PL237442B1 - Układ urządzeń do pozyskiwania odnawialnej energii i wody z powietrza atmosferycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ urządzeń do pozyskiwania odnawialnej energii i wody z powietrza atmosferycznego, w którym następuje konwersja energii kinetycznej i termalnej ze sztucznie wytworzonego wiatru katabatycznego oraz pasywna kondensacja wody zawartej w powietrzu atmosferycznym.

Zjawisko naturalnych ruchów powietrza wywołane różnicą ciśnień występujące w przyrodzie wykorzystywane jest jako jeden ze sposobów pozyskiwania tak zwanej energii odnawialnej. Wiatrem napędzane są na przykład turbiny wiatrowe lub wiatraki. Szczególnym rodzajem wiatru jest wiatr zboczowy wiejący w dół (górski, katabatyczny) lub w górę (dolinny, anabatyczny) zmieniający swój kierunek w cyklu dobowym. W słoneczny dzień stoki górskie nagrzewają się, ciepłe masy powietrza nad nimi unoszą się, a w nocy powietrze nad stokami jest chłodniejsze niż w dolinach i jako cięższe opada po stoku w dół. Szczególnie silny wiatr katabatyczny występuje przy bezchmurnym niebie, kiedy powietrze nad stokami chłodzone jest przez grunt, który wypromieniowuje radiacyjnie swoje ciepło w przestrzeń kosmiczną. Wiatr katabatyczny może też w pewnych przypadkach wiać przez całą dobę. Zjawisko to występuje na ośnieżonych stokach gór i na lodowcach przy bezchmurnym niebie. Promieniowanie słoneczne nie jest wtedy absorbowane z powodu wysokiego współczynnika odbicia śniegu, który jednocześnie ochładza się radiacyjnie z racji wysokiej emisyjności w zakresie dalekiej podczerwieni, chłodząc powietrze znajdujące się bezpośrednio nad nim. Anabatyczny łub katabatyczny ruch powietrza może być również wywołany sztucznie poprzez celowe jego ogrzanie lub ochłodzenie. Znane są rozwiązania polegające na wykorzystywaniu siły wznoszącego się ciepłego powietrza (updraft) bądź opadającego zimnego powietrza (downdraft), które w obu przypadkach napędza odpowiednio ustawiony system turbin produkujących energię elektryczną.

Przykładem urządzenia, produkującego energię w ten właśnie sposób jest tak zwana wieża solarna (Solar Tower) lub góra solarna (Solar Mountain). Urządzenie to składa się z przykrytej rozpostartym na stosunkowo dużym obszarze przezroczystym dla promieniowania słonecznego przekryciem komory (kolektor), w której solarnie nagrzewa się powietrze oraz wychodzącego z niej przewodu (duktu) skierowanego ku górze. Ogrzane, lżejsze powietrze uchodzi z komory duktem napędzając po drodze turbinę sprzężoną z generatorem energii elektrycznej. Minusem takich rozwiązań jest ograniczenie dopływu energii napędzającej urządzenia do części dnia, w której słońce znajduje się dostatecznie wysoko nad horyzontem. Wadą wież słonecznych jest również ograniczenie do obszarów charakteryzujących się przewagą dni słonecznych oraz zajęcie znacznej powierzchni gruntu pod kolektor.

Z opisu US 3 894 393 znany jest sposób i urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z wykorzystaniem regulowanego przepływu powietrza na obszarach o niskiej względnej jego wilgotności. Zamknięte masy powietrza są chłodzone poniżej temperatury otoczenia poprzez odparowanie dostarczanej z zewnątrz wody na pewnej wysokości. Odgrodzenie tych mas powietrza od otoczenia następuje za pomocą kanału o dużej przepustowości. W wyniku tego powietrze chłodniejsze i o większej gęstości spływa kanałem ku dołowi a energia kinetyczna opadającej masy jest transformowana przez turbiny i generator na energię elektryczną.

Z opisu US 4 801 811 znany jest sposób wytwarzania energii elektrycznej na obszarach o niskiej względnej wilgotności powietrza z wykorzystaniem otwartego od góry naturalnego kanału w postaci kanionu zamkniętego w naturalny sposób na jednym końcu. Drugi wylot kanału jest zamknięty przegrodą, w której podstawie usytuowana jest sprzężona z generatorem turbina. Powietrze w kanionie jest chłodzone poprzez rozpylanie wody przy jego wejściu, w wyniku czego opada w kierunku podstawy przegrody i turbiny. Przegroda jest korzystnie wykonana w postaci elastycznej kurtyny zasłaniającej wylot kanionu i ma zamocowane od góry elementy mocujące zawieszone na linie zakotwionej w dwóch wieżach posadowionych na brzegach kanionu.

Z opisu US 6 510 687 znane jest urządzenie generujące energię elektryczną poprzez zespół turbin napędzanych schłodzonym powietrzem opadającym w pionowej cylindrycznej budowli. System ten znany jest pod nazwą „Downdraft Energy Tower’. Chłodzenie znajdującego się wewnątrz budowli powietrza następuje poprzez rozpylenie w górnej części konstrukcji wody pompowanej ze zbiornika naziemnego. Ograniczeniem dla zastosowania tego sposobu produkcji energii jest konieczność lokalizowania systemów w pobliżu zbiorników wody.

Z opisu US 4 481 774 znana jest czasza rozciągająca się ponad naturalnym kanionem, wyzn aczająca kanał powietrzny mający dolny wlot i górny wylot. Światło słoneczne przechodzi przez czasze i powoduje efekt ogrzewania powietrza w kanale i jego przepływ ku górze kanału. Uwalniane z kanału

PL 237 442 B1 powietrze może napędzać turbinę wiatrową. Czasza wykonana jest z materiału przepuszczającego promieniowanie słoneczne i ma budowę modułową. Poszczególne panele czaszy wykonane są z dwóch arkuszy z tworzywa sztucznego przedzielonych komórką zawierającą powietrze, sprężone powietrze lub gaz lżejszy od powietrza. Panele łączone są wzdłużnymi złączami. Czasza ma pokrycie antyrefleksyjne, umożliwiające przechodzenie promieniowania słonecznego do wewnątrz a blokujące jego odbicie z kolektora na zewnątrz. Z kolei promieniowanie ziemskie, o dłuższej fali niż długość fali promieniowania słonecznego, jest blokowane przez pokrycie czaszy.

Ze zmianą temperatur powietrza związana jest również jego względna wilgotność. Powietrze chłodzone staje się relatywnie wilgotniejsze, a powietrze ogrzewane, suchsze. Zjawisko kondensacji pary wodnej jest wykorzystywane w różnych urządzeniach, które w sposób pasywny lub aktywny wykorzystują wzrost względnej wilgotności powietrza do produkcji słodkiej wody.

Ponadto, znane są urządzenia wykorzystujące zjawisko naturalnego chłodzenia radiacyjnego do celów klimatyzacyjnych lub ochładzania wody czy produktów spożywczych. Sposób produkcji lodu opierający się na nocnym chłodzeniu radiacyjnym znany jest od dawna - wodę znajdującą się w płytkim naczyniu odpowiednio izoluje się od otoczenia. W wyniku emisji ciepła w nocy woda zamarza, mimo, że temperatura powietrza nie spada poniżej 0°C.

Istnieje potrzeba skonstruowania układu urządzeń charakteryzującego się niskimi kosztami początkowymi i łatwością obsługi, generującego energię w sposób pasywny i odnawialny i pozwalającego dodatkowo na pozyskiwanie słodkiej wody. Geoinżynieryjna skala proponowanego układu pozwalałaby na zaspokojenie masowych potrzeb w zakresie energii, żywności, słodkiej wody oraz podniesienia komfortu życia w ekstremalnych klimatach poprzez obniżenie temperatury i podwyższenie wilgotności mikroklimatu. Geoinżynieria w tym rozumieniu to oddziaływanie na klimat i mikroklimat oraz wiążące się z nim zjawiska natury.

Układ taki działałby na zasadzie konwersji energii mechanicznej strumienia opadającego schłodzonego powietrza w energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej i generatora. Obniżenie temperatury powietrza następowałoby natomiast poprzez wykorzystanie zjawiska chłodzenia radiacyjnego, a nie poprzez wykorzystanie ujemnego ciepła parowania rozpylonej wody, jak to się dzieje w przypadku instalacji typu downdraft.

Problem techniczny do rozwiązania obejmuje zatem wprowadzenie układu chłodzenia radiacyjnego, całkowicie pasywnego, dla celów pozyskiwania odnawialnej energii i wody z powietrza atmosferycznego.

Układ urządzeń do pozyskiwania odnawialnej energii i wady z powietrza atmosferycznego z wykorzystaniem przekrycia, według wynalazku, obejmuje izolowaną przestrzeń wyznaczoną naturalnie lub sztucznie w terenie, zwłaszcza w obniżeniu gruntu na skłonie, w dolinie lub kanionie, lub na płaskowyżu, oddzieloną od atmosfery przekryciem i mającą wlot i wylot powietrza. W przestrzeni tej wywoływane jest przemieszczenie mas powietrza na skutek jego ochłodzenia, zaś z wylotem powietrza połączone są kanały wyprowadzające schłodzone powietrze do zespołu konwersji energii, zwłaszcza do generatora energii elektrycznej.

Rozwiązanie według wynalazku wykorzystuje trzy zasadnicze naturalne zjawiska przyrodnicze. Pierwszym z nich jest wiatr, a w szczególności wiatr zboczowy wywołany różnicą gęstości i temperatur mas powietrza. Kolejnym zjawiskiem jest wzrost względnej wilgotności powietrza spowodowany spadkiem jego temperatury aż do wystąpienia procesu kondensacji po przekroczeniu tzw. punktu rosy. Ostatnim zjawiskiem jest wychładzanie radiacyjne na skutek utraty energii poprzez wypromieniowanie w przestrzeń kosmiczną długofalowego promieniowania termicznego, które nie jest skompensowane przez dopływ krótkofalowego promieniowania solarnego.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przekrycie stanowi elastyczna, optycznie selektywna struktura przepuszczająca emitowane przez grunt promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni w kierunku do atmosfery, natomiast odbijająca promieniowanie solarne widzialne i ultrafioletowe oraz z zakresu bliskiej podczerwieni, zarówno padające bezpośrednio na przekrycie jak i rozproszone. Przekrycie podzielone jest na komory, których wspólne ściany rozpięte są na zawiesiach lin szkieletu przekrycia i ściany te zbudowane są z elastycznego polimeru pokrytego warstwą optycznie selektywną.

