Спосіб перетворення сонячної і вітрової енергій в електричну

Корисна модель відноситься до способів перетворення сонячної і вітрової енергій в електричну енергію, що може бути використане в народногосподарській енергетиці, наприклад, для одержання електричного струму в промисловості і сільському господарстві. Відомо [див. книгу Уделл Свен. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. Пер. со шведского. М. «Знания», 1980. - С.27-37], що енергія руху повітряних мас і прямого сонячного випромінювання величезна і на відміну від енергії, одержуваної від спалювання пальних корисних копалин (вугілля, нафта, газ), практично невичерпна. Існує спосіб, у якому перетворюється енергія вітру і сонячного випромінювання в теплову й електричну енергію, і конструкцій пристроїв. Це відомі конструкції вітряки, дзеркала, сонячні панелі й інші подібні пристрої. Основні недоліки даної технології: низький ККД перетворення вітряної і сонячної енергії в електричну, відсутність одночасного перетворення вітрової і сонячної енергії в електричну, а також великі габарити деталей конструкцій, що рухаються, наприклад, розмір лопатей більш 10м, нестабільність у роботі і їхня низька надійність. Відомий спосіб перетворення сонячної енергії та кінетичної енергії вітру [патент США 4452046, опубл.05.06.1984, кл.F03G7/02], в якому використовують тепле вологе повітря, а зовнішній потік вітру направляють по дотичної до зовнішнього краю кола прозорого покриття. Недоліки даного способу: не використовують енергію фазових переходів рідкої води у пару і у льод та електричні заряди. Прототипом до пропонованого способу є технологія сонячної вежі, що реалізована в м.Манцанарес (Іспанія) [див. матеріали сайту www.enviromission.com.au, Solar Chimney Manzanares. Location Manzanares, Spain]. Даний спосіб полягає в наступному: накривають велику площу 45000м 2 земної поверхні прозорим для сонячних променів покриттям, під яким повітря нагрівається за принципом парника і рухається далі по високій витяжній трубі, що обладнана турбогенераторним вузлом, який призначений для виробництва електричної енергії. Висота труби 194м, діаметр прозорого скляного покриття 240м. ККД пристрою близько 1% (сонячна стала чи питома потужність сонячного випромінювання приймається рівної 150Вт/м 2). Основні недоліки даного способу: низький ККД перетворення сонячної енергії, великі розміри витяжної труби, складність експлуатації гігантського інженерного спорудження, великі капітальні витрати. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечити збільшення ККД перетворення сонячної і вітрової енергії в електричну, зменшення габаритних розмірів витяжної труби шляхом використання додаткового робочого тіла - водяної пари й енергії фазових переходів води: енергії конденсації, енергії кристалізації, а також використання електричних зарядів для інтенсифікації цих фазових переходів. Спосіб перетворення сонячної і вітрової енергій в електричну, котрий містить накривання прозорим покриттям ділянки земної поверхні, що акумулює сонячну енергію, яке нагріває повітря під покриттям, за рахунок чого створюється тяга у витяжній трубі, обладнаної турбогенераторним вузлом, зовнішнє вітрове повітря направляють під прозоре покриття по дотичній до окружності прозорого покриття, що з'єднується з внутрішнім повітрям, яке рухається і віддає свою енергію руху турбогенераторному вузлу, додатково як теплове робоче тіло використовують водяну пару, енергія конденсації якої перетворюється в електричну при температурі зовнішнього повітря вище 0°С, а енергія кристалізації замерзання також перетворюється в електричну при температурі зовнішнього повітря нижче 0°С, для чого у верхній частині витяжної труби розпилюють воду, на лопатки турбіни турбогенераторного вузла подають електричний заряд, що інтенсифікує процеси фазових переходів води. На відміну від прототипу, як теплове робоче тіло використовують водяну пару, енергія конденсації якої при температурі зовнішнього повітря вище 0°С дозволяє збільшити ККД перетворення. Енергія кристалізації при температурі зовнішнього повітря нижче 0°С і розпилення води у вер хній частині витяжної труби дозволяє збільшити ККД у зимовий період роботи станції. Подача на лопатки турбіни турбогенераторного вузла електричних зарядів дозволяє