专利名称：一种下曳型人造龙卷风发电装置及其方法
技术领域：
本发明型涉及一种可再生能源发电装置及其方法，特别涉及一种下曳型人造龙卷风发电的装置及其方法。
背景技术：
随着现代科学技术迅猛发展和大众生活水平的不断提高，工商业耗能和家电耗能急剧增加，世界能源面临紧张状态。目前，人们所使用的能源主要来自于煤、石油、天然气、核反应堆及水力发电。这些能源中多数存在环境污染和资源限制，且远不能源满足人们的需求。有鉴于此，多年来就有人在探索、开发“绿色能源”，如太阳能、海洋能、生物能、风能等。但是，对于地球大气对流层中蕴藏着的巨大能源，却少有人研究。
本发明旨在利用大气对流层上部冷空气下降的规律，通过特定的装置，引导下降气流旋转，从而产生下曳型人造龙卷风并用于发电。
众所周知，地球表面覆盖着一层厚重的大气，其中垂直于地面8000m～18000m的高度叫对流层。对流层内的空气垂直运动显著，是冷热气流交换的主要形式，与人类和动植物的生存息息相关的各种天气现象主要发生在这一层。在赤道地区对流层顶的高度约18000m，中纬度地区约12000m，极地地区约8000m。夏季的对流层厚度大于冬季。80％的大气质量集中在对流层。对流层内空气的温度呈垂直递减趋势，即每上升100m，温度降低0.65℃。对流层顶部的温度低达-60℃。由于对流层大气低暖高冷，地面热空气总是处于上升趋势，而对流层上部的冷空气总是处于下降趋势，故发生对流运动。
龙卷风是一种气候现象，它具有很大的破坏力，可给人们带来莫大的灾害。同时也显示龙卷风这种大气运动的特殊形式具有巨大的能量。龙卷风的产生是因为大气对流层下部热空气剧烈上升，上部冷空气急剧下降的强对流气候所致，其直径从几米到数百米不等，风速通常在100m/s～150m/s之间，有时可达200m/s，这是风力发电的理想能源。自然界的龙卷风有两种，一种是上升型龙卷风，另一种是下曳型龙卷风，本发明属于人工制造下曳型龙卷风。
至今，现有技术尚无下曳型人造龙卷风发电装置及其方法的报道。
本发明的原理如下一、利用地球大气对流层空气梯度温差所致的冷空气下降气流为原动力地球大气对流层内，垂直高度每增加100m，温度即降低约0.65℃，越往高处，温度越低。所以，对流层上部的冷空气在地心引力的作用下总是处于下降的趋势。而对流层近地面的空气因受太阳光的作用而获得热能，气体膨胀，密度减小，总是处于一种上升的趋势。如果用一大口径管道将对流层中、上部的冷空气接引至地面，则冷空气必然像高山流水一样，源源流向地面。一个简单的例子可说明此理将室内正工作着的电冰箱打开，即可见到冷柜内的冷气徐徐流下降，此即冷空气下降的例证。
二、利用螺旋脊降气管道的特殊结构引导下降气流旋转如果气体在平滑的管道内下降，通常呈层流状态，不会产生气旋，也就无龙卷风效应。本发明根据流体运动可受固体导向的特性，在气体下降的管道内，铸造或安装螺旋脊状结构(以下称此管道为“螺旋脊降气管道”或“间断性螺旋脊降气管道”)，引导气体在下降过程中形成高速气旋，从而产生强大的下曳型龙卷风效应，现有技术尚无此类资料。
三、利用陡峭山体为依托搭建螺旋脊降气管道如何从对流层中、上部获取冷空气，是本发明要解决的关键问题，这就是向高山要冷气。沿垂直高度1000m以上的陡峭山体铺设大口径螺旋脊降气管道，这样能获得较大的大气梯度温差，以使冷空气到达地面时具有较大密度，从而保证螺旋脊降气管道内气流有足够的冲击动力。
发明内容
本发明提供了一种持续、稳定、大功率的下曳型人造龙卷风发电装置及其方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是下曳型人造龙卷风发电装置包括雨蓬及避雷装置、进风门、聚气池、螺旋脊降气管道、通风调节闸门、发电机室及叶轮管、发电机及其叶轮、发电机支架、排风管、出风口、抽风机。
