Как сделать солнечный аэростат
Тепловой аэростат, аккумулирующий энергию солнца (варианты)
Применение принципа парникового эффекта для нагрева воздуха в оболочке теплового аэростата позволяет сократить расход топлива (увеличивая тем самым время полета) горелки и уменьшить стартовый вес. Для решения данной задачи предлагается совместить имеющие форму конусов прозрачную и более прочную, устойчивую к нагреву непрозрачную оболочки, соединенных сверху полутором. Такая конструкция обеспечит циркуляцию нагреваемого воздуха и распределение нагрузки на более прочную часть оболочки. Для повышения эффективности аккумуляции солнечной энергии в тепло воздуха аэростата предлагается использование в качестве теплоприемника мелкоячеистой сетки и трубчатого воздуховода с принудительной циркуляцией, а также задымление внутреннего объема аэростата. В результате применения предлагаемых конструкций возможно использование солнечного излучения как дополнительного источника для нагрева воздуха в тепловых аэростатах практически любого назначения.
Предлагаемые варианты оболочек позволяют в качестве дополнительного источника подогрева воздуха в тепловом воздушном шаре использовать солнечную энергию.
Эффективность использования этого источника энергии зависит от количества получаемой солнечной энергии в определенных погодных и географических условиях. Воздухоплавание теплового аэростата только с использованием энергии солнца крайне сложно по ряду причин: необходима конструкция для регулирования количества поступающей лучевой энергии для управления высотой полета; низкая мощность данного источника тепла потребует сильного увеличения объема шара и сузит область его использования до наиболее жарких районов земного шара с максимальным числом солнечных дней в году.
Поэтому он способен в основном выполнять роль дополнительного по отношению к основному, традиционно применяемому сегодня (горелка) источнику нагрева воздуха в оболочке воздушных шаров.
Для решения поставленной задачи необходимо обеспечить сбор солнечного излучения на максимально возможной площади и преобразование ее в тепловую энергию наполняющего аэростат воздуха. Для этого удобно использовать оболочку самого шара (имеющую большую площадь поверхности), максимально увеличив ее поперечное сечение, и выполнив верхнюю ее часть из прозрачного материала.
Известна заявка (№2492335, кл. В64В 1/40, 1982, Франция), в которой предложена конструкция полусферического аэростата с нагревом следующим способом: солнечные лучи проникают внутрь оболочки через плоскую прозрачную ее часть; отражаясь от внутренней поверхности полусферы, лучи собираются в фокусе, нагревая центральный приемник, отдающий тепло воздуху путем конвекции.
Конструкция имеет следующие недостатки: потери нагретых оболочки и приемника тепла вследствие излучения; технически сложно удержание оболочки аэростата в форме ровной полусферы и приемника тепла в фокусе этой полусферы вследствие неравномерности распределения давления нагретого воздуха на разные зоны оболочки шара; в случае жесткой оболочки масса аэростата существенно вырастет, приемник тепла, способный
эффективно отдавать тепло конвективным способом должен также обладать значительной массой.
Потери тепла и массу можно сократить, используя для нагрева воздуха в аэростате принцип «парникового эффекта».
В предлагаемой конструкции (фигура 1) верхний сегмент оболочки (1) изготавливается из прозрачного материала, пропускающего солнечный спектр внутрь шара, а нижняя часть в виде конуса (2), образующего ловушку для солнечных лучей.
В образовавшемся «парнике» нагрев воздуха происходит за счет солнечного излучения (3), проходящего через прозрачную верхнюю часть, а также за счет отраженной и переизлученной частью оболочки (2) солнечного спектра (4).
Поэтому внутренняя сторона частьи оболочки (2) изготавливается из темного материала, хорошо поглощающего солнечный спектр и переизлучающего его в инфракрасном диапазоне, а ее внешняя сторона для уменьшения теплопотерь из теплоизолирующего и материала.
Для улучшения аккумуляции лучевой энергии внутри оболочки аэростата крепится тонкая мелкоячеистая сетка (5), перекрывающая его сечение. Она будет играть роль приемника солнечной энергии, где солнечные лучи будут частично поглощаться (с нагревом) сеткой, а частично рассеиваться ею, попадая в конусоидальную ловушку в нижней части аэростата. В этом варианте часть оболочки (2) оптимальнее сделать из отражающего свет материала, поскольку он
Если положить, что способность мелкоячеистой сетки (5) отдавать тепло конвекцией и тепловым излучением не хуже, чем у любого другого теплоприемника, то она будет более эффективнее преобразовывать солнечную энергию в тепловую энергию воздуха аэростата в сравнении конструкцией заявки, упоминавшейся выше, поскольку часть лучевого потока попадает на сетку сразу, без отражения от внутренней оболочки полусферы, при котором неизбежны тепловые потери.
Снижение веса в сравнении с вышеупомянутой заявкой достигается за счет применения в качестве теплоприемника легкой сетки, но в большей степени из-за возможности использования обычной (не жесткой) и соответственно более легкой оболочки аэростата.
Дополнительного повышения эффективности аккумуляции солнечного излучения можно достичь, создав внутри аэростата дымовую завесу.
Достижение окончательного результата осложняется отсутствием на сегодня прозрачных материалов достаточной
прочности и теплостойкости, которые могли бы быть использованы для изготовления оболочки шара.
Проблема может быть решена с применением уже имеющихся материалов следующим образом: расположить область максимального давления и температуры воздуха в зоне более прочной (непрозрачной) оболочки аэростата.
Это достигается (фигура 2) в оболочке из двух вложенных конусов разного сечения, соединенных сверху полутором. Внутренний конус перекрывается сверху прозрачной оболочкой (1), под которой происходит нагрев. Она обеспечивает доступ солнечных лучей (3) внутрь отсека (I), являющегося аккумулятором солнечного тепла.
Нагревающийся под ней воздух, расширяясь, переходит в соседний отсек (II), заключающий в себе основной объем теплового шара. Накапливаясь в его верхней части, нагретый воздух создает максимальное давление и температуру.
К прочной непрозрачной оболочке (2) этого отсека крепится обвязка корзины (4), несущая основную нагрузку. Она также образует внутренний конус (2а) отсека, аккумулирующего тепло и нагревается под действием солнечных лучей (3), выполняя роль приемника тепла.
Под действием нагрева между отсеками возникает циркуляция воздуха, который забирает у приемника тепло.
Данная конструкция может быть усовершенствована, если кольцеобразно расположить на нагреваемой солнечными лучами поверхности внутреннего конуса воздуховод (5) темного цвета и создавать в нем ток воздуха с последующим выбросом его в соседний отсек (рис.2).
Повышение эффективности теплообмена за счет создания принудительной циркуляции потока в воздуховоде требует установки вентилятора, для питания которого можно использовать закрепленную на непрозрачной части наружной поверхности шара солнечные батареи (6) на тканевой основе.
Предложенные конструкции могут быть использованы в тепловых аэростатах практически любого назначения. Необходимо учитывать более низкую прочность прозрачной оболочки и наличие солнечного света как источника нагрева воздуха аэростата.
1. Тепловой аэростат, содержащий оболочку, отличающийся тем, что верхний сегмент оболочки выполнен из прозрачного не жесткого материала, а нижняя часть из светоотражающего непрозрачного материала, внутри оболочки крепится тонкая мелкоячеистая сетка, перекрывающая сечение оболочки аэростата.
2. Тепловой аэростат, содержащий оболочку, отличающийся тем, что оболочка выполнена не жесткой, сверху аэростат перекрыт прозрачной оболочкой, обеспечивающей доступ солнечных лучей внутрь отсека, являющегося аккумулятором солнечного тепла, который соединен с соседним отсеком, в верхней части которого накапливается нагретый воздух, оба отсека выполнены из непрозрачной более прочной, чем прозрачная, оболочки, в первом отсеке на нагреваемой солнечными лучами поверхности кольцеобразно расположен воздуховод темного цвета.
