Текст статьи
Какую энергию можно преобразовать при разных сочетаниях диаметра ротора, количества, формы и размера лопастей? Каким должен быть алгоритм поворота лопастей? Материалы? Какова устойчивость к неблагоприятным факторам? Каковы могут быть применения установки помимо преобразования энергии? ...
Сначала были наброски, которые увязывали новые свойства объекта с потребностями общества; постепенно картина обрастает подробностями. Сейчас уже можно разделить ВЭМУ на несколько специализаций:
- энергетические (электричество, тепло, топливо, механическая энергия);
- технологические (опреснительные, химические, марикультура);
- экологические (очистные, стабилизаторы экологической обстановки);
- туристическо-развлекательные (фонтанные комплексы, развлекательные центры, архитектурно-ландшафтные комплексы);
- комбинированные.
Энергетическое применение ВЭМУ
Раздел достиг полноты, достаточной для аргументированной постановки задачи проектно-конструкторских работ. Численные и несколько полунатурных экспериментов подтверждают работоспособность турбины (причем не только в воздушной среде, но и в потоке воды).
Расчет мощности турбины с той или иной конструкцией лопастей/парусов, разным их количеством, требует моделирования процесса обтекания конструкции потоком воздуха. При этом анализируются силы возникающие как в отдельных парусах, так и момент вращения, который получает от этого турбина.
(Также существует гидродинамическое сопротивление понтона и расход энергии на его преодоление, но подробно на нём мы останавливаться не будем, лишь отметим, что по результатам моделирования потери не превышают 5% от преобразованной мощности)
На первом рисунке ВЭМУ изображена в реалистичном ключе: волны, ветер, словом, романтика. Однако же, в свете метода конечных элементов всё как в кинофильме "Матрица"! Сетка с переменным шагом, разреженная в "пустых" областях конструкции и окружающего пространства, "измельчается", там где расчеты более подробные.
Целиком картина обтекания ротора потоком выглядит так (цветом стрелок закодирована скорость ветра, градиентом - поля скорости):
Замечание 1
По распределению скорости в потоке можно заметить "подсасывание" энергии из вышележащих слоёв воздуха. Вообще же ротор ВЭМУ приближается к теоретическому пределу способности вовлекать поток во взаимодействие.
Замечание 2
Из графика также видно, что почти все лопасти одновременно участвуют в работе и дают ненулевой момент вращения ротору даже на противоходе!
Замечание 3
Неожиданностью явилось то, что масштаб турбины вовсе не обязательно должен быть очень большой. Согласно расчетам, положительный эффект в сравнении с существующими турбинами с горизонтальной осью может быть получен уже на небольших мощностях порядка 50..100 кВт. Эта граница, очень возможно, станет в будущем базой для оценки применимости того или иного решения по ветроэнергетике в каждом конкретном случае.
Замечание 4
Кроме преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, цикл может продолжаться дальше, например:
- момент/частота вращения - электрический ток;
- момент/частота вращения - электрический ток - нагрев(теплоносителя);
- момент/частота вращения - электрический ток - электролиз воды;
- момент/частота вращения - электрический ток - электролиз воды - синтез метанола(с поглощением СО2);
Что ещё жизненно важно для успешного применения концепции ВЭМУ, так это устойчивость конструкции к неблагоприятным факторам, ведь их в море предостаточно! А раз так, то одним из первоочередных проводится расчет конструкции на структурную прочность, устойчивость к воздействию волновой нагрузки, моделирование взаимодействия ВЭМУ с ледовыми полями и шквалами. Часть факторов уже учтены в самом первом приближении - подъём палубы над поверхностью воды, погружной корпус, наклонная(коническая, работает как антикрыло) палуба, сбрасываемые в ураган лопасти и т.п. Здесь ещё многое предстоит сделать.
Технологическое применение ВЭМУ
Технологическое применение ВЭМУ уже частично затрагивалось в списке преобразований, можно отметить только, что в свете намечающихся проблем человечества с водоснабжением, опреснительный уклон установки может оказаться супервостребованным. То же относится и к очистительным вариантам конструкции. В больших городах очистка питьевой и технической воды всё больше начинает производиться электролизом вместо добавления химических реагентов, но для этого необходимо всё больше и больше энергии. Симметричная ситуация при очистке стоков: механическая очистка должна интенсивно сопровождаться электромагнитными методами с большим расходом энергии.
Вызывает споры идея использовать ВЭМУ как базу для марикультуры, но совершенно очевидно, что если это окажется возможным, то интенсивность процесса роста биомассы должна увеличиваться хотя бы в силу на порядок более интенсивного перемешивания и аэрации среды, если сравнивать, например, с неподвижными садками для выращивания мидий. (Однако некоторые эксперты утверждают, что у мидий от вращения будет кружиться голова.)
Можно констатировать, что здесь исследования только затронули самый очевидный слой предполагаемых решений.
Экологическое применение ВЭМУ
Существует несколько направлений экологического применения ВЭМУ. В каком-то смысле положительный эффект можно получить просто от размещения ВЭМУ в акватории, где наличествует недостаток аэрации и водообмена. В этом случае раскрученный водяной объём является положительным фактором расхода энергии ветра. ВЭМУ работает как огромный насос. При желании можно усилить этот эффект: пустить большую часть энергии на перекачивание воды. Для этого к водоизмещающему понтону добавляются водяные лопатки.
Для примера приведём северо-восточную часть Амурского залива Японского моря (г.Владивосток, курортная зона), отгороженную низководным мостовым переходом, спровоцировавшем деградацию экологического комплекса.
Очистные сооружения могут как снабжаться энергией, выработанной ВЭМУ, так и полностью располагаться на нём. В случае мобильной установки (без донного основания) получается оригинальный комплекс по стабилизации экологической обстановки, который может быть доставлен в любую точку мирового океана.
По причине большой мощности, ВЭМУ могут использоваться, опять-таки в виде насоса, для предотвращения наводнений. Логичное место такого применения - устье р.Нева (г.Санкт-Петербург) и отгороженная дамбой часть Финского залива.
Их мировых проблем можно выделить перспективу переработка т.н. Большого мусорного пятна. С одной стороны, много исходного сырья, с другой стороны - много энергии и много места на установке.
При некоторой буйности фантазии можно также использовать ВЭМУ для связывания углекислоты атмосферы планеты. Ту задачу, которую десятками тысяч лет выполняли кораллы и с их фактическим исчезновением не выполняет никто.
Туристическо-развлекательные применения ВЭМУ
Может показаться парадоксальным, этот сектор исследований ВЭМУ разработан очень хорошо. В силу того, что объект представляет собой новое явление в технике, он масштабный, привлекает художников, дизайнеров, архитекторов. Богатый метафорами вращения, материал сподвигнул несколько творческих личностей на свершения.
Существуют расчеты и бизнес-планы именно для развлекательных комплексов, фонтанов на основе ВЭМУ, планы рекламного использования огромных площадей лопастей ВЭМУ.
На рис. - культурно-развлекательный ландшафтный комплекс.
Абрамович нервно курит.
Больше картинок в разделе ПРИЛОЖЕНИЯ Графические материалы по проекту ВЭМУ
Перечень исследованных вопросов по проекту ВЭМУ и список задач можно изучить в приложениях: