Альтернативне джерело енергії: вітер на висоті- наукова стаття
07/07/2005 | Сергій Кабуд
Я знайомий з автором, він навчався колись на київському мехматі, пізніше відсидів в політтаборі, автор сотен публікацій, минулого року працював на проекті НАСА. Людина цікава, голова світла, справжній вчений, навіть борець за справедливість. Живе в Нюйорку, літня людина.
лінк на оригінал
http://bolonkin.narod.ru/Article_Wind_Energy_Russian.htm
англик тут:
http://bolonkin.narod.ru/Article_Wind_Energy_English.htm
народ.ру повільний нестабільний ресурс, тому я вішаю це тут, в надії що цим може зацікавитися хтось з підприємців з технічною освітою і амбіціями.
Article Wind Energy Russian 6 7 05
AIAA-2004-5705, AIAA-2004-5756
Использование Энергии Ветра Больших Высот
Д.т.н. Александр Болонкин (США)
Alexander Bolonkin, 1310 Avenue R, #6-F, Brooklyn, NY 11229, USA
Т-Ф 718-339-4563, aBolonkin@juno.com http://Bolonkin.narod.ru
Абстракт
Ветровые установки не требуют расходов на топливо и весьма привлекательны как источники возобновляемой энергии. Однако наземные ветровые установки давно достигли вершины своих возможностей. Установки (и их электроэнегия) дорого стоят, имеют малую мощность и неравномерную выработку из-за нестабильности ветра. Ветроэнергитическая индустрия нуждается в революционных идеях, которые бы устранили эти недостатки и ветер стал бы источником стабильной и дешевой энергии.
Данная статья предлагает революционные инновации, которые позволяют многократно увеличить мощность ветровой установки, сильно снизить стоимость как самой установки так и себестомость киловатчаса энергии (примерно в 10 раз) и сделать вырабоку энергии мало зависящей от погоды. Главные инновации состоят в большом свободно-летающем роторе, расположенном в постоянных мощных потоках воздуха на большой высоте и в новой механической передаче энергии к электрогенератору, расположенному на земле.
Ротор может достигать высоты 14 км, а специальная система стабилизации и управления позволяет менять высоту и находить мощные воздушные течения.
В статье рассмотрены 6-ть проектов. Мощность некоторых из них достигает 100 Мв.
Расчеты показали следующие преимущества предлагаемого метода по сравнению с обычными ветровыми наземными установками: 1. Большая мощность летающего ротора по сравнению со стандарными, выпускаемыми промышленностью наземными ветровыми установками (в 5000-10000 раз); 2) Ротор работает на высоте 1-14 км, где сила ветра во много раз больше и ветер всегда есть; 3) Стоимость Установки (на единицу мощности) и энергии низкая (иногда в десятки раз); 4) Устанока не создает шума, ибо находится в удалении на большой высоте и не портит ландшафт местности (как мощные наземные установки), т.е. они могут располагаться вблизи больших городов и уменьшать затраты на длиные дорогостоящие линии электропередачь.
---------------
* Presented in International Energy Conversion Engineering Conference at Providence., RI, Aug.16-19, 2004 as paper AIAA-2004-5705.
Keywords: wind energy, cable energy transmission, utilization of wind energy at high altitude, air rotor, windmills, Bolonkin.
Обозначения
A – площадь ротора [m2];
a = 0.1 - 0.25 экспонента ветрового коэффициента. Зависит от рельефа поверхности.
Aa – площадь крыла, обслуживаемая элеронами для компенсации крутящего момента ротора [m2];
Aw - площадь поддерживающего крыла [m2];
C – себестоимость 1 kWh [$];
c - продажная цена 1 kWh [$];
CL – коэффициент подъемной силы (maximum CL » 2.5);
CD – коэффициент сопротивления;
DCL,a – разность коэффициента подъемной силы между правым и левым элеронами;
D – сила сопротивления [N];
Dr – сила сопротивления ротора [N];
E - годовое производство энергии летающей установкой [J];
F – годовой доход [$];
Ho = 10 m – стандартная высота наземной установки [m];
H - высота [m];
I – стоимость установки [$];
K1 – время жизни установки (годы);
K2 – коэффициент подъемной силы ротора (5-12 [kg/kW]);
L – длина кабеля (ремня трасмиссии) [m];
Ly – подъемная сила крыла [N];
M – годовые расходы на содержание установки [$];
N– мощность [W, joule/sec];
No – мощность на стандарной высоте Ho ;
r – рассстояние от центра крыла до центра элеронов [m];
R – радиус ротора (турбины) [m];
S – поперечное сечение ремня трансмиссии [m2];
V – годовая средняя скорость ветра [m/s];
Vo – скорость ветра на стандартной высоте 10 m [m/s](Vo= 6 m/s);
W – вес установки (ротор+ трансмиссия) [kg];
Wy – вес троса трансмиссии [kg];
g - удельный вес троса трансмиссии [kg/m3];
h - к.п.д. ;
q - угол между трансмиссией и земной поверхностью;
l - отношение скорости конца лопасти к скорости ветра;
v – скорость троса трасмиссии [m/s];
r - плотность воздуха, r =1.225 kg/m3 на высоте H = 0; r =0.736 на высоте H =5 km; r = 0.413 на H =10 km;
s - напряжение растяжения троса трансмиссии [N/m2].
Введение
Ветер есть неиссякаемый чистый источник энергии, используемый с давних времен для перемола зерна, как водяной насос, парус и т.п. Ветряные мельницы обычно стоят между горами, где воздушные потоки сильнее. Ветряные установки как источники энергии особенно широко используются в Нью Хамшире (New Hampshire), (Tehachapi Mountains), в Калифорнии (Altamont Pass, California), на Гаваях (Hawaii). Мощность их обычно от 10 до 500 Кв. В 1984г общая выработка энергии всеми ветровыми установками США составила 150 миллионов кило-ватт часов.
Программа Министерства Энергетики США предусматривает развитие и строительство мощных ветроустановок, способных экономически конкурировать с обычными электростанциями.
Использование возобновляемой («зеленой») энергии постоянно увеличивается. Например, Великоьритания построила вдоль всего побережья большое число ветроустановок и постоянно увеличивает инвестиции в эту область. За последние 3 года английское правительство вложило 2.4 милларда в развитие ветровых установок и планируе получать до 10% энергии от ветра к 2010 году.
Английский план предотвращает выброс в атмосферу миллионы тонн окиси углерода от обычных тепловых электрических станций. Дания планирует 30% необходимой энергии получать от ветроустановок.
К сожалению, обычные наземные ветряные установки имеют недостатки, которые ограничивают их коммерческое использование:
1. Околоземный ветер слаб, имеет небольщую плотность энергии. Большие турбины дороги, не могут быть использованы (нужны дорогостоящие высотные башни) и приходится строить много малых турбин. В Калифорнии, например, используются тысячи небольших турбин. В настоящее время, стоимость ветровой энергии выше, чем энергия тепловых электрических станций.
2. Ветровая энергия зависит от куба (в третьей степени) скорости ветра. Вблизи поверхности земли скорость ветра мала и неравномерна. Если она уменьшается вдвое, то мощность установки падает а 8 (!) раз.
3. Производство энергии сильно зависит от капризов погоды (ветра).
4. Наземные ветроустановки шумят и портять вид ланшафта.
Имеется много исследавательских программ и предложений по улучшению ветровых установок. Однако все они орентированы на наземные установки или высокие (дорогие!) башни. Все они не могут в принципе устранить указанные недостатки.
В данной статье предлагается новое революционное решение энергетической проблемы. Это вынос больших ветровых турбин в верхнюю атмосферу (вплоть до стратосферы), где имеются мощные постоянные воздушные потоки. Такое решение резко удешевляет систему (не надо строить дорогостоящие башни) и избавляет от многих недостатков наземных систем, но возникает проблема тяжелого электрогенератора и проводов, которые невозможно поднять на такую высоту. Эта задача решается благодаря изобретению автора – передаче большой механической энергии на длинные дистанции при помощи троса из искусственного волокна [5]. Такая передача энергии оказывается намного выгоднее и дешевле, чем обычные высоковольтные линии электропередач (не надо строить мачты и закупать землю). Это изобретение позволяет располагать электрогенератор на земле, что намного удобно для обслуживания.
Читатель может найти информацию об этой идее в [1], о ветре в [2]-[3], детальное описание в [4]-[5], новые материалы, используемые для передачи в [6]-[9]. Данная инновация нашла применение во многих областях (см. [10]-[40]).
Описание Инновации
Основной вариант предлагаемой системы показан на фиг.1. Он включает: ротор (турбину) 1, поддеживающее крыло 2, тросовую трансмиссию 3, электрогенератор 4 и стабилизатор 5. Трансмиссия имеет три троса (фиг.1е): главный (центральный) трос, который держит ротор на заданной высоте и два подвижных троса, которые передают механическую энергию от ротора на Землю к электрическому генератору. Устройство, показанное на фиг.1f позволяет изменять длину трансмиссии и высоту ротора. В спокойную погоду ротор может поддерживаться в воздухе воздушным баллоном, либо поворачиваться в вертикальное положение и поддерживаться вращением от электрогенератора. Если скорость ветра меньше минимума, ротор может работать в режиме автожира как показано на фиг. 1d. Вероятность полного безветрия на больших высотах очень мала, зависит от места и равна наскольким дням в году.
На фиг.2 показана другая конструкция для больших высот. Здесь лопасти 10 прикреплены к двум тросовым петлям. Поднимающая лопасть имеет положительный угол атаки и создает подъемную силу. Опускающаяся лопасть имеет нулевую подъемную силу. Установка поддерживается на большой высоте лопастями, крылом 2 и стабилизатором 5. Конструкция также имеет механическую трансмиссию 3, соединенную с электрическим генератором 4. Тихоходный ротор захватывает большую площать и может создавать значительную мощность.
На фиг.3 показана парашютная ветровая система для большой высоты. Здесь лопасти заменены парашютами. Они имею большое воздушное сопротивление и вращают ротор 1. Крыло 2 поддерживает ротор большой высоте. Тросовая трансмиссия 3 передает вращение ротора на наземный электрический генератор 4.
Система, показанная на фиг.4 использует большую воздушную турбину Даррис (Darries). Турбина имеет 4-е лопасти. Все остальные части одинаковы с предыдущими рисунками.
Новая ветряная наземная турбина показана на рис.5. Ее особенность в том, что она имеет гиганский дешевый лопастно-торосовый ротор. Поэтому несмотря на низкую плотность энергии ветра вблизи земли мощность установки значительна. Она состоит из 4-х колонн с роликами, двух замкнутых тросов с лопастями 10. Ветер движет лонасти, лопасти движут тросы, а тросы вращают электрогенератор 4.
Фиг.1. Пропеллерная ветровая установка для использования мощных воздушных течений на больших высотах и кабельная трансмиссия для передачи механичесакой энергии к наземному электрогенератору.
Обозначения: 1 - ротор, 2 – крыло с элеронами, 3 – тросовая система передачи механической энергии, 4 – электрический генератор, 5 – стаблизатор. а – вид сбоку, b – передний вид, с – боковой вид с использованием воздушного баллана 9, вертикального троса 6 и датчиков ветра 6. d – удержание ротора на большой высоте при помощи пропеллера, е – три линии троса трансмиссии – привязной системы. Она включает: главный (цетральный) трос и два подвижных троса трансмиссии, f – трансмиссия переменной длины для изменения высоты; 8 – подвижный ролик.
Фиг. 2. Ветровая энергитическая установка для больших высот с тросовой турбиной. Обозначения: 10 – лопасти, 11 – растяжки.
Фиг.3. Ветровая энергитическая установка для больших высот с парашютной турбиной.
Фиг.4. Ветровая энергитическая установка для больших высот с турбиной Darrieus.
Фиг.5. Дешевая наземная установка большой мощности.
Проблемы запуска, старта, управления, контроля, устойчивости и другие
Запуск (подъем установки на высоту). Нет проблемы запуска на любую высоту предлагаемых ветровых установок, показанных на фиг.1 - 4. Когда скорость ветра достигает требуемого минимума (более, чем 2 – 3 м/сек), крыло поднимет установку на требуемую высоту.
Старт (раскрутка турбины). Все турбины с малым числом оборотов самораскручиваются. Все высокоскоростные турбины (включая наземную турбину фиг.5) требуют начальной раскрутки от электрогенератора 4 (фиг. 1,5).
Управление и контроль. Управление мощностью, числом оборотов и крутящим моментом осуществляется поворотом лопастей. Направление против ветра поддерживается автоматически при помощи килей. Угол атаки лопастей в конструкции фиг.2 обепечивается стабилизаторами.
Устойчивость. Контроль высоты осуществляется длиной троса. На главном тросе установлены датчики скорости ветра, что позволяет выбрать наивыгоднейшую высоту (фиг. 1, 2, 4).
Направление ротора поддерживается килями. Если ротор жестко соединен с крылом, то устойчивость обепечивается правильным положением центра тяжести системы и точки крепления главного троса. Центр тажести должен располагаться в районе 0.2 – 0.4 средней аэродинамической хорды крыла (фиг. 1).
Тоже относится и к конструкциям, показанным на фиг. 2-4.
Крутящий момент уравновешивается автоматически элеронами (фиг.1 – 4).
