СОЛНЕЧНАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВИХРЕВЫХ КАМЕР Российский патент 2009 года по МПК F03G6/04 F03G6/06 F24J2/10 F24J2/20 F24J2/34 F03D1/04 

Предлагаемое изобретение относится к области гелиоэнергетики, а именно к тому ее разделу, где производятся как товарные продукты одновременно электрическая и тепловая энергии с использованием для этого в качестве источников исходной энергии одновременно ряда компонент солнечной энергии.

Известны гелиоэнергетические комплексы, получившие название гелиоаэробарических теплоэлектростанций (ГАБ ТЭС), в которых одновременно используются прямая солнечная радиация и отраженные солнечные лучи, энергия естественного ветра, влажность энергетического воздухопотока и фазовые преобразования воды, перепад давления в окружающей атмосфере и ряд других проявлений солнечной энергии (см. патенты Российской Федерации: №2199703 «Энергетический комплекс», F24J 2/42, опубл. 27.02.2003 г.; №2200915 «Способ создания мощных гелиоэнергоустановок», F24J 2/42, опубл. 20.03.2003 г.). В этих патентных материалах впервые применена и новая для гелиоэнергетики терминология: «гелиоаэробарическая теплоэлектростанция», «гелиопреобразующее пространство», «ветронаправляющее пространство» и ряд других, специфичных для техники ГАБ ТЭС.

Технические решения согласно указанным патентам позволяют использовать целый ряд компонент солнечной энергии с теплоэнергетическим преобразованием их в энергию вращательно-поступательного вихревого движения (смерчеобразного движения) центрального энергетического воздухопотока. Последний приводит во вращение ветротурбину с присоединенным к ней, по меньшей мере, одним электрогенератором. Применены мощные аккумуляторы тепловой энергии, полученной от теплопреобразований солнечной энергии, которые позволяют обеспечивать устойчивое производство товарной энергии равномерно в течение всего года. Ветротурбины, разработанные для таких ГАБ ТЭС, имеют специальные формы лопастей, приспособленные для преобразования с высоким КПД энергии вращательно-поступательного движения центрального энергетического воздухопотока в механическую энергию вращения электрогенератора. Каждая из указанных ГАБ ТЭС в обобщенной компоновке содержит технологический центр, где размещаются машинный зал, ветровоздухозаборный канал с ветровоздухонаправляющими поверхностями и проемами, посредством которых входящие ветер и воздух закручиваются и, вращаясь, продвигаются к центральной оси ГАБ ТЭС, канал преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока, содержащий энергопреобразующие модули со встроенными теплопередающими элементами, подключенными к источникам нагретого текучего теплоносителя, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, ветротурбину и воздухоотводящий канал, состоящий из невысокого участка стационарной тяговой трубы и управляемой аэротермодинамической надстройки к ней значительно большей высоты. От технологического центра, примерно в радиальных направлениях, расходятся 5-8 штук высоких ветронаправляющих энергетических пространств (узких, вытянутых в длину), вертикальные боковые поверхности которых сужают ветровое пространство и ускоряют ветропоток в направлении к центру и в которых внутри встроены гелиотеплопреобразующие сооружения, куда поступает прямая солнечная радиация и отраженные солнечные лучи, направляемые специальными поворотными или статическими лучеотражающими панелями. Кроме того, между ветронаправляющими энергетическими пространствами размещены поле горизонтальных гелиотеплопреобразователей и один или несколько теплоаккумуляторов, от которых потоки нагретого текучего теплоносителя поступают в технологический центр.

Такая компоновка описана авторами также в патентах ЕАПВ, см., например, Евразийский патент №007635 от 27.12.2006 г.

Техника и технология создания вращательно-поступательного вихревого движения центрального энергетического воздухопотока разработаны для ГАБ ТЭС в патенте РФ №2265161 «Способ преобразования солнечной энергии» (F24J 2/42, 2/00, опубл. 27.11.2005 г.), а применения прямых и отраженных солнечных лучей с высокоэффективной двухуровневой системой гелиоконцентрации - в патенте РФ №2267061 «Способ термопреобразования солнечной энергии» (F24J 2/42, 2/15, 2/18, опубл. 27.12.2005 г.). Применение в мощных теплоаккумуляторах сыпучих материалов и транспортируемого текучего теплоносителя (в данном случае - воздуха, хотя могут быть применены и специальные газы, жидкости и даже вода) разработано в патенте РФ №2199023 «Ветроэнергетический комплекс» (F03D 9/00, F24J 2/42, опубл. 20.02.2003 г.). Кроме того, известны конструкции вихревых камер, которые используются для создания вращательно-поступательного движения воздухопотока с высокой тангенциальной скоростью (см., например, книгу Смульского И.И. «Аэродинамика и процессы в вихревых камерах», В.О. «Наука», Новосибирская типография №4, 1992 г.), что в ряде исполнений ГАБ ТЭС может быть дополнительно применено для наращивания скорости центрального энергетического воздухопотока.

Технические решения из данных материалов частично использованы в настоящем предлагаемом изобретении, в том числе посредством применения тепловых термодинамических элементов и аэродинамических направляющих поверхностей для создания вращательно-поступательного вихревого движения энергетического воздухопотока, управляемой надстройки к тяговой трубе, ветровоздухозаборного канала с ветронаправляющими поверхностями и аэродинамическими проемами между ними и других технологических компонентов, составляющих основу высокоэффективных гелиоаэробарических теплоэлектростанций. В настоящем предлагаемом изобретении решается задача создания комплексных конструкций ГАБ ТЭС, которые позволили бы значительно удешевить их и повысить их надежность, стабильность обеспечения потребителей электрической и тепловой энергией.

Для серийной типовой ГАБ ТЭС в плане последнего требуется разработка модернизированных конструкций энергопреобразующих модулей и теплообменных, а также теплопередающих аппаратов в них совместно с каналом вращательно-поступательного движения центрального энергетического воздухопотока и ветровоздухозаборным каналом с термоаэродинамическими направляющими поверхностями.

Кроме того, необходимо применение в конструктивных взаимосвязях дополнительных источников энергии вращательного движения в ГАБ ТЭС, что обеспечит повышение их надежности. В частности, по меньшей мере, один из дополнительных источников энергии центрального энергетического воздухопотока, совмещающий функции теплопередающих термодинамических элементов и аэродинамических направляющих поверхностей, выполнен в определенных исполнениях ГАБ ТЭС в виде упомянутой вихревой камеры, варианты конструкции которой известны и в подробных описаниях не нуждаются. В данном случае особенность вихревой камеры, встраиваемой в канал термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока ГАБ ТЭС, состоит в следующем.

Создается цилиндрическая полость (см. упомянутую книгу Смульского И.И.), в которой подаваемый с периферии вращающийся воздушный поток перемещается к центральной оси, приобретая высокую тангенциальную скорость, и выходит вверх через цилиндрическое отверстие по относительно малому диаметру, создавая в приосевой области зону пониженного давления или даже вакуумную область, чем создается высокое подобие естественному смерчу с опускающимся вниз вдоль центральной оси холодным воздухопотоком, имитирующим ядро смерча. Такой путь создания высокой тангенциальной скорости вращающегося воздухопотока позволяет применительно к ГАБ ТЭС в большей части исключить из конструкции энергопреобразующих модулей специальные радиальные воздухонаправляющие профили повышенной стоимости. При этом вихревая камера содержит боковую цилиндрическую поверхность и торцевые поверхности в виде днища и потолка, к которым подключены периферийные завихряющие воздухоподводы как теплопередающие аппараты, присоединенные к каналам подачи воздухопотоков, в частности, - нагретого воздушного теплоносителя.

Задачей новых технических решений согласно настоящему предлагаемому изобретению является усиление смерчеобразных процессов, создаваемых в центральном энергетическом воздухопотоке, приводящем во вращение ветротурбину вокруг вертикальной, общей для них оси. Это достигается тем, что при конструировании энергопреобразующих модулей в технологическом центре ГАБ ТЭС используется создание вихревых камер, с привязкой и доработкой их конструкций применительно к каналу термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока, выполненному в виде предтурбинной разгонной шахты.

Естественный процесс смерчеобразования хорошо представлен, наряду с другими публикациями, в статье Политова В.С («Аналитическая модель смерча (торнадо)», г.Челябинск, Труды V Забабахинских научных чтений, 1998 г., секция 1. Кумулятивные явления и имплозивные процессы, www.vniitf.ru/rig/konfer/5zst/Sectionl/1-81r.pdf), а также в книге Кушина В.В. «Смерчи» (М., Энергоатомиздат, 1993 г.).

Неотъемлемой частью естественного смерча, как следует из названных материалов, является создание в нем: приосевой области пониженного давления, преимущественно - вакуумной области, в которой происходит опускание вниз вращающегося холодного воздухопотока - так называемого ядра смерча; центральной области, где происходит вращательно-поступательное вертикальное движение нагретого воздухопотока; периферийной области, в которой происходит сток значительной воздушной массы из окружающей среды (в радиально-горизонтальных направлениях) в центральную область, где этот горизонтальный поток приобретает ускоряющееся к центру вращательное движение и претерпевает поворот от радиального горизонтального направления в вертикальное. Существует определенная энергетическая связь между опускающейся вниз холодной массой воздуха, которая способна на поверхности земли оставлять даже значительные уплотнения и вмятины, и подымающимся вверх высокоскоростным вращающимся воздухопотоком, мощь которого способна поднимать вверх от земли тяжелые предметы. Именно принцип формирования их энергетики и использован в специальных вихревых камерах ГАБ ТЭС.