Wprowadza się zatem przekrycie - wielowarstwową strukturę termicznie i optycznie zaprojektowaną o własnościach termoizolacyjnych i zarazem selektywnej spektralnie przepuszczalności optyc z

PL 237 442 B1 nej, kontrolującej przepływ energii termicznej w drodze promieniowania elektromagnetycznego. Selektywne optycznie właściwości oznaczają, że struktura odbija i przepuszcza odpowiednie promieniowanie jednokierunkowo.

Dzięki tym właściwościom przekrycie może pasywnie, to jest bez dodatkowych, aktywnych, energochłonnych instalacji klimatyzacyjnych, wpływać na mikroklimat w przestrzeni przez nie wydzielonej z otaczającej atmosfery.

Ściany komór pokryte są warstwą optycznie selektywną lustrzanie refleksyjną dla promieniowania dalekiej podczerwieni oraz promieniowania solarnego widzialnego, ultrafioletowego i w zakresie bliskiej podczerwieni.

Ściany komór pokryte są warstwą optycznie selektywną retrorefleksyjną dla bezpośrednio padającego promieniowania solarnego widzialnego, ultrafioletowego i w zakresie bliskiej podczerwieni i jednocześnie refleksyjną dla promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni.

Komory przekrycia mają geometrię przekroju w postaci heksagonalnej - plastra miodu usytuowanego równolegle do powierzchni gruntu, stanowiąc sześcioboczne bryły lub mają postać wzdłużnych kanałów usytuowanych obok siebie i równolegle do powierzchni gruntu.

Ściany komór w wykonaniu lustrzanym pokryte są powłoką metaliczną, osłoniętą przezroczystą warstwą ochronną, natomiast w wykonaniu retrorefleksyjnym pokryte są folią retrorefleksyjną z warstwą niskoemisyjną o niskiej absorbancji.

Komory są zamknięte od dołu rozpiętymi na ramie pokrywami, przy czym dolne pokrywy komór zbudowane są z materiału optycznie selektywnego przepuszczającego promieniowanie w dalekiej podczerwieni natomiast odbijającego promieniowanie solarne widzialne i ultrafioletowe oraz z zakresu bliskiej podczerwieni, zarówno padające bezpośrednio jak i rozproszone.

Komory są przykryte pokrywami ułożonymi poziomo i zbudowanymi z materiału optycznie selektywnego przepuszczającego promieniowanie w dalekiej podczerwieni, natomiast odbijającego promieniowanie solarne widzialne i ultrafioletowe oraz z zakresu bliskiej podczerwieni, zarówno padające bezpośrednio jak i rozproszone.

Słup gazu znajdujący się w otwartych komorach stabilizowany jest poprzez zastosowanie syfonu powietrznego przy czym dolny wlot komór ma geometrię typu stożka Winstona o ścianach lustrzanych także dla promieniowania dalekiej podczerwieni.

Komory mogą być zaopatrzone w klapy regulacji ilości promieniowania długofalowego przechodzącego przez przekrycie.

Pokrywy mogą być wykonane z różnych materiałów selektywnych optycznie, jak przedstawiono poniżej.

Materiał pokrywy stanowi folia ZnS o grubości kilkudziesięciu μm, pokryta antyrefleksyjnym mikroreliefem o rozstępie, module i wysokości około 1 μm, z warstwą amorficznego fluoropolimeru o grubości do 1 μm.

Materiał pokrywy stanowa folia NaCl o grubości kilkudziesięciu μm, spojona amorficznym fluoropolimerem, pokryta antyrefleksyjnym mikroreliefem o rozstępie, module i wysokości około 1 μm, z warstwą amorficznego fluoropolimeru o grubości do 1 μm.

Materiał pokrywy stanowi folia ze spienionego perfluoropolimeru o fraktalnej, hierarchicznej strukturze porów, o sumarycznej grubości materiałowej nie przekraczającej 3 μm.

Materiał pokrywy stanowi folia z ultra czystego mono- lub polikrystalicznego krzemu o grubości do 50 μm pokrytego mikroreliefem.

Materiał pokrywy stanowi arkusz materiału wybranego z grupy obejmującej szkło mleczne krzemianowe, szkło spienione, spienione i odporne na fotodegradację polimery, maty włókninowe lub tkaniny ze szkła krzemianowego, borowo-krzemianowego i borowo-litowego.

Zgodnie z wynalazkiem możliwe jest generowanie kontrolowanego wiatru katabatycznego przez zastosowanie selektywnej przegrody klimatycznej, zainstalowanej na odpowiednich formach terenu. Przekrycie umożliwia radiacyjne wychłodzenie przykrytego terenu oraz mas powietrza znajdujących się pomiędzy terenem z przegrodą. Schłodzone masy powietrza w postaci wygenerowanego w kontrolowany sposób wiatru katabatycznego kierowane są do odpowiednio ułożonego duktu lub zespołu duktów, napędzając znajdujące się u ich wylotu turbiny powietrzne. Efektem działania instalacji jest również pozyskiwanie słodkiej wody pochodzącej z kondensującej się w schłodzonym powietrzu pary wodnej.

