Геліоенергетична установка

Реферат: Геліоенергетична установка є модернізацією геліоаеробаричної теплоелектростанці, і є типовим рішенням для сільських геліоенергетичних установок (СГУ) у діапазоні потужностей 5300 кВт. За технологією СГУ у вихровій камері (ВК) створюється високошвидкісний обертальновихровий рух енергетичного повітропотоку із введенням у ВК теплової енергії, яка одержується від теплоперетворювача сонячних променів. ВК теплоізольована, на днищі має повітропроникні короби, що заповнені найгарячішим повітропотоком від геліотеплоперетворювачів і холодним повітропотоком від холодильного агрегату, які розміщені один до одного суміжно як гарячі й холодні смуги. Геліотеплоперетворювачі на опорах виконані з пустотілих тришарових коробів, які, сумісно з геліоконцентраторами, що підвищують температуру потоків повітряного теплоносія у ВК, утворюють покрівлю конічної форми навколо ВК. Днище коробів утворено зачорненим матеріалом, що переробляє сонячні промені на теплову енергію, котра нагріває міжшарові потоки повітряного теплоносія відповідно знизу догори до температур 150 °С, 80 °С та 40 °С. Ці потоки надходять у різні ділянки внутрішньої порожнини ВК. Енергетичний UA 102371 C2 (12) UA 102371 C2 обертально-вихровий повітряний потік надходить із ВК у вітротурбіну, а через неї і коротку тягову трубу - назад у ВК як позитивний зворотний зв'язок в СГУ. На виході тягової труби є холодильний агрегат, що розріджує енергетичний відхідний повітряний потік і підвищує тягу. Розроблена геліоенергетична установка є високоефективним комплексом для одержання товарної енергії від сонця в сукупності із сільськогосподарським виробництвом, організованим під покрівлею, з окупністю витрат на будівництво протягом двох років і собівартістю вироблюваної електроенергії не більше 0,20 грн/кВт-год. UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонований винахід належить до пристроїв та механізмів для отримання механічної енергії, які не належать до інших підкласів, а саме до пристроїв для використання сонячної енергії з метою отримання механічної енергії, у техніці якої виробляються товарні продукти: електрична й одночасно теплова енергія з інтегрованим використанням для цього різних проявів сонячної енергії, таких як сонячна радіація, вітер, температура навколишнього повітряного середовища, енергія підземного середовища, перепад тиску в атмосфері, вода та її пара, у тому числі насичене парою повітря навколишньої атмосфери, водень як екологічне паливо, одержуваний з води за допомогою використання сонячної енергії, та інші. Технологічно усі вони переводяться в тій або іншій сукупності в потоки нагрітого й охолодженого теплоносія, що створюють у взаємодії обертально-поступальний вихровий і торнадоподібний рух центрального енергетичного повітропотоку установки. Це призводить до високошвидкісного обертання її вітротурбіни з одним або декількома електрогенераторами. При цьому всі види інтегрованого використання енергії різних екологічно чистих джерел мають сонячне походження. Відомі геліоенергетичні комплекси з одночасним використанням ряду енергетичних компонентів, що одержали назву геліоаеробаричних теплоелектростанцій (ГАБ ТЕС), у яких за рахунок теплової й вітрової енергії створюється торнадоподібний технологічний повітропотік з великим вихровим компонентом і нестаціонарними термодинамічними процесами (див. наприклад патенти Російської Федерації: № 2199703 «Енергетичний комплекс», F24J2/42, опубл. 27.02.2003 p., № 2200915 «Спосіб створення потужних геліоенергоустановок», F24J2/42, опубл. 20.03.2003 р.; Євро-Азіатські патенти: № 007635 «Геліовітроенергетичний комплекс», опубл. 29.12.2006 p., № 008117 «Пристрій термоперетворення сонячної енергії», опубл. 27.04.2007 р. та інші. Технічні рішення відповідно до зазначених патентів дозволяють здійснити використання різних компонентів сонячної енергії з перетворенням їх в енергію торнадо подібного обертально-поступального руху центрального енергетичного повітропотоку. Останній приводить в обертання вітротурбіни із приєднаним до неї електрогенератором. Застосовано потужні акумулятори теплової енергії, отриманої від термоперетворювачів сонячної енергії, які дозволяють забезпечувати стійке виробництво товарної енергії рівномірно протягом усього року. Вітротурбіни, розроблені для таких ГАБ ТЕС, мають спеціальні форми лопат, пристосовані для перетворення з високим ККД енергії обертально-поступального руху центрального енергетичного повітропотоку в механічну енергію обертання електрогенератора. Кожна із зазначених ГАБ ТЕС в узагальненому компонуванні містить технологічний центр, де розміщаються машинний зал, канал для забору повітря та вітру з поверхнями, яки направляють вітер та повітря, і прорізами, за допомогою яких вхідний вітер і повітря закручуються й, обертаючись, просуваються до центральної осі ГАБ ТЕС. Крім того, є канал перетворення й нарощування потужності центрального енергетичного повітропотоку, що містить енергоперетворюючі модулі з вбудованими теплопереносними елементами, підключеними до джерел нагрітого текучого теплоносія, і повітроспрямовуючими аеродинамічними елементами. Наступними компонентами є вітротурбіна і повітровідвідний канал, що складається з невисокої ділянки стаціонарної тягової труби й керованої аеродинамічної надбудови до неї значно більшої висоти. Від технологічного центра, приблизно в радіальних напрямках, розходяться 5-8 штук високих вітроспрямовуючих енергетичних просторів (вузьких, витягнутих у довжину), у яких усередині вбудовані геліотеплоперетворюючі споруди, куди надходить пряма сонячна радіація й відбиті сонячні промені, що направляються спеціальними поворотними або статичними променевідбиваючими панелями. Крім того, між вітроспрямовуючими енергетичними просторами розміщене поле горизонтальних геліотеплоперетворювачів й один або декілька теплоакумуляторів, від яких потоки нагрітого текучого теплоносія надходять у технологічний центр. Таке компонування описане авторами в патентах ЕАПО, див. наприклад, Євразійський патент № 007635 «Геліовітроенергетичний комплекс» від 29.12.2006 p., і призначене для створення ГАБ ТЕС, що охоплює діапазон від 500 до 20 000 квт. Техніка й технологія створення обертально-поступального вихрового руху центрального енергетичного повітропотоку розроблені для ГАБ ТЕС додатково в патенті РФ № 2265161 «Спосіб перетворення сонячної енергії» (F24J2/42, 2/00, опубл. 27.11.2005 p.), а застосування прямих і відбитих сонячних променів з високоефективною дворівневою системою геліоконцентрації - у патенті РФ № 2267061 «Спосіб термоперетворення сонячної енергії» (F24J2/42, 2/15, 2/18, опубл. 27.12.2005 p.). Застосування в потужних теплоакумуляторах сипучих матеріалів і текучого теплоносія, що транспортує (у цьому випадку - повітря, хоча можуть бути застосовані й спеціальні гази, рідини і навіть вода) розроблено авторами в патенті 1 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 РФ № 2199023 «Вітроенергетичний комплекс» (F03D9/00, F24J2/42, опубл. 20.02.2003 p.). Створення вихрових потоків у геліотеплоелектростанціях й у вітроелектроагрегатах описано також у патентах РФ, наприклад, див. патент № 2070660 «Тепловихрова електростанція» (6F03D, 3/04, опубл. 20.12.1996 p.), № 2101556 «Вітроенергетична установка напірно-утяжної дії із системою місцевого форсування швидкості вітру» (6F03D, 3/04, опубл. 10.01.1998 p.). Крім того, відомі конструкції вихрових камер, які використовуються для створення обертальнопоступального руху повітропотоку з високою тангенціальною швидкістю (див., наприклад, книгу Смульского И.И. «Аеродинаміка й процеси у вихрових камерах», В.О. «Наука», м. Новосибірськ, 1992). У ряді виконань ГАБ ТЕС застосовані для нарощування швидкості центрального енергетичного повітропотоку дві або більше вихрові камери, розміщені вертикально одна над одною. Вихрові камери в ГАБ ТЕС розміщені в закритій капітальній споруді, а потоки нагрітого теплоносія в їхні внутрішні порожнини подаються ззовні по підземних трубопроводах, що визначається конструкцією технологічного центра ГАБ ТЕС. Між верхньою вихровою камерою й входом у турбіну є вільний простір - порожнина, у якій обертається вітропотік, що надходить із вітроповітровхідного простору. Цей вітропотік поєднується з обертовим повітропотоком, що виходить із вихрової камери, і обидва потоки взаємодіють перед входом у турбіну у вільному просторі перед нею, що є принциповою особливістю у порівнянні з раніше розробленими ГАБ ТЕС. Вихрові камери використовуються в найбільш перспективних ГАБ ТЕС, де вони встановлюються в складі енергоперетворюючих модулів (у технологічному центрі ГАБ ТЕС, а саме в каналі термоаеродинамічного перетворення й нарощування потужності центрального енергетичного повітропотоку, що виконує функції розгінної шахти останнього, котра утворена перед вітротурбіною), див. патенти РФ: «Сонячна теплоелектростанція із застосуванням вихрових камер», Рішення Роспатенту про видачу патенту від 06.04.2009 p., заявка № 2007119458/06 від 25.05.2007 p.; «Енергетичний каскад вихрових камер», Рішення Роспатенту про видачу патенту від 22.01.2009 p., заявка № 2007127067/06 від17.07.2007 р. Вихрові камери (ВК) переважно містять: розгінний циліндр із гладкою внутрішньою циліндричною поверхнею, до якого прикріплені пласкі кришки, у вигляді його днищ, стель або основ, виготовлені з використанням теплоізолюючого матеріалу з антифрикційними покриттями їхніх внутрішніх поверхонь; засіб тангенціального введення у внутрішню порожнину ВК зовнішнього повітропотоку, джерелом якого є зовнішні повітряні магістралі з невеликим надлишковим (щодо атмосферного) тиском; повітровідвідний теплоізольований трубопровід зі значно меншим діаметром, ніж в бічної - периферійної циліндричної поверхні, установлений зверху над прорізом у стелі ВК. Така конструкція є типовою для вихрових камер, детальні дослідження яких наведені в згаданій вище книзі И. И. Смульского. У вихровій камері, на основі закону збереження кількості руху обертового повітропотоку, що входить у неї, зокрема, у бічну поверхню за допомогою тангенціальних входів повітря, значно наростає тангенціальна швидкість обертання внутрішнього повітряного середовища в міру зменшення її радіуса щодо центральної осі. Тангенціальна швидкість обертового повітря у вихровій камері досягає свого максимуму, переважно поблизу внутрішньої поверхні повітровідвідного трубопроводу, через який нагрітий кільцеподібний обертовий повітропотік піднімається нагору. При цьому величина тангенціальної швидкості обертового повітряного середовища у вихровій камері, пройшовши максимум, швидко знижується в напрямку наближення його до центральної осі. Безпосередньо в останній утворюється область зниженого тиску, навіть вакуумна область малого радіуса з потоком холодного повітря, що опускається в ній, який необхідно нагрівати біля днищ такого типу вихрових камер за рахунок підведення до них теплової енергії зовнішнього теплоносія. У винаході останнє не робиться, тому що нарощування потужності обертового руху досягається по-іншому. Задача винаходу полягає не тільки в розробці більш ефективних технологічних варіантів застосування вихрових камер для геліоенергетичних систем, але й у знаходженні оптимальних рішень конструкції і в будові ВК у геліоенергетичні комплекси, з урахуванням попереднього зауваження. Основна задачаа даного винаходу полягає в створенні геліоенергетичної установки невеликої потужності в діапазоні від 300 до 5 квт, що насамперед призначена для села й фермерських господарств як типажний ряд сільських геліоенергетичних установок (СГУ). Особливістю останнього є розробка в дійсному винаході на основі нестаціонарної термодинаміки таких конструкцій, за допомогою яких може бути досягнуте максимальне зниження їхньої собівартості, спрощення експлуатації, підвищення надійності й коефіцієнта використання сонячної енергії, що надходить на територію СГУ. Для цього вихрова камера 2 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виноситься з капітальної споруди - розгінної шахти, розміщеної над іншою капітальною спорудою - машинним залом, і вітроспрямовуючими просторами з керованими вітроповітрозаборними каналами, і встановлюється на опорах у центрі відкритої території, відведеної для будівництва геліоенергетичної установки. Над вихровою камерою (ВК) у СГУ розміщаються вітротурбіни, що, на відміну від ГАБ ТЕС відповідно до зазначених патентів, щільно приєднана до неї за допомогою повітроспрямовуючого трубопроводу, із приєднаним до неї електрогенератором, розміщеним унизу, під ВК, і невисока тягова труба без технологічної надбудови до неї. Для цієї ж мети застосовані додаткові технологічні рішення, нові конструкції геліотеплоперетворювачів, теплоакумулятора й використані потоки охолоджуючого теплоносія, поряд з гарячим, а також інші, що буде викладено нижче. У ГАБ ТЕС, відповідно до зазначених вище патентів, на відміну від СГУ, між вітротурбіною, повітроспрямовуючим трубопроводом і вихровою камерою проходить, як вказувалося вище, повітропотік, що обертається, який входить і формується в торнадогенеруючому просторі через вітрозахоплюючі жалюзі незалежно від вихрової камери, і змішується з повітропотоком, що виходить із вихрової камери, що в такий спосіб збільшує потужність ГАБ ТЕС, але й здорожує її. У СГУ ВК є єдиним, досить дешевим й ефективним розгінним пристроєм із застосуванням теплоутилізуючого повітропотоку при їхній подачі в різні області внутрішньої порожнини ВК і створенням у ній гарячих і холодних термодинамічних ділянок на її днищі. Завдяки цьому в СГУ виключаються характерні для ГАБ ТЕС високої потужності вітроспрямовуючі й вітрозабірні канали, при значному збільшенні разом з тим тангенціальної швидкості у ВК. Замість них, крім того, для ефективного нарощування необхідної потужності СГУ, робиться можливим на додаток до застосованих конструктивних особливостей ВК, на виході обертового повітря з тягової труби встановлювати холодильний агрегат, що забезпечує зниження тиску й збільшення тяги обертового енергетичного повітропотоку, який відходить від вітротурбіни, і повітряні канали позитивного зворотного зв'язку, по яких частина обсягу останнього з вітротурбіни направляється назад, на вхід вихрової камери. Як видно, застосуванню ламінарних термодинамічних процесів у СГУ немає місця. Ефективність застосування позитивних зворотних зв'язків у засобах автоматичного керування загальновідома. Однак, у внутрішню порожнину вихрової камери, крім того, повинні подаватися, як відомо, нагріті сонячною енергією обертально-вихрові тангенціальні повітропотоку, які, у свою чергу, задають їй робочий режим, і тому по каналах позитивного зворотного зв'язку від вітротурбіни у вихрову камеру повинна подаватися лише частина (близько 50 % обсягу) відвідного обертового повітропотоку. Тому інша частина, приблизно половина повітропотоку, спрямовується в навколишню атмосферу через замкнений повітряний простір з холодильним агрегатом. При низькій висоті тягової труби необхідна для роботи геліоенергетичної установки додаткова тяга створюється відповідно до винаходу за рахунок холодильного агрегату, що, зокрема, заснований на застосуванні охолоджуючої води з температурою 4-10 °С. При температурі обертового повітропотоку, який відходить із вітротурбіни, 50 °С або більше й зазначеній температурі охолоджуючої води, відповідно до розрахунків, тяга в області холодильного агрегату перевищує тягу, яка створюється тяговою трубою висотою більше одного кілометра. Застосування тягової труби такої висоти в сучасних зарубіжних рішеннях передбачається на будівництві геліоелектростанції потужністю 200 тис. квт в Австралії, і це великою мірою підвищує питому вартість такої станції. Охолоджуюча вода температурою 4-10 °С утворюється за рахунок застосування підземної охолоджувальної ємності з відводом охолоджуючої води, що підігрівається, у тіло землі або за допомогою холодної води із зовнішнього джерела, що надходить у відповідну половину охолоджувальної ємності. Застосування позитивного зворотного зв'язку повітропотоку, який відходить із зазначеного енергетичного повітряного каналу, дозволяє збільшити коефіцієнт використання теплової енергії, що спрямовується у вихрову камеру від геліотеплоперетворювачів або інших перетворювачів сонячної енергії, наприклад, від пристроїв, що працюють за принципом відомої трубки Ранка або теплових насосів, широко застосовуваних у світі, наприклад, для обігріву житлових будинків з використанням теплоносіїв з низькою температурою кипіння й/або випару. Застосування таких технічних рішень істотно здешевлює СГУ, і вони згодом можуть бути застосовані в ГАБ ТЕС великої потужності. Оскільки СГУ призначені переважно для застосування в районах виробництва продуктів харчування, геліотеплоперетворювачі, що генерують потоки гарячого повітряного теплоносія, виконані, з метою здешевлення господарського комплексу, шляхом поєднання функцій його компонентів, у вигляді теплоізолюючої покрівлі, що охоплює вихрову камеру по колу над ґрунтовою поверхнею, за рахунок чого такий технологічний комплекс може бути використаний як теплиця для овочів, ягід і фруктів або як приміщення іншого господарсько-побутового 3 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 призначення. У такому комплексі, зокрема, може здійснюватися також гаряча переробка продуктів й зберігання продуктів із заморожуванням або ефективним охолодженням. Таким чином, гарячі й холодні потоки робочого тіла, використовувані в СГУ, знаходять різноманітне застосування, що дозволяє підвищити ефективність СГУ й сільськогосподарського виробництва, тобто ефективно поєднати останнє з видобутком товарної електричної й теплової енергії. Це значно скорочує терміни окупності будівництва СГУ. Геліотеплоперетворювачі в такій конструкції є легкими з переважним застосуванням у якості теплоізолятора повітря, з утилізацією теплових втрат повітропотоками, що рухаються. Це уможливлює також додаткове значне зниження їхньої собівартості й забезпечення високого ККД, з високим коефіцієнтом використання сонячної радіації, яка поступає на територію СГУ. Геліотеплоперетворювачі встановлюються, в основному, на опорах над поверхнею ґрунту, висота яких до центра плавно наростає, але за певних умов можуть встановлюватися