В большинстве исследовательских моделей вихревая камера представляет собой цилиндр, закрытый снизу и сверху плоскими поверхностями - основаниями в виде днища и потолка или нижней и верхней крышек, причем через его боковую (цилиндрическую) поверхность осуществляется тангенциальный ввод движущегося воздушного потока, выход которого из вихревой камеры осуществляется через воздухоотводящий цилиндр, установленный вдоль ее оси с диаметром проходного отверстия, значительно меньшим диаметра ее боковой входной цилиндрической поверхности. Входящий по периферии вращающийся воздухопоток по мере приближения к центральной оси увеличивает тангенциальную скорость на основе закона сохранения количества движения и может достигать величины тангенциальной скорости в 100-200 м/сек, многократно превышая скорость входящего воздухопотока. Ввод последнего в вихревую камеру может быть также и торцевым, например, через завихряющие периферийные жалюзи в днище или потолке. В приосевой зоне вихревой камеры и в этом случае создается область пониженного давления определенного диаметра, даже вакуумная область, в которую сверху опускается соответствующего диаметра охлажденный воздухопоток, по подобию образования холодного потока в приосевой зоне трубки Ранка. В целом структура воздухопотоков в описанной вихревой камере напоминает структуру естественного смерча. Согласно предлагаемому изобретению применение вихревых камер в ГАБ ТЭС связано не только с конструктивными особенностями, которые будут даны ниже с графическими иллюстрациями, но и с принципиальным решением в отношении опускающегося холодного воздуха - хладопотока в приосевой области - в малой зоне около центральной оси встречно поднимающегося вверх кольцеобразного (в поперечном сечении) нагретого воздухопотока. Это решение в соответствующем конструктивном оформлении заключается, преимущественно, в выводе хладопотока из вихревой камеры через ее днище, с возможностью последующего использования кинетической энергии и низкой температуры последнего. В естественном смерче опускающийся хладопоток ударяется о поверхность земли и, расплываясь по ней, адсорбирует ее тепловую энергию и благодаря снижению его плотности, преимущественно, поднимается вверх, участвуя в создании поднимающегося вращающегося кольцеобразного в поперечном сечении воздухопотока. Согласно конструкции по настоящему предлагаемому изобретению опускающийся в приосевой области хладопоток не отнимает тепловую энергию и часть кинетической энергии от вращающегося нагретого воздухопотока в вихревой камере, а (с применением оригинального конструктивного решения) проходит через днище вихревой камеры наружу, вниз. Может быть применена и полная аналогия естественному смерчу за счет нагрева хладопотока у днища вихревой камеры, для чего определенным образом может быть подведен горячий теплоноситель. Оригинальным в предлагаемом изобретении является также конструктивное решение в части последовательного соединения, по меньшей мере, двух вихревых камер - энергопреобразующих модулей разгонной шахты ГАБ ТЭС таким образом, чтобы энергия их результирующего вращающегося воздухопотока складывалась или даже умножалась.

Кроме того, в настоящем предлагаемом изобретении разработаны новые элементы в конструкции воздухоотводящего канала. В первую очередь, необходимо указать на соединение между собой приосевых областей пониженного давления в разгонной шахте и воздухоотводящем канале. Это достигнуто за счет того, что в центральной зоне ветротурбины, вдоль и симметрично центральной оси, установлен полый цилиндрический вал с проходным отверстием, близким по диаметру размеру поперечного сечения приосевой воздушной области и/или опускающегося вниз хладопотока. Следовательно, для последнего образован один общий воздушный канал с пониженным давлением, по которому он может опускаться от верхнего торца воздухоотводящего канала до днища нижней вихревой камеры в разгонной шахте, в том числе и ниже этого днища - до устройства утилизации его кинетической энергии и пониженной температуры (в определенных случаях - отрицательной температуры), установленного в машинном зале.

В связи с образованием центрального проходного отверстия через ветротурбину для прохождения вниз хладопотока электрогенераторы ветротурбины (от одного до нескольких комплектов) присоединены к ней посредством названного полого вала с применением повышающих кинематических передач и установлены за пределами тяговой трубы или непосредственно в ней, если для этого достаточно места в конкретной конструкции. При этом в тяговой трубе относительно ее несущего корпуса размещены вспомогательные приспособления, с помощью которых для технического обслуживания ветротурбины и электрогенераторов, в том числе для их снятия и установки, монтируются подъемно-транспортирующие средства. Основание тяговой трубы расположено, ориентировочно, на уровне нижнего торца ветротурбины, которая закреплена относительно нижней опорной базы, созданной за счет применения предварительно напряженных стержней малого диаметра, не создающих значительного сопротивления проходящему через ветротурбину воздухопотоку. Кроме того, дополнительной опорной базой для ветротурбины может быть и трубный воздуховод, который, преимущественно, устанавливается и располагается вдоль центральной оси, охватывая по диаметру приосевую область пониженного давления и почти полностью - диаметр опускающегося хладопотока.

Разработанное техническое решение предусматривает также активизацию управляемой аэротермодинамической надстройки (к тяговой трубе) в части создания в ней устройств для усиления вращательно-поступательного движения центрального энергетического воздухопотока, проходящего через лопастную область ветротурбины и вращающего ее с необходимым моментом. В частности, предусмотрена установка в ней дополнительного энергопреобразующего модуля, который включает размещенные вдоль ее периферийной цилиндрической поверхности боковые воздухозавихряющие профили с воздуховыпускными проемами, придающими дополнительное тангенциальное воздействие на скорость воздухопотока, движущегося вверх в воздухоотводящем канале. Также, как и в вихревой камере, в поперечном сечении поднимающегося центрального воздухопотока величина тангенциальной скорости дополнительно привнесенной воздушной массы увеличивается по мере уменьшения ее радиуса вращения, то есть по мере приближения вращающихся слоев воздухопотока к приосевой области пониженного давления. Направление этой скорости вращения определяется указанными воздуховыпускными профилями и углом их ориентации к внутренней поверхности управляемой надстройки - в сторону вращения отводимого вверх от лопастной области ветротурбины центрального энергетического воздухопотока. К данному дополнительному энергопреобразующему модулю подключен, посредством кольцевого коллектора, охватывающего наружную поверхность указанной надстройки, нагретый воздушный теплоноситель, подготовленный для этого в машзале.

В дополнение к этому во внутренней полости управляемой термоаэродинамической надстройки установлен второй энергопреобразующий модуль, который снабжен радиально установленными воздухозавихряющими профилями (также с воздуховыпускными проемами), расположенными в поперечном (кольцевом) сечении вращающегося и поднимающегося вверх центрального энергетического воздухопотока. Этот энергопреобразующий модуль частично превращает (уменьшает) осевую вертикальную скорость поднимающегося воздухопотока (благодаря специальной форме установленных в нем воздуховыпускных профилей) в тангенциальную скорость и при этом увеличивает последнюю за счет выходящего из них нагретого воздушного теплоносителя с соответствующим направлением вращения. Данный модуль также подключен посредством кольцевого коллектора к одному из источников нагретого воздушного теплоносителя.

[Воздухозавихряющие профили в данном случае представляют собой плоские полые металлические короба аэродинамической формы, которые размещены радиально и, преимущественно, под углом к горизонтальной плоскости и образуют расширяющиеся под ними к периферии щели, проходя через которые осевая компонента скорости поднимающегося воздухопотока преобразуется частично в тангенциальную скорость за счет уменьшения величины осевой компоненты скорости. Строго вертикальный воздухопоток на таких профилях также закручивается - завихряется.

Кроме того, внутренний торец профиля - полого плоского металлического короба - содержит проемы для выхода проходящего внутри теплоносителя, который дополнительно завихряет выходящую массу воздуха.]

В дополнение к этому в нижней части внутренней полости управляемой аэротермодинамической надстройки (к тяговой трубе) размещается согласно излагаемому техническому решению электротермический преобразователь в области движущегося вверх кольцеобразного вращательно-поступательного воздухопотока. Этот преобразователь содержит радиально размещенные проводники с малой тепловой постоянной М с высоким омическим сопротивлением, которые подключены параллельно к кольцевому подводу электрического напряжения, охватывающему центральную область пониженного давления, а их энергетический отвод осуществляется, например, посредством заземления через наружную поверхность управляемой надстройки. К электротермическому преобразователю подводится электрическое напряжение от внешнего источника в импульсной форме, причем ширина импульсов значительно меньше расстояния между ними на временном интервале. Это позволяет посредством электротермического преобразователя создавать мощные тепловые импульсы в поднимающемся и вращающемся воздухопотоке, временной интервал между которыми определяется временем подъема горячего участка воздухопотока к торцевому выходу воздухоотводящего канала. Импульсная подача напряжения позволяет экономить электрическую энергию, тогда как во время паузы между подаваемыми импульсами электрического напряжения горячий участок воздухопотока продолжает всплывать в воздухоотводящем канале, создавая в нем дополнительную тягу. Поэтому воздухоотводящий канал должен быть снабжен высококачественной теплоизоляцией снаружи, а изнутри - поверхностью с низким коэффициентом трения по отношению к движущемуся энергетическому воздухопотоку (то есть должен обладать антифрикционными свойствами, возможности получения которых известны в аэродинамике).

