Система для выработки электричества из струйных течений

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройствам для преобразования энергии ветра струйных течений в электроэнергию. Система для выработки электричества из струйных течений включает в себя трубчатую стойку, простирающуюся от поверхности земли на высоту, на которой перемещаются струйные течения, и по меньшей мере один ряд крыльев, размещенных на трубчатой стойке на указанной высоте, причем упомянутый ряд крыльев приводит в действие по меньшей мере один генератор для вырабатывания электричества. Трубчатая стойка выполнена из множества размещенных одна над другой труб, удерживающих себя в воздухе за счет легких газов. Труба является полой и имеет форму усеченного конуса с небольшой конусностью. Толщина стенки трубы уменьшается в направлении от нижнего основания к верхнему. Скорость перемещения крыльев составляет, по существу, от половины до менее одной трети скорости воздушного потока. Упомянутый ряд крыльев соединен с по меньшей мере одним генератором с помощью по меньшей мере одного толкателя или по меньшей мере одной цепи. На земле может быть размещена по меньшей мере одна турбина. Высота трубчатой стойки составляет, по существу, 17 км. Система позволит вырабатывать дешевую электроэнергию в неограниченных количествах. 10 з.п. ф-лы, 18 ил., 2 табл.

 

В данной патентной заявке описано устройство, позволяющее вырабатывать очень дешевую электрическую энергию в неограниченных количествах. Фактически данное устройство представляет собой решение всемирной энергетической проблемы, поскольку такие устройства могут работать во всех больших промышленно развитых странах: Японии, США и всех Европейских странах (а также и в большинстве других стран), и при этом могут вырабатывать энергию в количествах, превышающих мировое потребление. Это устройство может вырабатывать только электричество, однако по причине его низкой цены было бы целесообразно превращать часть этого выработанного электричества в химическую или другую энергию, которая может быть использована также в транспортных средствах, таких как автомобили. Эта электрическая энергия по причине ее низкой цены также может быть использована и для других целей, таких как опреснение морской воды, а также может превратить нерентабельные технологические процессы в экономически выгодные. Энергия, выработанная при помощи данного устройства, не приводит к образованию каких-либо загрязнений. Следовательно, использование этого устройства вносит существенный вклад в решение всемирной проблемы борьбы с загрязнениями, возникшей в настоящее время главным образом как следствие использования нефти в качестве основного топлива. Это устройство является восприимчивым к диверсиям, однако не более, чем другие важные объекты в любой стране мира, и его защита может быть организована с максимальной эффективностью. Энергия, выработанная при помощи данного устройства, как уже отмечалось выше, является дешевой и чистой, поскольку ее источником является струйное течение.

Струйными течениями являются очень быстрые воздушные потоки, которые перемещаются на огромной высоте над поверхностью земли. В Израиле такие воздушные потоки наблюдаются на высотах от 11 км до 13 км над поверхностью земли (давление воздуха 200 мбар (0,02 МПа)). В других частях света они существуют на аналогичных высотах. Эти потоки были открыты уже в период Второй мировой войны. Однако значительные высоты, на которых они перемещаются, а также отсутствие устройства, подобного описанному в этой патентной заявке, до сих пор не позволяли использовать их для выработки полезной энергии для нужд человечества. Единственным использованием этих потоков до настоящего времени является экономия авиационного топлива: летчики пассажирских лайнеров, осуществляющие полеты на трансконтинентальных маршрутах на значительных высотах, вводят самолеты в такие воздушные потоки, после чего продолжают полет с ними, тем самым экономя топливо.

Толщина (в вертикальном направлении) типичного струйного течения составляет приблизительно 3 км, ширина составляет приблизительно 60 км, а длина составляет порядка сотен или тысяч километров.

Среднесуточное значение максимальной скорости струйных течений составляет около 120 км/ч над Израилем, 240 км/ч над Европой и США и 360 км/ч над Японией. Максимальная скорость достигает 200 км/ч над Израилем, 370 км/ч над Европой и США и 550 км/ч над Японией. Важность таких скоростей в понимании энергии, заключенной в этих потоках (из которых - подобно любой другой энергии любого другого воздушного потока - можно использовать только приблизительно 60%), становится понятной из анализа формулы мощности воздушного потока:

где:

Р - мощность в Ваттах;

m - масса воздуха (кг), проходящая в течение одной секунды через неподвижное сечение в 1 м2 у поверхности земли;

V - скорость воздушного потока в метрах в секунду;

ρ - плотность воздушного потока в кг/м3.

И хотя ρ составляет приблизительно четверть своего значения на уровне моря, этот параметр является несущественным по сравнению с параметром V3. Эта формула также делает понятным соотношение энергии, которая может быть получена из струйных течений, и энергии, которая может быть получена из слабых воздушных потоков, перемещающихся вблизи поверхности земли и частично используемых в настоящее время для выработки энергии. Поскольку скорость воздушных потоков является непостоянной, эффективное использование энергии, выработанной устройством, описанным в этой заявке, возможно при помощи большой аккумуляторной системы. Эта система накапливает энергию, выработанную устройством, и поддерживает работу электростанции, работающей на энергии струйных потоков.

Известно устройство для выработки электричества из струйных течений, содержащее часть, находящуюся на высотах, на которых происходит перемещение струйных течений, причем известное устройство отбирает энергию воздушного потока при помощи крыльев или лопастей, содержащихся в нем, и преобразует ее в энергию, которая может быть использована на поверхности земли. Устройство, кроме того, содержит вторую часть, при помощи которой первая часть прикреплена к земле и которая удерживает себя при помощи средств удерживания в воздухе, а также дополнительную часть, прикрепленную в верхней зоне второй части и тянущую ее кверху для преодоления наклона, обусловленного давлением воздушного потока на первую часть, что позволяет использовать высокоскоростные и более устойчивые ветры для выработки электроэнергии (см. US 4073516 A, F03D 9/00, 14.02.1978).

Известное устройство не позволяет обеспечить использование максимального количества энергии воздушного потока на большой высоте в каждый момент времени.

Указанного недостатка лишено устройство для выработки электричества из струйных течений, в котором максимальное использование энергии воздушного потока в каждый момент обеспечивается путем перемещения крыльев на скорости, равной одной третьей скорости воздушного потока (см. Е.М.Фатеев. Ветродвигатели и их применение в сельском хозяйстве. М.: Машгиз, 1957, с.45).

Ближайшим аналогом заявляемой системы для выработки электричества из струйных течений является ветроэнергетическая установка, включающая в себя центральную стойку и периферийные стойки, простирающиеся от поверхности земли на высоту, на которой перемещаются струйные течения, а также лопасти (крылья) с механизмами управления, причем упомянутые крылья приводят в действие по меньшей мере один генератор для вырабатывания электричества (см. RU 2013650 C1, F03D 5/02, 30.05.1994).

Однако значительные высоты, на которых наблюдаются очень быстрые воздушные потоки (струйные течения), а также тот факт, что их скорость является непостоянной, не позволяют использовать известные устройства для эффективной выработки полезной энергии для нужд человека.

