Phedotikov / 1 / FreeEnergy_27.01.08 / Термодинамические / RU_2265161

Страница: 1

Страница: 2

Страница: 3

RU 2 265 161 C2

Насто щее предлагаемое изобретение относитс к области создани энергоустановок на основе использовани солнечной энергии.

Известен способ преобразовани энергии солнечных лучей и естественного ветра, как одного из конкретных про влений солнечной энергии в окружающей среде, в

5электрическую энергию, основанный на использовании принципа поглощени солнечных лучей зачерненной поверхностью, нагрева контактирующего с ней воздуха и направлени его в воздухоотвод щую трубу через ветротурбину, сочлененную с электрогененератором

10принципов и конструктивных решений, посредством которых он реализуетс . В данном техническом решении создаетс практически ламинарное пр молинейное движение рабочего тела - воздуха в ветротурбину из окружающей среды через гелиопреобразующее пространство, содержащее зачерненную нижнюю поверхность и светопроницаемое

теплоизолирующее верхнее покрытие. Такой режим движени воздушного потока не

15позвол ет получить значительное энергетическое его насыщение до входа в ветротурбину и придать ему характеристики, хорошо сопр гающиес с процессом преобразовани энергии воздушного потока в механическую энергию вращательного движени ветротурбины.

Известен способ преобразовани солнечной энергии, изложенный во французской

20за вке "Коллектор солнечной энергии повышенной эффективности" [см. Patent France ¹2698682, F 24 J 2/16, 2/20, 2/48, опубликован 03.06.94], использующий поглощение солнечных лучей зачерненной поверхностью, нагрев воздуха, контактирующего с гор чей поверхностью из воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала, и его дальнейшее

перемещение через ветротурбину. Данное техническое решение в своем конструктивном

25исполнении более эффективно, чем предыдущее, в св зи с важным применением воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала. Однако и в данном случае

ограничено используютс как принципы интенсификации движущегос воздушного потока, так и потенциальные возможности воздухопроницаемого материала дл усилени динамических характеристик движущегос воздухопотока.

30 Наиболее известным устройством преобразовани солнечной энергии в электрическую энергию, широко дискутируемым в литературе, вл етс электростанци "Solar Chimney", введенна в эксплуатацию к 1990 году поблизости к городу Манзанарес в Испании, которую называют в русской терминологии "Солнечным камином" [см., например, Лысов В.Ф. "Аэротурбинные электростанции", "Энерги ", 1991 г., ¹6]. Несмотр на

35значительные размеры солнечного коллектора (диаметр 245 м, высота 1,85 м) и воздухоотвод щей трубы (диаметр 10 м и высота 195 м) достигнута мощность установки составила всего лишь 36 кВт. На основании полученных результатов в подавл ющем

большинстве научных и инженерных оценок делаетс вывод о неэффективности способа преобразовани солнечной радиации посредством использовани конвекции нагреваемого

40 ветропотока, наход щегос в услови х термодинамически равновесных состо ний. Обоснование такого отрицательного вывода со ссылкой на законы равновесной

термодинамики несосто тельны. Во-первых, в данном техническом решении имеютс конструктивные недостатки, св занные со слабостью конструкции солнечного коллектора, в котором не использован р д процессов, обеспечивающих рост энергоотдачи, в том числе

45воздухопроницаема гелиопоглощающа поверхность, средства парообразовани , например с применением культивируемых растений и водных резервуаров, способных дать дополнительный экономический эффект в рамках тепличного комплекса нар ду с повышением интенсивности энергетического насыщени воздушного потока. Кроме того,

подход к конструктивному исполнению воздухоотвод щей трубы оказалс консервативным,

50привод щим к весьма высокой ее стоимости нар ду с целым р дом других конструктивных недостатков. Во-вторых, в данном техническом решении также не осуществлены принципы

вихреобразовани , которые позвол ют добитьс наращивани скорости вращательного движени воздуха перед входом его в воздухоотвод щую трубу, что вполне доступно дл

Страница: 4

RU 2 265 161 C2

осуществлени , име ввиду масштабные круговые формы солнечного коллектора. Кроме того, не использована возможность целенаправленного создани термической неоднородности приземной гелиопоглощающей поверхности, за счет чего воздушный поток приобретает энергосодержащие вихревые структуры, способные усиливать течение.