Zalety rozwiązania polegają na tym, że wprowadza się korzystne warunki mikroklimatyczne w stosunku do klimatu otoczenia. Ujawniony układ urządzeń geoinżynieryjnych przeznaczony jest dla klimatów skrajnie suchych i gorących, w których występują silne dobowe wahania temperatur. Są to

PL 237 442 B1 zatem warunki dalekie od komfortu fizjologicznego człowieka (komfort termiczny, optyczny i wilgotnościowy) oraz utrudniające uprawę roślin. Zastosowanie przegrody klimatycznej umożliwia uprawę roślin i produkcję żywności na obszarach, które dotychczas nie byty wykorzystywane rolniczo, umożliwiając tym samym samowystarczalne osadnictwo.

Układ stwarza gradienty termiczne i umożliwia wykorzystanie tych gradientów do produkcji energii np. poprzez kontrolowane generowanie wiatru katabatycznego napędzającego turbiny powietrzne i umożliwiającego produkcję energii elektrycznej. Alternatywnym sposobem wykor zystania tego strumienia schłodzonego powietrza do produkcji energii jest konwersja termiczna, np. termoelektryczna, z pomocą niskowrzącego czynnika, czy elektrotermomagnetyczna. Możliwe też jest pozyskiwanie słodkiej wody wykorzystywanej w rolnictwie i przez ludzi poprzez zwiększenie względnej wilgotności powietrza aż do osiągnięcia punktu rosy w przestrzeni pod przekryciem klimatycznym.

Rozwiązanie według wynalazku objaśnione jest w przykładach wykonania na rysunkach, na których poszczególne figury przedstawiają:

fig. 1 - usytuowanie układu urządzeń w terenie, w naturalnym kanionie, fig. 2 - usytuowanie układu w terenie, na płaskowyżu ze skarpą, fig. 3 - przekrycie w widoku perspektywicznym, w częściowym przekroju, fig. 4 - przekrycie z górną dodatkową warstwą, w widoku perspektywicznym, w częściowym przekroju, fig. 5 - zespół otwierania i zamykania klap, fig. 6 - zespół kanałów równoległych, fig. 7 - przegrodę otwartą od góry, fig. 8 - komorę w postaci syfonu powietrznego o geometrii sigmoidalnej, fig. 9 - komorę w postaci syfonu powietrznego o geometrii koncentrycznej, fig. 10A, 10B, 10C - warianty powłoki przegrody, fig. 11 - strukturę powłoki w postaci rusztowania.

Podstawowym elementem układu jest przekrycie 1 podzielone na komory 2, podwieszone na linach 3 za pośrednictwem zawiesi 4, pozwalające na izolację przestrzeni pod nim zawartej od otaczającej atmosfery oraz na kontrolę mikroklimatu w tej przestrzeni.

Przekrycie 1 zmienia warunki termiczne w osłanianej przez siebie przestrzeni (statycznie lub dynamicznie). Przekrycie 1 stanowi (i) skuteczną izolację termiczną w sposób zapewniający utrzymywanie się mas zimnego powietrza pod nim, (ii) wpływa na wzrost względnej wilgotności powietrza znajdującego się pod nim, (iii) wpływa na ruch powietrza wewnątrz odcinając przestrzeń od zewnętrznych ruchów powietrza czyli pola wiatru w atmosferze ponad powłoką i tworzy lokalny układ cyrkulacji związany z konwekcją termiczną, (iv) zmienia warunki radiacyjne (od ultrafioletu po daleką podczerwień) przede wszystkim redukując ilość energii solarnej docierającej do gruntu. Zadaniem przekrycia 1 jest oziębienie i zwiększenie wilgotności znajdującego się pod nim powietrza poprzez odbicie jak największej ilości promieniowania słonecznego (pochodzącego bezpośrednio od słońca, jak i tego rozproszonego przez atmosferę, nadchodzącego z całego nieboskłonu) i przepuszczenie emitowanej przez grunt energii w zakresie dalekiej podczerwieni.

Z punktu widzenia mechanicznej integralności przekrycie 1 rozpostarte nad gruntem może być podtrzymywane poprzez zespół olinowania podparty słupami lub kotwiony bezpośrednio w gruncie, zależnie od konfiguracji terenu. Alternatywną możliwością jest wykonanie przekrycia 1 jako samonośnej konstrukcji przez wypełnienie komór 2 gazem lżejszym od powietrza, korzystnie niepalnym gazem np. gazem formowym (mieszanina wodoru i azotu). To rozwiązanie wymaga jednak zainstalowania stałego i szczelnego zespołu pokryw - zarówno pod jak i nad komorami. W przypadku kiedy przekrycie 1 osłania zabudowania może być ono rozpostarte wyżej ponad powierzchnią gruntu, a w przypadku osłaniania dolin lub terenu zróżnicowanego odległość między gruntem a przekryciem 1 może być zmienna, a lokalnie znaczna. Korzystną lokalizacją dla całego układu jest powierzchnia płaskowyżu. Górna powierzchnia przekrycia 1 może być wzmacniania przez lekki szkielet (rusztowanie) np. z kompozytów, który utrzymuje kształt komór mimo parcia wiatru. Podobnej budowy szkielet może być również zastosowany do utrzymania kształtu dolnych części komór 2.

