Способ преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию
METHOD FOR CONVERTING SOLAR THERMAL ENERGY AND MECHANICAL ENERGY OF AIR MOTION INTO ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к способам использования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха для получения электрической энергии с целью повышения эффективности преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию и может использоваться в воздушных электростанциях, способствуя повышению их мощности и экономичности.
В воздушных электростанциях преобразование тепловой энергии Солнца и кинетической энергии движущегося воздуха в электрическую энергию происходит за счет взаимодействия перемещаемого по спирали потока воздуха с ротором на вертикальной оси, соединенным с генератором, производящим электрическую энергию. При этом кинетическая энергия воздуха увеличивается за счет тепловой энергии нагрева воздуха солнечным излучением в специальной камере нагрева, механической энергии движущегося воздуха, определяемой величиной и направлением скорости ветра и частью энергии вращения атмосферы Земли, передаваемой посредством мощности массовой силы Кориолиса, создающей циркуляцию ускорения воздуха, при соответствующем направлении скорости его движения по отношению к вращению Земли [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 51-53, 64-65, 158-159], [Баутин С.П., Обухов А.Г. Математическое моделирование разрушительных атмосферных вихрей. - Новосибирск: Наука, 2012. - с. 47-49].
Для существенного увеличения мощности воздушной электростанции, ее экономичности путем повышения эффективности процесса преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в кинетическую энергию циркуляционного движения воздуха по спирали необходимо снизить диссипацию (рассеивание) кинетической энергии циркуляционного движения воздуха по спирали посредством действия на него массовой силы Кориолиса, создающей циркуляцию ускорения воздуха.
При этом необходимо исходить из принципа наименьшего действия Даламбера, в соответствии с которым минимальная диссипация (рассеивание) механической энергии имеет место в условиях однородного поля скоростей воздуха, т.е. при нулевой скорости сдвига, что соответствует условию постоянства расходной конвективной скорости воздуха, то есть отсутствию его конвективного ускорения [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 638].
Известен способ преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию, реализуемый в воздушной электростанции, содержащей камеру нагрева воздуха, образованную нижней плоской горизонтальной поверхностью и параллельной ей верхней светопроницаемой плоской горизонтальной поверхностью для нагревания находящегося в ней поступающего к торцу воздуха, и установленную в центре верхней горизонтальной поверхности камеры нагрева вертикальную вытяжную трубу, по оси которой расположен ротор, соединенный с генератором, предназначенным для производства электрической энергии, причем ротор связан механически с приводным двигателем, а приводной двигатель электрической цепью связан с источником питания (аккумулятором) солнечных батарей, расположенных по периметру верхней горизонтальной поверхности нагревательной камеры [Патент № DE 4104770А1 (ФРГ) Воздушная электростанция. Кл. F03D 9/00].
В начале дня источник питания (аккумулятор) солнечной батареи приводит во вращение приводной двигатель, когда еще ротор не может начать вращение в силу недостаточного нагрева воздуха от тепловой энергии солнечных лучей.
Таким образом, с помощью этого источника питания (аккумулятора) солнечной батареи приводной двигатель начинает вращать ротор и воздух, преодолевая сопротивление сил трения приходит в движение в камере нагрева и вертикальной вытяжной трубе. Полученная от источника питания солнечной батареи электрическая энергия эффективно используется для обеспечения начала устойчивого движения, преодоления сил трения перемещению воздуха и момента сопротивления вращению ротора и генератора, что способствует более быстрому нагреву воздуха в камере и соответственно более раннему производству электрической энергии, эффективному преобразованию тепловой энергии в электрическую.
Однако данный способ преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию, реализованный в вышеуказанной воздушной электростанции, не позволяет существенно повысить эффективность увеличения кинетической энергии циркуляционного движения по спирали в вытяжной трубе за счет энергии ветра, поступающего в тангенциальном направлении в вытяжную трубу, закручивая при этом дополнительно поток внутри вытяжной трубы по спирали.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию путем снижения диссипации (рассеивания) кинетической энергии воздуха при его циркуляционном движении по спирали в камере нагрева и, соответственно, увеличения энергии, передаваемой генератору для производства электрической энергии, является способ, реализуемый в воздушной башенной электростанции «Торнадо», содержащей камеру нагрева воздуха, образованную нижней плоской горизонтальной поверхностью и параллельной ей верхней светопроницаемой плоской горизонтальной поверхностью для нагревания находящегося в ней, поступающего к торцу воздуха, и установленную в центре верхней горизонтальной поверхности камеры нагрева вертикальную вытяжную трубу, по высоте которой шарнирно установлены продольные впускные клапаны, выполненные из светопрозрачных теплоизолирующих листов с внутренним светопоглощающим слоем. По оси вытяжной трубы расположен ротор, соединенный с генератором, предназначенным для производства электрической энергии, причем ротор связан механически с приводным двигателем, а приводной двигатель электрической цепью связан с источником питания (аккумулятором) солнечных батарей, расположенных по периметру верхней горизонтальной поверхности нагревательной камеры [Патент KZ 27341 А4 (Республика Казахстан). Башенная электростанция «Торнадо», опубл. 16.09.2013 г.].
