ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2169859
ПЕРСОНАЛЬНАЯ ВИХРЕВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Имя изобретателя: Соловьев Александр Алексеевич; Павловский Константин Петрович
Имя патентообладателя: Соловьев Александр Алексеевич; Павловский Константин Петрович
Адрес для переписки: 107589, Москва, ул. Хабаровская, 22, корп.2, кв.180, А.А.Соловьеву
Дата начала действия патента: 1999.04.02
Установка предназначена для получения энергии из воздушных потоков. Установка
содержит многоярусные солнечные коллекторы парникового типа с боковыми (тангенциальными)
завихрителями-направляющими и вертикальную выходную трубу с электрическим
генератором. Изобретение обеспечивает повышение производительности при
преобразовании солнечной энергии в энергию вихревых воздушных масс.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к установкам для получения механической или
электрической энергии из потоков воздуха, в частности к установкам с искусственным
источником вихревого течения, формирующегося под воздействием тепловой составляющей
солнечной радиации. С помощью данных установок можно производить электрическую
энергию в районах с солнечным излучением, в которых отсутствует возможность
персонального энергообеспечения в бытовых целях традиционными способами (дизельные
электростанции, малые гидроэлектростанции, ветроэнергетика, фотоэлектричество и т.п.).
Известна установка для получения электроэнергии из конвективных потоков
воздуха, выполненная в виде наземного солнечного коллектора с вертикальной трубой и
турбиной для преобразования кинетической энергии восходящего потока в электрическую
энергию [1]. Коллектор с трубой предназначен для концентрирования парниковых потоков
воздуха, собираемых с большой площади. Поток, формируемый при нагреве солнцем воздуха
внутри коллектора, создается за счет горизонтальной разности температур внутри и вне
коллектора. Воздушные массы благодаря вертикальному градиенту давления перемещаются
в направлении трубы, стоящей в центре коллектора. На пути движущейся массы воздуха в
трубе устанавливается турбина, ротор которой при взаимодействии с потоком приходит во
вращение в магнитном поле статора, благодаря чему в обмотках якоря создается
электрическое напряжение. Таким образом, с помощью данной установки осуществляется
преобразование солнечной энергии в энергию потока и затем в электрическую энергию.
Недостатком данной установки является относительно крупные размеры и, следовательно,
большие занимаемые площади. Для получения интенсивных свободно-конвективных течений,
которые способны создать скорости, устойчиво вращающие турбину с производительностью
20 Вт с 1 м, необходимо аккумулировать солнечную энергию в среднем с площади не менее 200 м2.
В такой установке, по сравнению с ветровыми электростанциями, не удается достичь
существенного повышения КПД преобразования солнечной энергии в энергию
гидромеханического движения и в электричество. Рост значений КПД может быть получен за
счет нарастания перепада температур между солнечным коллектором и окружающей
атмосферой, при увеличении высоты трубы или расширении площади, занятой коллектором,
что технически трудно достижимо для наиболее мощных энергоустановок.
Наиболее близкой к предлагаемой является установка для получения электрической
энергии из вращающихся конвективных течений, содержащая наземный солнечный коллектор
с тангенциальными направляющими по его периферии, выходную трубу, установленную в его
центре, и турбину для преобразования кинетической энергии потока в электрическую
энергию [2]. За счет разности температур, которая создается при нагреве воздуха в
коллекторе солнечным излучением, формируется градиент давления, направляющий в
коллектор массы воздуха, находящиеся в окружающей коллектор среде. Воздух, который
входит в коллектор, а затем в выходную трубу с помощью тангенциальных направляющих,
приобретает угловой момент. Энергия вращающегося потока, сформированного под
действием солнечной радиации, далее преобразуется в электрическую.
Недостатком данной установки, несмотря на создание вращения, дополнительного к
прямоточному потоку, является низкая эффективность преобразования солнечной энергии
в механическую энергию, что обусловлено следующими причинами. Выходная труба содержит
ряд препятствий, создающих гидродинамическое сопротивление восходящему потоку
воздуха, таких как осушители воздуха, форсунки для сжигания топлива, нижние
вентиляторы. Поток в выходной трубе является вращающимся, но не вихревым. Для такого
течения не выполняется условие rot 
( - скорость), и его скорость
близка к скорости прямоточных свободно-конвективных течений. Эффективность
преобразования солнечной энергии в механическую для вращающегося безвихревого потока,
в котором только перераспределяется удельный вес составляющих скорости, остается
такой же, что и в случае прямоточного потока.
