EA007937B1 - Гелиоветроэнергетический комплекс - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к гелиоветроэнергетике, а точнее к способам преобразования солнечной энергии в механическую и электрическую энергию. Гелиоветроэнергетический комплекс создан на основе преобразования и аккумулирования солнечной энергии с получением тепловой энергии, посредством которой создается вращательное движение воздуха, как одного из видов рабочего тела энергопреобразования, для чего образованы тороидообразные воздухоускорительные каналы, расположенные один над другим, параллельно друг относительно друга и соединенные последовательно относительно движения энергонасыщающегося воздушного потока. Эти каналы имеют общую вертикальную ось симметрии, совпадающую с осью ветротурбины, сочленённой с электрогенератором, и воздухоотводящей трубы. В каждом из таких каналов устанавливается группа наклонных поверхностей, к которым одновременно подводятся управляемые тепловые потоки технологического рабочего тела, поступающего от теплопреобразователей солнечной энергии и аккумуляторов различного вида и потенциального уровня. В результате этого в образованных воздушных тороидообразных каналах создаются значительные температурные неоднородности, которые приводят к устойчивым вращающимся воздушным потокам как вдоль тороидообразных воздушных каналов, так и в их поперечных сечениях, приповерхностных зонах, с образованием вихревых движений. В тороидальных воздушных каналах вращающийся воздухопоток многократно проходит над наклонными воздухонаправляющими и теплогенерирующими поверхностями, и его энергетическое насыщение, в том числе кинетическая энергия, нарастают с каждым оборотом

Description

Настоящее изобретение относится к области создания энергоустановок на основе использования солнечной энергии.

Известен способ преобразования энергии солнечных лучей и естественного ветра как одного из конкретных проявлений солнечной энергии в окружающей среде в электрическую энергию, основанный на принципе поглощения солнечных лучей темной поверхностью, нагрева контактирующего с темной поверхностью воздуха и направления его в воздухоотводящую трубу через ветротурбину, сочленённую с электрогенератором (см. авт.св. СССР № 1415745, «Энергетическая установка», Η 03Ό 9/00, опубликованное 15.08.88г.)

Недостатком данного способа является малая эффективность использования принципов и конструктивных решений, посредством которых способ реализуется. В данном техническом решении применяют практически ламинарное прямолинейное движение рабочего тела - воздуха из окружающей среды через гелиопреобразующее пространство, содержащее тёмную поверхность и светопроницаемое теплоизолирующее покрытие, в ветротурбину. Такое движение воздушного потока не позволяет осуществлять его значительное энергетическое насыщение до входа в ветротурбину и придать ему характеристики, хорошо сопрягающиеся с процессом преобразования энергии воздушного потока в механическую энергию вращательного движения ветротурбины.

Известен способ преобразования солнечной энергии, изложенный во французской заявке «Коллектор солнечной энергии повышенной эффективности» (см. №2698682 Р 241 2/16, 2/20, 2/48, опубликованную 03.06.94г.), использующий поглощение солнечных лучей темной поверхностью, нагрев воздуха, контактирующего с темной поверхностью воздухопроницаемым гелиопоглощающим материалом, и его дальнейшее направление через ветротурбину. Данное техническое решение в своем конструктивном исполнении более эффективно, чем предыдущее, в связи с важным применением воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала. Однако и в данном случае не использованы принципы интенсификации движущегося воздушного потока, даже не использованы потенциальные возможности воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала для придания специальных динамических свойств движущемуся воздухопотоку.

Наиболее известным устройством, в котором используется такой способ преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, широко дискутируемым в научной и инженерной общественности, является электростанция «8о1ат СЫшепеу», введённая в эксплуатацию в 1990г. поблизости к городу Манзанарес в Испании, которое называют в русской терминологии «Солнечным камином» (см., например, Лысов В.Ф. «Аэротурбинные электростанции», «Энергия», 1991г., №6). Несмотря на значительные размеры солнечного коллектора (диаметр 245 м, высота 1-85 м) и воздухоотводящей трубы (диаметр 10 м и высота 195 м), достигнутая мощность установки составила всего лишь 36 кВт. На основании достигнутых результатов в подавляющем большинстве научных и инженерных оценок делается вывод о неэффективности способа преобразования солнечной радиации посредством использования нагреваемого воздухопотока, с привязкой к известным законам термодинамики.

Однако в данном случае обоснование такого отрицательного вывода со ссылкой на законы термодинамики несостоятельны. Во-первых, в данном техническом решении по использованию такого способа имеются конструктивные недостатки, связанные со слабостью конструкции солнечного коллектора, в котором не применена воздухопроницаемая гелиопоглощающая поверхность, не применены средства парообразования, например с применением культивируемых растений и водных резервуаров, способных дать дополнительный экономический эффект в рамках тепличного комплекса наряду с повышением интенсивности энергетического насыщения воздушного потока. Кроме того, подход к конструкции воздухоотводящей трубы оказался консервативным, приводящим к весьма высокой её стоимости, наряду с целым рядом других конструктивных недостатков. Во-вторых, в данном техническом решении также не осуществлены принципы вращательного движения воздушной массы и вихреобразования, а это можно было и можно теперь легко осуществить, имея в виду масштабные круговые формы созданного солнечного коллектора. В частности, движущемуся радиально воздухопотоку легко придать вращательное круговое движение и добиться наращивания скорости вращательного движения воздуха перед входом его в турбину и воздухоотводящую трубу. Кроме того, было бы целесообразно целенаправлено создать термическую неоднородность гелиопоглощающей поверхности, и за счет этого внести в воздушный поток дополнительные вращательные и вихревые процессы, что позволяет сообщить движущемуся воздушному потоку несравненно больший энергетический потенциал. В связи с таким анализом, приоткрывающим суть предлагаемого авторами технического решения, электростанция вблизи Манзанареса в Испании может ещё послужить прототипом для модернизированных высокоэффективных установок.

