СПОСОБ СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ ГЕЛИОЭНЕРГОУСТАНОВОК Российский патент 2003 года по МПК F24J2/42 

Настоящее изобретение относится к области создания энергоустановок на основе использования солнечной энергии и положительно решает задачу отыскания реальных путей для строительства мощных и высокоэффективных гелиоэлектростанций, в первую очередь на водоемах, причем вначале на внутренних, в определенной степени локализованных по глубине и волнению водной поверхности, а потом и на морях, океанах. Этот же способ применим и на суше - в различных регионах по географической долготе и широте.

Известно, что возможность решения этой задачи в ближайшем будущем пока еще остается не очевидной и даже весьма сомнительной в аспекте сложившегося понимания проблемы. Многочисленные фирмы ведущих стран мира, серийно выпускающие и разрабатывающие ветроэлектроагрегаты, бьются над проблемой снижения удельной капиталоемкости их продукции, повышая единичную мощность ветроэлектрических агрегатов до 5 тыс кВт и выше, совершенствуя технологические и конструкторские аспекты производственного снижения себестоимости, вкладывая в это направление энергетики весьма значительные капиталы при государственной поддержке и даже пренебрегая некоторыми экологическими аспектами в угоду снижения себестоимости агрегатов. Тем не менее, самые современные технологии и производства пока достигают снижения удельной капиталоемкости сооружаемых ветроэлектроагрегатов до 800 долларов на 1 кВт установленной мощности, что более чем на 50% превышает удельные капиталовложения в строительство мощных ТЭЦ на газовом энергетическом сырье. Но еще более важным сдерживающим фактором для крупномасштабного внедрения ветроэлектроагрегатов в большую энергетику является низкий коэффициент среднегодового использования их установленной мощности. Он составляет величину всего лишь около 40% из-за низкого значения осредненного по году ветропотенциала, тогда как на современных ТЭЦ этот показатель превышает 90%. Именно поэтому частный капитал не идет самостоятельно значительным потоком в это направление энергетики и работает только лишь в совокупности с государственными дотациями, которые ограничены.

Параллельно с этим направлением гелиоэнергетики проводятся работы по повышению эффективности полупроводникового преобразования энергии солнечных лучей в электрическую. Однако в этом случае еще не достигнуты те результаты, которые позволили бы проектировать и строить мощные электростанции из-за высокой стоимости полупроводниковых гелиопреобразователей и их низкого КПД.

В то же время опасность мирового энергетического кризиса, не говоря уже об экологической угрозе дальнейшего сжигания в прежних объемах энергетического сырья для производства энергии на нужды населения и промышленности, постоянно держат мировое сообщество в большом напряжении. И такое положение будет сохраняться до тех пор, пока не будут найдены пути глобального перевода мировой энергетики на основу использования солнечной энергии, в то время как последняя до сих пор именуется "нетрадиционной", создавая закомплексованность понимания ее возможностей основным интеллектуальным потенциалом мирового сообщества.

Поэтому среди многих, давно известных и ставших уже тривиальными физических принципов и технологических способов извлечения концентрированной энергии из компонентов, конкретных проявлений солнечной энергии в окружающем пространстве надо открыть понимание того, в чем же главные причины существующего неоспоримого факта, что мощные гелиоэнергетические системы еще не созданы и не построены, и тем самым снять закомплексованность в восприятии реально существующих возможностей солнечной энергетики основными интеллектуальными силами общества. Решения этих задач при условии разработки конкретных и легко понимаемых способов строительства мощных гелиотеплоэнергетических систем (ГТЭС), которые обеспечат привлечение к вложению в них крупного капитала мирового сообщества (а этот капитал может хлынуть потоком лишь в то дело, которое дает более высокий процент прибыли, чем в других сферах перспективного капиталовложения), будут характеризоваться как эпохальные изобретения не только предстоящего столетия, но и далеко за его пределами. Именно поэтому авторы настоящего изобретения, используя свой значительный научно-технологический опыт, позволяют себе здесь и ниже более подробные описания и разъяснения, чем это принято в обычной практике описания изобретений, однако при этом соблюдается установленный законодательством порядок изложения его определенных разделов.

Известно также третье направление развития солнечной энергетики в области совмещенного использования энергии солнечных лучей и энергии естественного ветра с применением в качестве основного рабочего тела в энергопреобразовании воздуха окружающей среды, а также использования при этом аккумуляторов тепловой энергии. Это направление в солнечной энергетике является наиболее близким к предложенному авторами способу и потому для выбора в качестве прототипа настоящего изобретения используется известная авторам официальная информация по данному разделу солнечной энергетики.

Известен способ преобразования энергии солнечных лучей и естественного ветра, как одного из конкретных проявлений солнечной энергии в окружающей среде, в электрическую энергию, основанный на использовании принципа поглощения солнечных лучей темной поверхностью, нагрева контактирующего с темной пластиной воздуха и направления его в воздухоотводящую трубу и далее в ветротурбину, сочлененную с электрогенератором [см. а.с. СССР 1416745 "Энергетическая установка", F 03 D 9/00, опубликованное 15.08.88 г., а также заявка ФРГ 3312977 "Солнечная ветроустановка", F 03 D 9/00, 1984].

Недостатком данного способа является локализация его на использовании ограниченного числа компонент солнечной энергии окружающего пространства и малая экономическая эффективность конструктивной реализации использования принципов, вследствие чего имеет место высокая стоимость единицы производимой энергии.

Известен способ производства электроэнергии, основанный на преобразовании температуры нагретой водной поверхности в нагрев жидкости как рабочего тела с низкой температурой кипения и испарения, подаче паров рабочего тела в турбогенератор с косвенным участием воздуха как рабочего тела в процессе энергопреобразования [см. а. с. СССР 1495492 "Океаническая энергетическая установка", F 03 G 7/04; F 01 K 25/00, опубликованное 23.07.89 г.].

Данный способ имеет аналогичные недостатки приведенному выше, которые выражены еще больше.

Известен способ использования солнечной энергии, изложенный во французской заявке "Коллектор солнечной энергии повышенной эффективности" [см. 2698682, F 24 J 2/16, 2/20, 2/48, опубликованную 03.06.94 г.], использующий поглощение солнечных лучей темной поверхностью, нагрев воздуха, контактирующего с темной поверхностью, воздухопроницаемым гелиопоглощающим материалом и его дальнейшее технологическое применение. Данное техническое решение в своем конструктивном исполнении более эффективно в связи с важным применением воздухопроницаемого материала в качестве темной поверхности, однако явная локализация числа компонент солнечной энергии в энергетическом преобразовании, даже отсутствие в нем ветровой компоненты, ограничивают возможности его использования сферой лишь маломощных потребителей.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому авторами способу по совокупности признаков и потенциально возможным техническим результатам является способ производства электроэнергии, заложенный в устройстве [см. а. с. СССР 1625999, F 24 J 2/42 "Солнечный двигатель", опубликовано 07.02.91], включающий поглощение солнечных лучей гелиопоглощающей поверхностью, нагрев контактирующего с гелиопоглощающей поверхностью воздуха с инерционным процессом теплопередачи аккумулированной тепловой энергии и направление нагретого воздуха в воздухоотводящую трубу и ветротурбину, сочлененную с электрогенератором, в сочетании с использованием естественного ветра.

Это техническое решение позволяет сглаживать перепады мощности производимой электроэнергии, но также не обеспечивает необходимого уровня экономической эффективности для строительства на его основе мощных гелиоэнергетических станций из-за ограниченности и несбалансированности между собой используемых в нем компонент солнечной энергии.

Все другие технические решения, известные авторам по изученным патентным материалам и опубликованной научно-технической информации, не достигают потенциальных технико-экономических результатов, связанных с возможным использованием указанного выше устройства "Солнечный двигатель", из-за некомплексного и несбалансированного применения наиболее доступных к использованию в большой энергетике компонент солнечной энергии в окружающей среде и потому на их основе невозможно создать конкурентно-способную теплоэлектростанцию.

В связи с вышеизложенным для последующего легко понимаемого изложения технологических основ способа согласно настоящему предлагаемому изобретению возникает необходимость охарактеризовать наиболее доступные компоненты солнечной энергии, которые могут быть использованы при создании мощных гелиоэнергетических систем, а также наиболее важные особенности их взаимовлияния и определяемые ими самые необходимые и самые общие конструкторско-технологические подходы, которые только и могут в своей совокупности и увязке с экономическими аспектами привести к созданию высококонкурентной мощной гелиоэнергетики.

Эти известные компоненты и их важнейшие особенности, как реперные точки в создании излагаемого ниже способа, можно описать следующим образом:
1. Нагрев гелиопоглощающих поверхностей как основных элементов ГТЭС, теплоизолированных от внешней среды светопроницаемыми потолками, за счет попадания на них прямых солнечных лучей.

2. Подогрев гелиопоглощающих поверхностей за счет организации попадания на них отраженных солнечных лучей, главным образом, от горизонтальных отражающих поверхностей.

3. Температура и испарение в полостях, образованных гелиопоглощающими поверхностями и накрывающими их светопроницаемыми теплоизолирующими покрытиями. Эта энергетическая компонента, в частности, проявляется в том, что повышение влажности воздуха, как рабочего тела в энергопреобразовательном процессе, делает его более легким относительно сухого воздуха и тем ускоряет движение нагретого воздуха вверх по воздухоотводящей трубе, а в зимних условиях усиливает проявление энергетического эффекта пониженного давления наверху из-за ускоренной конденсации паров непосредственно над воздухоотводящей трубой, порождая вторичный эффект усиления тяги в трубе. Из этого следует вывод, что в ГТЭС в качестве гелиопоглощающих поверхностей могут использоваться не только темные материалы, но и такие, как водные поверхности, определенные виды насаждений под светопроницаемой кровлей, содействующие весьма низкопотенциальным энергетическим процессам повышения влажности проходящего над ними воздуха как рабочего тела и ускорению его движения в воздухоотводящей трубе. Этим проявляется возможность использования в пространстве под светопроницаемой кровлей, которое по аналогии с ТЭЦ можно представить как своеобразный "котел" ГТЭС, производства продуктов питания в виде овощей, фруктов, рыбопродукции в водоемах. При этом сами водоемы в так названном нами "котле" ГТЭС должны играть двоякую роль: как теплоаккумуляторы с большим запасом энергии и как наиболее активные испарители влаги.

Отсюда также следует энергетическая и экономическая целесообразность размещения на площадях указанного "котла" в ГТЭС перерабатывающих производств агропромышленного комплекса, связанных с выделением тепла и влаги по своим технологическим процессам, в том числе горячее консервирование, выпечка хлеба и другие, а также общепромышленных технологий, как литье изделий из алюминия, горячее прессование деталей из пластмасс и т.д., в которых технологическое оборудование выделяет много тепловой энергии в виде неизбежных потерь и преимущественно выполняется из темных металлических поверхностей.

4. Температура и давление воздуха в атмосфере на существенном расстоянии от поверхности земли, например на высоте 200 м, где, как известно, температура воздуха ниже относительно поверхности земли на 5-7^oС, а так называемое барическое давление воздуха ниже примерно на 0,03 атмосферы. Эти показатели характеризуют собой очень значительную потенциальную энергию, которая при определенных условиях может быть преобразована в кинетическую энергию движения воздуха через воздухоотводящую трубу. Как известно, в естественной статической обстановке эта потенциальная энергия не находит своего проявления, так как происходит за счет равномерных конвективных процессов на значительных территориях поверхности земли установление статического градиента перепада температуры и барического давления от поверхности земли вверх. Однако, когда нагретый воздух в "котле" ГТЭС попадает вверх, за торец воздухоотводящей трубы, статическое равновесие нарушается и развивается динамический процесс усиления тяги в трубе. Из этих известных физических процессов необходимо сделать следующие важнейшие выводы при создании высокоэффективной ГТЭС.