інтенсифікувати процеси фазових переходів води, що у свою чергу дозволяє також підвищити ККД. Подача зовнішнього вітрового повітря за допомогою кишень повітрязабірників під прозоре покриття по дотичній до окружності прозорого покриття, яке з'єднується з внутрішнім повітрям, що рухається, і віддає свою енергію руху турбогенераторному вузлу, також приводить до збільшення ККД і дозволяє працювати станції в нічний час, коли немає прямого сонячного випромінювання. Механізм регулювання руху своїх зовнішніх кінців кишень повітрязабірників служить для орієнтування їх відповідно до напрямку вітру, що в підсумку підвищує ККД. Забезпечення станції водяним резервуаром, що покритий прозорим матеріалом, дозволяє акумулювати енергію для роботи в нічний час і він служить живильним джерелом для відшкодування втрат робочого теплового тіла - водяної пари. Кишені повітрязабірників, які виконані по дотичній до зовнішнього краю окружності прозорого покриття, дозволяють збільшити ККД станції в тому числі й у нічний час. Розпилюючі форсунки у верхній частині витяжної труби для води забезпечують роботу станції в зимовий час. Електропровідний контакт до лопаток турбіни турбогенераторного вузла дозволяє подати заряди на лопатки турбіни, що приводить до збільшення: ККД. На відміну від прототипу у запропонованої геліоаеробаричної електростанції фізико-хімічні процеси протікають як у природі при звичайній грозі, що реалізовані в даному способі. Гроза як теплова машина перетворює сонячну енергію, що акумулюється в нижньому шарі атмосфери, як правило, у вигляді теплоти випару води, в електричну і вітрову енергію, при цьому електричні заряди відіграють головну роль у процесах конденсації водяної пари [див. журнал «Пульсар» №6, 2001, м.Київ, В.О.Костигія «Чому узимку не буває грози»]. На Фіг.1 подано геліоаеробарична електростанція невеликої потужності 4-10кВт, розміри площадки 10м на 10м (приклад 1), загальний вигляд у масштабі 1:250; на Фіг.2 - теж саме, вигляд зверху; на Фіг.3 подано геліоаеробарична електростанція великої потужності 200-800кВт, розміри площадки 100м на 100м (приклад 2), загальний вигляд у масштабі 1:1000; на Фіг.4 - теж саме, вигляд зверху у масштабі 1:2500. Спосіб здійснюється за схемою, яка містить: прозоре покриття 1, резервуар 2 з водою , витяжну трубу 3, бічні кишені повітрязабірників 4, турбогенераторний вузол 5, розпилюючі форсунки 6, систему шиберів 7, механізм 8 регулювання руху кінців кишень повітрязабірників для орієнтування їх відповідно до напрямку вітру шляхом зміни кута його атаки, прозорий козирьок 9. Варіанти реалізації способу перетворення сонячної і вітрової енергії в електричну мають два режими: літній і зимовий. У літню пору при температурі зовнішнього повітря вище 0°С геліоаеробарична електростанція працює таким чином. Під дією енергії сонячного випромінювання, що проходить через прозоре покриття 1, відбувається нагрівання води у водяному резервуарі 2, при цьому повітря нагрівається і насичується парами води, потім нагріте вологе повітря під прозорим покриттям 1 рухається по спіралі у витяжну трубу 3, обертає лопатки турбіни турбогенераторного вузла 5, пара в повітрі конденсується і конденсат стікає назад у водяний резервуар 2, подача на лопатки турбіни турбогенераторного вузла 5 електричних зарядів дозволяє інтенсифікувати процес конденсації пари. Вітер, що рухається зовні, захоплюється за допомогою бічних кишень 4, що перетворюють поступальний рух повітря в круговий, закручене повітря надходить по дотичній у турбогенераторний вузол 5 і віддає енергію руху лопаткам турбіни, при цьому, за допомогою механізму 8 регулювання руху, кінці кишень повітрязабірників орієнтуються відповідно до напрямку вітру, для того, щоб максимально використовувати кінетичну енергію руху вітр у, за допомогою системи шиберів 7 регулюється швидкість руху повітря по витяжної трубі 3. У зимовий час при температурі зовнішнього повітря нижче 0°С геліоаеробарична електростанція працює таким чином. Під дією енергії сонячного випромінювання, що проходить через прозоре покриття 1, відбувається нагрівання повітря під покриттям, за допомогою форсунок 6 у вер хній частині витяжної труби 3 розпилюється вода, а енергія кристалізації при замерзанні води, яка виділяється при цьому, додатково