本发明装置还可以(1)管道系统顶端的进风门为竖直、斜向、迎风开启式长条状门，使空气进入此门即发生旋转。(2)聚气池呈深漏斗状，其上口直径为螺旋脊降气管道口径的3倍左右，下口直径与螺旋脊降气管道一致，聚气池的作用与水塔的储水池类似，使冷空气聚集下沉。(3)螺旋脊降气管道由数节段管内壁铸造或安装凸向管腔的螺旋脊管道，以套式接头连接而成。(4)螺旋脊凸向管腔的高度为管腔直径的10～15％。(5)凸向管腔的螺旋脊之螺旋线与管道横截水平线的夹角α角在45°左右。(6)螺旋脊降气管道表面涂裹或粘贴高效隔热材料，以保持管道内气流低温相对恒定。(7)通风调节闸门安装在螺旋脊降气管道低端，发电机组前端，由电脑根据压力变化反馈调节其缩放，从而使气流量保持在一个相对稳定的水平。(8)发电机安装在管道系统下段的电机室内，用金属支架固定。(9)抽风机连接于排风管，用小型燃油机带动，作用为启动时抽吸引导管内的空气向下流动。(10)出风口安装单向开启活瓣门，抽风机工作时活瓣门关闭，管道内大量气流下降时，活瓣门自动开启，同时抽风机关闭。
本发明装置的材料可用塑料(如PE、PVC等)或不锈钢等金属。
下曳型人造龙卷风发电方法包括(1)进风门的斜向开启，北半球引导气流为顺时针下旋走向，南半球引导气流为逆时针下旋走向。(2)螺旋脊降气管道之螺旋脊旋转方向，北半球铸造为顺时针下行螺旋脊，以引导产生顺时针气旋；南半球铸造为逆时针下行螺旋脊，以引导产生逆时针气旋。(3)螺旋脊降气管道沿陡峭山体斜行铺设时，其坡度应大于45°，坡度越接近90°效果越好。(4)通风调节闸门的缩放由管道内气流压力传感器反馈调节，装置电脑控制的自动调节系统。(5)螺旋脊降气管道之螺旋脊，制造为间断性、不对称机翼型。(6)发电机呈橄榄流线型，根据气流功率和发电机功率相匹配的原则，一条管道内安装一台至数台发电机。
本发明的积极效果是1.本发明利用地球大气对流层上部冷空气下降流为原动力发电，这是取之不尽，用之不竭的“绿色能源”。
2.本发明运用间断性、不对称机翼型螺旋脊贯穿降气管道全程，引导下降气流，使气流自上而下加速旋转，得以形成高速气旋而产生下曳型龙卷风效应，故可以建设较大功率下曳型人造龙卷风发电站。
3.本发明主要沿陡峭山体建筑，容易达到1000m以上的垂直高度而获得足够的大气梯度温差，而且以山体作为螺旋脊降气管道的载体，避免了凌空搭建垂直高支架的困难和安全问题。
4.全球高山无数，适合建筑本发明的地方众多，而且建设周期短，维持时间长，投资少，见效快，几乎是一劳永逸的工程。
5.本发明结构简单，原理易懂，易于推广普及，可逐步取代化石性燃料能源及核反应堆等具有污染性的能源，可望逐步改变世界能源结构现状，从而减少温室气体排放、减少污染，保护人类生存环境。
附图为下曳型人造龙卷风发电装置及其方法示意图H、垂直高度。1、雨蓬及避雷装置。2、进风门。3、高端支架。4、聚气池。5、螺旋脊降气管道。6、通风调节闸门。7、发电机叶轮。8、发电机。9、发电机支架。10、发电机室及叶轮管。11、排风管。12、出风口。13、底端支架。14、抽风机。
实施例实施本发明时，首先需要制造螺旋脊管道。根据设计要求及交通运输条件不同，螺旋脊管道长度每节可为5～15m，内空直径可为3m以上。管壁的厚度根据不同材料而定，以能承受自身重量，耐用50年为准。材料可采用不锈钢金属类或塑料类(如PE、PVC等)。管腔内的螺旋脊凸向管腔的高度为管道内空直径的10～15％，螺旋脊攀升线与管道横断水平线之夹角α为45°左右。铺设时，各节段管道之间用套式接头连接。其余管道系统亦用塑料或金属制造。
发电机根据设计要求，向厂家定制。
例1建设一个3000千瓦的下曳型人造龙卷风发电站首先，选择垂直高度1500m以上，坡度大于45°的陡峭山体作为铺设螺旋脊降气管道的依托基础，并勘探地质、线路及设计施工蓝图。
