1.2 Исследования ВЭМУ



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):
 
 

Более подробно обтекание группы парусов и возникающие при этом поля давления:
  

Результаты моделирования

Скорость ветра -    25 м/с 
Диаметр ротора -  200 м
Высота палубы -   10м
Количество лопастей - 30..60
Лопасти -           8 х 40 м
Преобразованная в механическую мощность турбины -  50..100 МВт

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);
и так далее.  

    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: