СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ELECTRIC ENERGY OBTAINING METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к области энергетики.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявляемому способу по п.1 формулы и устройству по п.2 формулы, является техническое решение, изложенное в изобретении [RU 2088859 С1 от 27.08.1997 г.]. Существо способа заключается в следующем. Атмосферный воздух поступает в накопитель-радиатор нагрева воздушных масс, где осуществляется их нагрев с помощью теплового солнечного коллектора на основе панелей с высокой поглощающей способностью тепла Солнца, установленных на верхней внешней стороне накопителя-радиатора нагрева воздушных масс. Накопитель-радиатор нагрева воздушных масс представляет собой короб. Горячий воздух самотеком, за счет разности его плотностей на верхнем и нижнем уровнях, из накопителя-радиатора нагрева воздушных масс поступает в изолированный воздуховод протяженностью 400-800 м, с примерно таким же перепадом по высоте. Воздушные массы разгоняются в воздуховоде. Чем больше разность высоты верхнего и нижнего уровней, тем больше разность плотностей воздуха, больше скорость потока воздушных масс и больше мощность установки. На выходе воздуховода воздушные массы поступают в турбогенератор, который вырабатывает электрический ток. Электроэнергия, вырабатываемая турбогенератором, поступает в электрическую сеть. Часть вырабатываемой электроэнергии используется для привода водяного насоса. Насос с электродвигателем размещен на нижнем уровне, у моря или водохранилища. Насос забирает воду из моря или водохранилища и направляет ее в верхнее водохранилище, где она накапливается и происходит аккумулирование потенциальной энергии. В вечернее и ночное время суток, при облачности, когда мощность воздушного потока существенно ослабевает, вода из верхнего водохранилища направляется по водоводу в гидротурбину, приводящую в действие генератор электрического тока. В данном случае главным преимуществом такого технического решения является продолжительная работа в течение суток, экологическая чистота, меньшая зависимость от времени солнцестояния.
Недостатками этого способа являются:
- необходимость привязки к определенному береговому ландшафту, необходимость расположения системы у источников воды для аккумуляции воды в верхнем водохранилище;
- необходимость в достаточно сложных береговых капитальных гидротехнических коммуникациях, таких как водонапорные башни, водозаборные и насосные электромеханические системы, которые должны строиться специально для получения потенциальной гравитационной энергии и которые в наибольшей степени могут подвергаться разрушительному воздействию землетрясений и штормов;
- ограниченные принципиальные возможности по наращиванию потенциальной энергии и мощностей;
- существенные материально-технические сложности по наращиванию мощностей;
- мощность гидротурбины падает с уменьшением массы воды в верхнем водохранилище;
- часть потенциальной энергии и мощности тратится на аккумуляцию воды в верхнем водохранилище;
- вследствие возрастания нагрузки на ветротурбину при трансформации кинетической энергии воздушных масс в электроэнергию, возрастает сопротивление движению воздушных масс в воздуховоде и уменьшается эффективность трансформации потенциальной тепловой энергии в электроэнергию;
- общая эффективность системы в целом значительно уменьшается, так как коэффициент полезного действия (КПД) любой трансформации энергии меньше единицы, а суммарный коэффициент полезного действия данной системы является произведением КПД трансформации тепловой энергии в кинетическую энергию движения воздушных масс, КПД трансформации кинетической энергии движения воздушных масс в электроэнергию, КПД трансформации электроэнергии в энергию аккумуляции потенциальной энергии воды и КПД трансформации потенциальной энергии воды в электроэнергию;
- не обеспечивается самоподдержание процесса за счет искусственного создания условий для возникновения положительных обратных связей. Процесс завершается при завершении воды в верхнем водохранилище. Обеспечивается только увеличение продолжительности процесса трансформации энергии за счет снижения мощности и снижения КПД системы;
- недостаточно полно используется потенциальная тепловая и световая солнечная энергия для создания дополнительных разностей энергетических потенциалов в воздуховоде и создания положительных обратных связей для самоподдержания устойчивого процесса трансформации энергии при небольших разностях энергопотенциалов в воздуховоде.