Подъемная сила крыла и натяжение главного троса регулируется автоматически закрылками или углом атаки крыла (стабилизатора).
Направление и положение установки в пространстве может поддерживаться также растяжками, показанными на фиг. 2. Они позволяют поворачивать установку примерно ± 450 в соответсвии с направлением ветра.
Минимум скорости ветра. Минимальная скорость ветра необходимая для поддержки установки в воздухе равна примерно 2 м/сек. Вероятность такой маленькой скорости на больших высотах крайне мала и в большинстве мест равна примерно 0.001 . Этот минимум может быть еще уменьшен, если ротор поворачивается и используется в режиме автожира. Если же скорость ветра равна нулю, то установка может поддерживаться в воздухе воздушным баллоном (в форме дирижабля как показано на рис.1с или пропеллер может вращаться в режиме винта вертолета от электрогенератора, потребляя незначительную энергию как показано на рис.1d). Роторная система может также садиться на землю и стартовать снова как только скорость ветра достигнет минимальной величины.
Порывистый ветер. Порывы ветра (энергии) могут быть сглажены применением наземного инерциального маховика.
Предлагаемые метод и ветроэнергетическая установка имеют следующие важные преимущества перед обычными ветровыми установками:
1. Предлагаемая установка (ротор) не ограничена в размерах как обычные наземные установки и может собирать ветровую энергию с больших площадей в десятки и сотни раз большей, чем наземная установка. Это возможно, потому что нет необходимости в дорогостоящей башне, которая поддерживает ротор в воздухе. Мы можем использовать ротор большего диаметра, например, 100-200 метров и более.
2. Предлагаемая установка может располагаться на большой высоте от 100 м до 14 км. На таких высотах скорость ветра выше в 2 – 4 раза, и она более стабильная, чем у поверхности земли на высотах наземных установок 10 – 70 м. В определенных географических районах имеются постоянные мощные воздушные потоки на большой высоте, которые могут быть использованы. Мощность ветровой установки зависит от третьей степени скорости ветра. Это значит, что если скорость ветра увеличивается в три раза, то энергия ветра возрастает в 27 раз! Этот прирост многократно с лихвой покрывает уменьшение плотности воздуха с высотой даже на стратосферных высотах, где скорость ветра достигает 50-70 м/сек (сравните со средней стандартной скоростью ветра у земли 6 м/сек).
3. В предлагаемой установке стандартный электрический генератор располагается на земле. Имеются предложения (автожирный вариант), когда специальный электрический генератор находится около ротора и соединяется электрическими проводами с землей. У нас ротор и мощность установки весьма велики (см. проекты далее). Наши установки производять энергии в тысячи раз больше, чем стандартные ветродвигатели, выпускаемые промышленностью (см.пункты 1, 2 выше). Электрический генератор мощностью 20 MW весит около 100 тонн (удельный вес обычных электрогенераторов около 3 – 10 кг/kW). Невозможно держать такую махину на такой высоте при помощи крыла, если скорость ветра меньше 150 м/сек.
4. Одно из главных инноваций предлагаемой ветроустановки – длиннная (многокилометровая!) тросовая трансмиссия для передачи механической энергии с большой высоты к наземному электрогенератору. Предлагаемая установка использует новую тросовую трансмиссию, сделанную из искусственных волокон. Эта трансмиссия легче во много (1000) раз, чем обычные медные электрические провода равной мощности. Провода диаметром более 5 мм пропускают 1 – 2 ампера/мм2. Если электрогенератор имеет мощность 20 МW и напряжение 1000 вольт, потребное поперечное сечение равно 20,000 мм2. (это провод диаметром 160 мм!). Поперечное же сечение тросовой передачи равно 37 мм2 (это трос диаметром 6.8 мм (при скорости троса 300 м/сек и допустимом напряжении 200 кг/мм2, см. проект 1). Удельный вес меди равен 8930 кг/м3, удельный вес же прочных волокон равен 1800 кг/м3. Если длина кабеля для высоты 10 км равна 25 км, то двойной электрический провод будет иметь вес 8930 тонн (!!), а трос из искуственных волокон только вес 3.33 тонн, т.е. в 2682 раза легче. Медные провода очень дорогие, а искусственные волокна дешевые.
Все предыдущие попытки изобретателей поднять электрогенератор в воздух и соединить его проводами с землей кончились неудачей.
Некоторая информация о ветровой энергии
Мощность ветрового двигателя сильно (в третьей степени) зависит скорости ветра. Для сравнения совершенства разных установок принята стандартная скорость скорость ветра V = 6 m/s и высота оси ротора H = 10 m. С ростом высоты скорость ветра растет и он становиться стабильным и постоянным. Эта закономерность верна практически везде.
Ветер в тропосфере и стратосфере обычно мощный и постоянный. Например, на высоте 5 км средняя скорость ветра около 20 м/сек, на высоте 10 – 12 км средняя скорость ветра достигает 40 м/с (на широте 20-350N).
На большой высоте есть постоянные воздушные течения. Например, на H = 12-13 km около 250N широты. Средняя скорость ветра в ядре потока равна 148 km/ч (41 m/s). Наиболее сильные потоки в США имеют максимальную скорость 185 km/ч (51 m/s) на широте 220, and 151 km/ч (42 m/s) на широте 350. В отдельные зимние дни скорость в центре потока может достигать 370 km/ч (103 m/s) на расстоянии сотен километров вдоль направления ветра. Ширина (отклонение) потока, имеющего скорость 185 км/ч, достигает 556 км вправо и 185 км влево.
Ветер имеющий скорость V = 40 m/s на высоте H = 13 km производит в 64 раза больше энергии, чем ветер со скоростью 6 м/с на высоте 10 м. Это гиганский возобновляемый источник дешевой энергии (см. Science and Technolody,v.2, p.265).
Тросовая передача механической энергии.
Основные инновации предлагаемого метода это помещение установки на большие высоты и тросовая система иередачи механической энергии от ротора к наземному электрогенератору. Основная проблема новой тросовой передачи – вес троса и его трение о воэдух.
Двадцать лет назад масса и трение троса о воздух затрудняли осуществление данного метода. Однако современные искусственные волокна, выпускаемые промышленностью, имеют допустимое напряжение растяжения в 3 – 5 раз выше чем сталь и плотность в 4=5 раз меньше, чем сталь. Имеются также экспериментальные волокна (усы, нанотрубы), которые прочнее стали в 30-100 раз и легче в 2-5 раз. Например, в книге [6] p.158 (1989), где есть волокна (усы) CD, которые допускают максимальное напряжение s = 8000 kg/mm2 и удельную плотность g = 3.5 g/cm3. Если мы возмем допустимое напряжение растяжения 3500 kg/mm2 (s =7.1010 N/m2, g = 3500 kg/m3), тогда отношение g/s = 0.1´10-6 или s/g = 10´106. Хотя отношение (s/g = 10´106)(1989 г.) велико оно примерно в 10 раз меньше, чем предсказывает теория. Стальные волокна имеют напряжение растяжения 5000 МРА (500 kg/sq.mm), но их теоретический предел равен 22,000 MPA (2200 kg/mm2)(1987); полиэтиленовые волокна имеют прочность на растяжение 20,000 MPA, а теоретический предел равен 35,000 MPA (1987). Очень высокую прочность имют нанотрубы, получаемые пока только в небольших количествах в научных лабораториях.
Нанотрубы (сверхтонкие углеродные волокна) обладают также отличной электрической проводимостью. Как сверхпрочный материал они могут использоваться в композитах. Как ранние теоретические работы так и современные эксперименты показали, что нанотрубы являются одним из самых жестких искусственных материалов в мире (особенно MWNT’s, Multi Wall Nano Tubes). Углеродные узлы одни из самых сильных в природе, а структуры из этих узлов, расположенные вдоль оси трубы дают весьма прочный материал. Традиционно углеродные волокна имеют очень высокую прочность и жесткость, но и они далеки от теоретического предела. Плоские графитовые пленки имеет прочность на порядок выше. Нанотрубы есть лучшие волокна, которые могут быть сделаны из графита.
Например, углеродные нанотрубы (CNT) имеют прочность на растяжение 200 Гига-Паскалей и модуль Юнга выше 1 Тера-Паскалей (1999г). Теория предсказывает 1 Тера-Паскалей и модуль Юнга 1-5 Тера-Паскалей. Трубчатая структура нанотруб делает их очень легкими (удельный вес от 0.8 г/cм3 для SWNT’s (Single Wall Nano Tubes) до 1.8 g/cc for MWNT’s, сравните с 2.26 g/cc для графита или 7.8 g/cc для стали).
Удельная прочность (отношение прочность/плотность) важная характеристика для систем, представленных в данной работе. Эта величина для нанотруб на два порядка выше, чем для стали. Обычные углеродные волокна имеют удельную прочность в 40 раз выше, чем сталь. Кроме того, они устойчивы к химическим реакциям и имеют хорошую термостойкость. Способность нанотрубок противостоять окисления сравнима со способностью графитовых волокон. В вакууме или разреженной атмосфере нанотрубы устойчивы в практическом интервале температур.
Искусственные волокна дешевы и повсеместно испольэуются, например, в автомобильных шинах. «Усы» SiC производимые Carborundum Co. с s=20,690 MPa и g=3.22 g/cc стоили $440 /kg в 1989г. Продажная цена нанотруб, производимых в весьма малых количествах в научных лабораториях была очень высока (~$200 за грамм)(2000г.). Несколько компаний США обещали организовать их промышленное производство в ближайшие годы и снизить их цену до $100/фунт.
Ниже автор делает короткое обозрение некоторых промышленных и экспериментальных искусственных волокон на момент написания данной работы (2000г). Он готов обсудить проблемы , которые возникают при осуществлении данных проектов, и дать дополнительную информацию и избретения серьезным организациям, которые заинтересованы в исследований и осуществлении, предлагаемых проектов.
Только широко выпускаемые промышленностью и дешевые искусственные волокна с s = 500-600 kg/mm2, g = -1800 kg/m3, and s¤g = 2,78x106 используются во всех предлагаемых проектах (допустимое напряжение на растяжение равно s =200-250 kg/mm2)(см. Таблицу 1).
Table # 1. Данные некоторых искусственных волокон.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Материал Напряжение Плотность Волокна Напряжение Плотность
«Усы» растяжения
kg/mm2 g/cc kg/mm2 g/cc
AlB12 2650 2.6 QC-8805 620 1.95
B 2500 2.3 TM9 600 1.79
B4C 2800 2.5 Thorael 565 1.81
TiB2 3370 4.5 Allien 1 580 1.56
SiC 1380-4140 3.22 Allien 2 300 0.97
Источники [6]-[9].
Краткая теория оценки предлагаемых ветровых установок
Ротор
Мощность ветра N [Watt, Joule/sec]
N=0.5hrAV3 [W] . (1)
К.п.д. , h, равно 0.15-0.35 для низкоскоростных роторов (отношение скорости конца лопасти к скорости ветра равно l » 1); h = 0.35-0.5 для высокоскоростных роторов (l = 5-7). Дарриель (Darrieus) ротор имеет h = 0.35 - 0.4. Прореллерный ротор h = 0.45-0.50. Теоретический максимум равен h = 0.67.
Энергия производимая в течении года равна (1 год » 30.2´106 сек) [J]
E=3600´24´350 » 30´106N [J]. (1’)
Скорость ветра увеличивается с высотой приблизительно по закону
V=(H/Ho)aVo , (2)
где a = 0.1 - 0.25 коэффициент экспоненты зависящий от неровностей поверхности земли. Для воды, a = 0.1; для городов и леса a = 0.25 .
Мощность ветровой установки увеличивается в третьей степени с ростом скорости
N=(H/Ho)3aNo , (3)
где No мощность на высоте Ho.
Сопротивление ротора равно
Dr=N/V . (4)
Подъемная сила крыла, Ly , равна
Ly=0.5CLrV2Aw , Ly»W , (5)
где CL коэффициетн подъемной силы крыла (максимум CL » 2.5). Aw – площать крыла, W вес установки + 0,5 веса тросов.
Сопротивление крыла равно
D = 0.5CDrV2Aw , (6)
где CD коэффициент сопротивления (максимум CD »1.2) .
Оптимальная скорость парашютного готора 1/3V и максимальный теоретический к.п.д. равен 0.5 .
Годовая энергия, производимая ветровой установкой равна
E=8.33N [kWh] . (7)
Канатная трансмиссия, площадь крыла и другие параметры
Поперечное сечение троса трансмиссии S равно
S=N/vs . (8)
Поперечное сечение главного троса Sm равно
Sm=(Dr+D)/s . (8’)
Вес троса
Wr=SLg , (9)
Себестоимость энергии с в kWh равна
, (10)
Годовой доход
F= (C-c)E . (11)
Потребная площадь поддерживающего крыла
, (12)
где θ – угол между поддерживающим тросом и горизонтальной поверхностью.
Площадь крыла обслуживаемая элеронами для балансировки кренящего момента пропеллера
, (13)
Минимальная скорость ветра поддерживающая установку в воздухе
, (14)
где W – общий вес установки, включая трансмиссию. Если пропеллер используется в режиме автожира минимальная скорость уменьшается в 2-2.5 раза. Если скорость равна нулю, потребная мощность для поддержания установки в воздухе в режиме геликоптера равна
Ns = W/K2 [kW], (15)
Удельный вес маховика как хранилища энергии равен
Es=s/2g [J/kg]. (16)
Например, если s =200 kg/mm2, g =1800 kg/m3, тогда Es=0.56 MJ/kg или Es=0.15 kWh/kg.