Принцип возможного применения вращательных вихревых движений воздуха для солнечных электростанций известен в теоретических разработках и отдельных попытках практической реализации (см., например, Соловьев А.А., Солодухин А.Д. «Конвективный вихрь-преобразователь солнечной энергии» Изв. АН БССР, сер. физ. энерг. наук, 1989, №1). Теоретические исследования показывают, что имеют место значительные возможности для наращивания эффективности преобразования солнечной энергии в механическую, если успешно создаются определённые условия для управления турбулентностью воздухопотока как рабочего тела в преобразовании солнечной энергии.

- 1 007937

Проект крупномасштабной гравитационно-тепловой электростанции предложен В.В. Кушиным (см., например: Кушин В.В. «Смерчи» М., Энергоатомиздат, 1993г.). Однако это предложение носит прежде всего теоретический характер, так как не излагает способа реализации, пригодного для реальных инженерных и экономических условий.

С учетом изложенного и разработанных теоретических основ вихреобразования в энергетических воздушных потоках, наиболее близким техническим решением к предложенному согласно изобретению является способ получения механической энергии, в котором действуют процессы с искусственной генерацией вращающегося течения (см. Роттег Ь.Л. Ро\усг Оеиега1ог υΐί1ίζίη§ Е1еуайоп-Тетрега1иге ΌίίίβτеиИа1». Патент США № 4187686 ΜΚυ Е0367/04, опубл. в 1977г.). В основе его реализации находится вертикально расположенный цилиндр, замкнутый сверху и снизу. В цилиндре-трубе, согласно указанному прототипу, возникают вращающиеся потоки восходящего тёплого воздуха (и нисходящего холодного, как в классической вихревой трубке). Хотя вихревые потоки содержат крупный энергетический потенциал, вывод нагретого вихревого воздухопотока из замкнутой трубы через соответствующие каналы связан со значительными потерями его кинетической энергии. И это является, наряду с другими недостатками, самым главным недостатком названного прототипа.

Поэтому задачей настоящего технического решения, согласно предполагаемому изобретению, является создание способа преобразования солнечной энергии на основе получения, посредством её теплового проявления, вращательного вихревого движения воздушной среды с высокой кинетической энергией на входе в ветротурбину, причем вход вихревого вращающегося воздушного потока во внутреннюю полость ветротурбины должен быть направлен под углом, близким к прямому, относительно ветропринимающих поверхностей лопастей, когда кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в механическую энергию вращательного движения ветротурбины с минимальными потерями. При этом в создаваемом способе должно быть найдено техническое решение, при котором воздушный поток, в процессе накопления в нём кинетической энергии, мог бы находиться под тепловым многомерным воздействием в течение достаточно продолжительного времени до входа в ветротурбину, что практически нереализуемо при вертикальном расположении трубы ограниченной протяженности, в которой происходит процесс накопления его кинетической энергии согласно названному прототипу.

Эти задачи в предложенном способе, согласно изобретению, нашли свой вариант решения.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия преобразования энергии солнечных лучей в механическую энергию, повышение экономической эффективности и достижение значительных мощностей промышленных гелиоэнергетических установок.

Частными техническими результатами предполагаемого изобретения, создающими техникоэкономические условия для обеспечения широкого строительства подобных гелиоэнергокомплексов в государственных масштабах, являются снижение величины капитальных затрат на единицу мощности в сравнении со стандартными ТЭЦ, ГЭС и АЭС, создание условий для использования больших по площади солнечных коллекторов для выращивания культивируемых растений в тепличных средах, для утилизации тепловых потерь, возникающих в смежных технологических процессах, а также снижение шумового воздействия гелиоэнергетических комплексов на окружающую среду и другие.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что относительно известных способов преобразования солнечной энергии в механическую энергию, основанных на поглощении солнечных лучей тёмными поверхностями твёрдых тел и жидкими средами, отделёнными от окружающего пространства светопроницаемым и теплоизолирующим материалом, и нагреве слоя воздуха, находящегося под ним и связанного с окружающим пространством через воздухозаборные средства, в связи с чем участки указанного воздушного слоя приобретают ориентированное движение благодаря конвективному процессу, проявление которого усиливается на локальных технологических участках средствами вихреобразования в нём, и образуют направленный воздушный поток от воздухозаборных средств через ветротурбину и воздухоотводящую трубу, что позволяет производить выработку механической энергии вращательного движения в ветротурбине, имеются отличия в том, что с помощью тепловой энергии, образовавшейся при термическом преобразовании солнечных лучей, приводится в непрерывное ускоряющееся вращение названный слой воздуха, охваченный светопроницаемым и теплоизолирующим материалом, вокруг вертикальной оси благодаря образованию в нем технологически последовательных горизонтальных воздушных кольцевых каналов тороидообразной формы, моделирующих энергетически активные воздуховоды управляемой длины, причём в течение каждого оборота воздушного слоя в его последовательных составных участках кольцевой формы, посредством совмещения в нем периодического импульсного теплового воздействия и плавных температурных градиентов, осуществляется наращивание скорости и энергии его вращательного движения с целевым образованием устойчивых процессов вихреобразования путем размещения в пространстве его вращения наклонных ветронаправляющих поверхностей, находящихся под управляемым многомерным тепловым воздействием, которые расположены на расстояниях друг от друга и содержат комплекс конструктивных элементов, в том числе участки поверхностей тел вращения, определяющих наиболее эффективные условия полезных вихреобразований, с применением дополнительных ветронаправляющих поверхностей, выполняющих, в частно

