Способ преобразования энергии ветра для производства электрической энергии, тепла и пресной воды

(51) 03 3/28 (2006.01) 03 3/04 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ энергию и/или дополнительного вовлечения воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов, при этом извлечение воды из воздуха осуществляется при помощи вихревого эффекта и/или адсорбентов ускорение воздушного потока ветра осуществляется при помощи параллельнопоследовательных систем конфузоров и диффузоров системы конфузоров и диффузоров могут иметь как линейную, так и пространственную конфигурацию дополнительное вовлечение воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов осуществляется при помощи инжекции и вакуума и используется для дополнительной выработки электрической энергии извлечение воды из воздуха при помощи вихревого эффекта осуществляется посредствам вихревых труб, в которых воздушный поток разделяется на горячий поток для технологических нужд и холодный поток для охлаждения конденсационных блоков извлечение воды из воздуха при помощи адсорбентов,которыми покрывают специальные блоки,осуществляется в диффузоре в качестве адсорбентов используются хлориды лития и/или кальция.(76) Лысенко Виктор Степанович Пралиев Серик Жайлауович///.6,Ветроустановка может обеспечить питьевой водой, 2009(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ТЕПЛА И ПРЕСНОЙ ВОДЫ(57) Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию и тепло и одновременного получения пресной воды из атмосферного воздуха и/или опреснения морской воды. Сущность изобретения заключается в следующем способ преобразования энергии ветра для производства электрической энергии и пресной воды, содержащий операции преобразования энергии ветра посредствам ветродвигателя с генератором тока и извлечения воды из атмосферного воздуха, дополнен операциями ускорения воздушного потока ветра перед подачей его к ветродвигателю и преобразования энергии потока воздуха в тепловую Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию и тепло и одновременного получения пресной воды из атмосферного воздуха и/или опреснения морской воды. Известны способ и устройство для извлечения воды из воздуха, изложенные в Патенте РФ 2081256 (Опубликован 10.06.1997). Согласно этому способу формируют поток воздуха,содержащего пары воды, и осуществляют искусственное охлаждение потока воздуха на одном участке этого потока, организуют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения,конденсируют пары воды в той части потока воздуха, температура которой ниже точки росы, и выбрасывают обезвоженный воздух в атмосферу,при этом оптимизируют теплопередачу между частями потока воздуха, находящимися по обе стороны от участка искусственного охлаждения,уменьшая таким образом долю энергетических затрат на охлаждение воздуха. Недостатком этого способа является не использование кинетической энергии потока воздуха для преобразования е в электрическую и/или тепловую энергию. Известна ветроустановкаавстралийского изобретателя Макса Виссона( - Сайт о возобновляемой энергетике Ветроустановка может обеспечить питьевой водой ///.6), которая использует энергию ветра для сбора воды. Технология этой ветростанции следующая набегающий ветер вращает вертикальные ветродвигатели для производства электрической энергии, и далее попадает в кожух, в котором используется специальный охладитель, который охлаждает лопасти расположенные внутри кожуха. Лопасти расположены вертикально. Отработавший поток воздуха, попадая на охлажденные лопасти,конденсируется. В результате этого идет превращение водяного пара в воду. Недостатком этого способа является низкая эффективность использования энергии ветра для преобразования е в электричество. Наиболее близким аналогом, то есть прототипом является технология преобразования энергии ветра для одновременного производства электричества и воды из воздуха ( - Сайт о возобновляемой энергетике Ветроустановка может обеспечить питьевой водой///.6). Эта технология реализована в установке. Набегающий поток воздуха приводит в движение ветроколесо установки,передающее момент вращения на генератор, который вырабатывает электроэнергию, часть которой идет для питания компрессора и других узлов для получения воды из атмосферного воздуха. Недостатком этого способа является также низкая эффективность преобразования энергии ветра. Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования энергии ветра. Поставленная задача достигается тем, что способ преобразования энергии ветра для производства электрической энергии и пресной воды,содержащий операции преобразования энергии ветра посредствам ветродвигателя с генератором тока и извлечения воды из атмосферного воздуха,дополнен операциями ускорения воздушного потока ветра перед подачей его к ветродвигателю и преобразования энергии потока воздуха в тепловую энергию и/или дополнительного вовлечения воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов, при этом извлечение воды из воздуха осуществляется при помощи вихревого эффекта и/или адсорбентов ускорение воздушного потока ветра осуществляется при помощи параллельно-последовательных систем конфузоров и диффузоров системы конфузоров и диффузоров могут иметь как линейную, так и пространственную конфигурацию дополнительное вовлечение воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов осуществляется при помощи инжекции и вакуума и используется для дополнительной выработки электрической энергии извлечение воды из воздуха при помощи вихревого эффекта осуществляется посредствам вихревых труб, в которых воздушный поток разделяется на горячий поток для технологических нужд и холодный поток для охлаждения конденсационных блоков извлечение воды из воздуха при помощи адсорбентов,которыми покрывают специальные блоки,осуществляется в диффузоре в качестве адсорбентов используются хлориды лития и/или кальция. Для обоснования преимуществ новой технологии проведем теоретический анализ принципов использования кинетической энергии ветра в сравнении с традиционной технологией, которая используется в прототипе. Кинетическая энергия ветра определенной площади по известной зависимости запишется в виде где- плотность воздуха- время- площадь, охватываемая вращающимся ротором- скорость ветра. Из выражения (1) мощность традиционного ветродвигателя с охватываемой ротором площадьюможно записать в следующем виде 3,2 где- коэффициент использования энергии ветра, который для лучших современных ветряных станций традиционного типа равен 0,4-0,5 при теоретическом предельном значении 0,593(3 акон Беца). При осуществлении предлагаемой технологий,когда поток ветра ускоряется, например, в воздуховоде в виде системы конфузоров и ветродвигатель устанавливается на выходе из них,скорость потока воздуха на входе в ветродвигатель увеличится пропорционально степени сужения конфузора и, в соответствии с законом сохранения количества движения, запишется в виде,22 где 2 - скорость потока на выходе из конфузораи 2 - соответственно площади входного и выходного отверстия конфузора р 2 - плотность воздуха на выходе из конфузора- скорость ветра на входе в конфузор. Кинетическая энергия ветра на входе в конфузор рассчитывается по формуле (1), а на выходе из него запишется соответственно в виде 3. 22 Мощность установленного после конфузора ветродвигателя, эффективность преобразования энергии которого такая же, как и у традиционного ветродвигателя, запишется в виде. 22 Квадратный корень формул (5) и (6) показывает степень возрастания кинетической энергии и мощности потока воздуха на выходе из конфузора по отношению к традиционному способу преобразования энергии ветра, когда используется энергии ветра соответствующая энергии на входе в конфузор. Для конфузора круглого сечения зависимость (6) запишется в видентр гдеи- радиусы соответственно входной и выходной полости конфузора. Следует отметить, что полученные зависимости не учитывают турбулентные сопротивления, а также трение воздуха о стенки конфузора. Однако эти сопротивления существенно меньше степени возрастания кинетической энергии потока воздуха за счет конфузора. Например, если радиусвходного отверстия конфузора в 10 раз больше радиусавыходного отверстия конфузора, и при этом плотность воздуха увеличится на выходе из конфузора также в 10 раз, то в соответствии с формулой (7) мощность воздушного потока предлагаемого способа будет выше мощности прототипа в 3 раза. В реальности это значение будет несколько ниже из-за потерь на трение воздуха о стенки конфузора и турбулентность. Таким образом,оптимизация конструкции ускорителя ветряных масс воздуха и используемых для его изготовления материалов (с наименьшими потерями на трение) позволит значительно повысить эффективность преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Следующей положительной особенностью предлагаемого способа преобразования энергии ветра является использование вихревого эффекта. Известно, что при организации вихревого потока воздушных масс, например в вихревой трубе,происходит разделение вихревого потока воздуха на горячий периферийный и холодный внутренний. Горячий периферийный можно использовать как тепловую энергию для отопления или иных технологических нужд. При этом холодный внутренний поток при определенных технологических параметрах потока и конструкции вихревой трубы будет обеспечивать конденсацию содержащихся в воздухе водяных паров. Кроме того подача холодного воздуха через конденсационные блоки обеспечит дополнительную конденсацию воды из окружающего атмосферного воздуха вовлеченного в технологический процесс за счет инжекции и вакуума. Это позволит повысить эффективность получения пресной воды из потоков ветра и окружающего установку воздуха без дополнительных энергетических затрат. Способ преобразования энергии ветра для производства электрической энергии, тепла и пресной воды осуществляется следующим образом. Потоки ветра направляются