СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК F24J2/00 F24J2/42 

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

Известен способ преобразования энергии солнечных лучей и естественного ветра, как одного из конкретных проявлений солнечной энергии в окружающей среде, в электрическую энергию, основанный на использовании принципа поглощения солнечных лучей зачерненной поверхностью, нагрева контактирующего с ней воздуха и направления его в воздухоотводящую трубу через ветротурбину, сочлененную с электрогененератором [см. А.С. СССР 1416745 "Энергетическая установка", F 03 D 9/00, опубликованное 15.08.88].

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

Известен способ преобразования солнечной энергии, изложенный во французской заявке "Коллектор солнечной энергии повышенной эффективности" [см. Patent France №2698682, F 24 J 2/16, 2/20, 2/48, опубликован 03.06.94], использующий поглощение солнечных лучей зачерненной поверхностью, нагрев воздуха, контактирующего с горячей поверхностью из воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала, и его дальнейшее перемещение через ветротурбину. Данное техническое решение в своем конструктивном исполнении более эффективно, чем предыдущее, в связи с важным применением воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала. Однако и в данном случае ограничено используются как принципы интенсификации движущегося воздушного потока, так и потенциальные возможности воздухопроницаемого материала для усиления динамических характеристик движущегося воздухопотока.

Наиболее известным устройством преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, широко дискутируемым в литературе, является электростанция "Solar Chimney", введенная 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", "Энергия", 1991 г., №6]. Несмотря на значительные размеры солнечного коллектора (диаметр 245 м, высота 1,85 м) и воздухоотводящей трубы (диаметр 10 м и высота 195 м) достигнутая мощность установки составила всего лишь 36 кВт. На основании полученных результатов в подавляющем большинстве научных и инженерных оценок делается вывод о неэффективности способа преобразования солнечной радиации посредством использования конвекции нагреваемого ветропотока, находящегося в условиях термодинамически равновесных состояний.

Обоснование такого отрицательного вывода со ссылкой на законы равновесной термодинамики несостоятельны. Во-первых, в данном техническом решении имеются конструктивные недостатки, связанные со слабостью конструкции солнечного коллектора, в котором не использован ряд процессов, обеспечивающих рост энергоотдачи, в том числе воздухопроницаемая гелиопоглощающая поверхность, средства парообразования, например с применением культивируемых растений и водных резервуаров, способных дать дополнительный экономический эффект в рамках тепличного комплекса наряду с повышением интенсивности энергетического насыщения воздушного потока. Кроме того, подход к конструктивному исполнению воздухоотводящей трубы оказался консервативным, приводящим к весьма высокой ее стоимости наряду с целым рядом других конструктивных недостатков. Во-вторых, в данном техническом решении также не осуществлены принципы вихреобразования, которые позволяют добиться наращивания скорости вращательного движения воздуха перед входом его в воздухоотводящую трубу, что вполне доступно для осуществления, имея ввиду масштабные круговые формы солнечного коллектора. Кроме того, не использована возможность целенаправленного создания термической неоднородности приземной гелиопоглощающей поверхности, за счет чего воздушный поток приобретает энергосодержащие вихревые структуры, способные усиливать течение.

Принцип возможного применения турбулентной генерации энергии вращательными вихревыми движениями воздуха, возникающими при парниковом солнечном нагреве приземного слоя, 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, №1]. Теоретические исследования показывают, что имеют место значительные возможности для наращивания эффективности преобразования солнечной энергии в механическую, если успешно создаются определенные условия для управления турбулентностью воздухопотока как рабочего тела в процессе преобразования инфракрасной составляющей солнечной энергии.

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 для реальных инженерных и экономических условий.

С учетом изложенного и разработанных теоретически принципов в области вихреобразования в энергетических воздушных потоках наиболее близким техническим решением к предложенному согласно изобретению является гелиоаэродинамическая электростанция с искусственной генерацией вращающегося течения [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 находится вертикально расположенный цилиндр, замкнутый сверху и снизу. В цилиндре-трубе согласно указанному прототипу возникают вращающиеся потоки восходящего теплого воздуха и нисходящего холодного. Хотя вихревые потоки приобретают энергетический потенциал значительной величины, вывод нагретого вихревого воздухопотока из замкнутой трубы через соответствующие каналы связан с большими потерями его кинетической энергии. И это является, наряду с другими недостатками, самым главным недостатком названного прототипа.