Паровой аэростат для солнечной энергетики
Для подъема на большую высоту солнечных энергетических конструкций и любительского воздухоплавания целесообразно использовать тепловые аэростаты с оболочкой, изнутри покрытой супергидрофобным покрытием, наполненные вместо теплого воздуха водяным паром. Это позволяет в три раза увеличить подъемную силу агрегатов.
Та же проблема возникает в транспортных средствах легче воздуха (дирижаблях). Объем и масса широко распространенных тепловых воздушных шаров значительно больше, чем гелиевых, так как плотность теплого воздуха существенно больше плотности гелия. Поэтому воздухоплаватели с завистью смотрят на проплывающие облака, состоящие из парообразной воды, более легкой, чем теплый воздух.
Последние достижения в области супергидрофобных покрытий позволяют использовать в аппаратах легче воздуха природное вещество – водяной пар. При контакте с такими материалами капли воды принимают форму, близкую к шарообразной, отрываются или скатываются вниз при незначительном наклоне поверхности. Это может быть реализовано, например, в нижеприведенной конструкции теплового аэростата. (Решение «Роспатента» о выдаче патента на изобретение А. С. Байбикова «Тепловой аэростат» от 07.04.2011.)
Для нагрева газа около нижнего входного отверстия оболочки аэростата (помимо газовой форсунки для сжигания газа и подогрева воздуха, поступающего в оболочку) в области пламени устанавливается водяная форсунка, в которую через кран поступает вода из нижней части емкости, установленной в гондоле. Сжатый горючий газ из баллона через понижающий редуктор поступает в газовую форсунку и одновременно вытесняет воду из емкости. Смесь подогретого воздуха и испарившейся воды наполняет оболочку аэростата, создавая подъемную силу. Оболочка изнутри покрыта слоем супергидрофобного материала, препятствующего ее утяжелению из‑за прилипания воды. Конденсирующийся при охлаждении внутри нее пар в виде капель на внутренней поверхности скатывается к нижнему входному отверстию. Оно ограничено водосборником, имеющим форму, близкую к полому тору, разрезанному диаметральной плоскостью, с удаленной верхней частью. Из водосборника вода периодически стекает через обратный клапан в водяную емкость.
Таким образом, осуществляется циркуляция ограниченного количества воды практически без потерь: пар, как более легкий, чем воздух, скапливается в верхней части оболочки. Вода при испарении снижает температуру смеси до допустимой для материала оболочки.
Вместо подогрева горючим газом можно воспользоваться сконцентрированной зеркалами в районе водяной форсунки солнечной энергией или частью энергии, генерируемой фотоэлектрическими панелями. В этом случае для наполнения оболочки можно использовать исключительно водяной пар. Вообще, незначительный унос пара можно пополнять, используя вынесенные губчатые панели, покрытые гидрофильным веществом и адсорбирующие влагу из окружающей атмосферы. Затем влага из этих панелей отжимается в водяную емкость. Последние операции могут неограниченно увеличить время поддержания аэростата в воздухе.
По закону Архимеда подъемная сила пропорциональна разности плотностей наружного воздуха и нагретого газа внутри оболочки. Хотя современные полиэфирные (лавсановые) аэроткани основной части оболочки допускают температуры до 150 ºС, во избежание их быстрого старения реально средняя температура газа внутри оболочки не превышает 60 ºС.
Преимуществами парового аэростата являются: увеличение времени полета за счет более экономного использования горючего газа; применение более легкого, чем теплый воздух, водяного пара при равной температуре; обратимого использования воды; уменьшения необходимого объема оболочки – и, следовательно, габаритов и стоимости теплового аэростата; возможности без существенных энергетических затрат неограниченного времени поддержания в воздухе тяжелых энергетических конструкций.