В основу изобретения поставлена задача создания системы для выработки электричества из струйных течений, которая способна обеспечить эффективную выработку полезной энергии из струйных течений, находящихся на значительных высотах (например, 17 км), путем создания конструкции стойки, способной удерживаться в воздухе за счет обеспечения подъемной силы на ней, превышающей ее вес, и путем усовершенствования конструкции механизмов управления крыльями.

Заявляемая система для выработки электричества из струйных течений состоит из двух основных частей: а) специальная трубчатая стойка, простирающаяся от поверхности земли на высоту, на которой перемещаются струйные течения; b) по меньшей мере один ряд крыльев или ряд лопастей, размещенных на трубчатой стойке на указанной высоте, причем упомянутый ряд крыльев приводит в действие по меньшей мере один генератор для вырабатывания электричества.

Отличительной особенностью системы для выработки электричества является то, что трубчатая стойка выполнена из множества размещенных одна над другой труб.

Еще одной особенностью заявляемой системы является то, что упомянутая трубчатая стойка удерживает себя в воздухе за счет легких газов.

При этом по меньшей мере одна труба из множества труб является полой и имеет в существенной степени цилиндрическую форму, но при этом диаметр нижнего основания меньше диаметра верхнего основания, так что труба имеет форму усеченного конуса с небольшой конусностью.

Толщина стенки трубы трубчатой стойки уменьшается в направлении от нижнего основания к верхнему.

Скорость перемещения крыльев в заявляемой системе для выработки электричества составляет, по существу, от половины до менее одной трети скорости воздушного потока.

Система для выработки электричества отличается еще и тем, что упомянутый ряд крыльев соединен с по меньшей мере одним генератором с помощью по меньшей мере одного толкателя или по меньшей мере одной цепи.

При этом на земле размещена по меньшей мере одна турбина.

Упомянутые генераторы вырабатывают электричество в воздухе (не на земле).

Система для выработки электричества отличается тем, что упомянутая высота составляет, по существу, 17 км.

Система для выработки электричества отличается также тем, что в случае, когда генераторы вырабатывают электричество в воздухе (не на земле), энергия передается на по меньшей мере одно устройство, расположенное на земле.

Описание трубчатой стойки будет базироваться на двух конструкциях этой части устройства, которая может быть выполнена также и в виде других конструкций. Далее будут приведены точные формулы для расчета размеров каждой части данного устройства. Для первого представления рассмотрим три конкретных конструктивных варианта исполнения. Части данного устройства, как правило, имеют очень большие размеры, и для их изготовления потребуются специальные производственные мощности. Это является значительной психологическим препятствием вследствие инновации, однако не является фактической проблемой, и изготовление этих частей не будет сложным для крупных промышленных фирм. (Кроме того, если такие трубчатые стойки будут размещены на высоких горах, они могут быть значительно короче.)

Трубчатая стойка в выбранных автором для описания конструкциях состоит из стальных труб, закаленных и имеющих небольшую конусность с расширением, направленным вверх. В этих конструкциях размеры нижней трубы (диаметр которой определяет диаметр других труб - расположенных выше нее) в предположении, что она размещена на уровне моря, составляют: диаметр - 2 м при длине 90 м - в соответствии с одной конструкцией и диаметр 356 м при длине 180 м или же диаметр 502 м при длине 251 м - в соответствии со второй конструкцией. (Устройство с трубчатой стойкой большего диаметра может вырабатывать больше энергии, поэтому более выгодны большие диаметры.)

Толщина нижней трубы в этих трех конструктивных вариантах: 10 мм (по требованиям безопасности из условия противостояния утечке газа из трубы от обычной ружейной пули). Эти трубы заполнены водородом или гелием с давлением в нижней части трубы, равным давлению воздуха снаружи на той же высоте. (В трубах также может быть и разрежение, однако это уже совершенно другая конструкция.) Трубы закрыты в верхней части стальной оболочкой толщиной 1 мм, имеющей выпуклость наружу и форму половины сферы, половины параболоида или иную. В нижней части эти трубы закрыты оболочкой, выполненной из легкого материала, не пропускающего газ (например, из достаточно прочного материала, пропитанного пластичным веществом), которая может быть свернута и снята. Степень свертывания должна быть такой, что, когда труба будет находиться в своем наиболее низком возможном положении - таком как поверхность земли, когда трубу разбирают для ремонта, - этот материал не должен разрываться под воздействием давления воздуха, однако должен разворачиваться из свернутого состояния путем введения во внутреннюю часть трубы с поджатием под действием газа в трубе, пока давление не достигнет атмосферного на высоте, до которой труба опущена. При этом также отсутствует сопротивление каждой трубы опусканию (а также подъему, поскольку в процессе подъема развертывание свернутого материала будет происходить наружу), и она будет пребывать в состоянии безразличного равновесия на любой высоте. Это также предохраняет от сдавливания (сжатия) стенки трубы с любой стороны, в то время как в процессе работы устройства изменяется давление, которое может привести к выпучиванию стенки трубы.

Увеличение диаметра трубы кверху выполнено таким образом, чтобы соотношение замкнутых объемов в каждом сечении на длине 1 см вдоль трубы было обратно пропорционально плотности на различных высотах, на которых эти сечения обычно находятся (во время работы устройства). Расчет угла расширения приведен далее.

Толщина стенки этой трубы должна уменьшаться до тех пор, пока вес каждого сантиметра ее длины вдоль трубы не станет неизменным по секциям трубы (а также потому что при увеличении диаметра толщина должна уменьшаться).

(Для каждой трубы могут быть дополнительно предусмотрены небольшие вспомогательные устройства, такие как приборы для измерения давления газа внутри, а также устройства для измерения скорости ветра, которые должны быть установлены на верхних трубах. Их вес пренебрежимо мал по сравнению с весом трубы, и принимать его в расчет нет необходимости. Если же окажется, что вес не является незначительным - то длина труб, несущих эти устройства, будет соответствующим образом увеличена так, что вес каждой трубы в воздухе будет в точности сведен к нулю.)

На начальной стадии проектирования трубчатой стойки определяется предпочтительный угол наклона (относительно нормали к поверхности земли), на который трубчатая стойка будет наклонена при работе. Этот угол будет определен в соответствии с возможностями вывода значительной площади вокруг оснований этих трубчатых стоек из зоны полетов самолетов, а также в соответствии с предполагаемой энергетической отдачей от данного устройства по расчетам, приведенным далее. (Энергия, вырабатываемая устройством с трубой с заданным диаметром, возрастает при увеличении угла наклона.) Этот угол может изменяться, например, в пределах 30-45 градусов. Трубчатая стойка может время от времени быть более вертикальной (это может иметь место тогда, когда ветер в зоне ряда крыльев будет иметь недостаточную силу, что описано далее), однако не будет иметь возможности наклониться на больший угол, поскольку в этом случае появилась бы необходимость выведения большей площади из зоны полетов самолетов. (Очевидно, что направление такого наклона может изменяться в соответствии с направлением струйного течения, приводящего в движение ряд крыльев, которое может незначительно изменяться.) В соответствии с углом, определенным для этих трубчатых стоек, в соответствии с весом нижней трубы со всеми ее дополнительными устройствами, а также в соответствии с определенным диаметром нижней трубы определяется точная длина нижней трубы так, чтобы подъемная сила на ней точно равнялась ее весу.

