Все выпуски  

Бесплотинные ГЭС на основе гидроэнергоблока: дешевая энергия из неисчерпаемого источника


Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 173.


Бесплотинные ГЭС на основе гидроэнергоблока: дешевая энергия из неисчерпаемого источника


Отзыв на изобретение Н. И. Ленeва «Гидроэнергоблок», патент РФ № 2166664

Принципиальная особенность изобретения – трансформация энергии водного потока в энергию поперечного движения цепи типа тракторной гусеницы, в которой прямоугольные пластины-траки ориентированы под углом 45о к направлению течения. Пластины, действуя как паруса, заставляют двигаться цепь, а она вращает колеса, на которые натянута, – налицо обращение идеи гусеничного трактора. Техническое решение привлекает внимание не только оригинальностью, но и внутренней красотой. Каждая из пластин цепи как бы «разлагает» вектор скорости набегающего потока на две равные взаимно перпендикулярные компоненты, которые затем, при надлежащем сдвиге фаз, могут давать круговое вращение.

Заранее предсказать, каким будет течение внутри, нельзя, но возможны неожиданности. Действительно, устройство с габаритами 1,5 х 0,6 х 0,6 метра в потоке скоростью 1 метр в секунду после преобразования вращения в электроэнергию развило мощность 3,2 кВт (40 вольт, 80 ампер постоянного тока), причем, по утверждению автора, это не предел. Гидротурбина сравнимого поперечного сечения, по нашим оценкам, не позволяет снять в аналогичных условиях более 0,5 кВт, в согласии со следствиями известного уравнения Бернулли для потенциальных течений.

Столь резкое расхождение между результатами эксперимента и оценочного расчета нуждается в теоретическом обосновании. В данном случае течение нестационарное, и, казалось бы, следует воспользоваться наиболее общим уравнением Навье – Стокса. Однако оно, являясь обобщением закона Ньютона для движения вязкой жидкости, не содержит в себе ничего такого, что могло бы привести к появлению нового источника энергии. Нетрудно убедиться в этом, не решая уравнений.

Основной гидродинамический параметр, характеризующий взаимодействие потока с отдельной пластиной, число Рейнольдса велико – Re ~ 105, следовательно, течение внутри устройства является турбулентным. Если допустить применимость подхода, развитого для хорошо обтекаемых тел, то сила, испытываемая со стороны потока (неподвижной) пластиной, Fраб = (1/6) ρu2S sin 2φ, где ρ – плотность, u – скорость набегающего потока, S = L2 – площадь погруженной части пластины, L – ее размер, φ – угол «атаки» (45о). Смещению противостоит сила сопротивления, выражаемая при том же допущении аналогично: Fс = (1/3) ρv2S sin φ, где v – скорость поперечного движения (численные коэффициенты учитывают конструктивные особенности конкретной модели), откуда v ~ u. Умножая силу на скорость и на число одновременно работающих пластин, получим ту же предельную мощность около 0,5 кВт.



Не просто гидроэнергоблок, а гидродинамический автогенератор

Очевидно, что в действующем устройстве входной и выходной участки цепи движутся с равными и противоположно направленными скоростями. Игнорируя их дискретную периодическую структуру и рассматривая как два отдельных тела, следует ожидать возникновения между ними области повышенного давления, препятствующей сквозному прохождению потока. В опыте давление внутри, судя по кадрам видеосъемки, действительно увеличивается, но на выходе поток приобретает дополнительную скорость – согласно автору, более 3 м / с против u = 1 м / с. Возрастание скорости свидетельствует о том, что пассивное, на первый взгляд, устройство на самом деле таковым не является. По внешним признакам его следует классифицировать как усилитель, точнее, гидродинамический автогенератор.

Объективным свидетелем гидродинамического усиления является существующий на выходе мощный бурун – впадина глубиной около 20 см и длиной 0,6 м, а за ней высокий и более узкий вал. Общая масса воды в буруне М, оцениваемая в 200 кг, поднята в среднем на высоту Δh около 25‑30 см, откуда рассчитывается запасенная в нем энергия Е = M g Δh. Мощность, необходимая для поддержания буруна, должна быть равной полезной мощности устройства. Предположим, что она подводится за время τ = d/v (1/8 секунды), составляющее малый цикл или шаг движения цепи, в течение которого на место любой пластины приходит соседняя пластина. Отсюда получаем оценку для нижней границы мощности в рамках гидростатики Е/τ около 5 кВт.

Итак, мощность, рассчитанная по кинетической энергии потока, отнесенной времени его прохождения через устройство, составляет примерно полкиловатта, – откуда же тогда берется еще, по крайней мере, порядок? Заметим, что кинетическая энергия цепи, в самом деле, невелика (2 оборота в секунду, масса воды внутри 300 кг), и в то же время устройство подобно раскрученному пятнадцатитонному маховику.


