PL230776B1

PL230776B1 - Skrzydło fotowoltaiczne

Info

Publication number: PL230776B1
Application number: PL397128A
Authority: PL
Inventors: Lech Wojtasik
Original assignee: Lech Wojtasik
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2018-12-31
Also published as: EP2599998B1; EP2599998A3; EP2599998A2; PL2599998T3; PL397128A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest skrzydło fotowoltaiczne przeznaczone do pozyskiwania energii elektrycznej na drodze konwersji promieniowania świetlnego i z jednoczesnym wykorzystaniem energii wiatru.

Fotowoltaika jest dziedziną techniki zajmującą się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną, czyli inaczej - wytwarzaniem prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego. Podstawowym elementem używanym do zamiany energii słonecznej na elektryczną za pomocą efektu fotowoltaicznego jest ogniwo fotowoltaiczne. Z pojedynczego ogniwa uzyskuje się zazwyczaj 1 do 2 W mocy, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo i/lub równolegle, tworząc moduły fotowoltaiczne. Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone w celu uzyskania większych mocy. Dalsze zwiększenie mocy uzyskuje się przez łączenie paneli. W praktyce wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje systemów fotowoltaicznych: wolnostojące, hybrydowe i dołączone do sieci. Systemy wolnostojące korzystają tylko z energii wyprodukowanej w ogniwach fotowoltaicznych. System taki składa się zasadniczo z panelu fotowoltaicznego, akumulatora i urządzeń kontrolnych. Systemy hybrydowe są kombinacją panelu fotowoltaicznego z innym systemem wytwarzania energii, na przykład w postaci generatora spalinowego, gazowego lub wiatrowego. Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać elektrowni z dużą ilością paneli fotowoltaicznych oddających energię do sieci elektroenergetycznej, albo zasilających budynki dołączone do sieci, gdzie energię z sieci pobiera się tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach fotowoltaicznych.

Znane są różnego rodzaju hybrydowe systemy fotowoltaiczne, stosowane do równoległego przetwarzania energii światła słonecznego i energii wiatru w energię elektryczną.

Z meksykańskiego opisu zgłoszeniowego MX 2009012637 (A) znany jest samonośny agregat do wytwarzania energii elektrycznej z energii słonecznej, wiatrowej i mechanicznej, przedstawiony schematycznie na rysunku pos. I. W skład urządzenia wchodzą generator wiatrowy (2), generator fotowoltaiczny (12) i generator spalinowy (15), a wytworzony w nich prąd elektryczny poprzez układy regulujące (21) jest gromadzony w baterii akumulatorów (22).

Proste rozwiązanie do jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej z energii wiatru i energii słonecznej, zaproponowano w niemieckim wzorze użytkowym DE202004010093 (U1). Rozwiązanie to, pokazane na rysunku pos. II, polega na pokryciu modułami fotowoltaicznymi bocznych powierzchni masztów turbin wiatrowych. Elementy fotowoltaiczne mogą być montowane jako panele (1), bądź w postaci fotowoltaicznych folii (3) lub fotowoltaicznych farb (4).

System łącznego wytwarzania energii elektrycznej z ogniw fotowoltaicznych i energii wiatrowej jest przedmiotem międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 2004081376 (A1). Zgodnie z tym wynalazkiem, urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej w pierwszej wersji, pokazanej na rysunku pos. lila, składa się z podstawy (A5), panelu fotowoltaicznego (A1) rozmieszczonego na poziomym stole odbiorczym (A2) osadzonym na pionowej kolumnie (A3), turbiny wiatrowej (A7) z wieloma łopatkami ku- belkowymi (A8), ułożyskowanej obrotowo wokół kolumny (A3) oraz generatora (A10) do wytwarzania energii przez konwersję energii obrotowej turbiny wiatrowej na energię elektryczną.

Urządzenie według wynalazku w drugiej wersji, pokazanej na rysunku pos. IIIb, w miejsce turbiny wiatrowej z łopatkami kubełkowymi i stołu z panelem fotowoltaicznym, posiada poziomo ułożyskowany wiatrak. Na górnej powierzchni skrzydeł (B18) tego wiatraka są naniesione moduły fotowoltaiczne.

Z tajwańskiego opisu zgłoszeniowego TW 201100634 (A) i jego odpowiednika - amerykańskiego opisu zgłoszeniowego US 2010/0320760 (A1) znany jest wiatrowo-słoneczny generator energii elektrycznej, pokazany na rysunku pos. IV. Generator ten napędzany jest wiatrakiem ułożyskowanym poziomo, na którego skrzydłach (42) od nawietrznej strony (421) są rozmieszczone fotowoltaiczne panele (50).

