Спіймати і приборкати вітер - завдання виявилося не настільки простий, як могло здатися спочатку.
Щоб вітер не бовтається, довелося вникнути в формули для проектування справжніх крил.
Спасибі інтернету, я знайшов інструкції для таких розрахунків і запрограмував формули, звичайно, з урахуванням необхідних властивостей.
Вийшов такий профіль:
Цього виявилося недостатньо. Оточуючий вітер, все одно бовтається (виникають нестаціонарні турбулентності). Це крило потрібно виставити не в лоб вітрі, а під скошеним кутом, як у бойових винищувачів. Тоді вдалося істотно подавити турбулентності.
З таких хитрощі крил сконструював (поки тільки теоретично) систему розтрубів і замовив розрахунок потоків повітря на суперкомп'ютері.
Вийшло ось що.
Жовтий колір відповідає швидкості звичайного вітру зліва направо. Там, де зелене, - це гальмування вітру; а там, де червоне, - це прискорення (приблизно в 2 рази). Якщо раніше ми бачили картинку з червоною цяткою, то тепер вдалося отримати широку червону смугу - це досить «масивний» рівний стабільний потік діаметром 2.5 метра. Уже можна качати електрику.
Цим результатом я ще не задоволений. Мені хочеться, щоб вітер прискорився в 4.64 рази і, відповідно, потужність потоку локально збільшилася в 4.64 3 = 100 раз.
Патент 8,268,030 «Wind Energy Use» розповідає і про видобуток води, і про більш продуктивної видобутку електрики з потоку (вітру або водного течії).
Якщо коротко, то ідея зводиться до попереднього прискоренню потоку.
// Наприклад, гідроелектростанції використовують попереднє прискорення потоку за рахунок падіння води вниз. - Але повітря важко змусити падати, та й морську воду вже не упустити; хіба що в Мертве Море, рівень якого нижче рівня світового океану. //
Прискорити потік можна за рахунок самого потоку за допомогою каскаду розтрубів, що мають стінки з крилоподібної профілем.
Що дає таке (конвективное) прискорення і чи варто «город городити»?
Зауважимо, що конвективное прискорення, якщо немає падіння вниз, відбувається з пониженням температури, тобто відбувається збільшення кінетичної енергії за рахунок теплової енергії. Це означає, зокрема, що здобуте електрику від прискореного вітру - це електрику, здобуте також і з теплової енергії повітря.
Потужність що видобувається електрики пропорційна кубу швидкості вітру. Це дуже важливе зауваження. Тобто якщо вдалося прискорити вітер до подвійної швидкості, то знімається потужність електрики збільшується в 8 разів. А якщо збільшити швидкість в 4.64 рази, то потужність видобутого електрики збільшиться в 100 (цифра прописом: «сто») раз.
Для подальших оцінок приймемо локально збільшену в 100 разів потужність видобутого електрики за 100% і врахуємо, що потужність, що знімається електрики пропорційна площі фронту потоку і що порція прискореного повітря має відповідно [в 4.64 рази] менший за площею фронт, ніж фронт тій же порції початкового вітру . Тоді збільшення продуктивності в (100 / 4.64) = 21.55 раз означає зокрема, як це не здасться дивним, що внесок в цю потужність за рахунок початкової [не збільшення] кінетичної потужності вітру широкого фронту становить лише 4.64%. тоді як 100-4.64 = 95.36% електрики видобуто за рахунок тепла повітря (!), попередньо перекладеного в кінетичну потужність. Тепло повітря - це зовсім інше джерело видобутку, причому, як бачимо, набагато більш ефективний.
Оскільки згадане прискорення повітря супроводжується його охолодженням, то при «хорошому» вітрі можна досягти точку роси. Таким чином, вітер стає ще і невичерпним (поновлюваних) джерелом «дощової» води (якщо кому треба).
Механізми прискорення і уповільнення ...
Коли потік (вітер) зустрічає розтруб, він і прискорюється в сужающемся перетині через інерцію вітру, і сповільнюється через лобового опору і в'язкого тертя. Інерція пропорційна обсягу порції повітря. Ефекти уповільнення пропорційні площам. Таким чином, для досить великих конструкцій збільшення обсягу починає відігравати домінуючу роль і виникає позитивний сукупний ефект. Подальше збільшення розмірів призводить до збільшення рентабельності.
Але що, якщо ми збудували конструкцію з серії розтрубів, щоб прискорити вітер в 4.64 рази, а вітер дме не в ту сторону? Ми припускаємо, що конструкція може мати великі розміри, тоді її за вітром так просто не повернеш. І що, якщо взагалі вітру немає? Практична така «електростанція» з перебоями, на стільки залежними від погоди.