Природа мощности – энтропийная

Возникновение аномально большой инерции связано, по нашему мнению, с самовозбуждением колебаний в так называемом пограничном слое на поверхности пластин. Хотя пограничный слой имеет малую толщину (δср ~ 0,1 мм), его структура определяет характер течения в целом. «Раскачка» колебаний происходит, скорее всего, вследствие резонансного взаимодействия между волновыми возмущениями внутри слоя и движением водных частиц в вихревых доменах, генерируемых встречным движением пластин. В зоне самовозбуждения домены со скоростью вращения, немного превышающей фазовую скорость «затравочной» вращательной волны, в среднем преобладают над теми, у которых скорость чуть ниже. Волна приобретает энергию от первых и отдает вторым, но поскольку первых больше, то происходит усиление, приводящее к самоорганизации движения.

Большие вихревые домены обычно быстро дробятся, вплоть до мельчайших размеров и сносятся потоком. В рассматриваемом устройстве вода как бы кипит, т.е. сразу генерируются мелкие домены с устойчивым распределением по размерам. На место доменов, уносимых потоком, приходят новые вихри, порожденные взаимодействием с пограничным слоем. Вся масса жидкости становится единой пульсирующей системой, согласованной с движением пластин. Высокой степени динамического порядка отвечает снижение энтропии системы (слагаемое Т ds в уравнении Бернулли, которое обычно полагают постоянным!). Отрицательный энтропийный вклад соответствует увеличению запасенной энергии, позволяя объяснить происхождение аномальной инерции. Ни затормозить, ни ускорить движение цепи в установившемся режиме, без приложения очень большого импульса невозможно.

Вихревые домены генерируются пограничным слоем, уходят от него и индуцируют новые домены. Это дает ключ к выяснению потенциальной мощности устройства. Поскольку активным элементом циклического процесса является пластина, то характерные длины задачи должны быть связаны именно с ней. Используя принцип подобия, широко применяемый в гидродинамике, можно оценить коэффициент гидродинамического усиления k ~ (L/2δср) γ, где
γ – коэффициент, зависящий от величины угловой «расстройки» Δφ для разных пластин (принимается ~ 0,1). В данных условиях k ~ 100, и, значит, от конкретного устройства можно ожидать предельной мощности ~ 50 кВт. Подчеркнем, что эта мощность имеет не кинетическую, как обычно, а энтропийную, связанную с гидродинамической самоорганизацией, природу.

Подводя итог, прихожу к заключению, что изобретение Н.И. Ленева заслуживает самого пристального внимания и поддержки со стороны лиц, отвечающих за развитие экономики страны. Практическое применение идеи обещает открыть доступ к дешевой энергии из практически неисчерпаемого источника. Некоторые параметры устройства, в особенности расстояние между рядами цепи, размеры и состояние поверхности пластин, вероятно, пока не оптимизированы, но главное – найден ведущий принцип. Детальное научное обоснование, несомненно, актуально, оно на многое откроет глаза, но должно развиваться параллельно, в тесном взаимодействии с инженерными разработками, которые целесообразно включить в планы самых неотложных мероприятий.

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН С. Д. ЗАХАРОВ


В 174 выпуске читайте: О надстройке местных котельных турбогенераторными агрегатами


С вопросами и предложениями обращайтесь по адресу ep@eprussia.ru


Подписаться на печатную (бумажную) версию газеты "Энергетика и промышленность России" (периодичность - раз в месяц, объем - 40-64 полосы) можно ЗДЕСЬ. Ознакомительный экземпляр высылается бесплатно.


С расценками на размещение рекламы в газете "Энергетика и промышленность России" и на сайте www.eprussia.ru можно ознакомиться ЗДЕСЬ.

 


Открыт книжный магазин

Информационный портал "Энергетика и промышленность России" сообщает об открытии книжного магазина для энергетиков.

Перейти в магазин»


Доска объявлений

На нашем сайте открыта доска объявлений для предприятий, работающих в промышленно-энергетических отраслях.

Перейти в раздел "Доска объявлений"»


Ваши новости на нашем сайте

Уважаемые господа! Информационный портал Энергетика и промышленность России предоставляет вам новую возможность для своевременного распространения информации о деятельности ваших предприятий!
В разделе сайта "Новости компаний" вы можете САМОСТОЯТЕЛЬНО размещать пресс-релизы ваших компаний.

Подробнее»


Каталог интернет-ресурсов

На нашем сайте действует каталог интернет-сайтов компаний топливно-энергетического комплекса и тяжелой промышленности - EPR-Каталог.

Перейти в каталог»


В избранное