4.1. Воздухоотводящая труба должна проектироваться максимальной высоты, чтобы в наиболее полной мере использовать естественное проявление солнечной энергии в окружающей среде в виде градиента температуры и барического давления, которые могут стать источником громадной кинетической энергии во взаимодействии с теплым воздухом из "котла" ГТЭС. На первый взгляд бросается во внимание, что вывод о необходимости строительства максимальной высоты воздухоотводящей трубы является тривиальным, ибо любой строитель теплоэлектростанции хотел бы иметь трубу повыше, но при этом и подешевле и не доходить до предела надежности трубы с использованием традиционных материалов. Однако - это обманчивое впечатление, и вывод о целесообразности строительства высокой воздухоотводящей трубы на других основаниях позволяет получить два соответствующих решения в области создания высокоэкономичных ГТЭС, используя специфические особенности ГТЭС. Первое из них можно назвать "эффектом масштабности": высокие воздухоотводящие трубы можно строить только при создании достаточно мощной ГТЭС, в то время как усилия разработчиков гелиоэнергетических систем сосредоточены на разработке маломощных образцов как пионерских проектов; кроме того, строительство высокой воздухоотводящей трубы требует сбалансированности с размерами гелиопоглощающих поверхностей и значит - с размерами светопроницаемых теплоизолирующих покрытий. Это требует, в свою очередь, перехода от примитивных с высокой удельной стоимостью путей создания таких покрытий к высокопроизводительной производственной базе для получения покрытий с незначительной удельной стоимостью на площадях, измеряемых гектарами, десятками и даже сотнями гектар, которые должны быть использованы, параллельно с основным технологическим назначением "котла" в ГТЭС для производства продуктов питания и организации согласующихся с назначением упомянутого "котла" промышленных производств.

Второе решение, о котором указано выше, основывается на том, что температура воздуха в ГТЭС, проходящего через воздухоотводящую трубу, значительно ниже температуры продуктов горения в газовых котлах стандартных ТЭЦ и подход к проектированию воздухоотводящей трубы в ГТЭС может быть совершенно иным. В нижней части, где воздухоотводящая труба выполняет функции несущей конструкционной базы, она может выполняться из заменителей металла, железобетона и кирпича, высокопрочных, технологичных в производстве и монтаже и существенно более дешевых, а кроме того, несущая база внизу может и не иметь формы трубы, что удешевит конструкцию. В верхней части воздухоотводящей трубы, например за пределами 100 м, эта труба может быть продолжена исключительно дешевым образом за счет удлинения ее другой трубой, выполненной из высокопрочной пленки, которая может подниматься вверх распрямляться, в принципиальном представлении, самим скоростным потоком нагретого воздуха. Конечно, в реальных конструкциях такое удлинение трубы будет выполняться с применением специальных приспособлений, а поток теплого воздуха будет лишь содействовать удержанию ее в вертикальном положении, но стоимость каждого метра такого удлинения трубы будет в несколько раз дешевле стоимости его в предшествующей части трубы, конструкция которой может быть разделена на несущие и воздухоотводящие компоненты. В таком варианте с помощью удлинения воздухоотводящей трубы можно проектировать использование громадной потенциальной энергии с высот 200-500 метров.

Такие неожиданные решения в отношении создания высокоэкономичной ГТЭС могут быть сделаны из вроде бы тривиального соображения о желательности иметь высокую трубу.

4.2. Движение теплого воздуха через воздухоотводящую трубу необходимо максимально ускорять, увеличивать секундный объем его выброса в атмосферу за пределами трубы и за счет этого будет усиливаться эффект воздействия на величину тяги пониженных барического давления и температуры в атмосфере за пределами трубы. Именно с этой целью должна быть использована другая компонента солнечной энергии - энергия естественного ветра, однако особым образом аэродинамически преобразованная дешевыми средствами.

4.3. Увеличение территории поверхности земли, накрытой светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, свыше определенных размеров нарушает статическое равновесие в атмосфере за счет того, что на значительной территории вокруг воздухоотводящей трубы уменьшается конвекционная передача тепла от поверхности земли в атмосферу над трубой и это порождает вторичные и третичные эффекты увеличения тяги в трубе, усиливая высасывание теплого воздуха из "котла" ГТЭС за пределы трубы, порождая эффекты усиления тяги следующего порядка, подобно действию положительных обратных связей в инвариантных многомерных системах автоматического регулирования. Следовательно, в указанном смысле упомянутый "эффект масштабности" получает свое новое технико-экономическое подтверждение.

Можно обратить внимание и на то, что в таком комплексном подходе воздухоотводящая труба приобретает роль важнейшего элемента в многомерном авторегулируемом процессе, образующемся одновременным включением в работу целого ряда взаимодействующих компонент солнечной энергии, создавая так называемый эмерджентный эффект.

5. Приземный ветер как энергоноситель. Он должен в соответствии с развиваемой концепцией концентрироваться простыми техническими средствами и направляться в первую очередь на усиление высасывания нагретого воздуха из "котла" ГТЭС (с большим содержанием низкопотенциальной энергии) за пределы воздухоотводящей трубы, чтобы увеличивать мощность преобразования большого количества естественно накопленной потенциальной энергии, заключенной в атмосфере над трубой, в кинетическую энергию посредством вторичного усиления тяги в трубе. Важно понимать, что, если бы мощность приземного ветропотока была направлена на выработку электроэнергии с помощью современного ветроагрегата, расположенного в стороне от воздухоотводящей трубы, то прибавка в общей выработке электроэнергии от работы такого ветроэлектроагрегата была бы ничтожно малой в сравнении с приращением выработки электроэнергии через главную ветротурбину при направлении ветропотока той же мощности на усиление высасывания нагретого воздуха из "котла" ГТЭС. Именно по этой причине самые мощные современные ветроэлектроагрегаты, содержащие высотные и особо прочные несущие башни, не имеют никаких конкурентно-способных перспектив для использования их в мощных гелиоэнергосистемах, ибо в них не используется башня для участия в преобразовании потенциальной энергии атмосферных слоев над башней в кинетическую.

