CN1769669A - 一种人造龙卷风发生装置及其发电方法 - Google Patents

一种人造龙卷风发生装置及其发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，主要包括间断性螺旋脊抽气管道、漏斗状管道、气流加热管、电机室、颈管、气流引导管、叶片式可调节闸门、进气斗、滤气网、鼓风机。本发明之间断性螺旋脊抽气管道是由数节段中部3/5部分平行铸造三条凸向管腔的螺旋脊之5～10m长的管道以套式接头连接而成。该管道以坡度大于45°的陡峭山体为载体斜形铺设或以高层建筑为附着物垂直搭建，其长度(高度)根据设计需要而定。本发明以地球大气对流层温差梯度所致的上升气流为原动力，以间断性螺旋脊全程引导上升气流生成高速气旋，从而产生强大的龙卷风效应。本发明是一种取之不尽，用之不竭的可再生人造龙卷风电力能源。

Description

一种人造龙卷风发生装置及其发电方法
技术领域
本发明涉及一种发电装置及其方法，特别涉及一种人造龙卷风为动力的发电装置及其方法。
背景技术
随着现代科学技术迅猛发展和民众生活水平的提高，工商业耗能及家电耗能急剧增加，世界能源面临紧张状态。目前，人们所使用的能源主要来自煤、石油、天然气、核反应堆及水力发电，这些能源中多数存在环境污染和资源开采有限，且远不能满足人们的需求。有鉴于此，多年来就有人在探索、开发“绿色能源”，如太阳能、海洋能、生物能、风能等。但是，对于大气对流层中蕴藏着的巨大能源，却很少有人研究。
本发明旨在利用大气对流层热空气上升的规律，通过一种特定的装置，引导上升气流旋转，产生可控制性龙卷风效应并用于发电。
龙卷风是一种天气现象，具有很大的破坏力，可给人类带来莫大的灾害，同时也显示，龙卷风这种大气运动的特殊形式具有巨大的能量。龙卷风是对流层热空气剧烈上升，冷空气急剧下降的强对流气候所致，其直径从数米(3～5m)到数百米不等，风速一般在100m/秒～150m/秒之间，有的可达200m/秒，其吸引能力主要来自它的高速气旋中心产生的负压。龙卷风实际上是一种管状高速气旋，在北半球逆时针旋转时(南半球顺时针旋转时)，气旋中心的压力极低，可低至200百帕左右(标准大气压是1013.25百帕)，这种负压具有非常强大的吸引力。所谓“变害为利”即是利用这种负压导致的高速空气流发电。至今关于人造龙卷风的文献概括起来主要有两种方法：其一是“斜门风塔”，即建一座具有数扇统一斜向开启小门的风塔，当自然风吹进风塔时，由于“斜门”导向的结果，使进入塔内的空气形成气旋，据称，这样的“龙卷风”发电比同样大小的风机大10倍，例如流体力学家严隽森的龙卷风机模型(“气象万千”网www.i1121.net)；其二是“偏心射入气体”，即在装置的周边，借助其他热源产生的气体或电动鼓风机，用数个喷射嘴沿切线将气体偏心吹入某管道或区域内，由此产生气旋，如中国专利，授权公告号CN1136419C，日本人士松井茂夫的“人造龙卷风发生机构”，中国专利公开号CN1257160A，重庆人士陈玉德等的“人造龙卷风发电系统”等。目前，此类设计尚未达到提供足够电力的规模水平。其存在的不足为：一是原动力不理想，如自然风的不稳定性、加热空气或电动鼓风需要消耗其他能源；二是所产生的气旋在普通管道内或局部空间上升时，因气旋周边气体受到摩擦阻滞作用，气旋会逐渐减弱，中心负压减小直至消失；三是管道长度有限，达不到类似“龙卷风”的强大动力效应。有鉴于此，要使“人造龙卷风”真正达到提供实用电能的程度，还需要彻底改进。本发明将克服这三方面的缺陷。
一、利用对流层大气温差所致的热空气上升流为原动力：地球大气对流层内，垂直高度每增加100m，温度即降低0.65℃，越往高处，温度越低。近地面的空气因受太阳光的照射而获得热能，气体膨胀，密度减小，形成上升气流；而对流层上部的冷空气则因地心引力作用而下沉。用20cm直径，50m高的塑料管(PVC管)沿高层建筑墙壁垂直架设，人工缓慢加热低端管道口周围空气，此模拟实验观察到，一旦管道两端出现温差(低端温度大于高端温度)0.5℃，即可观察到管内有明显的上升气流，气流速度随管道两端的温差值增加而增大。在地球大气对流层范围内，管道垂直高度越高，其两端的温差值越大，管道内气流速度也就越快，所产生的动力也越大，这种管道两端促使气流快速上升的温差，就是人造龙卷风有效的原动力。对此，现有人造龙卷风技术尚未认识及应用。对流层范围内，随高度增加而温度递减的温差梯度与地球同在，故上升气流这种动力也与地球同在，而且受昼夜、季节影响不大，可以维持稳定和持久的人造龙卷风原始动力。
二、利用间断性螺旋脊抽气管道的特殊结构引导上升气流旋转：如果气体在平滑管道内上升流动，通常是直线上升，多呈轴流状态，不会产生气旋，也就无龙卷风效应。本发明利用流体运动过程中受固体导向的特性，在气体上升的管道内，间断性铸造类似于螺母的螺旋脊状结构(以下称此管道为“间断性螺旋脊抽气管道”或“螺旋脊抽气管道”)，使气流在上升过程中形成高速气旋，从而产生龙卷风效应。间断性螺旋脊抽气管道对上升气流全程导向，使气旋逐渐加速，气旋中心负压逐渐增大，吸引力也随之增强，可克服现有技术仅在起始部产生气旋而导致动力不足的缺陷。
三、利用陡峭山体或高层建筑物铺设搭建螺旋脊抽气管道：现有技术的人造龙卷风设计没有很好地解决管道高度问题，本发明设计在垂直高度1000m以上的陡峭山体斜形铺设间断性螺旋脊抽气管道，或沿300m以上的高层建筑物垂直搭建间断性螺旋脊抽气管道，这样能获得必要的气体温差值及产生较大负压的气旋速度，以保证间断性螺旋脊抽气管道内气流有足够的动力推动大功率发电机叶轮旋转发电。
发明内容
本发明克服了现有人造龙卷风技术中的不足，提供了一种长期、稳定、大功率的人造龙卷风发生装置及其发电方法。
为了解决上述现有技术问题，本发明的技术方案是：铸造间断性螺旋脊抽气管道铺设建造垂直高度为300m～3000m的龙卷风生成管道(斜形铺设时以其垂直高度计)，管道低端连接发电机组及附属设施，从而构成一个完整的人造龙卷风发电系统。
所述间断性螺旋脊抽气管道用硬塑料(如PVC)或不锈钢等坚固材料铸造为节段性管材连接而成，各节段的长度、直径随设计功率以及交通运输条件而定。通常，螺旋脊抽气管道每节长度为5～10m，管道内空直径为3～10m或更大(内空直径不含螺旋脊)，管壁厚度为内空直径的3～10％(如3m的内空管径，管壁厚度为9cm；10m的管径，管壁厚度可为70cm～100cm。内空直径越大，管壁厚度所占比例也越大)。每节管道中段占其长度3/5的部分，(如5m长的管道，其中段的3m部分)平行铸造三条凸向管腔的螺旋脊状结构，两端各1/5留空。北半球铸造为逆时针上升螺旋脊，引导产生逆时针气旋；南半球铸造为顺时针上升螺旋脊，引导产生顺时针气旋。螺旋脊凸向管腔的高度为内空直径的5～10％(如3m的管径，螺旋脊高为15cm，10m的管径，螺旋脊高为100cm。内空直径越大，螺旋脊凸向管腔所占比例越大)。螺旋脊的横切面类似“V”字形。螺旋脊上攀倾斜线与管道横切水平线的夹角α大于45°，小于65°(45°＜α＜65°)。螺旋脊始末两端呈扁薄圆钝状，形似一侧剑锋，以降低气旋切入时的阻力。此种螺旋脊管道节段连接后即构成“间断性螺旋脊抽气管道”。
铺设搭建间断性螺旋脊抽气管道时，各节间用套式接头粘合连接，直至所需长度(高度)。沿陡峭山体斜形铺设间断性螺旋脊抽气管道时，其坡度必须大于45°，尽可能向90°接近，沿高层建筑搭建间断性螺旋脊抽气管道时，尽可能与地面成90°。间断性螺旋脊抽气管道外表面涂裹高效保温隔热材料，以使空气流在上升过程中保持相对恒定的温度。间断性螺旋脊抽气管道高端尾部，连接一段30～50m长的漏斗状管道，以缓解上升气流出管道口时的振动力(类似枪支消音器的作用)，漏斗状管道顶端建造排气网、雨棚、避雷装置。间断性螺旋脊抽气管道底端，依次连接气流加热管、电机室、颈管、气流引导管、叶片式可调节闸门、进气斗、滤气网以及气流启动鼓风机。
