УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ ТЕПЛА ВОЗДУХА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2000 года по МПК F03G7/04 

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для получения электроэнергии, используя разность температур и давлений над земной поверхностью, так как известно, что более теплый воздух, прогретый у поверхности земли, стремится подняться вверх, его место занимает более тяжелый воздух верхних слоев. Дополнительно в холодное время года предлагаемое устройство может быть использовано как газотурбинная электростанция. Кроме того, устройство, выполненное в виде передвижной установки, смонтированной на мощном автомобиле, может быть использовано для формирования локального дождя во время засухи.

Известно устройство, называемое термовоздушной электростанцией [1,2], состоящее из прозрачного для солнечных лучей купола (с поперечным размером в несколько сотен метров и с такой же высотой), в верхней части которого в вертикальной трубе установлен ветряной двигатель. Воздух под куполом прогревается солнечными лучами, устремляется вверх и вращает ветряной двигатель с соосно расположенным электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию, которая направляется в электросеть к потребителям. Такие установки построены и работают в странах с жарким климатом, например в Испании [1,2].

Недостаток этого устройства [1,2] - его огромные размеры, что требует больших площадей и капиталовложений.

Вторым крупным недостатком этого устройства является его малая эффективность или неработоспособность при облачности и в холодное время года, что особенно важно для стран с умеренным или холодным климатом и в том числе для России.

Близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство, основанное на использовании управляемого, искусственно созданного вихря типа смерч-торнадо [3].

Устройство состоит из вертикально установленной конусообразной трубы, расширяющейся вверх, на оси которой в ее нижней части соосно установлен лопастной компрессор, а в верхней части - ветряной двигатель, соосно соединенный с электрогенератором. При вращении лопастного компрессора воздух засасывается из окружающей среды по спиральным каналам, закрученным по часовой стрелке, если смотреть на них сверху трубы. Эти каналы придают засасываемому извне воздуху вращательное движение, какое существует в природном вихре торнадо. Далее воздух поступает в расширяющую верхнюю часть конической трубы и вращает ветряной двигатель, приводящий в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. При этом предполагается, что после принудительного создания первичного вихря с помощью лопастного компрессора, последний можно выключить и вихревой поток типа смерч-торнадо будет самоподдерживаться за счет тепловой энергии воздуха окружающей среды, подобно тому как это происходит в природных вихрях типа смерч-торнадо.

Недостатком устройства [3] является сложность: требуется компрессор с силовым приводом и специальные спиральные направляющие для создания вращательного движения воздуха, образующего вихревой поток.

В качестве ближайшего аналога можно принять устройство для получения электрической энергии путем преобразования энергии потоков текучей среды типа естественных циклонов и антициклонов, содержащее оболочку, выполненную в виде вертикальной трубы, направляющие, расположенные в нижней части трубы для придания воздуху, засасываемому из окружающей среды, вихревого движения, расположенную в нижней части трубы установку для искусственного создания первичного вихревого потока в трубе, ветряной двигатель (турбину), расположенный соосно с трубой в ее верхней части и соединенный с соосно установленным электрогенератором, при этом труба выполнена цилиндрической с воронкообразным раструбом в ее нижней части, а направляющие для формирования вихревого потока выполнены в виде воронки, установленной горлышком вверх соосно с трубой, причем между воронкообразным раструбом и поверхностью воронки выполнен зазор для засасывания воздуха из окружающей среды, а для формирования вихревого потока конструкция дополнена сжигающим устройством и устройством подогрева воздуха, расположенным в воронке, причем для регулировки подачи воздуха в зазоре предусмотрен преграждающий механизм, выполненный в виде заслонки [4].

Однако данное устройство имеет сложную конструкцию, а следовательно, и невысокую надежность в работе.

Задачей изобретения является упрощение конструкции при одновременном повышении ее эффективности и расширении возможностей применения.

Эта цель достигается благодаря тому, что устройство для получения электроэнергии из тепла воздуха окружающей среды с помощью управляемого вихря типа смерчь-торнадо содержит оболочку в виде вертикальной трубы, направляющие в нижней части трубы для придания воздуху, засасываемому из окружающей среды, вихревого движения, расположенную в нижней части трубы установку для искусственного создания первичного вихревого потока в трубе, ветряной двигатель (турбину), расположенный соосно с трубой в ее верхней части и соединенный соосно с установленным над ним электрогенератором. Труба-оболочка выполнена цилиндрической с воронкообразным раструбом в ее нижней части, а направляющие для формирования вихревого потока выполнены в виде воронки, установленной соосно с трубой-оболочкой горлышком вверх, причем между воронкообразным раструбом вертикальной трубы-оболочки и поверхностью воронки выполнен зазор для засасывания воздуха из окружающей среды, а для формирования начального вихревого потока в проточной части устройства размещены три горелки, одна из которых расположена в нижней части воронки соосно с ней, вторая - по периферии горлышка воронки, а третья - в нижней части трубы после воронкообразного раструба, вторая и третья горелки выполнены каждая в виде, по меньшей мере, трех патрубков, дающих факел пламени, направленный против часовой стрелки при виде сверху, по касательной к стенкам воронки и трубы соответственно, причем патрубки третьей горелки размещены в кольцевой канавке, выполненной с наклоном в стенке трубы, а на входе в упомянутый зазор установлена кольцевая заслонка с направляющими, проходящими сквозь отверстия в опоре и соединенными с, по меньшей мере, тремя пневмо - или гидроцилиндрами, в выходном патрубке которых размещен дроссель.