6. Атмосферный ветер над верхним торцом воздухоотводящей трубы. Его кинетическая энергия должна быть трансформирована дешевыми аэродинамическими средствами в энергию вертикального потока над воздухоотводящей трубой для дополнительного усиления высасывания нагретого воздуха из "котла" ГТЭС совместно с преобразованным движением приземного ветра в вертикальное вращательное движение вокруг оси воздухоотводящей трубы.

Естественный ветер на крупных водоемах имеет значительно более высокий осредненный по году ветропотенциал, а на побережьях морей он имеет и суточные постоянные циклы, что может способствовать стабильности работы ГТЭС.

Расчеты показывают, что реализация вышеизложенной концепции комплексного использования различных компонент солнечной энергии в их взаимодействии позволяет создать гелиотеплоэлектростанции на мощности 20-50 тыс кВт и больше с удельной себестоимостью, в три раза более низкой, чем это характерно для ТЭЦ на газовом энергетическом сырье, и окупаемость таких ГТЭС в совокупности со встроенными в них агропромышленным комплексом и экзотермическим промышленным оборудованием может находиться в пределах 12-18 месяцев.

Изложенная концепция как основа предложенного способа создания мощных теплоэлектрических станций на солнечной энергии дает основание называть последние гелиоаэробарическими.

Таким образом, задачей настоящего технического решения является создание способа производства электроэнергии от экологически чистых возобновляемых источников природной среды и создание на этой основе мощных гелиотеплоэлектростанций, в первую очередь, на водоемах, обеспечивающее значительное повышение мощности этих станций до значений, сравнимых с мощностями теплоэлектростанций, работающих на углеводородном энергетическом сырье, при максимальной экономии вкладываемых средств путем комплексного использования, организации и концентрации потоков энергии от таких низкопотенциальных природных источников, как прямая солнечная радиация, энергия отраженных от поверхности воды солнечных лучей, энергия нагретой водной поверхности, естественного ветра, в т.ч. прибрежного, потенциальная энергия, запасенная в перепаде температуры и барического давления между поверхностью земли и более высокими слоями атмосферы, а также вовлечения не используемых в настоящее время водных пространств и неугодий в хозяйственную деятельность человека.

Техническим результатом настоящего концептуального решения является повышение эффективности и достижение значительных мощностей гелиоветроустановок, повышение стабильности вырабатываемой мощности во времени, а также создание условий для организации эффективного растениеводства на водных пространствах и животноводства в прибрежной зоне.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе создания мощных гелиоэнергоустановок, включающем поглощение солнечных лучей гелиопоглощающей поверхностью, теплоизолированной от окружающей среды светопроницаемым покрытием, нагрев контактирующего с поверхностью воздуха, характеризующийся инерционностью процесса во времени, направление его в воздухоотводящую трубу и далее в ветротурбину, сочлененную с электрогенератором, аккумулирование тепловой энергии, имеются отличия. А именно нагрев контактирующего с гелиопоглощающей поверхностью воздуха производят водными и грунтовыми поверхностями с гибкозакрепленными над поверхностью воды гелиопреобразующими платформами на опорах, закрепленных на поверхности воды, причем платформы имеют гибкий каркас с ячейками, заполненными воздухопроницаемым и гелиопоглощающим материалом, и накрыты светопроницаемым теплоизолирующим материалом, закрепленным в ячейках на гибком каркасе, образующим замкнутую полость над поверхностью гелиопоглощающего материала, сообщающуюся с воздухоотводящей трубой, при этом гибкие каркасы закреплены относительной водной поверхности на опорах и относительно береговой линии на фундаментах воздухоотводящей трубы, при этом на водной поверхности под светопроницаемым теплоизолирующим покрытием размещают объекты агропромышленного комплекса, а на суше в пространстве, прилегающем к воздухоотводящей трубе, устанавливают экзотермическое промышленное оборудование, при этом воздух, поступающий в гелиопреобразующие платформы, предварительно подогревают и увеличивают его влажность над поверхностью теплоизолированного солнечного пруда, для создания которого часть объема водоема ограничивают со всех сторон горизонтальной и вертикальными теплоизолирующими перегородками, а со стороны воздуха накрывают светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, создавая над поверхностью воды канал, сообщающийся с надплатформенным воздушным пространством.

Кроме того, особенности в том, что дополнительно заполняют солнечный пруд теплой водой с поверхности водоема за пределами светопроницаемого теплоизолирующего покрытия, для чего в верхней подповерхностной части солнечного пруда образуют переливные водозаборы, а в нижней придонной части - сливы.

Кроме того, особенность в том, что направляют поток естественного ветра вертикально вверх вдоль оси воздухоотводящей трубы в дополнительно образованный канал вокруг верхней части воздухоотводящей трубы путем образования по крайней мере двух вертикально расположенных стенок, расходящихся между собой от воздухоотводящей трубы к периферии, и потолка, накрывающего пространство между стенками.

Кроме того, особенность в том, что потолок и стенки выполняются из светопроницаемого материала, закрепленного на гибких канатных сетках.

Кроме того, особенность в том, что воздухоотводящую трубу снабжают управляемой самоподнимающейся надстройкой, внутренняя полость которой является продолжением воздухоотводящей трубы, для чего надстройку выполняют в форме расширяющего кверху усеченного конуса из гибкого гофрированного в горизонтальных сечениях воздухонепроницаемого материала и закрепляют ее нижнее основание относительно несущих конструкций верхнего окончания корпуса воздухоотводящей трубы или связанных с ней конструктивных элементов.

Указанный технический результат обусловлен комплексным использованием таких природных факторов, как энергетический градиент перепада давления и температуры в атмосфере вдоль вертикали от земной поверхности вверх, проявление которого возрастает с увеличением высоты управляемой самоподнимающейся надстройки, естественный ветер, имеющий повышенный потенциал вблизи побережья водоемов, прямые и отраженные от водной поверхности солнечные лучи, теплопередача от водной поверхности в ночное время как дополнительный фактор, сглаживающий колебания мощности, вырабатываемой в отсутствие солнечных лучей, путем указанной новой организации получения и концентрации энергетических потоков.