у вигляді покрівлі над приміщеннями, утвореними за рахунок вибірки земного ґрунту на кільцевій території навколо вихрової камери. Такі приміщення, отже, будуть підземними, а геліотеплоперетворювачі над підлогою таких приміщень можуть установлюватися на різній опорній базі, наприклад, на підземних стінах, утворених при вибірці частини землі для побудови приміщень. Для вирощування продуктів у таких приміщеннях на їхні підлоги повинна бути нанесена ґрунтова поверхня із чорнозему, а в покрівлях створені вузькі радіальні прорізи, закриті світлопроникним теплоізолюючим матеріалом, що застосовано і при надземній установці геліотеплоперетворювачів на тій або іншій опорній базі. Геліотеплоперетворювачі в СГУ, аби вони мали високий ККД і були дешевими, виконані особливим способом. Вони являють собою пустотілі короби, містять зачорнене геліопоглинаюче днище й вкриті зверху рядом шарів світлопроникного матеріалу, між якими утворені повітряні проміжки для проходження в них повітряного теплоносія, у тому числі теплоутилізуючих повітропотоків. Нижній повітряний проміжок, що пролягає безпосередньо над зачорненим днищем, отримує найбільшу кількість теплової енергії від сонячних променів. Повітропотік, що рухається над зачорненим днищем від входу до виходу одержує наприкінці руху під сонячними променями в середині сонячного дня влітку температуру 150 °С і більше залежно від хмарності. Повітропотік що рухається в середньому повітряному проміжку, уловлює тепловтрати, які піднімаються знизу нагору. Він є теплоутилізуючим. У ньому температура на виході досягає 80 °С. У верхньому проміжку тепловтрати, що надходять знизу, також уловлюються повітропотоком, що рухається, температура якого на виході досягає 40 °С. Таким чином, навколишнє середовище контактує із зовнішньою поверхнею геліотеплоперетворювачам лише при температурі 40 °С, а не 150 °С. Повітропотоки із трьох зазначених шарів направляються при названих температурах у різні ділянки внутрішньої порожнини ВК для перетворення в ній у високошвидкісний обертовий повітропотік. Для нарощування температури, одержуваної у світлопроникних коробах -геліотеплоперетворювачах - від сонячних променів, поруч із ними на покрівлі розміщені концентратори сонячної енергії, виконані на базі простої та вітростійкої конструкції таким чином, що повітропотік, що надходить у такий геліоконцентратор, одержує (аналогічно світлопроникним геліотеплоперетворювачам коробам) теплову енергію, що спрямовується (для концентрації), зокрема, через масив бічних отворів або на їхні входи безпосередньо або за допомогою допоміжних засобів за допомогою повітря в їхню внутрішню порожнину при підвищеній температурі. Це дає можливість одержувати в геліотеплоперетворювачах додаткове збільшення тепла на шляху до вихрової камери. Якщо площа таких повітряних геліотеплоконцентраторів - багатошарових коробів - буде дорівнювати площі днищ геліоконцентраторів, то кількість сонячної енергії, що надходить у перші, буде вдвічі більше. Аналогічний принцип відомої геліоконцентрації за допомогою параболічних дзеркал полягає в зборі сонячних променів з більшої площі й зосередженні їх на меншій. У СГУ концентрація сонячної енергії й підвищення її температури здійснюється за допомогою коробів і повітряного середовища, що гріється від сонячних променів, які надходять на паралельну додаткову площу. У такий спосіб концентрація - підвищення питомої щільності сонячної енергії може здійснюватися не за допомогою концентрації сонячних променів, а за допомогою додаткового збору сонячної теплової енергії через повітря, що нагрівається. Світлопроникний теплоізолюючий матеріал, що утворює повітропровідні й теплоутилізуючі шари в зазначених коробах, може бути виконаний з листового скла якомога меншої товщини або надтонкої (до 50 мікронів) особливо міцної скляної плівки. Можливе також використання для цих цілей високотемпературної полімерної плівки, наприклад, лавсанової, котра відзначається високою робочою температурою - більше 150 °С. У випадку застосування плівок як теплоізолюючого світлопроникного матеріалу, короби можуть містити 4 або 5 паралельних наповнених повітрям шарів, при наявності яких ККД коробів може досягати 95 %. Оскільки геліотеплоперетворюючі 4 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 короби встановлюються похило, з підйомом від периферії до центра на кілька метрів, вхід повітря в короби й просування його до центра може здійснюватися самоплином. Однак, оскільки подача повітропотоків у вихрову камеру повинна бути регульована по швидкості як одним зі способів регулювання швидкості й потужності вітротурбіни, забір і швидкість повітропотоків повинні регулюватися засобами, що подають повітря, наприклад вентиляторами, з мінімальною витратою енергії у зв'язку із проявом самоплину. Оптимальним місцем забору повітря в геліотеплоперетворюючі короби є внутрішнє середовище приміщень, утворених під покрівлею на їхній периферії, з метою мінімізації потрапляння піску й пилу в короби і ВК. При цьому для додаткового захисту від пилу застосовуються вихрові й відцентрові фільтри і/або розміщені в спеціально створеному приміщенні, через яке здійснюється втягування повітря ззовні, найпростіші фільтри - у вигляді вологих висячих смужок, наприклад, із щільного паперу, з подачею на них електричної напруги. У цьому випадку дрібний пил, що потрапляє у приміщення, після вихрових фільтрів, буде осідати на цих смужках, а останні можуть періодично очищатися або замінюватися. Розроблені засоби захисту від пилу та снігу є найважливішим чинником працездатності СГУ. Подача додаткової теплової енергії в геліотеплоперетворювачі, що надходить від нагрівання додаткової площі геліотеплоконцентраторів, може здійснюватися не надходженням до них нагрітого повітря, а організацією теплового контакту між потоками повітряного теплоносія, що рухаються,. У цьому випадку легше створюється колообіг повітропотоку в геліотеплоперетворювачах геліотеплоконцентраторах, замість безперервного поновлення повітропотоку в каналах над зачорненими днищами, що дозволяє додатково підвищити температуру в днищах ВК. Повітропотік, що проходить над днищем концентраторів, не подається у ВК, а винятково передає тепло у внутрішні порожнини геліотеплоперетворювачів. Теплоізоляція геліотеплоперетворюючих коробів знизу здійснюється утвореною під зачорненим днищем непроникною повітряною порожниною висотою близько 300 мм, закритою по периметру дешевою й міцною плівкою. Повітряна порожнина знизу є ідеальним по якості й найбільш дешевим теплоізолятором. Теплоізоляція геліотеплоперетворюючих коробів з боків здійснюється за допомогою високоміцного теплоізолюючого матеріалу, що містить додаткову теплоізоляцію у вигляді вбудованих у нього повітряних порожнин. як теплоізолюючий матеріал між суміжними геліотеплоперетворюючими коробами можуть бути застосовані дерев'яні бруси, розділені повітряним проміжком, і також закріплені до них зверху й знизу дерев'яні бруси таким чином, що останніми створюються пустотілі дерев'яні короби - високоякісні й дешеві теплоізолятори. Крім того, як бічні теплоізолюючі конструкцій можуть застосовуватися аналогічні бруси з пінобетону або піноскла з вбудованими в них зміцнюючими металевими конструкціями. Бічні пустотілі короби розділяються між собою або відокремлюються від світлопроникних коробів вузькими смугами світлопроникного теплоізолюючого матеріалу для проникнення сонячного світла вниз через покрівлю, причому така освітленість приміщень під покрівлею може бути значно збільшена за рахунок застосування в них плівок, покритих променевідбиваючим матеріалом, зокрема, за допомогою алюмінієвого напилювання. Дослідження вчених Російської Академії сільськогосподарських наук показують, що освітленість таких «дзеркальних» теплиць може бути достатньою або частково навіть надлишковою для вирощування овочів, ягід і фруктів. Зазначені бруси закріплюються над поверхнею ґрунту за допомогою опорної бази й слугують додатково для переміщення (переважно попереково-кільцеподібного) по них легких снігоприбиральних засобів або засобів для миття, наприклад, візків із застосуванням конструкцій з піноскла або інших легких матеріалів, а також для додаткової теплоізоляції геліотеплоперетворювачів і концентраторів сонячної енергії збоку за рахунок розміщення усередині них або їхніх конструкцій повітряних порожнин. Під поверхнею ґрунту, розміщеного під покрівлею, або на підлогах у СГУ, розташовується теплоакумулятор з розрахунковим обсягом теплоакумулюючої маси, що являє собою переважно підземний ґрунт, що є на території будівництва СГУ і входить у вартість відводу землі для будівництва. Теплоакумулятор теплоізольований знизу, чим створюється його днище, і зверху - у вигляді створення його стелі, над яким розміщена посадкова ґрунтова маса для вирощування овочів, ягід і фруктів, або підлога господарсько-побутових приміщень. Для забезпечення дешевої теплоізоляції стелі і днища теплоакумулятора застосовані наповнені повітрям багатошарові короби, виконані із пластику, бетону або пінистого матеріалу, усередині яких проходять теплоутилізуючі повітропотоки. У теплонакопичувальній