Способ преобразования солнечной энергии в механическую

воздушный поток от воздухозаборнь 1 х средств через ветротурбину И воздухоотводящую тяговую трубу для получения механической энергии вращательного движения ветротурбины, отличающийся тем, что посредством тепловой энергии, образовавшейся при термическом преобразовании солнечных лучей, приводят в непрерывное ускоряющееся вращение названный слой воздуха, охваченный светопроницаемым теплоизолирующим материалом, вокруг вертикальной оси воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины с образованием технологически последовательных горизонтальных воздушных кольцевых каналов тороидальной формы, моделирующих энергетически активные воздуховоды управляемой длины, причем в течение каждого оборота воздушного слоя в его последовательных составных участках кольцевой формы посредством совмещения в нем периодического импульсного теплового воздействия и плавных температурных градиентов осуществляют наращивание скорости и энергии его вращательного движения с Целевым образованием устойчивых процессов вихрегенерации путем размещения в пространстве его вращения наклонных ветронаправляющих поверхностей, находящихся под управляемым многомерным тепловым воздействием, расположенных на расстоянии друг от друга и содержащих комплекс конструктивных элементов, например, в виде участков поверхностей тел вращения, определяющих наиболее эффективные условия полезных вихреобразований с применением дополнительных ветронаправляющих поверхностей, вь 1 полняющих, в частности, функции локальных ветропотолков, при этом от созданного вращающегося вихресодержащего воздухопотока отделяют в течение каждого оборота вокруг вертикальной оси часть его восполняемого объема и накопленной энергии и направляют во входную полость ветротурбины под углом, близким к прямому, относительно ветроприемнь 1 х поверхностей ее лопастей посредством сопрягающих аэродинамических устройств, и далее с сохранением принципа вихревого движения воздушного потока - в воздухоотводящую тяговую трубу, при этом управляемое тепловое воздействие на наклонные ветронаправляющие поверхности, обеспечивающие генерацию искусственного вращающегося вихресодержащего воздухопотока, осуществляют частью за счет прямой солнечной энергии, поступающей через светопроницаемый теплоизолирующий материал,а другой частью - за счет управляемого подвода к ним потоков технологического рабочего тела от тепловых преобразователей и аккумуляторов солнечной энергии, причем преобразование ранее накопленной солнечной энергии в тепловые потоки рабочего тела осуществляют преимущественно за пределами названного светопроницаемого теплоизолирующего материала.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что создают посредством светопроницаемого и теплоизолирующего материала технологические поверхности, например, цилиндрической формы заданной высоты, охватывающие ось воздухоотводящей тяговой трубы и ветротурбины, и плотно соединяющие их сверху и снизу поверхности, например, в виде плоских колец, которые образуют совместно ветронаправляющие светопроницаемые потолки,стенки и полы воздушных кольцевых каналов, расположенных параллельно друг другу и с нарастающей высотой их размещения от периферии к ветротурбине, в которых устанавливают наклонные ветронаправляющие и теплогенерирующие поверхности, значения температуры которых задают и регулируют энергетическими потоками технологического рабочего тела различной тепловой интенсивности, созданными путем применения различных форм преобразования и аккумулирования солнечной энергии, при этом для получения энергетических потоков технологического рабочего тела применяют, например, автономные солнечные тепличные комплексы, покрытые светопроницаемым теплоизолирующим материалом, открытые водоемы, содержащие воду с естественной температурой,равной или превышающей 4 С, установки для утилизации растительных и пищевых отходов, образующихся в окружающей среде, и бытовых отходов как продуктов жизнедеятельности в ней, которые совместно позволяют создать спектр потоков технологического рабочего тела различной тепловой интенсивности, при этом производят последовательное, ВУ 9005 С 1 200741248от одного воздушного кольцевого канала К другому, повышение тепловой интенсивности наклонных ветронаправляющих поверхностей для последовательного нарастания скорости вращающегося воздушного потока от периферии к сопрягающим аэродинамическим устройствам, расположенным перед ветротурбиной, при этом на теплогенерирующие наклонные ветронаправляющие поверхности подают нагретую воду, пар и вспомогательный воздушный поток, проходящий Через нагретую воду струями малого поперечного сечения, посредством Чего осуществляют режим эффективного вспомогательного парообразования, способствующий ускорению энергетического насыщения вращающегося вихресодержащего воздушного потока в созданных воздушных кольцевых каналах.3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сопрягающие аэродинамические устройства создают посредством наклонных теплогенерирующих и ветронаправляющих поверхностей, плавно сопряженных между собой таким образом, что их суперпозиция образует определяемые технологическими вариантами воздухоускоряющие и ветронаправляющие поверхности, например, в виде конически сужающихся винтовых аэродинамических