Еще одно приспособление - достаточно крупное сооружение вокруг наружной поверхности воздухоотводящего канала, нацеленное на увеличение тяги в нем, предусмотрено в излагаемом техническом решении. Это приспособление предусматривает использовать для увеличения тяги принцип инжекции, которая создается за счет определенной переориентации горизонтального потока естественного ветра на данном уровне по его высоте, а именно за счет переориентации ветропотока вверх с завихрением его у выходного торца воздухоотводящего канала. Для реализации такого приспособления-сооружения на выходном торце воздухоотводящего канала устанавливается конусообразная воздухоотводящая чаша, боковая поверхность которой выполнена посредством воздухозавихряющих жалюзи - стационарных наклонных поверхностей с воздушными проемами между ними. С целью создания такого сооружения наружная поверхность управляемой аэротермодинамической надстройки или всего воздухоотводящего канала состыковывается с радиальными и наклонными относительно горизонтальной плоскости участками ветронаправляющих поверхностей, как это ниже будет проиллюстрировано.

Кроме того, в период приостановки работы ГАБ ТЭС, когда через ее воздухоотводящий верхний торец не проходит высокоскоростной воздухопоток, в его внутреннюю полость могут попадать атмосферные осадки, для защиты от чего предусматривается установка управляемого атмосферозащитного материала - например, эластичного, в частности резинового отрезка материала нужной площади, который натягивается или надвигается автоматически на верхний торец воздухоотводящего канала при временном прекращении работы ГАБ ТЭС.

Частными результатами предлагаемого изобретения являются увеличение коэффициента полезного действия и снижение уровня шума при создании вращательного движения центрального энергетического воздухопотока, так как в известных к настоящему времени исполнениях ГАБ ТЭС вращение последнего формируется, преимущественно, посредством радиально размещенных (и открытых) теплопроводных воздуховыпускных профилей. Кроме того, за счет применения инжекционного и электротермического воздействия на тягу снижаются размеры и стоимость теплоаккумуляторов.

Указанный технический результат при осуществлении данного предлагаемого изобретения достигается тем, что относительно известных вышеприведенных технических решений теплоэлектростанция с ветронаправляющими поверхностями, содержащая ветротурбину с присоединенным к ней, по меньшей мере, одним электрогенератором, которая приводится во вращение центральным воздухопотоком, управляемый воздухоотводящий канал, расположенный над ветротурбиной и выполненный в виде тяговой трубы и управляемой надстройки к ней большей высоты, канал преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока и теплоаккумулятор, отличается тем, что включает лученаправляющие поверхности, при этом ветронаправляющие поверхности включают в себя вертикальные гелиопоглощающие поверхности, а канал преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока включает, по меньшей мере, три энергопреобразующих модуля со встроенными теплопередающими элементами, подключенными к одному или нескольким внешним источникам текучего горячего теплоносителя, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, посредством которых центральный воздухопоток приобретает вращательно-поступательную траекторию движения, также теплоэлектростанция включает цилиндрообразный заборный канал, снабженный ветронаправляющими поверхностями, который связан с каналом преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока посредством направляющих проемов, причем указанные энергопреобразующие модули расположены вертикально друг над другом и имеют общую центральную ось симметрии совместно с ветротурбиной, воздухоотводящим и заборным каналами и центральным воздухопотоком, в канале преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока, который выполнен в виде предтурбинной разгонной шахты, в качестве энергопреобразующих модулей применены вихревые камеры, размещенные друг над другом симметрично вдоль центральной оси в виде цилиндрических и/или конических замкнутых воздухонаполненных полостей, снабженных нижними и верхними основаниями, торцевыми и/или боковыми тангенциальными вводами воздухопотоков, поступающих из нагреваемой среды как воздушный теплоноситель с помощью напорных вентиляторов и из заборного канала под напором естественного ветра, и вертикальными цилиндрическими воздухоотводами, установленными с применением проходных отверстий в их верхних основаниях, симметрично охватывающих центральную ось, причем вихревые камеры соединены между собой последовательно относительно формируемого ими центрального воздухопотока таким образом, что перед входом в ветротурбину создан вертикальный, расширяющийся по высоте, кольцеобразный в поперечном сечении столб нагретого воздухопотока с вращательно-поступательной траекторией движения, в приосевой области которого образована воздушная среда пониженного давления, где происходит продвижение вниз охлажденного воздухопотока - хладопотока до уровня нижнего основания - днища нижней вихревой камеры и за пределы его к расположенному в машинном зале устройству утилизации энергии движущегося хладопотока, для которого создано проходное отверстие из тяговой трубы, выполненное в приосевой области ветротурбины с применением полого вала, к которому присоединены установленные по бокам электрогенераторы посредством повышающих кинематических передач, при этом тяговая труба снабжена приспособлениями для закрепления, при техническом обслуживании, вспомогательных технических средств, с помощью которых производится установка и снятие ветротурбины и электрогенераторов относительно их рабочего места, а управляемая надстройка к тяговой трубе снабжена первым дополнительным энергопреобразующим модулем, включающем размещенные вдоль ее периферийной цилиндрической поверхности, преимущественно, вертикальные боковые воздухозавихряющие профили с воздуховыпускными проемами, направленными под углом к ее внутренней поверхности с ориентацией выходящего воздуха в сторону вращения отводимого вверх от ветротурбины воздухопотока, причем данный энергопреобразующий модуль подключен посредством кольцевого коллектора, охватывающего ее наружную поверхность, к источнику нагретого воздушного теплоносителя, при этом ее приосевая область пониженного давления, преимущественно, охвачена воздухопроводом, по которому холодный воздух опускается вниз, с полем радиальных отверстий в нем, соединяющих последнюю с внутренней средой вращающегося вокруг нее и поднимающегося вверх нагретого воздухопотока, при этом наружная поверхность управляемой надстройки состыкована с радиальными и наклонными относительно горизонтальной плоскости участками ветронаправляющих поверхностей и снабжена у ее выходного торца ветрозавихряющими жалюзи, которые размещены посредством боковой поверхности ее торцевого окончания, выполненного в виде конусообразной воздухоотводящей части, причем последняя оснащена управляемым защитным экраном от атмосферных осадков, при этом во внутренней полости управляемой надстройки установлен второй дополнительный энергопреобразующий модуль, в котором применены радиально расположенные воздухозавихряющие профили с воздуховыпускными проемами, подключенные посредством кольцевого коллектора к одному из источников нагретого воздушного теплоносителя.

Имеются отличия также в том, что в нижней части внутренней полости управляемой надстройки к тяговой трубе в поперечном сечении движущегося вверх вращательно-поступательного нагретого воздухопотока размещен плоский кольцевой электротермический преобразователь с воздушными проемами между его радиально расположенными электрическими проводниками, причем названный электротермический преобразователь электрически подключен к источнику импульсного напряжения с временными промежутками между смежными импульсами, при этом наружная поверхность воздухоотводящего канала снабжена утеплителем.

Дополнительные пояснения по сути предложенных конструктивно-технологических решений согласно предлагаемому изобретению приведены посредством графических иллюстраций:

На Фиг.1 дана принципиальная схема гелиоаэробарической теплоэлектростанции с управляемым воздухоотводящим каналом.

На Фиг.2 дана схема размещения ветровоздухонаправляющих и теплоэнергетических сооружений в гелиоаэробарической теплоэлектростанции в плане.

Технологический центр (Фиг.1) состоит из разгонной шахты 1, содержащей внутреннюю воздушную полость 2, которая связана через кольцевой воздушный проем 3 и конусообразный проем (воздухопровод) 4 с ветровоздухозаборным каналом 5. Боковые ветровоздухонаправляющие поверхности - жалюзи 6, установленные по всей периферии последнего под небольшими углами к его виртуальной внешней цилиндрической поверхности 7, направляют естественный ветер 8 и воздух 9 из прилегающей окружающей среды в ветровоздухозаборный канал 5, в результате чего их потоки преобразуются в нем во вращающийся ветровоздухопоток (вращающийся воздухопоток) 10. Кроме того, ветровоздухозаборный канал 5 содержит еще одну наклонную ветронаправляющую поверхность 11, которая является внешней верхней стороной конусообразного канала 12 подвода нагретого воздушного теплоносителя, поступающего от соответствующего источника, расположенного в машинном зале 13 технологического центра ГАБ ТЭС, с помощью теплоизолированного воздухопровода 14. Днище разгонной шахты 1 входит своей горизонтальной конструкцией в состав теплоизолированного потолка 15 машинного зала 13. В машинном зале размещены различные накопители и преобразователи энергии текучего теплоносителя (одного или нескольких типов), поступающего в машинный зал от гелиотеплопреобразующих сооружений, установленных на территории ГАБ ТЭС, окружающей технологический центр.

