CN1454292A - 对流发电方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过在其中密封气体的封闭区域内强制形成上升气流通道和下降气流通道、通过两个气流通道的协同效果产生涡旋气流来发电的方法，其中发电效率得以提高，以及一种实现该方法的装置。圆柱形转子(2)安装在上升气流通道和下降气流通道之间，由此形成涡旋气流并转动风扇(3、4)。根据环境，第二圆柱形转子(12)安装在上升气流通道和将封闭区域与外界隔离的隔壁之间，由此减小上升气流和下降气流之间的摩擦。并且，例如通过利用自然界产生的温差，该方法可以用来发电。1

Description

对流发电方法和装置
技术领域
本发明涉及利用人工产生的旋风现象的能量而对发电的方法和装置加以改进，从而实现能量的高效利用。
背景技术
已经对发电作出如下的尝试，其中，人工产生与自然界中发生的旋风相同的现象，并且利用其气流的旋转能量驱动涡轮。
本发明人先前提出了一种作为实现这种尝试的装置(日本专利Kokai第6-147098号)，该装置包括密闭地封有用于热交换的气体的圆柱体；在轴向上安装到上述圆柱体内的冷却管，用于冷却的流体从轴向端部引入该冷却管；在轴向上安装到上述圆柱体内的加热管，用于加热的流体从轴向上另一端部引入该加热管；用于冷却气体的冷却流通道，该通道以螺旋管形式与上述冷却管的圆周相接触地安装；用于加热气体的加热流通道，该通道以螺旋管形式与上述加热管的圆周相接触地安装，并在两端开口，以产生气流；安装在上述冷却流通道和加热流通道的出流和入流开口的至少一个处的风扇；以及与这个风扇旋转连接的输出轴，其中，一方面，在加热流通道内加热的气体引入冷却流通道中，而另一方面，冷却流通道内冷却的气体引入到加热流通道中，以在冷却流通道和加热流通道之间产生螺旋运动形式循环的气体对流，并且上述风扇由借助上述气体的温差而产生的对流旋转，从而发电。
然而，在这种装置中，冷却流通道内高压下的气体冷却并收缩，而被赋予以增大的比重，并经由循环长距离的螺旋流动通道而运动，以产生离心力，从而气体由离心力压在对流通道的圆周壁上，因为由此产生的摩擦力而导致大量能量损失。
并且，为了构造特别大型的装置，用于热交换的平面翅片的使用必然伴随有每单位宽度的热传导距离增大，且热交换率大大降低，另外，圆柱壁的壁厚必须增大，伴随有质量增大，并由于与外来介质的热交换率降低而导致能量输出降低。
本发明已经得以完成，其目的为通过克服传统对流发电装置中的这种缺陷，提供一种用于以高效率将对流能量向发电能量转换的改进方法，以及一种用于实现该方法的发电装置。
发明内容
本发明提供了：一种方法，其中，上升气流通道和下降气流通道强制地形成在密封气体的封闭区域内，以通过二者的协同效应来产生对流气流，而涡轮由对流气流驱动，从而发电；一种方法，其中，发电效率通过将一圆柱形转子安装在上述上升气流通道和下降气流通道之间，以及如果适合的话，安装在上升气流通道和将封闭区域与外界隔开的隔壁之间来予以提高；以及一种用于实现该方法的装置。
附图说明
图1是在本发明方法中、圆柱形转子安装在上升气流通道和下降气流通道之间的示例的横截面图的示意性说明；
图2是在本发明方法中、圆柱形转子安装在上升气流通道和下降气流通道之间以及上升气流通道和将封闭区域与外界隔离的隔壁之间的示例的横截面图的示意性说明；
图3是作为示例的本发明装置的斜视图；
图4是示出作为示例的图3中的圆柱形转子结构的斜视图；
图5是在本发明的装置中，两个圆柱形转子安装在上升气流通道和下降气流通道之间以及上升气流通道和将封闭区域与外界隔离的隔壁之间的示例的横截面图的示意性说明；