Для сравнения эффективности разных наземных ветровых установок их параметры рассчитываются для стандартных условий: скорости ветра V=6 m/s и высоты оси ротора H=10 m.
Проекты
Проект 1
Высокоскоростной ротор-пропеллер (фиг.1)
В качестве примера рассмотрим пропеллер диаметром 100 m (A = 7850 m2), на высоте H = 10 km (r = 0.4135 kg/m3), при средней скорости ветра V = 30 m/s , к.п.д. h = 0.5, и напряжении троса s = 200 kg/mm2 .
Мощность установки будет N = 22 MW [Ур-е. (1)]. Это достаточно чтобы обеспечить энергией город с населением 250,000 человек. Сопротивление ротора будет Dr = 73 тонн [Ур-е (4)], поперечное сечение главного троса S =1.4Dr/σ =l.35´73/0.2 » 500 mm2, диаметер троса d =25 mm; вес троса W =22.5 тонн [Ур-е (9)] при длинне 25 км. Поперечное сечение троса трансмиссии S = 36.5 mm2 [Ур-е (8)], d = 6.8 mm, вес W = 3.33 тонн при скорости троса v =300 m/s [Ур-е (9)].
Площадь крыла должна быть 20´100 m (CL=0.8) [Ур-е (12)], площать обслуживаемая элеронами 820 sq.m [Ур-е (13)]. Если максимальный коэффициент подъемной силы равен CL=2, то минимальная скорость ветра необходимая для пддержания установки в воздухе равна 2 m/s [Ур-е (14)].
Установка будет производить годовую энергию E =190 GWh [Ур-е (7)]. Если ее стоимость равна $200K, (К – тысяча) время жизни 10 лет и расходы на содержание $50K в год, себестоимость электроэнергии будет c = 0.37 центов за kWh [Ур-е (10)], годовой доход равен $19 миллионам в год [Ур-е (11)].
Проект 2
Большой воздушный пропеллер на высоте 13 км (фиг.1)
Рассмотрим установку с пропеллером 300 м, Площадь A = 7´104 m2, на высоте 1 км и средней скорости ветра 13 м/сек. Скорость конца лопасти равна 78 м/сек. Полная потенциальная энергия ветра равна 94.2 MW. Если к.п.д. равно 0.5 полезная мощность равна N = 47.1 MW. Для других скоростей ветра полезная мощность равна: V = 5 m/s, N = 23.3 MW; V = 6 m/s, N = 47.1 MW; V = 7 m/s, N = 74.9 MW; V = 8 m/s, N = 111.6 MW; V = 9 m/s, N = 159 MW; V = 10 m/s, N =218 MW.
Оценка экономической эффективности
Предположим, что стоимость установки $3 миллиона, время жизни 10 лет, обслуживание и ремонт $100,000/год. Тогда производимая в год энергия равна E = 407 GWh [Ур-е (7)]. Ее себестоимость равна $0.01 /kWh.
Технические параметры установки
Высота H = 1 km
Сопротивление 360 тонн. Поперечное сечение главного троса 1800 sq.mm [Ур-е (8’)], d = 48 mm, вес 6480 кг. Требуемая площадь крыла 60х300 м. Площать крыла требуемая для балансировочными элеронами 6740 sq.m.
При скорости трансмиии 300 m/s, поперечное сечение троса 76 мм2, вес троса из композитных волокон 684 кг.
Высота 13 км
На высоте 13 км плотность воздуха равна ρ=0.2666, скорость ветра V = 40 m/s. Мощность установки при к.п.д. 0.5 равна 301.4 MgW. Сопротивление пропеллера равен примерно 754 тонн. Соединительный трос имеет поперечное сечение 3770 мм2, диаметер 70 мм2 и вес 176 тонн. Трос трансмиссии имеет поперечное сечение 5 см2, вес 60 тонн (вертикальная трансмиссия имеет вес только 12 тонн).
Установка производит енергии в год E=2604 GWh. При ее стоимости $5 миллионов, расходах на содержание $200,000 в год, себестоимость 1 kWh будет $0.0097/kWh.
Проект №3
Низкоскоростная ветровая установка с тросовым свободно летающим гибким ротором (фиг.2)
Предположим, что ротор имеет ширину 50 м и длину 1000 м. Тогда площадь ротора равна A=50´1000=50,000 м2. Угол ротора к поверхности равен 70o. Угол атаки лопастей равен 2.5o. Средняя скорость ветра на высоте H = 10 m равна V = 6 m/s. Это значит, что на высоте 1000 м она равна 11.4 - 15 m/s. Мы возмем среднюю скорость V=13 m/s на высоте H = 1 km.
Мощность потока равна
N=0.5.rV3Acos200=0.5´1.225´133´1000´50´0.94=63 MW .
Если к.п.д. h = 0.2 мощность установки равна
h = 0.2´63 = 12.5 MW .
Мощности 12.5 MW достаточно для города с населением 150,000. Если увеличить размеры нашей установки до 100x2000 m ее мощность возрастет в 6 раз, поскольку площать возрастеть в 4 раза, увеличится высота и средняя скорость ветра достигнет 15 м/с. Т.е. мощность будет 75 MW. Этой мощности уже достаточно для города с населением 1 млн человек.
Если скорость ветра у земли будет меняться, то мощность установки будет меняться следующим образом: V =5 m/s, N =7.25 MW; V =6 m/s, N =12.5 MW; V=7 m/s, N = 19.9 MW; V = 8 m/s, N = 29,6 MW; V = 9 m/s, N = 42.2 MW; V = 10 m/s, N = 57.9 MW.
Экономическая эффективность
Предположим, что установка стоит $1 млн. Согласно книги “Wind Power” by P. Gipe [2] обычная ветровая установка с ротором диаметном 7 м стоит $20,000, при средней скорости ветра 6 м/с имеет мощность 2.28 kW, производит 20,000 kWh в год. Чтобы производит упомянутую выше мощность 12.5 MW, нужно 5482 (12500/2.28) обычных установок, общей стоимостью $110 миллионов. Предположим что наша установка будет служить 10 лет и расходы на ее поддержание равны $50,000/год. Наша установка будет производить 109,500,000 kWh энергии в год. Себестоимость этой энергии равна приблизительно 150,000/109,500,000 = 0.14 cent/kWh. Розничная цена 1 kWh электроэнергии в Нью-Йорке равна в настоящее время (2000) $0.15 . Доход равен 16 миллионам. Если прибыль с 1 kWh равна $0.1, то общий доход составит более 10 миллионов в год.
Оценка некоторых технических параметров системы
Поперечное сечение троса для допустимого напряжения растяжения s = 200 kg/sq.mm равно S =2000/0.2 = 10,000 mm2. Это два троса диаметром d =80 mm. Вес троса при плотности 1800 kg/m3 равен W = SLg = 0.01´.2000´.1800 = 36 tons . Предположим, что вес 1 м2 лопасти равен 0.2 кг/м2 и вес 1 м балки равен 2 кг. Тогда вес 1 лопасти будет 0.2 x 500 = 100 kg, и 200 лопастей будут весить 20 тонн.
Общий вес главных частей установки будет 94 тонн. Мы для наших дальнейших расчетов примем 100 тонн.
Минимальная скорость ветра поддерживающая установку в воздухе равна (для Cy = 2)
V=(2W/CyrS)0.5= (2´100´104/2´1.225´200´500)0.5 = 2.86 m/s
Вероятность скорости ветра меньше 3 м/с при средней скорости ветра 12 м/с равна нулю, а при скорости 10 м/с равна 0.0003 . Это равно 2.5 часам в течении года или одному разу в году. Ветер на большой высоте имеет большую скорость и стабильность, чем около земли. Например на земле может быть полный штиль, а на небе видно, что облака движутся.
Проект №4
Низкоскоростной воздушный ротор сопротивления (фиг.3)
Предположим, что парашют имеет диаметер 100 м, длина троса 1500 м, дистанция между парашютами 300 м. Число парашютов 3000/300=10, число рабочих парашютов равно 5, площадь парашютов равна 7850 м2. Общая площадь A = 5 x 7850 = 3925 м2. Тогда мощность потока равна 5.3 MW при V=6 m/s.
Если к.п.д. равно 0.2 , то полезная мощность равна N = 1 MW. Для других скоростей ветра эта мощность соответственно равна: V =5 m/s, N =0.58 MW; V =6 m/s, N = 1 MW; V =7 m/s, N =1.59 MW; V = 8 m/s, N=2.37 MW; V = 9 m/s, N =3.375 MW; V = 10 m/s, N = 4.63 MW.
Экономическая эффективность
Предположим, что стоимость установки $0.5 миллиона, время жизни 10 лет расходы на содержание $20,000/год. Энергия производимая в течении одного года при стандартной средней скорости ветра 6 м/с равна E = 1000x24x360 = 8.64 million kWh. Базовая себестоимость энергии равна 70,000/8640,000 = 0.81 цента/kWh.
Некоторые технические параметры
Если тяга равна 23 тонны, допустимое напряжение растяжения для композитных волокон 200 кг/мм2 , тогда паращютный трос должен иметь диаметер 12 мм, полный вес установки 4.5 тонн. Поддерживающее крыло имеет размер 25´4 м.
Проект №5
Высокоскоростной ротор Дарреус (Darreus) для высоты 1 км (фиг.4)
Пусть ротор имеет диаметер 100 м и длину 200 м (рабочая площадь 20,000 м2). Когда скорость ветра на высоте H=10 m равна V =6 m/s, на высоте H = 1000 m она равна 13 m/s. Полная мощность ветра равна 13,46 MW. Если к.п.д. равно 0.35 , то мощность установки равна N = 4.7 MW. Для других скоростей она будет: V = 5 m/s, N = 2.73 MW; V = 6 m/s, N = 4.7 MW; V = 7 m/s, N = 7.5 MW; V = 8 m/s, N = 11.4 MW; V = 9m/s, N = 15.9 MW; V = 10 m/s, N = 21.8 MW.
На высоте H = 13 km при плотности воздуха 0.267 и скорости ветра V = 40 m/s, данная установка будет иметь мощность N = 300 MW.
Экономическая эффективность
Предположим, что стоимость установки $1 миллион, полезная жизнь 10 лет, расходы на содержание $50,000 в год. Установка производит энергии E = 41 millions kWh в год (когда скорость ветра на высоте 10 м равна 6 м/с). Себестоимость энергии равна 150,000/41,000,000 = 0.37 цент/kWh. Если продажная цена энергии равна $0.15/kWh и прибыль с 1 kWh равна $0.10 /kWh, то полная прибыль будет $4.1 миллиона в год.
Технические параметры системы
Скорость лопастей 78 м/с. Число лопастей равно 4. Число оборотов 0.25 в сек. Размер лопасти 200x0.67 m. Вес одной лопасти 1.34 тонны. Обший вес установки около 8 тонн. Внутреннее крыло имеет размеры 200x2.3 m. Добавочное крыло имеет размеры 200x14.5 m и вес 870 kg. Поперечное сечение троса для высоты 1 км равно 300 мм2 и вес 1350 кг.
Проект №6
Большая Наземная Высокоскоростная Установка (фиг.5)
Предположим что ветровая установка имеет размеры 500´500´50 м. (500 м длина и ширина, 50 м – высота). Рабочая площадь 500´50´2=50,000 м2. Четыре столба имеют высоту 60 м, тросовый ротор крепится на высоне от 10 до 60 м. Если скорость ветра на высоте 10 м равна 6 м/с, то на средней высоте 40 м она будет 7.3 м/с.
Теоретическая мощность ветра равна
Nt = 0.5rV3A = 0.5´1.225´7.33´5´104 =11.9 MgW.
При к.п.д. 0.45 полезная мощность равна
N = 0.45´11.9=5.36 MW.
При других скоростях наземного ветра мощность будет равна: V = 5 m/s, N = 3.1 MW; V = 6 m/s, N = 5.36 MW; V = 7 m/s, N = 8.52 MW; V = 8 m/s, N = 12.7 MW; V = 9 m/s, N = 18.1 MW; V = 10 m/s, N = 24.8 MW.
Экономические оценки
В данном проекте ротор будет дешевле, чем в предыдуших поскольку высокоскоростной ротор имеет меньше лопастей и сами лопасти меньше (см.технические данные ниже). Однако установка нуждается в 4-х высоких столбах (60 м). Поэтому предположим, что установка будет стоить 1 млн. и прослужит 10 лет. Расходы на ее экплуатацию примем $50,000 в год.
Установка будет производить энергию E = 5360 kW x 8760 часов = 46.95 MWh (при средней скорости ветра 6 м/с на высоте 10 м). Себестоимость 1 kWh is 150,000/46,950,000 = 0.4 цент/kWh. Розничная цена равна $0.15/kWh. При стоимости доставки 30%, доход составит $0.10 с kWh, или $4.7 миллиона в год.
Технические параметры установки
Скорость лопастей 6 x 7.3 = 44 m/s. Расстояние между лопастями 44 м. Число лопастей 4000/44 = 92.
