Атмосфера Земли представляет собой огромный и неиссякаемый источник энергии. Постоянное движение воздушных масс имеет гигантскую кинетическую энергию, об истинных размерах которой можно только догадываться. Достаточно рассмотреть последствия любого урагана или просто шквалистого ветра, чтобы получить представление о масштабах имеющихся запасов энергии, использование которой пока еще ведется на минимальном уровне.
Наличие более эффективных способов производства электроэнергии ограничило активность исследовательских работ в этой области, которые были возобновлены относительно недавно. Нехватка углеводородных источников, разразившийся топливно-энергетический кризис заставляют пересматривать отношение к альтернативным вариантам производства электроэнергии, лидером среди которых является .
Энергия ветра на службе у человека
На сегодняшний день существуют полноценные электростанции, вырабатывающие электроэнергию при помощи потоков ветра. Их довольно много, таких станций насчитывается около 20 тыс. При этом, утверждать, что человек подчинил себе энергию ветра и использует ее вполне эффективно, преждевременно. Несмотря на значительные объемы полученной энергии, возможности ветроэнергетики пока еще далеки от идеала.
Существующие установки обладают недостаточной эффективностью, вызванной сложностью условий эксплуатации и невозможностью регулирования воздушных потоков. Их неравномерность - одна из ключевых причин, сдерживающих развитие отрасли. Ведущиеся исследования в этой области выдают предельную величину - 59,3 % , что намного выше, чем реально существующие значения, но недостаточно в целом.
Понимание важности и большого потенциала ветроэнергетики в обществе постоянно укрепляется. Больших успехов в этой области достигли Китай и Индия, обладающие .
Особенностью отрасли является возобновляемый характер источника энергии, возможность бесконечного пользования ресурсом. В этом отношении ветроэнергетика является наиболее устойчивой по сравнению с другими способами производства электричества.
Исследования и разработки ведутся постоянно, их интенсивность в последнее время заметно усилилась. Появляются совершенно новые модели, использующие методики, отличные от распространившихся ныне. Активность конструкторов и исследователей сама по себе является свидетельством возрастания роли ветроэнергетики и гарантией увеличения количества ветрогенераторов в будущем.
Устройство для преобразования
Для того, чтобы кинетическую энергию ветра трансформировать в электрическую, необходимо использовать соответствующее оборудование. Наиболее распространенным устройством для преобразования является ветрогенератор . Это агрегат, состоящий из нескольких узлов, выполняющих задачи по приему, передаче и преобразованию энергии потока ветра в электричество.
Существует множество вариантов конструкции ветряков, выполняющих одну и ту же функцию при помощи рабочего колеса с лопастями. Отличие всех видов конструкции состоит в направлении оси вращения и в конструкции вращающегося узла - ротора.
Ветрогенераторы делятся на две большие группы, имеющие разное расположение оси вращения:
- горизонтальные
- вертикальные
Наиболее эффективными считаются горизонтальные устройства, напоминающие пропеллер самолета. Поток ветра, воздействующий на лопасти, используется максимально возможным образом, практически без потерь. При этом, имеется постоянная необходимость коррекции положения оси в зависимости от направления ветра, что вынуждает использовать дополнительные приспособления и устройства. Наиболее простым и эффективным среди них является хвостовой стабилизатор, аналогичный хвосту самолета, автоматически устанавливающий ветряк по ветру.
Вертикальные конструкции имеют важное достоинство - независимость от направления ветра. При этом, эффективность таких устройств несколько ниже, так как поток одновременно воздействует как на рабочую, так и на обратную сторону лопастей, создавая уравновешивающее усилие. Оно останавливает вращение ротора, вынуждая прибегать к различным конструктивным ухищрениям. Так, используются различные кожухи, закрывающие обратные стороны лопастей.
Также применяют наружные конструкции, прикрывающие доступ потока к тыльным частям лопастей, спрямляющие устройства, направляющие поток в нужную сторону и т.д.
Практические результаты показали наибольшую эффективность горизонтальных установок в составе промышленных электростанций и выгоду использования вертикальных конструкций для обеспечения энергией отдельных домовладений.
Принципы работы ветрогенератора
Ветрогенератор является агрегатом, состоящим из нескольких узлов. Они выполняют отдельные задачи, являясь звеньями в цепи последовательных изменений вида энергии.
- поток воздуха, взаимодействуя с крыльчаткой ветряка, заставляет ее вращаться
- движение вала передается на генератор, который производит электрический ток
- с генератора напряжение через выпрямитель подается на аккумулятор, заряжая его
- за уровнем заряда следит специальное устройство - контроллер, отключающее питание и включающее его снова по необходимости
- с аккумулятора заряд подается на инвертор, приводящий полученный ток в соответствующее состояние (220 В, 50 Гц) и передающий его потребителям
Небольшие устройства иногда работают по упрощенной схеме, подавая напряжение непосредственно с генератора потребителям. Это возможно для питания водяных насосов или освещения участка, теплицы и т.д.