Наилучший технический результат достигается при использовании всех пунктов формулы изобретения.

При достижении технического результата в предлагаемом техническом решении используются признаки, отнесенные к отличительным, которые известны из уровня техники, например "нагрев воздуха, контактирующего с темной поверхностью воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала" [см. з. Франции "Коллектор солнечной энергии повышенной эффективности" 2698682, F 24 J 2/16, 2/20, 2/48, опубл. 3.06.1994]. Но в предлагаемом решении технический результат достигается особой формой расположения и взаимодействия в пространстве элементов, осуществляющих указанный выше нагрев, а именно "нагрев... производят водными и грунтовыми поверхностями в энергетическом взаимодействии с гибкозакрепленными над поверхностью воды...". Такие признаки, как "гибкий каркас", "гибкое закрепление на воде", позволяют достичь указанного результата, т. к. при их отсутствии не было бы возможным достижение значительной мощности получаемой электроэнергии, которая достигается при значительных площадях, занимаемых гелиоплатформами и светопроницаемыми теплоизолирующими покрытиями на воде и частично на суше и которые требуются для обеспечения работоспособности способа.

Такой признак, как "использование теплоизолированного солнечного пруда для нагрева рабочего тела", также известен из уровня техники [см. а.с. СССР "Океаническая энергетическая установка", F 03 Q 7/04, F 01 K 25/00, опубл. 23.07.99] , но в предлагаемом техническом решении этот признак используется как фактор, снижающий затраты на производство электроэнергии, как дешевый концентратор энергии в весьма крупных водоемах - теплоаккумулятор и источник водяных паров, стабилизирующий выработку электроэнергии, т. е. цели его применения значительно шире.

Предварительный подогрев и повышение влажности воздуха, поступающего в гелиопреобразующие платформы над поверхностью теплоизолированного солнечного пруда, увеличивает эффективность способа, позволяет создавать более мощные воздушные потоки, взаимодействующие с естественным ветром, пониженными давлением и температурой над трубой и воздействующие на ветротурбину.

Такой признак, как "заполнение солнечного пруда с поверхности водоема за пределами солнечного пруда", описан в том же источнике, см. выше, но с другой целью - для простого восполнения уровня воды в пруде, расходуемой для опреснения. В предлагаемом же техническом решении перелив осуществляют с целью аккумуляции тепла, что также увеличивает эффективность способа.

Дополнительная концентрация потока естественного ветра, и так имеющего повышенный потенциал вблизи побережья, и направление его вертикально вверх вдоль оси воздухоотводящей трубы в дополнительно образованный ветрозаборный канал в воздухоотводящей трубе или в дополнительный канал вокруг воздухоотводящей трубы в ее верхней части возможны благодаря образованию по крайней мере двух вертикально расположенных стенок, расходящихся между собой от воздухоотводящей трубы к периферии, и потолка, накрывающего воздушное пространство между вертикальными стенками. Выполнение этого потолка и стенок светопроницаемыми позволяет более эффективно использовать солнечную энергию, а выполнение их на гибких канатных сетках делает способ работоспособным.

Снабжение воздухоотводящей трубы управляемой самоподнимающейся надстройкой, внутренняя полость которой является продолжением воздухоотводящей трубы и которая воспринимает такие динамические энергопотоки, как поток нагретого воздуха, выходящего из верхнего проема воздухоотводящей трубы, сконцентрированный приземный поток естественного ветра и атмосферный поток естественного ветра над воздухоотводящей трубой, преобразованные в динамические вертикальные ветропотоки с помощью аэродинамических конструктивных элементов, сопряженных с поверхностью воздухоотводящей трубы, для чего надстройку выполняют охватывающей пространство над воздухоотводящей трубой и аэродинамическими конструктивными элементами, преобразовывающими движение ветропотоков, в форме расширяющегося кверху усеченного конуса из гибкого гофрированного материала, что позволяет увеличивать выработку электроэнергии при подъеме управляемой самоподнимающейся надстройки за счет усиления взаимодействия комплекса энергетических компонент окружающей среды, в том числе благодаря возникающим между ними положительным обратным связям в едином, специально организованном, энергетическом пространстве гелиоэнергокомплекса. Возможный подъем этой надстройки на большие высоты может обеспечить и весьма большое увеличение выработки электроэнергии.

Тщательное изучение и учет рельефа местности и розы ветров позволяют наиболее эффективно использовать данный способ.

На фиг. 1 изображена в вертикальной проекции схематическая компоновка элементов, предусматривающих возможную реализацию способа.

На фиг.2 в плане дается уточнение расположения элементов возможной реализации способа.

На фиг. 3 схематично показано закрепление управляемой самоподнимающейся надстройки.

Способ осуществляют следующим образом.

Над поверхностью водоема 1 (см. фиг.1) на вертикальных опорах 2 помещают по крайней мере одну гелиопоглощающую платформу 3. Платформа 3 заполнена воздухопроницаемым гелиопоглощающим веществом 4, накрыта светопроницаемым теплоизолирующим материалом 5 так, что над гелиопоглощающим веществом 4 образована замкнутая полость 6, сообщающаяся с воздухоотводящей трубой 7, расположенной преимущественно на побережье 8. Ветротурбина 9 сочленена с электрогенератором 10 (см. фиг.2) и расположена в средней части воздухоотводящей трубы 7.