Данный способ, реализованный в вышеуказанном устройстве, с учетом более быстрого нагрева воздуха, создания устойчивого циркуляционного движения по спирали в камере нагрева и вытяжной трубе позволяет дополнительно использовать энергию ветра для закручивания потока внутри вытяжной трубы, который по спирали движется вверх, ускоряясь, тем самым способствуя более эффективному преобразованию тепловой энергии Солнца, механической энергии движения воздуха в электрическую энергию, повышая мощность и экономичность воздушных электростанций.
r
Однако данный способ преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию, реализованный в вышеуказанной воздушной электростанции, не позволяет существенно повысить эффективность увеличения кинетической энергии циркуляционного движения воздуха по спирали в камере нагрева, поскольку в силу деформации сдвига воздуха при движении его по камере нагрева в направлении к вытяжной трубе из-за изменения конвективной скорости, то есть наличия конвективного ускорения воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе, происходит существенная диссипация (рассеивание) кинетической энергии циркуляционного движения воздуха. Это обусловлено тем, что в силу уменьшения площади поперечного сечения в камере нагрева и уменьшения плотности воздуха по мере его движения в направлении к вертикальной вытяжной трубе происходит увеличение конвективной скорости V, что обусловливает деформацию воздуха и возникновение конвективного ускорения в этом направлении, в результате чего существенно возрастает диссипация (рассеивание) механической энергии циркуляции воздуха. Указанное существенно уменьшает кинетическую энергию циркуляции воздуха, передаваемую им в вытяжной трубе генератору, для производства электрической энергии. Причем малые значения скорости циркуляции, т.е. небольшие значения чисел Рейнольдса, приводят к существенному влиянию сил вязкости на диссипацию (рассеивание) энергии [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 362-364].
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении максимального увеличения кинетической энергии воздуха при его циркуляционном движении по спирали в камере нагрева за счет уменьшения ее диссипации (рассеивания).
Этот способ позволяет за счет формирования рациональных кинематических параметров движения воздуха, то есть величины и направления его конвективной скорости, с учетом уменьшения плотности в результате нагрева добиться устранения деформации, т.е. скорости сдвига воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе, что способствует существенному снижению диссипации (рассеивания) кинетической энергии циркуляционного движения воздуха.
Обеспечение постоянной конвективной скорости движения нагретого воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе за счет геометрических параметров и физических свойств материала камеры нагрева и вытяжной трубы, то есть обеспечение однородности поля скоростей воздуха в направлении к вытяжной трубе, существенно снижает диссипацию (рассеивание) механической энергии циркуляционного движения воздуха [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 427-430, 634-638]. «… Механическая энергия вязкого газа не будет диссипироваться в тепло и при изотропном радиальном расширении газа, когда скорости сдвига равны нулю …» [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 638].
При этом следует иметь в виду, что в случае однородного поля скоростей, при котором конвективное ускорение равно нулю, деформация скорости в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе отсутствует, т.е. скорость деформации - скорость сдвига - равна нулю, что и обеспечивает вышеуказанное условие снижения диссипации механической энергии в тепло [Лойцянский Л.Д. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 49-53].
Таким образом, постоянство конвективной скорости воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе при его движении в камере нагрева способствует снижению диссипации (рассеивания) кинетической энергии циркуляции воздуха, движущегося по спирали, при прочих равных условиях, что обеспечивает более эффективное преобразование внутренней механической энергии воздуха в электрическую энергию.
Технический результат - повышение эффективности преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию путем снижения диссипации (рассеивания) кинетической энергии циркуляции воздуха в тепловую энергию.
Указанный результат достигается тем, что способ преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию включает в себя нагрев воздуха в камере нагрева, образованной нижней плоской горизонтальной поверхностью и верхней светопроницаемой поверхностью, и перемещение по камере нагрева воздуха, поступающего с ее торца через входные спиралевидные лопатки в направлении к установленной в центре камеры нагрева на ее светопроницаемой поверхности вертикальной вытяжной трубе с впускными клапанами с созданием устойчивого вращательного движения воздуха по спирали за счет перепада давления, обусловленного снижением плотности нагретого воздуха, и циркуляционного движения в камере нагрева вследствие действия кориолисовой силы, создающей циркуляцию ускорения, дополнительного подкручивания движущегося по спирали вверх в вытяжной трубе воздуха за счет энергии ветра, поступающего через впускные клапаны холодного воздуха, и тем самым обеспечение вращения ротора, соединенного одним валом с генератором, вырабатывающим электрический ток, и электрическим приводом, соединенным с источником питания солнечных батарей, расположенных по периметру верхней светопроницаемой поверхности, согласно изобретению воздух, поступающий с торца камеры нагрева через входные спиралевидные лопатки в направлении к установленной в центре на ее светопроницаемой поверхности вертикальной вытяжной трубе, перемещают по камере нагрева с постоянной конвективной скоростью за счет обеспечения постоянной площади камеры нагрева в направлении от ее торца к вертикальной вытяжной трубе, равной площади торца камеры нагрева, и обеспечивают равенство коэффициента расширения материала камеры нагрева коэффициенту объемного расширения воздуха.