Производительность ветрогенератора зависит от параметров собственно генератора, размеров и конструкции крыльчатки. Кроме того, важным параметром является преобладающая скорость ветра в регионе, обеспечивающая базовый режим вращения ротора и определяющая производительность всего комплекса.
Наука имеет различные коэффициенты по преобразованию кинетической энергии в тепловую. Однако, до настоящего времени не расшифрована физическая суть такого преобразования.
Это преобразование связано с трением. Трение процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении). Трение всегда сопровождается выделением тепла и износом трущихся поверхностей.
Выделение тепла связано также с ударами минимум двух тел (в частности, при лёгком постукивании молотком по металлу, удар пушечного ядра в корпус корабля и др.).
Преобразование кинетической энергии в тепловую - это частный случай волнового взаимодействия замкнутых контуров (атомов, доменов) имеющих пульсационные электронные оболочки.
В любой среде распространение волн всегда сопровождается потерями - диссипацией энергии . Все волны обладают энергией и у всех физических волн происходит диссипация энергии.
Наукой принято, что кинетическая энергия любой движущейся частицы представляет собой волну Луи де Бройля. Де Бройлем был выведен принцип универсальности корпускулярно-волнового дуализма относительно всех видов элементарных частиц (атомов, электронов, и т.д.). Все частицы находятся в колебательном движении с длиной волны
л=h / m ? v» (л = h/p),
где m и v - масса и скорость частицы, масса составляет
m = h / л? v », p - импульс «p = h / л» ,
«р = m ? v», «р = Ft (действия силы) ».
Позднее, наукой выведена формула диссипации кинетической энергии за один период колебания волны де Бройля.
Диссипация -
«Wd = H0hс/v»
(считается формулой «вязкости физического вакуума»), где H 0 - постоянная Хаббла (2.40 ± 0.12)·10 -18 Гц, «h» - постоянная Планка, «с» - скорость света, «v» - скорость частицы. Формула подходит для всех тел и частиц.
Из формулы видно, что диссипация кинетической энергии прямо пропорциональна массе и пройденному расстоянию, а также импульсу и времени его действия.
Вывод науки: у всех волн помимо таких свойств как длина, частота и энергия имеется еще и диссипация энергии из-за того, что при каждом колебании волны происходит перекачка одного вида энергии в другой и наоборот.
Какие выводы можно сделать из данного утверждения?
Формула и трактовка диссипации говорит о том, что кинетическая энергия с каждым колебанием снижается, по умолчанию, до полного угасания волн и перехода в тепловую энергию. Это выражается в аспекте «однонаправленности» и «необратимости» эволюционного процесса в Мироздании - фундаментального положения современной науки - Второго начала термодинамики. В результате этого необратимого процесса космические формации обязательно «сваливаются» в термодинамическое равновесие - «тепловую смерть» с максимумом энтропии и хаоса (максимальной степени неупорядоченности теплового движения, т.е. в конечной стадии на уровень элементарных частиц - прим. А.П.). Для науки круговорот материи в Мироздании закончился, т.к. какого-либо реального механизма формирования сингулярной точки и последующего её «Большого Взрыва» в Природе не существует. Имеется единственный выход из данной абсурдной ситуации - признать существование Первичной космической субстанции - элементарных частиц и три стадии их структурирования - монного, три-А-дного и дихотомического.
Размыкание эволюционного процесса в науке является результатом отсутствия в Парадигме двух факторов - гексагональных тороидальных «этажей» - слоёв в частотно-спектральной структуре Мироздания, а также механизма космической пульсации.
В результате в науке (термодинамике) до настоящего времени нет механизма обратимости процессов во Вселенной - тороидальных структур с магнитными потоками N-SS-N (N-SS-NN-S….), т.е. процессов структурирования аннигиляции материи и Мироздания. А однажды возбуждённые волны, в отсутствие механизма космической пульсации, в результате диссипации, безвозвратно угасают.
В соответствие с внутри-Природной информационной системой, в волновых процессах импульс, возбуждающий Среду, создается пульсационным выбросом (с определённой массой, силой с определённой временной продолжительностью
р = Ft (действия силы)
Колебательное же движение - волну создаёт череда периодических импульсов (периодических актов пульсации частиц ) на каждой несущей частоте, формируемой в ходе дихотомического структурирования материи и «этажей» Вселенной.
В этих условиях реальная волна выглядит как чередование сгущений (с повышенной плотностью вещества) и разрежений (с пониженной плотностью) вещества (частиц) Среды. В графическом изображении волна - это череда максимумов и минимумов амплитуды колебаний, для стоячих волн - череда узлов и пучностей.
Пульсационный выброс одного импульса имеет определённое количество выбрасываемого источником вещества и поэтому радиус выброса в трёхмерном пространстве ограничен. Пульсационный выброс формирует спектр излучения. Каждый последующий импульс также формирует спектр, который накладывается на предыдущий. При наложении спектров выбрасываемое вещество взаимодействует и формирует устойчивое частотно-спектральное распределение материи с максимумами лучевой энергии на «синем» конце и тепловой энергии на «красном» конце спектра. Диссипации, как таковой, с каждым колебанием волны не происходит. Тепловые потери при взаимодействии налагающихся друг на друга спектров компенсируются пульсационными выбросами. Диссипация, в данном случае, это отражение снижения лучевой энергии от источника пульсации к «красному» концу спектра (при одновременном росте тепловой энергии на «красном» конце).