нагріває повітря над витяжною трубою 3, відбувається підняття теплого стовпа повітря, і тим самим ініціюється процес могутнього руху повітря по витяжної трубі 3, енергія руху зовнішнього вітру перетворюється в електричну енергію за допомогою бічних кишень повітрязабірників 4, вони перетворюють поступальний рух повітря в круговий, далі закручене повітря надходить по дотичній у турбогенераторний вузол 5 і віддає енергію руху лопаткам турбіни, при цьому за допомогою механізму 8 регулювання руху, кінці кишень повітрязабірників 4 орієнтуються відповідно до напрямку вітру, для того, щоб максимально використовувати кінетичну енергію руху вітр у, а в штормову погоду згортати по окружності бічні кишені повітрязабірників 4, за допомогою системи шиберів 7 регулюється швидкість руху повітря по витяжної трубі 3. У зимовий час прозорий козирок 9 служить для полегшення усування снігу з прозорого покриття 1. Приклади роботи. Приклад 1. Розміри площі прозорого покриття 1 покритою плівкою 10м на 10м (див.Фіг.1 і 2), під цією плівкою розміщений водяний резервуар 2, який має таку ж саму площу і глибину 2м. Розміри одної бічної кишені повітрязабірника 5м на 20м. Прозоре покриття 1 має в центральній частині витяжну трубу 3, висота труби складає 15м, площа поперечного перетину тр уби 1м 2, лопатки турбіни турбогенераторного вузла 5 виконані з матеріалу, ще проводить електричний струм по фронтальній поверхні, наприклад, на цю поверхню напиляна алюмінієва плівка, а задня частина лопатки виконана з діелектрика, наприклад, пластику. Станція у літню пору працює в такий спосіб: сонячна радіація нагріває водяний резервуар 2 під прозорим покриттям 1. При нагріванні здійснюється випар води з резервуара 2 з утворенням водяної пари. Загальний тиск під прозорим покриттям зростає і при досягненні тиску більше гідростатичного тиску стовпа газу, який є в витяжної трубі 3, газ починається рухатися нагору і у результаті чого починається обертання турбіни турбогенераторного вузла 5, і за допомогою генератора виробляється електричний струм, при цьому газ прохолоджується і на лопатках турбіни водяна пара конденсується, конденсат по стінках труби 3 стікає у розташований нижче резервуар 2. Мікрокрапельки водяної пари заряджені позитивно, (експериментально встановлено авторами), тому при подачі на лопатки турбіни на її фронтальну поверхню негативного електричного потенціалу, здійснюється прискорена конденсація пари води, при цьому виділяється енергія пароутворення, що додатково нагріває повітря, яке проходить через турбіну, тим самим забезпечується різке збільшення ККД до 20% електростанції (у порівнянні ККД прототипу 1%). Охолоджене і відносно сухе повітря виходить у верхню частину витяжної труби 3 і розсіюється в атмосфері. Енергетика для площадки 100м 2: для середньої широти середньодобову сонячну сталу приймаємо 150Вт/м 2. Максимальна теоретична сонячна потужність для даної площадки складає величину 15000Вт. Візьмемо до уваги загальновідомий факт, що максимальна температура нагрівання відкритої водяної поверхні води прямими сонячними променями не може бути більше 37°С. На випарку 1г води при цій температурі витрачається 2427Дж, на протязі 1с буде випарюватися 15000/2427=6,2г води. Тиск водяної пари при 37°С складає величину 47,7мм рт.ст, густина водяної пари 0,051кг/м 3; тиск водяної пари при 20°С (на верху витяжної труби) складає 17,54мм рт.ст., густина пари при цій температурі складає величину 0,017кг/м 3, різниця густин пари при 37°С і 20°С буде складати величину 0,051-0,017=0,034кг/м 3. У нашому випадку при; даних температурах і потужності сонячної радіації при подачі на лопатки турбіни негативного електричного потенціалу повинне скондесуватиея 6,2г/с води. Об'ємна витрата повітря з насиченою парою буде визначатися 0,0062/0,034=0,18м 3/с. Приймаючи до уваги, що площа перетину труби 1м 2, то лінійна швидкість руху повітря по тр убі буде складати 0,18м/с, що дозволяє забезпечити надійну і безаварійну роботу електростанції. З урахуванням неврахованих: утрат розрахунковий ККД «ГАБЭС - Приручена гроза» може досягати 50%. Для даного приклада потужність електростанції в літню пору буде складати 8кВт. Станція у зимовий чає працює в такий спосіб. Використовується те ж саме устаткування, що і при роботі в літню пору, але нагорі витяжної труби 3 додатково установлюються форсунки 6, що розпилюють воду, що замерзає, при цьому виділяється теплота кристалізації, що сприяє утворенню тяги в тр убі. Порахуємо енергетику. Площадка 10м на 10м, сонячна радіація для зими (для середньої широти сонячна стала дорівнює 25Вт/м 2) складає величину порядку 2,5кВт, приймаємо температуру на виході з труби мінус 15°С, під прозорим покриттям 0°С. Парціальні тиски пари води при цих температурах будуть складатися 0,77мм рт.