Указанный результат достигается за счет обеспечения постоянной конвективной скорости движения нагретого воздуха в направлении торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе за счет геометрических параметров и физических свойств материала камеры нагрева и вытяжной трубы, то есть обеспечения однородности поля скоростей воздуха в направлении к вытяжной трубе [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 427-430, 634-638]. «… Механическая энергия вязкого газа не будет диссипироватъся в тепло и при изотропном радиальном расширении газа, когда скорости сдвига равны нулю …» [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 638].
При этом следует иметь в виду, что в случае однородного поля скоростей, при котором конвективное ускорение равно нулю, деформация скорости в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе отсутствует, т.е. скорость деформации - скорость сдвига - равна нулю, что и обеспечивает вышеуказанное условие снижения диссипации механической энергии в тепло [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 49-53].
Таким образом, постоянство конвективной скорости воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе при его движении в камере нагрева способствует снижению диссипации (рассеивания) кинетической энергии циркуляции движущегося по спирали воздуха при прочих равных условиях, что обеспечивает более эффективное преобразование внутренней механической энергии воздуха в электрическую энергию.
На фиг. 1 изображена воздушная электростанция - продольный разрез, на фиг. 2 изображена воздушная электростанция - поперечный разрез.
Воздушная электростанция содержит камеру нагрева воздуха 1, образованную нижней плоской горизонтальной поверхностью 2 и верхней светопроницаемой поверхностью 3, формирующими по периметру цилиндрическую поверхность - торец 4, между верхней и нижней поверхностями камеры нагрева установлены входные спиральные лопатки 5 с тангенциальным входом в направлении по ходу часовой стрелки в случае Северного полушария и в противоположном - в Южном, а в центре светопроницаемой поверхности камеры нагрева установлена вертикальная вытяжная труба 6, по высоте которой шарнирно установлены продольные впускные клапаны 7, выполненные из светопрозрачных теплоизолирующих листов с внутренним светопоглощающим слоем. По оси вытяжной трубы 6 расположен ротор 8, соединенный с генератором 9, предназначенным для производства электрической энергии, причем ротор связан механически с электрическим приводом 10, который электрической цепью связан с источником питания (аккумулятором) солнечных батарей 11, расположенных по периметру светопроницаемой конической поверхности 3 нагревательной камеры 1.
Постоянство конвективной скорости воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе в камере нагрева в соответствии с законом сохранения массы и уравнения неразрывности для сжимаемого газа достигается за счет формирования соответствующих геометрических параметров и физических свойств материала камеры нагрева и вытяжной трубы [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 54-56]. Из уравнения неразрывности следует:
где:
i
h - текущее значение высоты камеры нагрева,
k
h - высота камеры нагрева в месте соприкосновения с вытяжной трубой,
i
r - текущее значение радиус-вектора траектории движения воздуха в камере нагрева,
ρ - плотность воздуха,
Q - массовый расход воздуха в камере нагрева,
T
d - диаметр вытяжной трубы.
Откуда следует, что постоянство скорости движения воздуха в направлении от торца камеры нагрева к вертикальной вытяжной трубе обеспечивается при условии:
где:
i
k
i
S, S, S - площади камеры нагрева в ее торце, текущем сечении, определяемом радиусом r, и в месте соприкосновения с вытяжной трубой соответственно,
r - радиус камеры нагрева в ее торце,
h - высота камеры нагрева в ее торце.
Таким образом, в соответствии с законом сохранения массы и уравнением неразрывности постоянство конвективной скорости воздуха в камере нагрева в направлении к вертикальной вытяжной трубе, то есть отсутствие конвективного ускорения в каждой точке траектории его движения в камере нагрева в каждый данный момент времени, обеспечивается за счет профилирования камеры нагрева и вытяжной трубы в соответствии с вышеуказанными формулами и их изготовления из материалов, имеющих коэффициент расширения, равный коэффициенту объемного расширения воздуха.