- 2 007937 сти, функции локальных ветропотолков, при этом от созданного вращающегося вихресодержащего воздухопотока отнимается в течение каждого оборота вокруг вертикальной оси часть его восполняемого объёма и накопленной энергии и направляется во входную полость турбины под углом, близким к прямому, относительно ветроприёмных поверхностей её лопастей с помощью сопрягающих аэродинамических устройств, а далее, с сохранением принципа вращательно-вихревого движения воздушного потока, в воздухоотводящую тяговую трубу, при этом управляемое тепловое воздействие на наклонные ветронаправляющие поверхности, обеспечивающие генерацию искусственного вращающегося вихресодержащего воздухопотока, осуществляется частью за счёт прямой солнечной радиации, поступающей через светопроницаемый теплоизолирующий материал, а другой частью - за счет управляемого подвода к ним потоков технологического рабочего тела от тепловых преобразователей и аккумуляторов солнечной энергии различной физической природы, причём преобразование ранее накопленной солнечной энергии в тепловые потоки рабочего тела осуществляется преимущественно за пределами названного светопроницаемого теплоизолирующего материала. Такое техническое решение, согласно предполагаемому изобретению, позволяет через воздухозаборные средства, снабжённые, например, воздухопроницаемым материалом с ориентированными под соответствующим углом к радиальным направлениям солнечного коллектора воздухопроводящими порами или проходными каналами, направлять и закручивать воздух или приземный естественный ветер в первом из названных последовательных составных участков - воздушных каналов кольцевой формы, образующих совместно слой воздуха, заключённый между гелиопоглощающими поверхностями, наклонными ветронаправляющими поверхностями с регулируемой температурой и светопроницаемым, теплоизолирующим материалом. Воздушный поток, получивший начальную скорость вращения вокруг оси воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины, поступает на наклонные ветронаправляющие поверхности, находящиеся под управляемым тепловым воздействием, и приобретает приращение скорости преимущественно в направлении своего движения под углом, по меньшей мере, к горизонтальной плоскости. За счёт локальных ветропотолков, образованных над каждой такой наклонной нагреваемой поверхностью, или общего ветропотолка для всех таких поверхностей, расположенных в составных участках слоя воздуха кольцевой формы, отражается ускоренный воздушный поток под технологически необходимым углом, вплоть до уровня пола. В таком случае ранее ускоренный воздушный поток поступает на следующую наклонную нагреваемую поверхность и так далее, делая ряд круговых оборотов с последовательным ускорением в каждом воздушном кольцевом канале, моделирующем воздухопровод бесконечной, а фактически - необходимой значительной и управляемой длины, соответствующей управляемому количеству оборотов воздушного потока в воздушном кольцевом канале.

Постепенно ускоряющийся воздушный поток поднимается на верхний уровень воздушного кольцевого канала, где его энергосодержание уже существенно повышено. С этого уровня часть вращающегося воздушного потока поступает через соответствующие проёмы в следующий такой же канал, расположенный параллельно первому на определённом расстоянии по высоте от пола, где также расположены аналогичные или функционально подобные наклонные воздухонаправляющие поверхности, с управляемым многомерным формированием температуры на них, а диаметр вращающегося водухопотока в нём может иметь меньшую величину, чем в предыдущем случае, или оставаться прежнего размера. Количество воздушного потока, с определённым объёмом и энергосодержанием, которое поступает из предыдущего кольцевого канала в последующий, регулируется соответствующими автоматическими устройствами, варианты исполнения которых являются предметом отдельных технических решений. В частности, воздушные кольцевые каналы могут располагаться один над другим, образуя вертикальную сборную конструкцию под ветротурбиной.

В связи с нестационарностью теплового воздействия импульсного характера на вращающийся воздушный поток, а также благодаря созданию плавных температурных градиентов в его поперечных и продольных сечениях, принцип которого будет пояснен ниже, в нём возникают устойчивые сопутствующие процессы вихреобразования. Формы и расположение осей этих вихрей определяются созданными термодинамическими характеристиками воздушного кольцевого канала, в том числе формами наклонных ветронаправляющих поверхностей, их температурными градиентами и расстояниями между ними. Например, последние могут выполняться по их длине или в конце их в форме цилиндрических и конических поверхностей, содержащих вспомогательные завихряющие аэродинамические приспособления. Ориентация и мощность создаваемых вихрей зависят от их технологического назначения. Одним из наиболее важных технологических назначений создаваемых вихрей в воздушных кольцевых участках от воздухозаборных средств до сопрягающих аэродинамических устройств, расположенных перед ветротурбиной с вертикальной осью, - является создание вращения воздухопотоков в плоскостях, перпендикулярных поверхностям воздушных кольцевых каналов. В этом случае ускоряемый воздушный поток вращается вдоль кольцевого воздушного канала и поперёк него, то есть одновременно в горизонтальных и вертикальных его сечениях.

В связи с созданием в воздушном слое под светопроницаемым и теплоизолирующим материалом высокоскоростных вихревых движений воздуха и вместе с тем целесообразностью использования гелиопоглощающих поверхностей больших площадей для тепличного возделывания культивируемых расте

- 3 007937 ний, возникает необходимость изоляции последних от создаваемых ветропотоков, например, за счет образования ветропотолков, с вентиляционным вытягиванием тёплой и влажной воздушной среды теплиц посредством этих же ветропотолков или отдельных ветроканалов, и энергетическим использованием их. Этому процессу способствует технологический подъём воздухопотоков и воздушных кольцевых каналов по мере повышения температуры воздуха от днища у периферии солнечного коллектора до значительной высоты в его центральной части, перед поступлением вращающегося вихресодержащего воздухопотока через сопрягающие аэродинамические устройства в ветротурбину.

Из этого следует, что техническое решение согласно предполагаемому изобретению имеет и другие отличия, кроме названных выше.

В частности, отличие состоит также в том, что создаются посредством светопроницаемого и теплоизолирующего материала технологические поверхности, например, цилиндрической формы заданной высоты, охватывающие ось воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины, и плотно соединяющие их сверху и снизу поверхности, например, в виде плоских колец, которые образуют совместно ветронаправляющие, в частности, светопроницаемые потолки, стенки и полы воздушных кольцевых каналов, расположенных параллельно друг к другу и с нарастающей высотой их размещения от периферии к ветротурбине, в которых устанавливают наклонные ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности, значения температуры которых задаются и регулируются созданными за счет применения различных форм преобразования и аккумулирования солнечной энергии энергетическими потоками технологического рабочего тела различной тепловой интенсивности, при этом для получения последних применяются, например, автономные солнечные тепличные комплексы, покрытые светопроницаемым и теплоизолирующим материалом, открытые водоёмы, содержащие воду с естественной температурой, равной или превышающей 4°С, установки для утилизации растительных и пищевых отходов, образующихся в окружающей среде, и бытовых отходов как продуктов жизнедеятельности в ней, которые совместно позволяют создать спектр потоков технологического рабочего тела различной тепловой интенсивности, при этом производится последовательное, от одного кольца воздушного канала к другому, повышение тепловой интенсивности наклонных ветронаправляющих поверхностей, в результате чего скорость вращающегося воздухопотока последовательно нарастает от периферии к сопрягающим аэродинамическим устройствам, расположенным перед ветротурбиной, при этом на теплогенерирующие наклонные ветронаправляющие поверхности подаются нагретая вода, пар и вспомогательный воздушный поток, проходящий через последнюю струями малого поперечного сечения, посредством чего осуществляется режим эффективного вспомогательного парообразования, способствующий ускорению энергетического насыщения вращающегося вихресодержащего воздушного потока в созданных воздушных кольцевых каналах.

Кроме того, имеются отличия и в том, что сопрягающие аэродинамические устройства создаются посредством применения наклонных теплогенерирующих и ветронаправляющих поверхностей, плавно сопряженных между собой таким образом, что их суперпозиция образует определяемые технологическими вариантами воздухоускоряющие и ветронаправляющие поверхности, например, в виде конически сужающихся винтовых аэродинамических поверхностей, в том числе с уменьшением угла их подъема вдоль вертикальной оси по мере приближения участков воздушного канала ко входной полости ветротурбины, причём винтовые аэродинамические поверхности отделяются от окружающего пространства посредством воздухонепроницаемых теплоизолирующих конструкций с применением материалов и профилей, формирующих внутренние аэродинамические поверхности по условиям минимизации силы трения движущегося к ветротурбине высокоскоростного, вращающегося вокруг её оси, воздухопотока, при этом внешним энергетическим потокам, подводимым к аэродинамическим винтовым поверхностям, сообщается максимальный потенциальный уровень и подводятся к последним мелкодисперсные струи или посредством горячего воздухопотока микрочастицы горячей воды, за счёт чего посредством активного вспомогательного парообразования ускоряется финишное вращательно-поступательное движение воздушного потока и обеспечивается попадание микрочастиц воды на ветропринимающие поверхности лопастей ветротурбины, за счет чего возбуждаются на них поле микровихрей и квазикавитационные процессы в них.

Для пояснения технических решений, раскрывающих суть предполагаемого изобретения, приведены следующие чертежи.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразования солнечной энергии в механическую энергию как исходная база для дополнительной установки устройств, обеспечивающих последовательное повышение эффективности способа согласно предполагаемому изобретению.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема термодинамического завихрения воздушного потока, посредством которой достигается ускорение движения воздуха, создание ускоряющегося вращения воздушного потока вокруг оси воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины и вихревых потоков, способствующих энергетическому насыщению воздушного потока.

На фиг. 3 приведена дополнительная схема для пояснения процесса энергетического насыщения воздушного потока.

На фиг. 4 показан принцип последовательной передачи вращательного движения воздухопотока от

- 4 007937 одного воздушного кольцевого канала к другому и подачи его на вход ветротурбины.

Способ осуществляется следующим образом.

Гелиопоглощающая поверхность 1 (фиг. 1) обтекается в сходящихся радиальных направлениях через воздухозаборные средства 2 воздушным потоком 3, поступающим из окружающего пространства во внутреннюю полость солнечного коллектора, образованного светопроницаемым и теплоизолирующим материалом 4 и гелиопоглощающей поверхностью. Внутренняя полость солнечного коллектора содержит слой воздуха 3, который выполняет функции основного рабочего тела в процессе преобразования энергии солнечных лучей 5 в механическую энергию вращательного движения лопастей ветротурбины 6. Гелиопоглощающая поверхность 1 может включать в себя грунтовые возделываемые участки, резервуары с водой, тёмные поверхности твёрдых тел, которые могут располагаться на различных уровнях по высоте и на различных радиальных расстояниях от оси 7 воздухоотводящей тяговой трубы 8, иметь различные локальные, технологически обоснованные, формы.

Солнечные лучи 5, поступая на гелиопоглощающие поверхности 1 через светопроницаемый теплоизолирующий материал 4, преобразуются в тепловую энергию и нагревают слой воздуха 3. За счёт конвективного процесса нагретый слой воздуха постепенно поднимается вверх и уходит через дополнительные устройства, которые на фиг. 1 не показаны, и через ветротурбину 6 в верхние слои атмосферы над воздухоотводящей тяговой трубой, восполняя свой объем от приземного окружающего пространства через воздухозаборные средства 2.

Если гелиопоглощающие поверхности 1 выполнены так, что нагрев воздуха в солнечном коллекторе осуществляется достаточно равномерно, то в реальных условиях солнечной радиации воздушный поток продвигается через воздухозаборные средства, внутреннюю полость солнечного коллектора и воздухоотводящую тяговую трубу по законам ламинарного течения. В этом случае возникающая тяга в воздухоотводящей трубе и атмосфере над трубой является минимальной, так же как и скорость воздушного радиального потока во внутренней полости солнечного коллектора, потому что рассматриваемый конвективный процесс отличается инерционностью. Последнее характеризует собой лишь начальную стадию реализации способа. При такой организации воздушных потоков площадь гелиопоглощающей поверхности, размеры солнечного коллектора и высота воздухоотводящей тяговой трубы при заданной проектной мощности гелиоэнергетической установки должны быть значительно увеличены.

Если же гелиопоглощающая поверхность 1 выполнена таким образом, что нагрев воздуха под светопроницаемым и теплоизолирующим материалом характеризуется значительной неоднородностью, со значительными градиентами температур, то в слое движущегося воздуха, от воздухозаборных средств к ветротурбине, возникают турбулентные вращательные движения, вихревые потоки. Последние могут, практически полностью, ликвидировать инерционность теплопередачи в движущуюся воздушную среду, что является весьма важным положительным фактором, повышающим эффективность способа согласно предполагаемому изобретению. Однако интенсивное температурное насыщение движущегося в ветротурбину воздуха всё же не является достаточным условием для вполне удовлетворительного увеличения эффективности преобразования солнечной энергии в механическую, так как температура проходящего через ветротурбину воздуха оказывает лишь косвенное влияние на величину усилий, действующих на её лопасти. В основу технического решения согласно предполагаемому изобретению дополнительно положена необходимость преобразования с минимальными потерями температуры гелиопоглощающих поверхностей (в более общем виде - нагретых поверхностей) в высокоскоростной вращающийся воздухопоток, направляемый на лопасти ветротурбины под углом, близким к прямому (под оптимальным углом, с учётом процессов отражения ветропотока от убегающей поверхности лопасти на набегающую). Ускорению вращающегося воздухопотока также в значительной мере способствует правильно организованные в нем вихревые потоки, в том числе и за ветротурбиной.

На фиг. 2, 3 в соответствии с такой концепцией представлены системные технологические схемы и средства, которые обеспечивают создание устойчивых укоряющихся вращательных движений воздушного потока и вихреобразований в них. Посредством предложенных технологических схем и средств достигается возможность осуществлять в заданных координатах слоя воздуха, как рабочего тела энергопреобразования, вращательные и вихревые движения его с заданной ориентацией осей вращения. Так как ветротурбина в рассматриваемом случае имеет вертикальную ось вращения, то основное энергетическое движение воздуха должно представлять собой его горизонтальное вращательное движение вокруг вертикальной оси 7, с последовательным накоплением в нём кинетической энергии от оборота к обороту. Среди локальных вращательных движений со значительными угловыми скоростями - вихревых движений технологические схемы и средства позволяют создать по меньшей мер, три их типа:

- вихри, возникающие в плоскостях, перпендикулярных основному вращающемуся воздухопотоку (вокруг оси воздухоотводящей трубы и ветротурбины), которые содействуют ускорению движения последнего, как это осуществляется при полёте пули за счёт её вращения в плоскости, перпендикулярной траектории полёта;

- вихри, возникающие вблизи гелиопоглощающих поверхностей, вокруг осей, перпендикулярных и параллельных им, которые способствуют ускорению преобразований температуры поверхностей в приращение скорости основного воздушного вращающегося потока и снижению сил трения между ними;

- 5 007937

- вихри, возникающие у поверхностей светопроницаемого и теплоизолирующего материала или сопрягающих аэродинамических устройств, которые обеспечивают снижение коэффициента трения между движущимися потоками воздуха и контактирующим с ними материалом.

Могут создаваться и другие вихревые движения воздуха, имеющие свои специальные технологические назначения. Вихри должны создаваться в качестве сопутствующих технологическим процессам, а те вихри, которые возникают самопроизвольно и приводят к энергетическим потерям, должны подавляться.

Процесс организации вращательно-вихревых движений воздушного потока начинается с прохождения воздуха 3 через воздухозаборные средства 2 (фиг. 2), которые снабжены устройствами 9 для придания кругового (начального вращательного) движения воздуха. Данные устройства могут быть выполнены посредством пластин из плоского жёсткого материала, поверхности которых расположены ориентировочно под углом 45° к радиальным направлениям. Так как воздухозаборные средства 2 размещены по периферии гелиопоглощающей поверхности с промежутками или непрерывно, воздушный поток поступает в солнечный коллектор с различных сторон, и создаётся начальное вращательное движение слоя воздуха на периферии относительно гелиопоглощающей поверхности. Воздухонаправляющие устройства 9 могут быть размещены и на определённых расстояниях от периферии солнечного коллектора, ближе к центру энергетического преобразования, в зависимости от конструкции воздухоускоряющих каналов. Если имеет место естественный приземный ветер, поступающий в воздухозаборные средства 2 с определённого пространственного направления, то скорость начального вращательного движения воздуха может быть существенно большей или даже весьма значительной, требующей ограничения.

Далее воздушный поток 3 с начальной скоростью вращения поступает на наклонные ветронаправляющие поверхности 10, которые размещены на схеме (фиг. 2) по кругу в количестве 5 шт. в виртуально сформированном первом воздушном кольцевом канале. Все наклонные ветронаправляющие поверхности генерируют тепловую энергию в набегающий поток, благодаря воздействию на них солнечных лучей 5, поступающих через светопроницаемый теплоизолирующий материал 4, и подключению к ним энергетических каналов 11, которые подводят с заданной температурой технологическое рабочее тело (например, воду) от аккумуляторов или источников тепловой энергии, получаемой посредством солнечной радиации и соответствующих промежуточных преобразований её за пределами светопроницаемого, теплоизолирующего материала (на фиг. 2 этот технологический комплекс не показан).

Вращающийся воздушный поток 3, воспринимая тепловое воздействие от наклонных ветронаправляющих поверхностей, получает приращение скорости, вектор которого складывается из конвективного вертикального направления и компоненты движения вдоль наклонных ветронаправляющих поверхностей 10, а также с учётом угла отражения воздухопотока. Движущийся далее, получивший ускорение воздушный поток 3 отражается от общего ветропотолка, функции которого выполняет теплоизолирующий материал, или от локальных, снабжённых, в частности, криволинейными поверхностями ветропотолков, расположенных над каждой наклонной ветронаправляющей теплогенерирующей поверхностью 10, по направлению движения ветропотоков. В результате этого воздушный поток 3 после прохождения над каждой такой поверхностью 10 может быть ориентирован строго горизонтально или с определённым наклоном вверх или вниз. Кроме того, каждая из таких поверхностей 10 с ветропотолком может быть выполнена в виде цилиндрических или конических поверхностей или содержать в композиции элементы различных поверхностей, способствующих возникновению вращательного вихревого движения в плоскостях, перпендикулярных вращающемуся воздушному потоку под теплоизолирующим материалом вокруг оси 7 воздухоотводящей трубы 8 и ветротурбины 6. Возникновению такого вращательно-вихревого движения способствуют сформированные градиенты температуры на указанных поверхностях 10, а также подведение к ним воды в виде микрочастиц или тонкого стекающего слоя и барботирующего воду специально организованного вспомогательного воздухопотока и технологически заданных градиентов температуры вдоль всего воздушного кольцевого канала. Градиенты температуры на наклонных ветронаправляющих поверхностях в продольном и поперечном направлениях создаются за счет задания определённых градиентов плотности подводимого к ним энергетического потока одного потенциального уровня и/или использования технологического рабочего тела различных потенциальных уровней, в том числе из водоёмов при естественной температуре (например, для формирования температурного уровня ветропотолков, в частности, локальных).

Вследствие применения подобных технологических схем и средств воздух 3, поступая через воздухозаборные средства 2 и приобретая начальное вращательное движение, делает целый ряд оборотов над наклонными воздухонаправляющими и теплогенерирующими поверхностями 10 в первом воздушном кольцевом канале, получая в процессе каждого оборота импульсы кинетической и тепловой энергии. В переходном процессе кинетическая энергия вращающегося вихресодержащего воздушного потока за каждый его оборот нарастает. Когда наступает установившийся вращательно-вихревой процесс, количество поступающей в кольцевой канал за каждый оборот ветропотока вокруг оси 7 энергии равно количеству отводимой энергии (в виде его объёма, скорости и температуры) во второй воздушный кольцевой канал, технологически последующий за первым. Во втором воздушном кольцевом канале также размещены функционально аналогичные наклонные ветронаправляющие, теплогенерирующие поверхности 12. Последние могут отличаться от рассмотренных выше поверхностей 10 геометрическими параметрами

- 6 007937 и формами, величиной подводимой к ним тепловой энергии, но технологическое назначение их сохраняется. Они во втором воздушном кольцевом канале обеспечивают дальнейшее повышение во вращающемся воздушном потоке (вокруг оси 7) кинетической энергии.

На фиг. 3 показан процесс энергетического насыщения воздухопотока 3 в воздушном кольцевом канале путем последовательного перехода воздушного потока от одной наклонной ветронаправляющей, теплогенерирующей поверхности 10 (12) к другой. При этом показано, что энергетические каналы подачи рабочего тела присоединены к регуляторам 13 скорости последнего, а через них - к теплоаккумуляторам или другим источникам тепловой энергии 14, которые расположены, в основном, за пределами светопроницаемого и теплоизолирующего покрытия 4. Таким образом задаётся и регулируется температурный режим поверхностей 10 (12), чем главным образом определяются режимы вращательных и вихревых движений воздухопотока 3. На приведенных фигурах движение воздуха в вихревых процессах не показано. В приведенной схеме энергетического насыщения воздушного потока иллюстрируется многократное прохождение воздуха над поверхностями 10 (12) и отражение его от ветронаправляющих потолков 15 (которые могут иметь температуру значительно более низкую, чем температура вращающегося воздухопотока).

Средства образования градиентов температуры в продольном и поперечном направлениях поверхностей 10 (12) на графических иллюстрациях также не показаны. В одном из вариантов ветронаправляющие поверхности 10 (12) могут иметь у входной части форму конической воронки с наклонной осью, куда направляется верхний слой движущегося воздушного потока и опускается вначале по конической поверхности вниз, до следующего подъема на среднем и верхнем участках поверхностей 10 (12).

Если поверхность конической воронки находится под воздействием технологического рабочего тела с пониженной температурой (например, посредством воды, подведенной из естественного водоема), то воздушный поток, заходя в нее, приобретает дополнительное ускорение по наклону вниз за счет охлаждающего температурного воздействия. Затем он приобретает дополнительное ускорение при движении наклонно вверх на участках поверхностей 10 (12) со значительно повышенной температурой. Если же при этом, например, с левой стороны конической воронки температура ее поверхности плавно снижается сверху вниз, а с правой стороны поднимается снизу вверх, (таким образом создается градиент температуры, подводимой холодной и горячей водой), то ускоряющийся вниз воздушный поток получает и ускоряющееся вращательное движение против часовой стрелки. В средней и верхней частях поверхностей 10 (12), где температура значительно повышена, кроме аналогичного режима может быть создан и режим вспомогательного парообразования с ускорением подъема и завихрения против часовой стрелки движущегося воздушного потока. В частности, для создания процесса вспомогательного парообразования под поверхностями 10 (12) могут быть созданы водяная и воздушная рубашки, посредством которых барботирующий воздух с частицами воды и пара проходит наружу поверхностей 10 (12) с определенным угловым направлением.

Вариантов реализации продольных и поперечных градиентов температуры поверхностей 10 (12) и их геометрических форм существует весьма много, поэтому останавливаться на них более подробно, с иллюстрациями, нецелесообразно применительно к рассматриваемому способу. Принципиально важно, что в движущемся вращающемся воздушном потоке необходимо прежде всего наращивать кинетическую энергию, а не температуру.

На фиг. 4 показана схема последовательного термодинамического ускорения вращательного движения воздухопотока с последовательным переходом его из одного горизонтального воздушного кольцевого канала к другому (их показано три: I, II, III), а затем - через вертикальный канал IV на вход ветротурбины 6 и далее в воздухоотводящую тяговую трубу 8. В каждом из каналов I, II, III, в данном примере, установлены наклонные ветронаправляющие, а также теплогенерирующие поверхности 10, 12, 16. Последние могут устанавливаться в каждом канале в один ряд, в необходимом количестве, с расположением этих рядов на различных уровнях по высоте. Если требуется высокая мощность преобразования солнечной энергии, то в каждом воздушном кольцевом канале может устанавливаться по нескольку рядов подобных поверхностей 10, 12, 16. Солнечные лучи 5 и блоки гелиотеплоаккумуляторов и/или других источников тепловой энергии 14, каждый из которых может иметь различные температурные уровни, нагревают наклонные ветронаправляющие поверхности 10, 12, 16, и последние становятся теплогенерирующими на различных потенциальных уровнях тепловой энергии, с заданными температурным градиентами на них.