Przekrycie 1 jest elastyczną, wielowarstwowy strukturą podzieloną na komory 2 o orientacji pionowej lub nachylone ku północy (w przypadku lokalizacji instalacji na półkuli północnej) pod kątem około 45°. Korzystne jest aby przekrycie 1 posiadało strukturę plastra miodu równoległe usytuowanego w stosunku do powierzchni gruntu (fig. 3 - fig. 5). Komory 2 mają wtedy kształt stykających się ze sobą

PL 237 442 B1 słupów sześciobocznych lub strukturę kanałów z biegnących równolegle do siebie ze wspólnymi ścianami komór (fig. 6).

Komory 2 mają boczne ściany 5 i zamknięte są od dołu lub od góry, albo od góry i od dołu pokrywami 6. które podobnie jak powierzchnia ścian 5 mają właściwości optycznie selektywne. W przypadku, gdy atmosfera ponad przekryciem 1 ma temperaturę wyższą niż powietrze pod przekryciem 1 w komorach 2, następuje stratyfikacja termiczno-gęstościowa, dzięki czemu całe przekrycie 1 zyskuje funkcję izolatora termicznego zapobiegającego przenikaniu ciepła z atmosfery pod owo przekrycie 1.

Alternatywnym rozwiązaniem jest wykonanie komór 2 jako struktur otwartych od góry i od dołu z blokadą ruchów powietrza wewnątrz komór 2 poprzez nadanie im układu syfonu powietrznego 22 (śluzy powietrznej bezprzegrodowej) o geometrii sigmoidalnej (fig. 8) bądź koncentrycznej (fig. 9). Taki układ syfonu 22 przepuszcza w całości promieniowanie FIR pełniąc funkcję wydrążonego światłowodu czy rury świetlnej (light pipe). Dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskuje się stratyfikację termiczno-gęstościową i unieruchamia powietrze, co pozwala na wykorzystanie tej warstwy powietrza jako termoizolacji i zapobiega przenikaniu wiatru pod przekrycie 1. Opcjonalnie komory 2 w formie śluz powietrznych mogą być dodatkowo zamknięte od dołu pokrywami. W dolnym kolanie syfonu konieczne jest zainstalowanie rurki odprowadzającej opady i osady atmosferyczne degradujące optyczne właściwości przekrycia 1.

Sumaryczny przekrój wzdłużny komory w wersji syfonu powietrznego 22 jest znacznie wyższy niż w przypadku zastosowania komory prostej, czego skutkiem jest mniejsza efektywna apretura (światło) powierzchni powłoki, czyli ograniczona przepuszczalność promieniowania długofalowego. W celu uniknięcia tych ograniczeń przy zastosowaniu syfonów 22 należy uformować dolne wloty 23 komór 2 w formę stożka Winstona lub złożonej paraboloidy. Taka struktura optyczna ma wyższy kąt akceptacji padającego promieniowania niż prosty cylinder, przez co zwiększa się ilość przyjmowanego dyfuzyjnego, izotropowego promieniowania emitowanego przez grunt.

Przy dostatecznym wydłużeniu komór 2 w przekryciu 1, możliwa jest całkowita rezygnacja z pokryw 6 (fig. 7). Eliminowane jest tą drogą gromadzenie się opadów i osadów atmosferycznych na przekryciu 1. Nie ma również problemu z przepuszczalnością dalekiej podczerwieni (FIR) oraz fotodegradacją wrażliwych na promieniowanie ultrafioletowe i widzialne (UV-VIS) pokryw 6.

Ściany 5 komór 2 wykonane są z elastycznych laminatów wzmacnianych tkaninami a ich powierzchnia jest selektywna optycznie. Stanowi ona lustro dla dalekiej podczerwieni FIR a także dla promieniowania z zakresu promieniowania ultrafioletowego i widzialnego UV-VIS oraz bliskiej podczerwieni (NIR), lub pokryta jest warstwą retro refleksyjną tylko dla UV-VIS i NIR i refleksyjną zarazem dla FIR. W szczególnym przypadku, przy zastosowaniu wrażliwej na promieniowanie ultrafioletowe (UV) dolnej pokrywy 6b (np. z HDPE lub MDPE) górna część ścianek 5 komory 2 musi być pokryta materiałem zawierającym absorbent promieniowania UV, który zamienia energię fotonów UV w ciepło, które powinno być następnie rozpraszane przez konwekcję i wyprowadzane ponad przekrycie 1.

Zależnie od przyjętych wersji wykonania wynalazku każda komora 2 lub sektor komór 2 zaopatrzona może być w jedną lub dwie pokrywy 6 - pokrywę górną 6a i pokrywę dolną 6b. Pokrywy 6 mogą pełnić kilka funkcji - bariery fizycznej oddzielającej przestrzeń w komorach i pod powłoką od otaczającej atmosfery oraz selektywnie optycznej powłoki przezroczystej dla dalekiej podczerwieni i refleksyjnej dla światła widzialnego.

W przypadku wykonania wynalazku, w którym każda komora 2 lub sektor komór 2 zaopatrzona jest w jedną pokrywę 6, może ona być umieszczona u góry lub na dole komory 2.