Целью изобретения является решение задачи на осуществление возможности экологически чистого получения электроэнергии в условиях комплексного и системного сочетания солнечной световой и тепловой энергии и сил, связанных с перепадом температуры и давления воздуха в зависимости от высоты, более полное и эффективное использование солнечной потенциальной энергии и кинетической энергии перемещения воздушных масс для получения электроэнергии, повышения ее мощности и создания условий для обеспечения устойчивости процесса энерготрансформаций в условиях малых напряженностей силового поля в воздуховоде.
Поставленная цель достигается тем, что известный способ получения электроэнергии на основе трансформации кинетической энергии движения воздушных масс в электроэнергию, заключающийся в том, что осуществляется забор воздушных масс из внешней среды, повышение потенциальной энергии воздушных масс путем энергетической накачки их с использованием внешней энергии, воздушные массы аккумулируются и нагреваются в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс, нагретые воздушные массы поступают в изолированный воздуховод для перемещения воздушных масс с напряженностью силового поля в нем, напряженность силового поля в воздуховоде создается и повышается искусственно путем преобразования солнечной энергии в разность температуры в воздуховоде, а также осуществлением образования разности давлений и температуры воздушных масс на противоположных концах воздуховода за счет перепада высот воздуховода, воздушные массы перемещаются с ускорением в изолированном воздуховоде, на выходе которого воздушные массы вращают турбогенератор для получения электроэнергии, отличается тем, что в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс воздушные массы нагреваются также с помощью нагревательных элементов, внешнюю сторону воздуховода изготавливают из блока солнечных фотоэлектрических батарей, а воздушные массы охлаждают в радиаторе охлаждения воздушных масс на выходе из воздуховода.
Предлагаемый способ получения энергии состоит в следующем. Воздушные массы поступают в накопитель-радиатор нагрева воздушных масс, где осуществляется их нагрев солнечным теплом, а также специальными нагревательными элементами, питающимися также и энергией солнечных батарей. Изолированный канал перемещения - воздуховод строится таким образом, чтобы существовал перепад по высоте и вследствие этого создавался перепад давления и температуры воздуха на противоположных концах воздуховода. Внешняя сторона воздуховода является солнечной фотоэлектрической батареей (также возможно использование фотоэлектрических батарей с направляющими концентрирующими солнечными рефлекторами), энергия которой используется для создания дополнительной разности температур воздушных масс в воздуховоде. Вследствие разности температур и давлений воздуха в воздуховоде создается тяга воздуха. На выходе воздуховода кинетическая энергия воздушных масс преобразуется в ветротурбине в электроэнергию. Трансформация кинетической энергии воздушных масс в электрическую, осуществляется турбогенератором, находящимся в конце воздуховода, где кинетическая энергия воздушных масс максимальная, а турбогенератор не создает дополнительных сопротивлений потоку воздушных масс в воздуховоде. Напряженность силового поля в воздуховоде создается, на основе использования тепловой солнечной энергии и энергии гравитации Земли. Одновременно с аккумуляцией воздушных масс осуществляется повышение их потенциальной энергии на основе искусственно создаваемой разности температур и давления воздуха внутри и вне воздуховода, то есть исходно за счет трансформации солнечной энергии и использования силы гравитации Земли. Также используется естественный перепад температуры и давления воздуха по высоте, поэтому воздуховод строится по земле, с возрастанием высоты, на склонах гор. При этом весьма важно, что кинетическая энергия воздушных масс преобразуется турбогенератором в электроэнергию именно на выходе воздуховода, с тем, чтобы кинетическая энергия воздушных масс была максимальной, а турбогенератор не создавал дополнительных сопротивлений в воздуховоде, с чем связаны потери мощности и эффективности трансформации потенциальной энергии в электрическую энергию. Для повышения потенциальной энергии воздушных масс используется искусственно создаваемая разность температур в воздуховоде, по отношению к температуре внешнего окружающего воздуха за счет солнечной энергии с применением нагревательных элементов, которые находятся в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс. Накопитель-радиатор нагрева воздушных масс нагревается солнечной энергией, а также специальным теплоносителем, который подводится к накопителю-радиатору нагрева воздушных масс извне. Теплоноситель может также нагреваться солнечной энергией в тепловом солнечном коллекторе, а может нагреваться и за счет других источников тепла и энергии. Аккумуляция воздушных масс в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс осуществляется за счет естественного возникновения «тяги». Нагреваемые воздушные массы в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс изменяют свою «плотность» и, следовательно, изменяется «разность давлений» (внешнего и внутри накопителя-радиатора нагрева воздушных масс) на выходе накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, в котором аккумулируется и нагревается воздух, который далее поступает, вследствие исходной «тяги», в воздуховод. Плотность теплого воздуха меньше плотности холодного и, значит, весит он меньше холодного и, вследствие этого, на входе накопителя-радиатора нагрева воздушных масс будет возникать дисбаланс сил, который будет возрастать тем больше, чем больше теплый воздух будет заполнять возрастающий по высоте воздуховод. Этот физический механизм соответствует механизму устранения разницы давления воды в сообщающихся сосудах. В ходе «процесса» подъема теплого воздуха по воздуховоду возникает положительная обратная связь: дисбаланс сил возрастает, а соответственно возрастает и тяга. А возрастание тяги способствует ускорению движения теплого воздуха в воздуховоде и «засасыванию» воздуха в накопитель-радиатор нагрева воздушных масс. В этом процессе воздух движется в соответствии с вектором тяги, который направлен к воздуховоду и далее вверх по воздуховоду. Исходя из этого, для поддержания и развития этого процесса, необходимо обеспечивать минимальное сопротивление потоку воздушных масс в воздуховоде, а также обеспечить минимизацию остывания воздуха при подъеме его на высоту по воздуховоду. Эти требования являются условием оптимизации перехода исходной потенциальной энергии нагретых воздушных масс в кинетическую энергию воздушных масс на выходе воздуховода. Чем выше высота воздуховода и больше разница температуры в нем по отношению к температуре внешнего воздуха, тем больше «тяга». «Тяга» может быть подсчитана по следующей формуле (исходя из барометрической формулы):
ΔР=Cah(1/T0-1/Ti), где (в единицах СИ):
ΔР - разница давлений, в Па;
С=0,0342;
а - атмосферное давление, в Па;
h - высота воздуховода, в м;
Т0 - абсолютная внешняя температура, в К;
Ti - абсолютная внутренняя температура, в К.
Для оптимизации параметров процесса трансформации потенциальной энергии в электрическую, в стационарном режиме, необходимо осуществлять согласование габаритов и параметров накопителя-радиатора нагрева воздушных масс (в котором циркулирует «теплоноситель» накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, нагреваемый энергией Солнца, а также специальными нагревательными элементами, питающимися и от энергии солнечных батарей) с габаритами и параметрами воздуховода. Такое согласование необходимо для обеспечения баланса приходящих и уходящих воздушных масс и обеспечения необходимого времени для нагрева воздушных масс в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс до требуемой температуры. Таким образом, в накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс осуществляется накопление (аккумуляция) воздушной массы и там же осуществляется нагрев воздушной массы (а соответственно также и аккумуляция тепла воздушных масс, то есть повышение потенциальной энергии воздушных масс). Воздушные массы нагреваются и непосредственно солнечным теплом и теплом теплоносителя (которым может быть текучее вещество, хорошо аккумулирующее тепловую энергию, и который нагревается в тепловом коллекторе). Тепловой коллектор имеет возможность нагревать теплоноситель не только на основе прямых солнечных лучей, но и от нагревательных элементов, питающихся и энергией солнечных фотоэлектрических батарей, и других источников тепла или энергии. Такое решение позволяет сделать получение процесса энерготрансформаций менее зависимым от погодных условий, а также дает возможность получать электроэнергию в темное время суток (также и за счет аккумулированной солнечной энергии). В процессе движения теплого воздуха по воздуховоду, осуществляется его естественное остывание, и на определенной высоте температура воздушных масс в воздуховоде и вне него становится примерно равной. В этом случае, можно дополнительно использовать искусственно создаваемый дисбаланс сил также за счет силы гравитации Земли. Для этого воздуховод и, соответственно, воздушные массы направляют вниз с уменьшением высоты. Воздушные массы принудительно охлаждаются с помощью радиатора охлаждения воздуха, в котором циркулирует охладитель, поступающий из конвертора-охладителя. При охлаждении воздушные массы уплотняются, становятся более тяжелыми относительно разреженного воздуха окружающей среды. Холодные массы воздуха, вследствие изменения направления воздуховода, направляются вниз, куда они устремляются под действием накопленной кинетической энергии и дисбаланса сил за счет силы гравитации Земли. За собой, за счет сжатия, охлажденная воздушная масса создает разрежение давления, куда устремляется следом идущий по воздуховоду восходящий поток воздушных масс. Этот механизм позволяет организовать самоподдерживающийся процесс в условиях даже малых разностей энергетических потенциалов (например, за счет естественного перепада давления и температуры по высоте). Турбогенератор стоит на выходе воздуховода, в максимальной степени используя кинетическую энергию воздушных масс и не создавая сопротивления ускорению воздушных масс в воздуховоде.
Для реализации способа получения электроэнергии предлагается устройство, которое отличается от устройства, используемого в прототипе [RU 2088859 С1 от 27.08.1997 г.]. Устройство прототипа не обеспечивает самоподдержание процесса за счет искусственного создания условий для возникновения положительных обратных связей. Процесс завершается при завершении воды в верхнем водохранилище. Обеспечивается только увеличение продолжительности процесса трансформации энергии за счет снижения мощности и снижения КПД получения электроэнергии. Также недостаточно полно используется потенциальная тепловая и световая солнечная энергия для создания дополнительных разностей энергетических потенциалов в воздуховоде и создания положительных обратных связей для самоподдержания устойчивого процесса трансформации энергии при небольших разностях энергопотенциалов в воздуховоде.
С целью реализации предлагаемого способа получения электроэнергии и устранения вышеуказанных недостатков предлагается устройство, содержащее накопитель-радиатор нагрева воздушных масс, воздуховод и турбогенератор электрического тока, отличающееся тем, что накопитель-радиатор нагрева воздушных масс содержит нагревательные элементы, а устройство дополнительно содержит первый тепловой солнечный коллектор, радиатор охлаждения воздушных масс, блок солнечных фотоэлектрических батарей, аккумулятор электроэнергии, электроконвертор, блок управления, второй тепловой солнечный коллектор, конвертор-охладитель воздушных масс, при этом выход первого теплового солнечного коллектора соединен с первым входом накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, выход которого соединен с первым входом воздуховода, воздуховод образован блоком солнечных фотоэлектрических батарей, выход которого соединен с первым входом аккумулятора электроэнергии, выход которого соединен с первым входом электроконвертора, а выход воздуховода соединен с первым входом радиатора охлаждения воздушных масс, выход которого соединен с первым входом турбогенератора, первый выход которого является первым выходом устройства, а второй вход турбогенератора соединен с выходом блока управления, выход которого также соединен с входом первого теплового солнечного коллектора, вторым входом накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, вторым входом воздуховода, входом блока солнечных фотоэлектрических батарей, вторым входом аккумулятора электроэнергии, вторым входом второго теплового солнечного коллектора, вторым входом конвертора-охладителя воздушных масс, вторым входом радиатора охлаждения воздушных масс, вторым входом электроконвертора, первый выход которого соединен с третьим входом накопителя-радиатора нагрева воздушных масс, первым входом второго теплового солнечного коллектора, третьим входом радиатора охлаждения воздушных масс, четвертый вход которого соединен с выходом конвертора-охладителя воздушных масс, первый вход которого соединен с выходом второго теплового солнечного коллектора, а второй выход электроконвертора является вторым выходом устройства, третьим выходом устройства является второй выход турбогенератора, а входом устройства является четвертый вход накопителя-радиатора нагрева воздушных масс.
Устройство реализации способа получения электроэнергии содержит: накопитель-радиатор нагрева воздушных масс 1, воздуховод 2, турбогенератор электрического тока 3, нагревательные элементы 4, первый 5 тепловой солнечный коллектор, радиатор охлаждения воздушных масс 6, блок солнечных фотоэлектрических батарей 7, аккумулятор электроэнергии 8, электроконвертор 9, блок управления 10, второй 11 тепловой солнечный коллектор, конвертор-охладитель воздушных масс 12.
