ТЕПЛОВОЙ АЭРОСТАТ, АККУМУЛИРУЮЩИЙ ЭНЕРГИЮ СОЛНЦА (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемые варианты оболочек позволяют в качестве дополнительного источника подогрева воздуха в тепловом воздушном шаре использовать солнечную энергию.
Эффективность использования этого источника энергии зависит от количества получаемой солнечной энергии в определенных погодных и географических условиях. Воздухоплавание теплового аэростата только с использованием энергии солнца крайне сложно по ряду причин: необходима конструкция для регулирования количества поступающей лучевой энергии для управления высотой полета; низкая мощность данного источника тепла потребует сильного увеличения объема шара и сузит область его использования до наиболее жарких районов земного шара с максимальным числом солнечных дней в году.
Поэтому он способен в основном выполнять роль дополнительного по отношению к основному, традиционно применяемому сегодня (горелка) источнику нагрева воздуха в оболочке воздушных шаров.
Для решения поставленной задачи необходимо обеспечить сбор солнечного излучения на максимально возможной площади и преобразование ее в тепловую энергию наполняющего аэростат воздуха. Для этого удобно использовать оболочку самого шара (имеющую большую площадь поверхности), максимально увеличив ее поперечное сечение, и выполнив верхнюю ее часть из прозрачного материала.
Известна заявка (№2492335, кл. В64В 1/40, 1982, Франция), в которой предложена конструкция полусферического аэростата с нагревом следующим способом: солнечные лучи проникают внутрь оболочки через плоскую прозрачную ее часть; отражаясь от внутренней поверхности полусферы, лучи собираются в фокусе, нагревая центральный приемник, отдающий тепло воздуху путем конвекции.
Конструкция имеет следующие недостатки: потери нагретых оболочки и приемника тепла вследствие излучения; технически сложно удержание оболочки аэростата в форме ровной полусферы и приемника тепла в фокусе этой полусферы вследствие неравномерности распределения давления нагретого воздуха на разные зоны оболочки шара; в случае жесткой оболочки масса аэростата существенно вырастет, приемник тепла, способный
эффективно отдавать тепло конвективным способом должен также обладать значительной массой.
Потери тепла и массу можно сократить, используя для нагрева воздуха в аэростате принцип «парникового эффекта».
В предлагаемой конструкции (фигура 1) верхний сегмент оболочки (1) изготавливается из прозрачного материала, пропускающего солнечный спектр внутрь шара, а нижняя часть в виде конуса (2), образующего ловушку для солнечных лучей.
В образовавшемся «парнике» нагрев воздуха происходит за счет солнечного излучения (3), проходящего через прозрачную верхнюю часть, а также за счет отраженной и переизлученной частью оболочки (2) солнечного спектра (4).
Поэтому внутренняя сторона частьи оболочки (2) изготавливается из темного материала, хорошо поглощающего солнечный спектр и переизлучающего его в инфракрасном диапазоне, а ее внешняя сторона для уменьшения теплопотерь из теплоизолирующего и материала.
Для улучшения аккумуляции лучевой энергии внутри оболочки аэростата крепится тонкая мелкоячеистая сетка (5), перекрывающая его сечение. Она будет играть роль приемника солнечной энергии, где солнечные лучи будут частично поглощаться (с нагревом) сеткой, а частично рассеиваться ею, попадая в конусоидальную ловушку в нижней части аэростата. В этом варианте часть оболочки (2) оптимальнее сделать из отражающего свет материала, поскольку он
Если положить, что способность мелкоячеистой сетки (5) отдавать тепло конвекцией и тепловым излучением не хуже, чем у любого другого теплоприемника, то она будет более эффективнее преобразовывать солнечную энергию в тепловую энергию воздуха аэростата в сравнении конструкцией заявки, упоминавшейся выше, поскольку часть лучевого потока попадает на сетку сразу, без отражения от внутренней оболочки полусферы, при котором неизбежны тепловые потери.
Снижение веса в сравнении с вышеупомянутой заявкой достигается за счет применения в качестве теплоприемника легкой сетки, но в большей степени из-за возможности использования обычной (не жесткой) и соответственно более легкой оболочки аэростата.
Дополнительного повышения эффективности аккумуляции солнечного излучения можно достичь, создав внутри аэростата дымовую завесу.
Достижение окончательного результата осложняется отсутствием на сегодня прозрачных материалов достаточной
прочности и теплостойкости, которые могли бы быть использованы для изготовления оболочки шара.
Проблема может быть решена с применением уже имеющихся материалов следующим образом: расположить область максимального давления и температуры воздуха в зоне более прочной (непрозрачной) оболочки аэростата.
Это достигается (фигура 2) в оболочке из двух вложенных конусов разного сечения, соединенных сверху полутором. Внутренний конус перекрывается сверху прозрачной оболочкой (1), под которой происходит нагрев. Она обеспечивает доступ солнечных лучей (3) внутрь отсека (I), являющегося аккумулятором солнечного тепла.
Нагревающийся под ней воздух, расширяясь, переходит в соседний отсек (II), заключающий в себе основной объем теплового шара. Накапливаясь в его верхней части, нагретый воздух создает максимальное давление и температуру.
К прочной непрозрачной оболочке (2) этого отсека крепится обвязка корзины (4), несущая основную нагрузку. Она также образует внутренний конус (2а) отсека, аккумулирующего тепло и нагревается под действием солнечных лучей (3), выполняя роль приемника тепла.
Под действием нагрева между отсеками возникает циркуляция воздуха, который забирает у приемника тепло.
Данная конструкция может быть усовершенствована, если кольцеобразно расположить на нагреваемой солнечными лучами поверхности внутреннего конуса воздуховод (5) темного цвета и создавать в нем ток воздуха с последующим выбросом его в соседний отсек (рис.2).
Повышение эффективности теплообмена за счет создания принудительной циркуляции потока в воздуховоде требует установки вентилятора, для питания которого можно использовать закрепленную на непрозрачной части наружной поверхности шара солнечные батареи (6) на тканевой основе.
Предложенные конструкции могут быть использованы в тепловых аэростатах практически любого назначения. Необходимо учитывать более низкую прочность прозрачной оболочки и наличие солнечного света как источника нагрева воздуха аэростата.