В этом выпуске мы расскажем о ветроагрегате Вячеслава Николаева и Сергея Поливанова со Станции юных техников г. Тулы и волновой электростанции Сергея Полозкова из Москвы.
АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО № 1096
ВЕТРОАГРЕГАТ ДЛЯ СРЕДНЕЙ ПОЛОСЫ РОССИИ
В начале прошлого века общая мощность ветряных мельниц России достигала огромной величины — 1,5 миллиона киловатт! После революции мельницы практически исчезли, а сегодня первенство по использованию ветра принадлежит Германии, где построено множество ветроэлектростанций суммарной мощностью около 6 миллионов киловатт.
В России ветры несут в тысячи раз больше энергии, но взять ее не просто. Среднегодовая скорость ветра, например, в районе Тулы составляет 3,4 м/с. А современные ветроустановки при скорости ветра менее 5 м/с выдают лишь 2 % своей мощности. Полноценно обычный ветряк может здесь работать лишь 36 дней в году. Эта ситуация характерна для всей средней полосы России.
Почему же ветряк не эффективен при малых скоростях ветра? Сила, действующая на лопасть винта ветродвигателя, по природе своей ничем не отличается от подъемной силы крыла самолета. В обоих случаях она пропорциональна квадрату скорости набегающего потока.
Уже отсюда видно, что при уменьшении скорости ветра, например вдвое, сила, действующая на лопасть, должна уменьшится в четыре раза. Мощность же ветродвигателя при этом снижается в восемь раз. Так и происходит у маленьких ветродвигателей мощностью до 1 киловатта, оснащенных жесткими винтами, не меняющими угол наклона лопастей.
Более мощные ветряки обычно оснащены винтами переменного шага. Они автоматически увеличивают «угол атаки» — наклон лопасти по отношению к ветру, и действующая на нее сила вновь возрастает. Но этот способ имеет предел.
Как только угол атаки станет чрезмерно велик, поток воздуха срывается с лопасти, распадается на множество вихрей и вообще перестает ее толкать. Если же этот предел каким-то образом отодвинуть, то ветродвигатели будут работать при самом малом ветерке.
Для этого Вячеслав Николаев, Сергей Поливанов, а также их руководитель Владислав Александрович Куловский предлагают использовать в ветродвигателях принципы, положенные в основу крыла одного очень любопытного самолета.
В 1935 г. владелец крупной немецкой авиафирмы Герхардт Физлер и авиаконструктор Рейнхольд Мевес создали самолет Физлер Fi-156 «Шторх» («Аист»). Это был самолет связи, спасения и разведки с размахом крыльев 14,5 м и весом 1325 кг. При скорости встречного ветра 3,6 м/с он садился на полосе длиною всего 15 м — меньше, чем две длины его фюзеляжа.
При большом увеличении угла атаки происходит отрыв потока на верхней поверхности крыла. Подъемная сила резко падает, но стоит открыть предкрылок, струя воздуха прижмет поток к крылу и подъемная сила возрастет.
Крыло с предкрылком и закрылком.
Конструкция крыла допускала значительное увеличение угла атаки. У Fi-156 «Шторх» по всей передней кромке крыла располагался предкрылок. Между ним и крылом всегда оставалась небольшая щель. При больших углах атаки из этой щели вырывалась струя воздуха, которая препятствовала отрыву потока от верхней поверхности крыла. Благодаря этому нормальное обтекание крыла сохранялось, а подъемная сила заметно возрастала даже при очень больших углах атаки.
На задней кромке крыла, примерно на половине его размаха, располагался поворотный закрылок, направлявший стекавший с крыла воздух вертикально вниз. Подъемная сила от этого возрастала еще больше.
Единственный сохранившийся « Шторх » и сегодня может летать.
По такой примерно схеме изобретатели предлагают делать лопасти ветродвигателя. На передней кромке лопасти, как и у крыла самолета «Шторх», будет закреплен предкрылок, а на задней — поворотный закрылок. Управление таким винтом несколько усложнится: при большой скорости ветра закрылок и нижняя поверхность крыла как бы вытянуты в одну линию. При некотором уменьшении скорости ветра автомат начнет увеличивать угол атаки. При дальнейшем ее уменьшении начнется поворот еще и закрылка. Как показывает расчет, ветряк с таким винтом в условиях Тулы и средней полосы России будет вырабатывать за год в четыре раз больше энергии, чем обычный. В Германии, ветряки с винтами обычного типа дают электроэнергию по цене энергии, отпускаемой тепловыми электростанциями. Электроэнергия ветряков с винтами Вячеслава Николаева и Сергея Поливанова будет в 4 раза дешевле. По мнению Экспертного совета, предложение, несомненно, заслуживает авторского свидетельства!