Залогом существования реального Мира является способность октаедрических корпускул материи (результата дихотомического структурирования) поглощать более мелкие космические формации (корпускулы), т.е. восстанавливать свою потерянную энергию и пульсировать (выбрасывать поглощаемые частицы) наружу (процессы поглощения и излучении телами известны ещё со времён Кирхгоффа (1859 г.). Часть выброшенных частиц составляет электрическую оболочку корпускулы, часть более энергичных («тепловых», как говорилось выше, более «скоростных» и быстрых) наполняет окружающую Среду. Эти «скоростные» тепловые частицы также являются предметом последующего поглощения и пульсации корпускул. Баланс сохраняется, Закон сохранения энергии обеспечивается.
Таким образом, в реальности, можно выделить два вида диссипации.
Во-первых, диссипация (лучевой) энергии, как отражение угасания (ослабление) импульса в пульсационном цикле.
Во-вторых, диссипация - потеря кинетической энергии с переходом в тепло в ходе передачи импульса от одних колеблющихся частиц Среды (замкнутых контуров, тел, ионов кристаллической решётки, свободных электронов) к другим. Этот вид соответствует определению диссипации науки (при условии дополнительного учёта пульсационных процессов).
Механизм перехода кинетической энергии в тепловую представляется следующим образом.
Трение взаимодействующих тел - результат всеобщей «вязкости физических сред» (в.т.ч. «физического вакуума»). Отсюда - физическая суть диссипации - перехода кинетической энергии в тепло - это взаимодействие электрических (пульсационных) оболочек корпускул. На атомно-молекулярном уровне это взаимодействие электронных оболочек, в большей степени её наружных («валентных») электронных слоёв.
При контакте и перемещении относительно друг друга (трении) «валентные» слои спектра пульсации (с частотными фракталами 3,4-3,1 Гц деформируются, частично разрушаются с выделением «скоростных» частиц (т.н. быстрых электронов) в окружающую Среду. Происходит феномен выделения тепла. Тенденция перехода частотного фрактала (солитона) от 3,1 в сторону к 3,0 Гц приводит к дополнительному нагреву (частичному эффекту «самопроизвольного» нагревания).
Ударное взаимодействие существует в двух видах - внешнего и внутреннего ударов.
В случае внешнего ударного взаимодействия происходит деформация более глубоких (по сравнению с трением) электронных слоёв, с выбросом значительно большего количества «быстрых» частиц. Происходит мощное разогревание до свечения и даже плавления ударяющихся поверхностей.
Количество тепловой энергии пропорционально кинетической энергии (скорости и массе) ударного тела, т.е. достаточной амплитуде и длине пробега, а также импульсу (характеризующегося силой и продолжительностью удара).
Внутренний удар характерен для взаимодействия внутри корпускулы, в частности, ударов структурных элементов триплета о свою энергетическую оболочку, а также взаимных ударов элементов самого триплета.
Откуда в этом случае возникают «скоростные» мелкие частицы, определяющие проявление тепловой энергии? Суть феномена в том, что элементы триплета и контур корпускулы на атомно-молекулярном уровне являются сложными частицами в составе множества суб- суб- суб-…частиц на различных уровнях несущих частот. В результате, внутренних ударов также выбивается в Среду множество скоростных тепловых частиц.
Тепловой эффект возможен также за счёт высокочастотного облучения (например, - излучением или «биологическим - N» через резонанс) повышающего рост частотного фрактала «синего» конца спектра (в частности, до 7,7 Гц и выше).
В технике, при сварке и резке материалов, эффект внешнего удара (и облучения) используется путём одновременного точечного облучения разными по мощности лучами.
Закон сохранения энергии поистине незыблем, и многовековой опыт науки и техники приучил ученых опираться на него как на основу. Колоссальное количество технических устройств, перечислять которые можно было бы бесконечно, создано человечеством на данный момент с опорой на фундаментальные законы природы и целой вселенной. Лишь единицы, из великого множества таких устройств, можно упомянуть в качестве примера.
Лук и стрелы, колесо, весло, парус, рычаг, компас, порох, микроскоп и телескоп, паровая машина, телеграф, динамит, и электрический двигатель, лампа накаливания, трансформатор, аккумулятор, атомная бомба, транзистор, лазер, искусственные спутники и космические аппараты.
Везде строго соблюдается закон сохранения энергии: натягивая тетиву лука, человек совершает работу, при этом дуга лука запасает потенциальную энергию, которая затем преобразуется в кинетическую энергию летящей с большой скоростью стрелы; колесо, весло и рычаг ведут нас к передачам и редукторам, к преобразованию крутящего момента, сил и угловой скорости, и здесь снова имеет место преобразование энергии; аккумуляторная батарея позволяет преобразовывать химическую энергию в электрическую, а генератор - механическую энергию в электрическую и т.д.