Поэтому задачей настоящего технического решения согласно предлагаемому изобретению является создание способа преобразования солнечной энергии на основе пространственно-временной локализации термодинамически неравновесных состояний текучей среды, приводящей к усилению вихревого движения воздушной среды с достижением после серии последовательной многоступенчатой когерентной термической накачки потока его высокой кинетической энергии на входе в ветротурбину с направлением движения во внутреннюю полость ветротурбины под углом, близким к прямому, относительно ветропринимающих поверхностей лопастей, обеспечивающим переход кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращательного движения ветротурбины с минимальными потерями. При этом в создаваемом способе должно быть найдено техническое решение, при котором воздушный поток в процессе накопления в нем кинетической энергии мог бы находиться под тепловым интенсивным воздействием в течение достаточно продолжительного времени до входа в ветротурбину, что практически нереализуемо при вертикальном расположении трубы, в которой происходит процесс накопления его кинетической энергии согласно названному прототипу.

В предложенном способе согласно изобретению перечисленные задачи нашли свой вариант решения.

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

Важным техническим результатом предлагаемого изобретения, создающим технико-экономические условия для обеспечения широкого строительства подобных гелиоэнергокомплексов в государственных масштабах, является снижение величины капитальных затрат на единицу мощности в сравнении со стандартными ТЭЦ, ГЭС и АЭС, обеспечение возможности использования протяженных по площади солнечных коллекторов для выращивания культивируемых растений в тепличных средах с утилизацией тепловых потерь, возникающих в смежных технологических процессах, а также решение проблемы снижения шумового воздействия гелиоэнергетических комплексов на окружающую среду.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что относительно известных способов преобразования солнечной энергии в механическую энергию, основанных на поглощении солнечных лучей зачерненными поверхностями твердых и жидких тел, отделенных от окружающего пространства светопроницаемым теплоизолирующим материалом и слоем воздуха, находящимся между последним и названными гелиопоглощающими поверхностями, который соединен с окружающим пространством через воздухозаборные средства, в связи с чем участки указанного воздушного слоя нагреваются и благодаря конвективному процессу, проявление которого усиливается на локальных технологических участках средствами вихреобразования в нем, возникает направленный воздушный поток от воздухозаборных средств через ветротурбину и воздухоотводящую трубу, что позволяет производить выработку механической энергии вращательного движения в ветротурбине, имеются отличия в том, что с помощью тепловой энергии, образовавшейся при локальном многоступенчатом термическом преобразовании солнечных лучей, приводят в непрерывное ускоряющееся вращение названный слой воздуха, охваченный светопроницаемым теплоизолирующим материалом, вокруг вертикальной оси благодаря образованию в нем технологически последовательных горизонтальных воздушных кольцевых каналов тороидальной формы, соответствующих энергетически активным воздуховодам бесконечной длины, причем в течение каждого оборота воздушного слоя в его последовательных составных участках кольцевой формы посредством периодического импульсного теплового воздействия, с расчетной формой и скважностью последнего, производят наращивание скорости и энергии вращательного движения с целевым образованием устойчивых сопутствующих процессов вихреобразования, например, посредством размещения в пространстве его вращения наклонных ветронаправляющих поверхностей, находящихся под управляемым тепловым воздействием и расположенных на фиксированных расстояниях друг от друга, которые определены условиями вихреобразования, с использованием дополнительных ветронаправляющих поверхностей, выполняющих, в частности, функции локальных ветропотолков, при этом от образованного вращающегося вихревого воздухопотока отнимают в течение каждого оборота вокруг вертикальной оси часть его восполняемого объема и накопленной энергии и направляют во входную полость ветротурбины под углом, близким к прямому, на ветроприемные поверхности ее лопастей с помощью сопрягающих аэродинамических устройств, а далее с сохранением принципа вихревого движения воздушного потока - в воздухоотводящую тяговую трубу, при этом управляемое температурное воздействие на наклонные ветронаправляющие поверхности, обеспечивающие генерацию искусственного вращающегося вихресодержащего ветропотока, осуществляют частично за счет прямой солнечной радиации, поступающей через светопроницаемый теплоизолирующий материал, а частично - за счет подвода к ним потоков нагретого рабочего тела от тепловых аккумуляторов солнечной энергии, где используются различные принципы преобразования солнечных лучей, накопления и выделения их энергии, причем преобразование ранее накопленной солнечной энергии в температурные потоки рабочего тела осуществляют за пределами названного светопроницаемого теплоизолирующего материала.

