RU2672540C1

RU2672540C1 - Energy installation for the rain or snow and wind energy conversion

Info

Publication number: RU2672540C1
Application number: RU2017136243A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Коваленко; Алена Андреевна Коваленко
Original assignee: Андрей Николаевич Коваленко
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2018-11-15

Abstract

FIELD: power engineering.SUBSTANCE: invention refers to the alternative power engineering. Rain or snow and wind energy converting power plant contains the miniature DC generator, frame, on which the rainwater or snow grooved concentrator with chutes, the turbine with several units of the bucket blades on the shaft are installed, where each unit can independently rotate clockwise, at that rotating the shaft, wherein the turbine is installed so, that each blades unit was located exactly under the respective rainwater or snow concentrator chute, the wind concentrator with installed in the inlet part vertical partitions, which form the air passage channels, which number coincides with the number of turbine blades units, at that, each channel directs air to its own blade unit, as well as installed under the rainwater or snow concentrator the piezo-electric generator, wherein the wind concentrator is mounted so, that it closes the mounted on the frame from above turbine, leaving space for the air passage and creating a taper to enhance its head, and the turbine shaft and the generator shaft are connected by the magnetic couplings.EFFECT: invention is aimed at increase in the power plant efficiency due to the integrated electricity conversion from rain or snow and wind and increase in its compactness.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в качестве альтернативного источника электричества для обеспечения удаленных объектов, например жилого дома, гостиницы, охотхозяйства, турбазы, фермерского хозяйства и других, за счет комплексного преобразования энергии дождя или снега и ветра в электроэнергию при размещении на крыше объекта.The invention relates to energy and can be used as an alternative source of electricity to provide remote objects, such as a residential building, hotel, hunting farm, camp site, farm and others, due to the complex conversion of rain or snow and wind energy into electricity when placed on the roof of the object .

Известны несколько способов получения энергии из возобновляемых источников и реализующих их энергоустановок.Several methods are known for generating energy from renewable sources and power plants selling them.

Например, ученые из Комиссии по ядерной энергии в Гренобле (Франция) [1] продемонстрировали новую технологию извлечения энергии из падающих дождевых капель. При этом в качестве энергоустановки используются специальные пьезоэлектрические пластины, которые способны вырабатывать электроэнергию в ответ на механическое воздействие. Дождевая капля диаметром 1 мм обладает энергией порядка 2 микроДж, ливневая капля диаметром 5 мм способна выдавать до 1 миллиДж. В худшем случае это соответствует мощности порядка одного микроВт, а в лучшем - 12 миллиВт, что заметно уступает солнечным батареям подобных размеров. Таким образом, предложенный [1] вариант энергоустановки неэффективен, не позволяет использовать его в практических целях, например в удаленных объектах для электропитания бытовых приборов. Кроме того, энергоустановка [1] предназначена только для преобразования энергии дождя и не использует энергию ветра и снега.For example, scientists from the Nuclear Energy Commission in Grenoble (France) [1] have demonstrated a new technology for extracting energy from falling raindrops. At the same time, special piezoelectric plates are used as the power plant, which are capable of generating electricity in response to mechanical stress. A raindrop with a diameter of 1 mm has an energy of the order of 2 microJ, a rain drop with a diameter of 5 mm is capable of delivering up to 1 millJ. In the worst case, this corresponds to a power of the order of one microW, and at best - 12 milliwatts, which is noticeably inferior to solar panels of similar sizes. Thus, the proposed [1] option for power installation is inefficient, does not allow using it for practical purposes, for example, in remote facilities for power supply of household appliances. In addition, the power plant [1] is intended only for converting rain energy and does not use wind and snow energy.

Известен другой вариант энергоустановки для преобразования энергии дождя. В Китае [2] создали солнечные батареи, способные генерировать электроэнергию даже в дождливую погоду. Для этого применяется слой графена, который является высокопроводящим материалом. Соль в дождевой воде распадается на ионы кальция, магния или аммония - положительно заряженные они взаимодействуют с водой и графеном, что приводит к получению электроэнергии. Происходит формирование двойного слоя воды с электронами графена, энергетическая разница между слоями достаточна для того, чтобы началась выработка электричества. Хотя этот способ отличается высокой оригинальностью, ученые признают, что у графена есть существенный минус - он ухудшает показатели производства энергии от солнца, то есть снижает эффективность солнечных элементов и отрицательно сказывается на окружающей среде. Предложенная [2] энергоустановка также использует только энергию дождя и не решает поставленной задачи - одновременного эффективного использования энергии дождя, ветра и снега.Another variant of a power plant for converting rain energy is known. In China [2], solar panels have been created that can generate electricity even in rainy weather. For this, a layer of graphene, which is a highly conductive material, is used. Salt in rainwater breaks down into calcium, magnesium or ammonium ions - positively charged, they interact with water and graphene, which leads to the generation of electricity. The formation of a double layer of water with graphene electrons takes place, the energy difference between the layers is sufficient for the generation of electricity to begin. Although this method is highly original, scientists acknowledge that graphene has a significant minus - it degrades the energy production from the sun, that is, reduces the efficiency of solar cells and negatively affects the environment. The proposed power plant [2] also uses only rain energy and does not solve the task - the simultaneous efficient use of rain, wind and snow energy.