Всюду происходит преобразование энергии. Безусловно, можно сказать, что механическая энергия расходуется, а электрическая энергия возникает, словно создается, если речь идет об электрическом генераторе, но ведь это непрерывный процесс именно преобразования энергии - непрерывного ее перехода из одного вида в другой.
Хотя нарушений закона сохранения энергии нигде в природе явным образом не проявлялось, многие изобретатели прошлого, включая великого Леонардо да Винчи, много раз делали, попытки построить такое устройство, которое могло бы совершать работу бесконечно, не потребляя при этом никаких энергетических ресурсов (так называемый вечный двигатель первого рода).
И современные исследователи продолжают делать такие попытки. Ученые же говорят, что это невозможно просто потому, что тогда бы нарушалось первое начало термодинамики, которое гласит: «в любой изолированной системе запас энергии остаётся постоянным». И действительно, представьте себе систему, полностью изолированную от окружающей среды так, что ни вещество, ни энергия в каком бы то ни было виде, не могут ни поступать в нее, ни выходить из нее.
Даже если элементарно попытаться представить, существующей в реальности, такую изолированную систему, внутри которой что-то происходит, преобразуется энергия, идут какие-то процессы, а снаружи все как было, так и есть без изменений, то какой был бы в этой системе смысл? Никакого.
Идея вечного двигателя второго рода также не состоятельна по причине противоречия второму началу термодинамики, которое гласит: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара».
В свое время на поприще прославился один европейский умелец Иоганн Эрнст Элиас Бесслер, известный как Орфериус. В 1717 году, вероятно, желая сыскать мировой славы и денег, он демонстрировал публике самодвижущееся четырехметровое деревянное колесо, которое непрерывно вращалось на оси, несмотря на видимое отсутствие снаружи приводных механизмов.
За раскрытие секрета изобретатель просил очень крупную, по тем временам, сумму денег. Многие ученые приходили и убеждались в том, что колесо без остановки вращалось, и продолжало вращаться даже спустя два месяца после первой демонстрации. Это был настоящий фурор, слухи разнеслись и за пределы Европы.
Даже Петр Первый запланировал поездку к изобретателю на 1725 год. Однако, еще до поездки Петра в Германию, на родине изобретателя со скандалом выяснилось, что колесо приводила во вращение его служанка, вместе с братом Орфериуса. Полая конструкция большого колеса все же имела скрытую передачу, шнурок от которой шел в специально приспособленную секретную комнату. После разоблачения изобретатель своими руками разрушил колесо и покинул свой город.
Вернемся к сегодняшнему дню. Если набрать в поисковике на Youtube «free energy» или , то станет очевидным обилие в современном мире реализаций так называемых . Как правило, это автономные конструкции, совершающие электрическую работу в виде питания ламп накаливания или электродвигателей.
Начиная примерно с 2011 года, в сеть Интернет регулярно попадают видеозаписи, на которых некий электрический или электромеханический преобразователь подключается на несколько секунд к аккумулятору, батарейке или к сети 220 вольт, после чего питание отключается, а устройство отдает мощность в нагрузку и буквально «питает само себя».
Бывают и совсем немыслимые варианты на постоянных магнитах, сообщающих непрерывное вращение ротору генератора с подключенной к нему нагрузкой в виде ламп. Это кажется невероятным, поскольку складывается впечатление, что либо устройство неведомым образом производит энергию, нарушая все известные физические законы, либо автор видеозаписи умышленно вводит публику в заблуждение, пытаясь таким образом развлечься или мошенническим путем получить доход.
Но невольно возникает вопрос о целесообразности таких поступков, ведь на роликах много не заработаешь, а публичные демонстрации фальшивок рано или поздно будут разоблачены. Кому и зачем нужно заниматься этими сомнительными трюками?
Зачастую изобретатели утверждают, что энергия, которую преобразуют их устройства - это энергия из окружающей среды, - та энергия, которую при определенных условиях можно собирать и преобразовывать хоть в постоянный, хоть в переменный ток нужного напряжения.
Большое значение уделяется явлению электрического резонанса, качеству заземления, и применению высокого напряжения, благодаря чему, как утверждают изобретатели, и создаются условия для поступления энергии в их устройства.
Также постоянно фигурирует имя знаменитого ученого . И действительно, электрический резонанс в электрическом преобразователе - это то условие, когда преобразователь работает с наибольшей эффективностью, именно так говорил и писал сам Тесла о своих преобразователях.
Кроме того, один из исследователей этого нового направления, на одной из первых, наделавших много шума, демонстраций, утверждал, что именно развивая схемы Тесла, ему удалось получить этот невероятный эффект. Он смог преобразовать энергию из окружающей среды в удобную для использования форму. Этот гениальный изобретатель из Грузии вдохновил своим успешным примером многих экспериментаторов по всему миру на самостоятельные исследования.
Еще одним последователем Тесла, развивающим его идеи относительно генерации, преобразования и передачи электрической энергии, был (совсем недавно умер своей смертью в возрасте около 90 лет) американский исследователь Дональд Ли Смит, который, много лет будучи работником нефтяной промышленности, занимался изучением всех доступных теоретических данных об энергии, электрическом и магнитном полях Земли, и строил на основе своих представлений высоковольтные резонансные устройства, которые могли также служить приемниками энергии из окружающей среды.