Выбор величины диаметра нижней трубы определяет, как уже указывалось, диаметр труб, находящихся сверху. Существует необходимость в определении длины этих труб отдельно для каждой из них, а поскольку вес верхней оболочки при ее толщине, одинаковой для всех труб, возрастает при возрастании диаметра, то существует необходимость в отношении каждой трубы обеспечить равновесие подъемной силы и веса трубы. (Три размера, упомянутых выше, не являются точными, и для труб указанных размеров подъемная сила превышает их вес на сотни и тысячи килограммов.)

Увеличение диаметра и уменьшение толщины стенок может быть сделано без учета наклона трубчатой стойки в процессе работы. Однако это возможно в случае, если труба в процессе работы расположена отвесно (то есть точка 1 и точка 3 на Фиг.1 располагаются на одном уровне в отличие от точки 1 и точки 2). Причиной этого является сложность в изготовлении, а также проблема выпучивания верхней оболочки за пределы габаритов трубы в ее верхней части. Это не влияет на равновесие в каждой секции трубы между весом и подъемной силой на этой секции, поскольку среднее значение по всему периметру трубы на любом уровне пригодно для расчета этого равновесия.

Эти трубы могут быть прикреплены одна к другой по всему их периметру стальными тросами. Однако предпочтительной конструкцией является конструкция, в которой трубы будут плотно прикреплены друг к другу путем свинчивания друг с другом или путем сваривания. В этом исполнении трубчатая стойка представляет собой неподвижную конструкцию длиной приблизительно 17 км. В каждом соединении между трубами предусмотрены несколько отверстий под складчатой нижней оболочкой, достаточно большие для доступа персонала и необходимого оборудования, расположенного снаружи или внутри оболочки трубы, находящейся ниже, при выполнении ремонтных работ в нижней части трубы. Эти отверстия также обеспечивают контакт с окружающим воздухом для того, чтобы обеспечить атмосферное давление в нижней части каждой трубы для создания разной подъемной силы на каждой трубе.

Описанное неподвижное соединение также обеспечивает защиту сферической оболочки верха каждой трубы от твердых частиц, попавших в воздушный поток случайно или преднамеренно, поскольку оболочка находится полностью во внутреннем пространстве описанной трубы (за исключением секций, расположенных напротив узких отверстий для доступа персонала и оборудования).

Далее показан приближенный расчет веса погонного метра в в сравнении с подъемной силой водорода внутри (предположим, что водород введен внутрь, что не представляет опасности. Разумеется, опасности не представляют те части, которые расположены на уровне верхних километров трубчатой стойки, где плотность воздуха невелика и тем более крайне невелико содержание кислорода). Рассчитаем подъемную силу: вес литра воздуха на уровне моря составляет приблизительно 1,3 г. Большинство молекул воздуха составляет N2, его молекулярный вес составляет 28 (по причине присутствия кислорода воздух даже тяжелее. Водяные газы и остаточные количества второстепенных веществ влияют на вес незначительно). Молекулярный вес водорода составляет приблизительно 2, то есть вес единицы объема водорода составляет 1/14 веса единицы объема азота или менее чем даже 1/14 веса воздуха на уровне моря (если заполнить трубы гелием, соотношение составит 2/14, поскольку молекула гелия, состоящая из одного атома, весит приблизительно 4 атомные единицы). Если вычесть вес водорода (или гелия) из веса воздуха, получим 1,2 г/л (или 1,1 г/л). Получаем разницу в 1 г/л. В результате подъемная сила на литр объема трубы в воздушной среде на уровне моря составляет приблизительно 1 г, или 1 кг/м3 объема трубы. Объем воздуха в метре длины трубы в нижней части нижней трубы (в предположении высоты уровня моря) составляет для примера трубы диаметром 356 м (выберем в качестве примера эту трубу, а не трубу диаметром 2 м, поскольку последняя имеет более сложную конструкцию):

π(178)2=99551 м3.

Это означает, что направленная вверх сила, заключенная в объеме нижнего метра этой трубы, составляет 99,55 т. Поскольку диаметр трубы с высотой увеличивается по мере того, как плотность уменьшается с высотой, подъемная сила на метр длины трубы останется такой же, как и у нижнего метра. Длина трубы составляет 180 м, следовательно, подъемная сила, создаваемая всем объемом нижней трубы, составляет приблизительно 17919 т. (Давление водорода в каждой трубе у ее основания равно давлению воздуха снаружи на высоте основания этой трубы. Это давление будет действовать изнутри на сферическую оболочку, которая расположена сверху этой трубы, поскольку вес столба воздуха снаружи на длине от основания трубы до ее верхней части больше, чем столба водорода на этой длине.)

Вес метра длины стальной трубы у основания (и, как уже указывалось выше, вес любого метра длины трубы равен ему) составляет:

35600 см2·π·100 см·ρ г/см3=π·3560000 см3·7,8 г/см3=87235668 г=87,236 т.

Таким образом, вес всей трубы, длина которой 180 м, составляет приблизительно 15703 т (площадь сечения основания оболочки наверху каждой трубы, которая в действительности удерживает трубу в воздухе - за счет давления газа под ней - составляет 356000·π·мм2 и может удерживать вес:

356000 π(30) кг=33552180 кг=33552 т.

Это более чем в несколько раз превышает вес трубы, фактически висящей на нижней части оболочки). Вес верхней оболочки в предположении, что он имеет форму половины шара и площадь поверхности 2πr2 при толщине в 1 мм, составляет:

М=2π(178)2·м2·104 см2·(0,1) см·(7,8) г/см3=1552794900 г=1552,8 т.

В результате общий вес составляет приблизительно 17256 т, что на 663 т меньше, чем подъемная сила трубы. Подъемная сила будет уравновешена весом, если добавить вес дополнительных устройств, которые будут установлены на трубе, а также если добавить вес сварки или же вес болтов и вес фланцев у основания и сверху трубы, которые используются для присоединения болтов (если трубы соединяются при помощи болтов) или вес стальных тросов и всех дополнительных элементов, присоединенных к ним (если трубы соединяются при помощи тросов). Если же этот дополнительный вес приведет к возрастанию веса трубы свыше подъемной силы, необходимо немного удлинить эту трубу, поскольку каждый метр длины трубы дает добавку в 12,315 тонн усилия, направленного вверх (подъемная сила водорода в сферической оболочке во внимание не принималась, поскольку любая оболочка в представленной конструкции будет входить в другую трубу, установленную сверху этой трубы).

