Я вижу бесконечность (cn_mangetsu) wrote in science_freaks,
Я вижу бесконечность
cn_mangetsu
science_freaks

Categories:

Аэро ГЭС

Наткнулся тут на странное. Некий Андрей Казанцев последние несколько лет активно занимается проектом т.н. аэроГЭС.
Мне лично кажется я уверен, что это бред и прожектёрство, но, возможно, там есть хоть что-то реализуемое?

Статья взята с Хабра, там ответы на некоторые комментарии есть.

Известно, что солнечная энергия, доходящая до нашей планеты, примерно в 20000 раз превосходит потребности человечества (см. Энергетика. Проблемы и перспективы. — М.А.Стырикович, Э.Э.Шпильрайн, М: Энергия, 1981, с. 38). Из неё примерно четверть уходит на испарение воды и фактически постоянно более-менее равномерно аккумулируется в атмосфере над любой точкой мира. Стандартная гидроэнергетика принципиально способна использовать только малую часть этой энергии, так как все осадки теряют основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на преодоление сопротивления воздуха и удар об землю. Для того, чтобы использовать эту потенциальную энергию более рачительно, надо собирать воду на той высоте, где она конденсируется, и срабатывать в ГЭС весь перепад высот. Именно это и составляет сущность данного решения.

Интересно, что когда решение уже было придумано, то при поиске похожих идей в Интернете по ключевым словам было неожиданно обнаружено, что ещё в 1919 году в одной из статей гениальный Никола Тесла практически был в полушаге до реализации этой идеи, правильно принципиально оценив необходимый ресурс, но так и не найдя схему для его реализации, для чего всё было готово ещё сто лет назад. Обидно. Если бы он тогда докрутил эту идею, то мы все жили бы совсем в другом мире — чистом, экологичном, изобильном, без войн за нефть, без власти нефтебаронов и так далее… увы, человечество потеряло сто лет!

Как реализовать решение — Аэро ГЭС.

Схема одного из вариантов решения показана на рисунке. Аэро ГЭС содержит нижний бьеф 1, верхний бьеф 2, водовод 3, турбогенератор 4, сетчатые, тканные или плёночные поверхности 5, дирижабль 6 и крепёжные тросы 7.

Схема решения

Дирижабль 6 поднимает поверхности 5 на высоту вблизи или выше точки росы для данных атмосферных условий (обычно это 2—3 км). Там переохлаждённая атмосферная влага начинает активно конденсироваться на поверхностях 5. Дренажная система на поверхностях 5 отводит эту воду в небольшой резервуар (верхний бьеф 2), откуда вода под напором всего перепада высот (2—3 км) поступает по напорному или безнапорному водоводу 3 в нижний бьеф 1 на земле, производя электроэнергию в турбогенераторе 4.

Всю установку можно легко смонтировать в любом удобном для потребителя электроэнергии и воды месте, просто подняв и переместив её целиком с помощью того же дирижабля 6.

Если в данной точке дуют постоянные устойчивые ветры, или это портативная установка (например, для туристов или военных), то можно обойтись без дирижабля 6 и использовать поверхности 5 как параплан для самостоятельного удержания всей конструкции в воздухе (как это происходит при запуске воздушного змея).

Также поверхности 5 могут быть выполнены с полной или частичной металлизацией (например, вплетением металлических проводников). Это позволит увеличить прочность конструкции, снизить солнечный нагрев, усилить конденсацию водяного пара за счёт подачи электрического поля (например, имеются эксперименты по использованию для этого коронного разряда), а также при необходимости уменьшить обледенение за счёт подачи тока.

Вообще, обледенение может использоваться как стандартный режим, так как система обладает автоматической устойчивостью — при накоплении льда вся конструкция самостоятельно снизится в область более высоких температур атмосферы, а после таяния льда сама поднимется на необходимую высоту.

