростолнечные панели целесообразно устанавливать на зеркалах солнечных электостанций, нагревающих воду до пара, который вращает турбину. Зеркала достигают площадь 120 м² и количества 1300 шт., эти электростанции так же не работают в ночное время, при этом каждое зеркало снабжено системой поворота за солнцем. В связи с этим, эти зеркала так же целесообразно снабжать ветросолнечными панелями, что позволит вырабатывать дополнительную электроэнергию, как днем, так и ночью. Для снижения стоимости ВСП целесообразно изготовлять без фотоэлементов, делая их поверхность зеркальной или диффузной для отражения фотонов на плоскости СП или зеркал.

[11] Стоимость комбинированной электростанции оснащенной ВСП повысится не более чем на 10% от общей стоимости солнечной или солнечно-тепловой электростанции, а выработка электроэнергии может увеличиться как минимум в два раза. Например, в Крыму размещается солнечная электростанция мощностью 100 МВт стоимостью 300 млн. . Таким образом, оснастив эту станцию ветросолнечными панелями стоимостью 30 млн. , возможно будет производить уже не менее 200 МВт. При этом, например, половина вырабатываемой мощности будет приходиться на ночное время.

Преимуществом ветросолнечных панелей является расположение ветротурбин малого диаметра внутри корпуса сопла, где за направляющими и выпрямляющими аппаратами гасятся шумовые и механические вибрации турбин. Вращение турбин малого диаметра создает высокую частоту, которая быстро гасится и не распространяется на большие расстояния.

На фиг. 5 показана ВСП 13 фронтальная часть, которой закрывается двухсторонними солнечными панелями (ДСП) 20, которые могут открываться, поворачиваясь вокруг крепежной оси 21. За счет открытия ДСП, возможно, произвести больший захват ветрового и солнечного потока. Угол открытия ДСП с каждой стороны, определяется системой управления, за счет количества электроэнергии вырабатываемой генераторами и фотоэлементами.

С экономической стороны необходимо учесть, что ветротурбины с увеличением своего диаметра начинают расти в цене, а с уменьшением наоборот падают в цене, поэтому ветротурбина меньше полуметра, которая применяется в ВСП, будет иметь минимальную себестоимость.

Обычные мачтовые ветростанции начинают выработку электроэнергии при ветре более 5м/сек. Ветросолнечная панель позволяет работать при ветре 0,5м/сек, так как используют ветровой поток, собранный со всей площади боковых плоскостей здания или солнечной панели, где площадь боковых плоскостей здания может достигать несколько сот квадратных метров.

На сегодня, дорогие по стоимости солнечные панели жестко закрепляют на земле в полях, где они занимают площади более 100 гектар. При размещении на них ВСП появляется возможность дополнительно вырабатывать электроэнергию, которая будет улавливаться практически с сектора обдува равного 300°. По условиям строительства сопла ВСП его угол раскрытия может достигать 150°, а следовательно в него будет попадать ветер с 300°. В связи с этим, солнечные панели будут вырабатывать максимально возможное количество электроэнергии в максимально возможное время дня и ночи. Солнечные панели, которые одновременно будут улавливать фотоны от солнца и фотоны, отраженные от плоскостей ВСП, будут вырабатывать большее количество электроэнергии.

Электростанция, которая будет работать сразу на двух источниках энергии - ветре и солнце, будет наиболее эффективной. Дополнительный эффект будет создан за счет единой системы преобразования энергии, разводки и передачи ее потребителю. Эффективность применения ветросолнечных панелей с использованием солнечных панелей и архитектурных сооружений, позволяет считать данный способ и устройство полезным для широкого применения в энергетике.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. Francois Gagnon - CA 2753979 А1, - Corner wind turbine for tall building, 2010.09.29;

[2]. Robert M. Freda - US 20110049904, - Modular array fluid flow energy conversion facility, 2007.12.10;

[3]. Christopher George Edward Nightingale - CA 2739535, - Roof based energy conversion system, 2007.10.09;

[4]. Д. де Рензо - Ветроэнергетика, - М.: Из-во “Энергоатомиздат”, 1982 г., гл. 1.12.1;

[5]. Валерий Вождаев - Расчет аэродинамических характеристик крыла с использованием программного комплекса ANSYS CFX // Электронный ресурс: https://sapr.ru/article/22024;

[6]. И.Е. Идельчик - Справочник по пневмо и гидросопротивлению;

[7]. Д.Джанколи - Физика. Том1, - М.: Из-во “Мир”. 1989 г., стр.275÷279;

[8]. Ю.А.Кулик - Электрические машины, - М.: Из-во “Высшая школа”, 1966 г., стр. 62÷79;

[9]. Под ред. Г.С. Ландсберга - Элементарный учебник физики. Т. 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. - М.: Из-во “ФИЗМАТЛИТ”, 2000г., стр. 202;

[10]. В.Германович, А. Турилин - Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы. - С.Петербург.: Из-во ООО “Наука и Техника”, 2011 г., стр. 190÷200;