Сущность изобретения состоит в следующем. При горении топлива в трех горелках в вертикальной трубе-оболочке возникает мощный поток горячих газов, устремляющийся по трубе вверх. Благодаря этому, как в известном газоструйном насосе [5] давление газов в трубе становится ниже атмосферного и воздух окружающей среды через зазор засасывается внутрь трубы. Вследствие быстрого увеличения скорости движения воздуха в зазоре по мере приближения к горлышку воронки (за счет уменьшения площади поперечного сечения потока) частицы воздуха испытывают Кориолисово ускорение и на них действует сила Кориолиса [5], направленная перпендикулярно вектору скорости потока воздуха, и эта сила вызывает дополнительное вращательное движение воздуха, чему также способствует тангенциальное расположение патрубков второй и третьей горелки, дающих факел пламени, направленный против часовой стрелки при виде сверху, по касательной к стенкам воронки и трубы соответственно. В результате этого возникает газовый поток, устремляющийся вверх и одновременно вращающийся вокруг оси трубы-оболочки. Образуется вихрь типа смерч-торнадо, подобный природному. После формирования начального стабильного вихря горелки постепенно могут быть выключены, и вихрь будет самоподдерживаться за счет тепловой энергии засасываемого из окружающей среды теплого воздуха, как это происходит в природных смерчax-торнадо.

Поднимаясь вверх по трубе-оболочке, вихревой поток вращает ветряной двигатель (трбину) и электрогенератор, который вырабатывает электроэнергию, направляемую в электросеть потребителям, и в виде вихревого потока выходит из трубы наружу вверх в окружающее пространство.

Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства в продольном разрезе, а на фиг. 2 приведена схема движения потоков воздуха со скоростью V и направления Кориолисова ускорения a_k и силы Кориолиса f_k, которая вызывает вращательное движение воздуха и формирует вихрь типа смерчь-торнадо.

Устройство на фиг. 1 содержит опору 1 с закрепленными на ней оболочкой, выполненной в виде вертикальной цилиндрической трубы 2, с воронкообразным раструбом 3 в нижней части, и воронкой 4, установленной горлышком вверх соосно с трубой 2 и с зазором 5 между раструбом 3 и поверхностью воронки 4 для засасывания воздуха из окружающей среды. В верхней части трубы 2 расположены соосные с ней ветряной двигатель 6 с электрогенератором. При этом в проточной части устройства размещены три горелки 7,8 и 9. Одна 7 из которых расположена в нижней части воронки 4 соосно с ней, вторая 8 - по периферии горлышка воронки 4, а третья 9 - в нижней части трубы 2 после воронкообразного раструба 3, вторая и третья горелки 8 и 9 выполнены каждая в виде, по меньшей мере, трех патрубков, дающих факел пламени, направленный против часовой стрелки при виде сверху, по касательной к стенкам воронки 4 и трубы 2 соответственно, причем патрубки третьей горелки 9 размещены в кольцевой канавке 10, выполненной с наклоном в стенке трубы 2, а на входе в упомянутый зазор 5 установлена кольцевая заслонка 11 с направляющими 12, проходящими сквозь отверстия 13 в опоре 1 и соединенными с, по меньшей мере, тремя пневмо - или гидроцилиндрами 14, в выходном патрубке 15 которых размещен дроссель 16.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

С помощью пневмо - или гидроцилиндров 14, используя насос, компрессор или баллоны с сжатым воздухом или азотом, поднимают за направляющие 12 кольцевую заслонку 11 и тем самым открывают доступ воздуха из окружающей среды в зазор 5. Далее зажигают горелку 7, от которой поджигают топливо горелок 8 и 9. Поток горячих газов из продуктов горения топлива по трубе 2 устремляется вверх и, как в газоструйном насосе [5], засасывает в трубу 2 воздух из окружающей среды по зазору 5. Под действием возникающей при этом силы Кориолиса, [5] фиг. 2, воздух начинает вращаться против часовой стрелки, если смотреть сверху трубы 2. Такое вращательное движение воздуха, как и в природных смерчах-торнадо, вызывает мощное засасывание воздуха из окружающей среды. Устройство как бы само себя подгоняет. После этого горелки 7,8 и 9 можно выключить. Возникший мощный, направленный вверх поток газоообразных продуктов горения топлива, а затем воздуха вращает ветряной двигатель 6 и электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, и в виде вихря типа смерчь-торнадо выходит из трубы 2, поднимаясь высоко вверх, вплоть до облаков.

