一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法

2023-06-03 01:03:36 3

專利名稱：一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法
技術領域：
本發明涉及一種發電裝置及其方法，特別涉及一種人造龍捲風為動力的發電裝置及其方法。
背景技術：
隨著現代科學技術迅猛發展和民眾生活水平的提高，工商業耗能及家電耗能急劇增加，世界能源面臨緊張狀態。目前，人們所使用的能源主要來自煤、石油、天然氣、核反應堆及水力發電，這些能源中多數存在環境汙染和資源開採有限，且遠不能滿足人們的需求。有鑑於此，多年來就有人在探索、開發「綠色能源」，如太陽能、海洋能、生物能、風能等。但是，對於大氣對流層中蘊藏著的巨大能源，卻很少有人研究。
本發明旨在利用大氣對流層熱空氣上升的規律，通過一種特定的裝置，引導上升氣流旋轉，產生可控制性龍捲風效應並用於發電。
龍捲風是一種天氣現象，具有很大的破壞力，可給人類帶來莫大的災害，同時也顯示，龍捲風這種大氣運動的特殊形式具有巨大的能量。龍捲風是對流層熱空氣劇烈上升，冷空氣急劇下降的強對流氣候所致，其直徑從數米(3～5m)到數百米不等，風速一般在100m/秒～150m/秒之間，有的可達200m/秒，其吸引能力主要來自它的高速氣旋中心產生的負壓。龍捲風實際上是一種管狀高速氣旋，在北半球逆時針旋轉時(南半球順時針旋轉時)，氣旋中心的壓力極低，可低至200百帕左右(標準大氣壓是1013.25百帕)，這種負壓具有非常強大的吸引力。所謂「變害為利」即是利用這種負壓導致的高速空氣流發電。至今關於人造龍捲風的文獻概括起來主要有兩種方法其一是「斜門風塔」，即建一座具有數扇統一斜向開啟小門的風塔，當自然風吹進風塔時，由於「斜門」導向的結果，使進入塔內的空氣形成氣旋，據稱，這樣的「龍捲風」發電比同樣大小的風機大10倍，例如流體力學家嚴雋森的龍捲風機模型(「氣象萬千」網www.i1121.net)；其二是「偏心射入氣體」，即在裝置的周邊，藉助其他熱源產生的氣體或電動鼓風機，用數個噴射嘴沿切線將氣體偏心吹入某管道或區域內，由此產生氣旋，如中國專利，授權公告號CN1136419C，日本人士松井茂夫的「人造龍捲風發生機構」，中國專利公開號CN1257160A，重慶人士陳玉德等的「人造龍捲風發電系統」等。目前，此類設計尚未達到提供足夠電力的規模水平。其存在的不足為一是原動力不理想，如自然風的不穩定性、加熱空氣或電動鼓風需要消耗其他能源；二是所產生的氣旋在普通管道內或局部空間上升時，因氣旋周邊氣體受到摩擦阻滯作用，氣旋會逐漸減弱，中心負壓減小直至消失；三是管道長度有限，達不到類似「龍捲風」的強大動力效應。有鑑於此，要使「人造龍捲風」真正達到提供實用電能的程度，還需要徹底改進。本發明將克服這三方面的缺陷。
