Новые даровые источники энергии: сверх и дозвуковые атмосферные установки, “землероечный” и “бризовый” двигатели.
Автор проекта:
ФМЛ №31 ученик 9б класса
Научный руководитель:
Старший преподаватель ЮУрГУ
г. Челябинск 2003г.
ВВЕДЕНИЕ
Данный проект относится к сфере экологически чистых способов выработки электроэнергии. Он предназначен для использования в различных областях жизнедеятельности человека, в промышленных или бытовых целях. Основой выработки электроэнергии является преобразование энергии природных явлений. Такие разработки уже существуют и применяются на практике : солнечные батареи, ветряные и гидроэлектростанции. Нижеприведенные разработки преследуют цель более эффективного использования энергии солнца и ветра.
Научным руководителем были мне поставлены задачи: 1) придумать и рассчитать устройство, использующее энергию ветра, которое при той же мощности, что и ветряки, не требовало бы создания больших вращающихся лопастей и потому было бы дешевле, надёжнее и безопаснее; 2) придумать и рассчитать устройство, использующее энергию суточных перепадов температуры, но существенно отличающееся от известного «уральского кубика».
1-й проект – сверхзвуковая и дозвуковая ветровые ловушки
Эта разработка основана на использовании атмосферных явлений. Пойманный ловушкой ветер будет обрабатываться и вращать турбину генератора электрического тока. Рассмотрим схему ловушки.
В сужающуюся часть "А"(сопло Прандтля) сильным ветром нагнетается атмосферный ( Земля – N2+О2 +примеси, Юпитер – Н2 , Венера – СО2 ,Титан – СН4 )газ, далее он поступает в часть "В" (критическое сечение). На больших планетах, где очень большие давление и плотность газа, скорость ветра [1], в критическом сечении может достигать скорость звука (теоретически на земле требуемым условиям отвечает Антарктида, а именно, «полюс ветров» (Земля Адели), почти ежедневно ветра 60–90 м/с и часто более 100 м/с) на высокой скорости газ поступает в расширяющуюся часть "С" (сопло Лаваля). Так как газ движется с высокой скоростью, то перераспределение давления из части "В" в часть "А" невозможно, скорость движения газа может только увеличиваться за счет энергии теплового движения молекул. В части "А" движение молекул было хаотичным, а в части "B" движение в поперечные стороны уменьшается, зато продольная скорость возрастает (см. рис.1).
 |
 |
Итак, по закону сохранения энергии, скорость воздуха в сечении части "C" резко возрастает. Далее в части "C" располагается турбинный генератор, вырабатывающий электроэнергию. Если пренебречь потерями энергии и предположить, что К. П.Д. установки равен h, то в установке мы получим удельную мощность для двухатомного газа, равную (вывод формулы см. в приложении):
(1)
где: R – газовая постоянная; TA – температура на участке A; m – молярная масса газа; r – плотность газа; v – скорость газа на выходе из критического сечения. Но так как сопло Лаваля требует очень мощного нагнетания воздуха, то в обычных условиях Земли сопло Лаваля придется заменить обычным дозвуковым соплом имени Прандтля. То есть наша установка будет выглядеть так:
 |
Получим удельную мощность (вывод формулы см. в приложении):
(2)
Эта замена не принесет нам особого ущерба. Из формулы видно, что при увеличении скорости ветра в 2 раза мощность вырастет в 8 раз! Но эта формула верна только для дозвуковых скоростей газа.