ст. і 4,58мм рт.ст. відповідно. Кількість води, що випарувалася, буде складати 2500/2427»1г. Густина водяної пари при 0°С складає 4,84г/м 3. Густина пари при малих тисках є лінійна функція від тиску, тобто густина пари при мінус 15°С буде складати величину близько 0,8г/м 3. Цілком можливо, що конденсація 1г пари буде забезпечена при подачі негативного електричного потенціалу на лопатки турбіни, для того, щоб забезпечити реалізацію потужності 2,5кВт тільки за рахунок сонячного випромінювання. З обліком 50%-вих неврахованих утрат потужність електростанції в зимовий період тільки за рахунок сонячного випромінювання буде складати величину близько 1,2кВт. Тому для підвищення потужності у зимовий час за допомогою форсунок 6 розпилюють воду з масовою витратою близько 1кг/c, що приведе до виділення на виході з труби додаткової енергії 334кДж/с (при теплоті кристалізації води 334Дж/г). Ця енергія йде на утворення теплого повітряного пузиря, що розташовується над трубою, а кількість теплоти буде дорівнювати A=P Q; (1) де А - теплота кристалізації води (Дж/с); Ρ - тиск у повітряному пузирі (Па); Q - об'ємна витрата повітря (м 3/с). За умовою рівноваги з навколишнім повітрям тиск у теплому повітряному пузирі приймаємо Ρ=101000Па. Знаходимо Q=334000/101000=3,3м 3/с. Величина кінетичної енергії руху сухого повітря дорівнює: Екин=mV12 /2=rSV1 3/2; (2) де Екин - кінетична енергія руху повітря (Дж/с); m - масова витрата повітря (кг/с); V1 - лінійна швидкість руху повітря (м/с); r - густина повітря (кг/м 3); S - площа перетику труби (м 2). З урахуванням кубічної залежності величини кінетичної енергії руху повітря, формула (2), у зимовий час за допомогою системи шиберів 7 перетин труби зменшується до величини 0,05м 2, лінійна швидкість руху повітря по трубі, де розмішена турбіна, буде складати величину V1=Q/S=3,3/0,05=66м/с, а кінетична енергія руху повітря в турбіні буде складати величину за формулою (2) Екин=1,3×0,05×(66)3/2=9,3кВт. З обліком 20% ККД перетворення енергії руху повітря через турбіну і енергетичні втрати на розпилення води, одержуємо кінцеву потужність 1,9кВт. Приймаючи в увагу сонячну компоненту, загальна потужність буде складати 2,7кВт. Робота у ві тряну погоду. Додаткову потужність електростанції дає приземний вітер. Приймаємо розміри бічної кишені повітрязабірника 5м на 20м (площа 100м 2). Лінійна швидкість руху повітря дорівнює 5м/с. По формулі (2). Знаходимо Екин=1,3×100×53/2=8,125кВт. З обліком 20% ККД потужність чисто вітрової енергетичної компоненти буде складати 1,62кВт. Потужність електростанції в літню пору (енергія сонця + енергія вітру) складає величину 8,125+1,62»10кВт. Потужність електростанції в зимовий час (енергія сонця +енергія кристалізації води + енергія вітру) складає 5кВт. Приклад 2. Розміри площі покритої прозорим покриттям 100м на 100м, площа 10000м 2 (див. Фіг.3 і 4), під яким розміщений водяний резервуар також самої площею і глибиною 2м. Розміри площі бічної кишені повітрязабірника 10м на 200м, прозоре покриття має в центральній частині витяжну трубу, висота труби складає 30м. Площа перетину тр уби 1м 2. Лопатки турбіни турбогенераторного вузла виконані з матеріалу аналогічному прикладу 1. Станція у літню пору працює аналогічно прикладу 1. Енергетика для даної площадки наступна. Для середньої широти середньодобову сонячну сталу приймаємо 150Вт/м 2. Максимальна теоретична сонячна потужність для даної площадки складає величину 1500кВт. Візьмемо до уваги загальновідомий факт, що максимальна температура нагрівання відкритої водяної поверхні води прямими сонячними променями не може бути більше 37°C. На випар 1г води при цій температурі витрачається 2427Дж, тобто за 1с буде випарюватися 1500000/2427=620г води, тиск водяної пари при 37°С складає величину 47,7мм рт.