При рассмотрении технологических аспектов по фиг. 2, 3 указывалось, что воздушные кольцевые каналы имеют виртуальный характер. Это означает, что за счёт размещения поверхностей 10, 12, 16, выбора их формы и температурных режимов создается вращательное движение воздушной среды вокруг оси 7 с технологически целесообразными процессами вихреобразования в воздушных кольцевых каналах, которые не разделены материальными перегородками. Однако при определённой мощности преобразования солнечной энергии начинает отрицательно сказываться взаимное влияние рядом движущихся воздушных потоков с различными энергетическими характеристиками, создаются условия для развития паразитных вихревых процессов. Кроме того, в случае значительных площадей солнечных коллекторов необходимо использование возможно большей части их наземной поверхности в агропромышленных и

- 7 007937 других целях. Мощные воздушные потоки и в этом случае являются помехой. Поэтому на фиг. 4 показан принцип образования воздушных кольцевых каналов с помощью цилиндрических поверхностей 17 и ветропотолков 15 из светопроницаемого и теплоизолирующего материала. Переход части объёма воздушного потока из одного канала (I, II,III, IV) в другой в течение каждого его оборота осуществляется посредством проёмов 18 и вспомогательных устройств, которые на фиг. 4 не показаны. Горизонтальные поверхности - «полы», изолирующие каналы I, II, III, IV снизу, также не иллюстрируются, но они преимущественно изготавливаются - с применением светопроницаемых и теплоизолирующих материалов.

Канал IV содержит поднимающуюся винтовую поверхность 19, которая выполнена за счёт установки с аэродинамическим сопряжением наклонных ветронаправляющих теплогенерирующих поверхностей. Суперпозиция последних позволяет образовать движущийся вертикально, вдоль оси 7, воздушный вращающийся (вокруг этой оси 7) вихревой поток, поступающий в ветротурбину 6 и далее - в воздухоотводящую тяговую трубу 8.

Винтовая аэродинамическая и термодинамическая поверхность 19 отделяется от окружающего пространства посредством теплоизолирующего пустотелого конуса (или усеченной пирамиды) 20, внутренняя поверхность которого, также как и сама поверхность 19, выполняется из материалов с приданием им специального рельефа, которые обеспечивают значительное снижение энергетических потерь на трение.

Способ, согласно преполагаемому изобретению, может иметь конкретную реализацию также с применением размещения каналов I, II, III, IV вертикально друг над другом, что содействует реализации наиболее выгодного перемещения воздухопотока из канала в канал - по вертикали (с соблюдением того же принципа, показанного на фиг. 4). При этом боковые поверхности каналов могут выполняться равными в поперечных сечениях, иметь вид цилиндров или многогранных призм, пирамид с несветопроницаемыми «днищами» и «потолками» и т. п.

Устройство, реализующее предложенный способ преобразования солнечной энергии, представленное в упрощенном виде на фиг. 1, 2, 3, 4, работает следующим образом.

Гелиопоглощающая поверхность 1 в виде грунтовой поверхности с культивируемыми растениями, дополнена темными поверхностями 10, 12, 16, образованными плоскими пластинами, выполненными из стальных листов. Эти поверхности своим первым ярусом располагаются на грунтовом основании под углом 45° к горизонтальной плоскости и нагреваются под действием солнечной радиации (лучами) 5, проходящей через светопроницаемый материал 4, а также путем подвода к ним энергетических каналов, через которые подается нагретое рабочее тело, в качестве которого применена, например, вода.

Рабочее тело, протекая через теплопроводящие каналы, например, металлические трубы, в частности, прикреплённые к стальным листам, образующим поверхности 10, 12, 16, создает технологически заданные температурные градиенты вдоль и, в частности, поперек проходящего воздушного потока. Указанные металлические трубы и возможное закрепление их относительно поверхностей 10, 12, 16 на графических иллюстрациях не показаны (эти вихрегенерирующие поверхности могут образовывать и сами трубные радиаторы).

Воздух 3 через воздухозаборные средства 2 поступает под светопроницаемый теплоизолирующий материал 4, представляющий собой, например, полимерную пленку, связанную с более мощной строительной основой, в самых различных теплоизолирующих исполнениях, под углом к радиальным направлениям таким образом, чтобы он получал первоначальное вращательное движение вокруг оси 7 воздухоотводящей тяговой трубы 8 и ветротурбины 6. Это достигается за счет размещения в ветрозаборных средствах 2 плоских металлических пластин 9 под углом 45° относительно радиальных направлений от периферии к оси 7. В данном конкретном устройстве применено 5 наклонных ветронаправляющих поверхностей 10, а количество воздухозаборных средств 2, размещенных по кругу относительно оси 7, установлено по меньшей мере 5.

Воздух в процессе первоначального вращательного движения, поступает на наклонные ветронаправляющие и теплогенерирующие поверхности 10, поднимается по ним и получает приращение скорости. Ускоренный таким образом воздушный поток, движущийся под углом к горизонтальной плоскости, достигает ветронаправляющего потолка 15 (фиг. 3) и отражается на исходный уровень, ко входу на следующую поверхность 10. Этот процесс повторяется многократно, и образовавшийся воздушный поток делает несколько оборотов вокруг оси 7 над поверхностями 10. В результате этого он в образовавшемся воздушном кольцевом канале 1 (фиг. 4) приобретает технологически заданную величину кинетической энергии, часть которой в течение каждого оборота передается в виде объема и скорости воздушного потока в следующий воздушный канал II, в котором размещены аналогичные поверхности 12 на более высоком уровне вдоль вертикальной оси 7.

Температурный градиент, созданный в поперечном направлении на поверхностях 10 за счет распределения удельной плотности нагретого потока рабочего тела, создает условия для возникновения вихревого воздушного движения в плоскостях, перпендикулярных направлению движения воздушного потока вокруг оси 7. Это вихревое движение ускоряет процесс энергонасыщения вращающегося воздухопотока вокруг оси 7 и оформляет геометрически его поперечное сечение в общей воздушной среде под светопроницаемым и теплоизолирующим материалом 4.