На Фиг.2 приведен эскиз двух расположенных последовательно труб (на чертеже: 4 - нижняя оболочка, 5 - верхняя сферическая оболочка, 6 - верхняя труба, 7 - нижняя труба).

Упругость каждой стенки по периметру трубчатой стойки при диаметре 356 м, при расчете на 30 кгс/мм2, позволяет выдерживать нагрузку, равную:

π(356)(1000)(10)(30)=335521800 кг=335,522 т

(и это также является упругостью каждой трубы из трубчатой стойки, поскольку их площади сечения равны площади сечения нижней трубы).

Эта способность остается неиспользованной, поскольку для предотвращения избыточных сжимающих усилий на стенку трубы каждая труба несет только себя и является уравновешенной на любой высоте (при диаметре нижней трубы 2 м допустимая упругость будет при:

π(10052-9952)30=1884954 кг=1885 т.

А при диаметре нижней трубы 502 м допустимая упругость будет при:

π(502)(104)(30)=473123450 кг=473123 т).

Угол наклона трубчатой стойки постоянен, поэтому если в зоне ряда крыльев будет более слабый ветер, количество работающих крыльев в этом ряде крыльев будет увеличено. Это будет иметь место для сохранения максимальной выработки энергии, возможной при наклоне трубчатой стойки на определенный угол. Трубчатая стойка крепится к земле стальными цепями, прочно вставленными в бетонные плиты, закрепленные в земле.

Для того чтобы свести к минимуму давление воздушного потока на трубчатую стойку, возможно заключить каждую трубу в обтекатель, выполненный из легкого материала, такого как материал с покрытием (для увеличения его прочности), натянутого на легкий каркас (например, алюминиевый), который должен свободно поворачиваться. Этот обтекатель будет свободно поворачиваться, если будет закреплен на двух кольцах, размещенных вблизи вершины и основания каждого обтекателя. Эти кольца будут скользить по двум ответным кольцам, прикрепленным к каждой трубе и выполненным из пластика, обладающего свойством самосмазывания. Этот обтекатель может иметь вид, показанный на Фиг.3 (на чертеже: 8 - труба из трубчатой стойки, 9 - обтекатель, а - любой требуемый размер, ε - любое малое число, большее 0, предпочтительно, чтобы оно составляло по меньшей мере 1/10 величины а).

У обтекателя, выполненного таким образом, заострение всегда будет направлено в том направлении, откуда дует ветер. Воздушный поток будет встречаться с наклонной поверхностью, угол наклона которой составляет 15° относительно направления этого воздушного потока. Сила воздействия воздушного потока, встречающегося со стенкой с таким наклоном, по сравнению с его силой воздействия при встрече со стенкой, расположенной перпендикулярно направлению этого воздушного потока, составляет: Sin215°. В данном случае для 15° величина составляет 0,0669872. Ее необходимо умножить на площадь поверхности треугольного основания, образованного этим острием, что составляет:

(l - длина трубы, r - диаметр трубы). Возможно, что достаточно выполнить обтекатель с таким углом только в верхних частях трубчатой стойки, где дуют особенно сильные ветры, а также в некоторых других частях для того, чтобы укоротить обтекатель, который будет иметь угол более 15°, или даже совсем не делать обтекателей в некоторых частях трубчатой стойки.

Для очень длинных труб может оказаться лучшим решением выполнение двух отдельных обтекателей, один сверху другого, или даже более, установленных на каждой трубе таким образом, что, если направление ветра на различных высотах по длине этой трубы будет различным, эффективность обтекателя уменьшаться не будет, (тогда как в наиболее опасных случаях обтекатель может даже разрушиться вследствие давления воздушных потоков в различных направлениях).

Более подробное рассмотрение получения результата Sin2θ, который является соотношением между усилием воздушного потока, воздействующим на обтекатель, установленный под углом θ относительно направления воздушного потока, и усилием воздушного потока, воздействующим на обтекатель, установленный точно по направлению этого воздушного потока, является таким, как показано на Фиг.4 (на чертеже: 10 - обтекатель, имеющий угол установки, 11 - направление воздушного потока). Обозначим усилие воздушного потока, воздействующее на поверхность в 1 м2, установленную точно перпендикулярно направлению этого воздушного потока, - F. Нормальное усилие, воздействующее на стенку, установленную под углом θ относительно направления воздушного потока, составляет F Sinθ. Проекция от F Sinθ на направление воздушного потока составляет F Sin2θ.

Давление на верхнюю сферическую оболочку изнутри и напряжения в ней

Приблизительно рассчитаем давление на верхнюю сферическую оболочку и напряжения, возникающие в ней, а также покажем, что в этом нет никаких проблем. Прежде всего выполним предварительный расчет для определения порядка величин размера, а затем выполним более точные и сложные расчеты. Если длина всех труб трубчатой стойки одинакова, то разница давлений сверху трубы между внешней стороной и внутренней стороной оболочки будет наибольшей у нижней трубы (поскольку А: давление во внутренней части на каждую выбранную точку равно давлению воздуха у основания трубы минус вес столба водорода ниже этой трубы до высоты выбранной точки оболочки на этой поверхности внутри трубы. В: соотношения давлений между местами, расположенными с одинаковой разницей высот, равны между собой, а у поверхности земли давление воздуха является наивысшим). В качестве крайнего примера возьмем длину наибольшей трубы из трех примеров, приведенных выше: 502 м. Рассчитаем давление для центральной части сферической оболочки, то есть части, расположенной выше всех (остальные части оболочки расположены ниже, а края оболочки соединены с верхом трубы). Наружное давление в центре оболочки равно давлению на высоте 500 м над уровнем моря. Из литературы известно, что для разницы высот в 500 м соотношение давлений составляет 0,94. Следовательно, если у поверхности земли давление составляет приблизительно 1000 г/см2, то на высоте 500 м наружное давление составляет 940 г/см2, что на 60 г/см2 меньше. Давление водородного столба составляет приблизительно 1/14 от 60 г/см2 (при заполнении гелием: 2/14), что составляет 4,29 г/см2 (для гелия: 8,6 г/см2). Таким образом, внутреннее давление в верхней части этой трубы составляет 995,71 г/см2 (для гелия: 991,4). Следовательно, разницы давлений в рассматриваемом месте между внутренней и внешней стороной составляют приблизительно 55,7 г/см2, (для гелия: 51,4). Из формулы σ=rP/2t, (где σ - напряжение в сферической оболочке в кг/см2, r - радиус сферы в м, Р - давление в кг/см2, t - толщина оболочки в м). Получим: r=2tσ/Р.

Если материал, из которого изготовлена сферическоя оболочка, представляет собой сталь, которая является достаточно прочной для восприятия максимальных напряжений в σ=3000 кг/см2, то получим:

r=2(10-3)·(3000)/0,0557=6/0,0557=107,7 м.