Задачей изобретения является повышение энергоотдачи процесса преобразования
солнечной энергии в кинетическую энергию воздушного потока. Технический результат
достигается тем, что установка для преобразования солнечной энергии в механическую
или электрическую энергию, содержащая пропускающий солнечное излучение наземный
коллектор с тангенциальными направляющими, соединенный с вертикальной выходной
трубой, и ветровое колесо, связанное с ротором турбины электрического генератора,
снабжена дополнительным солнечным коллектором верхнего яруса меньшей площади с
установленными на его периферии тангенциальными направляющими.
|
|
|
|
|
|
Положительный эффект возникает, во-первых, за счет создания добавочного углового
момента воздушных масс, поступающих в выходную трубу, и, во-вторых, вследствие
формирования в наземном солнечном коллекторе зоны горизонтального сдвига температуры
и скорости. На границе области резких изменений скорости происходит развитие
гидродинамических неустойчивостей, которые являются источником вихревого движения
вращающегося в выходной трубе потока. Концентрируемое в выходной трубе вихревое
течение обладает всеми признаками природного смерча. Радиальный профиль скорости
характеризуется вторым дополнительным максимумом (фиг. 1) на периферии вблизи стенки
выходной трубы. В кольцевой зоне микросмерча образуется система вторичных вихревых
нитей высокой интенсивности (фиг. 2). Скорость воздушного потока через турбину
усиливается пропорционально числу, угловой скорости и размерам вторичных вихрей.
На фиг. 3 приведена схема персональной вихревой энергетической установки. Она содержит
соосные солнечные коллекторы нижнего (наземный) 1 и верхнего (дополнительный) 2 яруса,
выходную трубу 3, установленную в центре верхнего коллектора, тангенциальные
направляющие коллекторов 4, ветровое колесо 5, электрический генератор 6. Верхние
поверхности коллекторов 9 пропускают солнечную радиацию 7, а нижние 8 непрозрачны для
прохождения солнечного излучения.
|
Установка работает следующим образом. Под действием солнечного излучения температура
воздуха в коллекторах из-за парникового эффекта превышает температуру окружающей
среды. Горизонтальная разность температур создает уменьшающийся внутрь перепад
давления, благодаря которому наружный воздух через наземный и дополнительный
коллекторы перемещается к выходной трубе. Воздушные массы, прошедшие тангенциальные
направляющие дополнительного коллектора, поступая в выходную трубу, увеличивают
созданный потоком через наземный коллектор угловой момент и усиливают общий расход и
скорость воздуха в выходной трубе. В наземном коллекторе его центральная часть
перекрыта для прохождения инфракрасной составляющей солнечного излучения. Поэтому в
нем образуется область горизонтальной температурной неоднородности, которая является
еще одним источником роста скорости течения в выходной трубе. При переходе от
центральной затемненной и потому более холодной зоны к освещаемой теплой кольцевой
области формируется слой скачка температуры. Спирально двигающиеся в коллекторе
воздушные массы, попадая в зону скачка, приобретают сдвиг скорости, на котором из-за
гидродинамической неустойчивости формируются вторичные вихри. Они совершают
переносное вращение вокруг оси коллектора и благодаря вертикальному градиенту
давления и эффекту плавучести затягиваются внутрь трубы. В трубе формируется
микросмерч, представляющий собой квазитвердое центральное вращение и периферийное
вихревое течение в кольце вблизи стенок выходной трубы. Кольцевое вихревое течение,
состоящее из системы интенсивных вторичных вихрей при их взаимодействии с ветровым
колесом, усиливает его вращение, которое передается на ротор турбины генератора
электрического тока.
Допускается исполнение установки в малом масштабе для персонального использования с
применением системы сборно-разборных конструкций. Конструкция солнечного коллектора
может, например, иметь вид круговых сегментов, стыкующихся друг с другом. Установка
персонального пользования в собранном виде помещается в обычный переносной
чемоданчик.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Шекриладзе И.Г. Солнечный ветер. - М.: Энергия, 1988, N 6, c. 12, 13.
2. GB 2081390 A, кл. F 03 G 7/04, 17. 02. 1982.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Персональная вихревая энергетическая установка, содержащая наземный
солнечный коллектор с тангенциальными направляющими, размещенными по периферии
коллектора, выходную трубу, установленную вертикально в центре коллектора, и турбину
для преобразования кинетической энергии потока в механическую или электрическую
энергию, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным, имеющим меньшие
поперечные размеры, солнечным коллектором верхнего яруса с тангенциальными
направляющими по периферии коллектора, соединенным соосно с выходной трубой и
наземным коллектором.
Версия для печати
Дата публикации 13.02.2007гг
вверх
|