Устройство работает следующим образом. Воздуховод 2 предполагается располагать на склоне гор, где с изменением высоты также происходит изменение температуры и давления воздуха. В воздуховоде 2 воздушные массы будут перемещаться из области более теплой и более высокого давления, в область более низкой температуры и низкого давления и таким образом будет возникать тяга, пропорциональная разности температур и давлений на концах воздуховода 2. Воздушные массы самотеком поступают в накопитель-радиатор нагрева воздушных масс 1. В накопителе-радиаторе нагрева воздушных масс 1 воздушные массы нагреваются теплом нагревательных элементов 4 и теплоносителем первого 5 теплового солнечного коллектора. В первом 5 тепловом солнечном коллекторе осуществляется нагрев теплоносителя, который поступает в накопитель-радиатор нагрева воздушных масс 1. Нагретые воздушные массы, также самотеком, из накопителя-радиатора нагрева воздушных масс 1, поступают в воздуховод 2. В воздуховоде 2 потенциальная тепловая энергия воздушных масс трансформируется в кинетическую энергию воздушных масс за счет возникающей тяги. В процессе движения теплого воздуха по воздуховоду, осуществляется его естественное остывание, и на определенной высоте температура воздуха в воздуховоде и вне него становится примерно равной и ускорение воздушных масс в воздуховоде 3 завершается. В этом случае дополнительно используется искусственно создаваемый дисбаланс сил за счет силы гравитации Земли. Для этого воздушные массы охлаждаются в радиаторе охлаждения воздушных масс 6, в котором циркулирует охладитель, поступающий из конвертора-охладителя воздушных масс 12, который получает энергопитание от второго 11 теплового солнечного коллектора. При этом воздуховод 2 и, соответственно, поток воздушных масс направляется вниз, с уменьшением высоты. В воздуховоде 2 воздушные массы охлаждаются радиатором охлаждения воздушных масс 6. При охлаждении воздух уплотняется, становится более тяжелым относительно разреженного воздуха окружающей среды. Холодные воздушные массы, путем изменения направления воздуховода, направляют вниз, куда они устремляются под действием накопленной кинетической энергии и дисбаланса сил за счет силы гравитации Земли. За собой, за счет сжатия, охлажденная воздушная масса создает разрежение давления, куда устремляется следом идущий по воздуховоду восходящий поток воздуха. Кроме увеличения кинетической энергии воздушных масс, этот механизм также позволяет организовать самоподдерживающийся процесс в условиях даже малых разностей температурных потенциалов (например, за счет естественного перепада давления и температуры по высоте). В радиаторе охлаждения воздушных масс 6 циркулирует охладитель, поступающий из конвертора-охладителя воздушных масс 12. Энергопитание конвертор-охладитель воздушных масс 12 получает от второго 11 теплового солнечного коллектора. Внешняя сторона воздуховода 3 представляет собой блок солнечных фотоэлектрических батарей 7. Это позволяет, с одной стороны, осуществить температурную изоляцию воздуховода 2, а с другой стороны позволяет получать дополнительно электроэнергию и механически укрепляет воздуховод. Энергия блока солнечных фотоэлектрических батарей 7 используется также для управления и регулирования параметров процесса и устройства с помощью блока управления 10, который также предназначен для измерения и контроля основных параметров устройства и процесса. Электроэнергия с блока солнечных фотоэлектрических батарей 7 поступает на аккумулятор электроэнергии 8, а с него на электроконвертор 9. С выхода электроконвертора 9 электроэнергия поступает потребителям электроэнергии. На выходе воздуховода 2, и, соответственно, радиатора охлаждения воздушных масс 6, поток воздушных масс поступает в турбогенератор электрического тока 8. Кинетическая энергия воздушных масс преобразуется в электроэнергию и поступает, с выхода турбогенератора электрического тока 3 к потребителям. С первого выхода турбогенератора электрического тока 3 выходит отработанный воздух.