Как видно отсюда, сферическая оболочка толщиной 1 мм ограничена нижней трубой диаметром 215 м. (В верхних трубах разница давлений между внутренней стороной и наружной стороной оболочки будет меньшей и будет уменьшаться вместе с высотой.) Однако поскольку разница давлений в 55,7 г/см2 существует только в самой верхней точке сферической оболочки, следует выполнить более сложный расчет для того, чтобы найти допустимый максимальный радиус (однако если рассмотреть опять, видно, что в последующих подробных пояснениях нет необходимости, поскольку если радиус сферической оболочки составляет приблизительно 250 м, то самая верхняя точка сферической оболочки будет находиться на высоте 750 м, то есть давление снаружи будет значительно ниже, а разница давлений будет значительно больше чем 0,0557 кг/см2. Следовательно, допустимый r может быть значительно большим).

Рассмотрим сечение оболочки, при этом трубчатая стойка показана в профиль (Фиг.5). Найдем давление в каждой точке сферической оболочки. Давление в каждой точке зависит от высоты этой точки, то есть зависит от расстояния между точкой на полукруглом контуре, изображенном на Фиг.5, и точкой под ней на линии а-а на этом чертеже. Это расстояние составляет rCosθp. Предположив, что температура является постоянной вдоль всей трубы, получим, что это давление для каждой точки на контуре пропорционально радиусу при значении угла θ(≡θр) составляет:

Здесь m - молекулярная масса азота (которая приблизительно соответствует средней молекулярной массе воздуха), h - высота от линии а-а, g - ускорение свободного падения, k - постоянная Больцмана, а Т - температура в градусах Кельвина

Это разница в весе столбов воздуха и водорода в сечении в 1 м для столба, верхний край которого в этой сфере доходит до точки с углом θ, и, следовательно, она является подъемной силой для этого м2 внутри сферического объема. Это значение в одной точке для данного угла θ.

Следует взять интеграл по каждому из этих значений для каждого сечения оболочки, которое является параллельным основанию оболочки, кольцевых сечений, которые полностью соответствуют углу θ.

Это означает, что интеграл должен быть взят по , а в результате получим: 2πFsinθ. Окончательно, для каждого последующего расчета следует рассчитать интеграл от 0 до , для всей дуги ∩ сферы (то есть для всех углов θ).

Получим: - общая подъемная сила на этой полусфере

Подставим:

Обозначим:

Подставим: m=28·(1,66053)·10-27 кг=4,649484·10-26 кг,

Т=291 К - средняя величина в самой нижней оболочке,

k=1,38062·10-23 Дж/ К,

r=291 м - предельный случай

=159413,78·106(0,9719346-1)-2231792,9·106(0,9979687-1)=

=-447401,15·104+453344,09·104=5942,94·104 кгс=59,429 т ≡ Т0.

Для того чтобы определить толщину сферической оболочки, следует воспользоваться следующей формулой. Она определяет минимальную толщину в месте, где соединяются оболочка и труба: Т0=2πrσd.

Где d - толщина оболочки.

В результате получим:

d=Т0/2πr·3000=5942,94·104/2π·251·102·3000=1,256·10-1 см = 1,256 мм.

В соответствии с формой эпюры давлений данная полусфера будет иметь тенденцию к принятию формы параболоида. Однако по причине того, что разница давлений в различных точках не очень велика, сферическая форма будет практически полностью сохранена.

Если подставить общее условие для То для того, чтобы найти искомое d для произвольного случая, то получим:

d=2,6πrk2T2/(9,8)2m2·2πr·3000·104·[(e-9,8mr/kT-1)-14(e-9,8mr/14kT-1)]=

Подставив значения Т, k, m, получим:

Подставив значения r, получим соответствующие значения d:

r (м) d (мм)
50 0,0499
100 0,198
150 0,4
200 0,796
224 1,0003
251 1,25
300 1,79
350 2,43

В результате до радиуса 224 м (при заданной температуре) толщина 1 мм достаточна для сферической оболочки. Используя данную методику расчетов, можно вычислить для каждой высоты (которая определяет значение величины Т) радиус, для которого толщина 1 мм достаточна для оболочки. Согласно граничным условиям определяется максимально возможный радиус (поскольку, как уже указывалось, этот радиус должен возрастать вместе с возрастанием высоты) для нижней трубы. Возможно также выполнить верхнюю оболочку параболической и даже с большей степенью параболичности, чем требуется.

Расчет конусности трубчатой стойки

Труба является полой и имеет в существенной степени цилиндрическую форму, но при этом диаметр нижнего основания меньше диаметра верхнего основания, так что труба имеет форму усеченного конуса с небольшой конусностью.

Рассчитаем конусообразную форму трубчатой стойки, которая характеризуется углом α конусности, отмеченным на Фиг.6, где показана одна из секций трубы. Расчет производится в предположении, что угол наклона трубчатой стойки в рабочем состоянии принят 30°. При таком условии длина трубы до высоты 1 км над поверхностью земли составляет:

На высоте 1 км плотность воздуха составляет 0,9 относительно величины плотности у поверхности земли. Найдем радиус r2 цилиндра, длина которого 1 м, помещенного на высоту 1 км таким образом, что вес воздуха в нем будет равен весу воздуха, находящегося в цилиндре с радиусом r1, длина которого 1 м, помещенного у поверхности земли (то есть в обоих цилиндрах подъемная сила одинакова).

Обозначим:

ρ1 - плотность воздуха у поверхности земли;

ρ2 - плотность воздуха на высоте 1 км.

По условию:

В результате получим, что на длине в 1,1547005 км по оси трубчатой стойки радиус возрастает на 0,0540926 r1 км. В случае если: r1=224, м=0,224 км.

Получим:

tgα =0,0121167/1,1547005=0,0104933⇒α=0,6012°.

Оборудование для контроля и регулирования давления в трубе, ремонтопригодность устройства

К каждой трубе должны быть присоединены (непосредственно или опосредованно) средства для измерения давления газа в ней, а также средства (небольшая труба) подачи внутрь или отбора газа в любой момент. Предполагается, что может возникнуть необходимость в ремонте, приводящая к прекращению работы устройства, а также что будут производиться ремонты, которые можно сделать в процессе работы устройства (отбор газа из одной или более труб может быть выполнен без нарушения их функционирования, поскольку усилие, растягивающее трубчатую стойку, прилагаемое верхними отсеками, - об этом упоминается ниже - должно быть достаточно большим для восприятия этой дополнительной нагрузки, а также для удерживания трубчатой стойки в положении не слишком большого угла наклона в случаях, когда ветры дуют с меньшей силой). Из этих соображений к каждой трубе из трубчатой стойки следует прикрепить небольшие трубы для подачи внутрь и отбора газа. Эти небольшие трубы должны быть присоединены в определенном месте или различных местах вокруг основания трубчатой стойки. Предпочтительно, чтобы все небольшие трубы были распределены по периметру трубчатой стойки таким образом, чтобы разрыв этих небольших труб в одной зоне не влиял бы на другие и не создавал опасности для функционирования системы. Возможно, что по причине наличия такой опасности наилучшим решением является не присоединять эти небольшие трубы к системе совсем, а только на время необходимости, и каждая труба наполнялась бы отдельно, в частности, через отверстие, к которому присоединено оборудование для измерения давления.