Развивая идеи Тесла, Смит построил более 200 различных устройств, каждое из которых могло питать электрическую нагрузку гораздо большей мощности, чем само устройство потребляло, например, от аккумуляторной батареи.
На публичной демонстрации в 1996 году Смит продемонстрировал широкой аудитории одно из таких устройств, которым он запитал 10 ламп накаливания по 100 Ватт, причем самому устройству требовалось лишь заземление и пусковой источник энергии в виде аккумулятора на 12 вольт, емкостью 6 ампер-часов.
Специалисты, проводившие замеры, констатировали, что если бы устройство работало просто по принципу повышающего инвертора, то батарея должна была бы давать ток силой 83 Ампера, что нереально для такой маленькой батареи, которая применялась для запуска.
Разработки Смита также вдохновляют многих экспериментаторов, и есть случаи успешных повторов его устройств во многих странах мира.
Как на территории бывшего Советского Союза, так и в Европе есть, ставшие уже известными, благодаря своим работам, экспериментаторы - радиолюбители, демонстрирующие подобные электрические установки, которые, будучи приведены в действие от батарейки, способны отдавать в нагрузку по несколько киловатт электрической энергии. Как и в предыдущих случаях, утверждается, что главное в устройствах - резонанс, высокое напряжение, и качественное заземление.
Здесь будет уместным вспомнить о том, что наша планета обладает очень большим отрицательным электрическим зарядом, а верхние слои атмосферы, ионосфера, вплоть до термосферы, в силу сильной ионизации космическими лучами, - большим положительным электрическим зарядом.
Вполне возможно, что именно эта энергия каким-то образом преобразуется устройствами в приемлемый для использования вид, ведь и у поверхности земли электрическое поле обладает некоторой реальной напряженностью. Демонстрации проводятся в самых обычных бытовых условиях, поэтому вполне закономерны и логичны сомнения и гневные комментарии к ним от многих пользователей Интернет, просматривающих эти видео.
Встречаются и механические варианты необычных генерирующих устройств, когда привод осуществляется посредством асинхронного или коллекторного двигателя, затем осуществляется понижение оборотов передачей, с увеличением крутящего момента, который затем передается на вал многополюсного (низкооборотного) генератора постоянного или переменного тока. Генератор питает нагрузку и приводной двигатель.
Это кажется невозможным, однако есть случаи очень убедительных свидетельств о том, что та или иная компания в той или иной стране выпускает такие системы, сдает их в аренду или даже продает. Примером может служить установка, недавно продемонстрированная в Румынии.
Автор произвел запуск механической системы от розетки, а затем воспользовался энергией, которую развило устройство, для питания болгарки, циркулярной пилы и мощного . Стабилизирующий маховик, вращение которого можно было отчетливо наблюдать, продолжал вращаться, показывая, что определенный уровень энергии все время поддерживается в процессе работы установки. Разумеется, шквал критики обрушился и на этого изобретателя.
Как утверждает сам румынский исследователь, его устройство работает благодаря механике.
Между тем встает вопрос о том, правомерно ли вообще считать разные виды энергии и работы полностью тождественными? Может быть, в этом кроется причина реальной возможности построения таких устройств альтернативной энергетики?
В прочем, здесь мнений может быть масса. Факт остается фактом - природа таит в себе еще много загадок, о которых не написано в учебниках, и которые человечеству еще предстоит изучить и направить в полезное русло. Верить или не верить - каждый пусть решает сам.
Довольно широкое распространение получают ветряные электростанции. Они довольно удобны в использовании на равнинных территориях с частыми и сильными ветрами. Его устройство не очень сложно и многие владельцы частных домов задумываются об установке ветряков или солнечных батарей.
Итак, ветрогенератор или ветряная электростанция или ветроэлектрическая установка – это устройство для преобразования ветровой кинетической энергии в электрическую. Примитивное устройство такого ветрогенератора показано на рисунке ниже:
Ветрогенераторы можно разделить на промышленные и домашние. Промышленные ветроустановки, как правило, устанавливаются энергетическими корпорациями или государствами и объединяются в сети, в результате получаются электростанции использующие энергию ветра для выработки электрической энергии. Большое преимущество таких электростанций в том, что для выработки электричества им не нужно сырья (уголь, нефть, газ), а также они не генерируют отходов в процессе работы. Но есть и требования для них – высокий среднегодовой уровень ветра, иначе их применение будет экономически не целесообразным. Мощности современных ветрогенераторов могут достигать 6 МВт.
Сейчас за умеренные деньги можно купить ветрогенератор для загородного дома и тем самым обеспечить электроэнергией свой загородный дом. Обычно для обеспечения небольшого дома вполне хватает ветроустановки мощность 1 кВт, но при скорости ветра 8 м/с.