Такое техническое решение согласно предлагаемому изобретению позволяет воздух или приземный естественный ветер через воздухозаборные средства, снабженные, например, воздухопроницаемым материалом с ориентированными под соответствующим углом к радиальным направлениям солнечного коллектора воздухопроводящими порами или проходными каналами, направлять и закручивать в первом из названных последовательных составных участков кольцевой формы, образующих совместно слой воздуха, заключенный между гелиопоглощающими поверхностями и светопроникающим теплоизолирующим материалом. Далее воздушный поток, получивший, в частности, начальную скорость вращения вокруг оси воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины, поступает на наклонные ветронаправляющие поверхности, находящиеся под управляемым тепловым воздействием, и приобретает приращение скорости преимущественно в направлении своего движения под углом, по меньшей мере, к горизонтальной плоскости. За счет локальных ветропотолков, образованных над каждой такой наклонной нагреваемой поверхностью, или общего ветропотолка для всех таких поверхностей, расположенных на первом из составных участков слоя воздуха кольцевой формы, отражают ускоренный воздушный поток под технологически необходимым углом, вплоть до уровня пола. В таком случае ранее ускоренный воздушный поток поступает на следующую наклонную нагреваемую поверхность и так далее, делая ряд круговых оборотов с последовательным ускорением в воздушном кольцевом канале, соответствующем воздухопроводу бесконечной, а фактически - необходимой значительной длины, определяемой управляемым процессом вращения воздуха в нем.

Постепенно ускоряющийся воздушный поток поднимается на верхний уровень данного воздушного кольцевого канала, где энергосодержание уже существенно повышено. С этого уровня часть вращающегося воздушного потока поступает через соответствующие проемы в следующий такой же канал, расположенный параллельно первому на определенном расстоянии по высоте от пола, где также расположены аналогичные нагретые наклонные воздухонаправляющие поверхности, а диаметр вращающегося воздухопотока в нем имеет меньшую величину, чем в предыдущем случае. Количество воздушного потока с определенным объемом и энергосодержанием, которое поступает из предыдущего кольцевого канала в последующий, регулируется соответствующими автоматическими устройствами, варианты исполнения которых являются предметом отдельных технических решений.

В связи с нестационарностью теплового воздействия импульсного характера на вращающийся воздушный поток в нем возникают устойчивые сопутствующие процессы вихреобразования. Формы и расположение осей этих вихрей определяются созданными термодинамическими характеристиками воздушного кольцевого канала, в том числе формами у наклонных нагретых ветронаправляющих поверхностей и расстоянием между ними. Например, последние могут выполняться по их длине или в конце их в форме цилиндров, содержащих вспомогательные завихряющие аэродинамические приспособления. Ориентация и мощность создаваемых вихрей зависят от их технологического назначения. Одним из наиболее важных технологических назначений создаваемых вихрей в воздушных кольцевых участках от воздухозаборных средств до сопрягающих аэродинамических устройств, расположенных перед ветротурбиной с вертикальной осью, является создание вращения воздухопотоков в плоскостях, перпендикулярных поверхностям воздушного кольцевого канала. В этом случае ускоряемый воздушный поток вращается вдоль воздушного кольцевого канала и поперек него, то есть одновременно в горизонтальных и вертикальных его сечениях.

В связи с созданием в воздушном слое под светопроницаемым теплоизолирующим материалом высокоскоростных вихревых движений воздуха и вместе с тем целесообразностью использования гелиопоглощающих поверхностей больших площадей для тепличного возделывания культивируемых растений возникает необходимость изоляции последних от создаваемых ветропотоков, с вентиляционным проветриванием теплой и влажной воздушной среды теплиц посредством этих ветропотоков. Этому процессу способствует технологический подъем воздушных кольцевых каналов по мере повышения их температуры от днища у периферии солнечного коллектора до значительной высоты в его центральной части перед поступлением вращающегося вихресодержащего воздухопотока через сопрягающие аэродинамические устройства в ветротурбину.

Из этого следует, что техническое решение согласно предлагаемому изобретению имеет и другие отличия, кроме названных выше. В частности, отличие состоит также в том, что создают посредством светопроницаемого теплоизолирующего материала концентрически расположенные поверхности, например, цилиндрической формы заданной высоты, охватывающие ось воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины и плотно соединяющие их сверху и снизу поверхности, например в виде плоских колец, которые образуют совместно ветронаправляющие 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 ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности, значения температуры которых задаются и регулируются созданными энергетическими потоками различной тепловой интенсивности, при этом для получения последних применены, например, автономные солнечные тепличные комплексы, покрытые светопроницаемым теплоизолирующим материалом, открытые водоемы, содержащие воду с естественной температурой, равной или превышающей 4°С, установки для утилизации растительных и пищевых отходов, образующихся в окружающей среде, и бытовых отходов как продуктов жизнедеятельности в ней, при этом производят последовательное, от одного кольцевого воздушного канала к другому, повышение тепловой интенсивности наклонных ветронаправляющих поверхностей, в результате чего скорость вращающегося воздухопотока последовательно нарастает от периферии к сопрягающим аэродинамическим устройствам, расположенным перед ветротурбиной, при этом на теплогенерирующие наклонные ветронаправляющие поверхности подают тонким слоем нагретую воду и вспомогательный воздушный поток, проходящий через последнюю струями малого поперечного сечения, посредством чего осуществляют режим эффективного вспомогательного парообразования, способствующий ускорению энергетического насыщения вращающегося вихресодержащего воздушного потока в созданных воздушных кольцевых каналах.

Кроме того, имеются отличия и в том, что сопрягающие аэродинамические устройства создают посредством применения теплогенерирующих наклонных ветронаправляющих поверхностей, плавно сопряженных между собой таким образом, что их суперпозиция образует воздухоускоряющие и ветронаправляющие поверхности, например в виде конически сужающихся винтовых аэродинамических поверхностей, в том числе с уменьшение угла их подъема вдоль вертикальной оси по мере приближения от последнего воздушного кольцевого канала к входной полости ветротурбины, причем винтовые аэродинамические поверхности отделяют от окружающего пространства посредством воздухонепроницаемых теплоизолирующих конструкций с применением материалов и профилей, формирующих внутренние аэродинамические поверхности по условиям минимизации силы трения движущегося к ветротурбине высокоскоростного вращающегося вокруг ее оси воздухопотока, при этом внешним энергетическим потокам, подводимым к аэродинамическим винтовым поверхностям, сообщают максимальный потенциальный уровень и доставляют к последним мелкодисперсные струи горячей воды, за счет чего посредством активного парообразования ускоряют финишное вращательно-поступательное движение воздушного потока и обеспечивают попадание микрочастиц воды на ветропринимающие поверхности лопастей ветротурбины, возбуждая на них поле микровихрей и квазикавитационные процессы в них.

Для пояснения технических решений, раскрывающих суть предлагаемого изобретения, приведены следующие иллюстрации.

На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразования солнечной энергии в известном классическом понимании, которая подлежит модернизации согласно предлагаемому изобретению, как исходная база для последующих улучшений.

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

На фиг.3 приведена схема процесса энергетического насыщения воздушного потока.

На фиг.4 показан принцип передачи последовательного вращательного движения воздухопотока от одного воздушного кольцевого канала к другому и подачи его на вход ветротурбины.

Способ осуществляется следующим образом.

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

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

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

Если же гелиопоглощающая поверхность 1 выполнена таким образом, что нагрев воздуха под светопроницаемым теплоизолирующим материалом характеризуется значительной неоднородностью, со значительными градиентами температур, то в слое движущегося воздуха от воздухозаборных средств к ветротурбине возникают вихревые потоки. Последние могут практически полностью ликвидировать инерционность теплопередачи в движущуюся воздушную среду, что является весьма важным положительным фактором. Однако интенсивное температурное насыщение движущегося в ветротурбину воздуха все же не является достаточным условием для существенного увеличения эффективности преобразования солнечной энергии в механическую, так как температура проходящего через ветротурбину воздуха оказывает лишь косвенное влияние на величину усилий, действующих на ее лопасти. В основу технического решения согласно предлагаемому изобретению положена необходимость преобразования с минимальными потерями температуры гелиопоглощающих поверхностей (в более общем виде - нагретых поверхностей) в высокоскоростной вращающийся воздухопоток, направляемый на лопасти ветротурбины под углом, близким к прямому (под оптимальным углом, с учетом процессов отражения 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 ускоряющихся вращательных движений воздушного потока и вихреобразований в них. Посредством предложенных технологических схем и средств достигается возможность осуществлять в заданных координатах слоя воздуха, находящегося в солнечном коллекторе, вращательные и вихревые движения его с заданной ориентацией осей вращения. Так как ветротурбина в рассматриваемом случае имеет вертикальную ось вращения, то основное энергетическое движение воздуха должно представлять собой его горизонтальное вращающееся движение вокруг вертикальной оси 7 с последовательным накоплением в нем кинетической энергии от оборота к обороту. Среди локальных вихревых движений с существенно большими угловыми скоростями приведенные технологические схемы и средства позволяют создать, по меньшей мере, три их типа:

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

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

- вихри, возникающие у поверхностей светопроницаемого теплоизолирующего материала, которые обеспечивают снижение коэффициента трения между движущимися потоками воздуха и светопроницаемым теплоизолирующим материалом.

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

Процесс организации вращательно-вихревых движений воздушного потока начинается с прохождения воздуха 3 через воздухозаборные средства 2 (фиг.2), которые снабжены устройствами 9 для придания кругового (начального вращательного) движения воздуха. Данные устройства могут быть выполнены посредством плоского жесткого материала, поверхность которого расположена ориентировочно под углом 45° к радиальным направлениям. Так как воздухозаборные средства 2 размещены по периферии гелиопоглощающей поверхности с промежутками или непрерывно, воздушный поток поступает в солнечный коллектор с различных сторон и создает начальное вращательное движение слоя воздуха относительно гелиопоглощающей поверхности. Если имеет место естественный приземный ветер, поступающий в воздухозаборные средства 2 с определенного пространственного направления, то скорость начального вращательного движения воздуха может быть существенно большей или даже весьма значительной, требующей ограничения.

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

Вращающийся воздушный поток 3, воспринимая тепловое воздействие от наклонных ветронаправляющих поверхностей, получает приращение скорости, вектор которого складывается из конвективного вертикального направления и компоненты движения вдоль наклонных ветронаправляющих поверхностей 10, а также с учетом угла отражения от нее воздухопотока. Движущийся далее, получивший ускорение, воздушный поток 3 отражается от общего ветропотолка, функции которого выполняет светопроницаемый теплоизолирующий материал, или от локальных, снабженных криволинейными поверхностями, ветропотолков, расположенных над каждой наклонной ветронаправляющей теплогенерирующей поверхностью 10. В результате этого воздушный поток 3 после прохождения над каждой такой поверхностью 10 может быть ориентирован строго горизонтально или с определенным наклоном вверх или вниз. Кроме того, каждая из таких поверхностей 10 с ее локальным ветропотолком могут быть выполнены в виде цилиндрических или конических поверхностей, или содержать в композиции элементы других поверхностей, способствующие возникновению вихревого вращательно движения в плоскостях, перпендикулярных вращающемуся воздушному потоку под светопроницаемым теплоизолирующим материалом вокруг оси 7 воздухоотводящей трубы 8 и ветротурбины 6. Возникновению такого вихревого движения способствуют сформированные градиенты температур на указанных поверхностях 10, а также подведение к ним воды в виде микрочастиц или тонкого стекающего слоя и барботирующего воду специально организованного вспомогательного воздухопотока и технологически заданного градиента температуры вдоль всего воздушного кольцевого канала.