Солнечный аэростат
Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха. Аэростат содержит наружную оболочку, на внешнюю сторону которой нанесено отражающее металлизированное покрытие, внутреннюю оболочку, с внутренней стороны которой нанесено черное покрытие, гондолу и стропы, на которых гондола подвешена к нижним частям упомянутых оболочек, где выполнена горловина. Предусмотрены перегородки между упомянутыми оболочками, рукав для подачи атмосферного воздуха, клапан управления, герметичный баллон с поглощающей свет оболочкой, наполовину заполненной воздухом. Клапан управления расположен в верхней части упомянутых оболочек в выпускном отверстии и верхним канатом соединен с упомянутым баллоном, который нижним канатом соединен с гондолой. Изобретение направлено на увеличение продолжительности и высоты полета, а также удобства запуска. 1 ил.
Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха, а именно к аэростатам.
Известен аэростат с подогретым воздухом, содержащий гондолу, наружную оболочку с верхней прозрачной частью и внутреннюю, выполненную теплопоглощающей энергию солнечного света [1].
Недостатком известного аэростата является сильная зависимость подъемной силы аэростата от колебаний солнечной радиации, вызывающая нестабильность высоты полета.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является аэростат, содержащий оболочку с внешним прозрачным воздухонепроницаемым слоем, внутренним непрозрачным черным слоем и отражающим слоем, отражающий слой выполнен в виде металлизированного покрытия, нанесенного на верхнюю часть наружной стороны внешнего слоя оболочки, а в нижней части оболочки имеется открытая горловина, диаметр которой не менее половины диаметра ее миделевого сечения [2].
Недостатком этого аэростата является быстрое изменение подъемной силы и колебания высоты полета аэростата при кратковременных колебаниях интенсивности солнечной радиации вследствие конвекционного обмена воздуха вблизи вешней оболочки, отсутствия автоматической регуляции подъемной силы аэростата в зависимости от высоты полета и интенсивности солнечной радиации.
Техническим результатом изобретения является увеличение продолжительности полета, большая стабилизация высоты полета и удобство запуска аэростата.
Технический результат достигается тем, что в солнечном аэростате, содержащем наружную оболочку, на внутреннюю сторону которой нанесено отражающее металлизированное покрытие, внутреннюю оболочку, с внутренней стороны которой нанесено черное покрытие, гондолу и стропы, на которых гондола подвешена к нижним частям упомянутых оболочек, где выполнена горловина, новым является то, что он снабжен перегородками между упомянутыми оболочками, рукавом для подачи атмосферного воздуха, клапаном управления, герметичным баллоном с поглощающей свет оболочкой, наполовину заполненной воздухом, причем клапан управления расположен в верхней части упомянутых оболочек в выпускном отверстии и верхним канатом соединен с упомянутым баллоном, который нижним канатом соединен с гондолой.
На чертеже представлен общий вид аэростата в разрезе.
Аэростат представляет собой шар, состоящий из двух встроенных одна в другую оболочек (1 и 2) из тонкого пленочного материала с внешним металлизированным покрытием. Оболочки радиально скреплены между собой перегородками (3) и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга по всей поверхности аэростата. На внутреннюю оболочку (1) с внутренней стороны нанесено черное покрытие. В верхней части аэростата расположены выпускное отверстие (4) и клапан (5). В нижней части находится горловина аэростата (6) и рукав (7). С помощью строп (8) к аэростату прикреплена гондола (9). Клапан (5) соединен верхним канатом управления (10) с герметичным баллоном (11), имеющим светопоглощающую оболочку, наполовину наполненным воздухом и расположенным ниже горловины аэростата, а баллон своей нижней частью с помощью нижнего каната управления (12) соединен с гондолой.
Солнечный аэростат содержит две оболочки, пространство между которыми разделено перегородками, задерживающими циркуляцию воздуха, что обеспечивает более длительное сохранение тепла и, тем самым, подъемной силы аэростата. Авторегуляция высоты полета достигается тем, что аэростат содержит наполовину заполненный воздухом герметичный баллон (11), выполненный из светопоглощающей оболочки, расположенный ниже горловины аэростата (6) и соединенный канатами управления с клапаном и гондолой. При подъеме на высоту или увеличении интенсивности солнечной радиации объем баллона (6) увеличивается, а вертикальный размер уменьшается. В результате клапан, соединенный канатом управления с баллоном, приоткрывается и происходит стравливание теплого воздуха. При этом подъемная сила аэростата уменьшается. При снижении высоты полета аэростата или уменьшении интенсивности солнечной радиации клапан (5), соответственно, закрывается, что приводит к сохранению подъемной силы аэростата.
Исходно, в безветренную погоду аэростат расстилается на поверхности, доступной для солнечного излучения. При наличии небольшого ветра для облегчения наполнения аэростат располагается вершиной по направлению ветра, а горловиной (6), соответственно, ему навстречу. Выпускное отверстие аэростата (4) в исходном положении плотно закрыто клапаном (5).
Через рукав (7) в пространство между оболочками (1 и 2) подается атмосферный воздух с помощью вентилятора. Возникающее увеличение давления между оболочками приводит к расправлению аэростата, и аэростат стремится принять шарообразную форму. Это, в свою очередь, приводит к снижению давления во внутренней оболочке (1) и ускоренному поступлению воздуха через горловину аэростата (6). Благодаря солнечной радиации и одностороннему ее проникновению во внутреннюю оболочку аэростата поступающий в аэростат воздух нагревается. При достижении объема нагретого воздуха в оболочках, достаточного для появления подъемной силы, равной весу оболочек аэростата, последний принимает вертикальное положение и продолжает наполняться атмосферным воздухом до максимального объема.
В результате прогрева воздуха во внутренней и внешней оболочках аэростата возникает подъемная сила, достаточная для поднятия гондолы (9), прикрепленной к аэростату с помощью строп (8).
Высота полета аэростата может регулироваться автоматически за счет того, что с набором высоты атмосферное давление снижается и герметичный баллон (11) принимает более шарообразную форму. Это приводит к уменьшению длины связанной конструкции, включающей вертикальные размеры клапана, каната (10), баллона (11) и каната (12). В результате клапан (5) приоткрывает выпускное отверстие (4) и теплый воздух из внутренней оболочки (1) выходит наружу, что в свою очередь приводит к снижению подъемной силы аэростата и стабилизации высоты полета.
Высота полета аэростата может регулироваться также в зависимости от уровня солнечной радиации. Благодаря тому, что баллон (11) имеет светопоглощающую оболочку и расположен ниже горловины аэростата (6), снижение уровня солнечной радиации приводит к падению температуры в баллоне и вследствие этого к уменьшению объема заполняющего его воздуха. В результате баллон приобретает более вытянутую форму и прикрепленный к нему клапан (5) более плотно прикрывает выпускное отверстие аэростата и аэростат в меньшей степени теряет подъемную силу.
Высота полета пилотируемого аэростата может регулироваться пилотом вручную за счет изменения длины каната (12), приводящего к изменению расстояния между клапаном (5) и выпускным отверстием аэростата (4).
Настоящее изобретение позволит увеличить длительность полета аэростата, позволит стабилизировать полет на желаемой высоте и уменьшить амплитуду колебаний высоты полета, связанных с изменениями интенсивности солнечной радиации, и позволит облегчить процедуру запуска аэростата.
2. А.с. 600970, М.кл. В 64 В 1/64; 1/62, 1977 г. (прототип).
Солнечный аэростат, содержащий наружную оболочку, на внешнюю сторону которой нанесено отражающее металлизированное покрытие, внутреннюю оболочку, с внутренней стороны которой нанесено черное покрытие, гондолу и стропы, на которых гондола подвешена к нижним частям упомянутых оболочек, где выполнена горловина, отличающийся тем, что он снабжен перегородками между упомянутыми оболочками, рукавом для подачи атмосферного воздуха, клапаном управления, герметичным баллоном с поглощающей свет оболочкой, наполовину заполненной воздухом, причем клапан управления расположен в верхней части упомянутых оболочек в выпускном отверстии и верхним канатом соединен с упомянутым баллоном, который нижним канатом соединен с гондолой.