Обсуждение и Заключение
Современные наземные ветровые установки достигли вершины своего технического развития. Нет и не может быть существенного прогресса в себестоимости получаемой от них энергии за последние 50 лет. Ветровая энерги бесплатная, но извлечение ее при помощи дорогих наземных установок обходится дороже, чем производство энергии нп обычных тепловых электростанциях. Существующие наземные установки не в состоянии существенно уменьшить себестоимость 1 киловатт-часа, обеспечить стабильность производимой энергии. Они из-за резкого возрастания стоимости уникальной установки не могут существенно увеличить мощность единичной установки. Индустрия возобновляемой энергии нуждается в революционных идеях, которые скачком улучшать главные характеристики (стоимость установки на единицу вырабатываемой энергии и себестоимость киловатт-часа), уменьшат их в 10 – 20 раз! Данная статья предлагает вырвать ветровую индустрию из состояния стогнации и дать ей новые революционные возможности.
Сравнение предлагаемой высотной ветровой установки с нынешними наземными установками:
1.Себестоимость получаемой энергии примерно в 10 раз дешевле, чем на обычных тепловых электростанциях и на наземных самых эффективных ветровых установках.
2.Предлагаемая установка относительно недорогая (на единицу мощности) поскольку нет дорогой башни для поддержания ротора. Размеры ротора неограничены башней и он может быть очень большим, аккумулируя энергию ветра с больших площадей (в сотни раз больше, чем обычная наземная установка).
3.Мощность единичной установки в сотни раз выше, чем мощность типовой наземной установки вследствии большой площади ротора и более сильного ветра на большой высоте.
4.Предлагаемая установка не нуждается в большой площади на земле. И практически может быть установлена в любом месте.
5.Установка может быть расположена около потребителя и не требовать высоковольтного оборудования и длиных линий передачи энергии, трансформаторов и подстанций. Даже морские корабли могут использовать подобные ветровые установки как безтопливные двигатели.
6.Нет шума и не портиться окружающий ландшафт.
7.Производство энергии более стабильно, т.к. ветер более устойчив на больших высотах. Каждый может наблюдать как в безветренную погоду облака продолжаю двигаться на высоте. Имеются постоянные сильные воздушные потоки во многих районах земного шара. Они известны и хорошо изучены.
8.Установку легко переместить в любое другое место.
Как всякая новая идея предлагаемый метод нуждается в более детальном исследовании и эксперименте. Теория ветровых двигателей хорошо изучена и не требует дорогих исследований. Нужно сделать небольшую установку, чтобы получить опыт в конструировании, запуске, устойчивости и передаче энергии предлагаемой механической тросовой трансмиссией от летающего ротора к наземному стандартному электрогенератору.
Предлагаемые новшества описаны в патентной заявке [4]. Автор имеет более детальный анализ и инновации к описанным проектам. Организации заинтересованные в данных проектах могут обращаться к автору (http://Bolonkin.narod.ru , aBolonkin@juno.com ).
References
1. Bolonkin A.A., Utilization of Wind Energy at High Altitude, AIAA-2004-5756, AIAA-2004-5705. International Energy Conversion Engineering Conference at Providence, RI, USA, Aug.16-19, 2004.
2. Gipe P., Wind Power, Chelsea Green Publishing Co., Vermont, 1998.
3. Thresher R.W. and etc, Wind Technology Development: Large and Small Turbines, NRFL, 1999.
4. Bolonkin, A.A., ”Method of Utilization a Flow Energy and Power Installation for It”, USA patent application 09/946,497 of 09/06/2001.
5. Bolonkin, A.A., Transmission Mechanical Energy to Long Distance.AIAA-2004-5660.
6. Galasso F.S., Advanced Fibers and Composite, Gordon and Branch Scientific Publisher, 1989.
7. Carbon and High Performance Fibers Directory and Data Book, London-New. York: Chapmen& Hall, 1995, 6th ed., 385 p.
8. Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Ed. J.I.Kroschwitz, N. Y: Wiley, 1990, 1341 p.
9. Dresselhaus, M.S., Carbon Nanotubes, by, Springer, 2000.
10. Bolonkin, A.A., “Inexpensive Cable Space Launcher of High Capability”, IAC-02-V.P.07, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct. 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.394-404, 2003.
11. Bolonkin, A.A, “Non-Rocket Missile Rope Launcher”, IAC-02-IAA.S.P.14, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.394-404, 2003.
12. Bolonkin, A.A., “Hypersonic Launch System of Capability up 500 tons per day and Delivery Cost $1 per Lb”. IAC-02-S.P.15, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA. JBIS, Vol.57, pp.162-172. 2004.
13. Bolonkin, A.A., “Employment Asteroids for Movement of Space Ship and Probes”. IAC-02-S.6.04, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct. 2002/Houston, USA.
JBIS, Vol.56, pp.98-197, 2003.
14. Bolonkin, A.A., “Non-Rocket Space Rope Launcher for People”, IAC-02-V.P.06, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.231-249, 2003.
15. Bolonkin, A.A., “Optimal Inflatable Space Towers of High Height”. COSPAR-02 C1.1-0035-02, 34th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR). The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.87-97, 2003.
16. Bolonkin, A.A., “Non-Rocket Earth-Moon Transport System”, COSPAR-02 B0.3-F3.3-0032-02, 34th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR). The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA. “Advanced Space Research”, Vol.31, No. 11, pp. 2485-2490, 2003.
17. Bolonkin, A.A., “Non-Rocket Earth-Mars Transport System”, COSPAR-02B0.4-C3.4-0036-02, 34th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR). The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA. Actual problems of aviation and space system. No.1(15), vol.8, pp.63-73, 2003.
18. Bolonkin, A.A., “Transport System for delivery Tourists at Altitude 140 km”. IAC-02-IAA.1.3.03, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct. 2002/Houston, Texas, USA. JBIS, Vol.56, pp.314-327, 2003.
19. Bolonkin, A.A., ”Hypersonic Gas-Rocket Launch System.”, AIAA-2002-3927, 38th AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 7-10 July, 2002. Indianapolis, IN, USA.
20. Bolonkin, A.A., Multi-Reflex Propulsion Systems for Space and Air Vehicles and Energy Transfer for Long Distance, JBIS, Vol, 57, pp.379-390, 2004.
21. Bolonkin A.A., Electrostatic Solar Wind Propulsion System, AIAA-2005-3653. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
22. Bolonkin A.A., Electrostatic Utilization of Asteroids for Space Flight, AIAA-2005-4032. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
23. Bolonkin A.A., Kinetic Anti-Gravitator, AIAA-2005-4504. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
24. Bolonkin A.A., Sling Rotary Space Launcher, AIAA-2005-4035. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
25. Bolonkin A.A., Radioisotope Space Sail and Electric Generator, AIAA-2005-4225. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
26. Bolonkin A.A., Guided Solar Sail and Electric Generator, AIAA-2005-3857. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
27. Bolonkin A.A., Problems of Electrostatic Levitation and Artificial Gravity, AIAA-2005-4465. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
28. A.A. Bolonkin, Space Propulsion using Solar Wing and Installation for It. Russian patent application #3635955/23 126453, 19 August, 1983 (in Russian). Russian PTO.
29. A.A, Bolonkin, Installation for Open Electrostatic Field. Russian patent application #3467270/21 116676, 9 July, 1982 (in Russian). Russian PTO.
30. A.A.Bolonkin, Getting of Electric Energy from Space and Installation for It. Russian patent application #3638699/25 126303, 19 August, 1983 (in Russian). Russian PTO.
31. A.A.Bolonkin, Protection from Charged Particles in Space and Installation for It. Russian patent application #3644168 136270 of 23 September 1983, (in Russian). Russian PTO.
32. A.A.Bolonkin, Method of Transformation of Plasma Energy in Electric Current and Installation for It. Russian patent application #3647344 136681 of 27 July 1983 (in Russian), Russian PTO.
33. A.A.Bolonkin, Method of Propulsion using Radioisotope Energy and Installation for It. of Plasma Energy in Electric Current and Installation for it. Russian patent application #3601164/25 086973 of 6 June, 1983 (in Russian), Russian PTO.
34. A.A.Bolonkin, Transformation of Energy of Rarefaction Plasma in Electric Current and Installation for it. Russian patent application #3663911/25 159775 of 23 November 1983 (in Russian). Russian PTO.
35. A.A.Bolonkin, Method of a Keeping of a Neutral Plasma and Installation for it. Russian patent application #3600272/25 086993 of 6 june 1983 (in Russian). Russian PTO.
36. A.A.Bolonkin, Radioisotope Propulsion. Russian patent application #3467762/25 116952 of 9 July 1982 (in Russian). Russian PTO.
37. A.A.Bolonkin, Radioisotope Electric Generator. Russian patent application #3469511/25 116927 of 9 July 1982 (in Russian). Russian PTO.
38. A.A.Bolonkin, Radioisotope Electric Generator. Russian patent application #3620051/25 108943 of 13 July 1983 (in Russian). Russian PTO.
39. A.A.Bolonkin, Method of Energy Transformation of Radioisotope Matter in Electricity and Installation for it. Russian patent application #3647343/25 136692 of 27 July 1983 (in Russian). Russian PTO.
40. A.A.Bolonkin, Method of stretching of thin film. Russian patent application #3646689/10 138085 of 28 September 1983 (in Russian). Russian PTO.
лінк на оригінал
http://bolonkin.narod.ru/Article_Wind_Energy_Russian.htm
англик тут:
http://bolonkin.narod.ru/Article_Wind_Energy_English.htm
народ.ру повільний нестабільний ресурс, тому я вішаю це тут, в надії що цим може зацікавитися хтось з підприємців з технічною освітою і амбіціями.
Article Wind Energy Russian 6 7 05
AIAA-2004-5705, AIAA-2004-5756
Использование Энергии Ветра Больших Высот
Д.т.н. Александр Болонкин (США)
Alexander Bolonkin, 1310 Avenue R, #6-F, Brooklyn, NY 11229, USA
Т-Ф 718-339-4563, aBolonkin@juno.com http://Bolonkin.narod.ru
Абстракт
Ветровые установки не требуют расходов на топливо и весьма привлекательны как источники возобновляемой энергии. Однако наземные ветровые установки давно достигли вершины своих возможностей. Установки (и их электроэнегия) дорого стоят, имеют малую мощность и неравномерную выработку из-за нестабильности ветра. Ветроэнергитическая индустрия нуждается в революционных идеях, которые бы устранили эти недостатки и ветер стал бы источником стабильной и дешевой энергии.
Данная статья предлагает революционные инновации, которые позволяют многократно увеличить мощность ветровой установки, сильно снизить стоимость как самой установки так и себестомость киловатчаса энергии (примерно в 10 раз) и сделать вырабоку энергии мало зависящей от погоды. Главные инновации состоят в большом свободно-летающем роторе, расположенном в постоянных мощных потоках воздуха на большой высоте и в новой механической передаче энергии к электрогенератору, расположенному на земле.
Ротор может достигать высоты 14 км, а специальная система стабилизации и управления позволяет менять высоту и находить мощные воздушные течения.
В статье рассмотрены 6-ть проектов. Мощность некоторых из них достигает 100 Мв.
Расчеты показали следующие преимущества предлагаемого метода по сравнению с обычными ветровыми наземными установками: 1. Большая мощность летающего ротора по сравнению со стандарными, выпускаемыми промышленностью наземными ветровыми установками (в 5000-10000 раз); 2) Ротор работает на высоте 1-14 км, где сила ветра во много раз больше и ветер всегда есть; 3) Стоимость Установки (на единицу мощности) и энергии низкая (иногда в десятки раз); 4) Устанока не создает шума, ибо находится в удалении на большой высоте и не портит ландшафт местности (как мощные наземные установки), т.е. они могут располагаться вблизи больших городов и уменьшать затраты на длиные дорогостоящие линии электропередачь.
---------------
* Presented in International Energy Conversion Engineering Conference at Providence., RI, Aug.16-19, 2004 as paper AIAA-2004-5705.
Keywords: wind energy, cable energy transmission, utilization of wind energy at high altitude, air rotor, windmills, Bolonkin.
Обозначения
A – площадь ротора [m2];
a = 0.1 - 0.25 экспонента ветрового коэффициента. Зависит от рельефа поверхности.
Aa – площадь крыла, обслуживаемая элеронами для компенсации крутящего момента ротора [m2];
Aw - площадь поддерживающего крыла [m2];
C – себестоимость 1 kWh [$];
c - продажная цена 1 kWh [$];
CL – коэффициент подъемной силы (maximum CL » 2.5);
CD – коэффициент сопротивления;
DCL,a – разность коэффициента подъемной силы между правым и левым элеронами;
D – сила сопротивления [N];
Dr – сила сопротивления ротора [N];
E - годовое производство энергии летающей установкой [J];
F – годовой доход [$];
Ho = 10 m – стандартная высота наземной установки [m];
H - высота [m];
I – стоимость установки [$];
K1 – время жизни установки (годы);
K2 – коэффициент подъемной силы ротора (5-12 [kg/kW]);
L – длина кабеля (ремня трасмиссии) [m];
Ly – подъемная сила крыла [N];
M – годовые расходы на содержание установки [$];
N– мощность [W, joule/sec];
No – мощность на стандарной высоте Ho ;
r – рассстояние от центра крыла до центра элеронов [m];
R – радиус ротора (турбины) [m];
S – поперечное сечение ремня трансмиссии [m2];
V – годовая средняя скорость ветра [m/s];
Vo – скорость ветра на стандартной высоте 10 m [m/s](Vo= 6 m/s);
W – вес установки (ротор+ трансмиссия) [kg];
Wy – вес троса трансмиссии [kg];
g - удельный вес троса трансмиссии [kg/m3];
h - к.п.д. ;
q - угол между трансмиссией и земной поверхностью;
l - отношение скорости конца лопасти к скорости ветра;
v – скорость троса трасмиссии [m/s];
r - плотность воздуха, r =1.225 kg/m3 на высоте H = 0; r =0.736 на высоте H =5 km; r = 0.413 на H =10 km;
s - напряжение растяжения троса трансмиссии [N/m2].