[11]. Андрей Кашкаров - Солнечные батареи и модули как источники питания // Современная электроника. - 2015. - № 5. - стр. 8.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении эффективности выработки электроэнергии. Достигается способом, согласно которому размещенную в сопле ветротурбину устанавливают в месте наибольшего ускорения ветрового потока при огибании плоскостей сооружения, а именно на угле стыка плоскостей сооружения, таким образом, чтобы при смене ветра на противоположный ветротурбина продолжала работать, плоскости диффузора и конфузора объединяют с плоскостями сооружения, что позволяет пропускать через ветротурбину поток ветра, собранный подветренной плоскостью сооружения совместно с конфузором, и отводить этот поток за счет диффузора совместно с противоположной плоскостью сооружения. Плоскости сопла представляют собой солнечные батареи, которые одновременно улавливают ветровой поток и улавливают фотоны, поступающие на эти плоскости непосредственно от солнца, и фотоны, отраженные от плоскостей сооружения, а секции ветроэлектростанции с фотоэлементами объединяют в две и более, создавая ветросолнечную панель (ВСП), из которых выстраивается электростанция в сплошную линию вдоль всей длины, где наиболее эффективно улавливаются ветровые и солнечные потоки. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ производства электроэнергии ветроэлектростанцией, содержащей по меньшей мере одно сопло, состоящее из конфузора и диффузора, в котором расположена ветротурбина, и генератор, производящий электроэнергию, заключающийся во вращении рабочих лопаток ветроколеса ветротурбины за счет потока ветра, отраженного от плоскостей сооружения, при этом размещенную в сопле ветротурбину устанавливают в месте наибольшего ускорения ветрового потока при огибании плоскостей сооружения, а именно на угле стыка плоскостей сооружения, таким образом, чтобы при смене ветра на противоположный ветротурбина продолжала работать, отличающийся тем, что плоскости диффузора и конфузора объединяют с плоскостями сооружения, что позволяет пропускать через ветротурбину поток ветра, собранный подветренной плоскостью сооружения совместно с конфузором, и отводить этот поток за счет диффузора совместно с противоположной плоскостью сооружения, ветротурбина, через которую проходит ветровой поток, выполнена с горизонтальной осью вращения и разделяет на равные углы угол стыка плоскостей сооружения, причем генератор, производящий электроэнергию, установлен в сопле, при этом ускоренный плоскостями сооружения ветровой поток перекрывается на угле стыка плоскостей сооружения ветротурбинами, выстроенными в линию за счет объединения сопел по наружному периметру, обеспечивающими подвод сигналов управления работой ветротурбин и съем электроэнергии, при этом плоскости сопла представляют собой солнечные батареи, а секции ветроэлектростанции с фотоэлементами объединяют в две и более, создавая ветросолнечную панель (ВСП), которая охлаждается потоком воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для повышения выработки электроэнергии и снижения себестоимости ВСП устанавливается на уже эксплуатируемую солнечную панель, чтобы максимально захватывать ветровой поток, ускоряемый плоскостью СП, при этом солнечные потоки, отраженные от плоскостей ВСП, направляются на СП, то есть образуется единая система из двух панелей, которые, объединяясь в солнечно-ветросолнечную панель (СВСП), используют уже имеющиеся электрокоммуникации для преобразования и передачи электроэнергии, при этом если эксплуатируемая солнечная панель снабжена поворотной системой слежения за солнцем при установке на нее ветросолнечной панели, вращение производится в зависимости от выработки электроэнергии за счет солнца или ветра, при большей выработке электроэнергии за счет солнечных потоков система слежения ориентирует СВСП по солнцу, а при большей выработке электроэнергии за счет ветровых потоков система слежения ориентирует СВСП по ветру.

3. Устройство производства электроэнергии, содержащее плоскости сооружения, отражающие поток ветра, по меньшей мере одну секцию, включающую ветротурбину с ветроколесом, установленную в узкой части сопла, состоящего из конфузора и диффузора, направляющий и выправляющий аппараты, генератор, производящий электроэнергию, при этом секции скреплены между собой в одну линию и установлены на угле стыка плоскостей сооружения таким образом, чтобы плоскости диффузора и конфузора объединились с плоскостями сооружения, увеличив их рабочие площади, отличающееся тем, что устройство представляет собой ветростанцию, при этом каждая секция выполнена квадратного сечения по наружному периметру, ветротурбина, через которую проходит ветровой поток, выполнена с горизонтальной осью вращения и разделяет на равные углы угол стыка плоскостей сооружения, а ветроколесо закреплено с генератором в корпусе, который со стороны конфузора удерживается направляющим аппаратом, выполненным в виде стационарного колеса и закрепленным на конфузоре, а со стороны диффузора выправляющим аппаратом, выполненным в виде стационарного колеса и закрепленным на диффузоре, причем секции скреплены между собой крепежными контактами, обеспечивающими подвод сигналов управления работой ветротурбин и съем электроэнергии.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что плоскости сопла, улавливающие ветер, выполнены из фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электроэнергию, а корпус ветроэлектростанции, где плоскости сопла выполнены из фотоэлементов, состоящий из секции, объединяют в две и более, образуя ветросолнечную панель (ВСП), позволяя снижать себестоимость производства, при этом ширина ВСП, куда по длине укладывается конфузор-дифузорное сопло, не превышает ее высоту, а степень расширения сопла не должна превышать 10, где угол расширения не более 150°.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что за лопастями ветроколеса закреплен ротор, вращающийся в обе стороны на горизонтальной игольчатой оси, закрепленной в подшипниках, удерживаемых лопастями направляющего и выправляющего аппаратов, закрепленных на внешних плоскостях корпуса, а для повышения энергоэффективности корпус ВСП охлаждается трубами, представляющими каркас корпуса.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ВСП устанавливается на стыке плоскостей солнечных панелей (СП), которые уже установлены на сооружении, а для повышения энергоэффективности прилегающая площадь сооружения покрывается отражающей фотоны зеркальной или матовой краской.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ВСП размещают на верхней грани СП, которая является уже работающей солнечной электростанцией, образуя новую энергосистему, позволяя увеличить выработку электроэнергии за счет потоков солнца и ветра, а при оснащении СП, имеющих поворотную систему, ВСП начинают выработку электроэнергии, используя поворотную систему в зависимости от выработки электроэнергии.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что ВСП с фронтальной стороны закрывается двухсторонними СП, которые крепятся шарниром по верхней грани, открываясь под определенным углом в зависимости от выработки электроэнергии.