Аналогичные технологические процессы происходят в каналах II, III (фиг. 2,3,4), в которых после

- 8 007937 довательно, от канала к каналу, нарастает энергетическое насыщение воздушного потока, в том числе его кинетическая энергия и температура.

На фиг. 4 показано, что часть вращающегося воздушного потока переходит (в течение каждого оборота) от предыдущего воздушного кольцевого канала в последующий через проемы 18 в цилиндрических ветронаправляющих стенках 17. Последние обозначают конструктивные границы каналов I, II, III и к ним прикреплены ветропотолки 15 и днища каналов (эти днища не фигурах не показаны). В других конструктивных вариантах проемы 18 могут выполняться в «потолках», «днищах» каждого из кольцевых каналов, а также иметь более сложную форму, соответствующую пересечению поверхностей тел вращения.

Стенки, ветропотолки и днища в каналах I, II, III выполнены, например, посредством полимерной пленки или тонкого упрочненного стекла, соединенных с прочной теплоизолированной строительной основой. Светопроницаемые стенки, ветропотолки и днища могут выполняться, в частности, в сферической форме, и в таком случае созданные поверхности воздушных кольцевых каналов образуют пустотелые тороиды с управляемыми, усложненной формой, проемами 18 между ними, при этом внутри пустотелых тороидов происходит накопление кинетической энергии вращающихся воздухопотоков, для чего тороидальная поверхность кольцевых каналов может быть соединена с термодинамическими наклонными поверхностями в единую конструкцию.

Например, наклонные ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности 12, 16, поднятые над грунтовой поверхностью на опорных стойках, могут выполняться посредством композиции поверхностей тел вращения и встраиваться как составные элементы поверхностей тороидальных воздушных каналов II, III. На их внутренних поверхностях может создаваться, кроме градиента температуры, также рельеф, способствующий вихреобразованию в поперечном направлении и над ними, то есть созданию микровихрей, снижающих потери на трение и ускоряющих процессы теплопередачи.

На фиг. 4 представлен процесс перехода воздухопотока из горизонтального канала III в вертикальный канал IV, примыкающий в верхней части ко входу в ветротурбину 6.

Внутри энергетического воздушного канала IV размещена винтовая поверхность 19, поднимающаяся вдоль оси 7 с уменьшающимся кверху углом подъема, в частности.

Винтовая поверхность 19 термически отделена от окружающего пространства конической или пирамидальной поверхностью 20, образованной теплоизолированным металлическим конусом или усеченной многогранной пирамидой, с минимизированным сопротивлением движению воздушного потока.

Регулируемое количество вращающегося воздухопотока и, следовательно его энергии, поступают из канала III в канал IV посредством управляемых передающих устройств (с функциональным назначением типа акселератора), которые графически не иллюстрируются. На положение этих устройств, при заданном отборе мощности в турбину, существенное влияние имеют конкретные условия тяги в воздухоотводящей трубе 8. Объем вращающегося воздуха, отнимаемый из канала III в ветротурбину 6, саморегулирующимся процессом передается через каналы II, I до воздухозаборных средств 2, которые также снабжены средствами регулирования подачи воздуха (на случай естественного ветра повышенной скорости), что также не иллюстрируется.

Для увеличения скорости вращения и подъема воздушного потока вдоль термоаэродинамической винтовой поверхности 19, на последнюю описанным выше путем или посредством форсунок подаются мелкие струи или капли нагретой воды, за счет чего создается режим вспомогательного парообразования повышенной интенсивности. На ветроприемные поверхности лопастей ветротурбины 6 нанесено, в частности, поле лунок диаметром около 2 мм и глубиной 1 мм, что графически также не иллюстрируется. Это приводит, благодаря созданному режиму высокоскоростного воздухопотока, к образованию на поверхностях лопастей ветротурбины поля микровихрей. Частицы воды, попадающие в такие микровихри с воздушным потоком, оказываются в режиме микрокавитации, и за счет квазикавитационного процесса увеличивается передача энергии воздухопотока к ветротурбине. Такой режим не приводит к кавитационным повреждениям лопастей ветротурбины.

Вышеизложенное подтверждает возможность реализации предложенного технического решения, согласно предполагаемому изобретению. Вариантов по реализации предложенного способа существует много.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа достигается при реализации п.1 формулы изобретения, однако реализация всех пунктов формулы позволяет существенно повысить эффективность преобразования солнечной энергии в механическую и электрическую.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Гелиоветроэнергетический комплекс, образованный путем отделения части земной поверхности и воздушной среды от окружающего пространства светопроницаемым и теплоизолирующим материалом и содержащий воздухозаборные средства;

   вертикально расположенную воздухоотводящую трубу;

   - 9 007937 гелиотеплопреобразователи, теплогенерирующие и теплоаккумулирующие установки и сооружения как источники тепловой энергии;

   ветротурбину, расположенную в основании воздухоотводящей трубы;

   сопрягающие аэродинамические средства, расположенные перед ветротурбиной;

   каналы термоаэродинамического преобразования энергонасыщенного воздухопотока, проходящего от ветрозаборных средств через аэродинамические средства и вращаемую им ветротурбину в воздухоотводящую трубу, размещенные вертикально друг над другом, при этом по меньшей мере часть аэродинамических средств содержит расположенные в них наклонные термоаэродинамические воздухонаправляющие поверхности с элементами поверхностей тел вращения, которые подключены с помощью теплопередающих каналов к внешним источникам тепловой энергии через регуляторы их температуры, при этом воздухозаборные средства снабжены поворотными ветронаправляющими устройствами, создающими вращательно-поступательную траекторию движения входящему воздухопотоку, которые установлены по периметру первого, нижнего термоаэродинамического канала, причем последний соединен с последующими каналами воздухопроходными проемами, с помощью которых и указанных термоаэродинамических средств данных каналов энергонасыщающийся воздухопоток последовательно приобретает ускорение преимущественно своей вращательной компоненты движения по мере его продвижения ко входу в ветротурбину.