制造3.5m内空直径的螺旋脊降气管道备用。山体高处，建造上口内空直径10.5m、下口内空直径3.5m(其直径与螺旋脊降气管道一致)，高20m的漏斗状聚气池4，并建造支架3支撑固定，顶部建造进风门2、雨蓬及避雷针1。漏斗状聚气池4下口连接螺旋脊降气管道5。螺旋脊降气管道用套式接头连接，一直铺设至山体下部安装通风调节闸门6处。螺旋脊降气管道表面用高效隔热材料涂抹或贴裹。
螺旋脊降气管道低端依次连接通风调节闸门6、发电机室及时轮管10、排风管11、出风口12及抽风机14。发电机8安装于发电机室10，发电机叶轮7置于叶轮管中央，发电机主体用金属支架9支撑固定。排风管11斜行或水平引出。出风口12安装外向开启的活瓣门。抽风机14从排风管11处接出。安装螺旋脊降气管道过程中须关闭通风调节闸门。安装完毕，检查管道系统粘接牢固，无漏气，发电机坚实固定并接出电源线至变电、输电系统，然后开启通风调节闸门试机。如果此时不见气流下降，可关闭出风口处的活瓣门，发动抽风机引导气流下降。
根据风能计算公式，即可得出本实施例的功率(N)w＝1/2ρv3Aw-瓦ρ-空气质量，取1.225kg/m3v-流速，取龙卷风150m/s的中速→80m/sA-下曳型人造龙卷风管道截面积则W＝0.5*1.225*803*(3.5/2)2*3.1415＝3010560(W)＝3010.56(kw)***例2建设一个10000千瓦的人造龙卷风发电站首先，选择垂直高度2000m以上，坡度等于或大于45°的陡峭山体作为铺设螺旋脊降气管道的依托基础，并勘探地质、线路及设计施工蓝图。
制造6.6m内空直径的螺旋脊降气管道备用。山体高处，建造上口内空直径30m、下口内空直径6.6m(其直径与螺旋脊降气管道一致)，高50m的漏斗状聚气池4，并建造支架3支撑固定，顶部建造进风门2、雨蓬及避雷针1。漏斗状聚气池4下口连接螺旋脊降气管道5。螺旋脊降气管道用套式接头连接，一直铺设至山体下部安装通风调节闸门6处。螺旋脊降气管道表面用高效隔热材料涂抹或贴裹。
螺旋脊降气管道低端依次连接通风调节闸门6、发电机室及叶轮管10、排风管11、出风口12及抽风机14。发电机8安装于发电机室10，发电机叶轮7置于叶轮管中央，发电机主体用金属支架9支撑固定。排风管11斜行或水平引出。出风口12安装外向开启的活瓣门。抽风机14从排风管11处接出。安装管道过程中须关闭通风调节闸门。安装完毕，检查管道系统粘接牢固，无漏气，发电机坚实固定并接出电源线至变电、输电系统，然后开启通风调节闸门试机。如果此时不见气流下降，可关闭出风口处的活瓣门，发动抽风机引导气流下降。
根据风能计算公式，即可得出本实施例的功率(N)w＝1/2ρv3AW-瓦ρ-空气质量，取1.225kg/m3v-流速，取龙卷风150m/s的中速→80m/sA-下曳型人造龙卷风管道截面积则W＝0.5*1.225*803*(6.6/2)2*3.1415＝10728549(w)＝10728.549(kw)如果山体、地理条件适合，平行铺设多条螺旋脊降气管道，即可建设规模可观的下曳型人造龙卷风发电厂。
权利要求
1.一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为由雨蓬及避雷装置(1)、进风门(2)、聚气池(4)、螺旋脊降气管道(5)、通风调节闸门(6)、发电机叶轮(7)、发电机(8)、发电机支架(9)、发电机室及叶轮管(10)、排风管(11)、出风口(12)、抽风机(14)组成。
2.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为进风门(2)为竖直、斜向、迎风开启式长条状门。
3.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为聚气池(4)呈深漏斗状，其上口直径为螺旋脊降气管道口径的3倍左右，下口直径与螺旋脊降气管道一致。
4.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为螺旋脊降气管道(5)由数节段管内壁铸造或安装凸向管腔的螺旋脊管道以套式接头连接而成。