Как это работает


С точки зрения генерации электроэнергии всё работает точно так же как и в обычной ГЭС, но у обычных ГЭС есть принципиальные общие недостатки: они требуют значительных капитальных затрат на сооружение плотины, занимают значительные территории под водохранилище, наносят ущерб экологии и обычно удалены от потребителя. Кроме того, всегда существует потенциальная опасность возможного разрушения плотины. В известной мере, все эти недостатки являются следствием сравнительно небольших перепадов высот при огромных объёмах воды, характерных для большинства равнинных рек.

Тем не менее и перепады высот в 2 км, как в Аэро ГЭС, не являются экстраординарными. В мире есть несколькоэлектростанций, работающих с такими перепадами. При этом используют очень простые ковшовые турбины, изобретённые ещё в 1889 г. американским инженером Алланом Пелтоном.

Принципиальным отличием Аэро ГЭС является конденсация влаги из воздуха, что на первый взгляд кажется забавным и практически неосуществимым курьёзом. Тем не менее и тут нет ничего необычного. На свете существует несколькопрекрасно работающих установок, называемых сборщиками тумана. Например, установка для сбора питьевой воды в Чили была испытана ещё в 1987 г. и прекрасно описана со всеми техническими характеристиками.

Что это даёт



  • практически вечную и ничем не ограниченную дармовую электроэнергию и чистую воду для питья и орошения, причём в любой точке планеты, где это надо потребителю

  • минимальный расход места на земле (как под ЭС, так и под ЛЭП), а также возможность использования любых поверхностей (включая огромные территории пустынь, морей, океанов и т.п.)

  • модульность (можно собирать системы любой мощности из стандартных модулей, например, по 1 МВт)

  • мобильность (в том числе и для использования на транспорте, например, для снабжения электроэнергией и водой океанских судов)

  • чистоту и экологичность из-за сравнительно небольших локальных гидропотоков по сравнению с обычными ГЭС и полным отсутствием тепловых, химических или ядерных выбросов в окружающую среду

  • увеличение удельной мощности ГЭС (т.е. мощности на единицу расхода воды) путём использования максимально возможного перепада высот между верхним и нижним бьефом (от высоты конденсации атмосферной влаги до уровня земли)

  • существенно более низкие капитальные затраты на единицу мощности и издержки по сравнению с любыми другими известными видами возобновляемой и невозобновляемой энергетики

  • возможность дополнительного использования для сетевой связи, видеонаблюдения, высотной рекламы, грозозащиты, климатической защиты (например, против ураганов и торнадо в США по берегу Мексиканского залива), регулирования климата (например, отсечением дождей в Питере по дамбе при преобладающей юго-западной розе ветров), ПВО (например, для Израиля), затенения в жарких странах и многое другое…



Технико-экономические расчёты


Работоспособная установка может быть даже портативной. Например, турист или дачник может соорудить это просто в виде параплана или воздушного змея, причём в промозглом Питере, откуда мы родом, это начнёт давать воду уже с высоты полкилометра. :)

На самом деле, есть сайты и расчётные модели, которые позволяют даже рассчитать высоту точки росы в любой реальный момент времени в любом месте планеты по аэрологическим диаграммам. Кроме того, есть и прекрасные теоретические модели, разрабатываемые в Гатчине нашими физиками В.Г.Горшковым и А.М.Макарьевой. Для расчёта турбины можно использовать сайт М.Н.Розина.

По данным чилийской установки такие сетчатые поверхности давали от 3 до 13 литров с квадратного метра в сутки. Учитывая, что в Чили установки были полностью пассивными, а мы можем активно управлять Аэро ГЭС, меняя положение поверхностей 5 по высоте (для максимальной конденсации) и ориентации на ветер (для максимального потока атмосферной влаги), можно надеяться, что выход воды будет значительно увеличен. Но даже приняв его для простоты на том же уровне ~ 10 л/м2/сутки, мы получаем, что всего лишь кусок нейлоновой сетки 10 х 10 м (100 м2) полностью обеспечивает потребности одного человека в воде (~1000 л/сутки) и бытовой электроэнергии (~150—200 кВт-час/месяц).