Если средне годовая скорость ветра не достаточна для полного обеспечения дома, ветроустановку можно дополнить солнечными элементами или дизель – генераторной установкой. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут дополнятся меньшими ветрогенераторами. Как, пример – турбина Дарье вполне успешно может дополнятся ротором Савониуса и при этом они не мешают друг другу, а прекрасно дополняют друг друга.
Ветроэлектростанции в домашнем хозяйстве
Как правило, в домашних хозяйствах ветряки рассматриваются с точки зрения существенной экономии при отоплении, обслуживания теплиц (освещение), а также для снижения потребления электроэнергии из сети, а иногда даже ее генерация в обратно сеть. Большое непостоянство ветра не дает возможности спрогнозировать приблизительное количество электроэнергии, которую может произвести данная установка. Поэтому к постройке ветрогенератора добавляется еще вопрос стабилизации вырабатываемой им энергии.
Главным тормозом массового внедрения ветрогенераторов является довольно высокая стоимость киловатта мощности. Также расходы на их эксплуатацию тоже не маленькие.
Одной из важнейших характеристик ветряка есть так называемый коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). У самых лучших ветряков этот коэффициент достигает 60 – 80%, а в среднем он составляет 40 – 45%. У любительских ветряков он, как правило, не превышает 35%.
Ниже приведена таблица, в которой приводится примерные значения зависимости мощности установки от диаметра лопастей и скорости ветра:
Расчет ветрогенератора
Для правильного выбора агрегата нужно точно определить направление преимущественное ветра, его среднюю скорость в месте, где предположительно будет установлен ветряк. Нужно помнить, что скорость начальная вращения лопастей примерно 2 м/с, а максимальный эффект будет достигнут при скорости 9 – 12 м/с. Мощность ветроустановки зависит только от диаметра винта и скорости ветра.
Внизу приведены простейшие формулы для расчета мощности ветроустановки:
Где: Р – мощность, выраженная кВт;
D – диаметр винта, выраженный в метрах;
V – скорость ветра, м/с;
Где: Р – мощность, выраженная Вт;
S – площадь, на которую перпендикулярно дует ветер, выраженная в м 2 ;
V – скорость ветра, м/с;
Как видно из формул выше, на мощность ветроустановки мы можем повлиять диаметром винта, так как не можем повлиять на скорость ветра. Посчитав примерную мощность, полученную от установки ветряка, можно прикинуть, а стоит ли устанавливать ветряк? Если установка ветряка не целесообразна можно выбрать другой альтернативный источник энергии (солнечные батареи) или установить несколько ветряков.
Что можно сказать о методах прямого преобразования энергии?
Под методом прямого преобразования энергии понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается или по крайней мере процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается. Чаще всего (но не всегда (Так, в магнитогидродинамическом методе получения электрической энергии из тепловой, который обычно относят к методам прямого преобразования энергии и о котором речь пойдет ниже, ступень преобразования тепловой энергии в механическую сохраняется. )) исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.
В более широком смысле слова под методом прямого преобразования энергии понимается получение электрической энергии не только из тепловой, но и из химической (в топливных элементах) и из энергии электромагнитного излучения (в фотоэлектропреобразователях). Именно эти вопросы рассматриваются в этом разделе. В первую очередь мы познакомимся с магнитогидродинамическим методом, так как он, по-видимому, более других разработан для получения больших количеств электроэнергии, а именно это в соответствии с темой настоящей книжки нас интересует прежде всего.
Магнитогидродинамический метод (МГД-метод). Собственно магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую основан на использовании двух типов преобразователей: теплового двигателя, напоминающего газовую турбину, преобразующего теплоту в кинетическую энергию струи газа (продуктов сгорания), и необычную электродинамическую машину, преобразующую кинетическую энергию струи газа в электрическую.
Происходит это следующим образом (рис. 23). В результате сжигания органического топлива (допустим, природного газа) образуются газообразные продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура была не ниже 2500° С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Другими словами, происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500° С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации - электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой одного или нескольких электронов), но и еще не подвергшихся ионизации молекул.
Чем выше температура, тем больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре порядка 10 тыс. градусов любой газ ионизируется полностью - н состоит только из свободных электронов и ядер атомов.
Плазма, с которой мы встречались, рассматривая термоядерные процессы, и температура которой измеряется многими миллионами градусов, называется высокотемпературной. Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая температуру, измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной.
И чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность уже при температуре около 2500° С, к ней необходимо добавить одно из легкоионизирующихся веществ, обычно щелочные металлы: натрий, калий или цезий. Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.
Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре, скажем, 2600° С (рис. 23) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то в соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Для этого, конечно, необходимо электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуть на внешнюю цепь.
Как видно из сказанного, принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется эдс. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе - поток электропроводящей плазмы.
Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким путем кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.
В чем же привлекательная сторона МГД-генератора?
Как нам уже хорошо известно, для увеличения КПД теплового двигателя необходимо повышать начальную температуру рабочего тела. Но в тепловых двигателях ТЭС - паровых турбинах - начальную температуру водяного пара не поднимают, как уже говорилось, выше 540° С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины (особенно рабочие лопатки) испытывают одновременное воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще нет движущихся частей, и поэтому материал, из которого сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом и состоит одно из самых важных преимуществ МГД-генератора.