气流加热管须用热效应电阻材料制造，其内径略大于螺旋脊抽气管道内径，其作用是在气流上升动力不足时，用发电机自身的电源加热管内空气，使上升气流加快，恢复动力。电机室用于安装发电机组，建造为圆筒形，底部安装一带活瓣的“U”形出水小管，电机室的大小根据发电机体积而定，要求安装发电机后，所剩空间切面积为间断性螺旋脊抽气管道切面积的2倍以上，以利气流畅通。发电机用金属支架牢固支撑固定于电机室中央。颈管为发电机叶轮位置处，其内径略小于间断性螺旋脊抽气管道内径。气流引导管的作用是使气流冲击发电机叶轮时已具备一定的动力惯性，其直径略大于间断性螺旋脊抽气管道。叶片式可调节闸门的功能是调节进入管道系统的空气量，用金属材料制作并连接自动控制系统。进气斗为空气入口通道，呈敞口状，具有聚集空气的作用。滤气网为阻挡空气流中的杂物，用钢丝制作成半球形网状结构，可一层或多层。鼓风机为管道系统第一次推动气流上升所准备，间断性螺旋脊抽气管道及发电装置安装妥当后，如果不见气流上升，即关闭叶片式可调节闸门并开动鼓风机片刻，随即将叶片式可调节闸门开到最大并关闭鼓风机(鼓风机可用小型柴油机或汽油机带动)，人造龙卷风发电系统即可运行。气流加热管与叶片式可调节闸门设置自动控制系统，通过压力传感器接受管道内的压力刺激实现自动调节管内空气流量，以维持发电机组稳定运行。
本发明的积极效果是：
1、本发明利用地球大气对流层热空气上升气流发电，这种能源取之不尽，用之不竭，无环境污染，无钱财花费，是廉价的绿色能源。
2、间断性螺旋脊抽气管道全程引导上升气流，使气旋从下至上逐渐加速，得以形成高速气旋而产生龙卷风效应，可以建造大功率人造龙卷风发电基地。
3、本发明主要沿陡峭山体建造，容易达到1000m以上的高度而获得足够的温差动力，而且以山体作为载体，避免了凌空搭建垂直高支架的困难、耗费和存在的安全隐患问题。
4、本发明原理易懂，结构简单，建设周期短，维持时间长，投资少，见效快，几乎是一劳永逸的工程。
5、全球高山无数，适合建造本发明的地方众多，容易推广普及，可望逐步取代化石燃料及核燃料等能源，可改变世界能源结构现状，从而减少温室气体排放、减少污染，优化人类生成环境。
附图说明
图1是本发明总体结构示意图(管道沿陡峭山体斜形铺设)
图2是沿高层建筑物垂直搭建示意图
图3是管道内逆时针螺旋脊(A)及其引导气旋方向(B)示意图
图4是管道内顺时针螺旋脊(A)及其引导气旋方向(B)示意图
图5是螺旋脊上攀倾斜线与管道横切水平线夹角α角度示意图
图6是螺旋脊抽气管道套式接头连接示意图
上述图中所示：H、垂直高度。1、滤气网。2、进气斗。3、叶片式可调节闸门。4、气流引导管。5、颈管。6、电机室。7、发电机叶轮。8、发电机。9、发电机支架。10、出水小管。11、气流加热管。12、间断性螺旋脊抽气管道。13、漏斗状管道。14、尾部支架。15、顶端的排气网、雨棚、避雷针。16、鼓风机。17、螺旋脊。18、螺旋脊始末部扁薄圆钝状结构。19、大于45°小于65°的α夹角。20、套式接头。
具体实施方式
具体实施本发明时，首先须按照本发明技术方案要求铸造相应型号的螺旋脊抽气管道，然后选择垂直高度1000m以上，坡度大于45°的陡峭山体设计建设蓝图。实施时，为保证铺设间断性螺旋脊抽气管道的坡度大于45°，可采取挖掘沟槽埋设或用钢筋水泥支柱空架跨越等措施建设。
各部件连接关系如图1所示：间断性螺旋脊抽气管道12上端尾部连接漏斗状管道13，并建造支架14，排气网、雨棚、避雷针15；间断性螺旋脊抽气管道12底端依次连接气流加热管11、电机室6、颈管5、气流引导管4、叶片式可调节闸门3、进气斗2、滤气网1及鼓风机16。发电机8用支架9牢固安装于电机室6中央，其叶轮7装置在颈管5中部。电机室6底部安装带活瓣的出水小管11。
以下是本发明的实施例：
例1设计建造一个2万千瓦功率的人造龙卷风发电站