поверхностей, в том числе с уменьшением угла их подъема вдоль вертикальной оси по мере приближения участков воздушного канала ко входной полости ветротурбины, причем винтовые аэродинамические поверхности отделяют от окружающего пространства посредством воздухонепроницаемых теплоизолирующих конструкций с применением материалов и профилей, формирующих внутренние аэродинамические поверхности по условиям минимизации силы трения движущегося во входную полость ветротурбины вь 1 сокоскоростного вращающегося вокруг ее оси воздухопотока, при этом внешним энергетическим потокам, подводимым к аэродинамическим винтовым поверхностям, сообщают максимальный потенциальный уровень и подают на них мелкодисперсные струи и/или микрочастицы горячей воды, за счет чего посредством активного вспомогательного парообразования ускоряют финишное вращательно-поступательное движение воздушного потока и обеспечивают попадание микрочастиц воды на ветропринимающие поверхности лопастей ветротурбины, за счет чего возбуждают на них поле микровихрей и квазикавитационнь 1 е процессы в них.Настоящее предлагаемое изобретение относится к области создания энергоустановок на основе использования солнечной энергии.Известен способ преобразования энергии солнечных лучей и естественного ветра, как одного из конкретных проявлений солнечной энергии в окружающей среде, в электрическую энергию, основанный на принципе поглощения солнечных лучей темной поверхностью, нагрева контактирующего с темной поверхностью воздуха и направления его в воздухоотводящую трубу через ветротурбину, сочлененную с электрогенератором (см. а.с. СССР Не 1415745. Энергетическая установка, Р 0313 9/00, опубл. 15.08.88 г.)Недостатком данного способа является малая эффективность использования принципов и конструктивных решений, посредством которых способ реализуется. В данном техническом решении применяют практически ламинарное прямолинейное движение рабочего тела - воздуха из окружающей среды через гелиопреобразующее пространство,содержащее темную поверхность и светопроницаемое теплоизолирующее покрытие, в ветротурбину. Такое движение воздушного потока не позволяет осуществлять его значительное энергетическое насыщение до входа в ветротурбину и придать ему характеристики, хорошо сопрягающиеся с процессом преобразования энергии воздушного потока в механическую энергию вращательного движения ветротурбины.Известен способ преобразования солнечной энергии, изложенный во французской заявке Коллектор солнечной энергии повышенной эффективности (см. Не 2698682, опубл. 03.06.94 г.), использующий поглощение солнечных лучей темной поверхностью, нагрев воздуха, контактирующего с темной поверхностью, воздухопроницаемым гелиопогло ВУ 9005 С 1 200741248щающим Материалом, И его дальнейшее направление через ветротурбину. Данное техническое решение в своем конструктивном исполнении более эффективно, Чем предыдущее,в связи с важным применением воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала. Однако и в данном случае не использованы принципы интенсификации движущегося воздушного потока, даже не использованы потенциальные возможности воздухопроницаемого гелиопоглощающего материала для придания специальных динамических свойств движущемуся воздухопотоку.Наиболее известным устройством преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, широко дискутируемым в научной и инженерной общественности, является электростанция 5 о 1 аг СШшепеу, введенная в эксплуатацию в 1990 г. поблизости к городу Манзанарес в Испании, которое называют в русской терминологии Солнечным камином (см., например, Лысов В.Ф. Аэротурбинные электростанции. - Энергия, 1991. Не 6). Несмотря на значительные размеры солнечного коллектора (диаметр 245 м, высота 1-85 м) и воздухоотводящей трубы (диаметр 10 м и высота 195 м), достигнутая мощность установки составила всего лишь 36 кВт. На основании достигнутых результатов в подавляющем большинстве научных и инженерных оценок делается вывод о неэффективности преобразования солнечной радиации посредством использования нагреваемого ветропотока, с привязкой к известным законам термодинамики.Однако, в данном случае обоснование такого отрицательного вывода со ссылкой на законы термодинамики несостоятельны. Во-первых, в данном техническом решении имеются конструктивные недостатки, связанные со слабостью конструкции солнечного коллектора, в котором не применена воздухопроницаемая гелиопоглощающая поверхность,не применены средства парообразования, например с применением культивируемых растений и водных резервуаров, способных дать дополнительный экономический эффект в рамках тепличного комплекса наряду с повышением интенсивности энергетического насыщения воздушного потока. Кроме того, подход к конструкции воздухоотводящей трубы оказался консервативным, приводящим к весьма высокой ее стоимости, наряду с целым рядом других конструктивных недостатков. Во-вторых, в данном техническом решении также не осуществлены принципы вихреобразования, а это можно было и можно теперь легко осуществить, имея в виду масштабные круговые формы созданного солнечного коллектора. В частности, движущемуся радиально воздухопотоку легко придать вращательное круговое движение и добиться наращивания скорости вращательного движения воздуха перед входом его в воздухоотводящую трубу и турбину. Кроме того, было бы целесообразно целенаправленно создать термическую неоднородность гелиопоглощающей поверхности, и за счет этого внести в воздушный поток вихревые процессы, что позволяет сообщить движущемуся воздушному потоку несравненно больший энергетический потенциал. В связи с таким анализом, приоткрывающим суть предлагаемого авторами технического решения, электростанция вблизи Манзанареса в Испании может еще послужить прототипом для модернизированных высокоэффективных установок.