图6是示出本发明装置示例的横截面图的示意性说明；
图7是示出本发明装置另一示例的横截面图的示意性说明。
具体实施方式
下面，将参照附图描述本发明的方法和装置。
在图1中，图1是在本发明方法中、圆柱形转子安装在上升气流通道和下降气流通道之间的示例的横截面图的示意性说明，固定到一对上部风扇3和下部风扇4上的圆柱形转子2包含在圆柱形隔壁1内，其中这对风扇经由枢转支撑元件8、9以可旋转的方式枢转地得以支撑，而圆柱形隔壁1将密封气体的封闭区域与外界隔离，同时下部风扇4经由齿轮5、6连接到发电机10的输入轴上，并经由齿轮5、7连接到电机11的输出轴上。
通过与高温介质接触而强制产生的上升气流经A→B→C→D的流动通道上升，另一方面，通过与低温介质接触而强制产生的下降气流经D→E→F→A和G→H的流动通道下降，以在风扇3、4的位置处形成对流，使得风扇3、4旋转，同时使得固定于其上的圆柱形转子2旋转。
图2是在本发明的方法中、除了在上升气流通道和下降气流通道之间的第一圆柱形转子之外，进一步在上升气流通道和将封闭区域与外界隔离的隔壁之间安装第二圆柱形转子的示例的横截面图的示意性说明，根据需要，除了在上面图1所述的构造之外，具有气体排出开口13等的第二圆柱形转子12安装在第一圆柱形转子2和圆柱形隔壁1之间，而这通过圆柱形隔壁1内气流的运动而诱发旋转，由此进一步减小上升气流和下降气流之间的摩擦。
同样，G和H之间的气体被离心力向外压缩在E和F之间，从而产生压缩热，这个压缩热可以得以有效利用来增大与冷却介质的温差，而这有利于提高热交换效率。失去热量的F附近的气体剧烈收缩，并在比重增大的情况下在A和B之间被赋予了较多的离心力。
接着，当A和B之间的气体流动而进入B和C之间时，更多的离心力也赋予其上，但由于气体排出开口13等不产生压缩，从而不产生压缩热，并且通过与B和C之间存在的高温介质的热交换而膨胀，导致比重减小。比重减小的气体在C和D之间被赋予较小的离心力，而该离心力被A和B之间所赋予的较大离心力所抵消，以连续循环，从而可以产生强大的对流能量。在此优选地是，在开始时刻为了加速建立(工作状态)，可以借助于电机暂时促进回转。
接着，通过参照附图，给出对实现本发明方法的装置的适当示例的描述。
图3是局部剖开的本发明装置示例的斜视图，而图4是示出图3中圆柱形转子的结构示例的斜视图。
在图3中，本发明的装置以如下结构构造，即，圆柱形转子102包含在圆柱体101内侧，而高温介质供给管103螺旋形地围绕其圆周。高温介质供给管103设置在整个长度上，并带有向内延伸的翅片104，以促进热交换。
图4示出包含在这个装置中的圆柱形转子102的示例，可旋转的叶片106牢固地连接到这个圆柱形转子102的底面上，以便借助于枢转支撑元件107和108和臂109...以可自由旋转的方式安装到圆柱体101上，从而将螺旋形式的低温介质供给管110与设置在其内侧的上述高温介质供给管103隔离。至关重要的是，在此使用的枢转支撑元件107和108具有如此结构以允许圆柱形转子102可以无负载地平滑回转。例如，这种结构包括利用轴承减小摩擦的结构、带有水银的液体密封型结构、磁铁支撑型结构、借助于超导的无摩擦型结构等。
并且，在具有这种结构的装置中，当高温介质和低温介质分别引入高温介质供给管103和低温介质供给管110时，圆柱体101内的气体在高温介质供给管103和翅片104附近加热，形成上升气流；而在圆柱形转子102内的气体通过与低温介质供给管110接触而被冷却，形成下降气流。