Введение
Ветер есть неиссякаемый чистый источник энергии, используемый с давних времен для перемола зерна, как водяной насос, парус и т.п. Ветряные мельницы обычно стоят между горами, где воздушные потоки сильнее. Ветряные установки как источники энергии особенно широко используются в Нью Хамшире (New Hampshire), (Tehachapi Mountains), в Калифорнии (Altamont Pass, California), на Гаваях (Hawaii). Мощность их обычно от 10 до 500 Кв. В 1984г общая выработка энергии всеми ветровыми установками США составила 150 миллионов кило-ватт часов.
Программа Министерства Энергетики США предусматривает развитие и строительство мощных ветроустановок, способных экономически конкурировать с обычными электростанциями.
Использование возобновляемой («зеленой») энергии постоянно увеличивается. Например, Великоьритания построила вдоль всего побережья большое число ветроустановок и постоянно увеличивает инвестиции в эту область. За последние 3 года английское правительство вложило 2.4 милларда в развитие ветровых установок и планируе получать до 10% энергии от ветра к 2010 году.
Английский план предотвращает выброс в атмосферу миллионы тонн окиси углерода от обычных тепловых электрических станций. Дания планирует 30% необходимой энергии получать от ветроустановок.
К сожалению, обычные наземные ветряные установки имеют недостатки, которые ограничивают их коммерческое использование:
1. Околоземный ветер слаб, имеет небольщую плотность энергии. Большие турбины дороги, не могут быть использованы (нужны дорогостоящие высотные башни) и приходится строить много малых турбин. В Калифорнии, например, используются тысячи небольших турбин. В настоящее время, стоимость ветровой энергии выше, чем энергия тепловых электрических станций.
2. Ветровая энергия зависит от куба (в третьей степени) скорости ветра. Вблизи поверхности земли скорость ветра мала и неравномерна. Если она уменьшается вдвое, то мощность установки падает а 8 (!) раз.
3. Производство энергии сильно зависит от капризов погоды (ветра).
4. Наземные ветроустановки шумят и портять вид ланшафта.
Имеется много исследавательских программ и предложений по улучшению ветровых установок. Однако все они орентированы на наземные установки или высокие (дорогие!) башни. Все они не могут в принципе устранить указанные недостатки.
В данной статье предлагается новое революционное решение энергетической проблемы. Это вынос больших ветровых турбин в верхнюю атмосферу (вплоть до стратосферы), где имеются мощные постоянные воздушные потоки. Такое решение резко удешевляет систему (не надо строить дорогостоящие башни) и избавляет от многих недостатков наземных систем, но возникает проблема тяжелого электрогенератора и проводов, которые невозможно поднять на такую высоту. Эта задача решается благодаря изобретению автора – передаче большой механической энергии на длинные дистанции при помощи троса из искусственного волокна [5]. Такая передача энергии оказывается намного выгоднее и дешевле, чем обычные высоковольтные линии электропередач (не надо строить мачты и закупать землю). Это изобретение позволяет располагать электрогенератор на земле, что намного удобно для обслуживания.
Читатель может найти информацию об этой идее в [1], о ветре в [2]-[3], детальное описание в [4]-[5], новые материалы, используемые для передачи в [6]-[9]. Данная инновация нашла применение во многих областях (см. [10]-[40]).
Описание Инновации
Основной вариант предлагаемой системы показан на фиг.1. Он включает: ротор (турбину) 1, поддеживающее крыло 2, тросовую трансмиссию 3, электрогенератор 4 и стабилизатор 5. Трансмиссия имеет три троса (фиг.1е): главный (центральный) трос, который держит ротор на заданной высоте и два подвижных троса, которые передают механическую энергию от ротора на Землю к электрическому генератору. Устройство, показанное на фиг.1f позволяет изменять длину трансмиссии и высоту ротора. В спокойную погоду ротор может поддерживаться в воздухе воздушным баллоном, либо поворачиваться в вертикальное положение и поддерживаться вращением от электрогенератора. Если скорость ветра меньше минимума, ротор может работать в режиме автожира как показано на фиг. 1d. Вероятность полного безветрия на больших высотах очень мала, зависит от места и равна наскольким дням в году.
На фиг.2 показана другая конструкция для больших высот. Здесь лопасти 10 прикреплены к двум тросовым петлям. Поднимающая лопасть имеет положительный угол атаки и создает подъемную силу. Опускающаяся лопасть имеет нулевую подъемную силу. Установка поддерживается на большой высоте лопастями, крылом 2 и стабилизатором 5. Конструкция также имеет механическую трансмиссию 3, соединенную с электрическим генератором 4. Тихоходный ротор захватывает большую площать и может создавать значительную мощность.
На фиг.3 показана парашютная ветровая система для большой высоты. Здесь лопасти заменены парашютами. Они имею большое воздушное сопротивление и вращают ротор 1. Крыло 2 поддерживает ротор большой высоте. Тросовая трансмиссия 3 передает вращение ротора на наземный электрический генератор 4.
Система, показанная на фиг.4 использует большую воздушную турбину Даррис (Darries). Турбина имеет 4-е лопасти. Все остальные части одинаковы с предыдущими рисунками.
Новая ветряная наземная турбина показана на рис.5. Ее особенность в том, что она имеет гиганский дешевый лопастно-торосовый ротор. Поэтому несмотря на низкую плотность энергии ветра вблизи земли мощность установки значительна. Она состоит из 4-х колонн с роликами, двух замкнутых тросов с лопастями 10. Ветер движет лонасти, лопасти движут тросы, а тросы вращают электрогенератор 4.
Фиг.1. Пропеллерная ветровая установка для использования мощных воздушных течений на больших высотах и кабельная трансмиссия для передачи механичесакой энергии к наземному электрогенератору.
Обозначения: 1 - ротор, 2 – крыло с элеронами, 3 – тросовая система передачи механической энергии, 4 – электрический генератор, 5 – стаблизатор. а – вид сбоку, b – передний вид, с – боковой вид с использованием воздушного баллана 9, вертикального троса 6 и датчиков ветра 6. d – удержание ротора на большой высоте при помощи пропеллера, е – три линии троса трансмиссии – привязной системы. Она включает: главный (цетральный) трос и два подвижных троса трансмиссии, f – трансмиссия переменной длины для изменения высоты; 8 – подвижный ролик.
Фиг. 2. Ветровая энергитическая установка для больших высот с тросовой турбиной. Обозначения: 10 – лопасти, 11 – растяжки.
Фиг.3. Ветровая энергитическая установка для больших высот с парашютной турбиной.
Фиг.4. Ветровая энергитическая установка для больших высот с турбиной Darrieus.
Фиг.5. Дешевая наземная установка большой мощности.
Проблемы запуска, старта, управления, контроля, устойчивости и другие
Запуск (подъем установки на высоту). Нет проблемы запуска на любую высоту предлагаемых ветровых установок, показанных на фиг.1 - 4. Когда скорость ветра достигает требуемого минимума (более, чем 2 – 3 м/сек), крыло поднимет установку на требуемую высоту.
Старт (раскрутка турбины). Все турбины с малым числом оборотов самораскручиваются. Все высокоскоростные турбины (включая наземную турбину фиг.5) требуют начальной раскрутки от электрогенератора 4 (фиг. 1,5).
Управление и контроль. Управление мощностью, числом оборотов и крутящим моментом осуществляется поворотом лопастей. Направление против ветра поддерживается автоматически при помощи килей. Угол атаки лопастей в конструкции фиг.2 обепечивается стабилизаторами.
Устойчивость. Контроль высоты осуществляется длиной троса. На главном тросе установлены датчики скорости ветра, что позволяет выбрать наивыгоднейшую высоту (фиг. 1, 2, 4).
Направление ротора поддерживается килями. Если ротор жестко соединен с крылом, то устойчивость обепечивается правильным положением центра тяжести системы и точки крепления главного троса. Центр тажести должен располагаться в районе 0.2 – 0.4 средней аэродинамической хорды крыла (фиг. 1).
Тоже относится и к конструкциям, показанным на фиг. 2-4.
Крутящий момент уравновешивается автоматически элеронами (фиг.1 – 4).
Подъемная сила крыла и натяжение главного троса регулируется автоматически закрылками или углом атаки крыла (стабилизатора).
Направление и положение установки в пространстве может поддерживаться также растяжками, показанными на фиг. 2. Они позволяют поворачивать установку примерно ± 450 в соответсвии с направлением ветра.
Минимум скорости ветра. Минимальная скорость ветра необходимая для поддержки установки в воздухе равна примерно 2 м/сек. Вероятность такой маленькой скорости на больших высотах крайне мала и в большинстве мест равна примерно 0.001 . Этот минимум может быть еще уменьшен, если ротор поворачивается и используется в режиме автожира. Если же скорость ветра равна нулю, то установка может поддерживаться в воздухе воздушным баллоном (в форме дирижабля как показано на рис.1с или пропеллер может вращаться в режиме винта вертолета от электрогенератора, потребляя незначительную энергию как показано на рис.1d). Роторная система может также садиться на землю и стартовать снова как только скорость ветра достигнет минимальной величины.
Порывистый ветер. Порывы ветра (энергии) могут быть сглажены применением наземного инерциального маховика.
Предлагаемые метод и ветроэнергетическая установка имеют следующие важные преимущества перед обычными ветровыми установками:
1. Предлагаемая установка (ротор) не ограничена в размерах как обычные наземные установки и может собирать ветровую энергию с больших площадей в десятки и сотни раз большей, чем наземная установка. Это возможно, потому что нет необходимости в дорогостоящей башне, которая поддерживает ротор в воздухе. Мы можем использовать ротор большего диаметра, например, 100-200 метров и более.
2. Предлагаемая установка может располагаться на большой высоте от 100 м до 14 км. На таких высотах скорость ветра выше в 2 – 4 раза, и она более стабильная, чем у поверхности земли на высотах наземных установок 10 – 70 м. В определенных географических районах имеются постоянные мощные воздушные потоки на большой высоте, которые могут быть использованы. Мощность ветровой установки зависит от третьей степени скорости ветра. Это значит, что если скорость ветра увеличивается в три раза, то энергия ветра возрастает в 27 раз! Этот прирост многократно с лихвой покрывает уменьшение плотности воздуха с высотой даже на стратосферных высотах, где скорость ветра достигает 50-70 м/сек (сравните со средней стандартной скоростью ветра у земли 6 м/сек).
3. В предлагаемой установке стандартный электрический генератор располагается на земле. Имеются предложения (автожирный вариант), когда специальный электрический генератор находится около ротора и соединяется электрическими проводами с землей. У нас ротор и мощность установки весьма велики (см. проекты далее). Наши установки производять энергии в тысячи раз больше, чем стандартные ветродвигатели, выпускаемые промышленностью (см.пункты 1, 2 выше). Электрический генератор мощностью 20 MW весит около 100 тонн (удельный вес обычных электрогенераторов около 3 – 10 кг/kW). Невозможно держать такую махину на такой высоте при помощи крыла, если скорость ветра меньше 150 м/сек.
4. Одно из главных инноваций предлагаемой ветроустановки – длиннная (многокилометровая!) тросовая трансмиссия для передачи механической энергии с большой высоты к наземному электрогенератору. Предлагаемая установка использует новую тросовую трансмиссию, сделанную из искусственных волокон. Эта трансмиссия легче во много (1000) раз, чем обычные медные электрические провода равной мощности. Провода диаметром более 5 мм пропускают 1 – 2 ампера/мм2. Если электрогенератор имеет мощность 20 МW и напряжение 1000 вольт, потребное поперечное сечение равно 20,000 мм2. (это провод диаметром 160 мм!). Поперечное же сечение тросовой передачи равно 37 мм2 (это трос диаметром 6.8 мм (при скорости троса 300 м/сек и допустимом напряжении 200 кг/мм2, см. проект 1). Удельный вес меди равен 8930 кг/м3, удельный вес же прочных волокон равен 1800 кг/м3. Если длина кабеля для высоты 10 км равна 25 км, то двойной электрический провод будет иметь вес 8930 тонн (!!), а трос из искуственных волокон только вес 3.33 тонн, т.е. в 2682 раза легче. Медные провода очень дорогие, а искусственные волокна дешевые.
Все предыдущие попытки изобретателей поднять электрогенератор в воздух и соединить его проводами с землей кончились неудачей.
Некоторая информация о ветровой энергии
Мощность ветрового двигателя сильно (в третьей степени) зависит скорости ветра. Для сравнения совершенства разных установок принята стандартная скорость скорость ветра V = 6 m/s и высота оси ротора H = 10 m. С ростом высоты скорость ветра растет и он становиться стабильным и постоянным. Эта закономерность верна практически везде.
