Ветрогелиоэнергетическая установка

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Лаврентьев Николай Алексеевич(72) Авторы Лаврентьев Николай Алексеевич Жуков Дмитрий Дорианович Кучерявый Александр Васильевич Лаврентьева Юлия Николаевна(73) Патентообладатель Лаврентьев Николай Алексеевич(57) 1. Ветрогелиоэнергетическая установка строения административного, жилого или производственного назначения, содержащая гелиоводонагревательное устройство и ветроэнергетический агрегат с вертикально-осевым ветроротором, установленные на платформе,связанной с трубчатой опорой, отличающаяся тем, что трубчатая опора размещена со 13290 1 2010.06.30 скольжением на закрепленной в фундаменте строения внутри погружного бассейна вертикальной полостной колонне с кольцевой ступенью скольжения погружной бассейн связан с гелиоводонагревательным устройством и наполнен теплоаккумулирующей жидкостью, в которую погружен теплоэлектрический нагреватель, связанный электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом, при этом к трубчатой опоре концентрично прикреплен кольцевой понтон, погруженный в теплоаккумулирующую жидкость и содержащий электропривод,обеспечивающий стабильность максимальной освещенности гелиоводонагревательного устройства на платформе путем его ориентации перпендикулярно солнечным лучам от рассвета до заката солнца. 2. Ветрогелиоэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн с автономным кольцевым понтоном на вертикальной колонне с жидкостным теплопроводом, соединенным с погружным бассейном, расположенным под строением, при этом автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн наполнен теплоаккумулирующей жидкостью с погруженным в нее теплоэлектрическим нагревателем, связанным электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом, и на автономном кольцевом понтоне установлены автономные гелиоводонагревательные устройства, соединенные трубопроводами с теплоаккумулирующей жидкостью в автономном гелиоводонагревательном понтонном бассейне,причем автономный кольцевой понтон оснащен козырьком с фрикционным электроприводом, обеспечивающим стабильность максимальной освещенности автономных гелиоводонагревательных устройств на автономном кольцевом понтоне путем их ориентации перпендикулярно солнечным лучам от рассвета до заката солнца. 3. Ветрогелиоэнергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн с автономным кольцевым понтоном на вертикальной колонне с жидкостным теплопроводом, соединенным с погружным бассейном, расположенным под строением, при этом автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн наполнен теплоаккумулирующей жидкостью с погруженным в нее теплоэлектрическим нагревателем, связанным электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом, а автономный кольцевой понтон выполнен гелиоводонагревательным, у которого надводная поверхность выполнена в виде солнечного теплоприемника, а погружная его часть в виде теплообменника к теплоаккумулирующей жидкости в гелиоводонагревательном понтонном бассейне. Изобретение относится к механике в области конструирования ветроэнергетических установок и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности. Известны конструкции ветроэнергетических агрегатов, состоящие из пространственного ветроконцентратора с расположенным внутри вертикально осевым ветроротором,содержащим крыльчатые ветроколеса, в которых к наружным концам крыльев прикреплены геликоидальные желобчатые вихреобразующие лопасти 1, 2, 3. Достоинство известных устройств заключается в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии ветра, ометающего поверхность пространственного ветроконцентратора большой емкости с расположенным внутри, в зоне ускоренного ветрового потока, вертикально осевым ветроротором. Известна также ветрогелиоэнергетическая установка, содержащая геликоидно-лопастной ветроротор вертикальной оси вращения с пространственным концентратором ветрового потока и с редуктором-мультипликатором и электрогенератором 1, С. 38, рис. 6,установленный на крыше дома, оснащенной гелиоводонагревательными коллекторами с тепловым аккумулятором (бойлером), сезонным тепловым аккумулятором большой емкости и резервным топливным агрегатом в составе крышной котельной жилого или административного здания. 