ст, густина водяної пари 0,051кг/м 3; тиск водяної пари при 20°С (на верху тр уби) складає величину 17,54мм рт.ст., густина пари при цій температурі складає величину 0,017кг/м 3, різниця густин пари при 37°С и 20°С буде складати величину 0,0510,017=0,034кг/м 3. У нашому випадку при даних температурах і потужності сонячної радіації при подачі на лопати турбіни негативного електричного потенціалу повинне сконденсуватися 620г/с води. Об'ємна витрата повітря з насиченою парою буде визначатися Q=0,62/0,034=18,2м 3/с. Приймаючи до уваги, що площа перетину труби 1м 2, то лінійна швидкість руху повітря по трубі буде складати 18,2м/с, при цій швидкості можливо забезпечити надійну і безаварійну роботу електростанції. З урахуванням неврахованих утрат ККД може досягати 50% і вище. Для даного приклада потужність електростанції в літню пору буде дорівнювати 0,7МВт. Станція у зимовий час працює в такий спосіб. Використовується теж саме устаткування, що і при роботі в літню пору, але нагорі витяжної труби установлюються форсунки, що розпилюють воду, що замерзає, при цьому виділяється теплота кристалізації, що сприяє утворенню тяги. Порахуємо енергетику. Розміри площадки 100м на 100м. Сонячна радіація для зими (для середньої широти сонячна стала 25Вт/м 2) складає величину порядку 250кВт. Приймаємо температуру на виході з труби мінус 15°С, під прозорим покриттям 0°С. Парціальні тиски пари води складають 0,77мм рт.ст. і 4,58мм рт.ст. відповідно. Кількість води, що випаровується, буде складати 250000/2427=103г. Густина водяної пари при 0°С складає 4,84г/м 3. Густина пари при малих тисках є лінійна функція від тиску, тобто густина водяної пари при мінус 15°С буде складати величину близько 0,8г/м 3. Цілком можливо, що конденсація 103г пари буде забезпечена при подачі негативного електричного потенціалу на лопатки турбіни, для того, щоб забезпечити реалізацію потужності 250кВт тільки за рахунок сонячного випромінювання. З обліком 50% неврахованих утрат потужність електростанції в зимовий період тільки за рахунок сонячного випромінювання буде складати величину близько 120кВт. Тому для підвищення потужності станції у зимовий час за допомогою форсунок може розпорошуватися вода з масовою витратою близько 10кг/с, що приведе до виділення на виході з труби додаткової енергії 3340кДж/с (теплота кристалізації води 334Дж/г). За умовою рівноваги з навколишнім повітрям тиск у теплому пузирі приймаємо Ρ=101000Па. Знаходимо Q=3340000/101000=33м 3/с. З урахуванням кубічної залежності величини кінетичної енергії руху повітря формули (2), у зимовий час за допомогою системи шиберів перетин у вході в турбіну зменшується до 0,25м 2, лінійна швидкість руху повітря буде складати величину V1=Q/S=33/0,25=132м/с, кінетична енергія руху повітря буде складати величину згідно формули (2) Екин=1,3×0,25×(132)3/2-373,7кВт. З обліком 20% ККД перетворення енергії руху повітря через турбіну і енергетичні втрати на розпилення рідини одержуємо кінцеву потужність рівну 74,7кВт. Приймаючи до уваги сонячну компоненту, загальна потужність буде складати близько 194,7кВт. Станція у вітряну погоду працює в такий спосіб. Додаткову потужність електростанції дає приземний вітер. Приймаємо розміри бічної кишені повітрязабірника 10м на 200м. Лінійна швидкість руху повітря дорівнює 5м/с. По формулі (2) знаходимо Екин=1,3×2000×53/2=162,5кВт. З обліком 20% ККД потужність чисто вітрової енергетичної компоненти буде складати 32,5кВт. Техніко-економічна ефективність пропонованого способу характеризується наступними показниками: ККД перетворення сонячного випромінювання складає не менш 20% (у порівнянні з прототипом, ККД якого складає 1%); потужність електростанції в літню пору (енергія сонця + енергія вітру) складає 0,6-0,8МВт; потужність електростанції в зимовий час (енергія сонця +енергія кристалізації води + енергія вітру) складає 0,2-0,3МВт, (у порівнянні з прототипом потужність 50кВт); геометричні розміри пропонованого пристрою (Фіг.3 і 4): розмір прозорого покриття 100м на 100м, висота труби 30м (у порівнянні з прототипом 240м на 240м і висота труби 194м). Виготовлено діюча модель електростанції, робота якої перевірена і випробувана в різних експлуатаційних режимах. Отримано позитивні результати, що відповідають вищенаведеним розрахункам.