Podobne rozwiązanie zostało ujawnione w japońskim opisie zgłoszeniowym JP 2011106298 (A) uwidocznionym na rysunku pos. V, zgodnie z którym panele fotowoltaiczne (50) są rozmieszczone na powierzchni skrzydeł (10) wiatraka o poziomej osi.

Znane hybrydowe systemy fotowoltaiczne oparte są na równoległym przetwarzaniu energii światła słonecznego oraz energii wiatru w energię elektryczną z wykorzystaniem w tym celu energii mechanicznej pochodzącej z ruchu wirowego turbin wiatrowych lub wiatraków o osi pionowej albo poziomej. Przy tym, w najnowszych rozwiązaniach tego typu urządzeń, panele fotowoltaiczne są zintegrowane z wiatrakami przez ich rozmieszczenie bezpośrednio na roboczej powierzchni skrzydeł wiatraków, które

PL 230 776 Β1 w związku z tym można nazwać skrzydłami fotowoltaicznymi. Sprawność i wydajność tych urządzeń jest uzależniona od rozpiętości skrzydeł wiatraków, a także od wielkości ich powierzchni, na której znajdują się panele fotowoltaiczne. Sprawność paneli jest zależna od ich ukierunkowania względem padającego światła, a sprawność wiatraków zależy od ustawienia względem kierunku wiatru. Obydwa te kierunki rzadko są zgodne. Jednocześnie, stosowanie wiatraków do wytwarzania energii elektrycznej napotyka na duże opory ze strony ekologów z uwagi na zagrożenie dla ptaków i hałas.

Celem wynalazku było opracowanie panelu fotowoltaicznego, który mógłby jednocześnie wytwarzać energię elektryczną z energii wiatru, bez wykonywania nie ekologicznego ruchu wirowego. Cel ten został osiągnięty w rozwiązaniu według wynalazku, zgodnie z którym skrzydło fotowoltaiczne wykorzystujące ruch wahadłowy wywołany działaniem wiatru, posiadające powierzchnię o kształcie zbliżonym do prostokąta pokrytą strukturą fotowoltaiczną, ma postaćskrzydławahliwego, jednym końcem wahliwie zamocowanego na podstawie i ustawionego skośnie względem tej podstawy, które jest połączone z mechanizmem powrotnym oraz z mechanizmem generującym energię elektryczną, umieszczonymi wewnątrz dolnej części skrzydła. Skrzydło ma w przekroju pionowym kształt bryły skręconej w części środkowej jak łańcuch DNA i rozszerzającej się ku dołowi. W części górnej, stanowiącej węższy segment bryły, krawędź skrzydła jest skręcona w taki sposób, że tworzy sinusoidę o okresie trwania równym 1 π, a w części środkowej, pomiędzy krawędzią a walcem, bryła zmienia sinusoidalny kierunek skrętu na przeciwny. Hipotetyczne linie proste styczne do powierzchni walca, łączące środek jego długości i poprowadzone do środka górnej sinusoidy stanowią osie symetrii dla dolnej i górnej powierzchni skrzydła. Bryła stopniowo zwiększa się również w kierunku bocznych krawędzi. Wahliwe skrzydło w stanie spoczynku jest nachylone osiowo pod kątem 20° do 45°, korzystnie 30° do 35° do poziomu. Dolna, rozszerzona część wahliwego skrzydła korzystnie przechodzi w formę poziomego walca. Korzystnie we wnętrzu dolnej, rozszerzonej części jest rozmieszczony mechanizm powrotny i/lub mechanizm generujący energię elektryczną. Ta dolna rozszerzona część może też być połączona z elementem przeciwwagi. Opcjonalnie, mechanizm powrotny i/lub mechanizm generujący energię elektryczną mogą być zamocowane na zewnętrznej podstawie. Mechanizm powrotny ma korzystnie postać mechanizmu sprężystego o znanej budowie. Korzystnie też skrzydło na swym swobodnym końcu posiada otwory i/lub ma konstrukcję szkieletową złożoną z dwóch wzdłużnych żeber i górnej powłoki, która w części środkowej ma kształt płaskiej bryły skręconej jak łańcuch DNA, przy czym między dolnymi końcami żeber jest rozmieszczony walec, wahliwie zamocowany do podstawy. Struktura fotowoltaiczna, którą pokryta jest górna powierzchnia skrzydła, ma postać modułów fotowoltaicznych bądź fotowoltaicznych folii lub fotowoltaicznych farb. Skrzydło fotowoltaiczne według wynalazku jest korzystnie wykonane z tworzyw o wysokiej wytrzymałości i niskim ciężarze właściwym.