首先，选择垂直高度1500m以上，坡度大于45°的陡峭山体作为铺设间断性螺旋脊抽气管道的基地，勘探线路、设计施工蓝图。按照本发明技术方案要求用硬塑料(如PVC等)铸造5m内空直径的螺旋脊抽气管道(中段3m铸造螺旋脊，两端各1m留空。管壁厚30cm，螺旋脊高50cm)，连接总长度约2000m(铺设后的垂直高度可达1500余米，大气温差值约10℃)，沿设计线路安装铺设，间断性螺旋脊抽气管道12外表面涂裹高效保温隔热材料。间断性螺旋脊抽气管道12高端尾部安装20～30m长的漏斗状管道13，漏斗状管道13末端建造排气网、雨棚、避雷针15。间断性螺旋脊抽气管道12低端连接热敏材料制作的气流加热管11，其内径略大于螺旋脊抽气管道12，长度可为10～15m，两端用石棉、陶瓷等隔热材料制作连接榫头(分别与间断性螺旋脊抽气管道和电机室连接)，管外壁引出电源线，管内壁安装压力感受器自动控制电源开关。电机室6用金属或硬塑料(如PVC)制造，呈圆筒形，具备有效的抗负压强度，其直径及长度须视2万千瓦功率发电机组的体积而定，要求安装发电机8后尚留有间断性螺旋脊抽气管道内空切面积两倍以上的空间使气流畅通，电机室6侧面贴地面处开启能容发电机进入的密闭门，便于发电机8的搬入及检修。颈管5处是空气流速最大处，用不锈钢制造，直径略小于螺旋脊抽气管道(4.95m)，长度以完全容纳发电机叶轮7后前段尚有1m为度。气流引导管4用硬塑料制造，壁厚15cm，直径5.5m，长度15m，与颈管5连接端呈弧形收口，前方末段正上方连接进气斗2，正前方末端接鼓风机16进风管。进气斗2下口与气流引导管4交界处安装叶片式可调节闸门3，叶片式可调节闸门3用不锈钢板制造，需要较大的抗压力强度，开启最大直径5.5m，设计为压力反馈自动控制型。进气斗2用硬塑料制造，壁厚15cm，高3m，上口直径6.5m，下口直径5.5m。发电机8向厂家定制，发电机8安装妥当后接出电源线到变电、输电系统即可试机。
根据流体力学公式即可计算出本实施例的功率：
N(功率)＝Q*ν*H*η
Q(流量)＝切面积*流速：
切面积：半径(5*1/2)的平方(6.25)乘3.1416得19.63(平方米)
流速：取龙卷风150m/秒的中速-80m/秒
流量：19.63*80＝1570.6(立方米/秒)
ν(空气重度)：取12.26(牛顿/立方米)
H(垂直高度)：1500m
η(效率)：取0.75
则
N＝1570.6*12.26*1500*0.75
 ＝21662500(w)→21662.5(千瓦)
如果地理条件允许，可平行铺设建造两条或多条5m内空直径的螺旋脊抽气管道，并安装相应的发电机组，组成一座功率较大的发电厂。
例2建造一座10万千瓦功率的人造龙卷风发电厂
首先，选择垂直高度(H)2500m以上，坡度大于45°的陡峭山体作为铺设间断性螺旋脊抽气管道12的基地，勘探线路、设计施工蓝图。按照技术方案要求用硬塑料(如PVC等)铸造9m内空直径的螺旋脊抽气管道12，其中段5.4m铸造螺旋脊17，两端各1.8m留空，管壁厚90cm，螺旋脊17高90cm。连接总长度3000m(铺设后的垂直高度约2500m，可达到16℃温差值)，沿设计线路安装铺设。间断性螺旋脊抽气管道12外表面涂裹高效保温隔热材料。间断性螺旋脊抽气管道12高端尾部安装30～50m长的漏斗状管道13，漏斗状管道13末端建造排气网、雨棚、避雷针15。间断性螺旋脊抽气管道12低端连接热敏材料制作的气流加热管11，其内径略大于螺旋脊抽气管道12内径，长度可为15～20m，两端用石棉、陶瓷等隔热材料制作连接榫头(分别与间断性螺旋脊抽气管道和电机室连接)，管外壁引出电源线，管内壁安装压力感受器自动控制电源开关。电机室6用金属或硬塑料(如PVC)制造，呈圆筒形，具备有效的抗负压强度，其直径及长度须视10万千瓦功率发电机组的体积而定，要求安装发电机8后尚有足够的空间让气流畅通，电机室6侧面贴地面处开启能容发电机8进入的密闭门，便于发电机8的搬入及检修。颈管5处是空气流速最大处，用不锈钢制造，直径略小于螺旋脊抽气管道(8.95m)，长度以完全容纳发电机叶轮7后前段尚有1.5m为度。气流引导管4用硬塑料制造，壁厚20cm，直径9.5m，长度30m，与颈管5连接端呈弧形收口，前方末段正上方连接进气斗2，正前方末端接鼓风机16进风管。进气斗2下口与气流引导管4交界处安装叶片式可调节闸门3，叶片式可调节闸门3用不锈钢板制造，需要较大的抗压力强度，开启最大直径9.5m，设计为压力反馈自动控制型。进气斗2用硬塑料制造，厚30cm，高5m，上口11m，下口9.5m。发电机8由厂家定制，发电机8安装妥当后接出电源线到变电、输电系统即可试机。