Если температура воздуха окружающей среды достаточно высокая, то искусственно созданный смерчь-торнадо, как и в природе, будет самоподдерживаться, вырабатывая электроэнергию из тепловой энергии, содержащейся в воздухе окружающей среды.

Работу устройства можно прекратить, закрыв доступ воздуха в зазор 5, опустив кольцевую заслонку 11 путем стравливания рабочего тела из подпоршневой полости цилиндров 14, причем стравливание рабочего тела осуществляют в медленном темпе, используя для этого в выходном патрубке 15 дроссель 16, что позволяет избежать отрыва вихря из трубы 2.

В холодное время года, когда работа в режиме самоподдержания может быть невозможной, горелки 7,8 и 9 могут работать непрерывно, и предлагаемое устройство будет работать в режиме газотурбинной электростанции.

Так как при работе в режиме самоподдержания выходящий из трубы 2 смерчь-торнадо поднимается вплоть до облаков, то это открывает возможность в случае засухи вызывать искусственный дождь при очень малой затрате топлива, если в горячем воздухе окружающей среды высокая влажность. Пары воды, поступающие в предлагаемое устройство с воздухом, со смерчем-торнадо поднимутся в верхние слои атмосферы, где температура низкая, и пары воды будут конденсироваться и образовывать облака, которые приведут к выпадению дождя.

Устройство имитирует ураганы, отбирая тепло от земли, и перемещает его вверх, поэтому его использование в областях с частыми ураганами может препятствовать возникновению естественных ураганов.

Экономический эффект от использования предлагаемого устройства будет очень большим, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Источники информации
1. Quraeshi S. Solar/wind power plants. INTESOL 85: Proc.9^th Bien.Congr. Int. Solar Energy Soc.

2.Rummich E. Elektrotechn. Und Maschinenbau, 1985, 102, N1, s. 37- 42.

3.Федоряка А. Вестник "Конверсия", N 11-12, 1991 г., стр. 14.

4.GB 2081390 А, МПК 7 F 03 D 3/04, 1982.

5. Савельев И. В. Курс общей физики, т.1, "Наука", Москва, 1970 г., стр. 112, стр.205.

Устройство предназначено для выработки электроэнергии за счет образования вихря в вертикально расположенной трубе, используя разность температур и давлений над земной поверхностью. Устройство содержит опору с закрепленными на ней оболочкой, выполненной в виде вертикальной цилиндрической трубы с воронкообразным раструбом в нижней части, и воронкой, установленной горлышком вверх соосно с трубой и с зазором между раструбом и поверхностью воронки для засасывания воздуха из окружающей среды. В верхней части трубы расположены соосные с ней ветряной двигатель с электрогенератором. В проточной части устройства размещены три горелки, одна из которых расположена в нижней части воронки соосно с ней, вторая - по периферии горлышка воронки, а третья - в нижней части трубы после воронкообразного раструба. Вторая и третья горелки выполнены каждая в виде, по меньшей мере, трех патрубков, дающих факел пламени, направленный против часовой стрелки при виде сверху, по касательной к стенкам воронки и трубы соответственно. Патрубки третьей горелки размещены в кольцевой канавке, выполненной с наклоном в стенке трубы. На входе в упомянутый зазор установлена кольцевая заслонка с направляющими, проходящими сквозь отверстия в опоре и соединенными с, по меньшей мере, тремя пневмо- или гидроцилиндрами, в выходном патрубке которых размещен дроссель. Такая конструкция устройства позволяет обеспечить надежное образование воздушного вихря в трубе, вращающего ветряной двигатель электрогенератора. 2 ил.

Устройство для получения электроэнергии, содержащее опору с закрепленными на ней оболочкой, выполненной в виде вертикальной цилиндрической трубы с воронкообразным раструбом в нижней части, и воронкой, установленной горлышком вверх соосно с трубой и с зазором между раструбом и поверхностью воронки для засасывания воздуха из окружающей среды, в верхней части трубы расположены соосные с ней ветряной двигатель с электрогенератором, при этом в проточной части устройства размещены три горелки, одна из которых расположена в нижней части воронки соосно с ней, вторая - по периферии горлышка воронки, а третья - в нижней части трубы после воронкообразного раструба, вторая и третья горелки выполнены каждая в виде, по меньшей мере, трех патрубков, дающих факел пламени, направленный против часовой стрелки при виде сверху, по касательной к стенкам воронки и трубы соответственно, причем патрубки третьей горелки размещены в кольцевой канавке, выполненной с наклоном в стенке трубы, а на входе в упомянутый зазор установлена кольцевая заслонка с направляющими, проходящими сквозь отверстия в опоре и соединенными с, по меньшей мере, тремя пневмо- или гидроцилиндрами, в выходном патрубке которых размещен дроссель.