Принцип возможного применения вращательных вихревых движений воздуха для солнечных электростанций известен в теоретических разработках и отдельных попытках практической реализации (см., например Соловьев А.А., Солодухин А.Д. Конвективный вихрь-преобразователь солнечной энергии // Изв. АН БССР, сер. физ. энерг. наук. - 1989. Не 1). Теоретические исследования показывают, что имеют место значительные возможности для наращивания эффективности преобразования солнечной энергии в механическую, если успешно создаются определенные условия для управления турбулентностью воздухопотока как рабочего тела в преобразовании солнечной энергии.Проект крупномасштабной гравитационно-тепловой электростанции предложен В.В. Кушиным (см., например Кушин В.В. Смерчи. - М. Энергоатомиздат, 1993). Однако, это предложение носит прежде всего теоретический характер, так как не излагает способа реализации, пригодного для реальных инженерных и экономических условий.С учетом изложенного И разработанных теоретических основ вихреобразования в энергетических воздушных потоках, наиболее близким техническим решением к предложенному согласно изобретению является электростанция с искусственной генерацией вращающегося течения (см. Рошшег ЬА. Рошег бепегагог Пййийп Ыеуагйоп-Тешрегагиге Вйггегепгйгп. Патент США Не 4187686, опубл. в 1980 г.). В основе ее находится вертикально расположенный цилиндр, замкнутый сверху и снизу. В цилиндре-трубе, согласно указанному прототипу, возникают вращающиеся потоки восходящего теплого воздуха (и нисходящего холодного, как в классической вихревой трубке). Хотя вихревые потоки содержат крупный энергетический потенциал, вывод нагретого вихревого воздухопотока из замкнутой трубы через соответствующие каналы связан со значительными потерями его кинетической энергии. И это является, наряду с другими недостатками, самым главным недостатком названного прототипа.Поэтому задачей настоящего технического решения, согласно предлагаемому изобретению, является создание способа преобразования солнечной энергии на основе получения, посредством ее теплового проявления, вращательного вихревого движения воздушной среды с высокой кинетической энергией на входе в ветротурбину, причем вход вихревого вращающегося воздушного потока во внутреннюю полость ветротурбины должен быть направлен под углом, близким в ее середине к прямому, относительно ветропринимающих поверхностей лопастей, когда кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в механическую энергию вращательного движения ветротурбины с минимальными потерями. При этом в создаваемом способе должно быть найдено техническое решение, при котором воздушный поток, в процессе накопления в нем кинетической энергии, мог бы находиться под тепловым интенсивным воздействием в течение достаточно продолжительного времени до входа в ветротурбину, что практически нереализуемо при вертикальном расположении трубы, в которой происходит процесс накопления его кинетической энергии согласно названному прототипу.Эти задачи в предложенном способе, согласно изобретению, нашли свой вариант решения.Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного преобразования энергии солнечных лучей в механическую энергию, повышение экономической эффективности и достижение значительных мощностей промышленных гелиоэнергетических установок.Частными техническими результатами предлагаемого изобретения, создающими технико-экономические условия для обеспечения широкого строительства подобных гелиоэнергокомплексов в государственных масштабах, являются снижение величины капитальных затрат на единицу мощности в сравнении со стандартными ТЭЦ, ГЭС и АЭС,создание условий для использования больших по площади солнечных коллекторов с целью выращивания культивируемых растений в тепличных средах, для утилизации тепловых потерь, возникающих в смежных технологических процессах, а также снижение шумового воздействия гелиоэнергетических комплексов на окружающую среду и другие. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что относительно известных способов преобразования солнечной энергии в механическую энергию, основанных на поглощении солнечных лучей темными поверхностями твердых тел и жидкими средами, отделенными от окружающего пространства светопроницаемым теплоизолирующим материалом и слоем воздуха, находящимся между последним и названными гелиопоглощающими поверхностями и средами, который соединен с окружающим пространством через воздухозаборные средства, в связи с чем участки указанного воздушного слоя нагреваются и благодаря конвективному процессу, проявление которого усиливается на локальных технологических участках средствами вихреобразования в нем,возникает направленный воздушный поток от воздухозаборных средств через ветротурбину и воздухоотводящую трубу, что позволяет производить выработку механической