Pokrywa górna 6a musi być przezroczysta dla długofalowego promieniowania podczerwonego. Pokrywa 6a musi mieć właściwości optyczne typu zimnego lustra czyli zwierciadła dichroicznego, selektywnego dla promieniowania UV-VIS i NIR a równocześnie musi być przezroczysta dla promieniowania FIR. Ogranicza to wybór materiałów, z których pokrywa 6a może być wykonana. W grę wchodzą materiały organiczne typu polimerów lub wosków takie jak amorficzne fluoropolimery, HDPE lub MDPE, woski parafinowe o wysokiej temperaturze topnienia oraz materiały nieorganiczne, krystaliczne takie jak NaCl, ZnS czy Si albo kombinacja tych elementów. Wynika to z konieczności spełnienia przez pokrywę wymogów mechanicznych i odporności na warunki atmosferyczne, w szczególności fotodegradację a także ekstremalne zmiany termiczne i wilgoć.

Materiał pokrywy 6 może zatem stanowić kompozytową folię, zbrojoną siatką z metalizowanego włókna szklanego lub metalu, ewentualnie wprasowaną w mikro-ruszt kompozytowy lub metalowy (kratownicę) pokrytą lustrzaną powłoką metaliczną, dzięki czemu mikrorusztowanie nie zacienia promieniowania FIR emitowanego przez grunt. Folia może być wykonana na przykład z nanoziaren ZnS o rozmiarach ok. 300 nanometrów lub nanowłókien ZnS, (fig. 10) o grubości kilkudziesięciu mikrometrów

PL 237 442 B1 sprasowaną (fig. 10A) lub spojoną amorficznymi fluoropolimerami, czy woskami parafinowymi (fig. 10B) i pokryta antyrefleksyjnym mikroreliefem typu „oka ćmy” o rozstępie, module i wysokości około 1 μm, dedykowanym dla wygaszania refleksów promieniowania o długości fali 8-12 μm, dodatkowo chroniona przed wpływem wilgoci powłoką amorficznego fluoropolimeru lub AI2O3 o grubości do 1 μm, czyli materiału przepuszczającego długofalowe promieniowanie podczerwone.

W innej odmianie materiał pokrywy 6 stanowi folię o grubości kilkudziesięciu mikrometrów, sprasowaną lub spojoną z nanoziaren NaCl o rozmiarach ok. 300 nanometrów lub nanowłókien NaCl (fig. 10C) pokrytą antyrefleksyjnym mikroreliefem typu „oka ćmy” o rozstępie, module i wysokości około 1 μm, dedykowanym dla wygaszania refleksów promieniowania o długości fali 8-12 μm, dodatkowo chronioną przed wpływam wilgoci powłoką amorficznego fluoropolimeru lub AI2O3 o grubości do 1 μm przepuszczającego promieniowanie podczerwone.

W kolejnej odmianie, materiał pokrywy 6 stanowi folię ze spienionego, amorficznego perfluoropolimeru (mikropianki lub aerożelu) najlepiej o fraktalnej, hierarchicznej strukturze porów, o sumarycznej grubości materiałowej nie przekraczającej 3 μm.

Dalej materiał pokrywy 6 stanowi folię z ultra czystego mono- lub polikrystalicznego krzemu o grubości do 50 μm, przezroczystego dla promieniowania długofalowego i refleksyjnego dla promieniowania słonecznego, pokrytego mikroreliefem odbijającym promieniowanie widzialne natomiast antyrefleksyjnym dla promieniowania FIR.

Wszystkie wyżej wymienione materiały, zastosowane w odpowiednio cienkiej warstwie (poniżej 10 μm) są przezroczyste w zakresie dalekiej podczerwieni (8-12 μm), natomiast wysoka refleksyjność w UV-VIS i NIR może być zapewniona przez odpowiednią kombinację tych elementów i nadanie im odpowiedniej przestrzennej struktury. Dyfuzyjne odbicie promieniowania solarnego, można zapewnić przez zdyspergownie elementów o różnym współczynniku załamania światła lub nadanie pokrywie 6a kontrolowanej mikro- i nano- porowatości. Umieszczenie pokrywy 6a na górze sprawia, że materiały muszą spełniać wyższe wymogi, przede wszystkim ze względu na większe obciążenie promieniowaniem UV-VIS. Można tu zastosować materiał tańszy i nieodporny na promieniowanie UV-VIS, jak np. drobnospieniony HDPE lub MDPE, pod warunkiem, że będzie on zawierał stabilizator UV i przegroda będzie wymieniana co kilka lat, co jednocześnie eliminuje częściowo problem akumulacji zabrudzeń.

W kolejnej odmianie materiał pokrywy 6 stanowi arkusz materiału nieprzezroczystego dla promieniowania długofalowego, o bardzo wysokiej absorbancji i emisyjności dla tego promieniowania i wysokiej refleksyjności dyfuzyjnej dla promieniowania UV-VIS i NIR, choć może być częściowe przepuszczalna w tym zakresie szkło mleczne krzemianowe(i), szkło spienione(ii), spienione i odporne na fotodegradację polimery(iii), mata włókninowa lub tkanina ze szkła krzemianowego(iv), borowo-krzemianowego(v) lub borowo-litowego(vi).

W przypadku lokalizacji pokrywy 6b w dolnej części komórki możliwe jest zastosowanie jako jej rdzenia również innych, nieprzezroczystych dla promieniowania FIR (ewentualnie także UV-VIS) materiałów w tym metali, włókien nieorganicznych, w szczególności włókien szklanych lub kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami. Dla takiego rozwiązania istotne są własności optyczne powierzchni, w szczególności wysoka emisyjność i absorpcyjność dla FIR i wysoka refleksyjność w zakresie UV-VIS i NIR.