в заборные окна,которые могут располагаться по окружности вокруг вакуумной зоны для обеспечения работы установки при изменении направления ветра и попадают в системы конфузоров, в которых воздушные потоки ускоряются и концентрируются на инжекторе вакуумной зоны, создавая в ней разряжение. Это приводит к интенсивному всасыванию воздушных масс из окружающей среды при помощи специальных сборников, которые направляют эти потоки по касательным траекториям на лопасти первого ветродвигателя соединенного с генератором тока для выработки электрической энергии. Вращение этого ветродвигателя осуществляется за счет энергии потока всасываемых воздушных масс и возникающего в центре зоны вакуума, за счет которого значительно снижается сопротивление вращению ротора ветродвигателя. Сконцентрированные ускоренные потоки ветра из конфузоров соединяются с завихренными потоками воздуха из вакуумной зоны и попадают в дополнительный воздуховод, выполненный из последовательных конфузоров и диффузоров в виде сопел Лаваля. В этом воздуховоде воздушные массы дополнительно ускоряются и воздействуют на турбину второго ветродвигателя. Вращательное движение ротора этой турбины передается второму генератору тока. Далее отработанные массы воздуха за счет конструкции турбины концентрируются в центральной зоне и подвергаются интенсивному завихрению и направляются в вихревую камеру 3(вихревую трубу). В вихревой камере воздушные потоки за счет вихревого эффекта разделяются на два потока. Внутренний поток насыщается влажными парами и охлаждается. Он направляется в специальные конденсационные блоки и, охлаждая их до точки росы, обеспечивает конденсацию влаги из окружающего воздуха на их наружных поверхностях. Далее этот поток направляется в диффузор, где размещаются блоки покрытые адсорбентом,которые адсорбируют влагу. Сконденсированная и адсорбированная вода собирается и стекает по направляющим в специальные накопители пресной воды. Наружные потоки воздуха в вихревой трубе за счет вихревого эффекта нагреваются и по известным технологиям используются для нагрева воды или отопления помещений. Таким образом, предлагаемая технология позволяет преобразовывать энергию ветра в электрическую и тепловую энергию и без дополнительных энергетических затрат производить питьевую воду из атмосферного воздуха. Технология может использоваться как отдельно для производства электрической энергии или тепла или пресной воды, так и в комплексе в зависимости от потребностей потребителя. Кроме того, предложенная технология может использоваться для опреснения морской воды. В этом случае вакуумная зона располагается непосредственно над поверхностью соленого водоема, обеспечивая интенсивное испарения воды с этой поверхности. При этом получаемое тепло может использоваться для нагрева соленой морской воды для повышения производительности технологии. Следует отметить, что вариантов конструкции реализующих предлагаемый способ может быть много. В настоящее время изготавливается опытный образец одного из вариантов устройства для реализации предлагаемого способа. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ пресной воды,содержащий операции преобразования энергии ветра посредствам ветродвигателя с генератором тока и извлечения воды из атмосферного воздуха отличающийся тем,что он дополнен операциями ускорения воздушного потока ветра перед подачей его к ветродвигателю и преобразования энергии потока воздуха в тепловую энергию и/или дополнительного вовлечения воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов, при этом извлечение воды из атмосферного воздуха осуществляют при помощи вихревого эффекта и/или адсорбентов. 2. Способ по п.1 отличающийся тем, что ускорение воздушного потока ветра осуществляют при помощи параллельно-последовательных систем конфузоров и диффузоров. 3. Способ по п.п.1 и 2 отличающийся тем, что системы конфузоров и диффузоров могут иметь как линейную, так и пространственную конфигурацию. 4. Способ по п. 1 отличающийся тем, что преобразование энергии потока воздуха в тепловую энергию осуществляют при помощи вихревого эффекта. 5. Способ по п.1 отличающийся тем, что дополнительное вовлечение воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов осуществляют при помощи инжекции и вакуума и используют для дополнительной выработки электрической энергии. 6. Способ по п.п.1 и 4 отличающийся тем, что извлечение воды из воздуха при помощи вихревого эффекта осуществляют посредствам вихревых труб,в которых воздушный поток разделяется на горячий поток для технологических нужд и холодный поток для охлаждения конденсационных блоков. 7. Способ по п.1 отличающийся тем, что извлечение воды из воздуха при помощи адсорбентов, которыми покрывают специальные блоки, осуществляется в диффузоре. 8. Способ по п.1 и 7 отличающийся тем, что в качестве адсорбентов используются хлориды лития и/или кальция. 1. Способ преобразования энергии ветра для производства электрической энергии, тепла и