5.根据权利要求4所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为所述螺旋脊凸向管腔的高度为管腔直径的10～15％，螺旋脊之螺旋线与管道横截水平线的夹角α角在45°左右。
6.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为螺旋脊降气管道(5)表面涂裹或粘贴高效隔热材料。
7.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为通风调节闸门(6)安装在螺旋脊降气管道低端，发电机组上端。
8.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为发电机(8)安装在管道系统下段的电机室内，用金属支架固定。
9.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为抽风机(14)与排风管(11)连通。
10.根据权利要求1所述一种下曳型人造龙卷风发电装置，其特征为出风口安装外向型开启活瓣门，抽风机抽风时活瓣门关闭，管道内大量气流下降时，活瓣门自动开启。
11.一种下曳型人造龙卷风发电方法包括，其特征为进风门(2)的制作、螺旋脊降气管道(5)的铺设、通风调节闸门(6)的控制、螺旋脊管道(5)内壁之螺旋脊的制造。
12.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为进风门为斜向开启型，即北半球引导气流为顺时针下旋走向，南半球引导气流为逆时针下旋走向。
13.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为螺旋脊降气管道(5)之螺旋脊旋转方向，北半球铸造为顺时针下行螺旋脊，以引导产生顺时针气旋，南半球铸造为逆时针下行螺旋脊，以引导产生逆时针气旋。
14.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为螺旋脊降气管道(5)之螺旋脊，制造为间断性、不对称机翼型。
15.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为通风调节闸门(6)的缩放，由电脑控制的自动调节系统根据管道内气流压力传感器反馈的信息自动调节通风量。
16.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为螺旋脊降气管道(5)沿陡峭山体斜行铺设，其坡度应大于45°。
17.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为发电机制造为橄榄流线型，用金属支架固定于电机室内。
18.根据权利要求11所述一种下曳型人造龙卷风发电方法，其特征为根据风能功率和发电机功率相匹配的原则，一条管道内可安装一台至数台发电机。
全文摘要
本发明公开了一种可再生能源发电系统，尤其是一种下曳型人造龙卷风发电装置及其方法。本发明装置主要特征包括进风门(2)、聚气池(4)、螺旋脊降气管道(5)、通风调节闸门(6)、发电机室及叶轮管(10)、排风管(11)、出风口(12)、抽风机(14)。本发明的原理是利用大口径螺旋脊降气管道(5)，从垂直高度1000m以上的陡峭高山顶部将冷空气引流而下，同时管道内壁铸造的间断性、不对称机翼型螺旋脊迫使下降气流高速旋转，形成下曳型龙卷风效应，利用这种强大的气流冲击发电机叶轮旋转发电。
文档编号F03D11/04GK1811175SQ20051012660
公开日2006年8月2日 申请日期2005年12月1日 优先权日2004年12月31日
发明者梁和平 申请人:梁和平