Прикинем, например, технико-экономические данные небольшой Аэро ГЭС для посёлка в 100 человек. Такая установка будет давать воды до 100 м3/сутки (1.16 л/с) и иметь мощность 20—50 кВт (в зависимости от высоты подъёма).

Пусть минимум — высота 2000 м, 20 кВт — 10000 м2 сети (100 х 100 м)
Цена нейлоновых сетей от $0.5 (16.61 р.)/м2, вес от 10 г/м2 — $5000, (166124 р.) 100 кг
Аэростат 500 м3 (водород, примерно как в блокадном Ленинграде) поднимает 500 кг — оболочка пусть $2 (66.45 р.)000, (66449 р.) водород всего $10 (332 р.) (по $2/кг) — гелий бы стоил около $5000 (166124 р.).
Шланг нужен внутренним диаметром всего 3 мм, скорость воды в нём 200 м/с (примерно то же самое, что и на вышеупомянутой швейцарской ГЭС), вес всей воды в шланге 10—20 кг (в зависимости от геометрии).
Общий вес воды в шланге, на сетях и в верхнем резервуаре — пусть 100—200 кг
Простейшая ковшовая турбина + генератор на 20 кВт + нейлоновые тросы и прочее — пусть ещё $3000 (99674 р.)

Итого даже при такой предельно малой мощности имеем:
Общая цена ~ $100 (3322 р.)00 (332247 р.) (по $100 с каждого жителя посёлка), вес 200—300 кг при грузоподъёмности аэростата до 500 кг. Удельная капиталоёмкость $500 (16612 р.)/кВт. Издержки близки к нулю.

Для сравнения:


  • самые дешёвые в сегодняшней энергетике ТЭЦ с газовыми турбинами ~ $500 (16612 р.)—700/кВт при самых больших издержках ~ 5 центов за кВт-час,

  • обычные ТЭЦ ~ $1500 (49837 р.)/кВт при издержках ~ 2.5 цента за кВт-час,

  • ГЭС ~ $1000 (33225 р.)—3000/кВт при издержках ~ 0.5 цента за кВт-час,

  • АЭС ~ $5000 (166124 р.)/кВт при издержках ~ 2.5 цента за кВт-час.



Ясно, что при увеличении мощности, показатели должны только улучшаться. Для типичных мощностей в сотни и тысячи МВт, можно ожидать снижение удельной капиталоёмкости до $200 (6645 р.)—300/кВт.

Итого


Аэро ГЭС может решить все энергетические проблемы человечества и заодно решить огромные социальные пробемы. Примерный рынок: как минимум 7 млрд. людей на планете по $100 (3322 р.) = 700 млрд. Если кто-то хочет начать производство, осчастливить человечество и заодно стать самым богатым человеком на Земле — пожалуйста, пришлите мне сообщение. :)

Да, у нас скоро будет сайт по адресу airhes.com. Там пока что только небольшой текст, но скоро там будет статья на английском, переключение языков, различная информация и так далее. Поэтому, если интересно — то следите за событиями, скоро будет интересно. :)

Ответы на ваши вопросы


В комментариях прозвучало очень большое количество различных вопросов и мнений. Некоторые из них сильно удивляют. А некоторые наоборот весьма полезны.

Так или иначе, давайте по пунктам разберём основные доводы.

1. «Водород взрывоопасен, необходимо использовать гелий».

Это не так. Сам по себе водород безопасен, взрываться может только так называемый гремучий газ, который представляет из себя смесь водорода и кислорода. Тем не менее, чтобы внутри дирижабля образовалось подобное вещество, надо ещё сильно постараться. Даже если намеренно обстреливать его, и даже при использовании снарядов, вызывающих горение. Дело в том, что целиком дирижабль так или иначе не взорвётся — он только может гореть по поверхности.

Во время войны над Москвой и Санкт-Петербургом летали сотни таких дирижаблей, примерно на той же высоте, и они были наполнены водородом. И да, конечно же, все понимали, что их будут обстреливать вражеские самолёты.

Смысл тут в том, что даже если дирижабль сгорит и упадёт, то он, фактически, не может нанести ущерб из-за очень небольшого веса (основной вес составляют сетки, собирающие воду). Это всё равно что беспокоиться из-за занавески, которая может оторваться у жителя верхнего этажа небоскрёба и упасть не землю.

2. «Но что, если поднимается ураган?»

Поднимается, и что. Разве с теми дерижаблями над Москвой и Санкт-Петербургом что-то происходило? Они привязывались к земле канатами и отлично удерживались вокруг определённой точки. А материалы сейчас, надо заметить, куда лучше, чем в те времена. На счёт того, выдержат ли тросы — да без проблем. Это не теории, это уже многократно испытывалось. И дирижабль эти тросы отлично удерживает.

Но вообще-то мы можем и опускать их в случае урагана — это нормальное состояние для дирижаблей, опускание и подъём всегда предусматриваются. В тексте статьи написано, что система является абсолютно управляемой — мы можем не только опускать дирижабль вниз, но и ориентировать конструкцию таким образом, чтобы ветер не наносил ей какого-либо ущёрба, точно так же, как это делают с парусами на кораблях.

Кстати, тогда, во время войны, для того, чтобы не допустить образование внутри дирижаблей гремучего газа (предполагается, что кислород в любом случае в каком-то количестве проникает внутрь), их периодически скускали вниз, выпускали оттуда водород, и закачивали по новой.

Но сейчас возможны и другие решения. Мы можем поставить газоанализаторы и проверять уровень кислорода. Как только он достигнет определённой отметки, мы отправляем сообщение на землю, и применяется стандартная процедура перезакачки водорода.

Кстати, для этого можно предусмотреть использование того же шланга, передавая водород в обратном направлении.

Но можно сделать ещё интереснее — для кислорода есть катализатор, палладий. Если мы разместим внутри дирижабля (можно снизу, можно по бокам, можно вообще подвесить по центру — молекулы кислорода с ней в любом случае столкнутся) палладиевую решётку, то кислород с водородом смогут соединятся, но без огня. Таким образом мы получаем воду. Эта вода под действием силы тяжести скапливается внизу дирижабля, и ничто не мешает предусмотреть механизм автоматического слива (это, разумеется, абсолютно безопасная, обыкновенная вода).

Таким образом часть водорода будет просто расходоваться на образование воды, и дирижабль будет постепенно снижаться. Как только потребуется поднять его обратно, достаточно будет закачать в него дополнительный водород.

Ещё мы можем использовать простейший электролизёр, который будет разделять часть воды, взятой с сетки, на кислород и водород. Соответственно, водород мы сразу можем закачивать в дирижабль, а кислород выпускать в воздух. Тогда мы можем существенно упростить обслуживание установки, так как регулярные процедуры по обеспечению достаточного уровня водорода вообще не потребуются — водород будет производиться самой установкой.

Кстати, низкая стоимость водорода — не единственное его преимщество для подобной установки. Водород находится в молекулярном состоянии, в отличие от гелия, который существует в виде атомов. Это означает, что проницаемость вородода значительно меньше. Иными словами, водород не будет просачиваться через дирижабль так же легко, как это делал бы гелий.

3. «В вашу конструкцию может ударить молния!»

Может. Но если в тросы будет вплетён металл или они будут целиком металлическими, и, разумеется, тросы будут заземлены, то электрический заряд просто уйдёт в землю, так же, как по любому обыкновенному громоотводу. Поэтому на практике установка не просто защищена от молний, а она несёт в себе молниезащиту, так как молния скорее ударит по тросу, чем по чему-либо другому (тем самым защищается то, что находится на земле вблизи установки). Что касается удара молнии по поверхности дирижабля — точно так же, как молния не причиняет ущерба самолётам, так и наша конструкция может быть целиком металлизирована и заземлена, чтобы являться громоотводом для всей близлежащей территории.

4. «Вы собираетесь разместить это над городом и создать гигантскую тень?»

Конечно, нет! Установки предполагается размещать прежде всего над океаном, озёрами, в пустыне, и так далее. Речь не идёт о том, чтобы поднимать их в воздух непосредственно над жилыми пунктами (кроме, возможно, портативных вариантов — при необходимости).

Поверхности предполагается делать вертикальными, для того, чтобы собирать горизонтальный поток.

Поэтому ни о каких тенях в городе речь не идёт.

5. «Это нарушает естественный круговорот воды в природе».

Очень большое количество дождей не используется природой. К примеру, вода собирается над океаном, и выпадает обратно в виде дождя. Что будет, если мы соберём 1% (а речь идёт о таких цифрах) из этой влаги? Ничего. Эта вода в итоге испарится точно так же, как она испарилась бы, упав в виде дождя.

Для того, чтобы разобраться в этой теме, нужно подробнее ознакомиться с научной литературой на тему экологии. Но суть в том, что тут влияние на много порядков ниже, чем влияние от сжигания нефти. Если хотя бы часть энергии будет получена таким образом, мы уже снизим негативное влияние на окружающую среду, и чем больше такая технология будет набирать популярность, тем это влияние будет становиться меньше.

6. «Водовод не выдержит такого большого давления!»

Водовод может быть напорным и безнапорным. В напорном водоводе скорость воды обычно невелика, но потенциальная энергия перепада высот образует внизу значительное давление (2 км — 200 атм) и только в сопле это давление преобразуется в скорость воды 200 м/с (кинетическую энергию), которая ударяет в ковшовую лопатку турбины Пелтона. В нашем случае больше подходит безнапорный водовод. Это вообще может быть даже не труба, а лоток по которому струя воды разгоняется силой тяжести сразу преобразуя потенциальную энергию перепада высот в кинетическую энергию струи (подобно струйному водопаду), ударяющей в лопатку. Конечно определённые потери скорости при этом будут иметь место от контакта боковой поверхности потока с трубой, но это значительно большие скорости, чем те, что может достичь капля воды, так как в струе вода не испытывает лобового сопротивления воздуха. Теоретически эта скорость может доходить до скорости звука в воде (1348 м/с) и даже выше при использовании сопла Лаваля.

7. «При конденсации выделяется тепло. Для отвода этого тепла потребуется мощный холодильник».

Вообще-то тут ни о каком холодильнике речи не было. Возможно комментаторы не заметили, что поверхности должны находиться вблизи или выше точки росы. Для физика это обозначает, что воде в этой точке становится энергетически выгоднее находиться в жидкой фазе вместо газообразной, т.е. процесс микроконденсации уже пошёл, но капли ещё ничтожны. Собственно в природе так и происходит — по мере укрупнения капель образуется туман (который мы с земли видим как облако). Разумеется при этой конденсации выделяется огромная тепловая энергия, которую просто уносит окружающий воздух, но с этим нам придётся просто смириться — кстати, именно эта энергия создает восходящие потоки под формирующимися кучевыми облаками, которые активно используют дельта и просто планеристы. Тем не менее сам процесс конденсации может быть очень сильно ускорен разными методами, например, коронным разрядом (за счёт дипольных свойств молекул воды) или искусственным созданием центров микроконденсации (введением ничтожного количества пыли или углекислоты, что активно используют для управления выпадением осадков — так называемый «разгон облаков»). В нашем случае роль этих центров конденсации играет нейлоновая сеть, которая просто собирает этот микротуман. Без неё мы бы просто в конце концов получили обычный дождь, а так можем хоть эту потенциальную энергию преобразовать в электричество.

Дополнительные ссылки:

http://airhes.com
http://www.renewableenergyworld.com/rea/blog/post/2012/06/air-hes
http://www.linkedin.com: Global Solar, Hydro, PV & Wind Energy Consortium
http://www.linkedin.com: Hydroelectric Power

http://www.diforum.ru/index.php?showtopic=27185
http://www.membrana.ru/particle/18019
http://www.kiting.org.ua/forum/index.php/t/1655/
https://www.facebook.com/groups/fansofdirigibles/488928084477948
http://forum.israelinfo.ru/viewtopic.php?f=1&t=49408
Проект Солярис
Tags: вечный двигатель, разбор
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 42 comments