Читатель может заметить, что не существует материала, способного выдержать температуру 2600° С. Не делает ли это идею МГД-генератора неосуществимой?
Действительно, такого материала не существует, высокотемпературные элементы конструкции приходится охлаждать (обычно водой). Но одно дело охлаждать неподвижные элементы конструкции, как в МГД-генераторе, и совсем другое дело - вращающиеся (да еще с очень большой скоростью), как в паровой турбине.
Следует заметить, что в МГД-генераторе в качестве рабочего тела может применяться не только газ (плазма), но и жидкие металлы. В настоящее время большое внимание привлекают плазменные МГД-генераторы. Они могут быть открытого и замкнутого типа. Мы ведем речь о плазменной МГД-установке открытого типа.
На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания (плазма) все еще имеют высокую температуру, обычно около 2000° С. При более низкой температуре плазма делается недостаточно электропроводной и поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно.
В то же время продукты сгорания на выходе из канала МГД-генератора обладают еще, как сказано, высокой температурой (более высокой, чем в топке обычного котла), и их тепловую энергию, конечно, надо использовать. Проще всего решить эту задачу, сделав установку двухступенчатой (см. рис. 23).
Итак, в камеру сгорания подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (например, обогащенный кислородом воздух). Продукты сгорания, имеющие температуру около 2600° С, поступают через сопло в канал МГД-генератора (Канал на рисунке изображен схематично. Не показаны создающая магнитное поле магнитная система, токоотводящая система, охлаждение стенок канала. ), а из канала (при температуре около 2000° С) - в парогенератор. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухонагревателе производится подогрев направляемого в камеру сгорания окислителя. Из парогенератора отводится (и затем используется вновь) легкоионизирующаяся присадка. Показанная на рис. 23 паросиловая часть схемы в принципе не отличается от изображенной на рис. 2 и 11 (схемы ТЭС и АЭС).
Главное преимущество МГД-электростанции в том, что она позволяет получать высокий КПД, который, по-видимому, достигнет 50-60 (Столь широкая вилка значения КПД МГД электростанции объясняется главным образом возможностью использования различных технических решений и достигнутой температурой подогрева окислителя (от 1500 до 2000° С). )против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Однако в дальнейшем более перспективно применение угля.
Другим важным преимуществом МГД-электростанций является их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.
Представленная на рис. 23 схема МГД-электростанции называется открытой потому, что рабочим телом МГД-генератора являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются в атмосферу.
В работе по созданию мощных МГД-генераторов приходится сталкиваться со сложными научно-техническими вопросами. К их числу относится проблема материалов для МГД-каналов, в первую очередь для их горячих стенок и электродов. Конечно, можно было бы с помощью интенсивного охлаждения снизить температуру стенок и электродов до вполне приемлемой, допускающей длительную эксплуатацию, но это привело бы к большой потере тепла и к снижению КПД МГД-генератора, а также к снижению температуры пристенных и приэлектродных слоев плазмы, уменьшению их электропроводности и в итоге к ухудшению работы генератора. Задача заключается в том, чтобы создать такие материалы для горячих стенок и электродов, которые могли бы работать длительно и надежно при возможно более высокой температуре. Большие надежды возлагаются на двуокись циркония в качестве материала для электродов и на окислы металлов, в частности окись магния, для горячих стенок.
Нелегкое дело создать магнитную систему, особенно при условии, что индукцию желательно иметь 5 - 6 тесла (50 - 60 тыс. гаусс), а длина канала должна быть около 20 м. Считается, что наиболее перспективной является сверхпроводящая магнитная система, охлаждаемая жидким гелием.
Есть и другие сложные, требующие решения вопросы. К их числу относится: создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменной (в МГД-генераторе получается постоянный ток), устройства для вывода легкоионизирующейся присадки, создание имеющего особенности парогенератора и некоторые другие.
Несмотря на все трудности, в Советском Союзе работы в области МГД-преобразования энергии продвинуты настолько, что в настоящее время идет работа по созданию промышленной МГД-установки мощностью около 500 МВт.
Можно предполагать, что в перспективе мощные МГД-установки будут использоваться на АЭС. Тогда место камеры сгорания займет атомный реактор, а рабочим телом МГД-генератора будут уже, конечно, не продукты сгорания, а более легкоионизирующийся газ, например гелий. Так как гелий, естественно, будет циркулировать по замкнутому контуру (схема МГД-элек-тростанции называется закрытой), то в качестве легкоионизирующейся присадки может быть использован более дорогой, но зато более существенно увеличивающий электропроводность плазмы металл цезий. С учетом всего сказанного необходимая максимальная температура гелий-цезиевой плазмы может быть ниже - порядка 1500° С (а не 2600° С, как для рассмотренной открытой схемы).
Следовательно, в атомном реакторе гелий должен быть нагрет не менее чем до 1500° С. В настоящее время таких высокотемпературных атомных реакторов не существует. Но можно надеяться, что их создание - вопрос времени.