2 13290 1 2010.06.30 Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветрогелиоэнергетическая установка 1, С. 38, рис. 6 С. 39, рис. 8, размещенная на строении(доме или хозяйственной постройке), содержащая ветроэнергетический агрегат, состоящий из пространственного ветроконцентратора с вертикально осевым ветроротором, содержащим крыльчатые ветроколеса, к крыльям которых прикреплены вихреобразующие геликоидножелобчатые лопасти редуктор-мультипликатор и электрогенератор, гелиоводонагревательный коллектор с тепловым аккумулятором (бойлером) и резервным топливным агрегатом в составе крышной котельной жилого или административного здания. Недостатки известной конструкции в составе ветрогелиоэнергетической установки крышной, состоящей из гелиоводонагревательного коллектора и ветроэнергетического агрегата с аккумулятором (бойлером) и резервным топливным агрегатом, связаны со сложностью исполнения системы преобразования и аккумулирования тепла от солнечной радиации и ветра по мере изменения сезонных и суточных воздействий суммарной энергии ветра и солнца, в недостаточности объема теплоносителя в бойлере для долгосрочного обогрева здания. В основу изобретения положена задача устранения вышеуказанных недостатков, повышения производительности и экономической эффективности ветрогелиоэнергетической установки. Поставленная задача решается таким образом, что ветрогелиоэнергетическая установка строения административного, жилого или производственного назначения, содержащая гелиоводонагревательное устройство, ветроэнергетический агрегат с вертикально-осевым ветроротором, установленные на платформе, связанной с трубчатой опорой, размещеной со скольжением на закрепленных в фундаменте строения внутри погружного бассейна вертикальной полостной колонне с кольцевой ступенью скольжения. Погружной бассейн связан с гелиоводонагревательным устройством и наполнен теплоаккумулирующей жидкостью, в которую погружен теплоэлектрический нагреватель, связанный электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом. К трубчатой опоре концентрично прикреплен кольцевой понтон, погруженный в теплоаккумулирующую жидкость и содержащий электропривод, ориентирующий стабильность максимальной освещенности гелиоводонагревательного устройства на платформе путем его ориентации перпендикулярно солнечным лучам от рассвета до заката солнца. Целесообразно, когда ветрогелиоэнергетическая установка дополнительно содержит автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн с автономным кольцевым понтоном на вертикальной колонне с жидкостным теплопроводом, соединенным с погружным бассейном, расположенным под строением. Автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн наполнен теплоаккумулирующей жидкостью с погруженным в нее теплоэлектрическим нагревателем, связанным электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом. На автономном кольцевом понтоне установлены гелиоводонагревательные устройства, соединенные трубопроводами с теплоаккумулирующей жидкостью в автономном гелиоводонагревательном понтонном бассейне. Автономный кольцевой понтон оснащен козырьком с фрикционным электроприводом, обеспечивающим стабильность максимальной освещенности автономных гелиоводонагревательных устройств на автономном кольцевом понтоне путем их ориентации перпендикулярно солнечным лучам от рассвета до заката солнца. Технологично, если ветрогелиоэнергетическая установка дополнительно содержит автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн с автономным кольцевым понтоном на вертикальной колонне с жидкостным теплопроводом, соединенным с погружным бассейном, расположенным под строением. Автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн наполнен теплоаккумулирующей жидкостью с погруженным в нее теплоэлектрическим нагревателем, связанным электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом. Автономный кольцевой понтон выполнен гелиоводонагревательным, у которого надводная поверхность выполнена в виде солнечного теплоприемника, а погружная его часть - в 3 13290 1 2010.06.30 виде теплообменника к теплоаккумулирующей жидкости в гелиоводонагревательном понтонном бассейне. На фиг. 1 изображен общий вид