Солнечные лучи, падающие сверху, попадают через светопроницаемый теплоизолирующий материал 5 на гелиопоглощающий материал 4, нагревают его. Солнечные лучи, отраженные от поверхности воды, также нагревают гелиопоглощающий материал снизу. Воздух проходит снизу через гелиопоглощающий материал и дополнительно нагревается. В отсутствие солнечных лучей над поверхностью воды также происходит процесс его предварительного нагрева путем теплопередачи от воды к воздуху. Нагретый воздух из полости 6 над гелиопоглощающим материалом отводится в воздухоотводящую трубу 7, смешивается над трубой с более холодной средой, имеющей пониженное давление, и обеспечивает повышение тяги в трубе 7 и скорости воздухопотока, воздействующего на ветротурбину 9. Этот процесс усиливается потоком естественного ветра над трубой 7. Дополнительным источником повышения температуры и влажности воздуха являются установленные на водной поверхности под гелиопоглощающей поверхностью объекты агропромышленного комплекса, например плантации водных растений, а на суше в пространстве, прилегающем к воздухоотводящей трубе, промышленное экзотермическое оборудование, например производство изделий из стекла (на фиг.1, 2 не показано).

В связи с созданием в водоеме термоизолированного пространства солнечного пруда 11, ограниченного в объеме воды вертикальными и горизонтальной теплоизолирующими стенками 12 и накрытого со стороны воздуха светопроницаемым теплоизолирующим покрытием 13 (на фиг.1 отмечено вертикальными штрихами), создается воздушный канал 14, сообщающийся с надплатформенным воздушным пространством - замкнутой полостью 6 через воздухопроницаемый материал 4. Воздух в подплатформенном пространстве от поверхности воды предварительно нагревается, что позволяет создать более мощные воздушные потоки, воздействующие на ветротурбину. Кроме того, чтобы создать запасы тепла на зиму в воде как в доступном теплоаккумулирующем материале, теплая вода с обширной поверхности водоема направляется в солнечный пруд в теплое время года через переливные водозаборы 15, а холодная удаляется через сливы 16, чем аккумулируется солнечная энергия с больших водных пространств.

В случае образования по крайней мере двух вертикально расположенных ветронаправляющих стенок 17 (на фиг.1 отмечено горизонтальными штрихами), расходящихся между собой от воздухоотводящей трубы 7 к периферии (см. фиг.2), закрепленных на гибких канатных сетках (не показаны), и потолка, накрывающего воздушное пространство между вертикальными стенками, поток естественного ветра концентрируется и направляется вертикально вверх вдоль оси воздухоотводящей трубы в дополнительный ветрозаборный канал 18 вокруг воздухоотводящей трубы в ее верхней части, выполненный в виде полого конического колпака 19, поверхностям которого приданы аэродинамические формы, усиливая выработку электроэнергии. Выполнение этих потолка и стенок светопроницаемыми дополнительно позволяет подогревать воздух, направляемый на ветротурбину 9, и тем самым повысить эффективность способа.

В случае снабжения воздухоотводящей трубы управляемой самоподнимающейся надстройкой 20 (см.фиг.3) она своей гофрированной поверхностью 21 присоединяется к корпусу воздухоотводящей трубы 7 посредством полого конического колпака 19 с аэродинамическими поверхностями по внешней окружности его нижнего основания.

Для обеспечения самоподъема верхнее основание конической гофрированной поверхности 20 присоединено по окружности, проекция которой представлена точкой 24 к замкнутому подъемному резервуару 23, заполненному газовой средой и посредством канатов 25 соединенному с натяжными устройствами 26, закрепленными относительно опорных несущих конструкций и связанными по каналам управления 27 с устройствами управления 28, которые по другим каналам управления 29 связаны с компьютерным центром 30 энергоустановки.

При необходимости увеличения выработки электроэнергий компьютерный центр 30 гелиоэнергоустановки по управляющим каналам 29 через устройства управления 28 выдает команды на подъем управляемой самоподнимающейся надстройки, тем самым верхнее основание надстройки поднимается на требуемую высоту.

В результате этого верхнее основание надстройки поднимается в слои атмосферы, которые характеризуются существенным снижением температуры и барического давления относительно верхнего окончания воздухоотводящей трубы. Тем самым энергопотоки в виде потока теплого воздуха, концентрированного приземного естественного ветра, атмосферного ветра над воздухоотводящей трубой, преобразованные в динамический вертикальный поток, взаимодействуют с энергосредой над верхним основанием надстройки и вызывают вторичный эффект усиления тяги в воздухоотводящей трубе, дополнительно увеличенный за счет высоты подъема надстройки, за счет чего увеличивается выработка электроэнергии.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
Для осуществления способа над поверхностью водоема 1 и частично над береговой территорией 8 на стальных тросах, закрепленных между несущим каркасом воздухоотводящей трубы и относительно легкими вертикальными опорами 2 из бетонозаменяющего материала, установленными на плавающих коробах 2, закрепленных якорным способом, если глубина большая, помещают гелиопоглощающую платформу 3. Платформа 3 имеет гибкий проволочный каркас с ячейками (14, 4, см.фиг.2), заполненными воздухопроницаемым гелиопоглощающим материалом (4) - металлическими плитками 4 с отверстиями (14), и накрыта полимерной пленкой 5, закрепленной в ячейках на проволочном каркасе, образующей полость 6, сообщающуюся с воздухоотводящей трубой 7, расположенной на побережье 8. Корпус воздухоотводящей трубы 7 выполнен из бетонозаменяющих конструкций.

Солнечные лучи, падающие сверху, попадают через полимерную пленку 5 на металлические плитки 4 с отверстиями 14 и нагревают их. Отраженные от поверхности воды солнечные лучи также нагревают металлические плитки 4, воздух проходит через отверстия 14 в металлических плитках, дополнительно нагревается и поступает в воздухоотводящую трубу 7, смешивается над трубой 7 с более холодной средой, имеющей пониженное относительно поверхности земли так называемое барическое давление, и обеспечивает повышение тяги в трубе 7 и скорости воздушного потока, воздействующего на ветротурбину 9.

В отсутствие солнечных лучей над поверхностью воды продолжает происходить процесс теплопередачи от воды к воздуху.

Для создания в водоеме и над ним теплоизолированного пространства солнечного пруда выполняют горизонтальную и вертикальные стенки 12 из полимерных пленок, закрепленных в ячейках на проволочном каркасе в объеме водоема, в том числе и за пределами горизонтальной проекции гелиопоглощающей платформы, а также из полимерных пленок 13 - над воздушной поверхностью пруда. Потолок и стенки из пленок 13 над солнечным прудом выполняются наклонными: от небольшой высоты на периферии до стыковки его с гелиопреобразующей платформой 3, которая располагается на значительной высоте над поверхностью водоема, чтобы максимально воспринимать отраженные лучи.

В случае выполнения в верхней подповерхностной части солнечного пруда переливных водозаборов 15, а в нижней придонной части пруда - сливов 16 происходит дополнительное аккумулирование тепловой энергии.

Для дополнительной концентрации естественного ветра выполняют ветронаправляющие стенки и потолок 17. Они закреплены на несущем канатном каркасе аналогично светопроницаемым покрытиям 5 и 13. Продольные несущие канаты светопроницаемого ветронаправляющего потолка закреплены относительно конического полого колпака 19, что представлено на фиг.3 точкой 22. Естественный ветропоток вдоль ветронаправляющих стенок и потолка 17 концентрируется и через внутреннюю полость 18 с аэродинамической поверхностью полого конического колпака 19 поднимается вверх над выходом воздухоотводящей трубы 7 в направлении пресечения с ее осью на некотором расстоянии от торца, приобретая вращательное движение, и усиливает всасывание нагретого воздуха из полости 6. Этим развивается вторичный эффект усиления тяги в трубе за счет взаимодействия увеличенного потока нагретого воздуха из полости 6 в атмосферу над воздухоотводящей трубой 7, которая характеризуется пониженными температурой и барическим давлением относительно поверхности водоема 1.

Горизонтальный поток естественного ветра над воздухоотводящей трубой 7 посредством наружной аэродинамической поверхности конического полого колпака 19 трансформируется в вертикальный ветропоток, вызывая процессы по аналогии с предыдущим.

Для стабилизации выработки электроэнергии создается над воздухоотводящей трубой 7 управляемая самоподнимающаяся надстройка 20 (см. фиг.3). В исходном положении она находится в сжатом виде благодаря гофрированной конической поверхности 21 и расположена непосредственно на несущем каркасе ветронаправляющего потолка 17, охватывая конический полый колпак 19 (на фиг.3 это положение управляемой самоподнимающейся надстройки 20 не показано).

Подъем управляемой самоподнимающейся надстройки в вертикальное положение производится замкнутым подъемным резервуаром 23, который для этого заполняется газовой средой, причем последняя легче воздуха в диапазоне рабочих температур движущегося нагретого воздухопотока и окружающей среды. На фиг.3 устройства для заполнения замкнутого подъемного резервуара 23 газовой средой с целью его подъема не показаны. Высота подъема замкнутого подъемного резервуара 23 и вместе с ним верхнего основания управляемой вспомогательной воздухоотводящей трубы 20 определяется положением канатов 25 посредством натяжных устройств 26, которые при подъеме управляемой самоподнимающейся надстройки 20 разматывают канаты 25 на величину, заданную через устройства управления 28 компьютерным центром 30 по каналам управления 27 и 29. В тех случаях, когда выработка электроэнергии энергоустановкой начинает снижаться в силу погодных условий, ночных и сезонных периодов, компьютерный центр энергокомплекса выдает управляющие команды для подъема управляемой вспомогательной воздухоотводящей трубы на ту высоту, которая обеспечит стабилизацию выработки электроэнергии на проектном уровне энергоустановки благодаря увеличению взаимодействия указанных выше энергетических факторов на усиление тяги воздушного потока через ветротурбину 9.

Из нижеследующего описания можно более глубоко понять технико-экономические аспекты применения способа.

В случае, если водоем характеризуется периодическим повышенным волнением водной поверхности, по внешнему периметру солнечного пруда выполняется плавающий волноотражающий короб, который будет одним из самых дорогих конструктивных элементов энергоустановки, но все же будет представлять собой значительно более дешевое сооружение, чем газопровод и связанная с подачей газа в котлы инфраструктура ТЭЦ аналогичной мощности.

В настоящее время поверхность земли, занятая водоемами, в том числе многочисленными искусственными, используется недостаточно интенсивно как в плане ведения хозяйственной деятельности для производства продуктов питания, так и в плане извлечения энергетических ресурсов, потенциально связанных с этими водоемами. Например, каскад гидроэлектростанций, построенных на Волге, привел к созданию огромных водохранилищ, извлечение электрической энергии посредством которых через гидроэлектростанции составляет ничтожную долю относительно потенциальных возможностей, а отлов рыбы в этих искусственных морях малопродуктивен. Между тем только поверхность водохранилища, образованного, в частности, Волгоградской ГЭС, воспринимает в среднем в течение года не менее 300 млн кВт мощности солнечной энергии, а в летние погожие дни воспринимаемая мощность составляет около 2 000 млн кВт. Эта громадная энергия до сих пор не утилизировалась в связи с отсутствием известных эффективных способов утилизации такой низкопотенциальной энергии. Настоящее изобретение позволяет создание такого способа, при котором удельные капитальные затраты на производство 1 кВт мощности из энергетического низкопотенциального ресурса водохранилища были бы низкими, более того - значительно более низкими, чем это имеет место при строительстве ТЭЦ на газовом энергетическом сырье. Уникальная эффективность данного способа может преобразовать не только экономику республик бывшего СССР с интенсивным освоением северных регионов и южных пустынь, но и освободить такие островные государства, как Япония, от дорогостоящего завоза энергетических ресурсов. Например, если на юге Японии создать такое водохранилище из морской воды площадью 50 х 50 км², то на его поверхность в среднем за год будет воздействовать не менее 750 млн кВт солнечной энергии. При условии высокоэффективного использования этой энергии потребности Японии в электро- и теплоэнергии будут полностью удовлетворены. Но такие водохранилища можно создавать и в прибрежных зонах океана, например на южном шельфе Красного моря, в Египте, даже непосредственно в самом океане, море.