Ветер в тропосфере и стратосфере обычно мощный и постоянный. Например, на высоте 5 км средняя скорость ветра около 20 м/сек, на высоте 10 – 12 км средняя скорость ветра достигает 40 м/с (на широте 20-350N).
На большой высоте есть постоянные воздушные течения. Например, на H = 12-13 km около 250N широты. Средняя скорость ветра в ядре потока равна 148 km/ч (41 m/s). Наиболее сильные потоки в США имеют максимальную скорость 185 km/ч (51 m/s) на широте 220, and 151 km/ч (42 m/s) на широте 350. В отдельные зимние дни скорость в центре потока может достигать 370 km/ч (103 m/s) на расстоянии сотен километров вдоль направления ветра. Ширина (отклонение) потока, имеющего скорость 185 км/ч, достигает 556 км вправо и 185 км влево.
Ветер имеющий скорость V = 40 m/s на высоте H = 13 km производит в 64 раза больше энергии, чем ветер со скоростью 6 м/с на высоте 10 м. Это гиганский возобновляемый источник дешевой энергии (см. Science and Technolody,v.2, p.265).
Тросовая передача механической энергии.
Основные инновации предлагаемого метода это помещение установки на большие высоты и тросовая система иередачи механической энергии от ротора к наземному электрогенератору. Основная проблема новой тросовой передачи – вес троса и его трение о воэдух.
Двадцать лет назад масса и трение троса о воздух затрудняли осуществление данного метода. Однако современные искусственные волокна, выпускаемые промышленностью, имеют допустимое напряжение растяжения в 3 – 5 раз выше чем сталь и плотность в 4=5 раз меньше, чем сталь. Имеются также экспериментальные волокна (усы, нанотрубы), которые прочнее стали в 30-100 раз и легче в 2-5 раз. Например, в книге [6] p.158 (1989), где есть волокна (усы) CD, которые допускают максимальное напряжение s = 8000 kg/mm2 и удельную плотность g = 3.5 g/cm3. Если мы возмем допустимое напряжение растяжения 3500 kg/mm2 (s =7.1010 N/m2, g = 3500 kg/m3), тогда отношение g/s = 0.1´10-6 или s/g = 10´106. Хотя отношение (s/g = 10´106)(1989 г.) велико оно примерно в 10 раз меньше, чем предсказывает теория. Стальные волокна имеют напряжение растяжения 5000 МРА (500 kg/sq.mm), но их теоретический предел равен 22,000 MPA (2200 kg/mm2)(1987); полиэтиленовые волокна имеют прочность на растяжение 20,000 MPA, а теоретический предел равен 35,000 MPA (1987). Очень высокую прочность имют нанотрубы, получаемые пока только в небольших количествах в научных лабораториях.
Нанотрубы (сверхтонкие углеродные волокна) обладают также отличной электрической проводимостью. Как сверхпрочный материал они могут использоваться в композитах. Как ранние теоретические работы так и современные эксперименты показали, что нанотрубы являются одним из самых жестких искусственных материалов в мире (особенно MWNT’s, Multi Wall Nano Tubes). Углеродные узлы одни из самых сильных в природе, а структуры из этих узлов, расположенные вдоль оси трубы дают весьма прочный материал. Традиционно углеродные волокна имеют очень высокую прочность и жесткость, но и они далеки от теоретического предела. Плоские графитовые пленки имеет прочность на порядок выше. Нанотрубы есть лучшие волокна, которые могут быть сделаны из графита.
Например, углеродные нанотрубы (CNT) имеют прочность на растяжение 200 Гига-Паскалей и модуль Юнга выше 1 Тера-Паскалей (1999г). Теория предсказывает 1 Тера-Паскалей и модуль Юнга 1-5 Тера-Паскалей. Трубчатая структура нанотруб делает их очень легкими (удельный вес от 0.8 г/cм3 для SWNT’s (Single Wall Nano Tubes) до 1.8 g/cc for MWNT’s, сравните с 2.26 g/cc для графита или 7.8 g/cc для стали).
Удельная прочность (отношение прочность/плотность) важная характеристика для систем, представленных в данной работе. Эта величина для нанотруб на два порядка выше, чем для стали. Обычные углеродные волокна имеют удельную прочность в 40 раз выше, чем сталь. Кроме того, они устойчивы к химическим реакциям и имеют хорошую термостойкость. Способность нанотрубок противостоять окисления сравнима со способностью графитовых волокон. В вакууме или разреженной атмосфере нанотрубы устойчивы в практическом интервале температур.
Искусственные волокна дешевы и повсеместно испольэуются, например, в автомобильных шинах. «Усы» SiC производимые Carborundum Co. с s=20,690 MPa и g=3.22 g/cc стоили $440 /kg в 1989г. Продажная цена нанотруб, производимых в весьма малых количествах в научных лабораториях была очень высока (~$200 за грамм)(2000г.). Несколько компаний США обещали организовать их промышленное производство в ближайшие годы и снизить их цену до $100/фунт.
Ниже автор делает короткое обозрение некоторых промышленных и экспериментальных искусственных волокон на момент написания данной работы (2000г). Он готов обсудить проблемы , которые возникают при осуществлении данных проектов, и дать дополнительную информацию и избретения серьезным организациям, которые заинтересованы в исследований и осуществлении, предлагаемых проектов.
Только широко выпускаемые промышленностью и дешевые искусственные волокна с s = 500-600 kg/mm2, g = -1800 kg/m3, and s¤g = 2,78x106 используются во всех предлагаемых проектах (допустимое напряжение на растяжение равно s =200-250 kg/mm2)(см. Таблицу 1).
Table # 1. Данные некоторых искусственных волокон.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Материал Напряжение Плотность Волокна Напряжение Плотность
«Усы» растяжения
kg/mm2 g/cc kg/mm2 g/cc
AlB12 2650 2.6 QC-8805 620 1.95
B 2500 2.3 TM9 600 1.79
B4C 2800 2.5 Thorael 565 1.81
TiB2 3370 4.5 Allien 1 580 1.56
SiC 1380-4140 3.22 Allien 2 300 0.97
Источники [6]-[9].
Краткая теория оценки предлагаемых ветровых установок
Ротор
Мощность ветра N [Watt, Joule/sec]
N=0.5hrAV3 [W] . (1)
К.п.д. , h, равно 0.15-0.35 для низкоскоростных роторов (отношение скорости конца лопасти к скорости ветра равно l » 1); h = 0.35-0.5 для высокоскоростных роторов (l = 5-7). Дарриель (Darrieus) ротор имеет h = 0.35 - 0.4. Прореллерный ротор h = 0.45-0.50. Теоретический максимум равен h = 0.67.
Энергия производимая в течении года равна (1 год » 30.2´106 сек) [J]
E=3600´24´350 » 30´106N [J]. (1’)
Скорость ветра увеличивается с высотой приблизительно по закону
V=(H/Ho)aVo , (2)
где a = 0.1 - 0.25 коэффициент экспоненты зависящий от неровностей поверхности земли. Для воды, a = 0.1; для городов и леса a = 0.25 .
Мощность ветровой установки увеличивается в третьей степени с ростом скорости
N=(H/Ho)3aNo , (3)
где No мощность на высоте Ho.
Сопротивление ротора равно
Dr=N/V . (4)
Подъемная сила крыла, Ly , равна
Ly=0.5CLrV2Aw , Ly»W , (5)
где CL коэффициетн подъемной силы крыла (максимум CL » 2.5). Aw – площать крыла, W вес установки + 0,5 веса тросов.
Сопротивление крыла равно
D = 0.5CDrV2Aw , (6)
где CD коэффициент сопротивления (максимум CD »1.2) .
Оптимальная скорость парашютного готора 1/3V и максимальный теоретический к.п.д. равен 0.5 .
Годовая энергия, производимая ветровой установкой равна
E=8.33N [kWh] . (7)
Канатная трансмиссия, площадь крыла и другие параметры
Поперечное сечение троса трансмиссии S равно
S=N/vs . (8)
Поперечное сечение главного троса Sm равно
Sm=(Dr+D)/s . (8’)
Вес троса
Wr=SLg , (9)
Себестоимость энергии с в kWh равна
, (10)
Годовой доход
F= (C-c)E . (11)
Потребная площадь поддерживающего крыла
, (12)
где θ – угол между поддерживающим тросом и горизонтальной поверхностью.
Площадь крыла обслуживаемая элеронами для балансировки кренящего момента пропеллера
, (13)
Минимальная скорость ветра поддерживающая установку в воздухе
, (14)
где W – общий вес установки, включая трансмиссию. Если пропеллер используется в режиме автожира минимальная скорость уменьшается в 2-2.5 раза. Если скорость равна нулю, потребная мощность для поддержания установки в воздухе в режиме геликоптера равна
Ns = W/K2 [kW], (15)
Удельный вес маховика как хранилища энергии равен
Es=s/2g [J/kg]. (16)
Например, если s =200 kg/mm2, g =1800 kg/m3, тогда Es=0.56 MJ/kg или Es=0.15 kWh/kg.
Для сравнения эффективности разных наземных ветровых установок их параметры рассчитываются для стандартных условий: скорости ветра V=6 m/s и высоты оси ротора H=10 m.
Проекты
Проект 1
Высокоскоростной ротор-пропеллер (фиг.1)
В качестве примера рассмотрим пропеллер диаметром 100 m (A = 7850 m2), на высоте H = 10 km (r = 0.4135 kg/m3), при средней скорости ветра V = 30 m/s , к.п.д. h = 0.5, и напряжении троса s = 200 kg/mm2 .
Мощность установки будет N = 22 MW [Ур-е. (1)]. Это достаточно чтобы обеспечить энергией город с населением 250,000 человек. Сопротивление ротора будет Dr = 73 тонн [Ур-е (4)], поперечное сечение главного троса S =1.4Dr/σ =l.35´73/0.2 » 500 mm2, диаметер троса d =25 mm; вес троса W =22.5 тонн [Ур-е (9)] при длинне 25 км. Поперечное сечение троса трансмиссии S = 36.5 mm2 [Ур-е (8)], d = 6.8 mm, вес W = 3.33 тонн при скорости троса v =300 m/s [Ур-е (9)].
Площадь крыла должна быть 20´100 m (CL=0.8) [Ур-е (12)], площать обслуживаемая элеронами 820 sq.m [Ур-е (13)]. Если максимальный коэффициент подъемной силы равен CL=2, то минимальная скорость ветра необходимая для пддержания установки в воздухе равна 2 m/s [Ур-е (14)].
Установка будет производить годовую энергию E =190 GWh [Ур-е (7)]. Если ее стоимость равна $200K, (К – тысяча) время жизни 10 лет и расходы на содержание $50K в год, себестоимость электроэнергии будет c = 0.37 центов за kWh [Ур-е (10)], годовой доход равен $19 миллионам в год [Ур-е (11)].
Проект 2
Большой воздушный пропеллер на высоте 13 км (фиг.1)
Рассмотрим установку с пропеллером 300 м, Площадь A = 7´104 m2, на высоте 1 км и средней скорости ветра 13 м/сек. Скорость конца лопасти равна 78 м/сек. Полная потенциальная энергия ветра равна 94.2 MW. Если к.п.д. равно 0.5 полезная мощность равна N = 47.1 MW. Для других скоростей ветра полезная мощность равна: V = 5 m/s, N = 23.3 MW; V = 6 m/s, N = 47.1 MW; V = 7 m/s, N = 74.9 MW; V = 8 m/s, N = 111.6 MW; V = 9 m/s, N = 159 MW; V = 10 m/s, N =218 MW.
Оценка экономической эффективности
Предположим, что стоимость установки $3 миллиона, время жизни 10 лет, обслуживание и ремонт $100,000/год. Тогда производимая в год энергия равна E = 407 GWh [Ур-е (7)]. Ее себестоимость равна $0.01 /kWh.
Технические параметры установки
Высота H = 1 km
Сопротивление 360 тонн. Поперечное сечение главного троса 1800 sq.mm [Ур-е (8’)], d = 48 mm, вес 6480 кг. Требуемая площадь крыла 60х300 м. Площать крыла требуемая для балансировочными элеронами 6740 sq.m.
При скорости трансмиии 300 m/s, поперечное сечение троса 76 мм2, вес троса из композитных волокон 684 кг.
Высота 13 км
На высоте 13 км плотность воздуха равна ρ=0.2666, скорость ветра V = 40 m/s. Мощность установки при к.п.д. 0.5 равна 301.4 MgW. Сопротивление пропеллера равен примерно 754 тонн. Соединительный трос имеет поперечное сечение 3770 мм2, диаметер 70 мм2 и вес 176 тонн. Трос трансмиссии имеет поперечное сечение 5 см2, вес 60 тонн (вертикальная трансмиссия имеет вес только 12 тонн).
Установка производит енергии в год E=2604 GWh. При ее стоимости $5 миллионов, расходах на содержание $200,000 в год, себестоимость 1 kWh будет $0.0097/kWh.
Проект №3
Низкоскоростная ветровая установка с тросовым свободно летающим гибким ротором (фиг.2)
Предположим, что ротор имеет ширину 50 м и длину 1000 м. Тогда площадь ротора равна A=50´1000=50,000 м2. Угол ротора к поверхности равен 70o. Угол атаки лопастей равен 2.5o. Средняя скорость ветра на высоте H = 10 m равна V = 6 m/s. Это значит, что на высоте 1000 м она равна 11.4 - 15 m/s. Мы возмем среднюю скорость V=13 m/s на высоте H = 1 km.