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

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

На фиг.4 показана схема последовательного термодинамического ускорения вращательного движения воздухопотока с последовательным переходом его из одного горизонтального воздушного кольцевого канала к другому (их показано три: 21, 22, 23), а затем - через вертикальный канал 24 на вход ветротурбины 6 и далее в воздухоотводящую тяговую трубу 8. В каждом из каналов 21, 22, 23 установлены наклонные ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности 10, 12, 16. Последние могут устанавливаться в каждом канале в один ряд, в необходимом количестве, с расположением этих рядов на различных уровнях по высоте. Если требуется высокая мощность преобразования солнечной энергии, то в каждом воздушном кольцевом канале может устанавливаться по несколько рядов подобных поверхностей 10, 12, 16. Солнечные лучи 5 и блок гелиотеплоаккумуляторов 14, каждый из которых в составе блока может иметь различные температурные уровни, нагревают наклонные ветронаправляющие поверхности 10, 12, 16, и последние становятся теплогенерирующими на различных потенциальных уровнях тепловой энергии.

При рассмотрении технологических аспектов на фиг.2, 3 указывалось, что воздушные кольцевые каналы имеют виртуальный характер. Это означает, что за счет размещения поверхностей 10, 12, 16, выбора их формы и температурных режимов создаются вращательные движения воздушной среды вокруг оси 7 с технологически целесообразными процессами вихреобразования в воздушных кольцевых каналах, которые не разделены материальными перегородками. Однако при определенной мощности преобразования солнечной энергии начинает отрицательно сказываться взаимное влияние рядом движущихся воздушных потоков с различными энергетическими характеристиками, создаются условия для развития паразитных вихревых процессов. Кроме того, в случае значительных площадей солнечных коллекторов необходимо использование возможно большей части их наземной поверхности в агропромышленных целях. Мощные воздушные потоки в различных плоскостях в этом случае являются помехой. Поэтому на фиг.4 показан принцип образования воздушных кольцевых каналов с помощью цилиндрических поверхностей 17 и ветропотолков 15 из светопроницаемого теплоизолирующего материала. Переход части объема воздушного потока из одного канала (21, 22, 23, 24) в другой в течение каждого его оборота осуществляется посредством проемов 18 и вспомогательных устройств, которые на фиг.4 не показаны. Горизонтальные поверхности - "полы", изолирующие каналы 21, 22, 23 снизу, также не иллюстрируются.

Канал 24 содержит поднимающуюся винтовую поверхность 19, которая выполнена за счет установки с аэродинамическим сопряжением наклонных ветронаправляющих теплогенерирующих поверхностей. Суперпозиция последних позволяет образовать движущийся вертикально, вдоль оси 7, воздушный вращающийся вихревой поток, поступающий в ветротурбину 6 и далее - в воздухоотводящую тяговую трубу 8.

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

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

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

Рабочее тело, протекая через теплопроводящие каналы, например металлические трубы, прикрепленные к стальным листам, образующим поверхности 10, 12, 16, создает технологически заданные температурные градиенты вдоль и поперек проходящего воздушного потока.

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

Воздух в процессе первоначального вращательного движения поступает на наклонные ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности 10, поднимается по ним и получает приращение скорости. Ускоренный таким образом воздушный поток, движущийся под углом к горизонтальной плоскости, достигает ветронаправляющего потолка 15 (фиг.3) и отражается на исходный уровень ко входу на следующую поверхность 10. Этот процесс для каждого воздушного слоя повторяется многократно, и образовавшийся воздушный поток делает несколько оборотов вокруг оси 7 над поверхностями 10. В результате этого в образовавшемся воздушном кольцевом канале 21 (фиг.4) он приобретает технологически заданную величину кинетической энергии, часть которой в течение каждого оборота передается в виде объема и скорости воздушного потока в следующий воздушный канал 22, в котором размещены аналогичные поверхности 12 на более высоком уровне вдоль вертикальной оси.

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

Аналогичные технологические процессы происходят в каналах 22, 23 (фиг.2, 3, 4), в которых последовательно от канала к каналу нарастает энергетическое насыщение воздушного потока, в т.ч. его кинетической энергии.

На фиг.4 показано, что часть вращающегося воздушного потока переходит (в течение каждого оборота) от предыдущего воздушного кольцевого канала в последующий через проемы 18 в цилиндрических ветронаправляющих светопроницаемых стенках 17. Последние обозначают конструктивные границы каналов 21, 22, 23, и к ним прикреплены светопроницаемые ветропотолки 15 и светопроницаемые днища каналов (эти днища на фигурах не показаны).

