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Die beanspruchte Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrizitätswirtschaft, insbesondere die Erzeugung von Elektrizität durch Nutzung der Energie eines Wasserstroms, der durch einen Elektromotor in Bewegung gesetzt wird.
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Im 21. Jahrhundert ist das Problem der Umweltverschmutzung und der Erschöpfung natürlichen Ressourcen sehr akut. Daher werden alternative Stromquellen immer wichtiger, die natürliche Ressourcen schonen, umweltfreundlich, sicher für die Umwelt und langfristig wirtschaftlich ergiebiger im Vergleich zu traditionellen Stromquellen sind.
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Hervorzuheben ist auch das bestehende Problem der häuslichen Stromversorgung in abgelegenen Regionen, wie zum Beispiel in Bergregionen, wo es aufgrund natürlicher Einschränkungen keine Elektrifizierung gibt und die Installation von Wind- oder Solarkraftwerken aufgrund spezifischer natürlicher oder witterungsbedingter Bedingungen oft nicht sinnvoll oder unmöglich ist. Daher ist eine Vorrichtung notwendig, die für die Stromversorgung im Haushalt geeignet ist, auch unter solchen spezifischen Bedingungen.
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Derzeit sind Wind-, Solar- und Wasserkraftanlagen weit verbreitet, die jedoch eine Reihe von Nachteilen haben, unter anderem:
- - die Verwendungsmöglichkeit und die Effizienz sind oft durch die natürlichen Bedingungen und die geografische Lage, in der sie betrieben werden, begrenzt;
- - die Nichtlinearität der von einem Stromgenerator erzeugten Spannung aufgrund wechselnder Wetterbedingungen;
- - der Überschuss an erzeugtem Strom in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität (bei Solarkollektoren) oder Windböen (bei Windkraftanlagen) wird über den Ballast (normalerweise ein Heizelement) abgeleitet, was zu Verschwendung von überschüssigem Strom führt.
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Geräte zur alternativen Energieerzeugung, wie z. B. Windkraftanlagen, sind weithin bekannt. Zum Beispiel ist ein Modell einer Windkraftanlage mit vertikaler Drehachse bekannt: an den Enden einer vertikalen Welle sind Rotorblätter befestigt, die wie ein Jagdbogen gebogen sind und ein aerodynamisches Profil im Querschnitt haben. Die Anzahl der Rotorblätter beträgt zwei bis vier. Die Welle ist über eine Kupplung und einen Drehmomentwandler mit dem Generator verbunden. Die gesamte Konstruktion ist auf einer speziellen turmartigen Stütze montiert und hat Streben (Ukrainisches Patent Nr.
24065 , veröffentlicht am 11.06.2007).
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Nachteile des Standes der Technik im Vergleich zur beanspruchten Erfindung:
- - sperrige und statische Konstruktion;
- - Abhängigkeit von der geografischen Lage;
- - Abhängigkeit von den Wetterbedingungen und damit Nichtlinearität der von einem Elektrogenerator erzeugten Spannung;
- - Unausführbarkeit der Installation in Innenräumen, in Kellern usw.;
- - Komplexität der Wartung.
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Des Weiteren werden Solarzellen verwendet, die Sonnenstrahlen absorbieren und in Elektroenergie umwandeln. Es ist ein Gebrauchsmuster bekannt, umfassend einen in Reihe geschalteten Solargenerator mit Solarmodulen, eine Vorrichtung zur maximalen Leistungsentnahme, einen Lade-Entlade-Regler, einen Wechselrichter, einen Wechselstromverbraucher sowie einen Gleichstromverbraucher, der an den Ausgang des Lade-Entlade-Reglers angeschlossen ist, und eine mit dem Lade-Entlade-Regler verbundene Speicherbatterie, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Sonnensensor eingebaut ist, der sich auf den Sonnenkollektoren befindet, dessen Ausgang über einen Positionsregler mit dem Zwei-Achsen-Antrieb der Sonnenkollektoren verbunden ist (Ukrainisches Patent Nr.
45738 veröffentlicht am 25.11.2009).
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Nachteile des Standes der Technik im Vergleich zur beanspruchten Erfindung:
- - sperrige und statische Konstruktion;
- - Abhängigkeit von der geografischen Lage und der Jahreszeit;
- - Abhängigkeit von den Wetterbedingungen und damit Nichtlinearität der Spannung, die von der Batterie erzeugt wird;
- - Unausführbarkeit der Installation in Innenräumen, in Kellern usw.
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Gemäß der Verwendung und der Gesamtheit der wesentlichen Merkmalen ist der nächstgelegene Stand der Technik für die beanspruchte Erfindung das Makarevich-Wasserkraftwerk mit künstlicher Wasserumwälzung, enthaltend ein unteres Becken mit einem Wasserauslass und ein oberes Becken mit einem Wassereinlass, eine Wasserleitung, die das obere und untere Becken verbindet, einen Wandler, der Wasserenergie in elektrische Energie umwandelt, eine Pumpe zum Heben von Wasser in das obere Becken, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich eine Auslassleitung enthält, die über eine Luftleitung und eine automatische Vorrichtung mit einem Niederdruck-Luftzylinder verbunden ist, der mit der Atmosphäre verbunden ist, wobei der Kolben des Niederdruckzylinders fest durch eine Stange mit dem Kolben des Hochdruckwasserzylinders der Kolbenpumpe verbunden ist, die zum Heben des Wasser in das obere Becken bestimmt ist (Ukrainisches Patent Nr.