ветрогелиоэнергетической установки в продольном разрезе фиг. 2 - схема гелиоводонагревательного устройства фиг. 3 - вид сверху на ветроэнергетический агрегат в сечении Б-Б фиг. 4 - схема воздействия ветрового потока В на одножелобчатый профиль геликоидной лопасти ветроротора фиг. 5 - схема воздействия ветрового потока В на двухжелобчатый (стреловидный) профиль геликоидной лопасти ветроротора фиг. 6 - схема воздействия ветрового потока В на аэродинамический профиль лопасти ветроколеса с круткой по углу атакик центру вращения вертикально осевого ветроротора в сечениях Д-Д и К-К фиг. 7 - общий вид здания с автономным ветроэнергетическим агрегатом фиг. 8 - вид сверху строения по фиг. 7 фиг. 9 - план верхнего этажа строения фиг. 10 - план нижнего этажа строения фиг. 11 - план кольцевого понтона с бассейном и фундаментом фиг. 12 - автономный понтонный гелиоводонагреватель, вид сверху фиг. 13 - понтонный гелиоводонагреватель, вариант - пирамидальный фиг. 14 - понтонный гелиоводонагреватель, вариант - ребристый. Ветрогелиоэнергетическая установка с гелиоводонагревательным устройством 1 содержит бойлер 2 и ветроэнергетический агрегат 3 с пространственным ветроконцентратором 4, вертикально-осевым ветроротором 5, приводным валом 6, соединенным через редуктор-мультипликатор 7 с электрогенератором 8, установленными на платформе 9. Платформа 9 связана с вертикальной трубчатой опорой 10, которая размещена со скольжением на закрепленной в фундаменте 11 внутри погружного бассейна 12 вертикальной полостной колонне 13 с кольцевой ступенью скольжения 14. Погружной бассейн 12 наполнен теплоаккумулирующей жидкостью 15. К трубчатой опоре 10 концентрично прикреплен кольцевой понтон 16, оснащенный гелиоводонагревательным устройством 1 и погруженный в теплоаккумулирующую жидкость 15. Ветрогелиоэнергетическая установка на трубчатой опоре 10 с кольцевым понтоном 16 оснащена строением 17 административного, жилого или производственного назначения с теплообеспечением от теплоаккумулирующей жидкости 15 в погружном бассейне 12 сквозь теплопроводную оболочку 18 кольцевого понтона 16. Кольцевой понтон 16 содержит электропривод 19, ориентирующий стабильность максимальной освещенности гелиоводонагревательного устройства 1 перпендикулярно солнечным лучам Ю от рассвета до заката солнца. Ветрогелиоэнергетическая установка по фиг. 12 содержит автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн 20 с автономным кольцевым понтоном 21 на вертикальной колонне 22 с жидкостным теплопроводом 23, соединенным с погружным бассейном 12 под строением 17. Автономный гелиоводонагревательный понтонный бассейн 20 наполнен теплоаккумулирующей жидкостью 15 с погруженным в нее теплоэлектрическим нагревателем 23, связанным электропроводкой с ветроэнергетическим агрегатом 3. На автономном кольцевом понтоне 21 установлены гелиоводонагревательные устройства 1, соединенные трубопроводами 24 и 25 с теплоаккумулирующей жидкостью 15 в автономном гелиоводонагревательном понтонном бассейне 20. Автономный кольцевой понтон 21 оснащен козырьком 26 с фрикционным электроприводом 27, ориентирующим стабильность максимальной освещенности гелиоводонагревательного устройства 1, установленного на автономном кольцевом понтоне 21 перпендикулярно солнечным лучам Ю от рассвета до заката солнца. 4 13290 1 2010.06.30 Гелиоводонагревательное устройство 1 по фиг. 13 и 14 с автономным кольцевым понтоном 21 выполнено в виде гелиоводонагревательного понтона 28, в котором надводная поверхность 29 исполнена в качестве солнечного металлического теплоприемника 30 с остеклением 31, а погружная часть 32 - в качестве металлического теплообменника 33 к теплоаккумулирующей жидкости 15 в гелиоводонагревательном понтонном бассейне 20. Внутренние поверхности надводной 29 и погружной 32 поверхностей оснащены теплоизоляцией 34. При больших габаритах строения 17 на трубчатой опоре 10 ветроэнергетический агрегат 3 ветрогелиоэнергетической установки выполнен, см. фиг. 7, автономно от строения 17 и связан с теплоэлектрическими нагревателями 35 и 36 внутри автономного гелиоводонагревательного понтонного бассейна 20 и погружного бассейна 12 через внешние коммуникациями жизнеобеспечения строения 17 связи 37, электросети 