ПОЧЕТНЫЙ ДИПЛОМ
УЛАВЛИВАТЬ ЭНЕРГИЮ МОРСКИХ ВОЛН…
…при помощи сферического поплавка с электрогенераторами внутри предложил Сергей Полозков из Москвы. Устройство представляет собою полый шар, «надетый» на штангу с четырьмя пазами, закрепленную на дне моря. В каждом пазу штанги зубчатая рейка. С каждой рейкой соединены шестерни, связанные с валом электрогенератора. Под действием волн поплавок, то поднимаясь, то опускаясь, заставит шестерни катиться по зубчатой рейке. Их вращение приведет в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Энергией морских волн люди интересуются очень давно. Первая установка с насосами, работающими от морских волн, ударяющих в специальные пластины, была построена неподалеку от Нью-Йорка еще в 1899 году. А одна из последних — в 2006 г. у берегов Израиля. Она состоит из пары поплавков, соединенных со штоками масляных насосов. Создаваемый ими поток масла питает масляный гидродвигатель, а уж он вращает генератор.
Как видите, шестеренчатые передачи в этих волновых установках не применяются. Зубцы шестерен не выдерживают создаваемых волнами ударных нагрузок. Правда, это относится лишь к зубчатым передачам классического типа. Между тем, в нашей стране полвека тому назад инженером С.Д. Новиковым было разработано зубчатое зацепление, обладающее повышенной стойкостью к нагрузкам. Весьма вероятно, что на его основе удалось бы еще в те годы создать волновую электростанцию, подобную той, что предлагает Сергей. Но время этого изобретения ушло: в самом начале 1980-х годов ученые вплотную занялись так называемыми точечными преобразователями волновой энергии. Это, как правило, сферические поплавки, скользящие вверх-вниз по направляющей штанге. Математики исследовали работу этих преобразователей и выяснили вот что.
Эти устройства собирают энергию со значительной части поверхности морской волны, намного превышающей диаметр поплавка. Это позволяет их использовать не только для получения электроэнергии, но и для успокоения морских волн.
Первая волновая энергоустановка. США, 1899 г.
Экспериментальная волновая энергоустановка у берегов Израиля, 2006 г.
Для получения максимальной мощности преобразователи должны быть настроены в резонанс с частотой морских волн. Это не проблема для автоматики, наполняющей поплавки нужным количеством воды.
Есть, правда, и серьезный недостаток: движение точечных преобразователей необходимо за десятые доли секунды притормаживать, а затем отпускать вблизи их верхнего и нижнего положений. Тогда их мощность можно повысить в 5 раз. Но поскольку масса поплавка может превышать десятки тонн, при торможении возникнут громадные нагрузки. При том, что поплавок может совершать около 6 миллионов движений в год, механическое тормозное устройство будет очень быстро изнашиваться.
В последнее время ученые пришли к выводу, что разумнее всего применять на точечных преобразователях линейные электрогенераторы. В простейшем случае они состоят из магнита, закрепленного на штанге, и катушки, закрепленной на поплавке. Под действием волн катушка вместе с поплавком движется относительно магнита, и в ней наводится электричество. А если в обмотку катушки подать кратковременный электрический импульс, она превратится в тормоз. Вся конструкция получается абсолютно надежной — в ней попросту нечему изнашиваться.
Возможно, всего этого Сергей Полозков не знал. Тем не менее, за тщательность разработки конструкции точечного преобразователя волновой энергии Экспертный совет присуждает ему Почетный диплом.
Современный точечный преобразователь волновой энергии. Десятиметровый сферический поплавок скользит по сорокаметровой штанге, шарнирно закрепленной на дне моря. Внутри поплавка закреплена катушка линейного электрогенератора. На штанге расположены магниты. Перемещение катушки относительно магнитов дает электрический ток.