并且，以这种方式产生的上升气流和下降气流在到达圆柱体101的底部或其附近之前不彼此接触，因此，它们可以用来产生涡旋气流，而不会伴有摩擦造成的能量损失，从而通过将用于启动的风扇设置在该部分，可以产生剧烈旋转，并可以通过将发电机经输出轴连接到这个启动风扇上来高效获得所需的电能。
可供选择的是，上述圆柱形转子102具有如下的结构，即其侧表面形成有波动和折流板以阻止气流以特定间隔供给到波浪形式的底部，或者具有如下的结构，即折流板设置有朝向气流方向的倾角，由此通过沿圆柱形转子102内侧及其外侧的流动通道方向的压力矢量抵消与其碰撞的气流压力矢量，从而减少气体泄漏。此外，圆柱形转子102在此不必要为从上到下直径均匀的圆柱形，而是可以为顶部和底部之间直径不同的截锥形。
接着，图5是示出具有两个圆柱形转子的装置示例的示意性横截面图，这两个转子安装在上升气流通道和下降气流通道之间以及上升气流通道和将封闭区域与外界隔离的隔壁之间。
在该图中，两个圆柱形转子102和111包含在圆柱体101内，并且，它们以可独立旋转的方式同轴并同心安装。内侧的第一圆柱形转子102将低温介质供给管112以螺旋形式形成的下降气流通道与高温介质供给管113形成的上升气体通道隔离开，从而阻止下降气流与上升气流接触。
另一方面，外侧的第二圆柱形转子111设置在高温介质供给管113形成的上升气流通道和圆柱体101的内壁之间，从而抑制上升气流由于上升气流与圆柱体101侧壁表面之间的摩擦而速度减弱，同时防止由于高度摩擦而产生热量以及由于气体被离心力压到环绕侧壁上而产生压缩热。
优选地是，外侧的圆柱形转子111在适当位置处设置有气体排出开口114...，用于耗散在离心力压缩作用下而被赋予增大的比重的气体。
气体排出开口114...理想地是通过以促进圆柱形转子111转动的方式沿着与圆柱形转子111旋转方向相反的方向成一定角度钻孔而形成。
在以这种方式构造的本发明的装置中，低温介质和高温介质分别引入到低温介质供给管112和高温介质供给管113上，从而在第一圆柱形转子102内侧产生下降气流，而在其外侧产生上升气流，由此通过在图5中箭头标记的方向上对流循环而在圆柱体101下部内产生涡旋气流
在这种情况下，第一圆柱形转子102借助于牢固设置在其底部、用于捕捉涡旋气流的风扇(图中未示出)而旋转，从而增大上升气流的速度。此外，第二圆柱形转子111也被诱使转动，以缓解离心力导致的气体压缩，并同时通过自气体排出开口114...的喷射力来进一步促进涡旋气流的形成，从而上述风扇转动更加剧烈，进而利用其可以使发电效率极大增加。
示例1
图6是单个圆柱形转子包含在本发明的装置中的示例，该装置具有如下的结构，即单个圆柱形转子202设置在圆柱体200内侧，而圆柱体200由隔热保护材料201覆盖。
在该图中，圆柱形转子202被处于通过上升气流通道203和下降气流通道204而对流的气体A诱发转动，通过抑制气体摩擦造成的能量衰减来极大地增大能量输出。上述圆柱形转子202具有侧壁表面，该表面带有通过拉延工艺形成的波纹，而折流板205...以适当的间隔固定到波纹形式的底部上，从而圆柱形转子202由折流板205所接收的气体A的压力的反作用而转动，并且这个转动可以用于驱动发电机214。
在这种情况下，固定折流板205...，以便抑制气体A从上升气流通道203或下降气流通道204与圆柱形转子202之间的间隙漏出，且折流板朝着旋转的方向倾斜，以便可以通过气体A与折流板205...撞击处的反作用压力来防止气体A的泄漏。
在通过与螺旋形的冷却介质供给管206相接触而形成下降气流通道204的同时，这个冷却介质供给管206设置有V形翅片207，该翅片在整个长度上一体地固定于供给管206上，由此增大热交换率，并同时加强强度。通过使内部中空，并通过在翅片和冷却介质供给管206之间形成通过开口208...，可以使这个V形翅片207热交换率进一步提高。