5 Принцип возможного применени турбулентной генерации энергии вращательными вихревыми движени ми воздуха, возникающими при парниковом солнечном нагреве приземного сло , известен из теоретических разработок и отдельных попыток их практической реализации [см., например: Соловьев А.А., Солодухин А.Д. "Конвективный вихрь-преобразователь солнечной энергии." Изв. АН БССР, сер. физ. энерг. наук, 1989,

10¹1]. Теоретические исследовани показывают, что имеют место значительные возможности дл наращивани эффективности преобразовани солнечной энергии в механическую, если успешно создаютс определенные услови дл управлени турбулентностью воздухопотока как рабочего тела в процессе преобразовани

инфракрасной составл ющей солнечной энергии.

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

С учетом изложенного и разработанных теоретически принципов в области

20вихреобразовани в энергетических воздушных потоках наиболее близким техническим решением к предложенному согласно изобретению вл етс гелиоаэродинамическа

электростанци с искусственной генерацией вращающегос течени [см. Pommer L.A. "Power Generator Utilizing Elevation-Temprature Differential". Патент США 4187686,

МКИ F 03 G 7/04, опубл. в 1977 г.]. В основе ее находитс вертикально расположенный

25цилиндр, замкнутый сверху и снизу. В цилиндре-трубе согласно указанному прототипу возникают вращающиес потоки восход щего теплого воздуха и нисход щего холодного.

Хот вихревые потоки приобретают энергетический потенциал значительной величины, вывод нагретого вихревого воздухопотока из замкнутой трубы через соответствующие каналы св зан с большими потер ми его кинетической энергии. И это вл етс , нар ду с

30 другими недостатками, самым главным недостатком названного прототипа. Поэтому задачей насто щего технического решени согласно предлагаемому

изобретению вл етс создание способа преобразовани солнечной энергии на основе пространственно-временной локализации термодинамически неравновесных состо ний текучей среды, привод щей к усилению вихревого движени воздушной среды с

35достижением после серии последовательной многоступенчатой когерентной термической накачки потока его высокой кинетической энергии на входе в ветротурбину с

направлением движени во внутреннюю полость ветротурбины под углом, близким к пр мому, относительно ветропринимающих поверхностей лопастей, обеспечивающим

переход кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращательного

40движени ветротурбины с минимальными потер ми. При этом в создаваемом способе должно быть найдено техническое решение, при котором воздушный поток в процессе накоплени в нем кинетической энергии мог бы находитьс под тепловым интенсивным

воздействием в течение достаточно продолжительного времени до входа в ветротурбину, что практически нереализуемо при вертикальном расположении трубы, в которой

45 происходит процесс накоплени его кинетической энергии согласно названному прототипу. В предложенном способе согласно изобретению перечисленные задачи нашли свой

вариант решени .

Техническим результатом предлагаемого изобретени вл етс повышение коэффициента полезного действи преобразовани энергии солнечных лучей в

50механическую энергию, повышение экономической эффективности и достижение значительных мощностей промышленных гелиоэнергетических установок.

Важным техническим результатом предлагаемого изобретени , создающим техникоэкономические услови дл обеспечени широкого строительства подобных

Страница: 5

RU 2 265 161 C2

гелиоэнергокомплексов в государственных масштабах, вл етс снижение величины капитальных затрат на единицу мощности в сравнении со стандартными ТЭЦ, ГЭС и АЭС, обеспечение возможности использовани прот женных по площади солнечных коллекторов дл выращивани культивируемых растений в тепличных средах с

5утилизацией тепловых потерь, возникающих в смежных технологических процессах, а также решение проблемы снижени шумового воздействи гелиоэнергетических комплексов на окружающую среду.