W pierwszej wersji selektywnie optyczne przekrycie 1 jest zatem przezroczyste dla FIR i refleksyjne dla UV-VIS i NIR, w drugiej wersji nieprzezroczyste, wysoce absorpcyjne i wysoce emisyjne dla FIR i refleksyjne (na sposób dyfuzyjny lub lustrzany) dla UV-VIS i NIR.

Zastosowanie dwóch pokryw górnej 6a i pokrywy dolnej 6b poprawia funkcjonowanie przekrycia 1 jako bariery termicznej oddzielającej stratyfikowany termicznie wewnątrz komór 2 gaz od przestrzeni pod i nad przekryciem 1. Zapobiegnie to pojawianiu się w komorach 2 konwekcji termicznej oraz ruchów gazu wymuszonego przez pole wiatru. Zarówno pokrywa górna 6a jak i pokrywa dolna 6b powinny cechować się takimi właściwościami optycznymi, jakie zostały opisane w przypadku wykonania wynalazku w wersji z jedną pokrywą 6.

Jednym z podstawowych problemów związanych z efektywnością funkcjonowania układu jest osadzający się na przekryciu 1, a zwłaszcza na jego częściach optycznych pył, opady i osady atmosferyczne. Z tego względu przekrycie 1 musi być zaopatrzone w zespół odwadniania lub odśnieżania i usuwania pyłu zwłaszcza z powierzchni pokryw 6. Pomiędzy poszczególnymi komorami 2 znajdują się pionowe kanały umożliwiające odprowadzanie gromadzącego się na powierzchni przekrycia 1 materiału. Kanały powinny być zaopatrzone w przysłony przepuszczające pod obciążeniem materiał, ale nieprzepuszczające światła.

PL 237 442 B1

Wieniec każdej komory 2 może być w niektórych wykonaniach zaopatrzony w system klap 8 (fig. 5) umożliwiający jej zamknięcie i odcięcie wnętrza komory 2 wraz z pokrywą 6 od atmosfery ponad przekryciem 1 w razie wystąpienia niekorzystnych warunków atmosferycznych (burze pyłowa, opady, silne wiatry), a także w sytuacji obniżenia się temperatury nocą, co mogłoby doprowadzić do zamarznięcia powierzchni terenu pod powłoką i zniszczenia ewentualnych upraw. Istotna jest możliwość centralnego sterowania zamykaniem i otwieraniem wszystkich komór 2 lub wybranych ich sektorów. Można to zrealizować poprzez wzajemne sprzężenie mechaniczne wszystkich klap 8 powodujące, że zmiana położenia jednej klapy 8 wymusza identyczną zmianę położenia wszystkich klap 8 lub wybranego sektora klap 8.

Dla klimatów suchych z chłodnym sezonem można wykorzystać przekrycie 1 jako ochronę przed wychłodzeniem zlokalizowanych pod nim upraw. W sezonie chłodnym funkcja kontroli klimatycznej ulegałaby w razie potrzeby odwróceniu, tzn. przekrycie 1 pełniłoby funkcję szkłami. Ta funkcja jest najlepiej spełniana przez rozwiązanie z komorami 2 wykonanymi jako syfony powietrzne 22, które blokują ruch powietrza niezależnie od orientacji gradientu termicznego.

W wyniku spadku temperatury powietrza pod przekryciem 1 wzrastać będzie jego względna wilgotność, co powodować będzie kondensację pary wodnej. Wilgoć kondensująca ze schłodzonego powietrza w formie kropel rosy może osadzać się na powierzchni pokrywy 6 (w przypadku wykonania ich jako nieprzezroczystych dla FIR). W przypadku kiedy pokrywy 6 są nieprzezroczyste dla FIR, będą stanowiły najchłodniejszy element w całym systemie, w związku z czym skraplanie będzie występowało głównie na ich powierzchni a powstające krople będą opadały w formie sztucznego deszczu. Kondensacja może odbywać się także w całej przestrzeni pod przekryciem 1, przy gruncie lub na gruncie, lub zawieszona w formie mgły. W celu jak najefektywniejszego zebrania powstałej w ten sposób wody przestrzeń pod przekryciem 1 powinna być wyposażona w odpowiednie urządzenia. Zależnie od lokalnych uwarunkowań woda może być wykorzystana bezpośrednio pod przekryciem 1, na przykład do irygacji upraw lub sprowadzana po zboczach na dół i wykorzystywana jako woda pitna.

Istnieje kilka sposobów odzyskiwania wody pitnej z mgły (wykraplanie mgły), która gromadzić się będzie pod powłoką. Bazują one na hydrofobowości lub hydrofilności powierzchni, z którymi stykają się cząsteczki wody zawarte we mgle. Jednym z nich jest wyłapywanie cząsteczek wody przez specjalne siatki o gęstym splocie zbudowane np. z polipropylenu. Korzystne będzie umieszczenie zespołu tych siatek u wlotu duktu powietrznego, przez który przechodzi cały strumień ochłodzonego pod przekryciem 1 powietrza.