下降气流通道204沿着螺旋形冷却介质供给管206的内侧形成，从而借助于气压而使得设置在其下端开口的用于启动的风扇209旋转，由此启动与启动风扇209相连接的圆柱形转子202。并且，气体利用离心力从圆柱体200的封闭板210处的气体出流/入流口211引入，而该封闭板210安装在圆柱形转子202的下端轴支撑部分的附近，从而压缩并增大圆柱形转子202外圆周附近的上升气流通道203和下降气流通道204内的气体A的压力，由此通过输出齿轮212实现与圆柱形转子202的离心式离合器的轴向对齐，而不需要油封。
并且，封闭的圆柱体200通过封闭板210与发电机214的部件隔离开，而加压气体A由圆柱形转子202的离心力移动，以补偿发电机214部件内的压力减小而造成的风阻损失，并且增大/减小调节圆柱体200下端的气体A的输出，从而通过确保加压气体A的安全来获取电能。
加热介质供给管213由螺旋形式设置在圆柱体200内壁和圆柱形转子202外壁上的波纹管结构的主体构成，并具有如下的结构，即，加热介质引入到圆柱体200内壁上的间隙空间，而圆柱形转子202外壁上的间隙空间作用为上升气流通道203。
至于加热介质供给管213，可以通过改进螺旋形波纹管的相应的隆起部分和凹陷部分的角度和长度来调节流速横截面和外表面区域以及上升气流通道的横截面，从而与气体A的密度相适应。
并且，上述螺旋形波纹管的热交换面积可以通过在圆柱体200内壁上提供螺旋形的V形翅片而得以进一步增大，同时改善圆柱体200在轴向上的耐压强度。
该装置中，在圆柱体200的中下端上，安装有输出齿轮212，该输出齿轮带有与用于发电的齿轮216啮合的离心式离合器，而齿轮216作用为通过电磁离合器217驱动发电机214。带有离心式离合器的输出齿轮215在转矩很小的启动瞬间处于自由的状态，并且仅在正常转动时自动地处于连接状态。在发电机214出现故障时，带有离心式离合器的这个输出齿轮212可以用于立即切换到另一发电机215上。
通常，当圆柱形转子202以高速旋转，且圆柱体200的发电机部分218的开关219开启时，存在于转子内的气体借助其离心力而抵压在转子的环绕壁上，因此，在转子的中心部分产生负压。随后，发电机部分218内的气体从圆柱体202底部的封闭板内的气流开口被吸入，而这个部分处于低于大气压的压力下，由此开关219外侧的气体进入到发电机部分218中。
工作状态下的该装置可以通过中断向加热介质供给管213和冷却介质供给管206提供加热介质和冷却介质而予以停止。通过这样做，上升气流通道203和下降气流通道204之间的温差取消，而导致气体在圆柱体200内的对流消失，并也中止了圆柱形转子202的转动。被吸入的外部气体通过开关219排出，从而可以确保安全。
另一方面，配备有回转圆环(turn doughnut)220和回转箍风扇(turn bucklefan)221...的回转箍托架(turn buckle holder)222设置在圆柱形202的上端，而气体A的对流状态可以通过改进回转箍风扇221...的叶片角度来加以控制。
并且，回转箍托架222连接到推力轴承223上，在保持圆柱体200处于气密条件下的同时，圆柱形转子202能够转动，并且冷却介质借助于穿过其中心的冷却主管224导引到冷却介质供给管206，从而圆柱形转子202的转动可以平滑地持续进行，而不会受到任何方式的干扰。
示例2
图7示出在圆柱体300内包含两个圆柱形转子301、302的装置的示例，其中，太阳热能用作高温介质的加热源。