Указанный технический результат при осуществлении изобретени достигаетс тем, что относительно известных способов преобразовани солнечной энергии в механическую

10энергию, основанных на поглощении солнечных лучей зачерненными поверхност ми твердых и жидких тел, отделенных от окружающего пространства светопроницаемым теплоизолирующим материалом и слоем воздуха, наход щимс между последним и названными гелиопоглощающими поверхност ми, который соединен с окружающим

вращение названный слой воздуха, охваченный светопроницаемым теплоизолирующим материалом, вокруг вертикальной оси благодар образованию в нем технологически последовательных горизонтальных воздушных кольцевых каналов тороидальной формы,

25соответствующих энергетически активным воздуховодам бесконечной длины, причем в течение каждого оборота воздушного сло в его последовательных составных участках кольцевой формы посредством периодического импульсного теплового воздействи , с расчетной формой и скважностью последнего, производ т наращивание скорости и энергии вращательного движени с целевым образованием устойчивых сопутствующих процессов

30вихреобразовани , например, посредством размещени в пространстве его вращени наклонных ветронаправл ющих поверхностей, наход щихс под управл емым тепловым

воздействием и расположенных на фиксированных рассто ни х друг от друга, которые определены услови ми вихреобразовани , с использованием дополнительных ветронаправл ющих поверхностей, выполн ющих, в частности, функции локальных

35ветропотолков, при этом от образованного вращающегос вихревого воздухопотока отнимают в течение каждого оборота вокруг вертикальной оси часть его восполн емого объема и накопленной энергии и направл ют во входную полость ветротурбины под углом, близким к пр мому, на ветроприемные поверхности ее лопастей с помощью сопр гающих аэродинамических устройств, а далее с сохранением принципа вихревого движени

40воздушного потока - в воздухоотвод щую т говую трубу, при этом управл емое температурное воздействие на наклонные ветронаправл ющие поверхности, обеспечивающие генерацию искусственного вращающегос вихресодержащего

ветропотока, осуществл ют частично за счет пр мой солнечной радиации, поступающей через светопроницаемый теплоизолирующий материал, а частично - за счет подвода к ним

45 потоков нагретого рабочего тела от тепловых аккумул торов солнечной энергии, где используютс различные принципы преобразовани солнечных лучей, накоплени и выделени их энергии, причем преобразование ранее накопленной солнечной энергии в температурные потоки рабочего тела осуществл ют за пределами названного светопроницаемого теплоизолирующего материала.

50 Такое техническое решение согласно предлагаемому изобретению позвол ет воздух или приземный естественный ветер через воздухозаборные средства, снабженные, например, воздухопроницаемым материалом с ориентированными под соответствующим углом к радиальным направлени м солнечного коллектора воздухопровод щими порами или

Страница: 6

RU 2 265 161 C2

проходными каналами, направл ть и закручивать в первом из названных последовательных составных участков кольцевой формы, образующих совместно слой воздуха, заключенный между гелиопоглощающими поверхност ми и светопроникающим теплоизолирующим материалом. Далее воздушный поток, получивший, в частности,

5начальную скорость вращени вокруг оси воздухоотвод щей т говой трубы и ветротурбины, поступает на наклонные ветронаправл ющие поверхности, наход щиес под управл емым тепловым воздействием, и приобретает приращение скорости

преимущественно в направлении своего движени под углом, по меньшей мере, к горизонтальной плоскости. За счет локальных ветропотолков, образованных над каждой

10 такой наклонной нагреваемой поверхностью, или общего ветропотолка дл всех таких поверхностей, расположенных на первом из составных участков сло воздуха кольцевой формы, отражают ускоренный воздушный поток под технологически необходимым углом, вплоть до уровн пола. В таком случае ранее ускоренный воздушный поток поступает на следующую наклонную нагреваемую поверхность и так далее, дела р д круговых

15 оборотов с последовательным ускорением в воздушном кольцевом канале, соответствующем воздухопроводу бесконечной, а фактически - необходимой значительной длины, определ емой управл емым процессом вращени воздуха в нем.