44209 , veröffentlicht am 25.09.2009).
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Entsprechende Nachteile dieses Standes der Technik sind:
- - sperrige und statische Konstruktion;
- - die Notwendigkeit des Baus einer separaten Konstruktion oder der Umrüstung eines Schachts für die Installation des Kraftwerks;
- - schwierige Wartung der Pumpenanlage des Kraftwerks;
- - große Menge an Wasser, die sich im Umlauf befindet.
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Die beanspruchte Erfindung unterscheidet sich dadurch, dass:
- - ein Wasserbehälter für den Betrieb der Vorrichtung ausreicht;
- - eine künstliche Wasserumwälzung mit Hilfe von Elektromotoren erzeugt wird;
- - ein Magnet-Schwebe-Generator zur Stromerzeugung eingesetzt wird;
- - es möglich ist, den vollen Drehzahlbereich des Generators zu nutzen, indem die Drehzahl der Motoren verändert wird.
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Die technische Aufgabe, auf deren Lösung die Erfindung gerichtet ist, besteht in der Bereitstellung einer einfach zu bedienenden Vorrichtung, die in der Lage ist, den Nutzer mit alternativem Strom im Haushalt zu versorgen unabhängig von Jahreszeit, Wetterbedingungen, geografischer Lage, d.h. unter solchen Bedingungen, unter denen andere alternative Energiequellen nicht genutzt werden können oder ineffizient sind.
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Das technische Ergebnis, das durch die Verwendung der beanspruchten Erfindung erzielt wird, besteht darin, dass diese Vorrichtung die Erzeugung einer ausreichenden Menge an Strom zur Versorgung der eigenen Motoren und zum Laden der Speicherbatterien ermöglicht. Die Vorrichtung ist mobil, autonom (kann eingeschaltet werden, wenn die Akkumulatorenbatterien (im Folgenden - AKB) voll aufgeladen sind), und schaltet sich automatisch ein, wenn ein Aufladen erforderlich ist, wenn nötig, kann sie kontinuierlich mit der für den Generator notwendigen Drehzahl arbeiten, wodurch die Linearität der Spannung, die Möglichkeit der Verwendung des Generators in allen Drehzahlbereichen gewährleistet wird.
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Die Lösung des technischen Problems besteht in der Verwendung von bekannten Bauteilen und Komponenten (ein hermetisch abgeschlossener Wassertank in runder Form, kommutatorlose Elektromotoren, Schrauben, AKB, ein Magnet-Schwebe-Generator, ein Turbinenrad, ein Ladegerät, ein Spannungsregler) und wird durch deren einzigartige Kombination und die Schaffung einer Vorrichtung zur alternativen Energieerzeugung gelöst, die eine künstliche Wasserumwälzung (mit Elektromotoren) nutzt, die eine Turbine zusammen mit einem Generator antreibt, der elektrischen Strom erzeugt. Dies ermöglicht den Einsatz der Vorrichtung in Innenräumen, Kellern und beseitigt die Abhängigkeit von den natürlichen Gegebenheiten der Umgebung.
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Das Wesen der beanspruchten Erfindung ist in 1 und 2 dargestellt und wird wie folgt erläutert.
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Die Vorrichtung erzeugt Strom und umfasst einen Behälter mit Wasser, eine Einrichtung zur künstlichen Wasserumwälzung und einen Generator. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie mindestens einen Wassertank, mindestens einen Elektromotor (der die künstliche Wasserumwälzung durchführt), ein Turbinenrad mit Schaufeln und mindestens einen elektrischen Magnetschwebegenerator sowie einen Spannungsregler umfasst. In der Vorrichtung wird ein Wassertank mit 410 mm Durchmesser verwendet, in dem die künstliche Wasserumwälzung durch einen kommutatorlosen Elektromotor mit Schrauben durchgeführt wird. Das Wasser treibt ein Turbinenrad mit Schaufeln an, deren Drehmoment die Turbine auf den elektrischen Generator überträgt, der wiederum Strom erzeugt und über den Spannungsregler zum Laden der einzelnen Speicherbatterien für die Motoren und der Hauptspeicherbatterien zur Stromspeicherung weiterleitet.