Мощность потока равна
N=0.5.rV3Acos200=0.5´1.225´133´1000´50´0.94=63 MW .
Если к.п.д. h = 0.2 мощность установки равна
h = 0.2´63 = 12.5 MW .
Мощности 12.5 MW достаточно для города с населением 150,000. Если увеличить размеры нашей установки до 100x2000 m ее мощность возрастет в 6 раз, поскольку площать возрастеть в 4 раза, увеличится высота и средняя скорость ветра достигнет 15 м/с. Т.е. мощность будет 75 MW. Этой мощности уже достаточно для города с населением 1 млн человек.
Если скорость ветра у земли будет меняться, то мощность установки будет меняться следующим образом: V =5 m/s, N =7.25 MW; V =6 m/s, N =12.5 MW; V=7 m/s, N = 19.9 MW; V = 8 m/s, N = 29,6 MW; V = 9 m/s, N = 42.2 MW; V = 10 m/s, N = 57.9 MW.
Экономическая эффективность
Предположим, что установка стоит $1 млн. Согласно книги “Wind Power” by P. Gipe [2] обычная ветровая установка с ротором диаметном 7 м стоит $20,000, при средней скорости ветра 6 м/с имеет мощность 2.28 kW, производит 20,000 kWh в год. Чтобы производит упомянутую выше мощность 12.5 MW, нужно 5482 (12500/2.28) обычных установок, общей стоимостью $110 миллионов. Предположим что наша установка будет служить 10 лет и расходы на ее поддержание равны $50,000/год. Наша установка будет производить 109,500,000 kWh энергии в год. Себестоимость этой энергии равна приблизительно 150,000/109,500,000 = 0.14 cent/kWh. Розничная цена 1 kWh электроэнергии в Нью-Йорке равна в настоящее время (2000) $0.15 . Доход равен 16 миллионам. Если прибыль с 1 kWh равна $0.1, то общий доход составит более 10 миллионов в год.
Оценка некоторых технических параметров системы
Поперечное сечение троса для допустимого напряжения растяжения s = 200 kg/sq.mm равно S =2000/0.2 = 10,000 mm2. Это два троса диаметром d =80 mm. Вес троса при плотности 1800 kg/m3 равен W = SLg = 0.01´.2000´.1800 = 36 tons . Предположим, что вес 1 м2 лопасти равен 0.2 кг/м2 и вес 1 м балки равен 2 кг. Тогда вес 1 лопасти будет 0.2 x 500 = 100 kg, и 200 лопастей будут весить 20 тонн.
Общий вес главных частей установки будет 94 тонн. Мы для наших дальнейших расчетов примем 100 тонн.
Минимальная скорость ветра поддерживающая установку в воздухе равна (для Cy = 2)
V=(2W/CyrS)0.5= (2´100´104/2´1.225´200´500)0.5 = 2.86 m/s
Вероятность скорости ветра меньше 3 м/с при средней скорости ветра 12 м/с равна нулю, а при скорости 10 м/с равна 0.0003 . Это равно 2.5 часам в течении года или одному разу в году. Ветер на большой высоте имеет большую скорость и стабильность, чем около земли. Например на земле может быть полный штиль, а на небе видно, что облака движутся.
Проект №4
Низкоскоростной воздушный ротор сопротивления (фиг.3)
Предположим, что парашют имеет диаметер 100 м, длина троса 1500 м, дистанция между парашютами 300 м. Число парашютов 3000/300=10, число рабочих парашютов равно 5, площадь парашютов равна 7850 м2. Общая площадь A = 5 x 7850 = 3925 м2. Тогда мощность потока равна 5.3 MW при V=6 m/s.
Если к.п.д. равно 0.2 , то полезная мощность равна N = 1 MW. Для других скоростей ветра эта мощность соответственно равна: V =5 m/s, N =0.58 MW; V =6 m/s, N = 1 MW; V =7 m/s, N =1.59 MW; V = 8 m/s, N=2.37 MW; V = 9 m/s, N =3.375 MW; V = 10 m/s, N = 4.63 MW.
Экономическая эффективность
Предположим, что стоимость установки $0.5 миллиона, время жизни 10 лет расходы на содержание $20,000/год. Энергия производимая в течении одного года при стандартной средней скорости ветра 6 м/с равна E = 1000x24x360 = 8.64 million kWh. Базовая себестоимость энергии равна 70,000/8640,000 = 0.81 цента/kWh.
Некоторые технические параметры
Если тяга равна 23 тонны, допустимое напряжение растяжения для композитных волокон 200 кг/мм2 , тогда паращютный трос должен иметь диаметер 12 мм, полный вес установки 4.5 тонн. Поддерживающее крыло имеет размер 25´4 м.
Проект №5
Высокоскоростной ротор Дарреус (Darreus) для высоты 1 км (фиг.4)
Пусть ротор имеет диаметер 100 м и длину 200 м (рабочая площадь 20,000 м2). Когда скорость ветра на высоте H=10 m равна V =6 m/s, на высоте H = 1000 m она равна 13 m/s. Полная мощность ветра равна 13,46 MW. Если к.п.д. равно 0.35 , то мощность установки равна N = 4.7 MW. Для других скоростей она будет: V = 5 m/s, N = 2.73 MW; V = 6 m/s, N = 4.7 MW; V = 7 m/s, N = 7.5 MW; V = 8 m/s, N = 11.4 MW; V = 9m/s, N = 15.9 MW; V = 10 m/s, N = 21.8 MW.
На высоте H = 13 km при плотности воздуха 0.267 и скорости ветра V = 40 m/s, данная установка будет иметь мощность N = 300 MW.
Экономическая эффективность
Предположим, что стоимость установки $1 миллион, полезная жизнь 10 лет, расходы на содержание $50,000 в год. Установка производит энергии E = 41 millions kWh в год (когда скорость ветра на высоте 10 м равна 6 м/с). Себестоимость энергии равна 150,000/41,000,000 = 0.37 цент/kWh. Если продажная цена энергии равна $0.15/kWh и прибыль с 1 kWh равна $0.10 /kWh, то полная прибыль будет $4.1 миллиона в год.
Технические параметры системы
Скорость лопастей 78 м/с. Число лопастей равно 4. Число оборотов 0.25 в сек. Размер лопасти 200x0.67 m. Вес одной лопасти 1.34 тонны. Обший вес установки около 8 тонн. Внутреннее крыло имеет размеры 200x2.3 m. Добавочное крыло имеет размеры 200x14.5 m и вес 870 kg. Поперечное сечение троса для высоты 1 км равно 300 мм2 и вес 1350 кг.
Проект №6
Большая Наземная Высокоскоростная Установка (фиг.5)
Предположим что ветровая установка имеет размеры 500´500´50 м. (500 м длина и ширина, 50 м – высота). Рабочая площадь 500´50´2=50,000 м2. Четыре столба имеют высоту 60 м, тросовый ротор крепится на высоне от 10 до 60 м. Если скорость ветра на высоте 10 м равна 6 м/с, то на средней высоте 40 м она будет 7.3 м/с.
Теоретическая мощность ветра равна
Nt = 0.5rV3A = 0.5´1.225´7.33´5´104 =11.9 MgW.
При к.п.д. 0.45 полезная мощность равна
N = 0.45´11.9=5.36 MW.
При других скоростях наземного ветра мощность будет равна: V = 5 m/s, N = 3.1 MW; V = 6 m/s, N = 5.36 MW; V = 7 m/s, N = 8.52 MW; V = 8 m/s, N = 12.7 MW; V = 9 m/s, N = 18.1 MW; V = 10 m/s, N = 24.8 MW.
Экономические оценки
В данном проекте ротор будет дешевле, чем в предыдуших поскольку высокоскоростной ротор имеет меньше лопастей и сами лопасти меньше (см.технические данные ниже). Однако установка нуждается в 4-х высоких столбах (60 м). Поэтому предположим, что установка будет стоить 1 млн. и прослужит 10 лет. Расходы на ее экплуатацию примем $50,000 в год.
Установка будет производить энергию E = 5360 kW x 8760 часов = 46.95 MWh (при средней скорости ветра 6 м/с на высоте 10 м). Себестоимость 1 kWh is 150,000/46,950,000 = 0.4 цент/kWh. Розничная цена равна $0.15/kWh. При стоимости доставки 30%, доход составит $0.10 с kWh, или $4.7 миллиона в год.
Технические параметры установки
Скорость лопастей 6 x 7.3 = 44 m/s. Расстояние между лопастями 44 м. Число лопастей 4000/44 = 92.
Обсуждение и Заключение
Современные наземные ветровые установки достигли вершины своего технического развития. Нет и не может быть существенного прогресса в себестоимости получаемой от них энергии за последние 50 лет. Ветровая энерги бесплатная, но извлечение ее при помощи дорогих наземных установок обходится дороже, чем производство энергии нп обычных тепловых электростанциях. Существующие наземные установки не в состоянии существенно уменьшить себестоимость 1 киловатт-часа, обеспечить стабильность производимой энергии. Они из-за резкого возрастания стоимости уникальной установки не могут существенно увеличить мощность единичной установки. Индустрия возобновляемой энергии нуждается в революционных идеях, которые скачком улучшать главные характеристики (стоимость установки на единицу вырабатываемой энергии и себестоимость киловатт-часа), уменьшат их в 10 – 20 раз! Данная статья предлагает вырвать ветровую индустрию из состояния стогнации и дать ей новые революционные возможности.
Сравнение предлагаемой высотной ветровой установки с нынешними наземными установками:
1.Себестоимость получаемой энергии примерно в 10 раз дешевле, чем на обычных тепловых электростанциях и на наземных самых эффективных ветровых установках.
2.Предлагаемая установка относительно недорогая (на единицу мощности) поскольку нет дорогой башни для поддержания ротора. Размеры ротора неограничены башней и он может быть очень большим, аккумулируя энергию ветра с больших площадей (в сотни раз больше, чем обычная наземная установка).
3.Мощность единичной установки в сотни раз выше, чем мощность типовой наземной установки вследствии большой площади ротора и более сильного ветра на большой высоте.
4.Предлагаемая установка не нуждается в большой площади на земле. И практически может быть установлена в любом месте.
5.Установка может быть расположена около потребителя и не требовать высоковольтного оборудования и длиных линий передачи энергии, трансформаторов и подстанций. Даже морские корабли могут использовать подобные ветровые установки как безтопливные двигатели.
6.Нет шума и не портиться окружающий ландшафт.
7.Производство энергии более стабильно, т.к. ветер более устойчив на больших высотах. Каждый может наблюдать как в безветренную погоду облака продолжаю двигаться на высоте. Имеются постоянные сильные воздушные потоки во многих районах земного шара. Они известны и хорошо изучены.
8.Установку легко переместить в любое другое место.
Как всякая новая идея предлагаемый метод нуждается в более детальном исследовании и эксперименте. Теория ветровых двигателей хорошо изучена и не требует дорогих исследований. Нужно сделать небольшую установку, чтобы получить опыт в конструировании, запуске, устойчивости и передаче энергии предлагаемой механической тросовой трансмиссией от летающего ротора к наземному стандартному электрогенератору.
Предлагаемые новшества описаны в патентной заявке [4]. Автор имеет более детальный анализ и инновации к описанным проектам. Организации заинтересованные в данных проектах могут обращаться к автору (http://Bolonkin.narod.ru , aBolonkin@juno.com ).
References
1. Bolonkin A.A., Utilization of Wind Energy at High Altitude, AIAA-2004-5756, AIAA-2004-5705. International Energy Conversion Engineering Conference at Providence, RI, USA, Aug.16-19, 2004.
2. Gipe P., Wind Power, Chelsea Green Publishing Co., Vermont, 1998.
3. Thresher R.W. and etc, Wind Technology Development: Large and Small Turbines, NRFL, 1999.
4. Bolonkin, A.A., ”Method of Utilization a Flow Energy and Power Installation for It”, USA patent application 09/946,497 of 09/06/2001.
5. Bolonkin, A.A., Transmission Mechanical Energy to Long Distance.AIAA-2004-5660.
6. Galasso F.S., Advanced Fibers and Composite, Gordon and Branch Scientific Publisher, 1989.
7. Carbon and High Performance Fibers Directory and Data Book, London-New. York: Chapmen& Hall, 1995, 6th ed., 385 p.
8. Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Ed. J.I.Kroschwitz, N. Y: Wiley, 1990, 1341 p.
9. Dresselhaus, M.S., Carbon Nanotubes, by, Springer, 2000.
10. Bolonkin, A.A., “Inexpensive Cable Space Launcher of High Capability”, IAC-02-V.P.07, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct. 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.394-404, 2003.
11. Bolonkin, A.A, “Non-Rocket Missile Rope Launcher”, IAC-02-IAA.S.P.14, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.394-404, 2003.
12. Bolonkin, A.A., “Hypersonic Launch System of Capability up 500 tons per day and Delivery Cost $1 per Lb”. IAC-02-S.P.15, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA. JBIS, Vol.57, pp.162-172. 2004.
13. Bolonkin, A.A., “Employment Asteroids for Movement of Space Ship and Probes”. IAC-02-S.6.04, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct. 2002/Houston, USA.