Известны энергоустановки [3, 4] для преобразования энергии, в которых электричество вырабатывается за счет вибрации пьезоэлектрических пластин под действием дождя или ветра. Этим энергоустановкам присущи те же недостатки, что и [1].Known power plants [3, 4] for energy conversion, in which electricity is generated due to the vibration of piezoelectric plates under the influence of rain or wind. These power plants have the same disadvantages as [1].

Таким образом, в известных энергоустановках используется только один из источников энергии - либо ветер (ветряки различного типа), либо дождь (энергия падающих капель на пьезоэлектрическую пластину) и только один вид энергии - либо только кинетическая, либо только потенциальная. Кроме того, энергоустановки, использующие энергию ветра, имеют большие габариты и не позволяют размещать их на крышах объектов электроснабжения.Thus, in known power plants, only one of the sources of energy is used - either wind (windmills of various types) or rain (energy of falling drops on a piezoelectric plate) and only one type of energy - either only kinetic or only potential. In addition, power plants using wind energy have large dimensions and do not allow them to be placed on the roofs of power supply facilities.

Компактные энергоустановки, пригодные для размещения на крыше удаленных объектов, обеспечивающие комплексное преобразование в электричество кинетической и потенциальной энергии возобновляемых источников энергии, таких как дождь или снег и ветер авторам неизвестны.Compact power plants suitable for installation on the roof of remote objects, providing complex conversion into electricity of kinetic and potential energy of renewable energy sources, such as rain or snow and wind, are unknown to the authors.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности энергоустановки за счет обеспечения возможности комплексного преобразования в электричество кинетической и потенциальной энергии дождя или снега и кинетической энергии ветра, а также повышение компактности энергоустановки для обеспечения возможности ее размещения на крыше объекта.The problem to which the present invention is directed is to increase the efficiency of a power plant by providing the ability to comprehensively convert the kinetic and potential energy of rain or snow and kinetic wind energy into electricity, as well as increasing the compactness of the power plant to enable its placement on the roof of an object.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра, содержит миниатюрный генератор постоянного тока, каркас, на котором установлены желобчатый концентратор дождевой воды или снега с желобами, турбина с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал, причем турбина устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора дождевой воды или снега, концентратор ветра с установленными во входной части вертикальными перегородками, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический, установленный под концентратором дождевой воды или снега, причем концентратор ветра монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе турбину, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины и вал генератора соединяются посредством магнитных муфт.The problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the power plant for converting the energy of rain or snow and wind contains a miniature DC generator, a frame on which a grooved concentrator of rain water or snow with grooves is installed, a turbine with several blocks of bucket blades on shaft, where each block can independently rotate clockwise, while rotating the shaft, and the turbine is installed so that each block of blades is located exactly under the corresponding groove m of a rainwater or snow concentrator, a wind concentrator with vertical partitions installed in the inlet that form the air passage channels, the number of which coincides with the number of turbine blade blocks, each channel directing air to its own blade block, as well as a piezoelectric generator installed under a rain water or snow concentrator, and the wind concentrator is mounted in such a way that it closes the turbine mounted on the frame from above, leaving space for passage air and creating a narrowing to increase its pressure, and the turbine shaft and the generator shaft are connected through magnetic couplings.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение эффективности энергоустановки, за счет комплексного преобразования в электричество кинетической и потенциальной энергии дождя или снега, а также кинетической энергии ветра, повышается ее компактность, расширяется область применения - в качестве альтернативного источника электричества для обеспечения удаленных объектов при размещении на крыше объекта.The technical result consists in the fact that an increase in the efficiency of the power plant is achieved due to the complex conversion of the kinetic and potential energy of rain or snow, as well as the kinetic energy of the wind into electricity, its compactness is increased, and the field of application is expanded as an alternative source of electricity to provide remote objects when placement on the roof of the facility.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