Мой коллега предложил усовершенствовать установку для увеличения потока воздуха:
К части "C" он присоединяет часть "D". По закону Бернулли из-за того, что p2 > p1 и p3 > p1, воздух устремится из части "D" в часть "C". Следовательно, в части "D" можно поставить дополнительный генератор. Я же предлагаю усовершенствовать идею . Я добавляю часть "E":
Часть "E" находится в точке части "C", где струя воздуха уже замедляется после отдачи своей энергии турбине. По закону сохранения энергии он должен сильно остыть так, что T2 < T1, и, следовательно, он будет опускаться по части "E" вниз по закону Архимеда как более плотный и тяжелый:
2-й проект – Солнечная банка
Эта разработка в принципе является усложненной солнечной батареей, но вся суть в том, что банка вырабатывает энергию круглосуточно, а не только днём! Днём фотоэлементы вырабатывают электроэнергию от света, и часть ее отправляют в аккумулятор "A". В герметичной банке находится легкоиспаряющееся вещество (ртуть, спирт, бензин, вода), которое в жаркое время суток испаряется и охлаждает спаи полупроводниковых генераторов термоЭДС-1. Ночью же и рано утром пары этой жидкости конденсируется и нагревают термоЭДС-2, которая питает аккумулятор "B".
 |
3-й проект – землероечный двигатель
Эта идея принадлежит животным землеройкам[2]. Принцип действия основан на законе Архимеда. Землеройки роют U образные норки с двумя выходами разной высоты. Вечером в норке жарче, чем снаружи, и потенциальная энергия воздуха (всасывающего вверх) больше, чем в норке:
Эта разность давит на выход в нору и движет столб воздуха от короткого выхода к длинному. А днем, когда в норке воздух холоднее, все наоборот воздух движется от длинного выхода к короткому.
Мы можем взять две трубы разной высоты, соединенные между собой. Внутри трубы (см. рис.) размещается генератор, мощность которого рассчитывается по формуле из [1] : 
,
где S – площадь боковой поверхности, а Y - коэффициент теплоотдачи, примерно равный при низких скоростях воздуха 5–10 Вт/(м2×К) [1]; КПД мы рассчитаем по формуле Карно и распишем площадь боковой поверхности, зная расстояние между большей и меньшей шахтой - L, высоту большей шахты – H, высоту меньшей шахты – h, при условии, что они имеют цилиндрическую форму:
Тогда конечная формула для удельной (т. е. на единицу площади поперечного сечения)мощности: 
(3) . Такой двигатель можно установить не только «в земле», но и на склонах гор, особенно обращённых к Солнцу, на крыше здания в солнечной местности или в высокогорье, то он может снабжать электроэнергией аккумуляторы для использования выработанной энергии в этом здании. Двигатель можно выполнить с «замкнутым циклом», герметичным:
Верхний контур (трубы теплообменника) можно уложить на поверхности, а нижний – в глубине почвы, и заполнить его газом (например, воздухом, азотом) или жидкостью (например, водой), и тогда его можно использовать не только на Земле, но даже на Луне, Меркурии или других массивных небесных телах, периодически освещаемых Солнцем. Кстати сказать, на Луне, тем более на Меркурии, перепады температуры в десятки раз больше, чем на Земле.
Но такой «замкнутый землероечный» двигатель будет являться разновидностью «уральского кубика» (Устимчика и Горшкова) [3]. Моё оригинальное предложение (см. выше, ранее) всё-таки состоит в незамкнутости потока воздуха, он берётся и возвращается в атмосферу.
4-й проект – прибрежный («бризовый») двигатель
Примером явления естественной циркуляции воздуха является бриз. Разместим одну трубу на берегу, а другую в море:
В этом случае нет необходимости в трубах разной длины, так как бриз – явление, вызванное значительным колебанием суточных температур на берегу и на море. Утром воздух в трубе на море будет нагреваться медленнее, чем на берегу T1<Т2, следовательно, по закону Архимеда, воздух устремится по трубе к берегу. Ночью же берег остынет быстрее, и воздух устремится по трубам по направлению к морю.
Моё изобретение – «прибрежный двигатель» – отличается от известных способов использования явления «бриз» тем, что в состав устройства входят глубокие трубы для воздуха (теплообменники). Благодаря им в теплообмен с воздухом вовлекаются не только поверхностные, но и глубинные слои воды и почвы. Поэтому разность давлений и мощность можно сделать много больше, чем от обычного ветряка на берегу. Мощность вычисляется аналогично мощности землероечного двигателя, но в данном случае высоты шахт равны, и поэтому:
(4) АНАЛИЗ ФОРМУЛ 3 И 4:
Видно, что зависимость удельной мощности от длин воздушных каналов линейная. Для сравнения, в аэрогеотермальном двигателе Карипова и Горшкова зависимость этой величины от глубины шахты кубическая.