38, канализации 39,водопровода 40, которые встроены сквозь фундамент 11 к вертикальной полостной колонне 13, к трубчатой опоре 10 и внутренним коммуникациям строения 17, а также жидкостным трубопроводом 41 к теплоаккумулирующей жидкости 15 под строением 17 с автономным гелиоводонагревательным понтонным бассейном 20. На платформе 9 к ребрам 42, жестко связанным с крышей 43 строения 17, закреплен пространственный концентратор 4. Он состоит из ветроприемных экранов 44, установленных под острым угломк ветроротору 5, и имеет проемы 45 со створками 46, управляемыми приводами 47 во вращение на шарнирах 48. Ветроротор 5 состоит из закрепленных на приводном валу 6 сверху и снизу крыльчатолопастных ветроколес 49 и 50, связанных по периметру лопастями 51 геликоидного исполненияс одним желобом 52 для климатических условий с высокими скоростями ветра или двумя желобами 53 стреловидного исполнения для низких и средних скоростей ветра. Вертикально осевой ветроротор 5 через приводной вал 6, редуктор-мультипликатор 7 и электрогенератор 8 установлен на полостной колонне 13. Внутри полостной колонны 13 расположены бытовые помещения 54. Через полостную колонну 13 от теплоаккумулирующей жидкости 15, например крепко соленого водного раствора, и гелиоводонагревательного устройства 1 по трубопроводам 24 и 25 жидкость холоднаяпоступает к теплообменнику 55, а нагретая жидкость Н через циркуляционно-насосный термостат 56 подается к бойлеру или в погружной бассейн 12, или в автономный гелиоводонагревательный бассейн 20. Гелиоводонагревательное устройство 1 состоит из теплоизолированного кожуха 57,зачерненного с внутренней стороны остекления 58, трубчатого коллектора 59. Для регулирования наклона к солнечным лучам Ю гелиоводонагревательное устройство 1 оснащено электроприводом 60. Электрогенератор 8 связан с тепловым электрическим нагревателем 35 или 36 посредством распределителя 61, который, в свою очередь, соединен с электросетью 38 или с электроаккумулятором 62 и токовым преобразователем 63 к электросети постоянного 64 и переменного 65 тока потребителя электроэнергии. Верхний конец приводного вала 6 вертикально осевого ветроротора 5 с целью повышения эксплуатационной надежности ветроэнергетического агрегата 2 закреплен в вертлюге 66 талрепами 67 и растяжками 68 к обечайке 69, связывающей ветроприемные экраны 44 по внутреннему периметру пространственного ветроконцентратора 4. К приводному валу 6 прикреплены крыльчатые лопасти 70 крыльчатолопастных ветроколес 49 и 50. По фиг. 7 ветрогелиоэнергетическая установка содержит бойлер 2 и ветроэнергетический агрегат 71 с пространственным концентратором 72, вертикально-осевым геликоидолопастным ветроротором 73, приводным валом 74, соединенным через редуктор-мультипликатор 75 с электрогенератором 76, установленными на потолочном перекрытии 77 хозяйственного строения 78, связанного теплоэлектрическим нагревателем 36 с автономным гелиоводонагревательным понтонным бассейном 20, электропроводкой 79. Кольцевой понтон 16 собран из секций 80. 5 13290 1 2010.06.30 Надводная поверхность автономного гелиоводонагревательного понтона пирамидного исполнения 81 по фиг. 13, обращенная к солнечным лучам Ю, выполнена с остеклением 31 над каждой секцией 82, затененная сторона - с теплоизоляцией 83 над каждой секцией 84. Надводная поверхность автономного гелиоводонагревательного понтона ребристого исполнения 85 по фиг. 14, обращенная к солнечным лучам Ю, выполнена с остеклением 31 над каждым ребром 86, затененная от ребра сторона - с теплоизоляцией 87. По фиг. 1 и 7 строение 17, хозяйственное строение 82 оснащены крышными резервными котельными 83 и бойлерами 2. Полостная опора 3 содержит в полости 84 бытовые помещения 54, а по внутреннему периметру кольцевого понтона 16 - проемы 85. Кольцевой понтон 16 содержит люк 86 и лестницу 87 для прохода по секциям 82 сквозь арочные проемы 88 в переборках 89. Верхние перекрытия 90 кольцевого понтона 16 выполнены из теплоизолирующего материала 91 таким образом, что нагретый воздух через заслонки 92 пропускается из секций 82 кольцевого понтона 16 по воздуховодам 93 и 94 в бытовые 54 и жилые 95 и 96 помещения первого и второго этажей строения 17. Нижний этаж оснащен круговой лестницей 97 парадной, лесенкой 98 внутренней на верхний этаж, коридорчиком 99 и дверными проемами 100. По периметру строения 17 над нижним этажом выполнен козырек 101. По периметру бассейна 17 к козырьку 101 примыкает фрикционная передача 102 с электроприводом 19. По фиг. 7 на крыше 103 строения 104 закреплен фонарь 105, комплект гелиоколлекторов 106 с козырьком 107. Изнутри в крышной части строения 104 трубчатая опора 10 оснащена уплотняющим подшипниковым узлом 108 в сопряжении с верхом полостной колонны 13. Работает ветрогелиоэнергетическая установка крышная следующим образом. Ветровой поток В по фиг. 1, 3 и 7, воздействуя на пространственный ветроконцентратор 4, ветроприемными экранами 46 направляется с ускорением к крыльчатым ветроколесам 49, 50 и к лопастям 51 вертикально осевого ветроротора 5. Давление ветрового потока В на вертикально осевой ветроротор 5 создает на приводном валу 6 крутящий момент, передаваемый затем через редуктор-мультипликатор 7 к электрогенератору 8. Вырабатываемый электрогенератором 8 электрический ток распределителем 61 поставляется или к теплоэлектрическому нагревателю 46 в бойлере 2, или, при нагреве жидкости в бойлере свыше заданной температуры (например, свыше 70 С), переключением поставляется к электрическому аккумулятору 63 преобразователем 62, от которого через распределитель 61 поставщика по необходимости поставляется в сеть 65 потребителя. При недостаточности электроэнергии в сети 65 потребителя электрический ток поставляется распределителем 61 к сети поставщика, например от государственной электросети. При отсутствии электрического тока от распределителей 61 и электрического аккумулятора 63 для обогрева строения 17 подключается резервный топливный агрегат 83. Управление поставкой нагретой до 70 С жидкостью в бойлер 2 или к теплообменнику 55 осуществляется циркуляционно-насосным термостатом 56 по трубопроводной системе 24 и 25. Накопленное за лето тепло от теплообменника 55 к теплоаккумулирующей жидкости 15 (например, к крепко соленому водному раствору) в погружном бассейне 12. В зимний период через стенки кольцевого понтона 16 по воздуховодам 93 и 94 в холодное время года тепло подается в жилые помещения 95 и 96. Подпитка теплом теплоаккумулирующей жидкости 15 осуществляется круглогодично от гелиоводонагревательного устройства 1 геливодонагревательного понтонного бассейна 20 и теплоэлектрического нагревателя 35 под воздействием солнца и ветра. Для крупногабаритных строений 104 целесообразно использовать ветроэнергетические агрегаты 71 по фиг. 7, например, на крыше хозяйственного строения 78. Желательно при этом отнести хозяйственное строение 78 на открытое ветровому потоку В возвышенное место. При этом по фиг. 7 автономность расположения ветроэнергетического агрегата 71 обеспечивает разгрузку полостной колонны 13 от чрезмерного ветрового давления. При 6 13290 1 2010.06.30 ложение фрикционной передачей 102 особого усилия к периметрической стенке погружного бассейна 12 не потребуется, т.к. в нижней части полостной опоры 13 и кольцевой ступени 14 с трубчатой опорой 10 силы жидкостного сопротивления трению о сопрягаемые поверхности невысоки, а сопротивления крышной части строений 17 и 104 о верх полостной опоры 13 снижены использованием уплотняющего подшипникового узла 108. Применение ветрогелиоэнергетической установки в системе теплообеспечения зданий и сооружений крышными котельными значительно снижает расход котельного топлива и электроэнергии от электросетей. Элементы предлагаемой ветрогелиоэнергетической установки испытаны в виде макетов и опытных образцов в лаборатории кафедры ЮНЕСКО Белорусского национального технического университета. Предварительные расчеты показали, что окупаемость ветрогелиоэнергетической установки в умеренном климате при эксплуатации на крыше дома окупается скорее, чем за четыре года. С использованием автономного расположения ветроэнергетического агрегата, отнесенного от здания на возвышенное открытое ветровому потоку место, производительность ветрогелиоэнергетической установки возрастает. Источники информации 1. Лаврентьев Н.А. и др. Энергетика и ТЭК. - 2003. - С. 34-39. 2.4390 С 1,2002. 3.2178830 С 2, 2002. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10