Skrzydło fotowoltaiczne według wynalazku może być stosowane w miejscach, w których tradycyjne formy wirujących wiatraków byłyby trudne do zaakceptowania. Ruch harmoniczny wywołany przez wiatr, w przeciwieństwie do ruchu obrotowego - wirowego, jest zjawiskiem powszechnie spotykanym w przyrodzie. Ten harmoniczny ruch skrzydła wzbudza wewnętrzny mechanizm generujący energię elektryczną oraz powrotny mechanizm sprężysty, który wraz z ewentualnym elementem przeciwwagi powodują powrót skrzydła do położenia wyjściowego. Skrzydło fotowoltaiczne ustawia się skośnie w stosunku do podstawy i w kierunku umożliwiającym optymalne wykorzystanie energii słonecznej. Podwójne skręcenie skrzydła, jak łańcuch DNA, umożliwia wykorzystanie oddziaływania wiatru niezależnie od jego kierunku. Dzięki temu zespoły skrzydeł według wynalazku można montować na dachach budynków bez dodatkowych mechanizmów kierunkujących.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, którego kolejne figury przedstawiają:

Fig. 1 - skrzydło fotowoltaiczne w pierwszym przykładzie wykonania w widoku z góry;

Fig. 2 - skrzydło fotowoltaiczne w pierwszym przykładzie wykonania w widoku z boku;

Fig. 3 - skrzydło fotowoltaiczne w pierwszym przykładzie wykonania w przekroju piono- wym wzdłuż linii A-A na Fig. 1;

Fig. 4 - skrzydło fotowoltaiczne w pierwszym przykładzie wykonania w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B na Fig. 1;

Fig. 5 - skrzydło fotowoltaiczne w pierwszym przykładzie wykonania w przekroju piono- wym wzdłuż linii C-C na Fig. 2;

Fig. 6 - skrzydło fotowoltaiczne w pierwszym przykładzie wykonania w przekroju piono- wym wzdłuż linii D-D na Fig. 2;

Fig. 7 - skrzydło fotowoltaiczne w drugim przykładzie wykonania w widoku z góry;

PL 230 776 Β1

Fig. 8 - skrzydło fotowoltaiczne w drugim przykładzie wykonania w widoku z boku;

Fig. 9 - skrzydło fotowoltaiczne w drugim przykładzie wykonania w przekroju pionowym wzdłuż linii A-A na Fig. 7;

Fig. 10 - skrzydło fotowoltaiczne w drugim przykładzie wykonania w przekroju pionowym wzdłuż linii B-B na Fig. 7;

Fig. 11 - skrzydło fotowoltaiczne w drugim przykładzie wykonania w przekroju pionowym wzdłuż linii C-C na Fig. 8;

Fig. 12 - skrzydło fotowoltaiczne w drugim przykładzie wykonania w przekroju pionowym wzdłuż linii D-D na Fig. 8;

Fig. 13 - przykład rozmieszczenia zespołu skrzydeł fotowoltaicznych na dachu budynku w widoku z boku;

Fig. 14 - przykład rozmieszczenia zespołu skrzydeł fotowoltaicznych na dachu budynku w widoku z góry.

Skrzydło fotowoltaiczne według wynalazku ma postać wahliwego skrzydła 1, jednym końcem wahliwie zamocowanego na nieuwidocznionej na rysunku podstawie i ustawionego skośnie w stosunku do poziomu. Skrzydło 1. ma w przekroju pionowym kształt bryły skręconej w części środkowej jak łańcuch DNA i rozszerzającej się ku dołowi, a jego górna powierzchnia ma kształt zbliżony do prostokąta i jest pokryta fotowoltaiczną strukturą 2 w postaci folii. Dolna, rozszerzona część 3 wahliwego skrzydła 1 przechodzi w formę poziomego walca 4, w którego osi umieszczone są sworznie 5, za pośrednictwem których skrzydło 1 jest wahliwie zamocowane na podstawie.

W pierwszym przykładzie wykonania wahliwe skrzydło 1 ma kształt bryły będącej w przekroju trójkątem równoramiennym, rozszerzającej się ku podstawie i przechodzącego tam w poziomy walec 4. W części górnej stanowiącej węższy segment bryły, jej krawędź jest skręcona jak łańcuch DNA w taki sposób, że tworzy sinusoidę o okresie trwania równym 1 π, a w części środkowej, pomiędzy krawędzią a walcem 4, bryła zmienia sinusoidalny kierunek skrętu na przeciwny, zgodnie z załączonym rysunkiem. Hipotetyczne linie proste styczne do powierzchni walca, łączące środek jego długości i poprowadzone do środka górnej sinusoidy stanowią osie symetrii dla dolnej i górnej powierzchni skrzydła. Bryła stopniowo zwiększa się również w kierunku bocznych krawędzi. We wnętrzu walca 4 jest rozmieszczony nieuwidoczniony na rysunku mechanizm powrotny i także nieuwidoczniony na rysunku mechanizm generujący energię elektryczną. Obydwa te mechanizmy jako znane, nie stanowią przedmiotu tego wynalazku. Na końcu swej rozszerzonej części 3 wahliwe skrzydło 1 posiada element przeciwwagi 6 stabilizującej jego wyjściowe położenie. Wahliwe skrzydło 1. w stanie spoczynku jest nachylone osiowo pod kątem 35° do poziomu. Nachylenie to można zmieniać w zakresie 20-40°, w zależności od kąta padania promieni słonecznych, z wykorzystaniem niepokazanego na rysunku mechanizmu.

Wahliwe skrzydło 1. w drugim przykładzie wykonania ma budowę szkieletową złożoną z dwóch wzdłużnych żeber 7 i górnej powłoki 8, przy czym wzdłużne żebra 7 mają w przekroju pionowym kształt zbliżony do bryły o zarysie wycinka elipsy rozszerzającej się ku dołowi, przy czym jedno jest zwrócone wypukłością do góry, a drugie do dołu. Między dolnymi, rozszerzonymi końcami 9 żeber jest rozmieszczony walec 4 zamocowany do podstawy za pośrednictwem sworzni 5. Górna powłoka 8 jest skręcona w części środkowej jak łańcuch DNA, a jej górna powierzchnia jest pokryta fotowoltaiczną strukturą 2 w postaci folii. We wnętrzu walca 4 jest rozmieszczony nieuwidoczniony na rysunku mechanizm generujący energię elektryczną oraz sprężysty mechanizm powrotny. Obydwa te mechanizmy jako znane, nie stanowią przedmiotu tego wynalazku. Wahliwe skrzydło Iw stanie spoczynku jest nachylone osiowo pod kątem 30° do poziomu. Nachylenie to można zmieniać w zakresie 20-40°, w zależności od kąta padania promieni słonecznych, z wykorzystaniem niepokazanego na rysunku mechanizmu. Wahliwe skrzydło 1 na swym swobodnym końcu 10 posiada otwory 11 obniżające ciężar skrzydła i polepszające jego własności aerodynamiczne.

Skrzydła fotowoltaiczne 1 według wynalazku rozmieszcza się przykładowo na konstrukcji wsporczej na dachu budynku, stawiając je w kierunku umożliwiającym optymalne wykorzystanie energii promieni słonecznych, jak pokazano na rysunku Fig. 13 i Fig. 14. W czasie dnia generują one energię elektryczną, którą akumuluje się w znany sposób. Jednocześnie wiatry wiejące z różnym nasileniem przez całą dobę powodują wahadłowy ruch skrzydeł 1, a energia mechaniczna tego ruchu jest przetwarzana w generatorach na energię elektryczną.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Skrzydło fotowoltaiczne wykorzystujące harmoniczny ruch wahadłowy wywołany działaniem wiatru, posiadające powierzchnię o kształcie zbliżonym do prostokąta, pokrytą strukturą fotowoltaiczną, znamienne tym, że ma postać wahliwego skrzydła (1) nachylonego osiowo pod kątem 20° do 45° względem podstawy, które jest połączone z mechanizmem powrotnym oraz z mechanizmem generującym energię elektryczną, przy czym skrzydło ma w przekroju pionowym kształt bryły skręconej w części środkowej jak łańcuch DNA i rozszerzającej się ku dołowi, którego rozszerzona, dolna część (3) jest wahliwie zamocowana na podstawie.

2. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że w stanie spoczynku jest nachylone korzystnie pod kątem 30° do 35° względem poziomu.

3. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że jego dolna część (3) zawiera element, który przechodzi w formę walca (4).

4. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że posiada mechanizm powrotny wewnątrz swojej dolnej części (3).

5. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że ma mechanizm prądotwórczy wewnątrz swojej dolnej części (3).

6. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że jego dolna część (3) jest połączona z elementem przeciwwagi (6).

7. Skrzydło według zastrz. 4, znamienne tym, że mechanizm powrotny jest mechanizmem sprężynowym.

8. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że ma konstrukcję szkieletową złożoną z dwóch podłużnych żeber (7) oraz powłoki (8), która w części środkowej ma kształt płaskiej bryły skręconej jak łańcuch DNA, przy czym dolna część (3) skrzydła rozmieszczona między dolnymi końcami (9) żeber (7) ma element w kształcie walca (4).

9. Skrzydło według zastrz. 1, znamienne tym, że ma otwory (11) na swobodnym końcu (10).