Это означает, что при малых глубинах мой двигатель гораздо выгоднее. Сравнение моих формул и формул Карипова показывает, что глубиной, до которой мой двигатель лучше, является
, (5)
где g=0,02 К/м - коэффициент возрастания температуры с глубиной Т=g×H.
Отсюда видно, что даже для L<<H , H*»1000 м., а для длинных L мой двигатель выгодно применять ещё глубже.
Оценим глубину, на которую прогревается вода и камень за полсуток. По [2], 
(6),
где s=
- “коэффициент температуропроводности” [2], равный для воды »10-5 м2/с. Получается, за полсуток вода прогреется на метр, а камень – примерно на 3 м. Следовательно, для бризового двигателя в условиях Земли можно обойтись глубинами порядка 10 м. На других планетах сутки другой длины, глубины тоже должны быть другими.
Из формул (3) и (4) видно, что чем меньше радиус канала, тем больше плотность потока энергии !!! Поэтому выгодно делать «пучок» параллельных тонких каналов (теплообменник текущего воздуха с окружающей средой). Например, для обычных суточных перепадов в 15 градусов и длины горизонтального туннеля всего лишь около 1 км и диаметре скважины около 0,1 м плотность потока энергии 130 кВт/м2 !!! Это в 1000 раз больше солнечной постоянной. Закон сохранения энергии не нарушается, потому что канал собирает теплоту с поверхности гораздо больше, чем площадь своего поперечного сечения. Можно сделать ещё больше!!! Этого количества энергии (всего лишь с 1 м2) хватит для нужд не только большой семьи, но даже многоквартирного дома!!! И для получения электроэнергии можно использовать не только специально проложенные, но и заброшенные шахты, тоннели, подвалы, метро, трубы.
Краткие Итоги Анализа: Достоинства:
§ Cверх - и дозвуковая ловушки имеют КПД в 42% и очень высокую мощность (см. приложение).
§ “Землероечный” и “бризовый” двигатели – высокие средние мощность, КПД, просты в устройстве.
§ Термоэлектрическая банка, «землероечный» и «бризовый» двигатели могут работать неограниченное время. Их надо построить только один раз, ломаться в них почти нечему.
§ Источник энергии – Солнце, практически вечный.
§ Очень высокая плотность потока энергии, больше только у АЭС!!!
Недостатки:
1) Сверхзвуковая ловушка в обычных условиях Земли не работает, но может работать при ураганном ветре, а также на Марсе, на Юпитере; 2) Дороговизна “землероечного” и “бризового” двигателей, если тоннели делать специально, из-за большого расстояния между столбами (трубами).
Формулы изобретения:
А)Ветровой двигатель и электрогенератор для планет с особыми погодными условиями, содержащий атмосферозаборник (воздухозаборник), сопло и турбину отбора мощности от потока газа, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что турбина установлена в расширяющейся (ниже по течению, после критического сечения) части сверхзвукового сопла Лаваля.
И его усовершенствования : отличающийся тем, что содержит канал, соединяющий камеру высокого давления и сопло, в котором установлена ещё одна турбина; и отличающийся тем, что содержит широкий канал, установленный после сопла Лаваля, направленный вниз, с ещё одной турбиной, которая работает оттого, что струя газа из сопла Лаваля, совершившая полезную работу, замедляется и охлаждается, поэтому её плотность больше, чем у окружающей среды, и этот поток будет опускаться вниз под действием равнодействующих силы тяжести и силы Архимеда.
Б) «Солнечная термоэлектрическая банка», представляющая собой закрытый (герметичный) испарительный двигатель, содержащий термоэлектрические генераторы (как в «испарялке» Кабанова, Долгих и Горшкова), ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что устройство содержит не только испаритель, но и конденсатор жидкости (например, воды), причём испаритель с конденсатором образуют единый герметичный (закрытый) объём, из которого жидкость не может испариться наружу, а термоэлектрические генераторы установлены не только в области испарения жидкости, но и в обл. конденсации жидкости.
