ПЕРСОНАЛЬНАЯ ВИХРЕВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F03G6/04 

Изобретение относится к установкам для получения механической или электрической энергии из потоков воздуха, в частности к установкам с искусственным источником вихревого течения, формирующегося под воздействием тепловой составляющей солнечной радиации. С помощью данных установок можно производить электрическую энергию в районах с солнечным излучением, в которых отсутствует возможность персонального энергообеспечения в бытовых целях традиционными способами (дизельные электростанции, малые гидроэлектростанции, ветроэнергетика, фотоэлектричество и т.п.).

Известна установка для получения электроэнергии из конвективных потоков воздуха, выполненная в виде наземного солнечного коллектора с вертикальной трубой и турбиной для преобразования кинетической энергии восходящего потока в электрическую энергию [1]. Коллектор с трубой предназначен для концентрирования парниковых потоков воздуха, собираемых с большой площади. Поток, формируемый при нагреве солнцем воздуха внутри коллектора, создается за счет горизонтальной разности температур внутри и вне коллектора. Воздушные массы благодаря вертикальному градиенту давления перемещаются в направлении трубы, стоящей в центре коллектора. На пути движущейся массы воздуха в трубе устанавливается турбина, ротор которой при взаимодействии с потоком приходит во вращение в магнитном поле статора, благодаря чему в обмотках якоря создается электрическое напряжение. Таким образом, с помощью данной установки осуществляется преобразование солнечной энергии в энергию потока и затем в электрическую энергию.

Недостатком данной установки является относительно крупные размеры и, следовательно, большие занимаемые площади. Для получения интенсивных свободно-конвективных течений, которые способны создать скорости, устойчиво вращающие турбину с производительностью 20 Вт с 1 м, необходимо аккумулировать солнечную энергию в среднем с площади не менее 200 м². В такой установке, по сравнению с ветровыми электростанциями, не удается достичь существенного повышения КПД преобразования солнечной энергии в энергию гидромеханического движения и в электричество. Рост значений КПД может быть получен за счет нарастания перепада температур между солнечным коллектором и окружающей атмосферой, при увеличении высоты трубы или расширении площади, занятой коллектором, что технически трудно достижимо для наиболее мощных энергоустановок.

Наиболее близкой к предлагаемой является установка для получения электрической энергии из вращающихся конвективных течений, содержащая наземный солнечный коллектор с тангенциальными направляющими по его периферии, выходную трубу, установленную в его центре, и турбину для преобразования кинетической энергии потока в электрическую энергию [2]. За счет разности температур, которая создается при нагреве воздуха в коллекторе солнечным излучением, формируется градиент давления, направляющий в коллектор массы воздуха, находящиеся в окружающей коллектор среде. Воздух, который входит в коллектор, а затем в выходную трубу с помощью тангенциальных направляющих, приобретает угловой момент. Энергия вращающегося потока, сформированного под действием солнечной радиации, далее преобразуется в электрическую.

Недостатком данной установки, несмотря на создание вращения, дополнительного к прямоточному потоку, является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в механическую энергию, что обусловлено следующими причинами. Выходная труба содержит ряд препятствий, создающих гидродинамическое сопротивление восходящему потоку воздуха, таких как осушители воздуха, форсунки для сжигания топлива, нижние вентиляторы. Поток в выходной трубе является вращающимся, но не вихревым. Для такого течения не выполняется условие rot ( - скорость), и его скорость близка к скорости прямоточных свободно-конвективных течений. Эффективность преобразования солнечной энергии в механическую для вращающегося безвихревого потока, в котором только перераспределяется удельный вес составляющих скорости, остается такой же, что и в случае прямоточного потока.

Задачей изобретения является повышение энергоотдачи процесса преобразования солнечной энергии в кинетическую энергию воздушного потока. Технический результат достигается тем, что установка для преобразования солнечной энергии в механическую или электрическую энергию, содержащая пропускающий солнечное излучение наземный коллектор с тангенциальными направляющими, соединенный с вертикальной выходной трубой, и ветровое колесо, связанное с ротором турбины электрического генератора, снабжена дополнительным солнечным коллектором верхнего яруса меньшей площади с установленными на его периферии тангенциальными направляющими.

Положительный эффект возникает, во-первых, за счет создания добавочного углового момента воздушных масс, поступающих в выходную трубу, и, во-вторых, вследствие формирования в наземном солнечном коллекторе зоны горизонтального сдвига температуры и скорости. На границе области резких изменений скорости происходит развитие гидродинамических неустойчивостей, которые являются источником вихревого движения вращающегося в выходной трубе потока. Концентрируемое в выходной трубе вихревое течение обладает всеми признаками природного смерча. Радиальный профиль скорости характеризуется вторым дополнительным максимумом (фиг. 1) на периферии вблизи стенки выходной трубы. В кольцевой зоне микросмерча образуется система вторичных вихревых нитей высокой интенсивности (фиг. 2). Скорость воздушного потока через турбину усиливается пропорционально числу, угловой скорости и размерам вторичных вихрей.

На фиг. 3 приведена схема персональной вихревой энергетической установки. Она содержит соосные солнечные коллекторы нижнего (наземный) 1 и верхнего (дополнительный) 2 яруса, выходную трубу 3, установленную в центре верхнего коллектора, тангенциальные направляющие коллекторов 4, ветровое колесо 5, электрический генератор 6. Верхние поверхности коллекторов 9 пропускают солнечную радиацию 7, а нижние 8 непрозрачны для прохождения солнечного излучения.

Установка работает следующим образом. Под действием солнечного излучения температура воздуха в коллекторах из-за парникового эффекта превышает температуру окружающей среды. Горизонтальная разность температур создает уменьшающийся внутрь перепад давления, благодаря которому наружный воздух через наземный и дополнительный коллекторы перемещается к выходной трубе. Воздушные массы, прошедшие тангенциальные направляющие дополнительного коллектора, поступая в выходную трубу, увеличивают созданный потоком через наземный коллектор угловой момент и усиливают общий расход и скорость воздуха в выходной трубе. В наземном коллекторе его центральная часть перекрыта для прохождения инфракрасной составляющей солнечного излучения. Поэтому в нем образуется область горизонтальной температурной неоднородности, которая является еще одним источником роста скорости течения в выходной трубе. При переходе от центральной затемненной и потому более холодной зоны к освещаемой теплой кольцевой области формируется слой скачка температуры. Спирально двигающиеся в коллекторе воздушные массы, попадая в зону скачка, приобретают сдвиг скорости, на котором из-за гидродинамической неустойчивости формируются вторичные вихри. Они совершают переносное вращение вокруг оси коллектора и благодаря вертикальному градиенту давления и эффекту плавучести затягиваются внутрь трубы. В трубе формируется микросмерч, представляющий собой квазитвердое центральное вращение и периферийное вихревое течение в кольце вблизи стенок выходной трубы. Кольцевое вихревое течение, состоящее из системы интенсивных вторичных вихрей при их взаимодействии с ветровым колесом, усиливает его вращение, которое передается на ротор турбины генератора электрического тока.

Допускается исполнение установки в малом масштабе для персонального использования с применением системы сборно-разборных конструкций. Конструкция солнечного коллектора может, например, иметь вид круговых сегментов, стыкующихся друг с другом. Установка персонального пользования в собранном виде помещается в обычный переносной чемоданчик.

Источники информации
1. Шекриладзе И.Г. Солнечный ветер. - М.: Энергия, 1988, N 6, c. 12, 13.

2. GB 2081390 A, кл. F 03 G 7/04, 17. 02. 1982.

Установка предназначена для получения энергии из воздушных потоков. Установка содержит многоярусные солнечные коллекторы парникового типа с боковыми (тангенциальными) завихрителями-направляющими и вертикальную выходную трубу с электрическим генератором. Изобретение обеспечивает повышение производительности при преобразовании солнечной энергии в энергию вихревых воздушных масс. 3 ил.

Персональная вихревая энергетическая установка, содержащая наземный солнечный коллектор с тангенциальными направляющими, размещенными по периферии коллектора, выходную трубу, установленную вертикально в центре коллектора, и турбину для преобразования кинетической энергии потока в механическую или электрическую энергию, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным, имеющим меньшие поперечные размеры, солнечным коллектором верхнего яруса с тангенциальными направляющими по периферии коллектора, соединенным соосно с выходной трубой и наземным коллектором.