Защита от молнии

Если трубчатая стойка не покрыта снаружи слоем пластика, достаточно толстым для предотвращения прохождения молнии, то необходимо присоединить к нему кабель. Этот кабель должен иметь высокую проводимость, превышающую проводимость трубчатой стойки (и должен быть присоединен, например, выше соединения между нижней секцией трубы и секцией, установленной над ней, тогда как в соединение между этими секциями трубы вставлены изоляторы). Это делается для того, чтобы снимать разряды, попавшие на трубчатые стойки, которые нарушают функционирование системы. Имеется также возможность использования энергии этих разрядов, отводимой в другое место по упомянутому кабелю.

Трубчатая стойка не обязательно должна быть изготовлена из стали и может быть выполнена из композиционных материалов, удельный вес которых значительно меньше, чем у стали. Проводящий кабель присоединяют к трубчатой стойке (один или более, размещенные симметрично вокруг трубчатой стойки и присоединенные к ней при помощи изолированного материала). Этот кабель представляет собой второй полюс, через который электричество проходит от генераторов на вершине труб (или же если трубчатая стойка будет полностью изготовлена из материала, который не является проводящим, то эти кабели будут использоваться как оба полюса).

Как уже указывалось выше, описанная трубчатая стойка является только одним из возможных конструктивных вариантов. Другой возможный вариант показан на Фиг.7 и Фиг.8. Форма, показанная на Фиг.7, основана на форме, описанной выше (и показанной также на Фиг.2). К ней добавлена конусообразная пленка, которая начинается от основания трубы и доходит до высоты 1, откуда продолжается в виде полукруга до верхнего края трубы (благодаря низкому удельному весу газа эта форма будет сохраняться почти сферической и не превратится в параболическую). (На чертеже: 12 - отверстие для выравнивания давления воздуха при изменении высоты трубы.) Фиг.8 представляет собой вид сверху элемента, показанного на Фиг.7. В этом конструктивном варианте также каждая труба в своей нижней части закрыта гибким складным экраном, который предотвращает проход газов так, как описано выше. Вариант исполнения, показанный на Фиг.7, может быть выполнен также без обтекателей для снижения давления воздушного потока, поскольку его форма сводит к минимуму давление воздушного потока на эту трубу. Давление воздушного потока на плоскую поверхность, установленную под углом α относительно направления воздушного потока (см. Фиг.9, где: 13 - направление воздушного потока, 14 - поверхность), как указывалось выше, пропорционально Sin2α. Если поверхность в некоторой точке установлена также под углом β относительно оси а-а, то давление воздушного потока на эту поверхность будет пропорционально Sin2α·Sin2β.

Общий расчет размеров трубы

Для того чтобы любая труба в любом конструктивном исполнении удерживалась в воздухе, должно выполняться условие, состоящее в том, что подъемная сила на ней, обусловленная разницей удельных весов водорода (или гелия) и воздуха, должна быть больше, чем ее вес. Для трубы из описанной конструкции, показанной на Фиг.2, необходимо найти величины 1 (длина трубы в метрах) и r (диаметр трубы в метрах) (когда расчет выполняется для самой нижней трубы, находящейся, например, на уровне моря), для которых следующая формула допускает отрицательные величины.

(Необходимо проверить диаметр, если есть требование выбрать наибольший возможный диаметр по наиболее критичной секции трубы в трубчатой стойке, для которой верхняя оболочка толщиной 1 мм является достаточной. Выбрана толщина трубы и оболочки 10 мм и 1 мм соответственно. Можно выбрать, разумеется, для них различные величины и соответственно изменить следующую формулу. Плотность материала, из которого изготовлена труба, принята 8 г/см3, и она также может быть изменена в соответствии с выбранным материалом.) Необходимо располагать исходными данными в таком виде:

Выражение в левой части дает уравновешивающую силу в граммах, которая воздействует на каждую трубу. Результат в кг составляет:

π(l60rl+16r2-r2l)<0 кг.

Здесь не учтен вес дополнительных устройств, установленных на трубе, поскольку их вес является пренебрежимо малым и поскольку он также компенсируется дополнительными 100 г/м3, которыми пренебрегли при расчете подъемной силы. Не рассматривалась подъемная сила водорода на сферической оболочке, поскольку этот объем водорода включен в объем водорода трубы, установленной сверху данной трубы (и необходимо учесть этот объем только в расчете верхней секции трубы трубчатой стойки).

Теперь рассчитаем добавочный вес и подъемную силу, которые следует принять во внимание для второй конструкции, показанной на Фиг.7, а обозначения на котором соответствуют Фиг.10 и Фиг.7.

Вес конусообразной оболочки (толщина всех дополнительных оболочек составляет 1 мм):

(коэффициент 0,1 в начале этой формулы представляет собой толщину конусообразной оболочки в см. Коэффициент 8 представляет собой вес 1 см3 материала, выраженный в граммах. Коэффициент 10 - это то, что осталось от величины (100)2, поскольку величины h и dh взяты в метрах и поделены на 1000 для получения в результате веса в кг, а не в г).

Вес оболочки полусферической формы (здесь показана сразу конечная формула без расчетов) составляет:

Объем трубы, находящейся внутри конуса, составляет: 2πrl(0,01)м3, и он вычитается из объема конуса. Им не пренебрегаем несмотря на малые размеры. Подъемная сила каждого м3 объема составляет приблизительно 1 кг, следовательно, подъемная сила для каждой секции трубы составит:

И формула, необходимая для каждой секции трубы как условие для удерживания ее в воздухе, имеет вид:

Как уже указывалось, расчеты выполнены в отношении нижней секции трубы и должны быть справедливыми также и для остальных секций этой трубы, поскольку соотношение между весом трубы и подъемной силой на ней, обусловленной ее объемом, сохраняется таким же, как и для нижней трубы. Однако это справедливо только в отношении самой трубы, а не в отношении всех оболочек, поскольку их толщина остается постоянной: 1 мм, тогда как увеличение их объемов приводит к увеличению их веса (и это справедливо для обоих приведенных типов труб, у которых имеется по меньшей мере одна оболочка). Эта проблема может быть решена выполнением этих оболочек для труб, расположенных выше нижней, частично или полностью из композиционных материалов, удельный вес которых составляет 1/4 или менее от удельного веса стали (существуют композиционные материалы, удельный вес которых - 1,65 г/см3). Далее приведена таблица результатов компьютерных расчетов в отношении обоих типов труб, из которых ясно видны возможные диаметры и длины нижней секции трубы приведенных типов.

Верхняя секция трубы должна быть выполнена таким образом, чтобы оболочка не выступала за пределы ее верхнего края и не препятствовала проходу воздушного потока в направлении другой части устройства, то есть к ряду крыльев. Одной из возможностей для этого является выполнение верхней трубы по существу аналогично другим трубам за исключением стенки этой трубы, которая продолжается до той высоты, до которой доходит и вершина сферической оболочки. В верхней части этого продолжения трубы стенка может быть немного толще, а к ней прикреплен крупный подшипник, как показано на Фиг.11 (15 - продолжение стенки трубы, 16 - подшипник).

Автор полагает, что наилучшим решением с точки зрения долговечности является конструкция наподобие подшипника скольжения, имеющего между двумя своими частями пластиковые элементы самосмазывающегося типа, что сведет к минимуму трение (по возможности предпочтительно изготавливать все элементы, соединяющие подшипник и ряд крыльев, из композиционных материалов с низким удельным весом).

Несколько стоек, имеющих обтекаемую форму, расположены на той части подшипника, которая не присоединена к верхней трубе, таким образом, что они не вносят значительных возмущений в воздушный поток и имеют общую площадь сечения, равную площади сечения любой трубы в трубчатой стойке.

Ряд крыльев присоединен к этим стойкам.

(Описанная выше трубчатая стойка имеет дополнительные устройства, присоединенные к нему и упомянутые далее при рассмотрении работы всего устройства.) В самом крупном из вариантов исполнения трубчатой стойки, имеющем диаметр в части, находящейся у земли, 502 м, а диаметр верхней кромки приблизительно 1004 м, возможно выполнить стойки аэродинамической формы, упомянутые выше, длиной 502 м. Верхние концы этих стоек должны быть прикреплены к заполненным водородом большим замкнутым оболочкам (толщиной, например, 1 мм), имеющим коническую или плоскую форму, но с заострением (следовательно, аэродинамическую). Это предназначено для натяжения трубчатой стойки кверху и предотвращения ее наклона на большой угол под воздействием давления воздушного потока на крылья в ряду крыльев.

Прикрепление оболочек к трубчатой стойке может быть осуществлено посредством большого количества стальных нитей, общая площадь сечения которых такова, что максимально допустимое усилие на них, направленное вверх, равняется максимальному усилию, направленному вверх, которое может воздействовать на любую трубу трубчатой стойки при ее наклоне. Точный расчет их объема представлен далее после расчета величины давления воздушного потока на ряд крыльев. Эти замкнутые оболочки имеют вид, показанный на Фиг.12 (на чертеже: 17 - сечение для случая конического купола, 18 - сечение для случая плоского купола). Угол 30° не является обязательным. При уменьшении этого угла давление воздушного потока на эту замкнутую оболочку будет также уменьшаться. Эти замкнутые оболочки должны быть прикреплены к стойкам аэродинамической формы таким образом, чтобы быть расположенными на расстоянии друг от друга и не касаться друг друга. Если же окажется невозможным выполнить это требование, должна быть изготовлена одна замкнутая оболочка.

К стойкам аэродинамической формы, размещенным над подшипником, может быть прикреплен каркас. Этот каркас имеет длину в несколько километров и такую же высоту, что и стойки аэродинамической формы (точные размеры этого каркаса определяются в соответствии с давлением воздушного потока, которое определяет степень необходимого натяжения при помощи замкнутых оболочек для того, чтобы угол наклона трубопроводов не превышал допустимого. Это натяжение не будет вызывать никакого растяжения, превышающего допустимое растяжение трубчатой стойки, которое определяется в соответствии с размером сечения этой трубчатой стойки). Замкнутые оболочки, заполненные водородом, также прикреплены к этому каркасу. Они крепятся, например, к его верхней стороне по его длине, а также к двум его сторонам. Они воспринимают вес этого каркаса и всего оборудования, прикрепленного к нему (предпочтительно, чтобы снизу не было оболочки, и вертикальные стойки каркаса воспринимали бы растягивающие усилия, а не сжимающие, которые вызывают опасность разрушения). Эти оболочки также будут иметь заострение в направлении воздушного потока. Верхняя часть - с наклоном вниз, подобно примеру оболочки, показанному на Фиг.12. Боковые части будут наклонены в сторону каркаса или в сторону каркаса и одновременно книзу.

Цепи, несущие крылья, присоединены к этому каркасу посредством подшипников. Крылья, имеющие прямоугольную форму, направлены таким образом, что воздушный поток обдувает и перемещает их. Крылья находятся в непрерывном движении, как описано далее, и вся система крыльев перемещается по круговой траектории. Крылья установлены таким образом, что, когда они перемещаются в направлении воздушного потока, они становятся перпендикулярно его направлению, а когда возвращаются - они параллельны направлению воздушного потока.

Цепи, несущие крылья, могут быть расположены, например, с обеих сторон ряда крыльев. С каждой стороны могут быть по 2 цепи. Эти цепи будут держать каждое крыло посредством двух стоек, прикрепленных к крылу на равном расстоянии сверху и снизу по высоте от центра этого крыла, как показано на Фиг.13. У конца траектории крыла по ряду крыльев, с подветренной стороны, цепи, несущие верхнюю стойку, уходят вниз. Вследствие этого, поскольку цепи, удерживающие нижнюю стойку, находятся при этом на той же высоте (на соответствующих колесах), крыло поворачивается и становится горизонтально. Затем обе пары цепей уходят вниз параллельно под рабочий уровень крыльев, которые перемещаются в направлении воздушного потока, возвращаясь к передней стороне ряда крыльев. Таким образом крыло при помощи цепей перемещается обратно под ряд крыльев до тех пор, пока оно не достигнет начала ряда крыльев, где верхняя стойка поднимается значительно, а нижняя стойка поднимается немного (обе пары цепей должны проходить одинаковый путь по высоте, поскольку они перемещаются по всей траектории с одинаковой средней скоростью). При этом крыло перемещается до тех пор, пока его лицевая сторона не будет направлена против направления воздушного потока, после чего оно входит на дополнительную цепную систему, описанную далее, которая приводится в движение толкателями, прикрепленными к каждому крылу и приводящими в действие генераторы. Траектория движения цепей, удерживающих и отклоняющих крылья, показана на Фиг.14. Колеса, удерживающие цепи, установлены на каркасе сверху, снизу или же сбоку - для этого существуют разнообразные варианты - таким образом, что цепи не сталкиваются друг с другом. Крылья прикреплены к цепи одно за другим на равном расстоянии.