В) «Землероечный» конвекционный двигатель и генератор электроэнергии, содержащий ветродвигатель (турбину), канал с теплоносителем (заодно и рабочим телом) – воздухом (или водой),– конвектирующим за счёт разности температур внутри канала и снаружи, в атмосфере (или в океане соответственно), ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что две вертикальные скважины (трубы) сделаны разной глубины, соединены между собой горизонтальной трубой (туннелем) и находятся внутри грунта, у которого теплоёмкость больше, чем у воздуха.
Г) Прибрежный «бризовый» конвекционный двигатель и генератор электроэнергии, содержащий ветродвигатель (турбину), канал с теплоносителем (заодно и рабочим телом) – воздухом – конвектирующим за счёт разности температур, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что две вертикальные скважины (трубы), соединённые между собой горизонтальной трубой (туннелем) сделаны одинаковой глубины, но в разных местах: одна в водоёме (море), а другая – на суше.
И усовершенствования: ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что воздушный канал представляет собой пучок тонких труб, находящихся в хорошем тепловом контакте с окружающей средой (теплообменник). Также ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что воздушный канал уложен под поверхностью «змейкой» (вдоль поверхности). ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что область, переходная между водой и сушей, теплоизолирована.
Выводы:
1- Предположительно изобретены сверхзвуковой ветродвигатель с соплом Лаваля; и модификация дозвукового ветродвигателя с соплом Прандтля. Грубо оценены их мощность и максимально возможный КПД (около 43%). У сверхзвукового можно получить 20 кВт/м2 воздухозаборника при скорости ветра 100 м/c (ураганище). Зависимость удельной мощности от скорости ветра приблизительно кубическая (у дозвукового) или линейная (у сверхзвукового).
2- Изобретены “Землероечный” и “прибрежный бризовый” двигатели с открытым циклом рабочего тела. Разность давлений и мощность можно сделать гораздо больше, чем от обычного ветряка на берегу. Также их модификации, в том числе геметичная с «замкнутым циклом» (разновидность известного «уральского кубика»), пригодная для использования на Луне, Марсе, Меркурии (где суточные перепады температуры в десятки раз больше). Также воздушный канал можно уложить «змейкой» в выкопанную канаву и сократить размеры занимаемой территории. Также можно область, переходную между водой и сушей, теплоизолировать от воздушного канала. Оказалось, что чем меньше радиус канала, тем больше плотность потока энергии, поэтому выгодно делать «пучок» параллельных тонких каналов (теплообменник текущего воздуха с окружающей средой).
3- Проанализирована зависимость удельной мощности от длин воздушных каналов, она оказалась линейная. Рассчитана глубина, до которой мой двигатель лучше, чем аэрогеотермальный двигатель Карипова.
4- Например, для обычных суточных перепадов в 15 градусов и длины горизонтального туннеля всего лишь около 1 км и диаметре скважины около 0,1 м плотность потока энергии 130 кВт/м2 !!! Это в 1000 раз больше солнечной постоянной.
5- Изобретена полезная модель – «солнечная банка» (комбинированный термоэлектрический генератор) – он, скорее всего, маломощен, но прост и дёшев в эксплуатации, но дорог в изготовлении;
6- Достоинства этих устройств очевидны: чистота, безопасность, надёжность, долгий срок службы. Особенно хороши они в тех местах, где есть большие суточные колебания солнечного сияния, доходящего на поверхность Земли, например, в сухих пустынях (Гоби, Каракумы, Сахара, Австралия) – «землероечный», – или на морских побережьях пустынь (Атакама, Сахара, Аравия, Австралия) – «бризовый».
Список литературы
1- Справочник по физике. М., «Мир».
2- Горшков по теме «теплопроводность».
3- «Уральский кубик». Тезисы докладов на конференциях НОУ и др., 2001–2003 гг.
