О конструкциях, использующих возобновляемые источники энергии

on 19 June 2008.

     Энергетический кризис подталкивает к решению проблем обеспечения энергией.
     Есть широко и повсеместно применяемые конструкции, работающие от возобновляемых источников. Но есть также и забытые или когда-то казавшиеся невыгодными способы получения энергии.
     Всегда, когда мы видим, находим разницу в уровнях некоторых параметров, есть возможность извлечь энергию. Будет ли это разница в температуре, давлении, высоте расположения, даже во времени проявления эффектов, то появляется эта возможность. Подобные отклонения от фона можно называть флуктуациями.

  

 

Самой глобальной флуктуацией можно считать явление приливов и отливов как под действием Луны, так и под действием Солнца. Современные приливные станции уже построены во многих странах, периодичность приливов и отливов, не позволяющая получать энергию постоянно, уже не кажется фактором запрета- найдены пути обхода пиков поступления и отсутствия энергии. Используют накопительные аккумуляторы, создают гидроаккумулирующие бассейны, совмещают станции с действующими энергосистемами и т.д.       Многие страны уже греются у этого костра.
     Использование энергии волн хотя и не нашло широкого применения, но активно изучается, создаются новые конструкции. Волна - малая, по сравнению с приливами, флуктуация. Но зато волн очень много. И буйковые системы, и плоты Коккереля, и пьезосистемы, преобразующие энергию волн в электричество, уже сейчас построены во многих странах, накапливается опыт, отрабатываются элементы конструкций.
     Изменение атмосферного давления как-то обходилось стороной. Между тем это громадная, глобальная флуктуация может позволить уже сейчас создавать конструкции, позволяющие извлекать энергию в грандиозных масштабах.
     Если опрокинуть трубку с ртутью в сосуд, то, как известно, ртуть выльется не вся - останется 760 мм. Причем 760 мм - это приблизительно, уровень ртути то повышается, то понижается. Изменение погоды всегда сопровождается изменением давления. Колебания уровня ртути изменяет вес ртутного столба, а это позволяет с помощью самых простых приспособлений (например, весов) переводить эти колебания в механическую энергию. Конечно же, это касается использования всех жидкостей. (Двигатели Дреббеля и Кокса, основанные на этом, были построены в 16-17 веках!).
     Представим себе вертикальный сосуд, верхняя стенка которого есть поршень. Сосуд герметичен и наполнен газом при каком-то давлении. Вес поршня уравновешен давлением газа. При увеличении атмосферного давления поршень сдвинется вниз и сожмет газ, при уменьшении атмосферного давления газ в сосуде расширится и поднимет поршень. Изменение давления на одну сотую атмосферы дает силу в 100 кг на один квадратный метр поршня. Хотя ход поршня будет и невелик, но он совершит работу, и только желание и возможности экспериментатора определят, какая будет величина этой работы при использовании множества установок (или одной, но большой). Требование герметичности такой системы несколько снижает оптимизм по использованию - прибор со столбом ртути и проще и надежней (вот только токсичность ртути делают его непривлекательным).

     Но кто мешает использовать другие жидкости? Во-первых у них больше ход, то есть при изменении давления на 1 мм рт. ст. в воде, например, подъем уровня будет 13 мм. Во-вторых, при огромном по площади сосуде (пусть, например, 1 гектар) десятки тонн воды будут подниматься и опускаться при изменении атмосферного давления и совершать работу в механизмах. В-третьих, за сутки атмосферное давление прыгает куда больше, чем на 1 мм рт.ст.

      Можно внести в подобную конструкцию некоторые изменения, позволяющие не ожидать погоды, точнее, изменения давления, а самим организовывать это изменение. В тех местах, где дуют ветры, организовать многократные ежеминутные изменения давления в некоторой области не представляет большой сложности, причем не придется тратить на это энергию - ветер сам создаст разряжение или подпор за счет применения аэродинамических поверхностей над объектом. Но это не ветроагрегат в его современном представлении!    Это бароагрегат, прибор, работающий за счет изменения атмосферного давления или давления в некоторой области вблизи прибора.

    Рабочий орган, приемник изменения давления, может выглядеть и как сильфон (барометр-анероид), и как опрокинутая труба с жидкостью, и как герметичная трубка Бурдона (применяется в манометрах): преобразование изменения атмосферного давления в работу - вот характерный признак таких приборов.
     Но ветров бывает мало в некоторых областях. А энергии солнечной так много, что просто некуда девать. И почему тогда не использовать эту энергию для расширения газа (нагрева сосуда с газом)?Нагрев газ солнечной энергией, мы заставим его расшириться в сосуде с поршнем, заставим совершить работу. Затем можно охладить газ, полив сосуд водой. Затем опять дать ему нагреться от солнца... Как смешно это выглядит, какая простота... Но именно так поступали на первых паровых машинах! А перегретые герметичные цистерны с топливом и сейчас взрываются то здесь, то там.
      Использование фазового перехода может многократно увеличить эффективность бароприборов. Автор имеет в виду следующее. Если температура кипения некоторого вещества при нагревании в замкнутом объеме будет превзойдена, то давление в сосуде резко возрастет. А это позволит извлечь энергию от солнечного тепла с большей эффективностью. Испарившийся газ совершит работу в турбине. Затем газ поступает в охладитель, производится цикл внешнего охлаждения, поливание водой, обдувание, что вызовет конденсацию наполнителя, падение давления. Хладагент перекачивается в испаритель. Цикл возвращается в исходную точку. И повтор.
      Контраст температур в 20 градусов даст максимальный (идеальный) кпд для нормальных условий (317- 297)/317=0,06 (Всего 6%!).

     Но ведь за солнечную энергию еще никто не догадался брать плату!
Процент мал? Это больше, чем у паровоза! А сама конструкция (типичный холодильник), разработана столь досконально, что улучшить ее практически невозможно. Остается лишь приспособить ее под конкретные условия.

    Если хладагент (например, фреон) испаряется в сосуде с зачерненными стенками, если площадь сосуда, освещенная Солнцем, достаточно велика, то можно получить и больший, чем 20 градусов, перегрев, ведь на один квадратный метр поверхности приходится 1,4 кВт солнечной энергии. Контраст между нагретой солнцем черной поверхностью испарителя, спрятанного в прозрачный для лучей кожух, чтобы избежать потерь тепла на нагрев воздуха, и находящимся в тени, обдуваемым и орошаемым конденсатором может достигать и 60 градусов. А это уже 20% к.п.д.

    Сейчас пустыни представляют интерес только как возможные хранилища газа или нефти. Между тем ежедневно падающая на них солнечная энергия может значительно превосходить ту, которую можно получить из их недр.
   В океанских течениях есть слои с контрастом температур в 10 градусов. Разработаны устройства, позволяющие использовать энергию вод с большой эффективностью (например, системы ОТЕС). Но запасы энергии в атмосфере значительно проще и дешевле брать на суше, привязываясь к воде лишь как к охладителю.
    К интересным приборам, преобразующим тепловые флуктуации, относится биметаллическая пластина. Швейцарский часовщик П. Дроз (1750 г.!) создал двигатель для часов из пружины, внешняя часть которой была сделана из латуни, а внутренняя из стали. При повышении температуры такая пружина сгибается, а при понижении - разгибается. С помощью механических передач эти разнонаправленные движение преобразовывались в однонаправленное вращение зубчатого колеса. За день температура может измениться на 5-10 градусов (а в течение суток - и более), и соответствующие движения биметаллической пластины с лихвой обеспечивали ход больших часов.

      Если магнит поместить на маленький кораблик, то он начнет двигаться к  ближайшему полюсу. Очень медленно, но очень упрямо. Есть не только ориентационный момент магнита в магнитном поле Земли, но и силовое притяжение магнитов.

Кораблик, имеющий обтекаемую форму, будет всегда двигаться быстрее течения! Таковы жестокие правила жизни, прошу прощения, таковы законы гидродинамики: объем воды, равный объему кораблика, имеет большее сопротивление движению - форма у него расплывающаяся. Какую работу совершит этот путешественник- трудно сказать. Но и в пруду, и в луже, и на озере, и на реке без всяких движителей кораблик с магнитом поплывет на Север в нашем полушарии. (Кстати, великолепный и дешевый способ изучения влияния формы на сопротивление! Если один и тот же магнит помещать на кораблики разных форм, то быстрее дойдет до цели тот, форма у которого лучше. Кстати, и великолепный способ изучения влияния покрытий на сопротивление. Смазки, гели, поверхности из разных материалов...Одна и та же сила, один и тот же характерный размер, формы и смазки разные, но лужа-то одна... Испытательные бассейны, источник тяги, измерительные приборы, персонал,  секретарша, визажист... Дайте бездарю миллион, и он перевернет Землю!). Кораблик будут сносить течения и ветра, ему будут мешать магнитные аномалии, но  - на Север!

      Известно, что движущаяся заряженная частица в магнитном поле начинает двигаться по окружности и излучать. Сейчас с помощью постоянных магнитов создают такие мощные поля, что даже и тепловое движение зарядов в некоторой среде будет заставлять их излучать. А если еще использовать и сверхпроводники...

   Если наложить мощное магнитное поле на некоторый малый объем морской воды, то ионы будут вынуждены двигаться по окружностям и излучать. Простая вода будет излучать, отдавать энергию! И охлаждаться, естественно. Если течение или морское волнение будут постоянно замещать охлажденную воду, то источник энергии будет практически неиссякаем (кстати, и энергия течения будет переходить в тепло - из теории МГД генераторов известно, что достаточно 1-2 процентов ионов, чтобы эффективно управлять потоком среды). Магнитное поле постоянных магнитов со временем слабеет, но ведь можно тратить часть энергии на поддержание магнитного поля и использовать тогда сверхпроводники, и захватывать тогда еще больший объем воды, и еще большую энергию извлекать...  Запасы тепла в Мировом океане так велики, что отщипнуть от них минимум не представляется вредоносным. Вся энергия наша!

    А есть еще реки, ручьи... Текут бестолково с высот, и энергию у них не отберешь другими путями.


     Итак, наименее используемые сейчас флуктуации- это изменение давления и температуры. Они же являются и наиболее масштабными, планетарными. Они охватывают огромные объемы пространства, позволяют бесконечно (практически) наращивать мощность установок. Но они же дают и наиболее рассеянную энергию, поэтому устройства- преобразователи должны иметь значительные размеры.