На Фиг. 1 схематично представлена конструкция энергоустановки,In FIG. 1 schematically shows the design of a power plant,

на Фиг. 2 иллюстрируется принцип работы энергоустановки,in FIG. 2 illustrates the principle of operation of a power plant,

на Фиг. 3 схематично представлен вариант применения энергоустановки,in FIG. 3 schematically illustrates an application of a power plant,

на Фиг. 4 схематично иллюстрируется вариант последовательного соединения нескольких энергоустановок.in FIG. 4 schematically illustrates an embodiment of series connection of several power plants.

Обозначения, принятые на чертежах:Designations adopted in the drawings:

1 - генератор постоянного тока,1 - DC generator,

2 - каркас,2 - frame

3 - концентратор дождевой воды или снега,3 - concentrator of rainwater or snow,

4 - турбина,4 - turbine,

5 - вал турбины,5 - turbine shaft,

6 - концентратор ветра,6 - wind concentrator,

7 - вертикальные перегороди концентратора ветра,7 - vertical partitions of the wind concentrator,

8 - генератор пьезоэлектрический,8 - piezoelectric generator,

9 - муфта магнитная9 - magnetic coupling

Энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра содержит миниатюрный генератор постоянного тока 1, каркас 2, на котором установлены желобчатый концентратор 3 дождевой воды или снега с желобами, турбина 4 с несколькими блоками ковшовых лопастей на валу 5, где каждый блок может автономно вращаться по часовой стрелке, вращая при этом вал 5, причем турбина 4 устанавливается так, чтобы каждый блок лопастей располагался точно под соответствующим желобом концентратора 3 дождевой воды или снега, концентратор ветра 6 с установленными во входной части вертикальными перегородками 7, которые образуют каналы прохождения воздуха, количество которых совпадает с количеством блоков лопастей турбины, при этом каждый канал направляет воздух на свой блок лопастей, а также генератор пьезоэлектрический 8, установленный под концентратором дождевой воды или снега 3, причем концентратор ветра 6 монтируется таким образом, что закрывает сверху установленную на каркасе 2 турбину 4, оставляя пространство для прохождения воздуха и создавая сужение для усиления его напора, а вал турбины 5 и вал генератора 1 соединяются посредством магнитных муфт 9.An energy installation for converting the energy of rain or snow and wind contains a miniature DC generator 1, frame 2, on which a grooved concentrator 3 of rain water or snow with gutters is installed, a turbine 4 with several blocks of bucket blades on shaft 5, where each block can independently rotate along clockwise, while rotating the shaft 5, and the turbine 4 is installed so that each block of blades is located exactly under the corresponding trough of the rainwater or snow concentrator 3, the wind concentrator 6 s are installed in the input part, vertical partitions 7, which form the air passage channels, the number of which coincides with the number of turbine blade blocks, each channel directing air to its blade block, as well as a piezoelectric generator 8 mounted under a rain or snow concentrator 3, and the wind concentrator 6 is mounted in such a way that it closes the turbine 4 mounted on the frame 2 from above, leaving space for the passage of air and creating a restriction to increase its pressure, and the turbine shaft 5 and the shaft of the generator 1 are connected by means of magnetic couplings 9.

Как показано на Фиг. 1 энергоустановка для преобразования энергии дождя или снега и ветра сконструирована по модульному принципу. Все элементы энергоустановки (кроме генераторов и муфт) могут быть изготовлены из промышленного пластика методом литья или напечатаны на 3D принтере. В качестве генератора постоянного тока может использоваться любой из миниатюрных генераторов, выпускаемых промышленностью [5, 6]. Наиболее целесообразно использовать миниатюрный генератор [5], обладающий малыми габаритами (размером в 50 центовую монетку) и способный вырабатывать высокую мощность. Несколько таких генераторов, объединенных в батарею, способны обеспечить электроэнергией практически любой объект [5].As shown in FIG. 1 power plant for converting the energy of rain or snow and wind is designed according to the modular principle. All elements of the power plant (except generators and couplings) can be made of industrial plastic by injection molding or printed on a 3D printer. As a direct current generator, any of the miniature generators manufactured by the industry can be used [5, 6]. It is most advisable to use a miniature generator [5], which has small dimensions (50 cent coin in size) and is capable of generating high power. Several of these generators, combined into a battery, are able to provide electricity to almost any object [5].