在这个装置中，除了作用为消除下降气流通道303和上升气流通道304之间的接触的第一圆柱形转子301之外，还安装了作用为减小上升气流通道304和圆柱体300内壁之间的摩擦的第二圆柱形转子302。第一圆柱形转子301和第二圆柱形转子301由齿轮306和307连接，并通过离心式离合器305差速旋转，从而转动可以遵照发电机315上的预计负载来得以充分调节。
在这个装置中，当第一圆柱形转子301高速旋转时，其内侧的加压气体A被赋予以离心力并被压缩，导致温度升高，从而借助于提高与其附近的下降气流通道303的温差来提高热交换率；另一方面，当第二圆柱形转子302低速转动时，其加压气体A接受降低的离心压缩而随着温度降低而膨胀，从而增大与上升气流通道304的温差，且热交换率提高，导致即使在温差较小情况下能量输出也能极大增加。
在这种情况下，所需的较大的差速转动可以通过选择齿轮306齿数较少而齿轮307齿数较多来实现，同时这个齿数比必须在考虑到要产生的温差、加压气体A的密度等的前提下加以确定。
在这个图中，低温介质供给管308以螺旋形式安装，用于在具有波纹形式的侧壁表面的第一圆柱形转子301之内形成下降气流通道303，且这个低温介质供给管308在其整个长度上连接有内部形成中空的V形翅片309，以提高热交换。
并且，用于太阳热能加热的高温介质的供给管310以螺旋形式安装到也具有波纹形式侧壁表面的第二圆柱形转子302上，并且它也在整个长度上连接有内部形成中空的V形翅片311，以用于提高热交换。启动风扇312牢固安装在第一圆柱形转子301底面附近并通过转轴316和齿轮313、314连接到发电机315上。
在如此构成的发电装置中，可以按与示例1相同的形式产生电，也可以以相同形式停止。
工业应用性
由于可以利用自然界中发生的(例如通过太阳热能提高温度)温差、海洋中的温差、地热等产生的温差的现象来高效发电，因此作为清洁能源，本发明具有很高的应用价值。

Claims (6)

1.一种通过对流发电的方法，其特征在于，在用于发电的方法中，包括：在包含其中密封的气体的圆柱形封闭区域内，向内形成下降气流通道并在其外侧形成上升气流通道；通过下降气流和上升气流的协同相互作用而产生涡旋气流；并通过涡旋气流转动发电涡轮，从而发电；下降气流通道和上升气流通道由它们之间的圆柱形转子彼此隔离。
2.一种通过对流发电的方法，其特征在于，在用于发电的方法中，包括：在包含其中密封的气体的圆柱形封闭区域内，向内形成下降气流通道并在其外侧形成上升气流通道；通过下降气流和上升气流的协同相互作用而产生涡旋气流；并通过涡旋气流转动发电涡轮，从而发电；下降气流通道和上升气流通道彼此隔离，以及上升气流通道由圆柱形转子与圆柱形封闭区域隔离。
3.一种用于通过对流发电的装置，其包括：填充有气体的圆柱体；在顶部和底部处可枢转地支撑的圆柱形转子，该圆柱形转子中包含有螺旋形低温介质供给管；沿着圆柱形转子外侧安装的螺旋形高温介质供给管；以及牢固安装到圆柱形转子底部的启动风扇。
4.一种用于通过对流发电的装置，其包括：填充有气体的圆柱体；在顶部和底部处可枢转地支撑的第一圆柱形转子，该第一圆柱形转子包含螺旋形低温介质供给管；沿着第一圆柱形转子外侧安装的螺旋形高温介质供给管；以及将高温介质供给管和圆柱体内壁彼此隔离的第二圆柱形转子。
5.如权利要求3或4所述的用于通过对流发电的装置，其特征在于，用于促进热交换的翅片连接到低温介质供给管和高温介质供给管上。
6.如权利要求4所述的用于通过对流发电的装置，其特征在于，多个气体排出开口形成在第二圆柱形转子的侧壁上。
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