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Funktionsprinzip:
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Während des Betriebes treiben die in den Seitenwänden des Wassertanks montierten kommutatorlosen Elektromotoren 4, die über einen Hubregler aus separaten AKB für jeden Motor versorgt werden, die mit den Wellen der beiden Motoren verbundenen Schrauben 5 an, die wiederum das Wasser 7, das sich in einem speziell angefertigten, hermetisch abgeschlossenen Behälter 1 aus Stahl befindet, abstoßen. Das Wasser wirkt als Schwungmasse und treibt die Wasserradturbine 2 an, die sich in der Mitte des Tanks befindet und auf zwei Lagern (Radial- und Axiallager) mit den Schaufeln 3 befestigt ist. Die Turbine wiederum überträgt das Drehmoment auf die Welle des Magnet-Schwebe-Generators 6, der somit Strom erzeugt, der über den Spannungsregler zum Laden der Traktionsbatterien und einzelnen AKB für die kommutatorlosen Elektromotoren durch ein Ladegerät übertragen wird (das Laden erfolgt der Reihe nach, im Moment des Anhaltens des Motors, während ein anderer den Betrieb fortsetzt), das Ladegerät arbeitet über einen Spannungsregler. Die Verwendung des Stroms unter häuslichen Bedingungen erfolgt von der Traktionsbatterie über einen separaten Spannungswechselrichter.
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Um das technische Ergebnis zu erzielen, wurden zwei kommutatorlose Elektromotoren T-Motor AT2216-8 KV1250 3-4S mit einer Leistung von 260W verwendet, die über einen Hubregler arbeiten (was es ermöglicht, die optimale Motordrehzahl auszuwählen, die für den Betrieb des Generators erforderlich ist). Außerdem wurden 52/80 mm Schrauben verwendet, wobei die erste Zahl den Durchmesser und die zweite die Ganghöhe der Schraube angibt. Die Motoren führen mit Hilfe der Schrauben eine künstliche Wasserumwälzung in einem Tank mit runder Form durch, dessen Durchmesser 410 mm beträgt, die Länge des maximalen Wasserhubs im Kreis beträgt 1288 mm. Das Wasser treibt ein Turbinenrad an, das sich in der Mitte des Tanks befindet und einen Durchmesser von 200 mm hat. Das Turbinenrad ist aus Titan gefertigt und enthält 15 Schaufeln mit den Maßen 100 x 55 mm. Verwendet wurde ein synchroner Magnetschwebegenerator mit niedriger Drehzahl auf Neodym-Maglev-Magneten 1,5 kW, eingestellt auf eine Frequenz von 185 U/min, der über einen COM 3000 Regler die zwei in Reihe geschalteten Traktion-AKB - NorthStar AGM 100 Ah - lädt, die auf eine Spannung von 12,4V (50% der maximalen Kapazität) entladen wurden. Während des Ladevorgangs versorgte der Regler die AKB mit 24,4V und einer Kapazität von 10Ah (was nicht die Maximalwerte unter solchen Bedingungen sind, aber die maximale Lebensdauer der AKB gewährleistet).
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Die beanspruchte Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung einer bestimmten Strommenge zum Laden von AKB von Elektromotoren (unter Verwendung des durch die Erhöhung der Drehzahl des Generators erzeugten Ballaststroms) und zum Laden von Traktionsbatterien.
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Die Verwendung der beanspruchten Erfindung (mit den oben angegebenen Komponenten, deren Eigenschaften und Parametern) ermöglichte es, folgende Ergebnisse zu erzielen:
- Zwei in Reihe geschaltete Traktionsbatterien NorthStar AGM 100 Ah, die auf 12,4 V entladen wurden, was 50 % ihrer maximalen Kapazität entspricht (um die Lebensdauer der AKB zu verlängern, hat der Erfinder eine Tiefentladung vermieden, deshalb erfolgt die Ladung von der optimalen Kapazität), wurden jeweils 300 min (5 Stunden) lang auf eine Spannung von 12,7 V und 100 Ah geladen, was 100 % der Kapazität der AKB entspricht. Der Betrieb wurde an einem Elektromotor (abwechselnd) durchgeführt. Der Betrieb eines Elektromotors mit einer LiPo 2S 14000 mA/30C/7,4V-Traktionsbatterie betrug unter diesen Bedingungen etwa drei Stunden. Das Laden dieser LiPo-Traktionsbatterie (normales Laden ca. 2,5 Stunden, Schnellladen 45 min).
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In der beanspruchten Erfindung gibt es die Möglichkeit, die Parameter so flexibel wie möglich zu ändern - Ändern des Betriebsmodus der Motoren (abwechselnd oder gleichzeitig), Ändern der Motordrehzahl, Ganghöhe und Größe der Schrauben, was es ermöglicht, den vollen Drehzahlbereich des Generators zu verwenden: vom minimalen zum maximalen Wert, je nach den Bedürfnissen des Verbrauchers, den Eigenschaften, der Anzahl der AKB und auch der Art des Ladens der AKB (normal, schnell, etc.).
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Die vorliegende Vorrichtung kann in verschiedenen Modifikationen gebaut werden, je nach den Bedürfnissen des Verbrauchers - die Größe des Tanks (dementsprechend die Wassermenge), des Turbinenrads, der Schaufeln und deren Anzahl können geändert werden; die Anzahl und Art der Motoren, Schrauben; die Art des Generators, der AKB. Dies alles bietet die Möglichkeit einer breiten Verwendung der beanspruchten Erfindung, von häuslichen Bedingungen bis hin zur industriellen Verwendung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- UA 24065 [0005]
- UA 45738 [0007]
- UA 44209 [0009]