Постепенно ускор ющийс воздушный поток поднимаетс на верхний уровень данного воздушного кольцевого канала, где энергосодержание уже существенно повышено. С этого

20 уровн часть вращающегос воздушного потока поступает через соответствующие проемы в следующий такой же канал, расположенный параллельно первому на определенном рассто нии по высоте от пола, где также расположены аналогичные нагретые наклонные воздухонаправл ющие поверхности, а диаметр вращающегос воздухопотока в нем имеет меньшую величину, чем в предыдущем случае. Количество воздушного потока с

25определенным объемом и энергосодержанием, которое поступает из предыдущего кольцевого канала в последующий, регулируетс соответствующими автоматическими

него, то есть одновременно в горизонтальных и вертикальных его сечени х.

В св зи с созданием в воздушном слое под светопроницаемым теплоизолирующим

45материалом высокоскоростных вихревых движений воздуха и вместе с тем целесообразностью использовани гелиопоглощающих поверхностей больших площадей дл тепличного возделывани культивируемых растений возникает необходимость изол ции последних от создаваемых ветропотоков, с вентил ционным проветриванием

теплой и влажной воздушной среды теплиц посредством этих ветропотоков. Этому 50 процессу способствует технологический подъем воздушных кольцевых каналов по мере

повышени их температуры от днища у периферии солнечного коллектора до значительной высоты в его центральной части перед поступлением вращающегос вихресодержащего воздухопотока через сопр гающие аэродинамические устройства в ветротурбину.

Страница: 7

RU 2 265 161 C2

Из этого следует, что техническое решение согласно предлагаемому изобретению имеет и другие отличи , кроме названных выше. В частности, отличие состоит также в том, что создают посредством светопроницаемого теплоизолирующего материала концентрически расположенные поверхности, например, цилиндрической формы заданной высоты,

5охватывающие ось воздухоотвод щей т говой трубы и ветротурбины и плотно соедин ющие их сверху и снизу поверхности, например в виде плоских колец, которые образуют совместно ветронаправл ющие светопроницаемые потолки, стенки и полы

воздушных кольцевых каналов, расположенных параллельно друг к другу и с нарастающей их высотой от периферии к центру, в каждом из которых размещены наклонные

10ветронаправл ющие теплогенерирующие поверхности, значени температуры которых задаютс и регулируютс созданными энергетическими потоками различной тепловой интенсивности, при этом дл получени последних применены, например, автономные солнечные тепличные комплексы, покрытые светопроницаемым теплоизолирующим

материалом, открытые водоемы, содержащие воду с естественной температурой, равной 15 или превышающей 4°С, установки дл утилизации растительных и пищевых отходов,

образующихс в окружающей среде, и бытовых отходов как продуктов жизнеде тельности в ней, при этом производ т последовательное, от одного кольцевого воздушного канала к другому, повышение тепловой интенсивности наклонных ветронаправл ющих поверхностей, в результате чего скорость вращающегос воздухопотока последовательно

20нарастает от периферии к сопр гающим аэродинамическим устройствам, расположенным перед ветротурбиной, при этом на теплогенерирующие наклонные ветронаправл ющие поверхности подают тонким слоем нагретую воду и вспомогательный воздушный поток,

проход щий через последнюю стру ми малого поперечного сечени , посредством чего осуществл ют режим эффективного вспомогательного парообразовани , способствующий

25ускорению энергетического насыщени вращающегос вихресодержащего воздушного потока в созданных воздушных кольцевых каналах.

Кроме того, имеютс отличи и в том, что сопр гающие аэродинамические устройства создают посредством применени теплогенерирующих наклонных ветронаправл ющих

поверхностей, плавно сопр женных между собой таким образом, что их суперпозици

30образует воздухоускор ющие и ветронаправл ющие поверхности, например в виде конически сужающихс винтовых аэродинамических поверхностей, в том числе с уменьшение угла их подъема вдоль вертикальной оси по мере приближени от последнего воздушного кольцевого канала к входной полости ветротурбины, причем винтовые аэродинамические поверхности отдел ют от окружающего пространства посредством

35воздухонепроницаемых теплоизолирующих конструкций с применением материалов и профилей, формирующих внутренние аэродинамические поверхности по услови м минимизации силы трени движущегос к ветротурбине высокоскоростного вращающегос вокруг ее оси воздухопотока, при этом внешним энергетическим потокам, подводимым к

аэродинамическим винтовым поверхност м, сообщают максимальный потенциальный

40уровень и доставл ют к последним мелкодисперсные струи гор чей воды, за счет чего посредством активного парообразовани ускор ют финишное вращательнопоступательное движение воздушного потока и обеспечивают попадание микрочастиц воды

ускор ющегос вращени воздушного потока вокруг оси воздухоотвод щей т говой трубы и ветротурбины и вихревых потоков, способствующих энергетическому насыщению

Страница: 8

RU 2 265 161 C2

воздушного потока.