В процессе работы воздушной электростанции воздух в камере нагрева 1, образованной нижней плоской горизонтальной поверхностью 2 и верхней светопроницаемой поверхностью 3, нагревают за счет тепловой энергии солнечных лучей, проникающих через светопроницаемую поверхность 3. За счет перепада давления, обусловленного снижением плотности нагретого воздуха, создается устойчивое вращательное движение воздуха по спирали при перемещении его от торца 4 камеры нагрева 1 через входные спиральные лопатки 5 в направлении к установленной в центре камеры нагрева 1 на ее светопроницаемой поверхности 3 вертикальной вытяжной трубе 6.
t
r
Под действием кориолисовой силы воздух, движущийся в камере нагрева 1 от ее торца 4 к вертикальной вытяжной трубе 6, приобретает циркуляцию ускорения, что приводит к увеличению циркуляции скорости и, как результат, к увеличению энергии циркуляции воздуха при его движении по спирали за счет увеличения скорости V. За счет обеспечения геометрических параметров камеры нагрева 1 в соответствии с формулой (3) и обеспечения равенства коэффициента расширения материала камеры нагрева 1 коэффициенту объемного расширения воздуха движение воздуха в направлении от торца 4 камеры нагрева 1 к вертикальной вытяжной трубе 6 происходит с постоянной конвективной скоростью V.
r
Обеспечение постоянной конвективной скорости V движения нагретого воздуха от торца 4 камеры нагрева 1 в направлении к вертикальной вытяжной трубе 6 за счет постоянства площади камеры нагрева в направлении от ее торца 4 к вертикальной вытяжной трубе 6, то есть обеспечение однородности поля скоростей воздуха в направлении к вытяжной трубе 6, существенно снижает диссипацию (рассеивание) механической энергии циркуляционного движения воздуха по спирали [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 427-430, 634-638]. «… Механическая энергия вязкого газа не будет диссипироватъся в тепло и при изотропном радиальном расширении газа, когда скорости сдвига равны нулю …» [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 638].
При этом следует иметь в виду, что в случае однородного поля скоростей, при котором конвективное ускорение равно нулю, деформация скорости в направлении от торца камеры к вертикальной вытяжной трубе отсутствует, т.е. скорость деформации - скорость сдвига - равна нулю, что и обеспечивает вышеуказанное условие снижения диссипации механической энергии в тепло [Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1978. - с. 49-53].
Таким образом, постоянство конвективной скорости воздуха при его движении от торца 4 камеры нагрева 1 к вертикальной вытяжной трубе 6 способствует снижению диссипации (рассеивания) кинетической энергии циркуляции движущегося по спирали воздуха при прочих равных условиях, что обеспечивает более эффективное преобразование внутренней механической энергии воздуха в электрическую энергию.
Кроме того, это уменьшает трение покоя, то есть силы вязкого сопротивления началу движения воздуха по спирали, обусловленному циркуляцией ускорения воздуха при воздействии на него массовой силы Кориолиса в камере нагрева 1, а также обеспечивает постоянство сил вязкого трения при движении воздуха в направлении к вертикальной вытяжной трубе 6 за счет постоянного значения числа Рейнольдса, сохранения ламинарного течения в камере нагрева 1, также способствуя уменьшению диссипации механической энергии циркуляционного движения воздуха по спирали.
Под действием ветра продольные впускные клапаны 7 с наветренной стороны вертикальной вытяжной трубы 6 открываются и за счет кинетической энергии поступающего в тангенциальном направлении холодного воздуха происходит дополнительное закручивание движущегося по спирали вертикально вверх внутри трубы 6 воздуха, что увеличивает его кинетическую энергию циркуляционного движения.
Кинетическая энергия циркуляционного движения воздуха по спирали вверх по вертикальной вытяжной трубе 6 закручивает расположенный по оси вытяжной трубы 6 ротор 8, соединенный с генератором 9, который производит электрическую энергию. Электрический привод 10, связанный механически с ротором 8, обеспечивает электроэнергией источник питания солнечных батарей 11, что способствует нагреву воздуха, снижению его плотности, созданию перепада давления для обеспечения устойчивого циркуляционного движения воздуха по спирали в камере нагрева 1 в утренние и вечерние часы при отсутствии тепловой энергии Солнца.
Таким образом, способ, реализованный в воздушной электростанции указанной конструкции, позволяет за счет обеспечения постоянства конвективной скорости движения нагретого воздуха от торца 4 камеры нагрева 1 в направлении к вертикальной вытяжной трубе 6, требуемых в соответствии с формулами (1-3) геометрическими параметрами и физическими свойствами материала камеры нагрева 1 и вытяжной трубы 6, то есть обеспечения однородности поля скоростей воздуха в направлении к вытяжной трубе 6, существенно снизить диссипацию (рассеивание) механической энергии циркуляционного движения воздуха по спирали. Это позволяет существенно повысить эффективность преобразования тепловой энергии Солнца и механической энергии движения воздуха в электрическую энергию, увеличить мощность и экономичность воздушных электростанций.