Предложенный способ открывает практические возможности и для управления климатом планеты. Строительство таких гелиопреобразующих комплексов в северных регионах, хотя и менее эффективное, чем на юге, по удельным капиталовложениям все же не поигрывает газовым ТЭЦ, но создает потенциал повышения температуры климата всего региона из-за увеличения объемов поглощения солнечной энергии в этих зонах. Напротив, если в зоне пустынь создать поверхности, отражающие солнечные лучи с общей, технологически распределенной по ним площади лишь 100•100 км², то от поверхности земли может отражаться мощность солнечных лучей почти в 10 000 млн кВт, что превышает мощность всего энергопроизводства на планете, которое и создало причины опасного повышения температуры в целом на планете. При предложенном способе получения энергии не происходит выделения углекислого газа, который за счет создания "парникового эффекта" вносит главную составляющую долю в опасное повышение температуры планеты.

Способ применим и на суше, для чего используются искусственно создаваемые водоемы.

Способ создания мощных гелиоэнергоустановок применим в ветрогелиоэнергетике. Способ включает использование таких природных источников, как прямая солнечная радиация, энергия отраженных от воды солнечных лучей, перепад давления и температуры в атмосфере от поверхности земли к пространству над тяговой трубой, энергия естественного ветра, тепло, накопленное водоемом в дневное и летнее время. Способ позволяет концентрировать и интегрировать энергию данных источников, преобразуя ее в энергию воздушных потоков, воздействующих на ветротурбину, сочлененную с генератором, установленную в воздухоотводящей трубе. Для осуществления способа используют гибкозакрепленные гелиопоглощающие платформы, размещенные над поверхностью воды, создающие совместно со светопроницаемым теплоизолирующим покрытием воздушные полости над гелиопреобразующим воздухопроводящим материалом, сообщающиеся с внутренней полостью воздухоотводящей тяговой трубы, дополнительный подогрев поступающего в подплатформенное пространство воздуха, осуществляемый за счет сооружения теплоизолированного водного пространства под светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, а также размещенные под светопроницаемым теплоизолирующим покрытием технологии по производству продуктов питания на воде и экзотермическое промышленное оборудование в прибрежной зоне воздухоотводящей трубы. Для увеличения эффективности способа используется образование по крайней мере двух легких вертикально расположенных ветронаправляющих стенок, расходящихся между собой от воздухоотводящей тяговой трубы к периферии, и потолка, накрывающего пространство между ними, которые могут выполняться из светопроницаемого материала, и установка управляемой самоподнимающейся надстройки над воздухоотводящей трубой, поверхность которой выполнена из гофрированного пленочного материала и закреплена нижним основанием к корпусу воздухоотводящей трубы в верхней его части, а верхним основанием - к замкнутому подъемному резервуару, заполненному легким газом, при этом высота ее подъема определяется посредством управляемых натяжных устройств и канатов условиями выработки электроэнергии энергоустановкой. Способ позволяет создавать мощные экологически чистые гелиотеплоэлектростанции, удельная капиталоемкость которых значительно ниже аналогичных по мощности ТЭЦ, работающих на природном энергетическим сырье. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ создания мощных гелиоэнергоустановок, включающий поглощение солнечных лучей гелиопоглощающей поверхностью, термоизолированной от окружающей среды светопроницаемым покрытием, нагрев контактирующего с гелиопоглощающей поверхностью воздуха, характеризующийся инерционностью процесса во времени, направление воздуха в воздухоотводящую трубу и далее в ветротурбину, сочлененную с электрогенератором, отличающийся тем, что нагрев контактирующего с темной поверхностью воздуха производят водными и грунтовыми поверхностями с гибкозакрепленными над поверхностью воды гелиопоглощающими платформами, помещенными на опорах, закрепленных на поверхности воды, при этом платформы имеют гибкий каркас с ячейками, заполненными воздухопроницаемым и гелиопоглощающим материалом, закрепленным в ячейках на гибком каркасе, образующим замкнутую полость над поверхностью гелиопоглощающего материала, сообщающуюся с воздухоотводящей тяговой трубой, при этом гибкие каркасы закреплены относительно водной поверхности на опорах и относительно береговой линии - на фундаментной базе воздухоотводящей тяговой трубы, при этом на водной поверхности под гелиопоглощающей платформой размещают объекты агропромышленного комплекса, а на суше в пространстве, прилегающем к воздухоотводящей трубе, устанавливают экзотермическое промышленное оборудование, при этом воздух, поступающий в гелиопоглощающие платформы, предварительно подогревают над поверхностью термоизолированного солнечного пруда, для создания которого часть объема водоема ограничивают со всех сторон горизонтальной и вертикальными теплоизолирующими перегородками, а со стороны воздуха накрывают светопроницаемым теплоизолирующим покрытием, создавая над поверхностью воды канал, сообщающийся с надплатформенным воздушным пространством. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно заполняют солнечный пруд теплой водой с поверхности водоема за пределами светопроницаемого теплоизолирующего покрытия, для чего в верхней подповерхностной части солнечного пруда образуют переливные водозаборы, а в нижней придонной части пруда - сливы. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что поток естественного ветра направляют вертикально вверх вдоль оси воздухоотводящей трубы в дополнительно образованный ветрозаборный канал вокруг верхней части воздухоотводящей трубы путем образования по крайней мере двух вертикально расположенных стенок, расходящихся между собой от воздухоотводящей трубы к периферии, и потолка, накрывающего пространство между стенками. 4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что стенки и потолок выполняются из светопроницаемого материала, закрепленного на гибких канатных сетках. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что воздухоотводящую трубу снабжают управляемой самоподнимающейся надстройкой, внутренняя полость которой является продолжением трубы, для чего надстройку выполняют в форме расширяющегося кверху усеченного конуса из гибкого гофрированного в горизонтальных сечениях воздухонепроницаемого материала и закрепляют ее нижнее основание относительно несущих конструкций верхнего окончания корпуса воздухоотводящей трубы или связанных с ней конструктивных элементов.