Claims (16)

1. Układ urządzeń do pozyskiwania odnawialnej energii i wody z powietrza atmosferycznego w izolowanej przestrzeni wyznaczonej naturalnie lub sztucznie w terenie, zwłaszcza w zagłębieniu gruntu lub na płaskowyżu, oddzielonej od atmosfery przekryciem mającym wlot i wylot powietrza, w której to przestrzeni zachodzi przemieszczanie mas powietrza na skutek jego ochłodzenia, zaś z wylotem powietrza połączone są kanały wyprowadzające schłodzone powietrze do zespołu konwersji energii mechanicznej ruchu powietrza, zwłaszcza do turbiny powietrznej połączonej z generatorem energii elektrycznej, znamienny tym, że przekrycie (1) stanowi elastyczna, optycznie selektywna struktura przepuszczająca emitowane przez grunt promieniowanie z zakresu dalekiej podczerwieni w kierunku do atmosfery, natomiast odbijająca promieniowanie solarne widzialne i ultrafioletowe oraz z zakresu bliskiej podczerwieni, zarówno padające bezpośrednio na przekrycie (1) jak i rozproszone, przy czym przekrycie (1) podzielone jest na komory (2), których wspólne ściany (5) rozpięte są na zawiesiach (4) lin (3) szkieletu przekrycia (1) i ściany (5) te zbudowane są z elastycznego polimeru pokrytego warstwą optycznie selektywną.

2. Układ według zastrzeż. 1, znamienny tym, że ściany (5) komór (2) pokryte są warstwą optycznie selektywną lustrzanie refleksyjną dla promieniowania dalekiej podczerwieni oraz promieniowania solarnego widzialnego, ultrafioletowego i w zakresie bliskiej podczerwieni.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ściany (5) komór (2) pokryte są warstwą optycznie selektywną retrorefleksyjną dla bezpośrednio padającego promieniowania solarnego widzialnego, ultrafioletowego i w zakresie bliskiej podczerwieni i jednocześnie refleksyjną dla promieniowania z zakresu dalekiej podczerwieni.

PL 237 442 B1

4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że komory (2) przekrycia (1) mają geometrię przekroju w postaci heksagonalnej - plastra miodu usytuowanego równolegle do powierzchni gruntu, stanowiąc sześcioboczne bryły.

5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że komory (2) przekrycia (1) mają postać wzdłużnych kanałów usytuowanych obok siebie i równolegle do powierzchni gruntu.

6. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że ściany komór (2) w wykonaniu lustrzanym pokryte są powłoką metaliczną osłoniętą przezroczystą warstwą ochronną.

7. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że ściany komór (2) w wykonaniu retrorefleksyjnym pokryte są folią retrorefleksyjną z warstwą niskoemisyjną o niskiej absorbancji.

8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że komory (2) są zamknięte od dołu rozpiętymi na ramie pokrywami (6), przy czym dolne pokrywy (6b) komór (2) zbudowane są z materiału optycznie selektywnego przepuszczającego promieniowanie w dalekiej podczerwieni natomiast odbijającego promieniowanie solarne widzialne i ultrafioletowe oraz z zakresu bliskiej podczerwieni, zarówno padające bezpośrednio jak i rozproszone.

9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że komory (2) są przykryte pokrywami (6a) ułożonymi poziomo i zbudowanymi z materiału optycznie selektywnego przepuszczającego promieniowanie w dalekiej podczerwieni natomiast odbijającego promieniowanie solarne widzialne i ultrafioletowe oraz z zakresu bliskiej podczerwieni, zarówno padające bezpośrednio jak i rozproszone.

10. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że słup gazu znajdujący się w otwartych komorach (2) stabilizowany jest poprzez zastosowanie syfonu powietrznego (22) przy czym dolny wlot (23) komór ma geometrię typu stożka Winstona o ścianach lustrzanych także dla promieniowania dalekiej podczerwieni.

11. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że komory (2) zaopatrzone są w klapy (8) regulacji ilości promieniowania długofalowego przechodzącego przez przekrycie (1).

12. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że materiał pokrywy (6) jest optycznie selektywny i stanowi go folia ZnS o grubości kilkudziesięciu μm, pokryta antyrefleksyjnym mikroreliefem o rozstępie, module i wysokości około 1 μm, z warstwą amorficznego fluoropolimeru o grubości do 1 μm.

13. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że materiał pokrywy (6) jest optycznie selektywny i stanowi go folia NaCl o grubości kilkudziesięciu μm, spojona amorficznym fluoropolimerem, pokryta antyrefleksyjnym mikroreliefem o rozstępie, module i wysokości około 1 μm, z warstwą amorficznego fluoropolimeru o grubości do 1 μm.

14. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że materiał pokrywy (6) jest optycznie selektywny i stanowi go folia ze spienionego perfluoropolimeru o fraktalnej, hierarchicznej strukturze porów, o sumarycznej grubości materiałowej nie przekraczającej 3 μm.

15. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że materiał pokrywy (6) jest optycznie selektywny i stanowi go folia z ultra czystego krystalicznego krzemu o grubości do 50 μm pokrytego mikroreliefem.

16. Układ według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że materiał pokrywy (6) jest optycznie selektywny i stanowi go arkusz materiału wybranego z grupy obejmującej szkło mleczne krzemianowe, szkło spienione, spienione odporne na fotodegradację polimery, maty włókninowe lub tkaniny ze szkła krzemianowego, borowo-krzemianowego i borowo-litowego.