У днища разгонной шахты 1 размещена первая вихревая камера 16 с днищем 17, совпадающим с днищем разгонной шахты. Вихревая камера содержит потолок 18 и цилиндрическую боковую поверхность 19 разгонного цилиндра, между которыми проходит вращающийся, ускоряющийся во вращении (разгоняющийся) воздухопоток 20. Днище и потолок вихревой камеры могут иметь в различных исполнениях ГАБ ТЭС или плоскую теплоизолированную поверхность, или наклонную, в частности - конусообразную, а ее боковая поверхность (боковая поверхность разгонного цилиндра) - цилиндрическую или многогранную поверхность, в том числе непрерывно замкнутую или содержащую боковые проемы с наклонными жалюзи в качестве боковых завихряющих воздухоканалов как боковых воздухозавихряющих вводов. На Фиг.1 в вихревой камере 16 применен кольцевой торцевой завихряющий ввод 21, выполненный узким кольцом в ее днище с воздухопроходными проемами и воздухонаправляющими жалюзи (непосредственно у боковой поверхности 19).

Подача в вихревую камеру внешнего воздухопотока 22, который, в частности, представляет собой нагретый воздух, отводимый из машинного зала 13 в порядке вентиляции, осуществляется с помощью напорных вентиляторов 23 и кольцевого воздушного коллектора 24. Через указанный завихряющий ввод 21, содержащий сквозные проемы в днище 17 и верхней стенке коллектора 24 с установленными в них воздухонаправляющими жалюзи, вращающийся воздухопоток 20 входит в вихревую камеру 16 с некоторой начальной тангенциальной скоростью ν_τ1 непосредственно вблизи ее цилиндрической поверхности 19, и далее, на основе закона сохранения количества движения, в цилиндрической внутренней полости вихревой камеры происходит наращивание его тангенциальной скорости до величины ν_τ2 обратно пропорционально величине радиуса R, так что имеет место соотношение ν_τ2>>ν_τ1.

Максимальное значение тангенциальной скорости ν_τ2max достигается в некоторой зоне, отстоящей от центральной оси 25 на величину R_max, ориентировочно составляющую 15-25% от величины радиуса цилиндрической боковой поверхности 19 вихревой камеры. Высокоскоростной вращающийся воздухопоток 20 формирует посредством цилиндрического воздухоотвода 26 устье центрального энергетического воздухопотока 27 с вращательно-поступательной траекторией движения, который после дальнейшего энергетического насыщения и преобразования приводит во вращение ветротурбину 28.

Последняя с помощью повышающих кинематических передач 29 передает свое вращение установленным по различным сторонам от нее электрогенераторам 30. При этом в узкой приосевой области, максимальный радиус которой составляет около 10% от радиуса боковой поверхности 19, формируется зона разрежения - вакуумная зона по всей высоте вихревой камеры 16 воздухоотвода и выпускного воздухоканала 26. В этой зоне формируется опускающийся вниз более холодный хладопоток 31, который является противоположным поднимающемуся вверх и нагревающемуся воздухопотоку 27. Формирование вакуумной зоны в приосевой области 32 (показана пунктиром) и встречного хладопотока 31 является принципиальным явлением в физической сути естественного смерча и должно соблюдаться при создании искусственного смерча, как это делается в ГАБ ТЭС, с определенными особенностями. В случае естественного смерча хладопоток опускается вниз в зоне приосевого пониженного давления - в вакуумной зоне и, достигая поверхности земли с высокой скоростью, ударяется в нее и расплывается по ее нагретой поверхности. В результате этого хладопоток в своем вращательно-поступательном движении нагревается о поверхность земли, претерпевает снижение плотности и, с учетом энергии упругого удара, в большей части своей массы поднимается вверх в центральной зоне смерча, которая приобретает большую разрушительную силу. При этом основание смерча «рыскает» по поверхности земли в направлении повышенных градиентов ее температуры и влаги (через испарение) на ней. В ГАБ ТЭС такая же схема может быть применена, при которой хладопоток в придонной области вихревой камеры 16 нагревается горячим теплоносителем и, отталкиваясь от нее, уходит вверх совместно с воздухопотоком 20 в периферийной части поперечного сечения цилиндрического воздухоотвода 26. Однако такой вариант нисходящего движения хладопотока в ГАБ ТЭС менее выгоден, так как он понижает КПД теплового преобразования в электрическую энергию в сравнении с вариантом отвода хладопотока через отверстие в днище вихревой камеры 16. При высоких тангенциальных скоростях воздухопотоков 20, 27 температура хладопотока может достигать не только пониженных, но и даже отрицательных значений, и его гравитационная составляющая является превалирующей, так что его энергия может быть использована в различных аспектах через устройство 33 утилизации этой энергии. В зависимости от исполнения ГАБ ТЭС, хладопоток, после запуска его движения вниз вспомогательным вентилятором (когда это требуется), может вращать размещенную внизу ветротурбину (в различных вариантах ее привода, в том числе в импульсном режиме), может направляться в конденсирующие установки для получения воды из атмосферы посредством конденсации и/или адсорбции температуры окружающей среды с целью возврата нагретого тем самым хладопотока в ветровоздухозаборный канал, а также может направляться в устройство, использующее принцип трубки Ранка, для его нагрева у периферии и дополнительного охлаждения в центре в рамках образования хладопотока, выходящего из этой вихревой трубки.

Вихревая камера 16 представляет собой определенное исполнение первого энергопреобразующего модуля в ГАБ ТЭС в составе канала термоаэродинамического преобразования и наращивания мощности центрального энергетического воздухопотока (названный канал представляется в рассматриваемом случае в виде разгонной шахты).

Второй энергопреобразующий модуль ГАБ ТЭС в данном случае выполнен в виде второй вихревой камеры 34. Боковая поверхность 35 этой камеры представлена в виде воздухозавихряющих жалюзи как аналог боковой цилиндрической поверхности 19 первой вихревой камеры, в которой последний выполнен в виде бокового ввода энергии приземной атмосферы во внутреннюю полость второй вихревой камеры 34. Данная боковая поверхность 35 занимает по вертикали среднюю часть разгонной шахты, а именно занимает по вертикали часть 36 кольцевого входа воздушной среды 37 конусообразного воздухопровода 4 в разгонную шахту 1 из ветровоздухозаборного канала 5. В данной (второй) вихревой камере 34 выполнен одновременно и другой - торцевой вход 38 воздухопотока. Он выполнен с помощью его кольцевого воздушного коллектора 39 и конусообразного канала 12 подвода нагретого (максимально горячего) воздушного теплоносителя 40, который подается посредством воздухопровода 14.

Конусообразный канал 12 подвода воздушного теплоносителя 40 содержит верхнюю теплопроводную наклонную (конусообразную) поверхность 11, которая передает часть тепловой энергии теплоносителя 40 во вращающийся ветровоздухопоток 10 в ветровоздухозаборном канале 5. Это позволяет ускорить концентрацию ветровоздухопотока 10 и повышение его скорости на входе ветровоздухозавихряющей боковой поверхности 35 вихревой камеры 34. При этом канал 12 воздушного теплоносителя 40 подключен к кольцевому коллектору 39, посредством которого и посредством завихряющих жалюзи торцевого входа 38 воздушный теплоноситель с определенной тангенциальной скоростью входит также во внутреннюю полость вихревой камеры 34, создавая дополнительную тягу ветровоздухопотоку, поступающему из ветровоздухозаборного канала 5 и внешней приземной атмосферы. За счет этого в вихревой камере 34 создается еще одна мощная компонента вращательного движения внутреннего воздухопотока 41, который вращается между ее теплоизолированными днищем 42 и потолком 43, многократно ускоряясь от боковой поверхности 35 и торцевого входа 38 к центральной оси 25. В днище 42 выполнено центральное воздухопроходное отверстие, к периметру которого закреплен цилиндрический воздухоотвод 26 первой вихревой камеры 16, из которого вращающийся центральный энергетический воздухопоток 27 входит во внутреннюю полость второй вихревой камеры 34. Энергия воздухопотока 27 складывается с энергией воздухопотока 41, за счет чего через центральный трубный воздухоотвод 44, подключенный к внутренней полости вихревой камеры 34 с помощью отверстия в ее потолке 43, выходит центральный энергетический воздухопоток 27 значительно увеличенной мощности. Выходящий из центрального (трубного) воздухоотвода 44 высокоскоростной вращающийся воздухопоток 27 занимает срединную часть энергетического воздухопотока 45, который усиливается притоком вращающегося воздухопотока 46, поступающего из ветровоздухозаборного канала 5 и приземной внешней атмосферы благодаря установке третьего энергопреобразующего модуля в разгонной шахте 1.

Третий энергопреобразующий модуль не имеет автономно очерченной конфигурации и напоминает вихревую камеру, содержащую, в основном, уже описанные конструктивные элементы, за исключением некоторых. В частности, днищем третьего энергопреобразующего модуля фактически является потолок 43 второй вихревой камеры, а потолком - теплоизолированная кровля 47 ветровоздухозаборного канала 5.

Боковая поверхность третьего энергопреобразующего модуля выполнена аналогично боковой поверхности второй вихревой камеры 34 и содержит теплопроводные воздуховыпускные воздухозавихряющие профили, по аналогии с профилями боковой поверхности 35, которые подключены посредством установки дополнительного кольцевого коллектора 48 к воздухоподводу нагретого воздушного теплоносителя 40.

Высокоскоростной вращающийся воздухопоток 41 во второй вихревой камере 34, аналогично вышеописанному, создает в приосевой зоне вакуумную область. Вследствие факторов, действующих во внутренней среде вихревой камеры 34, создается тяга воздухопотока из ветровоздухозаборного канала 5 через воздухозавихряющие профили в ее боковой поверхности 35.

Такой же процесс осуществляется в третьем энергопреобразующем модуле, где высокоскоростной центральный энергетический воздухопоток 27, вследствие его вращения и создания вакуумной среды в приосевой области 32 (показана пунктиром), втягивает во вращение более мощный воздухопоток 46 из окружающей атмосферы, образуя суммарный центральный энергетический воздухопоток как сумму воздухопотоков 27 и 45. Последний (совместно с расположенным в его средней части воздухопотоком 27) создает необходимый момент вращения ветротурбины 28, проходя в невысокую тяговую трубу 49 и управляемую аэротермодинамическую надстройку 50 над ней.

В данном варианте ГАБ ТЭС ветротурбина 28 размещена в основании тяговой трубы 49 и дополнительно закреплена на предварительно напряженных стержнях 51 и подвесках 52. При этом основание тяговой трубы и ветротурбины закреплены посредством предварительно напряженных стержней 51 относительно несущих ферм 53 технологического центра. Посредством предварительно напряженных стержней 51 относительно несущих ферм 53 закреплены и конструкции управляемой воздухоотводящей аэротермодинамической надстройки 50 к тяговой трубе 49.

В центре ветротурбины в ее приосевой области выполнено отверстие 54 посредством полой вращающейся втулки, в виде полого вала, к которой закреплены лопасти ветротурбины 28. Это отверстие 54 предусмотрено для прохода через него опускающегося хладопотока в вакуумной приосевой области 32 (показана пунктиром), формирование которого начинается над верхним торцом управляемой надстройки 50, в зоне поднимающегося вверх вращающегося смерчеобразного воздухопотока.

Для усиления эффекта смерчеобразования (продолжения смерча, созданного у основания разгонной шахты 1) естественный ветер у верхней части технологического центра ГАБ ТЭС концентрируется и направляется вверх как инжектирующий воздухопоток. Это достигается тем, что с помощью предварительно напряженных стержней 51 к несущим фермам 53, тяговой трубе 49 и управляемой надстройке 50 вертикально закреплены радиальные ветронаправляющие поверхности 55 (Фиг.2), которых в данном варианте ГАБ ТЭС установлено 8 штук. Эти вертикальные ветронаправляющие поверхности 55 при любом направлении естественного ветра концентрируют его у наружной цилиндрической теплоизолированной поверхности воздухоотводящего канала (тяговая труба 49, надстройка 50). Чтобы придать концентрируемому ветропотоку у поверхности воздухоотводящего канала ориентировочно вертикальное направление, относительно конструкций несущих ферм 53 и предварительно напряженных стержней 51 (которые размещены горизонтальными слоями через каждые 3 м) закреплены отрезки наклонных поверхностей 56 (Фиг.1, 2). Ветропоток 57 верхнего уровня при этом, посредством наклонных ветронаправляющих поверхностей 56 и вертикальных поверхностей 55, а также воздухоотводящего канала, приобретает наклонные восходящие траектории, как это показано на Фиг.1.

На Фиг.2, кроме вышеописанных конструктивных элементов, показаны схематично - для более подробного пояснения принципа работы ГАБ ТЭС - определяющие сооружения на ее территории, окружающей технологический центр. Ветронаправляющие поверхности 58, которые почти примыкают к наружному периметру ветровоздухозаборного канала, выполнены в виде высоких, вытянутых по длине и плоских конструкций, преимущественно криволинейных, как указано, примыкающих по касательной к периметрической поверхности ветровоздухозаборного канала, с высотой, достигающей уровня его кровли. В этом случае естественный приземный ветер, со значительного расстояния от технологического центра ГАБ ТЭС, продвигается вдоль ветронаправляющих поверхностей 58 к центру. С увеличенной скоростью он достигает ветронаправляющих жалюзи 6 и периметра виртуальной цилиндрической поверхности 7 ветровоздухозаборного канала 5 и входит сквозь последние под углом 15-30° к ней, приобретая внутри канала вращательное движение. Ветронаправляющие поверхности 58 содержат внутренние полости шириной не менее 1 м (на Фиг.2 они не показаны), в которых закреплены вертикальные (практически по всей высоте) гелиопоглощающие поверхности (на Фиг.2 не показаны). Вследствие этого, кроме направления ветра, в образованных ветронаправляющих энергетических пространствах происходит преобразование энергии солнечных лучей в тепловую энергию, которая отводится от них в технологический центр текучим теплоносителем, преимущественно - нагретым воздухом. Размещенные рядом лучеотражающие или управляемые лученаправляющие поверхности 59 посылают отраженные солнечные лучи на вертикальные гелиопоглощающие (или гелиотеплопреобразующие) поверхности, причем в определенных исполнениях ГАБ ТЭС - преимущественно, в первой и последней третьей частях светового дня. В средней же части дня, в наиболее жаркий период, в данном случае лучеотражающие поверхности 59 отражают солнечные лучи вместе с их тепловой энергией в космическое пространство, для чего они выполнены соответствующим образом. При больших объемах строительства таких ГАБ ТЭС в космическое пространство (из жарких географических зон, пустынь и полупустынь) может отправляться такое количество тепловой энергии, что температура окружающей среды во многих регионах планеты может устанавливаться на оптимальном уровне, несмотря на еще продолжающееся сжигание ископаемых энергоносителей (последнее в настоящий период приводит к нарушению теплового баланса окружающей среды, чем создаются разрушительные катаклизмы в природе).

В представлении на Фиг.2 ветронаправляющие поверхности 58 и энергетические пространства на значительной длине выполнены прямолинейными в радиальных направлениях. Однако в других исполнениях ГАБ ТЭС формы ветронаправляющих поверхностей могут быть и полностью криволинейными (в соответствии с особенностями ветрового потенциала в конкретных местностях).

Ветронаправляющие поверхности 58 и их энергетические пространства выполняются, в большинстве случаев, как металлические фермы, закрытые по всему периметру листовым стеклом или в двухрядном исполнении - с использованием сочетания листового стекла и полимерных пленок.

На Фиг.2 показано также условное расположение теплоаккумуляторов 60 в подземном или полупогруженном в землю исполнении. На кровлях теплоаккумуляторов располагается поле горизонтальных гелиотеплопреобразователей 61, тепловая энергия которых уносится в дневное время текучим теплоносителем как в технологический центр, так и в сами теплоаккумуляторы. Количество промежутков между ветронаправляющими поверхностями, в которых сооружаются теплоаккумуляторы, выбирается расчетным порядком и может составлять их четвертую часть или даже половину, преимущественно, на северной стороне ГАБ ТЭС. Поля горизонтальных гелиотеплопреобразователей и лучеотражающих поверхностей выполняются, в основном, в каждом из промежутков между ветронаправляющими поверхностями.

На Фиг.1 показан пунктиром единый канал приосевой области 32 пониженного давления (а точнее - вакуумной области) и продвижения вниз хладовоздухопотока, который начинается за пределами воздухоотводящего канала (тяговая труба 49, надстройка 50), на определенной высоте относительно верхнего торцевого выхода управляемой надстройки 50 (на Фиг.1 не показано), и заканчивается ниже днища 17 первой вихревой камеры 16 - на стыке с устройством 33 утилизации опускающегося хладопотока. Чтобы не допустить значительного взаимопроникновении (перемешивания) вращающихся нисходящего хладопотока и восходящего (кольцеобразного в поперечном сечении) нагретого воздухопотока, охватывающего первый, не нарушая принципа смерчеобразования и создания приосевой вакуумной области, пунктирная приосевая область 32 по всей ее высоте или частично снабжена технологическим трубным каналом, который по диаметру не превышает диаметра приосевой вакуумной области и снабжен полем радиальных отверстий с целью сохранения смерчевого процесса создания приосевого вакуума (с помощью упомянутого поля отверстий).

При этом тангенциальная скорость смерчеобразного движения воздухопотока (сумма воздухопотоков 27 и 45) нарастает по мере подъема его в разгонной шахте, до входа в ветротурбину, а в воздухоотводящем канале (после затраты его энергии в ветротурбине 28) она определяется дополнительными техническими решениями и устройствами.

Поднимающийся (вращающийся и кольцеобразный) нагретый воздухопоток из первой вихревой камеры 16 переходит через цилиндрообразный воздухоотвод 26 во вторую вихревую камеру 34 через ее днище 42 и, складываясь с вращающимся воздухопотоком 41, продвигается вверх через трубный воздухоотвод 44. При этом в других исполнениях ГАБ ТЭС выход из первой вихревой камеры 16 может поступать во вторую вихревую камеру 34 не центральным кольцеобразным потоком, а посредством высокоскоростных теплоизолированных отводов от последнего - в торцевой вход (через кольцеобразный кольцевой коллектор 39 совместно с горячим теплоносителем из канала 12), и в этом случае тангенциальная скорость воздухопотока 41 может быть существенно увеличена (однако конструкция будет усложнена).

Воздухопоток 27, поднимающийся через воздухоотвод 44 из второй вихревой камеры 34, приобретает форму расширяющегося кверху столба воздухопотока - «факела», упирающегося в ветротурбину 28. При этом, поскольку он вращается с большой скоростью и создает в центре значительную вакуумную область, в третьем энергетическом модуле происходит втягивание воздухопотока 46 из ветровоздухозаборного канала 5 и приземной окружающей атмосферы, включая естественный приземный ветропоток.

В соответствии с настоящим предлагаемым изобретением на Фиг.1 условно показано размещение приспособлений 62, посредством которых в процессе технического обслуживания ветротурбины 28 и электрогенераторов 30 устанавливаются технические средства (на Фиг.1 не показаны) в виде сборно-разборных подъемных устройств для демонтажа и последующей сборки их, в том числе для снятия и установки относительно проектного рабочего места.

Необходимость установки указанных вспомогательных технических средств в сборно-разборном варианте состоит в том, что при работе ГАБ ТЭС эти средства находятся на пути движения двух встречных потоков:

а) поднимающегося вверх из разгонной шахты 1 через лопастную область ветротурбины 28 нагретого вращательно-поступательного потока (сумма воздухопотоков 27 и 45) с высокой тангенциальной скоростью этого движения;

б) опускающегося вниз вдоль приосевой воздушной вакуумной области хладопотока 31, который проходит из воздухоотводящего канала (тяговая труба 49, надстройка 50), через воздухопроходное отверстие 54 в центре ветротурбины, в разгонную шахту 1.

При этом средства для обслуживания ветротурбины и электрогенераторов не должны при работе ГАБ ТЭС вносить искажения в указанные воздухопотоки. Если же хладопоток отводится вниз по сквозному трубному каналу приосевой области 32 (показан пунктиром), включая и воздухоотводящий канал (тяговая труба 49, надстройка 50), то труба хладоканала приосевой области 32 содержит также дополнительные конструктивные элементы для закрепления указанных технических средств, предназначенных для обслуживания ветротурбины и электрогенераторов. Корпусная часть тяговой трубы содержит, в свою очередь, разъемные компоненты ее конструкции, а также закрывающиеся входные проемы для прохода обслуживающего персонала (эти конструктивные решения на Фиг.1 не демонстрируются).

В управляемой аэротермодинамической надстройке к тяговой трубе дополнительно установлены энергопреобразующие модули, назначение которых состоит в придании ускоряющего воздействия на тангенциальную скорость отходящего суммарного воздухопотока (сумма воздухопотоков 27 и 45). В первый энергопреобразующий модуль 63 поступает нагретый воздушный теплоноситель 40, благодаря чему создается прибавочный тангенциальный воздухопоток 64. Данный энергопреобразующий модуль содержит не показанные, размещенные вдоль периферийной цилиндрической поверхности боковые воздухозавихряющие профили с воздуховыпускными проемами в них (для выхода тангенциального воздухопотока 64), ориентированными в направлении вращения выходящего из лопастной области ветротурбины нагретого суммарного воздухопотока (сумма воздухопотоков 27 и 45), и кольцевой коллектор, на вход которого подведен нагретый воздушный теплоноситель 40.

Дополнительный тангенциальный воздухопоток 64 значительно ускоряется по мере приближения к центральной оси и содействует образованию приосевой вакуумной области и усилению нисходящего хладопотока, которые, преимущественно, охватываются трубопроводом - воздуховодом, по которому продвигается вниз хладопоток.

Второй дополнительный энергопреобразующий модуль 65 отличается от предыдущего тем, что его воздухозавихряющие воздуховыпускные профили расположены в радиальных направлениях в пределах нагретого отходящего воздухопотока, имеющего кольцевую форму в поперечных сечениях, и охватывают приосевую вакуумную область, а также внешний периметр опускающегося вниз хладопотока. Эта особенность второго дополнительного энергопреобразующего модуля 65 позволяет частично перерабатывать в нем кинетическую энергию осевой компоненты результирующего поднимающегося вверх нагретого воздухопотока (как суммы воздухопотоков 27 и 45) в приращение энергии тангенциальной скорости 66.

Для дополнительного импульсного ускоряющего воздействия на осевую скорость поднимающегося нагретого воздухопотока (сумма воздухопотоков 27 и 45) в управляемой аэротермодинамической надстройке размещен (несколько выше или ниже первого дополнительного энергопреобразующего модуля 63) электротермический преобразователь 67 с подключенным на него импульсным напряжением U. Последний содержит радиально размещенные стержневые электрические сопротивления (из радиально размещенных электрических проводников с повышенным омическим сопротивлением), которые подключены к кольцевому подводящему электроду 68, к которому подводится напряжение U, и к кольцевому отводящему электроду 69, подключенному к заземлению через корпусную конструкцию. Подвод импульсного напряжения U к электротермическому преобразователю 67 на Фиг.1 показан схематично.

Венец 70 воздухоотводящего канала завершается аэродинамическим воздухоотводящим устройством, выполненным в виде конусообразной расширяющейся кверху чаши 71, которая в качестве боковой конусообразной поверхности содержит ветрозавихряющие жалюзи 72 (показано пунктиром), через которые проходит приводимый во вращение концентрируемый и ориентированный вверх ветропоток 57. Такое преобразование горизонтального ветропотока на верхнем уровне ГАБ ТЭС обеспечивает повышенную тягу в воздухоотводящем канале вследствие инжекционного процесса.

Если ГАБ ТЭС переводится в режим технического обслуживания и суммарный воздухопоток (сумма воздухопотоков 27 и 45) прекращает свое движение через воздухоотводящий канал (тяговая труба 49, надстройка 50), в последний могут попадать атмосферные осадки. Чтобы избежать этого применяется, в частности, эластичный материал 73 (например, листовая резина), который посредством электроприводов (не показаны) предварительно напрягается с силой F и закрепляется посредством предварительно напряженных стержней 51 и несущих ферм 53. В соответствующие периоды эластичный материал 73 дополнительно растягивается и закрывает входной проем воздухоотводящего канала от атмосферных осадков.

Работает гелиоаэробарическая теплоэлектростанция с управляемым воздухоотводящим каналом согласно предлагаемому изобретению следующим образом.

Вентиляционные воздухопотоки 22 из машинного зала 13 поступают с определенной скоростью вращения через кольцевой коллектор 24 и воздухозавихряющий ввод 21 в периферийную зону первой вихревой камеры 16. Во внутренней среде последней вращающийся воздухопоток 20 по мере приближения к центральной оси 25 многократно увеличивает свою тангенциальную скорость, создавая при этом приосевую вакуумную область. Через цилиндрический трубный воздухоотвод 26 вращающийся воздухопоток поднимается вверх, как в вихревой трубке Ранка (кольцевой вращающийся воздухопоток 27), и далее поступает во вторую вихревую камеру 34 через ее днище 42.

Вторая вихревая камера 34 имеет два входа воздухопотока у своей периферии. Один из них - торцевой вход 38 горячего теплоносителя с тангенциальной скоростью 20-30 м/сек. Второй - это боковой ввод через воздухозавихряющие жалюзи боковой поверхности 35 ветровоздухопотока из ветровоздухозаборного канала 5. При осредненной по году скорости ветра, проходящего через территорию ГАБ ТЭС, равной всего лишь 3 м/сек (обычно эта величина составляет на большей части территории России 4-5 м/сек, а на морских побережьях 5-6 м/сек), концентрация ветропотока (посредством ветронаправляющих поверхностей 58, по радиусу и по высоте внутренней среды 37 конусообразного ветронаправляющего воздухопровода 4) приводит к скорости 25-30 м/сек ветровоздухопотока на входе в названную боковую завихряющую поверхность 35 второй вихревой камеры.

Оба входных воздухопотока закручиваются при входе в данную вихревую камеру и составляют суммарный воздухопоток 41, тангенциальная скорость которого нарастает пропорционально уменьшению его радиуса и может достигать в области максимума 150-200 м/сек.

При этом все внутренние поверхности обеих вихревых камер должны содержать материал, обладающий минимальным коэффициентом трения по отношению к движущемуся воздухопотоку.

Вращающийся воздухопоток 41 в вихревой камере 34 и трубном воздухоотводе 44 создает, в свою очередь, вакуумную приосевую область и опускающийся через нее охлажденный воздухопоток - хладопоток. Поднимаясь над трубным воздухоотводом 44, суммарный вращающийся кольцеобразный в поперечном сечении воздухопоток (сумма воздухопотоков 27 и 45) с высокой тангенциальной скоростью имеет форму расходящегося кверху вращающегося воздушного столба, упирающегося во входную лопастную полость ветротурбины 28, и проходит через нее. Как и в вышеописанных случаях, этот смерчеобразный вращающийся столб воздуха создает в приосевой области вакуумную среду, которая содействует засасыванию в третий энергетический модуль наружного ветровоздухопотока через концентрирующий его ветровоздухозаборный канал 5. Нисходящий хладопоток, который при тангенциальной скорости воздухопотока 27, превышающей 100 м/сек, может охлаждаться до отрицательных температур (также в соответствии с известным энергоразделением в трубке Ранка). Вакуумная приосевая область, преимущественно, отделена от воздухопотоков 27, 41, 20 трубной поверхностью, совпадающей с пунктирными линиями, с диаметром, не превышающим диаметр приосевой вакуумной области 32. Чтобы не нарушать вакуумный режим (и режим хладообразования) смерчеобразного воздухопотока, эта трубная поверхность снабжена полем радиальных отверстий. Энергетический баланс создаваемого искусственного смерча определяется тем, что прирост кинетической энергии воздухопотока 27 (за счет многократного наращивания его тангенциальной скорости) уравновешивается созданием вакуума и хладопотока (как отрицательной компоненты этого энергетического баланса). Если найдено конструктивное решение, как в данном случае, по отводу хладопотока и постоянному наполнению вакуумной среды, то высокую кинетическую энергию вращающегося воздухопотока (сумма воздухопотоков 27 и 45) можно применить для привода мощной ветротурбины 28. Таким образом, оказались разделенными горячий высокоскоростной, поднимающийся вверх воздухопоток 27 и энергетический противовес его (приблизительный) в виде нисходящего хладопотока 31, поступающего в устройство 33 его утилизации.