В качестве генератора пьезоэлектрического также может использоваться любой из промышленно производимых, например [7].As a piezoelectric generator can also be used any of the industrially produced, for example [7].

Магнитные муфты могут применяться любые (соответствующих размеров), производимые отечественной или зарубежной промышленностью, например [8].Magnetic couplings can be used any (corresponding sizes) produced by domestic or foreign industry, for example [8].

Работа энергоустановки осуществляется следующим образом. Энергоустановка монтируется на наклонной крыше объекта энергообеспечения. При стекании дождевой воды по крыше заполняется концентратор 3 дождевой воды или снега. Дождевая вода по желобам попадает на лопасти турбины 4. Под воздействием потоков воды лопасти турбины 4 начинают вращаться, приводя в движение вал 5 турбины. Благодаря автономному монтажу каждый отдельный блок лопастей турбины 4 может вращаться даже при слабом потоке дождевой воды. При усилении потока воды во вращение вовлекаются все больше блоков лопастей турбины 4 и увеличивается скорость вращения вала 5 турбины 4. Одновременно с потоками дождевой воды на лопасти турбины 4 воздействуют воздушные потоки - ветер через каналы концентратора ветра 6, усиливая вращение вала 5 турбины 4. Вращение вала 5 турбины 4 через магнитные муфты 9 синхронно передается на вал генератора постоянного тока 1, на выходе которого возникает напряжение.The operation of the power plant is as follows. The power plant is mounted on a sloping roof of an energy supply facility. When rainwater flows down the roof, the concentrator 3 of rainwater or snow is filled. Rain water flows through the gutters onto the blades of the turbine 4. Under the influence of water flows, the blades of the turbine 4 begin to rotate, driving the shaft 5 of the turbine. Thanks to the autonomous installation, each individual block of the blades of the turbine 4 can rotate even with a weak stream of rainwater. With increasing water flow, more and more blocks of turbine 4 blades are involved in the rotation and the speed of rotation of the shaft 5 of the turbine 4 is increased. Simultaneously with the rainwater flows, the turbine blades 4 are affected by air flows - the wind through the channels of the wind concentrator 6, increasing the rotation of the shaft 5 of the turbine 4. Rotation the shaft 5 of the turbine 4 through the magnetic coupling 9 is synchronously transmitted to the shaft of the DC generator 1, the output of which a voltage occurs.

В то же время заполнение концентратора 3 дождевой воды или снега приводит к усилению давления на рабочий элемент генератора пьезоэлектрического 8, расположенного под концентратором 3 дождевой воды или снега. Под воздействием силы тяжести воды рабочий элемент генератора пьезоэлектрического 8 деформируется, вырабатывая электрическое напряжение. Чем сильнее давление, тем больше деформация, тем больше напряжение на выходе.At the same time, filling the concentrator 3 of rainwater or snow leads to increased pressure on the working element of the piezoelectric generator 8 located under the concentrator 3 of rainwater or snow. Under the influence of gravity of water, the working element of the piezoelectric generator 8 is deformed, generating electrical voltage. The stronger the pressure, the greater the deformation, the greater the output voltage.

Аналогичный процесс происходит при заполнении концентратора 3 дождевой воды или снега снегом, - под его тяжестью деформируется рабочий элемент генератора пьезоэлектрического 8, вырабатывая электрическое напряжение. а при таянии снега талая вода попадает на лопасти турбины 4, вращая их.A similar process occurs when the concentrator 3 of rainwater or snow is filled with snow, - under its weight, the working element of the piezoelectric generator 8 is deformed, generating electrical voltage. and when the snow melts, melt water enters the blades of the turbine 4, rotating them.

Напряжения, вырабатываемые генератором постоянного тока 1 и генератором пьезоэлектрическим 8, складываются, образуя выходное напряжение энергоустановки.The voltages generated by the DC generator 1 and the piezoelectric generator 8 add up, forming the output voltage of the power plant.