Из других способов прямого преобразования энергии большой интерес представляет применение фото-электропреобразователей (о них уже говорилось в разделе «Солнечная энергия»), термоэлектрогенераторов, термоэмиссионных преобразователей и топливных элементов. Однако перспектива использования этих методов и устройств в большой энергетике пока еще до конца не ясна. Поэтому мы остановимся на них кратко.
Термоэлектрогенераторы (ТЭГ). Работа термоэлектрического генератора основана на хорошо известном в физике эффекте Зеебека. Он состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из различных элементов, при условии, что контакты (спаи) между ними имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила.
На рис. 24 представлена такая электрическая цепь, состоящая из двух проводников - меди и константана (сплава меди и никеля), используемая для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить (t n ), а другой при постоянной температуре (t 0 ), например при практически неизменной температуре смеси воды и льда. По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой степенью точности определить t n .
Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов (обычно полупроводников), иначе говоря, цепь из отдельных термоэлементов, то получится термоэлектрический генератор. Создаваемая им электродвижущая сила будет пропорциональна числу термоэлементов.
Таким образом, термоэлемент, так же как и МГД-генератор, преобразует в электрическую энергию тепловую энергию. Следовательно, КПД термоэлемента регламентируется вторым законом термодинамики.
К сожалению, термоэлектрические генераторы пока еще дороги, а их КПД невелик. Поэтому они находят применение в качестве небольших, как правило, автономных, источников энергии.
Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум (Описываемое явление наблюдается и у жидкостей ). Это явление называется термоэлектронной эмиссией, а твердое тело, испускающее электроны, - эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. В процессе эмиссии электронов эмиттер охлаждается. Через некоторое время после начала электронной эмиссии (после помещения тела в вакуум) установится равновесие: сколько электронов в единицу времени будет выходить из твердого тела за счет электронной эмиссии, столько же в него будет возвращаться в результате так называемой конденсации электронов. Охлаждения твердого тела в состоянии равновесия более не происходит.
Но можно поступить иначе: поместить в вакуум два тела (два электрода), причем к одному из них (электроду-эмиттеру) подводить тепло и поддерживать его при более высокой температуре, а от второго (электрода-коллектора) тепло отводить, с тем чтобы его температура оставалась более низкой.
Если теперь эмиттер и коллектор замкнуть внешней электрической цепью, то по ней потечет ток; описанное устройство станет источником тока, термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Из сказанного следует, что ТЭП (так же, как и ТЭГ) преобразует тепловую энергию в электрическую (минуя ступень механической энергии) и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным вторым законом термодинамики.
Если, используя ТЭП, можно было бы получать большие количества электроэнергии, а его основные технико-экономические показатели (стоимость и КПД) были благоприятны, то энергетика получила бы «в лице» ТЭП хороший электрический генератор, работающий по принципу прямого преобразования энергии.
В настоящее время еще не достигнуты такие технико-экономические показатели ТЭП, которые могли бы удовлетворить энергетику. Поэтому ТЭП пока что используются, как и ТЭГ, в случаях, когда требуются относительно малые мощности. Однако работа по улучшению показателей ТЭП ведется высокими темпами.
Топливные элементы . В топливном элементе осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В чем заключается принцип работы и каково устройство топливного элемента?
Можно, например, сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. А можно пойти другим путем, как это и делается в топливном элементе, разделив реакцию горения водорода на два процесса, в одном из которых участвует водород, а в другом - кислород.
Схема топливного элемента представлена на рис. 25. Он состоит из двух электродов, на один из которых подается водород, а на другой - кислород, и электролита. Существенным отличием топливного элемента от электрического аккумулятора и его преимуществом является то, что запас горючего и окислителя в топливном элементе, в данном случае водорода и кислорода, непрерывно пополняется.
Водород, попадая на металлический электрод и находясь на разделе трех фаз - твердого электрода, электролита и газовой фазы, - переходит в атомарное состояние (его двухатомная молекула разделяется на атомы), а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов (ионы). Электроны уходят в металл, а ядра атомов- в раствор (электролит). Вследствие этого электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит - положительно заряженными ионами.
Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подается кислород. В результате проходящих у поверхности электрода процессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательные заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду.
Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникнет электрический ток (рис. 25). Таким путем химическая энергия превращается в электрическую. Поскольку в топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. Водород-кислородный элемент работает при низкой температуре, а его КПД вполне может достигать 65 - 70%.
Не следует, однако, думать, что создать топливный элемент просто и легко. Обычно все относительно просто, пока речь идет о схеме, но как только переходишь к ее реализации, появляется масса трудностей. Не случайно поэтому, что идея топливного элемента появилась в середине XIX в., а подходящей конструкции для широкого применения нет и по сей день.
В проблеме топливного элемента много трудностей: проведение всех процессов с большой скоростью (залог получения больших абсолютных и удельных мощностей); выбор материала и создание высококачественных электродов; создание высокоэффективных электролитов (жидких и твердых в зависимости от типа топливного элемента); возможность работы на дешевом топливе.