-- Не будемо так песимістичні, а звернемо увагу на те, що згадане збільшення продуктивності в (100 / 4.64) раз означає, зокрема, як і це не здасться дивним, що ми можемо витрачати потужність, щоб створити штучний вітер, який потім без додаткового споживання електрики буде прискорений розтрубами [нагадаю: за рахунок тепла самого повітря]. Коефіцієнти корисної дії і вентилятора, і турбо-генератора приблизно 50%. Тоді, якщо «викидаємо на вітер» електричну потужність 2 х (4.64 х 2) = 18.56%, то повертаємо 100%. Я, звичайно, перепрошую, але на цю різницю можна жити (.).
= = =
= = =
цікавий Експеримент
Доречно описати цікавий експеримент з якого, втім, і народилася ідея качати воду і електрику.
Цей цікавий експеримент може легко виконати кожен.
Кожен може дихнути теплим і вологим повітрям. Для цього потрібно видихнути, неодмінно широко розкривши рот. Чим ширше розкрито рот, тим тепліше і вологіше повітря. Воно й зрозуміло. Всередині легенів повітря нагрівається до 37С градусів і насичується вологою.
Але варто нам скласти губи і подути, видувається повітря прохолодний і сухий. Куди поділася насичена волога? - Залишилася в роті.
Ефект ніби очевидний. Щоб окуляри «запітніли», очкарик дихає на них, розкривши рот, але не дме крізь складені губи. І ми не знайдемо дивака, який би намагався зігріти руки, дуючи на них, замість того, щоб подихати на них, широко розкривши рот.
Поставимо запитання: а може бути, прохолода видуває повітря - це тільки суб'єктивне відчуття (?), А реальна температура як була 37С, так і залишилася?
Фізик розуміє, що якщо прискорити повітря в розтрубі [а коли ми дуємо, ми «конструюємо» губами розтруб з вузькою щілиною на виході], то по шкільному принципом Бернуллі так-зване «статичний тиск» повітря падає. І по шкільному газовому закону Шарля, зменшення статичного тиску супроводжується охолодженням. Але чи дійсно можна так просто охолодити повітря скільки-небудь істотно? Той же фізик розуміє, що для відчутного ефекту потрібно розігнати повітря до ураганних швидкостей (!).
Ваш покірний слуга не полінувався і порахував [прикинув] з якою швидкістю видувається повітря. Як? Да просто.
Широко відкритий рот має площу приблизно 5х5 = 25 см 2 = 2500 мм 2 = 0.0025 м 2 (пардон за анатомічну подробиця).
Щілина між губами, коли ми дуємо, дуже маленька, але яка? Складемо губи, щоб подути і на подив виявимо, що щілина між складеними губами настільки мала, що її можна заткнути звичайної зубочисткою; причому затикається видування вже наконечником (!) зубочистки з діаметром перетину приблизно 1 мм і площею перетину порядку 1х1 = 1 мм 2 = 10 -6 м 2.
Порівняємо часи видихання і видування. Приблизно, видихаємо 1 секунду, видуваємо 4 сек.
Далі, медичної довідки: обсяг повітря, що видихається = 0.5 літра = 0.0005 куб.м (якщо глибокий вдих, то 1 літр).
Таким чином, якщо видихаємо 1 секунду, то швидкість дорівнює v = Volume / (time x Square) = 0.0005 / (1х0.0025) = 0.2 м / sec = 20 см / sec. Якщо видуваємо 4 сек, то швидкість дорівнює v = 0.0005 / (4x10 -6) = 125 м / сек (.). 125 м / сек - це швидше. ніж вітер найпотужнішого урагану (.), і добре, що тільки вузенькою цівкою (!), якщо, звичайно, дме не Соловей-Розбійник.
Якщо навіть я і помилився трохи в передбачуваному обсязі видуває повітря і / або площі наконечника зубочистки, все одно виходить значна швидкість. Тепер все стає зрозумілим, і розрахунок за формулами Бернуллі і Менделєєва-Клапейрона показує, що видувається повітря може виявитися більш, ніж на 10С градусів прохолодніше повітря в легенях. Ось і вся «арифметика».
= = =
Ліричний відступ-1
Якщо багато людей подують загальним фронтом 10х10 м 2 протягом 1 хвилини (60 секунд тобто 15 раз по 4 секунди), то можна вирвати дерево з коренем. Для цього знадобиться організувати (60/4) х 100/10 -6 = 1.5 мільярда людей. Для сьогоднішньої демографії, це не так вже й багато, але рятує, що «Зелені» не дозволять дути на дерево.
= = =
= = =
Ліричний відступ-2
Питання. Чому, коли вітер вириває дерево з коренем, листя залишаються на гілках. Відповідь. Тому, що листя багато. Причому так багато, що можна «злегка» [як це зміг би зробити один (або декілька) людина] подути на кожен з них (правда, строго одночасно) і, таким чином, вирвати дерево з коренем.
= = =