На фиг.3 приведена схема процесса энергетического насыщени воздушного потока. На фиг.4 показан принцип передачи последовательного вращательного движени

воздухопотока от одного воздушного кольцевого канала к другому и подачи его на вход

5ветротурбины.

Способ осуществл етс следующим образом.

Гелиопоглощающа поверхность 1 (фиг.1) обтекаетс в сход щихс радиальных направлени х через воздухозаборные средства 2 воздушным потоком 3, поступающим из окружающего пространства во внутреннюю полость солнечного коллектора, образованного

10 светопроницаемым теплоизолирующим материалом 4 и гелиопоглощающей поверхностью. Внутренн полость солнечного коллектора содержит слой воздуха 3, который выполн ет функции рабочего тела в процессе преобразовани энергии солнечных лучей 5 в механическую энергию вращательного движени лопастей ветротурбины 6. Гелиопоглощающа поверхность 1 может включать в себ грунтовые возделываемые

15 участки, резервуары с водой, темные поверхности твердых тел, которые могут располагатьс на различных уровн х по высоте и на различных радиальных рассто ни х от оси 7 воздухоотвод щей т говой трубы 8.

Солнечные лучи 5, поступа на гелиопоглощающие поверхности 1 через светопроницаемый теплоизолирующий материал 4, преобразуютс в тепловую энергию и

20 нагревают слой воздуха 3. За счет конвективного процесса нагретый слой воздуха постепенно поднимаетс вверх и уходит через ветротурбину 6 в верхние слои атмосферы над воздухоотвод щей т говой трубой, восполн свой объем от приземного окружающего пространства через воздухозаборные средства 2.

Если гелиопоглощающие поверхности 1 выполнены так, что нагрев воздуха в солнечном

25коллекторе осуществл етс достаточно равномерно, то в реальных услови х солнечной радиации воздушный поток продвигаетс через воздухозаборные средства, внутреннюю

полость солнечного коллектора и воздухоотвод щую т говую трубу по законам ламинарного течени . В этом случае возникающа т га в воздухоотвод щей трубе и атмосфере над трубой вл етс минимальной так же, как и скорость воздушного

30радиального потока во внутренней полости солнечного коллектора, потому что рассматриваемый конвективный процесс отличаетс инерционностью. При такой

организации воздушных потоков, типичной дл известных гелиоэнергетических установок, площадь гелиопоглощающей поверхности, размеры солнечного коллектора и высота воздухоотвод щей т говой трубы при заданной проектной мощности гелиоэнергетической

35 установки должны быть значительно увеличены.

Если же гелиопоглощающа поверхность 1 выполнена таким образом, что нагрев воздуха под светопроницаемым теплоизолирующим материалом характеризуетс значительной неоднородностью, со значительными градиентами температур, то в слое движущегос воздуха от воздухозаборных средств к ветротурбине возникают вихревые

40потоки. Последние могут практически полностью ликвидировать инерционность теплопередачи в движущуюс воздушную среду, что вл етс весьма важным положительным фактором. Однако интенсивное температурное насыщение движущегос в

ветротурбину воздуха все же не вл етс достаточным условием дл существенного увеличени эффективности преобразовани солнечной энергии в механическую, так как

45 температура проход щего через ветротурбину воздуха оказывает лишь косвенное вли ние на величину усилий, действующих на ее лопасти. В основу технического решени согласно предлагаемому изобретению положена необходимость преобразовани с минимальными потер ми температуры гелиопоглощающих поверхностей (в более общем виде - нагретых поверхностей) в высокоскоростной вращающийс воздухопоток, направл емый на лопасти

50ветротурбины под углом, близким к пр мому (под оптимальным углом, с учетом процессов отражени ветропотока от убегающей лопасти на набегающую).