JBIS, Vol.56, pp.98-197, 2003.
14. Bolonkin, A.A., “Non-Rocket Space Rope Launcher for People”, IAC-02-V.P.06, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.231-249, 2003.
15. Bolonkin, A.A., “Optimal Inflatable Space Towers of High Height”. COSPAR-02 C1.1-0035-02, 34th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR). The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA.
JBIS, Vol.56, pp.87-97, 2003.
16. Bolonkin, A.A., “Non-Rocket Earth-Moon Transport System”, COSPAR-02 B0.3-F3.3-0032-02, 34th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR). The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA. “Advanced Space Research”, Vol.31, No. 11, pp. 2485-2490, 2003.
17. Bolonkin, A.A., “Non-Rocket Earth-Mars Transport System”, COSPAR-02B0.4-C3.4-0036-02, 34th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR). The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct 2002/Houston, Texas, USA. Actual problems of aviation and space system. No.1(15), vol.8, pp.63-73, 2003.
18. Bolonkin, A.A., “Transport System for delivery Tourists at Altitude 140 km”. IAC-02-IAA.1.3.03, 53rd International Astronautical Congress. The World Space Congress – 2002, 10-19 Oct. 2002/Houston, Texas, USA. JBIS, Vol.56, pp.314-327, 2003.
19. Bolonkin, A.A., ”Hypersonic Gas-Rocket Launch System.”, AIAA-2002-3927, 38th AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 7-10 July, 2002. Indianapolis, IN, USA.
20. Bolonkin, A.A., Multi-Reflex Propulsion Systems for Space and Air Vehicles and Energy Transfer for Long Distance, JBIS, Vol, 57, pp.379-390, 2004.
21. Bolonkin A.A., Electrostatic Solar Wind Propulsion System, AIAA-2005-3653. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
22. Bolonkin A.A., Electrostatic Utilization of Asteroids for Space Flight, AIAA-2005-4032. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
23. Bolonkin A.A., Kinetic Anti-Gravitator, AIAA-2005-4504. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
24. Bolonkin A.A., Sling Rotary Space Launcher, AIAA-2005-4035. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
25. Bolonkin A.A., Radioisotope Space Sail and Electric Generator, AIAA-2005-4225. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
26. Bolonkin A.A., Guided Solar Sail and Electric Generator, AIAA-2005-3857. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
27. Bolonkin A.A., Problems of Electrostatic Levitation and Artificial Gravity, AIAA-2005-4465. 41 Propulsion Conference, 10-12 July, 2005, Tucson, Arizona, USA.
28. A.A. Bolonkin, Space Propulsion using Solar Wing and Installation for It. Russian patent application #3635955/23 126453, 19 August, 1983 (in Russian). Russian PTO.
29. A.A, Bolonkin, Installation for Open Electrostatic Field. Russian patent application #3467270/21 116676, 9 July, 1982 (in Russian). Russian PTO.
30. A.A.Bolonkin, Getting of Electric Energy from Space and Installation for It. Russian patent application #3638699/25 126303, 19 August, 1983 (in Russian). Russian PTO.
31. A.A.Bolonkin, Protection from Charged Particles in Space and Installation for It. Russian patent application #3644168 136270 of 23 September 1983, (in Russian). Russian PTO.
32. A.A.Bolonkin, Method of Transformation of Plasma Energy in Electric Current and Installation for It. Russian patent application #3647344 136681 of 27 July 1983 (in Russian), Russian PTO.
33. A.A.Bolonkin, Method of Propulsion using Radioisotope Energy and Installation for It. of Plasma Energy in Electric Current and Installation for it. Russian patent application #3601164/25 086973 of 6 June, 1983 (in Russian), Russian PTO.
34. A.A.Bolonkin, Transformation of Energy of Rarefaction Plasma in Electric Current and Installation for it. Russian patent application #3663911/25 159775 of 23 November 1983 (in Russian). Russian PTO.
35. A.A.Bolonkin, Method of a Keeping of a Neutral Plasma and Installation for it. Russian patent application #3600272/25 086993 of 6 june 1983 (in Russian). Russian PTO.
36. A.A.Bolonkin, Radioisotope Propulsion. Russian patent application #3467762/25 116952 of 9 July 1982 (in Russian). Russian PTO.
37. A.A.Bolonkin, Radioisotope Electric Generator. Russian patent application #3469511/25 116927 of 9 July 1982 (in Russian). Russian PTO.
38. A.A.Bolonkin, Radioisotope Electric Generator. Russian patent application #3620051/25 108943 of 13 July 1983 (in Russian). Russian PTO.
39. A.A.Bolonkin, Method of Energy Transformation of Radioisotope Matter in Electricity and Installation for it. Russian patent application #3647343/25 136692 of 27 July 1983 (in Russian). Russian PTO.
40. A.A.Bolonkin, Method of stretching of thin film. Russian patent application #3646689/10 138085 of 28 September 1983 (in Russian). Russian PTO.
Відповіді
2005.07.09 | nash
Скажу по Станіславському: "Не вірю". Але готовий дискутувати.
2 ключові проблеми, вирішення яких я не побачив у описі.1. Ненадійність, точніше негарантованість постійного знаходження "вільно літаючого ротора" в потоках повітря на великій висоті за умов постійної зміни сили вітру.
2. Я, як технар, просто не уявляю собі механічну трансмісію завдовжки чотирнадцять кілометрів між літаючим ротором і наземним генератором. Навіть якщо її виготовити з супер-пупер модернових матеріалів. Механічна передача є механічною зі зростаючими в геометричній прогресії (залежно від довжини цієї передачі) тертям і втратами енергії.
Ну і ще одна "дрібничка": чому немає жодного патента чи авторського свідоцтва, а тільки заявки?
2005.07.09 | Сергій Кабуд
автор каже що це як воздушний змій має розглядатися
думаю що не важко зробити прототип невеликого розміру2005.07.09 | nash
Змій інколи (при поривах вітру) падає на землю. Уявляю падіння
ротора з 14 кілометрової висоти:)2005.07.09 | Сергій Кабуд
може й так, але от літак чи деріжабль не падає
хоча принципово літак від цього проекту може й не дуже відміннийможна вішати це над морем
2005.07.09 | nash
ОК. Уявімо, що вони не падають (хоча це, зрозуміло, фантазія).
Літак відпадає, бо він не зможе літати без посадки. Крім того, спалить пального значно більше, ніж буде вироблено енергії.Єдиний ТЕХНІЧНО можливий варіант - це дирижабль. Але.
Який треба розміром дирижабль, щоб він підтримував конструкцію вагою 100 тон, не враховуючи вагу трансмісії й закріплюючого канату? Автор не приводить розрахунку, але при використанні гелію "навскидку" й по пам'яті цей об'єм має бути близько 200 тис.куб.м - шар діаметром 60м.
А це - мішень чудова. Пара пострілів зі снайперської гвинтівки - і канєц лєпєстрічєству...
2005.07.10 | Сергій Кабуд
Пара пострілів зі снайперської гвинтівки - і канєц чому завгодно
>Пара пострілів зі снайперської гвинтівки - і канєц лєпєстрічєствуяк я розумію автора, він сподівається що композитна ця конструкція буде важити разом з ротором не багато і буде триматися в повітрі завдяки своєму крилу і швидкості повітря.
А в розрахунки я не дивився.
Цілком можливо що там фантазії більш ніж ми думаємо
2005.07.11 | Рюген
Re: ОК. Уявімо, що вони не падають (хоча це, зрозуміло, фантазія).
nash пише:> А це - мішень чудова. Пара пострілів зі снайперської гвинтівки - і канєц лєпєстрічєству...
Хотел бы я посмотреть на снайперскую винтовку, стреляющую на 14 км вверх. Просто для интереса. Если Вы такую же партию строите, как винтовки выбираете, мой совет: идите пить лимонад. Это самое умное, что Ваша партия может предпринять.
А вот 200 кг/мм2 как предел прочности на растяжение - хотя реальны, но волокнистый композит, напичканный такими волокнами, будет очень хрупким и малейшая трещинка... Поэтому надо иметь 4-6 кратный запас прочности (продублированные тросы). Соответственно, все параметры ухудшаются. Но все равно есть смысл. Насколько я знаю, именно в Австралии собираются соорудить нечто подобное, но там башня (правда, тоже монструозная). На Украине в любом случае никто такую фигню строить и запускать не будет, бо тут даже стрельнуть негде: обязательно в самолет попадешь, а вы хотите ловушки для еропланов понавешивать.
Так шо перспективи в Украіни одні: вирощування соняшників, кукурудзи та повій на експорт.
2005.07.09 | So_matika
клас!! і мабуть виглядати буде красіво (-)
2005.07.09 | ak1001
Re: Альтернативне джерело енергії: вітер на висоті- наукова стаття
на сегодня ветер в несколько раз дороже тепловой и атомнойпример и цены надо брать в Америке, где практически реализуются адьтернативные программы и достигнут большой прогрессс в снижении себистоимости
по моей плохой памяти за последние ~десять лет себестоимость ветровой єнергетики снизиласть с 40 центов до 8-10
это реальные промышленные цены. прожектеров с себестоимостью ниже цента никто всеръез принимать не будет
или вот например - себестоимость производимой на ветровой лектростанции "Львовоблэнерго" составляет 0,92 гривны/кВт-час при оптовой рыночной цене в июле 2004 года-марте 2005 года 0,14 гривны/кВт-час.
плюс все таки надо помнить что ветровые станции везде не поставишь, ветер - тоже ресурс которые не везде есть
2005.07.09 | nash
Re: Альтернативне джерело енергії: вітер на висоті- наукова стаття
У Болонкіна - не вітрова електростанція. У нього немає підтримуючих конструкцій - читайте уважно.2005.07.10 | ak1001
Re: Альтернативне джерело енергії: вітер на висоті- наукова стаття
да, сорри, я бегло прокрутил и задержался на цифре себестоимостину что сказать - научный фантаст Болонкин
2005.07.09 | ak1001
А ваш Болонкин в Австралии не был?
Вообще новость старая, но вот почитав вспомнил---
В Австралии построят самую высокую башню в мире
Самую высокую в мире конструкцию - часть уникальной солнечной электростанции, построят в Австралии, сообщает Reuters.
Ключевым элементом станции, которую собирается создать австралийская энергетическая компания EnviroMission Limited, станет башня высотой около километра. Основание ее по размерам приблизится к площади футбольного поля. Вокруг башни на высоте около 25 метров возведут стеклянный купол диаметром около семи километров.
Принцип работы солнечной станции основан на изобретении немецкого инженера Йорга Шлайха (Jorg Schlaich), известного под названием "Солнечная труба". Воздух, нагреваясь под стеклянной крышей, поднимается вверх и поступает в центральную трубу, где раскручивает турбины, вырабатывающие электроэнергию. Впервые подобная конструкция была создана Шлайхом в 1982 году в Испании. Тогда двухсотметровая демонстрационная модель проработала семь лет, доказав жизнеспособность технологии. Сам Шлайх активно сотрудничает с EnviroMission Limited.
Окончание строительства новой станции намечено на 2006 год. Ожидается, что конструкция будет вырабатывать около 650 гигаватт-часов в год. В планах правительства Австралии - обязать поставщиков энергии к 2010 году добывать 9500 гигаватт-часов энергии из возобновляемых источников.
Солнечная электростанция строится в отдаленном районе страны - на границе двух штатов - Нового Южного Уэльса и Виктории, в 25 километрах от города Милдура.
2005.07.09 | ГРАД
Альтернативні джерела - пріорітет держави
яка має обмежений ресурс нафти. Всі ці розробки,повинні фінансуватись із держбюджету, а якщо комерційні структури приймають участь у фінасуванні - вони повинні звільнятись від податків.Повернення буде у тисячократному розмірі!
2005.07.09 | nash
Re: Альтернативні джерела - пріорітет держави
ГРАД пише:> яка має обмежений ресурс нафти.
100% згоден
> Всі ці розробки,повинні фінансуватись із держбюджету
Не всі, а ті, що пройшли експертизу на патентну чистоту, на практичність та ефективність.
> а якщо комерційні структури приймають участь у фінасуванні - вони повинні звільнятись від податків.
100% згоден
> Повернення буде у тисячократному розмірі!
або розворовування у тому ж розмірі - якщо просто захопитися гаслами, а не контролем:).
2005.07.10 | Сергій Кабуд
існує безліч шарлатанський проектів, під які дають багатоміліонн
гранти НАСА тощо2005.07.10 | Skapirus
Суттєве але...
Десь колись я зустрічав критичне повідомлення щодо вітрової енергетики, з яким я принципово згоден та хочу звернути на нього увагу. Суть його зводилася до наступного. Переважаючий напрямок вітрів на в кожній точці планети пов"язаний з обертанням земної кулі. Тож при використанні вітрової енергетики ми фактично будемо використовувати кінетичну енергію обертання Землі, чим подовжуватимемо тривалість доби. Зрозуміло, що мова йтиме про масштаб секунд протягом тисяч років, але невідомо, чи не будуть ці секунди критичними для зміни клімату.Як вихід варто було б використовувати ті напрямки вітру, які не уповільнюють обертання планети. Зрозуміло, що це знизить віддачу від вітрової енергетики, але заради майбутнього наших дітей про це треба думати.