根据流体力学公式即可计算出本实施例的功率：
N(功率)＝Q*ν*H*η
Q(流量)＝切面积*流速：
切面积：半径(9*1/2)的平方(20.25)乘3.1416得63.62(平方米)
流速：取龙卷风150m/秒的中速-80m/秒
流量：63.62*80＝5089.6(立方米/秒)
ν(空气重度)：取12.26(牛顿/立方米)
H(垂直高度)：2500m
η(效率)：取0.75
则
N＝5089.6×12.26×2500×0.75
 ＝116997180(w)→116997.18千瓦
如果山形地理条件允许，可平行铺设建造两条或多条9m内空直径的间断性螺旋脊抽气管道，并安装相应的发电机组，组成一座功率较大的发电厂。
例如平行铺设4条9m内空直径间断性螺旋抽气管道，则可建成40万千瓦的大功率人造龙卷风发电厂。

Claims (9)

1.一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，主要包括间断性螺旋脊抽气管道(12)、漏斗状管道(13)、气流加热管(11)、电机室(6)、颈管(5)、气流引导管(4)、叶片式可调节闸门(3)、进气斗(2)、滤气网(1)、鼓风机(16)，其特征在于：间断性螺旋脊抽气管道(12)是由数节段中部3/5部分平行铸造三条凸向管腔的螺旋脊(17)之5～10m长的管道以套式接头(20)连接而成，该间断性螺旋脊抽气管道(12)以坡度大于45°的陡峭山体(图1)为载体斜形铺设或以高层建筑为附着物垂直搭建(12)，以地球大气对流层温差梯度所致的上升气流为原动力，以间断性螺旋脊全程引导上升气流生成高速气旋，从而产生龙卷风效应。
2.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：间断性螺旋脊抽气管道(12)高端连接漏斗状管道(13)，底端依次连接气流加热管(11)、电机室(6)、颈管(5)、气流引导管(4)、叶片式可调节闸门(3)、进气斗(2)、滤气网(1)、鼓风机(16)。
3.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：气流加热管(11)、电机室(6)、颈管(5)、气流引导管(4)为水平铺设，进气斗(2)的口朝正上方，鼓风机(16)在气流引导管(4)的正前方，发电机叶轮(7)位于颈管(5)中央。
4.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：凸向管腔的螺旋脊类似“V”字形(17)，其始末端(18)呈扁薄圆钝状，形似一侧剑锋。
5.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：北半球螺旋脊铸造为逆时针上升螺旋并引导产生逆时针气旋(图3)，南半球铸造为顺时针上升螺旋并引导产生顺时针气旋(图4)。
6.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：螺旋脊攀升线与管道横切水平线之夹角α(19)大于45°，小于65°(65°＞α＞45°)。
7.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：间断性螺旋脊抽气管道(12)表面涂裹高效保温隔热材料。
8.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：气流加热管(11)用高效热效应电阻材料制造，其两端及表面用石棉、陶瓷等隔热绝缘材料制作，并安装压力反馈调节电源开关。
9.根据权利要求1所述一种人造龙卷风发生装置及其发电方法，其特征在于：叶片式可调节闸门连接压力传感器，由管道内压力变化反馈调节其张缩。
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