16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/144/11068.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 04 (144) февраль 2010 года

Энергия облаков

Наука и новые технологии Александр БАЙБИКОВ

Воистину, нет предела творческой фантазии отечественных изобретателей. Подобно доктору Гаспару Арнери из знаменитой сказки Ю. Олеши, они знают, как «из камня сделать пар».

Далеко не все знают, что около четверти энергии Солнца, воспринимаемой поверхностью Земли, используется на круговорот воды. Потенциал последнего, с точки зрения получения полезной энергии, намного превышает возможности гидро- и ветроресурсов.

Если предположить, что средняя высота облаков равна трем километрам, то нетрудно подсчитать, что столб воды (из которой они, собственно, состоят) высотой 3000 метров создаст на земле давление в 300 атмосфер! Такая концентрация гидравлической энергии на несколько порядков превышает концентрацию в гелио-, ветро-, гидро- и приливных источниках и приближается к показателям дизелей и паротурбинных агрегатов. Соответственно, снижаются габариты и стоимость установок, использующих сконцентрированную энергию.



Вода на аэроткани

В начале XX века на это обратил внимание гениальный изобретатель Никола Тесла. Однако технических средств для реализации своей идеи он не предложил. Только современные технологии позволяют осуществить его предложение.

Основная проблема – сбор воды на уровне облаков и доставка ее без существенных энергетических потерь на землю. Один квадратный метр современной аэроткани весит около 30 граммов. Поэтому круговой матерчатый сборник с максимальным радиусом 100 метров (примерно четыре футбольных поля) имеет вес около одной тонны, что меньше грузоподъемности доступных коммерческих гелиевых аэростатов. Потенциальная энергия воды, выпадающей на эту площадь во время ливня (около 25 миллиметров), равна примерно 6400 кВт-ч.

Надо отметить, что вес сборника можно существенно снизить за счет уменьшения толщины ткани, к которой не предъявляются требования по удержанию гелия. Еще более уменьшится вес, если будут использованы разрабатываемые с помощью нанотехнологий высокопрочные арамидные или углеродные нити. Водосборная труба из аэроткани, подсоединенная к центру сборника, диаметром 400 миллиметров и длиной 3 километра весит около 115 килограммов.

Следует заметить, что свободно падающая вода вообще ничего не весит и поэтому почти не воздействует на вертикальные стенки, а по ткани сборника во время ливня при соответствующем наклоне стенок вода стекает слоем в доли миллиметра. Даже у земли стенки трубы не подвержены высокому давлению, так как вся энергия воды непрерывно преобразуется в скоростную динамическую форму.

Потери энергии на трение при свободном падении компактно собранной воды в трубе пренебрежимо малы по сравнению с потерями при падении распыленного на капли такого же количества воды. Безусловно, для увеличения энергии таких сборников под одним облаком может быть много.

Практическое опробование предложения, разработанного с учетом последних достижений техники, возможно с использованием фактически выпускаемого сейчас оборудования и материалов на ниже рассмотренной небольшой недорогой пилотной установке небольшой мощности.



Пилотная установка

По замыслу автора, установка мощностью 2800 кВт располагается на корабле-танкере водоизмещением около тысячи тонн (возможно с электроприводом винта), который может быть направлен в любое место в море, над которым есть облака, и дрейфует со скоростью их перемещения.

С этого судна к облаку поднимается с помощью трех или более гелиевых привязных аэростатов (типа «Ягуар» или «Пума» российской фирмы «РосАэроСистемы»), с полезной нагрузкой 1200‑1700 килограммов, конусообразный сборник из промышленной аэроткани c радиусом основания около 50 метров (это примерно площадь футбольного поля) – несколько ниже уровня облака.

Круговая форма наружного края сборника обеспечивается прикрепленным кольцевым баллоном, наполненным, например, гелием под небольшим давлением. Четвертый аэростат с экологически чистыми мелкодисперсными реагентами (например, сухим льдом) поднимается выше облака.

С него, по команде с земли, эти вещества разбрасываются в облако, вызывая искусственный ливень.

Для пополнения запаса расходуемых реагентов необязательно спускать этот аэростат: можно использовать саморазгружающееся подъемное устройство, поднимающееся по специальному тросу, соединяющее этот аэростат с кораблем (аналогичному проектируемому для космического лифта).

В течение получаса в обычном ливне выпадает до 25 миллиметров осадков. Поэтому объем воды, попадающей в сборник за это время, равен 175 кубометрам. Потенциальная энергия этой воды при высоте расположения облака на уровне трех километров равна 1430 кВт-ч.

Вода стекает по поверхности сборника и собирается в трубе из аэроткани у вершины конуса. При угле конуса около 60 градусов такой сборник и прикрепленная трехкилометровая труба, выполненные из современной аэростатной оболочечной ткани, будут весить около 700 килограммов.

Сила, составляющая некоторую часть от веса воды, действующая на стенки трубы и сборника, в основном возникает от сил трения между тканью и водяным потоком. Для уменьшения трения воды о стенки трубы целесообразно водоотталкивающее их покрытие (например, фторопластом).

Для восприятия тяжести оболочки сборника и других нагрузок можно использовать систему канатов, соединяющих кольцевой баллон, сборник и область около вершины конуса, аналогичную обычной обвязке аэростатов.

Центральную трубу сборника можно также гибко прикрепить к тросу аналогичного четвертого аэростата. Нижний конец ее крепится к кораблю. Небольшие перемещения корабля относительно сборника тянут за собой трос, но возникающие усилия не передаются на гибкую трубу.

Помимо этого, центральный трос, к которому прикреплена труба, воспринимает боковые ветровые нагрузки. Под действием силы тяжести жидкость в трубе по мере приближения к поверхности Земли разгоняется до высоких скоростей (до 200 м/с), и поэтому проходной диаметр трубы должен уменьшаться (примерно от 200 до 25 миллиметров, в соответствии с расходом 350 кубометров в час).

Из центральной трубы вода направляется в сопло и затем на рабочие лопатки ковшовой гидротурбины на корабле.

При такой концентрации гидравлической энергии потока у нижнего конца трубы целесообразно использовать российский опыт создания высоконапорных высокооборотных гидромашин и высокоэкономичных бесконтактных вентильных генераторов, генерирующих постоянный ток. Поэтому диаметр этих машин не превысит 0,5 метра.

Давно эксплуатирующиеся иностранные промышленные низкооборотные гидротурбины, с максимальным используемым напором до 1800 метров, имеют существенно большие габариты и стоимость. Современные статические преобразователи могут преобразовать постоянный ток в переменный ток промышленной частоты, который передается по разматывающемуся кабелю на сушу.

Безусловно, кабель привязывает энергокорабль к определенному району.

Сейчас реально аккумулировать энергию в виде водорода (экологичного топлива с высокой теплотворной способностью), который получается в результате электролиза дистиллированной воды. Водород можно хранить в сжатом виде и в современных металлогидритных или углеродных (из нанотрубок) аккумуляторах.

В этом случае энергокорабль с топливными водородными элементами и электроприводом винтов, подобно парусным судам, без добавочного топлива может двигаться – только отслеживая, чтобы периодически над ним было облако. К тому же на нем всегда будет запас пресной воды.



Энергокорабль

После выработки потенциальных осадков на данном участке облака для продолжения генерирования энергии корабль, не опуская привязных аэростатов и сборника, может передвигаться вдоль большого облака или направляться к другому облаку.

В экстренных случаях аэростаты со сборником могут быть быстро спущены с помощью лебедок и сбросных клапанов. Помимо электроэнергии, такой энергокорабль получает в трюм за полчаса еще 175 тонн чистейшей, не загрязненной пылью низких слоев атмосферы пресной воды.

Эта вода сама по себе является ценнейшим ресурсом. Известно, что от недостатка качественной пресной воды уже сейчас страдают около одного миллиарда людей.

Накопленная энергокораблем пресная вода может перекачиваться в специальные танкеры, транспортирующие ее потребителям.

В отличие от нефтепродуктов, для этого могут использоваться даже запрещенные сейчас однокорпусные экономичные супертанкеры, так как в случае пробоин в борту экологический вред от этого будет такой же, как от ливня.

Для защиты энергокорабля от атмосферного электричества тросы современных аэростатов содержат токопроводящую часть. Отводимую электрическую энергию также можно полезно использовать.

Преимуществом таких установок является то, что для сбора воды и энергии может использоваться не только суша, но и гораздо более обширные акватории Мирового океана.

Надо отметить, что водный транспорт является одним из самых экономичных средств доставки, а зоны дождей в океане и прибрежные засушливые зоны, где человечество страдает от недостатка пресной воды, располагаются относительно недалеко.

Безусловно, в дождливых местах могут использоваться существенно более простые и дешевые аналогичные стационарные установки без устройств для вызова дождя и с непосредственным отводом электричества и воды в сеть и коммунальный водопровод.

Для практической реализации автор готов выполнить энергетические и гидродинамические расчеты энергетической установки, спрофилировать проточную часть высоконапорной малогабаритной высокооборотной гидротурбины, а также использовать свой опыт по проектированию высокооборотных турбин и экспериментальной доводки турбомашин, в области которых он обладает большим практическим опытом.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 04 (144) февраль 2010 года:

  • Волжской ГЭС добавят мощности
    Волжской ГЭС добавят мощности

    Реконструкцию «под ключ» выполнит ОАО «Силовые машины» на Волжской ГЭС – филиале ОАО «РусГидро». ...

  • Блиц

    В ОАО «ТГК-14» на Первомайской ТЭЦ, которая летом 2009 года была взята ТГК-14 в аренду у бывшего владельца, инвестиционной финансовой компании «Метрополь», директором назначен Юрий Кутузов. Ранее он работал старшим начальником смены Читинской ТЭЦ-1 филиала ТГК-14 «Читинская генерация». По словам господина Кутузова, «большая часть генерирующего и вспомогательного оборудования Первомайской ТЭЦ эксплуатируется с момента ее основания – 1...

  • Экологии нужно учиться
    Экологии нужно учиться

    В «Карелэнерго» 27 сотрудников участвуют в семинаре «Охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности». ...

  • Неожиданный рост ветроэнергетики
    Неожиданный рост ветроэнергетики

    В прошлом году мировая ветроэнергетика снова продемонстрировала колоссальный рост – новых ветроустановок (ВЭУ) в мире было установлено на 38,5 процента больше, чем годом ранее. ...

  • Экспертиза одобрила новые реакторы
    Экспертиза одобрила новые реакторы

    «Росэнергоатом» получил положительное заключение Государственной экологической экспертизы на размещение первого энергоблока Нижегородской АЭС. ...