Светопроницаемые стенки, ветропотолки и днища 21, 22, 23 выполнены, например, посредством полимерной пленки или тонкого упрочненного стекла. Светопроницаемые стенки, ветропотолки и днища могут выполняться в сферической форме, и в таком случае созданные поверхности воздушных кольцевых каналов образуют пустотелые тороиды с управляемыми проемами между ними, внутри которых происходит накопление кинетической энергии вращающихся воздухопотоков.

Наклонные ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности 12, 16, поднятые над грунтовой поверхностью на опорных стойках, могут выполняться цилиндрической формы и встраиваться как составные элементы поверхностей тороидальных воздушных каналов 21, 22, 23. На их внутренних поверхностях может создаваться рельеф, способствующий вихреобразованию в поперечном направлении и над ними, то есть в качестве микровихрей, снижающих потери на трение.

На фиг.4 представлен процесс перехода воздухопотока из горизонтального канала 23 в вертикальный канал 24, примыкающий в верхней части ко входу в ветротурбину 6. Внутри энергетического воздушного канала 24 размещена винтовая поверхность 19, поднимающаяся вдоль оси 7 с уменьшающимся к верху углом подъема. Винтовая поверхность 19 термически отделена от окружающего пространства конической поверхностью 20 с минимизированным сопротивлением движению воздушного потока.

Регулируемое количество вращающегося воздухопотока и, следовательно, энергии поступает из канала 23 в канал 24 посредством управляемых передающих устройств (с функциональным назначением типа акселератора). На положение этих устройств при заданном отборе мощности в турбину существенное значение имеют конкретные условия тяги в воздухоотводящей трубе 8. Объем вращающегося воздуха, отнимаемый из канала 23 в ветротурбину 6, саморегулирующимся процессом передается через каналы 22, 21 до воздухозаборных средств 2, которые также снабжены средствами регулирования подачи воздуха (на случай естественного ветра повышенной скорости).

Вышеизложенное подтверждает возможность реализации предложенного технического решения согласно предлагаемому изобретению. Вариантов по реализации существует много.