В известных вариантах ГАБ ТЭС ветротурбина 28 содержит в своей центральной области специальный, встроенный электрогенератор со щелевыми проходами через него хладопотока. В варианте согласно настоящему предлагаемому изобретению электрогенераторы 30 вынесены из ветротурбины для обеспечения возможности встройки центрального цилиндрического отверстия 54, по которому должен более свободно опускаться хладопоток из воздухоотводящего канала вниз, непосредственно к устройству 33, утилизирующему хладопоток одним из целесообразных способов.

Вращающийся энергонасыщенный воздухопоток (сумма воздухопотоков 27 и 45) из разгонной шахты 1 (из ее третьего энергопреобразующего модуля, расположенного в верхней ее части) проходит через ветротурбину 28, создавая в ней требуемый крутящий момент и приводя ветротурбину во вращение, выходит из последней непосредственно в тяговую трубу 49. При этом осевая скорость воздухопотока перед турбиной и на ее выходе, а также в тяговой трубе остается неизменной, в то время как тангенциальная скорость его в ветротурбине значительно снижается вследствие передачи ним на лопасти ветротурбины кинетической энергии, пропорциональной его плотности и кубу скорости. Основания ветротурбины и тяговой трубы закреплены посредством предварительно напряженных стрежней 51, зафиксированных между хладоотводящей трубой в центре (пунктирные линии приосевой области 32), корпусом тяговой трубы 49 и опорными фермами 53 на периферии. Кроме того, ветротурбина удерживается сверху посредством торосовых растяжек, закрепленных к следующему ярусу предварительно напряженных стержней 51. Последние располагаются ярусами вплоть до вершины воздухоотводящего канала (управляемой аэротермодинамической надстройки 50 к тяговой трубе).

Несущие опорные фермы 53 в количестве 8 штук, в данном варианте ГАБ ТЭС, закреплены на фундаментной базе вокруг ветровоздухозаборного канала 5 и являются прочной удерживающей основой для всей высотной части технологического центра ГАБ ТЭС и его воздухоотводящего канала. Управляемая надстройка 50 закреплена относительно опорных несущих ферм 53 и предварительно напряженных стержней 51 посредством своей металлической основы (это показано узловыми точками), которая теплоизолирована и герметизирована высококачественным теплоизолирующим материалом, с покрытием внутренней поверхности управляемой надстройки 50 и тяговой трубы антифрикционным по отношению к воздухопотоку материалом.

В описании конструкции по Фиг.1 указано, что в управляемой аэротермодинамической надстройке 50 к тяговой трубе 49 установлены аэротермодинамические устройства, частично исполняющие функции дополнительных вихревых камер, которые увеличивают тангенциальную компоненту скорости вращающегося нагретого воздухопотока, проходящего вверх через воздухоотводящий канал и охватывающего приосевую воздушную область и нисходящий через нее хладопоток 31. Управляемая аэротермодинамическая надстройка, выполняя функции трубки Ранка, обеспечивает дополнительное энергоразделение во вращающемся воздухопотоке на более нагретую и более холодную компоненты, при этом канализируется одновременно формирующийся хладопоток во вращающейся воздушной среде над воздухоотводящим каналом.

На вход первого энергопреобразующего модуля 63 поступает нагретый воздушный теплоноситель 40, который посредством воздухозавихряющих воздуховыпускных профилей приобретает тангенциальную скорость, которая оказывает соответствующее воздействие на вращающийся центральный энергетический поток. При этом последнему передается и дополнительная тепловая энергия, привносимая массой нагретого воздушного теплоносителя 40. Эта тепловая энергия соответственно увеличивает температуру и осевую скорость центрального энергетического воздухопотока по всей высоте его движения.

Вместе с тем, во внутренней среде последнего устанавливается электротермический преобразователь 67. Он предназначен для ускоряющего воздействия на упомянутую осевую скорость дополнительно к указанному воздействию первого энергопреобразующего модуля 63. Такое дополнительное ускоряющее воздействие достигается тем, что подача электрического тока во все радиальные ветви электрических проводников (с повышенным омическим сопротивлением) электротермического преобразователя создает высокотемпературный слой в поднимающемся центральном энергетическом воздухопотоке. Для обеспечения высокой технико-экономической эффективности этого процесса подача электрического тока в электротермический преобразователь осуществляется импульсно, с величиной временного интервала между ними, многократно превышающей ширину самих импульсов. В результате этого электротермический преобразователь порождает следующие друг за другом сильно нагретые слои небольшой толщины в центральном энергетическом воздухопотоке, которые следуют друг за другом (поднимаясь вследствие Архимедовой силы - «плавучести» каждого горячего слоя), непрерывно поддерживая повышенную тягу и более высокую скорость как в воздухоотводящем канале, так и ниже его. Всплывает вверх каждый из указанных воздушных слоев без постоянной подпитки тепловой энергии, поскольку их температура сохраняется повышенной до самого венца воздухоотводящего канала, благодаря его высококачественной теплоизоляции. Вследствие описанного взаимодействия электротермического преобразователя с воздухоотводящим каналом экономичность данного процесса может быть весьма высокой. Условием повышения экономической эффективности данного процесса является: а) наращивание расстояния между импульсами тока (напряжения) в сравнении с шириной самих импульсов; б) увеличение высоты управляемой аэротермодинамической надстройки; в) улучшение термоизоляции последней; г) снабжение ее внутренней цилиндрической поверхности антифрикционным покрытием.

Вместе с тем, ГАБ ТЭС конструируется под максимальное наращивание тангенциальной скорости центрального энергетического воздухопотока, которая, в основном, вращает ветротурбину, и увеличение его осевой скорости (сверх определенного расчетного уровня) является даже вредным, так как именно она уносит в атмосферу основное количество тепловой энергии. Поэтому в конструкции на Фиг.1 предусмотрен еще один - второй дополнительный энергопреобразующий модуль 65, основное назначение которого заключается в частичном преобразовании осевой скорости в тангенциальную скорость 66. Это достигается определенной конструкцией воздухозавихряющих профилей, которые располагаются радиально в кольцевом поперечном сечении центрального энергетического воздухопотока - суммы воздухопотоков 27 и 45 - и имеют форму, преобразующую вертикальный осевой поток во вращающийся. Поверхность таких профилей должна быть полированной - для снижения сопротивления воздухопотоку. Нагретый воздушный теплоноситель 40 имеет в данном модуле вспомогательную роль, в первую очередь, - за счет тангенциального выхода воздуха через воздуховыпускные проемы в профилях. Кроме того, у выходного торца воздухоотводящего канала - венца управляемой аэротермодинамической надстройки - создается инжекционный процесс, усиливающий тягу в последней с увеличением осевой и тангенциальной компонент скоростей отходящего в атмосферу центрального энергетического воздухопотока (сумма воздухопотоков 27 и 45). Это достигается тем, что естественный ветропоток 57 на верхнем уровне ГАБ ТЭС преобразуется из горизонтального потока в поток, движущийся вверх относительно воздухоотводящего канала с определенным наклоном. Для этих целей естественный ветропоток 57 концентрируется с любой стороны его потока у наружной цилиндрической поверхности воздухоотводящего канала посредством создания вертикальных ветронаправляющих поверхностей 55, а поворот его вверх, вдоль последней, достигается за счет установки наклонных поверхностей 56, размещенных симметрично вокруг центральной оси 25. Боковая поверхность конусообразной чаши 71, установленной под верхним торцом цилиндрического воздухоотводящего канала, содержит ветронаправляющие и ветрозавихряющие жалюзи 72 (показаны на Фиг.1 пунктиром), которые заставляют вращаться в соответствующую сторону переориентированный вверх ветропоток 57 и направляют его с определенным наклоном к горизонтальной плоскости в некоторую фокусную область, находящуюся над выходным проемом воздухоотводящего канала. В результате над последним образуется вращающийся и поднимающийся вверх инжекционный ветропоток, активно участвующий в создании осевой и тангенциальной скоростей по всей высоте центрального энергетического воздухопотока в технологическом центре ГАБ ТЭС.