ґрунтовій порожнині розміщені теплопровідні трубопроводи, виконані у вигляді багатошарових пустотілих коробів для подачі в теплоакумулятор теплової енергії й відводу її по відповідному призначенню, у тому числі із застосуванням роздільників температури теплоносіїв за принципом трубки Ранка й 5 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплових насосів. Завдяки наявності теплопровідних коробів, розміщених під землею в проміжку між центром і периферією, вдало замикається колообіг замкненого гарячого повітропотоку над покрівлею й під землею. Технічним результатом винаходу є зниження питомої собівартості геліоенергетичної установки та підвищення коефіцієнта використання сонячної енергії, що надходить на територію СГУ. Частковим результатом технічних рішень, відповідно до винаходу, є сполучення технологій енергетичного й сільськогосподарського виробництва, що дозволяє не допускати відчуження значних земельних площ при використанні низькопотенційної сонячної енергії для видобутку електричної й теплової енергії. Прототипом при розробці винаходу й описаних технологічних рішень є опис патенту РФ «Енергетичний каскад вихрових камер», Рішення Роспатенту про видачу патенту від 22.01.2009 p., заявка № 2007127067/06 від 17.07.2007 р. Зазначений технічний результат досягається тим, що геліоенергетична установка відповідно до винаходу містить щонайменше одну вихрову камеру, установлену в центрі території, відведеної для її будівництва, і призначену для перетворення різних проявів сонячної енергії в енергію вихрового обертового високошвидкісного повітропотоку, що надходить із вихрової камери через повітроспрямовуючий трубопровід на вхід вітротурбіни, з'єднаної з електрогенератором, загальна вісь яких розміщена в її центрі й орієнтована вертикально, канали нагрітого сонячною енергією повітряного теплоносія, підключені до вихрової камери, і теплоакумулятор, має відмінності від відомих прототипів у тім, що вітротурбіна і установлена під нею вихрова камера розташовані у відкритому просторі за допомогою вертикальних опор над ґрунтом, а канали нагрітого сонячною енергією повітряного теплоносія, зафіксовані в центрі по висоті за допомогою цих опор, підключені до вихрової камери з повітроспрямовуючим підйомом від периферії до центральної осі, причому вони виконані у вигляді складених по довжині і ширині і щільно з'єднаних між собою пустотілих світлопроникних коробівгеліотеплоперетворювачів із зачорненими днищами, до бічних сторін. Відмінність полягає і у тому, що приміщення господарсько-побутового призначення під покрівлею, що створена зі світлопроникних теплоізолюючих коробів, застосовані як теплиці і їхні допоміжні приміщення для вирощування овочів, ягід і фруктів, у тому числі в зимовий період року. Відмінність є і у тому, що в приміщеннях господарсько-побутового призначення на значній площі розміщений променевідбиваючий матеріал, наприклад плівка з алюмінієвим напилюванням, на яку через світлопроникні теплоізолюючі прорізи в покрівлі надходять сонячні промені. Відмінність й у тому, що холодний повітропотік як прояв смерчоподібного процесу в геліоенергетичній установці, що опускається вниз уздовж вісі тягової труби й вихрової камери, спрямовується за допомогою зазначеного порожнистого перфорованого валу за межі днища вихрової камери, із застосуванням засобу, якій подає повітря у пустотілі холодопередаючі короби, розміщені на її днищі поруч із коробами, підключеними до каналів нагрітого сонячною енергією повітряного теплоносія, що створюють спільно холодні й гарячі термодинамічні смуги, за рахунок чого прискорюється обертання повітропотоку біля днища вихрової камери. Окрім того є відмінності й у тому, що під поверхнею ґрунту, розміщеного під покрівлею, на заданій глибині розташований щонайменше один теплоакумулятор, переважно ґрунтовий, в якому застосована на визначеній глибині теплоізоляція днища й поверхні ґрунту - його стелі, а в його внутрішній теплонакопичувальній порожнині розміщені теплопровідні трубопроводи, до яких підключені засоби підведення й відводу теплової енергії від різних видів перетворювачів сонячної енергії, у тому числі від світлопроникних геліотеплоперетворюючих і геліотеплоконцентруючих коробів, причому виходи останніх у центрі підключені послідовно на входи теплопровідних трубопроводів у теплоакумуляторі, у тому числі перші підключені через високотемпературні короби, розміщені в днищі вихрової камери, другі підключені до них безпосередньо, а на периферії їхні виходи замикаються на входи геліотеплоперетворювачів і геліоконцентраторів, створюючи циркуляцію руху повітропотоків у замкненому колообігові, при цьому в просторі між покрівлею й поверхнею ґрунту встановлені в області периферії фільтруючі установки на вхідний повітряний потік, підключені у відповідні внутрішні порожнини геліотеплоперетворюючих і геліотеплоконцентруючих коробів і теплоізоляції днища й стелі теплоакумулятора, трубні відводи яких підключені до внутрішньої порожнини вихрової камери як засоби утилізації теплових втрат, при цьому теплоізоляція днища й стелі теплоакумулятора і тепловідвідні трубопроводи виконані із застосуванням пустотілих коробів, переважно багатошарових. 6 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Більш детальне пояснення зазначеного технічного рішення викладено нижче за допомогою наступних графічних ілюстрацій: 1. На Фіг. 1 представлений загальний вигляд геліоенергетичної установки. 2. На Фіг. 2 представлене компонування основного технологічного устаткування геліоенергетичної установки. 3. На Фіг. 3 представлені геліоенергетичні тепло перетворювачі (фрагмент). 4. На Фіг. 4 представлено холодильний агрегат 25 та підземна охолоджувальна ємність 29. Вихрова камера 1 (Фіг. 1, Фіг. 2) містить бічну циліндричну поверхню 2, усередині якої перебуває вхідна кільцева порожнина 3, днище і стеля 4,5, при цьому кільцева порожнина 3 з'єднана із внутрішньою порожниною вихрової камери за допомогою жалюзі 6 (Фіг. 2), які визначають кут тангенціального введення повітропотоку в останню. Циліндрична поверхня 2, днище 4 і стеля 5, що становлять корпус вихрової камери 1, покриті теплоізолятором 7 (Фіг. 2), наприклад шаром повітря, обмеженим по периметру будь-яким досить міцним матеріалом, зокрема дерев'яною дошкою або пласким шифером. На днищі вихрової камери встановлені гарячі й холодні аеродинамічні пустотілі короби 8, розташовані суміжно (роздільно на Фіг. 1, Фіг. 2 не показані), внутрішні порожнини яких з'єднані, з одного боку, із центральною порожниною 9, до якої здійснені підведення 10 (Фіг. 2) найгарячішого теплоносія 11, що проходить у радіальних напрямках по всіх коробах, які нагріваються 8, і з їхньої периферії відводиться потоками 12 назад до засобів нагрівання, а з іншого боку, - з кільцевою охолоджувальною ємністю 13 (Фіг. 2), до якої подається холодне повітря з навколишнього середовища, наприклад з атмосфери, або від вищевказаних роздільників температури, або як продукт вихрового процесу, і виділяється від відповідної половини коробів 8 суміжними потоками 12а в атмосферу. Дослідження, проведені авторами з Лабораторії поновлюваних джерел енергії МДУ ім. М. В. Ломоносова, підтвердили гіпотезу авторів про те, що у вихровій камері обертовий тангенціальний повітропотік, проходячи над зазначеними гарячими й холодними термодинамічними коробами смугами, зазнає значного підвищення швидкості обертання. Наявність гарячих і холодних смуг з різкою температурною межею більше впливає на швидкість його обертання, ніж просте підвищення температури днища ВК. Поверхня внутрішньої порожнини 9, уздовж якої проходить високошвидкісний обертовий повітропотік, впливає як на цей процес, так і на формування його осьової вертикальної швидкості. Канали 10 підключені до зовнішніх геліотеплоперетворювачів, а канали 12 - до підземних повітрогонів, по яких здійснюється підведення теплової енергії в теплоакумулятор. Обертовий повітропотік 14 у внутрішній порожнині ВК прискорюється на основі прохідного через жалюзі 6 тангенціального повітропотоку 15 і по гарячій поверхні центральної порожнини 9 направляється вертикально нагору з високошвидкісним обертанням навколо осі 16 у повітроспрямовуючий канал - аеродинамічний трубопровід 17, що своїм вінцем з'єднаний по ковзній посадці з вітротурбіною 18. Трубопровід 17 і вітротурбіна 18 захищені, як і ВК, теплоізолятором 7. Напрямок високошвидкісного обертання повітропотоку на Фіг. 2 зазначено знаками (+) і (-) причому при проходженні його через вітротурбіну 18 він реверсується. Над вітротурбіною встановлена тягова труба 19, що розширюється догори. Вона приєднана до вітротурбіни, як і трубопровід 17, по ковзній посадці, що обмежує втрати обертового повітропотоку 14, що має одночасно й осьову (спрямовану нагору) компоненту швидкості, рівної в пропорції тангенціальній, приблизно, 1:10. Висота тягової труби 19 перебуває в межах 3-5 метрів, а діаметр у місці стику з турбіною при потужності її 300 квт становить величину 3 м, у вінця -5 м, теплоізоляція виконана аналогічно. Над тяговою трубою 19 встановлений аеродинамічний атмосферозахисний дефлектор 20, що разом з конічною поверхнею 21 з повітронепроникного матеріалу (світлопроникного пластику) здійснюють захист вихрової камери, турбіни й тягової труби, включаючи допоміжне устаткування, що взаємодіє з ними, від зовнішніх впливів атмосфери. Конічна поверхня 21 охоплює ВК і вертикальні опори 22, закріплюючись за допомогою фундаменту відносно ґрунту 23 (Фіг.1). Конічна поверхня 21 утворює легку (але вітростійку) зовнішню поверхню приміщення, де розміщене зазначене вище устаткування й додаткові компоненти його, призначення яких і конструктивних взаємозв'язків, будуть подані нижче. Одночасно конічна поверхня 21 є засобом, що направляє природний вітер 24 нагору, у зону його активної взаємодії з енергетичними потоками в установці, а також з горизонтальним природним вітром 24, що проходить в області дефлектора 20. Оскільки традиційні для ГАБ ТЕС технічні рішення, описані в наведених вище патентах, не містять витягнутих у радіальних напрямках високих вітроспрямовуючих поверхонь і відповідних до них значних за розмірами вітроспрямовуючих жалюзі, що закручують вітропотік великої потужності, а також технологічну надбудову до тягової труби підвищеної висоти, то геліоенергетичні установки (СГУ) відповідно до винаходу додатково містять наступне допоміжне 7 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 устаткування, що збільшує потужність СГУ до необхідної величини при незначному нарощуванні її вартості: а) Холодильний агрегат 25 (Фіг. 1, 2, 4) з використанням охолоджуючої води 26 (Фіг. 1, 2, 4), що подається за допомогою трубопроводів 27 (Фіг. 2) і водяної помпи 28 (Фіг. 2) з підземної охолоджувальної ємності 29 за допомогою першої проміжної ємності 30 днищем 31 і вихідними отворами в ньому для стоку води, а також другої проміжної ємності 32, з якої відпрацьована вода опускається вниз у ємність 29. У ємності 29 під землею, що виконується пласкою із заданими діаметром і висотою, вода охолоджується температурою землі 4-6 °С, як це відбувається в льосі. Охолодження циркулюючої через помпу 28 води може здійснюватися також підведенням води з холодної природної водойми, наприклад з моря із глибини 10-20 метрів, для чого цю пласку підземну ємність треба розділити на дві частини - верхню й нижню. При циркуляції води по замкненому каналу витрат енергії на підйом води не потрібно, крім подолання втрат на тертя. б) Програмно керовані жалюзі 33 невеликої висоти - близько 1 метра, осі 34 обертання яких перебувають щодо центральної осі 16 на відстані 1,5-3 м, які призначені для регулювання величини й напрямку відводу охолоджуваного енергетичного повітропотоку в атмосферу. Температура повітря, що виходить із енергетичного каналу в складі вихрової камери, турбіни й тягової труби відповідно до розрахунку перевищує 50-70 °С, тоді як вхідна температура охолоджуючої води 4-6 °С, що створює значне тягове зусилля в енергетичному каналі за рахунок сплиття нагрітого повітря в холодному середовищі. в) Канал позитивного зворотного зв'язку по швидкості й температурі повітропотоку, що проходить через енергетичний канал і виходить через прорізи біля вінця тягової труби (наприклад, через велику кількість отворів 35) у тороїдоподібний збірник 36 частини обертового повітропотоку 14, аеродинамічний корпус 37 якого виконаний з пінобетону з несучою базою, зокрема, з дерев'яних заставних профілів. Повітропотік зі збірника 36 через теплоізольований повітропровід 38 і насосний агрегат 39 надходить у вхідну кільцеву порожнину 3 вихрові камери 1. Таким чином, не весь вихідний із ВК енергетичний повітропотік, прохолоджуючись, викидається в атмосферу, але не менш половини його з певною температурою й швидкістю повертається на вхід у ВК, де набуває прискорення на шляху через ВК до входу в турбіну. Вентиляторів 39 установлюється не менше 6 штук потужністю по 3 квт кожний, з надлишковим тиском входу повітря у ВК 0,1-0,2 атм. Тиск повітря на вході у вітротурбіну додатково збільшується за рахунок спеціально організованих термодинамічних й аеродинамічних процесів у ВК. г) Аеродинамічну поверхню 40 внутрішньої сторони дефлектора 20, з'єднану із центральним отвором 41 у трубі 42, закритої зверху захисним ковпаком 43, і трубу 44, що виконує функцію привідного вала вітротурбіни 45. Труба 44 виконана перфорованою по всій довжині для взаємодії її внутрішньої порожнини (отвір 41) із середовищем обертового енергетичного повітропотоку 14. Через трубу 42 униз проходить холодний зі зниженим тиском повітропотік 46, що характерно для смерчів і торнадо, який виділяється вниз із вихрової камери 1, на відміну від відомої технології ГАБ ТЕС, де холодне повітря, що опускається в неї, по осі енергетичного каналу, залишається в ній і нагрівається за рахунок підведення ззовні теплової енергії. Перфорація 47 (Фіг.2) сприяє формуванню робочого режиму ВК зі створенням області розрідження уздовж її осі на малому діаметрі (близько 100 мм). Труба - передавальний вал 44 фіксується по положенню за допомогою опор обертання, які на Фіг. 1, 2 не представлені. Вітротурбіна 18 фіксується по положенню за допомогою магнітних підвісних опор 48 за допомогою знімних стрижнів 49, які закріплюються до труби 42 при установці турбіни 18 (за допомогою тельферного механізму й відповідних регулювань, які не показані). Основним джерелом теплової енергії для забезпечення роботи ВК є геліотеплоперетворювачі 50 (Фіг. 1, 3), які в даному варіанті геліоенергетичної установки розташовані над поверхнею ґрунту 23 на опорній базі із застосуванням вертикальних опор (залізобетонні або металотрубні) змінної висоти, зі збільшенням її від периферії до центральної осі 16. Геліоенергетичні теплоперетворювачі, фрагментарно представлені на Фіг. 3, являють собою пустотілі короби, що містять кілька повітряних шарів 51, розділених між собою світлопроникним матеріалом 52. У якості останнього застосовані листове скло й лавсанова плівка. Ведеться підготовка до застосування надтонкої й особливо міцної скляної плівки, що зараз з'явилася на ринках Європи, а раніше випускалася експериментальними партіями в СРСР. Нижній повітряний шар утворений темною поверхнею 53, наприклад шифером, пофарбованим зверху в чорні кольори, і лавсановою плівкою або максимально тонким листовим склом, у якому повітропотік 11 прогрівається до температури 150 °С (або трохи вище). 8 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цей гарячий повітропотік 11 надходить через внутрішню порожнину геліотеплоперетворювача на вхід внутрішньої порожнини 9, утвореної в центрі днища 4 вихрової камери 1, від якої по днищу відходять у радіальних напрямках пустотілі короби 8, що нагрівають прохідний повітропотік минаючим повітропотоком (11, 12). Короби 8 виконані з бетону й закриті зверху теплопровідним металевим аркушем. Поруч суміжно розміщені охолоджувальні короби теж з номером 8, які не розділені в ілюстраціях на Фіг. 1, 2. Охолоджуючий повітропотік у коробах 8 може мати температуру до 30 °С (атмосферне середовище), до 0 °С (повітря 46 із труби-вала 44), до - 30 °С (від роздільників температури). Різке чергування холодної й гарячої температур між термодинамічними смугами 8 у днища ВК сприяє нарощуванню величини тангенціальної швидкості обертового повітропотоку у ВК і потужності вітротурбіни. Чим вища температура коробів, що нагрівають, 8 і нижча охолоджуючих, тим більше зростають енергетичні параметри. Незважаючи на часткове охолодження, днище вихрової камери в цілому прогріває повітропотік до значної температури, істотно більше високої, ніж 100 °С. Гарячий повітропотік з порожнини коробів 8 на днищі ВК виділяється у вигляді повітропотоків 12 через теплові трубопроводи 54 теплоакумулятора 55, розташованого під ґрунтом 23. Відпрацьований холодний повітропотік з інших коробів 8 спрямовується, переважно, в атмосферу. Теплоакумулятор (ТА) 55 виконаний за допомогою ґрунтової маси, що є на території, відведеної під будівництво геліоенергетичної установки. Ґрунтова маса прогрівається й запасає теплову енергію при температурі більше 100 °С з допомогою трубопроводів 54, по яких по оборотному циклу проходить гарячий повітропотік 12 через пустотілі короби 8, внутрішню порожнину 9 і канали 10, що з'єднують останню з геліотеплоперетворювачем 50. Охолоджуючий повітропотік 46 із труби 44 (Фіг.2) спрямовується в кільцеву ємність 13, розміщену зовні (Фіг. 2) на нижній поверхні днища ВК. Від тепловтрат ґрунтова маса захищена теплоізоляцією 56 знизу й теплоізоляцією 57 зверху. Теплоізоляція як знизу (днище ТА), так і зверху (стеля ТА) виконана у вигляді багатошарових пустотілих бетонних коробів, що містять горизонтальні й/або похилі міжшарові пластини, між якими перебуває теплоізолююче повітря або проходить від периферії до центральної осі теплоутилізуючий повітропотік. Чисте повітря 58 із зовнішнього середовища в зовнішні й підземні короби забирається з навколишнього простору за допомогою повітроочисних споруд 59, утворених зовнішніми геліотеплоперетворювальними коробами 50 і поверхнею ґрунту 23, за рахунок створення легких повітрозабірних світлих приміщень 59 (наприклад, із застосуванням прозорої плівки). У ці приміщення із зовнішнього простору повітря надходить через фільтри 60, а в самих приміщеннях для забезпечення досить тонкого очищення повітря розміщене поле підвісних зволожених смужок 61, наприклад з міцного паперу, з підведеним до них напругою. Профільтроване повітряне середовище, що надходить у повітроочисні приміщення 59, містить залишки дрібного пилу, що повністю осідають на площинах смужок 61. Останні періодично знімаються для мийки або заміни, і в такий спосіб зовнішній пил у світлопроникні зовнішні й підземні бетонні короби не потрапляє. Очищений повітропотік спрямовується в зовнішні й підземні короби через регульовані вентилятори 62 малої потужності. Як фільтри 60 можуть застосовуватися вихрові або відцентрові фільтри, які створюють незначний опір повітропотокові, що рухається, так само як і висячі смужки 61. Таким чином, пил зі степу, що у вітряну погоду буває досить значний, піддається багатоступінчастому очищенню в закритому повітряному середовищі. Конструкція зовнішніх світлопроникних геліотеплоперетворювачів передбачає можливість їх внутрішнього миття при капітальних ремонтах геліоенергетичної установки, а зовнішнього миття або очищення - по мірі необхідності. Середній повітропроточний шар (Фіг. 3) у світлопроникних геліотеплоперетворюючих коробах утворений за допомогою лавсанових плівок і відповідних бічних конструкцій. Повітропотік 63, що протікає у цьому шарі, одержує перед входом у ВК температуру близько 80 °С, несучи із собою тепловтрати при цій температурі. Повітропотік 63 із цього шару надходить у верхню частину вихрової камери 1, безпосередньо в її стелі 5. Верхній повітропроточний шар у світлопроникних геліотеплоперетворюючих коробах утворений за допомогою листового скла (зверху) і лавсанової плівки (знизу) і відповідних бічних конструкцій. Повітропотік 64, що протікає у цьому шарі, набуває перед входом у ВК температуру до 40 °С, несучи із собою тепловтрати при цій температурі. Повітропотік 64 із цього шару надходить у нижню частину ВК безпосередньо над днищем 4. При наявності скляних плівок з особливо високою світлопровідністю в зовнішніх коробах виконується четвертий (верхній) (можливий і п'ятий) повітряний шар, у якому немає руху повітря, і він виконує функцію тільки теплоізолятора з метою додаткового підвищення ККД геліотеплоперетворювачів. Нижні шари повітропотоків геліотеплоперетворювачів і геліотеплоконцентраторів, що протікають над зачорненими днищами від периферії до центру, подаються у зворотному напрямку через 9 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплопровідні трубопроводи теплоакумулятора, створюючи циркуляцію повітропотоків для їхнього максимального нагрівання вдень і вночі, з компенсацією витоків повітря. Аналогічна конструкція підземних коробів, застосовуваних, зокрема, як допоміжні засоби в конструкціях геліотеплоконцентрації, у яких повітряні шари утворюються не світлопроникними матеріалами, а тонкими бетонними пластинами. Ідентичні повітропотоки 63 й 64 надходять у ті ж області ВК. Таким чином, у ній у днища створюється найбільш висока температура за допомогою повітропотоків 11, із чергуванням їх з холодними 46, а через жалюзі 6 входять всі теплоутилізуючі повітропотоки за допомогою малопотужних вентиляторів (на Фіг. 1, 2 не показані), а також через жалюзі 6 входить повітропотік позитивного зворотного зв'язку за допомогою вентиляторів 39. Відносно холодні повітропотоки 63, що входять через жалюзі 6 у днища ВК, більш ефективно, ніж гарячі повітропотоки 64, взаємодіють із гарячими й холодними термодинамічними смугами, що чергуються. Працює геліоенергетична установка, виконана відповідно до винаходу, у такий спосіб: 1. Вихідні дані. 1.1. Потужність виробленої товарної електричної енергії на прикладі будівництва СГУ в Республіці Корея становить 300 квт. Якщо потреба в електроенергії для власних потреб дорівнює 60 квт, то потужність вітротурбіни 18, з'єднаної з електрогенератором 45, становить 360 квт. Коефіцієнт корисної дії (ККД) цього агрегату становить 70 %, у зв'язку із чим потужність на валу вітротурбіни повинна становити 514 квт. При цьому осьова (вертикальна) швидкість у вітротурбіні повинна бути не більше 10 м/сек., а тангенціальна швидкість обертового руху повітропотоку в її лопатевій порожнині повинна досягати 100 м/сек. і більше. При вхідній площі 2 лопатевої порожнини вітротурбіни 7 м обсяг вихідного з вітротурбіни повітропотоку повинен 3 3 становити 70 м /сек., тобто 250 тис. м /година. Висока тангенціальна швидкість (горизонтальна швидкість), що проходить нагору через турбіну в кільцеподібному русі завдяки осьовій швидкості, не впливає на годинний обсяг витрати повітря, проходячи через турбіну нагору завдяки осьовій вертикальній швидкості повітропотоку. Якщо ККД перетворення на енергетичний повітропотік теплової енергії, що подається у вихрову камеру 1, становить відповідно до розрахунків не менш 25 % то потужність теплової енергії, яку необхідно подавати у ВК для створення енергетичного повітропотоку потужністю 514 квт, становить величину 514:0,25=2060 квт ККД перетворення у ВК подаваній тепловій енергії, на енергію обертально-поступального руху вихрового енергетичного повітропотоку визначається наступними факторами: а) геометричними параметрами ВК; б) якістю теплоізоляції зовнішньої поверхні ВК; в) співвідношенням і рівнем температур гарячих і холодних термодинамічних смуг, що чергуються, створених на внутрішній поверхні днища 4 ВК (термодинамічні гарячі й холодні смуги створені за допомогою радіально розміщених коробів 8, підключених однією частиною до каналів гарячих повітропотоків 11, 12, а іншою частиною - і до порожнини 13, куди спрямовується відносно холодне повітря; г) рівнем температури й швидкості повітропотоку, що надходить у внутрішню порожнину ВК через жалюзі 6. При досягненні параметрів, зазначених у пунктах а) - г), певні розрахункові величини ККД вихрової камери можуть збільшуватися до 50 % і більше. 1.2. Потужність сонячної енергії, що надходить у місці будівництва даної геліоенергетичної установки у Республіці Корея, включаючи прямі і розсіяні в атмосфері сонячні промені, становить у середньому по року 0,25 квт /м . Отже, щоб виробляти в геліотеплоперетворювачах 2060 квт теплової енергії, необхідно для цих цілей відводити площу для їхнього спорудження над поверхнею ґрунту, з врахуванням ККД геліотеплоперетворювачів 90 %, у розмірі приблизно 10 тис. м . Якщо ж урахувати необхідність товарної відпустки теплової енергії в середньому по року 300 квт, то з урахуванням ККД теплоакумулятора також 90 %- площа, необхідна для будівництва 2 даної СГУ в Республіці Корея, становить 15 тис. м , при цьому діаметр кола становить територію, що, із центром на осі СГУ, становить приблизно 140 м. Це означає, що радіальна довжина геліотеплоперетворювачів від периферії до центру дорівнює дещо менше 70 м. Зазначена площа при будівництві геліоенергетичної установки відповідно до винаходу підтверджує правильність виробленого авторами технічного рішення, що забезпечує створення СГУ практично без відчуження значних земельних площ із господарського оберту, створюючи робочі приміщення під покрівлею. Застосування концентраторів сонячної енергії, розташованих на покрівлі поруч і паралельно до геліотеплоперетворювачів, не міняє вищевказаних розмірів, тому що вони визначаються 10 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сумарною площею теплоперетворення сонячної енергії, питомою інтенсивністю надходження сонячної енергії й необхідною потужністю вироблюваної теплової енергії. Однак, якщо площа під сонцем, займана концентраторами сонячної енергії, становить половину відведеної площі, тобто концентратори й геліотеплоперетворювачі рівні по ширині між собою, те теоретично температура повітропотоку, що входить у вихрову камеру, повинна вирости в геліотеплоперетворювачах удвічі, так, якби інтенсивність сонячної радіації була вдвічі вище, але потужність теплової енергії залишається незмінною, так, якби замість концентраторів були встановлені геліотеплоперетворювачів. У цьому цінність геліоконцентраторів, тому що зі збільшенням температури гарячих термодинамічних смуг у ВК при незмінності температури холодних смуг (і інших параметрів ВК) коефіцієнт використання сонячної енергії, що надходить на територію СГУ, зростає приблизно вдвічі. Площа концентраторів сонячної енергії може бути й більшою, тоді температура перетворення теплової енергії в смерчоподібний потік у ВК може бути значно більшою, з відповідним збільшенням ККД. Високий коефіцієнт використання сонячної енергії, що надходить на територію СГУ, є принциповою відмінністю й перевагою її щодо всіх відомих геліоенергетичних установок. При наступному описі роботи установки не будемо розглядати режими запуску, уведення її в роботу, а будемо виходити з того, що генератор 45 підключений до зовнішньої електричної мережі, і електроенергії для власних потреб у пусковий період досить. 2. Опис роботи геліоенергетичної установки відповідно до винаходу. У вихрову камеру 1 із внутрішніх порожнин 5 геліотеплоперетворювачів 50 подаються нагріті повітропотоки по каналах 11, 63, 64 за допомогою спеціально створених повітроочисних приміщень 59, фільтрів 60, 61 і повітроподавальних засобів 62. Зазначені повітропотоки надходять у ВК під надлишковим атмосферним тиском 0,2 атм із регульованою швидкістю 5-10 м/сек. Обсяг нагрітого повітропотоку, що надходить у внутрішню порожнину ВК по каналах 63, 64, повинен становити 3 половину повітропотоку, що проходить через вітротурбіну 18 нагору, тобто 25 тис. м /год. Інша 3 половина, теж приблизно 125 тис. м /год, буде подаватися у внутрішню порожнину ВК із наростанням у міру розгону вітротурбіни по каналах 38 зворотного зв'язку за допомогою вентиляторів 39. Вхідні у внутрішню порожнину ВК нагріті повітропотоки 63, 64 й 14 - по каналах зворотного зв'язку (при активному впливі прискорювальних термодинамічних смуг - радіальних коробів 8, по яких проходять досить гарячі повітропотоки 11, 12, і відносно холодні з порожнини 13, що чергуються), здобувають наростаючу тангенціальну швидкість. Ця швидкість обертання у повітровідвідному трубопроводі 17, перед входом до вітротурбіни 18 досягає величини близько 100 м/сек. - у відповідності із властивістю ВК нарощувати швидкість у міру наближення обертового повітропотоку від вхідних жалюзі до осі 16 назад пропорційно радіусу (див. зазначену монографію проф. Смульского). Кут закручення повітропотоку при проходженні його о через жалюзі 6 становить величину 20-30 С дносно дотичній, проведеній до окружності жалюзі. Чим меншою є величина цього кута, тим більшої величини досягає швидкість обертання енергетичного повітропотоку у повітровідвідному трубопроводі 17, але при цьому зменшується ККД вихрової камери 1 через підвищення тертя повітропотоку об циліндричні стінки, внутрішні поверхні днища 4, стелі 5 і об самі жалюзі 6. Тому конструктивний варіант визначається в конкретних випадках виконання проектних робіт. Більш холодна частина обертового повітропотоку з каналу 64, контактуючи по черзі з досить гарячими й відносно холодними радіальними коробами 8 одержує додаткове прискорення обертання (відповідно до досліджень, проведених в МДУ ім. М.В. Ломоносова - мінімум в 1,8 рази, і при подальшому нарощуванні різниці температур між гарячими й холодними термодинамічними смугами на днищі 4 ВК тангенціальна швидкість смерчеподібного повітропотоку ще збільшується). Оббігаючи зовнішню поверхню центральної аеродинамічної порожнини 9, у якій проходять досить гарячі повітропотоки 11, 12, повітропотік, що обертається, додатково нагрівається й набуває з урахуванням також геометрії порожнини 9 і величини тангенціальної швидкості необхідної осьової (вертикальної) швидкості, несучи обертовий повітропотік у лопатеву порожнину вітротурбіни 18 і далі, у невисоку тягову трубу 19. Під впливом тангенціальної й осьової швидкості турбіна одержує обертання, розганяючи відповідно до інерційності системи до 300 про/хв за 10-20 сек. Генератор 45 виробляє електроенергію, параметри якої досягають за цей час номінального значення. При цьому електрозв'язок генератора 45 із зовнішньою електричною системою по параметрах частоти й фазової синхронізації здійснюється по двох варіантах: за рахунок швидкодіючого регулювання швидкості вентиляторів 62, 39 й інерційного керування потужними тепловими параметрами ВК або за рахунок здійснення синхронізації й керування швидкістю обертання вітротурбіни й порушення 11 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 електрогенератора із застосуванням додаткових досить швидкодіючих напівпровідникових систем керування (на Фіг. 1, 2 не показані). Холодильний агрегат 25 з каналами, що відходять із нього, який охолоджує воду у вигляді падаючих струменів 27 і водопроводів 27 запускається перед початком розкручування вітротурбіни. Цей запуск здійснюється включенням у роботу водяної помпи 28, що подає охолоджуючу воду 26 з підземної охолоджувальної пласкої ємності 29 по трубах 27 у холодильний агрегат 25. Через охолоджуючі канали води 26, 27, що рухається від нього вниз, і через керовані допоміжні жалюзі 33 проходить енергетичний повітропотік 14, температура якого досягає 50-70 °С і далі може підвищуватися, і піднімається нагору відповідно до відомого фізичного процесу спливання нагрітого повітря в контакті з холодним середовищем. У підсумку цього процесу відбувається розрідження енергетичного повітропотоку 14 у тяговій трубі 19 й у холодильному агрегаті 25 через розширення його й через конденсацію насиченої пари в ньому, і відбувається збільшення сили тяги енергетичного повітропотоку 14 у зовнішнє навколишнє середовище. Ця тяга має значну величину, рівну тязі, що створюється трубою висотою 1000 м. Охолоджуюча вода 26 циркулює в такий спосіб: з підземної охолоджувальної пласкої ємності 29 за допомогою водяної помпи 28 по трубах 27 вона піднімається в холодильний агрегат 25, що являє собою вертикальні труби висотою 1 м, що продувають вітром 24 і займають круговий обсяг шириною 3 м на площі, обмеженій відстанню від осі 16, 3 м 2 (зсередини) і 6 м (зовні), тобто із площею поперечного перерізу близько 85 м і такої ж площею плаского кільцевого днища 31 з отворами в ньому, через які охолоджуюча вода по трубах 27 і частково струменями 26, що випливають із його труб, рухається вниз - у другу пласку кільцеву ємність 32, з якої самоплином повертається в пласку підземну ємність 29. По такому колу охолоджуюча вода безупинно циркулює. Підземна ємність 29 оточена по периметру підземним масивом, температура якого на глибині 10 м дорівнює 4-6 °С. Цей підземний масив відводить температуру води, що повертається в ємність 29, що нагрівається в результаті контакту із гарячим (охолоджуваним) енергетичним повітропотоком, що рухається нагору. Діаметр і висота охолоджувальної ємності 29 визначаються розрахунком, виходячи з теплопровідності конкретного ґрунту, його температур на глибині 10 м, температури відхідного енергетичного повітропотоку. Охолоджувальна підземна ємність 29 може мати менший діаметр, якщо існує можливість підводити в неї циркулюючу воду з холодного природного джерела, для чого необхідно розділити ємність 29 на дві пласкі ізольовані половини. Конденсована з енергетичного повітропотоку волога повертається в ємність 9, а частково випаровується й іде в навколишнє середовище. Оскільки має місце певна втрата охолоджуючої води через випар, її обсяг необхідно періодично заповнювати із прісного джерела. З тягової труби 19 приблизно половина енергетичного повітропотоку 14 спрямовується за допомогою регульованих по швидкості вентиляторів 39 у кільцеву вхідну порожнину 3 вихрові камери 1. Автоматично керовані допоміжні жалюзі 33 віссю повороту 34 разом з вентиляторами 39 розділяють енергетичний повітропотік 14 на зазначені дві частини - відхідну в навколишнє середовище й у вихрову камеру (по каналах позитивного зворотного зв'язку). Оскільки з тягової труби енергетичний повітропотік відходить із тангенціальним компонентом швидкості, то в каналі позитивного зворотного зв'язку встановлена тороїдальна пустотіла ємність 36, у яку через поле орієнтованих отворів 35, виконаних по всьому колу вінця тягової труби, ємність 36 заповнюється обертовим повітропотоком 14. Трубопроводи 38 виконані з певною геометричною й аеродинамічною формою, щоб модуль і вектор швидкості обертового повітропотоку при подачі по каналу позитивного зворотного зв'язку у вихрову камеру максимально зберігалися. Таким чином, позитивний зворотній зв'язок на вході ВК здійснюється й по швидкості, і по температурі енергетичного повітропотоку, що виходить із вихрової камери через вітротурбіну 18, після проходження у ВК найважливіших процесів посилення. Із проміжної ємності 32 охолоджуючої води 26 невелика розрахункова кількість її впорскується в тороїдальну пустотілу кільцеву ємність (на Фіг. 1, 2 не показано) з метою досягнення 100 % насичення паром обертового повітропотоку у ВК (на додаток до рівня вологості повітря, що спрямовує з навколишнього середовища в повітряні порожнини світлопроникних коробів, концентраторів сонячної енергії й геліотеплоперетворювачів). Конденсація підвищеної вологості енергетичного повітропотоку додатково й значною мірою знижує його щільність (тиск у ньому) у просторі холодильного агрегату й породжує додаткову тягу, що дає перспективу збільшення потужності СГУ до 1500 квт (замість 300 квт) у варіанті зниженої питомої вартості. Викладені вище технічні рішення є досить ефективними вже при реалізації лише першого пункту формули винаходу, однак використання її наступних пунктів нарощує їхню технікоекономічну ефективність. 60 12 UA 102371 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Геліоенергетична установка, що містить установлену на відповідній території щонайменше одну вихрову камеру, з'єднану через повітроспрямовуючий трубопровід з входом вітротурбіни, з'єднаної із електрогенератором, загальна центральна вісь яких зорієнтована вертикально, канали для повітряного теплоносія, підключені до вихрової камери, і теплоакумулятор, яка відрізняється тим, що вітротурбіна та встановлена під нею вихрова камера розміщені у відкритому просторі над ґрунтом на вертикальних опорах, а канали нагрітого сонячною енергією повітряного теплоносія, зафіксовані по висоті в центрі за допомогою цих опор, підключені до вихрової камери з повітроспрямовуючим підйомом від периферії до центральної осі, причому вони виконані у вигляді складених по довжині й ширині і щільно з'єднаних між собою пустотілих світлопроникних коробів-геліотеплоперетворювачів із зачорненими днищами, до боків яких приєднані концентратори сонячної енергії, виконані на основі вітростійкої конструкції, які встановлені над поверхнею ґрунту із застосуванням опорних засобів наростаючої висоти від периферії до центру й підключені своїми входами до засобів, що подають повітря, та до повітроочисних засобів, розміщених під ними за допомогою повітроочисних приміщень, створених в периферійній області, а виходами - до прорізів, вбудованих у зовнішній корпус вихрової камери, при цьому світлопроникні повітроспрямовуючі короби утворюють над поверхнею ґрунту в круговому просторі, із центром на його осі, теплоізолююче повітронепроникне покриття у вигляді похилої покрівлі конусоподібної форми, для забезпечення стоку дощової води, мийних шламів і можливості скидання снігу за її межі, при цьому у складі покрівлі встановлені, в радіальних напрямках, укріплювальні бруси як додаткова теплоізоляція й високоміцні конструкції по бічних поверхнях світлопроникних коробів, між якими розташовані вузькі світлопроникні теплоізолюючі прорізи для проникнення сонячних променів донизу, причому на поверхні ґрунту під покрівлею розташовані приміщення господарського і/або побутового призначення, що примикають у центрі разом з похилою покрівлею до опор, що утримують вихрову камеру, вітротурбіну та її складові, причому вихрова камера, вітротурбіна та пов'язані з ними повітропроводи теплоізольовані й захищені від атмосферного впливу у відкритому просторі легкою світлопроникною зрізаною конічною поверхнею, вільною від вагових навантажень, нижня основа якої охоплює зовнішній корпус вихрової камери, а верхня основа виконана у вигляді з'єднаного з нею аеродинамічного атмосферозахисного дефлектора, закріпленого відносно вертикальних опор, під яким розміщена тягова труба, з'єднана через внутрішню лопатеву порожнину вітротурбіни та повітроспрямовуючий трубопровід, що примикає до неї знизу по ковзній посадці та встановлений на верхній основі вихрової камери, із внутрішньою порожниною вихрової камери, а вітротурбіна з'єднана з електрогенератором, розташованим під днищем вихрової камери, за допомогою порожнистого перфорованого вала, через який він проходить із застосуванням ковзної посадки й теплоізоляції та з'єднує внутрішні порожнини тягової труби, вітротурбіни, повітроспрямовуючого трубопроводу, вихрової камери й пустотілих повітропроникних охолоджуючих коробів, розташованих на днищі останньої поруч із високотемпературними коробами, підключеними до найбільш гарячих каналів геліотеплоперетворювачів як холодних і гарячих прискорювальних термодинамічних смуг, причому створений у такий спосіб енергетичний повітроканал через верхній проріз тягової труби за допомогою аеродинамічної поверхні дефлектора і атмосферозахисної конічної поверхні з'єднаний допоміжними повітроканалами, з одного боку, з автономними тангенціальними введеннями, виконаними у верхній частині корпусу вихрової камери як засоби реалізації позитивного зворотного зв'язку по повітропотоку, що проходить через названий енергетичний канал, а з іншого, - із зовнішньою атмосферою із застосуванням регульованих повітровідводів, виконаних за допомогою зазначеної конічної поверхні в замкненому повітряному просторі, що охоплює тягову трубу, при цьому за межами периметра тягової труби розташовано холодильний пристрій, через охолоджуючий простір якого проходять керовані повітропотоки з виходу тягової труби назовні й у внутрішню порожнину вихрової камери, куди одночасно надходить визначена кількість водяної пари, причому витягнуті в довжину й з'єднані між собою світлопроникні короби відділені від навколишнього середовища зверху шарами світлопроникного теплоізолюючого матеріалу, наприклад листовим склом та/або високоміцною скляною й полімерною плівками, між якими рухається теплоутилізуючий повітропотік, знизу під зачорненим днищем - замкненою теплоізолюючою повітряною порожниною, а з боків теплоізолюючими повітряними порожнинами, розміщеними в матеріалі та/або в конструкції брусів, за допомогою яких над поверхнею створеної покрівлі додатково розміщені легкі рухливі мийні та снігозбиральні засоби. 13 UA 102371 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2. Геліоенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що має роздільники температури повітряного та/або рідкого теплоносіїв, вихідні канали яких за принципом вихрової трубки Ранка та/або теплових насосів підключені гарячим повітропотоком до внутрішньої порожнини вихрової камери й до трубопроводів, розташованих у теплоакумуляторі, а холодним повітропотоком - до холодильних засобів. 3. Геліоенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що для охолодження тягової труби та прискорення відведення повітропотоку з неї застосовано дефлектор і ємності з водою (або охолоджуючої рідиною), які охоплюють по периметру тягову трубу, при цьому вода в першу верхню ємність подається за допомогою помпи та/або інших засобів, а з верхньої ємності, яка має отвори в днищі, спрямовується в іншу, розміщену нижче першої ємності, потоками охолоджуючої води в вертикальних трубопроводах і заданої кількості падаючих відкритих струменів цієї води, причому з нижньої ємності вода, яка підігріта повітропотоком, що відходить, спрямовується униз у підземну охолоджуючу ємність, яка стикається з охолоджуючим підземним середовищем, а вода у створеному замкненому колі циркулює за допомогою зазначеної водяної помпи та/або інших засобів, а гарячий повітропотік, який обертається та виходить з тягової труби, спрямовується частково назовні, і частково - через повітроспрямовуючі засоби - в вихрову камеру. 4. Геліоенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що покрівлю приміщень господарсько-побутового призначення, які підігріваються за допомогою теплоакумулятора, утворюють світлопроникні теплоізолюючі короби, з можливістю використання цих приміщень як теплиць для вирощування овочів, ягід і фруктів, у тому числі у зимовий період року. 5. Геліоенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що в приміщеннях господарськопобутового призначення на значній площі розміщений променевідвідний матеріал, наприклад плівка з алюмінієвим напилюванням, на яку через світлопроникні теплоізолюючі прорізи в покрівлі надходять сонячні промені. 6. Геліоенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що холодний повітропотік спрямовано за допомогою зазначеного порожнистого перфорованого вала за межі днища, а із застосуванням засобу, що подає повітря, - назад, у пустотілі короби, що передають холод, розташовані на днищі усередині вихрової камери поруч із коробами, що нагріваються, за допомогою підключеного до каналів, нагрітого сонячною енергією, повітряного теплоносія, що створюють у ній спільні холодні і гарячі прискорювальні термодинамічні смуги. 7. Геліоенергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що під поверхнею ґрунту, що знаходиться під покрівлею, на заданій глибині розташований щонайменше один теплоакумулятор, переважно ґрунтовий, при цьому в останньому на визначеній глибині застосована теплоізоляція днища й поверхні ґрунту - його стелі, а в його внутрішній теплонакопичувальній порожнині розташовані теплопровідні трубопроводи, до яких підключені засоби підведення й відводу теплової енергії від різних видів перетворювачів сонячної енергії, у тому числі від світлопроникних геліотеплоперетворюючих і геліотеплоконцентруючих коробів, причому виходи останніх у центрі підключені послідовно на входи теплопровідних трубопроводів у теплоакумуляторі, у тому числі перші підключені через високотемпературні короби, розміщені в днищі вихрової камери, інші підключені до них безпосередньо, а на периферії їхні виходи замикаються на входи геліотеплоперетворювачів і геліоконцентраторів, створюючи циркуляцію руху повітропотоків у замкненому кругообігові, при цьому в просторі між покрівлею й поверхнею ґрунту встановлені в області периферії із застосуванням повітроочищувальних приміщень фільтрувальні установки, що засмоктують повітропотік ззовні, підключені у відповідні внутрішні порожнини геліотеплоперетворювальних і геліконцентруючих коробів і теплоізоляції днища й стелі теплоакумулятора, трубні відводи яких підключені до внутрішньої порожнини вихрової камери, у тому числі як засоби утилізації теплових втрат, при цьому теплоізоляції днища й стелі теплоакумулятора й теплопередавальних трубопроводів виконані із застосуванням пустотілих коробів, переважно багатошарових, причому термодинамічні смуги, що нагріваються, розміщені на поверхні днища вихрової камери, з'єднані з відповідними геліотеплоперетворювачами й трубопроводами в теплонакопичувальній порожнині теплоакумулятора послідовно таким чином, що в перших гарячий повітропотік рухається до центру, а в других - у бік периферії, для замикання кругообігу гарячого повітропотоку. 14 UA 102371 C2 15 UA 102371 C2 16 UA 102371 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 17