一、利用對流層大氣溫差所致的熱空氣上升流為原動力地球大氣對流層內，垂直高度每增加100m，溫度即降低0.65℃，越往高處，溫度越低。近地面的空氣因受太陽光的照射而獲得熱能，氣體膨脹，密度減小，形成上升氣流；而對流層上部的冷空氣則因地心引力作用而下沉。用20cm直徑，50m高的塑料管(PVC管)沿高層建築牆壁垂直架設，人工緩慢加熱低端管道口周圍空氣，此模擬實驗觀察到，一旦管道兩端出現溫差(低端溫度大於高端溫度)0.5℃，即可觀察到管內有明顯的上升氣流，氣流速度隨管道兩端的溫差值增加而增大。在地球大氣對流層範圍內，管道垂直高度越高，其兩端的溫差值越大，管道內氣流速度也就越快，所產生的動力也越大，這種管道兩端促使氣流快速上升的溫差，就是人造龍捲風有效的原動力。對此，現有人造龍捲風技術尚未認識及應用。對流層範圍內，隨高度增加而溫度遞減的溫差梯度與地球同在，故上升氣流這種動力也與地球同在，而且受晝夜、季節影響不大，可以維持穩定和持久的人造龍捲風原始動力。
二、利用間斷性螺旋脊抽氣管道的特殊結構引導上升氣流旋轉如果氣體在平滑管道內上升流動，通常是直線上升，多呈軸流狀態，不會產生氣旋，也就無龍捲風效應。本發明利用流體運動過程中受固體導向的特性，在氣體上升的管道內，間斷性鑄造類似於螺母的螺旋脊狀結構(以下稱此管道為「間斷性螺旋脊抽氣管道」或「螺旋脊抽氣管道」)，使氣流在上升過程中形成高速氣旋，從而產生龍捲風效應。間斷性螺旋脊抽氣管道對上升氣流全程導向，使氣旋逐漸加速，氣旋中心負壓逐漸增大，吸引力也隨之增強，可克服現有技術僅在起始部產生氣旋而導致動力不足的缺陷。
三、利用陡峭山體或高層建築物鋪設搭建螺旋脊抽氣管道現有技術的人造龍捲風設計沒有很好地解決管道高度問題，本發明設計在垂直高度1000m以上的陡峭山體斜形鋪設間斷性螺旋脊抽氣管道，或沿300m以上的高層建築物垂直搭建間斷性螺旋脊抽氣管道，這樣能獲得必要的氣體溫差值及產生較大負壓的氣旋速度，以保證間斷性螺旋脊抽氣管道內氣流有足夠的動力推動大功率發電機葉輪旋轉發電。

發明內容
本發明克服了現有人造龍捲風技術中的不足，提供了一種長期、穩定、大功率的人造龍捲風發生裝置及其發電方法。
為了解決上述現有技術問題，本發明的技術方案是鑄造間斷性螺旋脊抽氣管道鋪設建造垂直高度為300m～3000m的龍捲風生成管道(斜形鋪設時以其垂直高度計)，管道低端連接發電機組及附屬設施，從而構成一個完整的人造龍捲風發電系統。
所述間斷性螺旋脊抽氣管道用硬塑料(如PVC)或不鏽鋼等堅固材料鑄造為節段性管材連接而成，各節段的長度、直徑隨設計功率以及交通運輸條件而定。通常，螺旋脊抽氣管道每節長度為5～10m，管道內空直徑為3～10m或更大(內空直徑不含螺旋脊)，管壁厚度為內空直徑的3～10％(如3m的內空管徑，管壁厚度為9cm；10m的管徑，管壁厚度可為70cm～100cm。內空直徑越大，管壁厚度所佔比例也越大)。每節管道中段佔其長度3/5的部分，(如5m長的管道，其中段的3m部分)平行鑄造三條凸向管腔的螺旋脊狀結構，兩端各1/5留空。北半球鑄造為逆時針上升螺旋脊，引導產生逆時針氣旋；南半球鑄造為順時針上升螺旋脊，引導產生順時針氣旋。螺旋脊凸向管腔的高度為內空直徑的5～10％(如3m的管徑，螺旋脊高為15cm，10m的管徑，螺旋脊高為100cm。內空直徑越大，螺旋脊凸向管腔所佔比例越大)。螺旋脊的橫切面類似「V」字形。螺旋脊上攀傾斜線與管道橫切水平線的夾角α大於45°，小於65°(45°＜α＜65°)。螺旋脊始末兩端呈扁薄圓鈍狀，形似一側劍鋒，以降低氣旋切入時的阻力。此種螺旋脊管道節段連接後即構成「間斷性螺旋脊抽氣管道」。