Для автономного обеспечения удаленного объекта, достаточно смонтировать на крыше несколько энергоустановок, например, так как показано на Фиг. 3. При этом смонтированные энергоустановки образуют многоуровневый каскад, по которому стекающая дождевая или талая снеговая вода отдает энергию на каждом уровне, вырабатывая электричество. Благодаря модульному принципу конструкции энергоустановки имеется возможность последовательно соединять несколько энергоустановок (Фиг. 4) таким образом, что вращение валов турбин каждой энергоустановки через магнитные муфты синхронно передается на вал одного генератора постоянного тока, увеличивая скорость его вращения и соответственно выходное напряжение. Комбинируя варианты (Фиг. 3, Фиг. 4) размещения, можно легко соединять несколько энергоустановок в батареи, компактно используя поверхности крыши, добиваясь необходимых выходных электрических характеристик для объекта энергообеспечения.For autonomous provision of a remote object, it is enough to mount several power plants on the roof, for example, as shown in FIG. 3. At the same time, the installed power plants form a multilevel cascade, according to which the flowing rain or melt snow water gives off energy at each level, generating electricity. Due to the modular design principle of the power plant, it is possible to connect several power plants in series (Fig. 4) in such a way that the rotation of the turbine shafts of each power plant through magnetic couplings is synchronously transmitted to the shaft of one DC generator, increasing its rotation speed and, accordingly, the output voltage. By combining the placement options (Fig. 3, Fig. 4), it is possible to easily connect several power plants into batteries, using roof surfaces compactly, achieving the necessary electrical output characteristics for the power supply facility.

Следует отметить, что использование предложенной энергоустановки возможно и в том случае, если на крыше уже смонтированы солнечные батареи. При этом предложенная энергоустановка может служить эффективным дополнением к солнечным батареям, снабжая электроэнергией объект, когда солнечные батареи оказываются бесполезны.It should be noted that the use of the proposed power plant is also possible if solar panels are already mounted on the roof. Moreover, the proposed power plant can serve as an effective complement to solar panels, supplying electricity to the object when the solar panels are useless.

Использованные источникиUsed sources

1. Способ получения энергии из дождя. - Режим доступа: http://aenergy.ru/152 свободный.1. A method of generating energy from rain. - Access mode: http://aenergy.ru/152 free.

2. Солнечные батареи научили собирать энергию из дождя. - Режим доступа: https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/18792-solnechnye-batarei-nauchili-sobirat-yenergiyu-dozhdya/ свободный.2. Solar panels have taught how to collect energy from rain. - Access mode: https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/18792-solnechnye-batarei-nauchili-sobirat-yenergiyu-dozhdya/ free.

3. 1020150139737, RAIN GENERATOR, KR 14.12.2015 H02N 2/18, KIM, KYUNG JUNNEKIM. - Режим доступа: http://www.wipo.int/patentscope/search/ru/search.jsf свободный.3.1020150139737, RAIN GENERATOR, KR 12/14/2015 H02N 2/18, KIM, KYUNG JUNNEKIM. - Access mode: http://www.wipo.int/patentscope/search/en/search.jsf free.

4. 1020150095345, ALL-WEATHER GENERATOR USING NATURE ENERGY, KR 21.08.2015, H02N 2/18, LEE, JIN YONGLEE, JIN YONG.-Режим доступа: http://www.wipo.int/patentscope/search/ru/search.jsf свободный.4.1020150095345, ALL-WEATHER GENERATOR USING NATURE ENERGY, KR 08.21.2015, H02N 2/18, LEE, JIN YONGLEE, JIN YONG.-Access mode: http://www.wipo.int/patentscope/search/en/ search.jsf is free.

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

7. Генераторы пьезоэлектрические. - Режим доступа: https://ru.aliexpress.com/w/wholesale-piezoelectric-power-generator.htm свободный.7. Piezoelectric generators. - Access mode: https://en.aliexpress.com/w/wholesale-piezoelectric-power-generator.htm free.

8. Магнитные муфты. - Режим доступа: http://automatika.ru/magnitm_rus.html свободный.8. Magnetic couplings. - Access mode: http://automatika.ru/magnitm_rus.html free.

Claims

An energy installation for converting the energy of rain or snow and wind, characterized in that it contains a miniature DC generator, a frame on which a grooved concentrator of rain water or snow with gutters is installed, a turbine with several blocks of bucket blades on the shaft, where each block can independently rotate along clockwise while rotating the shaft, and the turbine is installed so that each block of blades is located exactly under the corresponding trench of the rainwater or snow concentrator, ra with vertical partitions installed in the inlet part, which form air passage channels, the number of which coincides with the number of turbine blade blocks, each channel directing air to its blade block, as well as a piezoelectric generator installed under a rain or snow concentrator, and the concentrator the wind is mounted in such a way that it closes the turbine mounted on the frame on top, leaving space for the passage of air and creating a narrowing to increase its pressure, and the turbine shaft and the generator shaft are connected by magnetic couplings.