Одновременно с этим приземный ветер 8, направленный к наружной поверхности ветровоздухозаборного канала, с ветронаправляющими жалюзи 6 посредством ветронаправляющих поверхностей 58 и пространств создает внутри ветровоздухозаборного канала 5 вращающийся воздухопоток с направлением, отмеченным как (+) и (•), который по мере приближения в сторону центральной оси (по подобию, как это осуществляется в вихревых камерах) увеличивает свою тангенциальную скорость и входит во вторую вихревую камеру 34 и внутреннюю среду разгонной шахты, представляющую третий энергопреобразующий модуль. Далее процессы, происходящие внутри технологического центра ГАБ ТЭС, осуществляются, как описано выше.

На прилегающей территории к технологическому центру размещены сооружения, в которых происходит нагревание текучего теплоносителя, подаваемого в технологический центр для последующей запитки энергопреобразующих модулей, в том числе вихревых камер. Рядом с ветронаправляющими поверхностями 58 (Фиг.2) размещено поле лучеотражающих поверхностей 59, а предпочтительнее - управляемых (поворачиваемых вокруг их продольных осей) лученаправляющих панелей. Солнечные лучи, при относительно невысоком положении Солнца на небосводе, отражаясь от лученаправляющих панелей, приобретают траекторию движения, пересекающую ветронаправляющие поверхности 58 (и пространства), в которых вмонтированы вертикальные гелиопоглощающие поверхности. С повышением положения солнечного диска на небосводе управляемые лученаправляющие панели меняют свои угловые положения таким образом, чтобы отраженные солнечные лучи гарантированно поступали или на гелиопоглощающие поверхности в поверхностях 58, или, если это задается технологически, лучеотражающие поверхности 59 на поле могут занимать угловое положение, при котором отраженные солнечные лучи уходят вертикально, в космическое пространство, унося в него часть своей тепловой энергии.

Сооружениями (Фиг.2) представлены хорошо теплоизолированные теплоаккумуляторы 60, куда горячий текучий теплоноситель передает свою тепловую энергию. Как показано на Фиг.2, над кровлей теплоаккумуляторов (их может быть несколько на каждой территории ГАБ ТЭС) установлено поле горизонтальных гелиотеплопреобразователей 61, в которых энергия прямой солнечной радиации преобразуется в тепловую энергию текучего теплоносителя.

В выше представленном изложении даны в необходимой полноте описание известных конструкций ГАБ ТЭС, разработанные в вышеуказанных патентах, а также с исчерпывающей полнотой - конструктивные изменения в технологическом центре ГАБ ТЭС, связанные с применением в разгонной шахте вихревых камер и ветронаправляющих поверхностей вокруг воздухоотводящего канала. Применение последних в ГАБ ТЭС создает возможность для перспективного снижения удельной себестоимости ГАБ ТЭС, так как высокоскоростное вращательное движение центрального энергетического воздухопотока создается с минимальным применением специализированных профилей, радиально расположенных в энергопреобразующих модулях (в других вариантах ГАБ ТЭС).

Реализация предложенной формулы изобретения в настоящем предлагаемом изобретении позволяет повысить скорость ветротурбины и мощность ГАБ ТЭС при одновременном снижении затрат на их изготовление и строительство. Этим повышается конкурентоспособность ГАБ ТЭС относительно теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), атомной электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), ветроэлектроагрегатов и других видов гелиостанций.

Изобретение относится к солнечным теплоэлектростанциям. Теплоэлектростанция с ветронаправляющими поверхностями содержит ветротурбину с электрогенератором, управляемый воздухоотводящий канал над ветротурбиной, канал преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока, теплоаккумулятор, лученаправляющие поверхности и цилиндрообразный заборный канал. Ветротурбина приводится во вращение центральным воздухопотоком. Управляемый воздухоотводящий канал выполнен в виде тяговой трубы и управляемой надстройки к ней большей высоты. Ветронаправляющие поверхности включают в себя вертикальные гелиопоглощающие поверхности. Канал преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока включает энергопреобразующие модули со встроенными теплопередающими элементами и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами. Заборный канал снабжен ветронаправляющими поверхностями и связан с каналом преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока посредством направляющих проемов. Энергопреобразующие модули расположены вертикально друг над другом и имеют общую центральную ось симметрии совместно с ветротурбиной, воздухоотводящим и заборным каналами и центральным воздухопотоком. В качестве энергопреобразующих модулей применены вихревые камеры. Управляемая надстройка к тяговой трубе снабжена дополнительными энергопреобразующими модулями. Техническим результатом является увеличение надежности и КПД, а также снижение уровня шума. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплоэлектростанция с ветронаправляющими поверхностями, содержащая ветротурбину с присоединенным к ней, по меньшей мере, одним электрогенератором, которая приводится во вращение центральным воздухопотоком, управляемый воздухоотводящий канал, расположенный над ветротурбиной и выполненный в виде тяговой трубы и управляемой надстройки к ней большей высоты, канал преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока и теплоаккумулятор, отличающаяся тем, что включает лученаправляющие поверхности, при этом ветронаправляющие поверхности включают в себя вертикальные гелиопоглощающие поверхности, а канал преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока включает, по меньшей мере, три энергопреобразующих модуля со встроенными теплопередающими элементами, подключенными к одному или нескольким внешним источникам текучего горячего теплоносителя, и воздухонаправляющими аэродинамическими элементами, посредством которых центральный воздухопоток приобретает вращательно-поступательную траекторию движения, также теплоэлектростанция включает цилиндрообразный заборный канал, снабженный ветронаправляющими поверхностями, который связан с каналом преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока посредством направляющих проемов, причем указанные энергопреобразующие модули расположены вертикально друг над другом и имеют общую центральную ось симметрии совместно с ветротурбиной, воздухоотводящим и заборным каналами и центральным воздухопотоком, в канале преобразования и наращивания мощности центрального воздухопотока, который выполнен в виде предтурбинной разгонной шахты, в качестве энергопреобразующих модулей применены вихревые камеры, размещенные друг над другом симметрично вдоль центральной оси в виде цилиндрических и/или конических замкнутых воздухонаполненных полостей, снабженных нижними и верхними основаниями, торцевыми и/или боковыми тангенциальными вводами воздухопотоков, поступающих из нагреваемой среды как воздушный теплоноситель с помощью напорных вентиляторов и из заборного канала под напором естественного ветра, и вертикальными цилиндрическими воздухоотводами, установленными с применением проходных отверстий в их верхних основаниях, симметрично охватывающих центральную ось, причем вихревые камеры соединены между собой последовательно относительно формируемого ими центрального воздухопотока таким образом, что перед входом в ветротурбину создан вертикальный, расширяющийся по высоте, кольцеобразный в поперечном сечении столб нагретого воздухопотока с вращательно-поступательной траекторией движения, в приосевой области которого образована воздушная среда пониженного давления, где происходит продвижение вниз охлажденного воздухопотока - хладопотока до уровня нижнего основания - днища нижней вихревой камеры и за пределы его к расположенному в машинном зале устройству утилизации энергии движущегося хладопотока, для которого создано проходное отверстие из тяговой трубы, выполненное в приосевой области ветротурбины с применением полого вала, к которому присоединены установленные по бокам электрогенераторы посредством повышающих кинематических передач, при этом тяговая труба снабжена приспособлениями для закрепления при техническом обслуживании вспомогательных технических средств, с помощью которых производится установка и снятие ветротурбины и электрогенераторов относительно их рабочего места, а управляемая надстройка к тяговой трубе снабжена первым дополнительным энергопреобразующим модулем, включающем размещенные вдоль ее периферийной цилиндрической поверхности преимущественно вертикальные, боковые воздухозавихряющие профили с воздуховыпускными проемами, направленными под углом к ее внутренней поверхности с ориентацией выходящего воздуха в сторону вращения отводимого вверх от ветротурбины воздухопотока, причем данный энергопреобразующий модуль подключен посредством кольцевого коллектора, охватывающего ее наружную поверхность, к источнику нагретого воздушного теплоносителя, при этом ее приосевая область пониженного давления преимущественно охвачена воздухопроводом, по которому холодный воздух опускается вниз, с полем радиальных отверстий в нем, соединяющих последнюю с внутренней средой вращающегося вокруг нее и поднимающегося вверх нагретого воздухопотока, при этом наружная поверхность управляемой надстройки состыкована с радиальными и наклонными относительно горизонтальной плоскости участками ветронаправляющих поверхностей и снабжена у ее выходного торца ветрозавихряющими жалюзи, которые размещены посредством боковой поверхности ее торцевого окончания, выполненного в виде конусообразной воздухоотводящей части, причем последняя оснащена управляемым защитным экраном от атмосферных осадков, при этом во внутренней полости управляемой надстройки установлен второй дополнительный энергопреобразующий модуль, в котором применены радиально расположенные воздухозавихряющие профили с воздуховыпускными проемами, подключенные посредством кольцевого коллектора к одному из источников нагретого воздушного теплоносителя.

2. Теплоэлектростанция с управляемым воздухоотводящим каналом по п.1, отличающаяся тем, что в нижней части внутренней полости управляемой надстройки к тяговой трубе в поперечном сечении движущегося вверх вращательно-поступательного нагретого воздухопотока размещен плоский кольцевой электротермический преобразователь с воздушными проемами между его радиально расположенными электрическими проводниками, причем названный электротермический преобразователь электрически подключен к источнику импульсного напряжения с временными промежутками между смежными импульсами, при этом наружная поверхность воздухоотводящего канала снабжена утеплителем.