鋪設搭建間斷性螺旋脊抽氣管道時，各節間用套式接頭粘合連接，直至所需長度(高度)。沿陡峭山體斜形鋪設間斷性螺旋脊抽氣管道時，其坡度必須大於45°，儘可能向90°接近，沿高層建築搭建間斷性螺旋脊抽氣管道時，儘可能與地面成90°。間斷性螺旋脊抽氣管道外表面塗裹高效保溫隔熱材料，以使空氣流在上升過程中保持相對恆定的溫度。間斷性螺旋脊抽氣管道高端尾部，連接一段30～50m長的漏鬥狀管道，以緩解上升氣流出管道口時的振動力(類似槍枝消音器的作用)，漏鬥狀管道頂端建造排氣網、雨棚、避雷裝置。間斷性螺旋脊抽氣管道底端，依次連接氣流加熱管、電機室、頸管、氣流引導管、葉片式可調節閘門、進氣鬥、濾氣網以及氣流啟動鼓風機。
氣流加熱管須用熱效應電阻材料製造，其內徑略大於螺旋脊抽氣管道內徑，其作用是在氣流上升動力不足時，用發電機自身的電源加熱管內空氣，使上升氣流加快，恢復動力。電機室用於安裝發電機組，建造為圓筒形，底部安裝一帶活瓣的「U」形出水小管，電機室的大小根據發電機體積而定，要求安裝發電機後，所剩空間切面積為間斷性螺旋脊抽氣管道切面積的2倍以上，以利氣流暢通。發電機用金屬支架牢固支撐固定於電機室中央。頸管為發電機葉輪位置處，其內徑略小於間斷性螺旋脊抽氣管道內徑。氣流引導管的作用是使氣流衝擊發電機葉輪時已具備一定的動力慣性，其直徑略大於間斷性螺旋脊抽氣管道。葉片式可調節閘門的功能是調節進入管道系統的空氣量，用金屬材料製作並連接自動控制系統。進氣鬥為空氣入口通道，呈敞口狀，具有聚集空氣的作用。濾氣網為阻擋空氣流中的雜物，用鋼絲製作成半球形網狀結構，可一層或多層。鼓風機為管道系統第一次推動氣流上升所準備，間斷性螺旋脊抽氣管道及發電裝置安裝妥當後，如果不見氣流上升，即關閉葉片式可調節閘門並開動鼓風機片刻，隨即將葉片式可調節閘門開到最大並關閉鼓風機(鼓風機可用小型柴油機或汽油機帶動)，人造龍捲風發電系統即可運行。氣流加熱管與葉片式可調節閘門設置自動控制系統，通過壓力傳感器接受管道內的壓力刺激實現自動調節管內空氣流量，以維持發電機組穩定運行。
本發明的積極效果是1、本發明利用地球大氣對流層熱空氣上升氣流發電，這種能源取之不盡，用之不竭，無環境汙染，無錢財花費，是廉價的綠色能源。
2、間斷性螺旋脊抽氣管道全程引導上升氣流，使氣旋從下至上逐漸加速，得以形成高速氣旋而產生龍捲風效應，可以建造大功率人造龍捲風發電基地。
3、本發明主要沿陡峭山體建造，容易達到1000m以上的高度而獲得足夠的溫差動力，而且以山體作為載體，避免了凌空搭建垂直高支架的困難、耗費和存在的安全隱患問題。
4、本發明原理易懂，結構簡單，建設周期短，維持時間長，投資少，見效快，幾乎是一勞永逸的工程。
5、全球高山無數，適合建造本發明的地方眾多，容易推廣普及，可望逐步取代化石燃料及核燃料等能源，可改變世界能源結構現狀，從而減少溫室氣體排放、減少汙染，優化人類生成環境。


圖1是本發明總體結構示意圖(管道沿陡峭山體斜形鋪設)圖2是沿高層建築物垂直搭建示意3是管道內逆時針螺旋脊(A)及其引導氣旋方向(B)示意4是管道內順時針螺旋脊(A)及其引導氣旋方向(B)示意5是螺旋脊上攀傾斜線與管道橫切水平線夾角α角度示意6是螺旋脊抽氣管道套式接頭連接示意圖上述圖中所示H、垂直高度。1、濾氣網。2、進氣鬥。3、葉片式可調節閘門。4、氣流引導管。5、頸管。6、電機室。7、發電機葉輪。8、發電機。9、發電機支架。10、出水小管。11、氣流加熱管。12、間斷性螺旋脊抽氣管道。13、漏鬥狀管道。14、尾部支架。15、頂端的排氣網、雨棚、避雷針。16、鼓風機。17、螺旋脊。18、螺旋脊始末部扁薄圓鈍狀結構。19、大於45°小於65°的α夾角。20、套式接頭。
具體實施例方式
具體實施本發明時，首先須按照本發明技術方案要求鑄造相應型號的螺旋脊抽氣管道，然後選擇垂直高度1000m以上，坡度大於45°的陡峭山體設計建設藍圖。實施時，為保證鋪設間斷性螺旋脊抽氣管道的坡度大於45°，可採取挖掘溝槽埋設或用鋼筋水泥支柱空架跨越等措施建設。
各部件連接關係如圖1所示間斷性螺旋脊抽氣管道12上端尾部連接漏鬥狀管道13，並建造支架14，排氣網、雨棚、避雷針15；間斷性螺旋脊抽氣管道12底端依次連接氣流加熱管11、電機室6、頸管5、氣流引導管4、葉片式可調節閘門3、進氣鬥2、濾氣網1及鼓風機16。發電機8用支架9牢固安裝於電機室6中央，其葉輪7裝置在頸管5中部。電機室6底部安裝帶活瓣的出水小管11。
以下是
具體實施例方式例1設計建造一個2萬千瓦功率的人造龍捲風發電站首先，選擇垂直高度1500m以上，坡度大於45°的陡峭山體作為鋪設間斷性螺旋脊抽氣管道的基地，勘探線路、設計施工藍圖。按照本發明技術方案要求用硬塑料(如PVC等)鑄造5m內空直徑的螺旋脊抽氣管道(中段3m鑄造螺旋脊，兩端各1m留空。管壁厚30cm，螺旋脊高50cm)，連接總長度約2000m(鋪設後的垂直高度可達1500餘米，大氣溫差值約10℃)，沿設計線路安裝鋪設，間斷性螺旋脊抽氣管道12外表面塗裹高效保溫隔熱材料。間斷性螺旋脊抽氣管道12高端尾部安裝20～30m長的漏鬥狀管道13，漏鬥狀管道13末端建造排氣網、雨棚、避雷針15。間斷性螺旋脊抽氣管道12低端連接熱敏材料製作的氣流加熱管11，其內徑略大於螺旋脊抽氣管道12，長度可為10～15m，兩端用石棉、陶瓷等隔熱材料製作連接榫頭(分別與間斷性螺旋脊抽氣管道和電機室連接)，管外壁引出電源線，管內壁安裝壓力感受器自動控制電源開關。電機室6用金屬或硬塑料(如PVC)製造，呈圓筒形，具備有效的抗負壓強度，其直徑及長度須視2萬千瓦功率發電機組的體積而定，要求安裝發電機8後尚留有間斷性螺旋脊抽氣管道內空切面積兩倍以上的空間使氣流暢通，電機室6側面貼地面處開啟能容發電機進入的密閉門，便於發電機8的搬入及檢修。頸管5處是空氣流速最大處，用不鏽鋼製造，直徑略小於螺旋脊抽氣管道(4.95m)，長度以完全容納發電機葉輪7後前段尚有1m為度。氣流引導管4用硬塑料製造，壁厚15cm，直徑5.5m，長度15m，與頸管5連接端呈弧形收口，前方末段正上方連接進氣鬥2，正前方末端接鼓風機16進風管。進氣鬥2下口與氣流引導管4交界處安裝葉片式可調節閘門3，葉片式可調節閘門3用不鏽鋼板製造，需要較大的抗壓力強度，開啟最大直徑5.5m，設計為壓力反饋自動控制型。進氣鬥2用硬塑料製造，壁厚15cm，高3m，上口直徑6.5m，下口直徑5.5m。發電機8向廠家定製，發電機8安裝妥當後接出電源線到變電、輸電系統即可試機。
根據流體力學公式即可計算出本實施例的功率N(功率)＝Q*ν*H*ηQ(流量)＝切面積*流速
切面積半徑(5*1/2)的平方(6.25)乘3.1416得19.63(平方米)流速取龍捲風150m/秒的中速-80m/秒流量19.63*80＝1570.6(立方米/秒)ν(空氣重度)取12.26(牛頓/立方米)H(垂直高度)1500mη(效率)取0.75則N＝1570.6*12.26*1500*0.75＝21662500(w)→21662.5(千瓦)如果地理條件允許，可平行鋪設建造兩條或多條5m內空直徑的螺旋脊抽氣管道，並安裝相應的發電機組，組成一座功率較大的發電廠。
例2建造一座10萬千瓦功率的人造龍捲風發電廠首先，選擇垂直高度(H)2500m以上，坡度大於45°的陡峭山體作為鋪設間斷性螺旋脊抽氣管道12的基地，勘探線路、設計施工藍圖。按照技術方案要求用硬塑料(如PVC等)鑄造9m內空直徑的螺旋脊抽氣管道12，其中段5.4m鑄造螺旋脊17，兩端各1.8m留空，管壁厚90cm，螺旋脊17高90cm。連接總長度3000m(鋪設後的垂直高度約2500m，可達到16℃溫差值)，沿設計線路安裝鋪設。間斷性螺旋脊抽氣管道12外表面塗裹高效保溫隔熱材料。間斷性螺旋脊抽氣管道12高端尾部安裝30～50m長的漏鬥狀管道13，漏鬥狀管道13末端建造排氣網、雨棚、避雷針15。間斷性螺旋脊抽氣管道12低端連接熱敏材料製作的氣流加熱管11，其內徑略大於螺旋脊抽氣管道12內徑，長度可為15～20m，兩端用石棉、陶瓷等隔熱材料製作連接榫頭(分別與間斷性螺旋脊抽氣管道和電機室連接)，管外壁引出電源線，管內壁安裝壓力感受器自動控制電源開關。電機室6用金屬或硬塑料(如PVC)製造，呈圓筒形，具備有效的抗負壓強度，其直徑及長度須視10萬千瓦功率發電機組的體積而定，要求安裝發電機8後尚有足夠的空間讓氣流暢通，電機室6側面貼地面處開啟能容發電機8進入的密閉門，便於發電機8的搬入及檢修。頸管5處是空氣流速最大處，用不鏽鋼製造，直徑略小於螺旋脊抽氣管道(8.95m)，長度以完全容納發電機葉輪7後前段尚有1.5m為度。氣流引導管4用硬塑料製造，壁厚20cm，直徑9.5m，長度30m，與頸管5連接端呈弧形收口，前方末段正上方連接進氣鬥2，正前方末端接鼓風機16進風管。進氣鬥2下口與氣流引導管4交界處安裝葉片式可調節閘門3，葉片式可調節閘門3用不鏽鋼板製造，需要較大的抗壓力強度，開啟最大直徑9.5m，設計為壓力反饋自動控制型。進氣鬥2用硬塑料製造，厚30cm，高5m，上口11m，下口9.5m。發電機8由廠家定製，發電機8安裝妥當後接出電源線到變電、輸電系統即可試機。
根據流體力學公式即可計算出本實施例的功率N(功率)＝Q*ν*H*ηQ(流量)＝切面積*流速切面積半徑(9*1/2)的平方(20.25)乘3.1416得63.62(平方米)流速取龍捲風150m/秒的中速-80m/秒流量63.62*80＝5089.6(立方米/秒)ν(空氣重度)取12.26(牛頓/立方米)H(垂直高度)2500mη(效率)取0.75則N＝5089.6×12.26×2500×0.75＝116997180(w)→116997.18千瓦如果山形地理條件允許，可平行鋪設建造兩條或多條9m內空直徑的間斷性螺旋脊抽氣管道，並安裝相應的發電機組，組成一座功率較大的發電廠。
例如平行鋪設4條9m內空直徑間斷性螺旋抽氣管道，則可建成40萬千瓦的大功率人造龍捲風發電廠。
權利要求
1.一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，主要包括間斷性螺旋脊抽氣管道(12)、漏鬥狀管道(13)、氣流加熱管(11)、電機室(6)、頸管(5)、氣流引導管(4)、葉片式可調節閘門(3)、進氣鬥(2)、濾氣網(1)、鼓風機(16)，其特徵在於間斷性螺旋脊抽氣管道(12)是由數節段中部3/5部分平行鑄造三條凸向管腔的螺旋脊(17)之5～10m長的管道以套式接頭(20)連接而成，該間斷性螺旋脊抽氣管道(12)以坡度大於45°的陡峭山體(圖1)為載體斜形鋪設或以高層建築為附著物垂直搭建(12)，以地球大氣對流層溫差梯度所致的上升氣流為原動力，以間斷性螺旋脊全程引導上升氣流生成高速氣旋，從而產生龍捲風效應。
2.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於間斷性螺旋脊抽氣管道(12)高端連接漏鬥狀管道(13)，底端依次連接氣流加熱管(11)、電機室(6)、頸管(5)、氣流引導管(4)、葉片式可調節閘門(3)、進氣鬥(2)、濾氣網(1)、鼓風機(16)。
3.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於氣流加熱管(11)、電機室(6)、頸管(5)、氣流引導管(4)為水平鋪設，進氣鬥(2)的口朝正上方，鼓風機(16)在氣流引導管(4)的正前方，發電機葉輪(7)位於頸管(5)中央。
4.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於凸向管腔的螺旋脊類似「V」字形(17)，其始末端(18)呈扁薄圓鈍狀，形似一側劍鋒。
5.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於北半球螺旋脊鑄造為逆時針上升螺旋並引導產生逆時針氣旋(圖3)，南半球鑄造為順時針上升螺旋並引導產生順時針氣旋(圖4)。
6.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於螺旋脊攀升線與管道橫切水平線之夾角α(19)大於45°，小於65°(65°＞α＞45°)。
7.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於間斷性螺旋脊抽氣管道(12)表面塗裹高效保溫隔熱材料。
8.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於氣流加熱管(11)用高效熱效應電阻材料製造，其兩端及表面用石棉、陶瓷等隔熱絕緣材料製作，並安裝壓力反饋調節電源開關。
9.根據權利要求1所述一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，其特徵在於葉片式可調節閘門連接壓力傳感器，由管道內壓力變化反饋調節其張縮。
全文摘要
本發明公開了一種人造龍捲風發生裝置及其發電方法，主要包括間斷性螺旋脊抽氣管道、漏鬥狀管道、氣流加熱管、電機室、頸管、氣流引導管、葉片式可調節閘門、進氣鬥、濾氣網、鼓風機。本發明之間斷性螺旋脊抽氣管道是由數節段中部3/5部分平行鑄造三條凸向管腔的螺旋脊之5～10m長的管道以套式接頭連接而成。該管道以坡度大於45°的陡峭山體為載體斜形鋪設或以高層建築為附著物垂直搭建，其長度(高度)根據設計需要而定。本發明以地球大氣對流層溫差梯度所致的上升氣流為原動力，以間斷性螺旋脊全程引導上升氣流生成高速氣旋，從而產生強大的龍捲風效應。本發明是一種取之不盡，用之不竭的可再生人造龍捲風電力能源。
文檔編號F03G7/00GK1769669SQ20041009209
公開日2006年5月10日 申請日期2004年11月3日 優先權日2004年11月3日
發明者梁和平 申請人:梁和平