На фиг.2, 3 в соответствии с такой концепцией представлены системные технологические схемы и средства, которые обеспечивают создание устойчивых

Страница: 9

RU 2 265 161 C2

ускор ющихс вращательных движений воздушного потока и вихреобразований в них. Посредством предложенных технологических схем и средств достигаетс возможность осуществл ть в заданных координатах сло воздуха, наход щегос в солнечном коллекторе, вращательные и вихревые движени его с заданной ориентацией осей

5вращени . Так как ветротурбина в рассматриваемом случае имеет вертикальную ось вращени , то основное энергетическое движение воздуха должно представл ть собой его горизонтальное вращающеес движение вокруг вертикальной оси 7 с последовательным

накоплением в нем кинетической энергии от оборота к обороту. Среди локальных вихревых движений с существенно большими угловыми скорост ми приведенные технологические

10схемы и средства позвол ют создать, по меньшей мере, три их типа:

-вихри, возникающие в плоскост х, перпендикул рных основному вращающемус воздухопотоку (вокруг оси воздухоотвод щей трубы и ветротурбины), которые содействуют ускорению движени последнего, как это осуществл етс при полете пули в плоскости,

перпендикул рной траектории полета; 15 - вихри, возникающие вблизи гелиопоглощающих поверхностей, вокруг осей,

перпендикул рных и параллельных им, которые способствуют преобразовани м температуры поверхностей в приращение скорости основного воздушного вращающегос потока и снижению сил трени между ними;

- вихри, возникающие у поверхностей светопроницаемого теплоизолирующего

20материала, которые обеспечивают снижение коэффициента трени между движущимис потоками воздуха и светопроницаемым теплоизолирующим материалом.

Могут формироватьс и другие типы вихревых движений, имеющие свои специальные технологические назначени . Вихри должны создаватьс в качестве сопутствующих технологическим процессам, а те вихри, которые возникают самопроизвольно и привод т к

25 энергетическим потер м, должны подавл тьс .

Процесс организации вращательно-вихревых движений воздушного потока начинаетс с прохождени воздуха 3 через воздухозаборные средства 2 (фиг.2), которые снабжены устройствами 9 дл придани кругового (начального вращательного) движени воздуха. Данные устройства могут быть выполнены посредством плоского жесткого материала,

30поверхность которого расположена ориентировочно под углом 45° к радиальным направлени м. Так как воздухозаборные средства 2 размещены по периферии гелиопоглощающей поверхности с промежутками или непрерывно, воздушный поток поступает в солнечный коллектор с различных сторон и создает начальное вращательное

движение сло воздуха относительно гелиопоглощающей поверхности. Если имеет место

35естественный приземный ветер, поступающий в воздухозаборные средства 2 с определенного пространственного направлени , то скорость начального вращательного

движени воздуха может быть существенно большей или даже весьма значительной, требующей ограничени .

Далее воздушный поток 3 с начальной скоростью вращени поступает на наклонные

40ветронаправл ющие поверхности 10, которые размещены на схеме (фиг.2) по кругу в количестве 5 шт. в виртуально сформированном первом воздушном канале. Все наклонные ветронаправл ющие поверхности генерируют тепловую энергию в набегающий поток

благодар воздействию на них солнечных лучей 5, поступающих через светопроницаемый теплоизолирующий материал 4, и подключению к ним энергетических каналов 11, которые

45подвод т нагретое рабочее тело (например, воду) от аккумул торов тепловой энергии, получаемой посредством солнечной радиации и соответствующих промежуточных

преобразований ее за пределами светопроницаемого теплоизолирующего материала (на фиг.2 этот технологический комплекс не показан).

Вращающийс воздушный поток 3, воспринима тепловое воздействие от

50наклонных ветронаправл ющих поверхностей, получает приращение скорости, вектор которого складываетс из конвективного вертикального направлени и компоненты

движени вдоль наклонных ветронаправл ющих поверхностей 10, а также с учетом угла отражени от нее воздухопотока. Движущийс далее, получивший ускорение, воздушный

Страница: 10