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

Изобретение относится к области создания энергоустановок на основе использования солнечной энергии. Способ основан на преобразовании и аккумулировании солнечной энергии с получением тепловой энергии, посредством которой создается вращательное движение воздуха в солнечном коллекторе, где для этого образуются воздушные каналы, расположенные параллельно друг относительно друга и соединенные последовательно относительно движения энергонасыщающегося воздушного потока. В каждом из таких каналов устанавливается группа локальных наклонных поверхностей, на которые поступает солнечная радиация через светопроницаемый теплоизолирующий материал и к которым одновременно подводятся управляемые тепловые потоки технологического рабочего тела, поступающего от преобразователей и аккумуляторов солнечной энергии различного вида и потенциального уровня. В результате этого в солнечном коллекторе и образованных в нем воздушных каналах создаются температурные неоднородности, которые приводят к устойчивым вращающимся воздушным потокам как вдоль воздушных каналов, так и в их поперечных сечениях и в приповерхностных зонах, с образованием турбулентных, вихревых движений. Изобретение должно обеспечить производство электроэнергии большой мощности. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования солнечной энергии, основанный на поглощении солнечных лучей зачерненными поверхностями твердых тел и жидкими средами, отделенными от окружающего пространства светопроницаемым теплоизолирующим материалом и слоем воздуха, находящимся между последним и названными гелиопоглощающими поверхностями и средами, который соединен с окружающим пространством через воздухозаборные средства, в связи с чем участки указанного воздушного слоя нагреваются солнечными лучами и благодаря конвективному процессу, проявление которого усиливают на локальных технологических участках средствами вихреобразования в нем, создают направленный воздушный поток от воздухозаборных средств через воздухоотводящую тяговую трубу, отличающийся тем, что с помощью тепловой энергии, образовавшейся при термическом преобразовании солнечных лучей, приводят в непрерывное ускоряющееся вращение названный слой воздуха, охваченный светопроницаемым теплоизолирующим материалом, вокруг вертикальной оси, благодаря образованию в нем технологически последовательных горизонтальных воздушных кольцевых каналов, моделирующих энергетически активные воздуховоды управляемой длины, причем в течение каждого оборота воздушного слоя в его последовательных составных участках кольцевой формы производят посредством совмещения периодического импульсного теплового воздействия и плавных температурных градиентов наращивание скорости и энергии его вращательного движения с целевым образованием процессов вихреобразования путем размещения в пространстве его вращения наклонных ветронаправляющих поверхностей, находящихся под управляемым тепловым воздействием, которые расположены на фиксированном расстоянии друг от друга и содержат участки поверхностей тел вращения, с применением дополнительных ветронаправляющих поверхностей, выполняющих, в частности, функции локальных ветропотолков, при этом от созданноговращающегося воздухопотока отнимают в течение каждого оборота вокруг вертикальной оси часть его восполняемого объема и накопленной энергии и осуществляют процесс перехода воздухопотока из горизонтального канала в вертикальный канал, примыкающий в верхней части ко входу в ветротурбину под углом, близким к прямому, относительно ветроприемных поверхностей ее лопастей с помощью сопрягающих аэродинамических устройств, а далее с сохранением принципа вращательно-вихревого движения воздушного потока - в воздухоотводящую тяговую трубу, при этом управляемое тепловое воздействие на наклонные ветронаправляющие поверхности, обеспечивающие генерацию вращающегося вихресодержащего воздухопотока, осуществляют частью за счет прямой солнечной радиации, поступающей через светопроницаемый теплоизолирующий материал, а другой частью - за счет управляемого подвода к ним потоков технологического рабочего тела от тепловых преобразователей и аккумуляторов солнечной энергии, причем преобразование ранее накопленной солнечной энергии в тепловые потоки рабочего тела осуществляют преимущественно за пределами названного светопроницаемого теплоизолирующего материала, что позволяет повысить эффективность преобразования солнечной энергии в механическую и электрическую.2. Способ преобразования солнечной энергии по п.1, отличающийся тем, что создают посредством светопроницаемого теплоизолирующего материала концентрично расположенные поверхности, например, цилиндрической формы заданной высоты, охватывающие ось воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины, и плотно соединяющие их сверху и снизу поверхности, которые образуют совместно ветронаправляющие светопроницаемые потолки, стенки и полы воздушных кольцевых каналов, расположенных параллельно друг другу с нарастающей их высотой от периферии к центру, в каждом из которых размещены наклонные ветронаправляющие теплогенерирующие поверхности, значения температуры которых задаются и регулируются энергетическими потоками технологического рабочего тела, при этом для получения последних используются, например, автономные солнечные тепличные комплексы, покрытые светопроницаемым теплоизолирующим материалом, открытые водоемы, содержащие воду с естественной температурой, равной или превышающей 4°С, установки для утилизации растительных и пищевых отходов, образующихся в окружающей среде, и бытовых отходов как продуктов жизнедеятельности в ней, которые совместно позволяют создать необходимый спектр потоков технологического рабочего тела.3. Способ преобразования солнечной энергии по п.1 или 2, отличающийся тем, что сопрягающие аэродинамические устройства создают посредством использования теплогенерирующих наклонных ветронаправляющих поверхностей, плавно сопряженных между собой таким образом, что их суперпозиция образует воздухоускоряющие и ветронаправляющие поверхности, например, в виде конически сужающихся винтовых аэродинамических поверхностей, в том числе с уменьшением угла их подъема вдоль вертикальной оси по мере приближения ко входной полости ветротурбины, причем винтовые аэродинамические поверхности отделяют от окружающего пространства посредством воздухонепроницаемых теплоизолирующих конструкций с применением материалов и профилей, формирующих внутренние аэродинамические поверхности по условиям минимизации силы трения движущегося во входную полость ветротурбины высокоскоростного вращающегося вокруг ее оси воздухопотока, при этом внешним энергетическим потокам, подводимым к аэродинамическим винтовым поверхностям, подводят мелкодисперсные струи горячей воды, за счет чего посредством вспомогательного парообразования ускоряют финишное вращательно-поступательное движение воздушного потока и обеспечивают попадание микрочастиц воды на ветропринимающие поверхности лопастей ветротурбины, за счет чего возбуждают на них поле микровихрей и квазикавитационные процессы в них.