Упомянутые дополнительные цепи установлены точно на высоте верхней кромки и нижней кромки крыльев в поднятом положении. Упомянутый ряд крыльев соединен с по меньшей мере одним генератором с помощью по меньшей мере одного толкателя или по меньшей мере одной цепи. Эти крылья перемещают упомянутые цепи путем проталкивания их при помощи стоек-толкателей, расположенных сверху и снизу каждого крыла. Крыло с толкателями показано на Фиг.15. Эти цепи (которые далее именуются «рабочие цепи»), расположенные сверху и снизу с обеих сторон крыла (с левой и правой сторон), соединены друг с другом при помощи группы зубцов (прикрепленных к каркасу) таким образом, что обе перемещаются с абсолютно одинаковой скоростью. Эта группа зубцов предотвращает вертикальное положение крыла относительно воздушного потока, в результате которого усилие воздушного потока не всегда будет распределяться по всему крылу равномерно. В определенных местах генераторы соединены с этими цепями. Эти генераторы вырабатывают электричество, что является назначением всего устройства. Они также прикреплены к каркасу, а при необходимости - к дополнительным пустотелым оболочкам, воспринимающим вес этих элементов, при помощи соответствующих подшипников. (Первые цепи, удерживающие и отклоняющие крылья, в своей нижней части, которая осуществляет возврат крыльев к началу ряда крыльев, расположены ниже рабочих цепей, иначе они будут сталкиваться с этими рабочими цепями.) Рабочие цепи, проходящие выше и ниже крыльев, расходятся у конца ряда крыльев таким образом, что стойки, находящиеся сверху и снизу паруса, более не соприкасаются с ними и не проталкивают эти цепи. Это дает возможность первым цепям, несущим крылья, поворачивать эти крылья параллельно земле для того, чтобы возвратить их к началу ряда крыльев без сопротивления воздушному потоку.

Рабочие цепи выполнены с длинными и широкими звеньями, как показано на Фиг.16, которая представляет собой вид сверху одного из звеньев, принадлежащего к цепи верхней стороны крыльев. На чертеже показано положение в момент, когда крыло начинает работать, иначе говоря, когда крылья ставятся по ветру, а толкатели входят в звенья. В этот момент по-прежнему имеется некоторое расстояние между толкателями (19) и стойкой внутри звена (20), на которую оказывают давление толкатели, тем самым вызывая перемещение цепи. В последующий момент вследствие воздействия давления воздушного потока на крыло оно перемещается в направлении к этой стойке. Это перемещение возможно, поскольку крылья прикреплены к первым цепям, удерживающим крылья и перемещающим их, при помощи слабых пружин (ранее не упоминавшихся). Назначением этих слабых пружин является обеспечение равномерности подхода и создания усилия всеми крыльями в ряде крыльев в отношении рабочих цепей, которые приводят в движение генераторы. Способ закрепления крыла на первых цепях при помощи пружин показан на Фиг.17 (на чертеже: 21 - крыло в профиль, 22 - первый вид цепей, удерживающих крыло и перемещающих его по траектории движения, 23 - слабая пружина, 24 - держатель для пружины). (Примечание: каркас гораздо больше крыльев и охватывает весь объем, в котором размещены цепи и генераторы. Элементы жесткости, разумеется, находятся только в наружных зонах, а внутри предусмотрено пространство, где перемещаются крылья.) Двигатель соединен с одной из цепей (один или более), а его питание осуществляется, например, от аккумулятора. Функция этого двигателя состоит в ускорении или замедлении (по обстановке) перемещения цепей, приводящих в действие генераторы таким образом, что скорость этих цепей, а следовательно, и скорость перемещения крыльев составляет, по существу, от половины до менее одной трети скорости воздушного потока. Это обусловлено тем, что при такой скорости крыльям от воздушного потока сообщается максимально возможная энергия. Автор полагает, что размеры крыльев должны быть достаточно большие. Безусловно, вместо одной большой возможно использование большего количества систем крыльев меньшего размера. Эти малые системы могут входить в большой каркас, одна над другой, каждая с соответствующей цепью. Далее описание продолжается с только одной системой крыльев для удобства изложения (каждое крыло будет изготовлено с большими окнами, поскольку использование сплошного крыла приводит к уменьшению скорости струйных течений в зоне крыльев). Для того чтобы обеспечить скорость крыла от половины до менее одной трети скорости воздушного потока, в каком-либо месте каркаса расположены средства для измерения скорости воздушного потока, соединенные с двигателем (двигателями), ускоряющими или замедляющими цепи, связанные с генераторами. Этот двигатель соединен с этими цепями посредством устройства, выполняющего функцию автоматической трансмиссии. Предпочтительно, чтобы также в дополнение к этим средствам для измерения скорости воздушного потока были установлены другие средства для измерения скорости по высоте крыла, которые будут передавать данные в компьютер, определяющий средневзвешенное значение третьей степени скорости воздушного потока, а также время и место, где ветры дуют с такой скоростью. Требуемая скорость движения крыльев определяется равной данному средневзвешенному значению. Также на верхних километрах трубопроводов установлено оборудование для измерения энергии воздушных потоков на этих высотах. Такое оборудование будет передавать данные на водяной насос, который подает или откачивает воду в или из специальных резервуаров, размещенных в верхней части трубопроводов (баки соединены при помощи трубы малого диаметра с поверхностью земли). Это делается для того, чтобы добавлять или сбрасывать вес, тем самым определяя уравновешивающее усилие натяжения трубчатой стойки кверху, тем самым определяя угол наклона этой трубчатой стойки, таким образом определяя точную высоту ряда крыльев, поскольку в горизонтальном направлении на трубчатую стойку постоянно оказывается воздействие за счет давления воздушного потока на крылья. (Наклон может осуществляться также при помощи дополнительного крыла с переменным углом установки, который изменяется в соответствии с данными измерения энергии, точнее, в соответствии с поставленными требованиями и параметрами воздушного потока, который достаточно силен для того, чтобы отклонять ряд крыльев, и который всегда должен присутствовать в его зоне.) Этот ряд крыльев расположен на высоте, на которой энергия воздушных потоков максимальна в данное время (максимальна с определенной степенью точности, для того чтобы не приводить в действие двигатели, которые при этом будут подавать воду слишком часто для изменения высоты при различиях в скорости воздушного потока, которыми можно пренебречь. Все эти параметры определяются инструкциями, введенными в компьютер, осуществляющий контроль за работой насоса).

Примечание: соединение между рядом крыльев и трубчатой стойкой осуществляется посредством оси, дающей возможность изменять угол между рядом крыльев и трубчатой стойкой для того, чтобы предотвратить сжимающие усилия на верхнюю трубу трубчатой стойки. Наиболее предпочтительными были бы две оси, расположенные на одной воображаемой линии. Разумеется, что эти оси должны быть в кольце, которое будет передавать усилия, воздействующие на них, на весь диаметр верхней трубы.

Также следует заметить, что охлаждение генераторов, вырабатывающих электричество, упрощается, поскольку температура на высотах, на которых перемещаются струйные потоки, составляет порядка -50°С, и достаточно направить воздушные потоки такой температуры на генераторы по соответствующим каналам для их эффективного охлаждения.

Расчет требуемой скорости движения крыла

Теперь докажем, что скорость крыла должна составлять 1/3 от скорости воздушного потока. Данный расчет скорости движения крыла в направлении воздушного потока, которая обеспечивает наивысшую возможную энергию, выполняется по следующей формуле:

где:

Р - мощность в Ваттах;

W - работа в Джоулях;

t - время в секундах;

F -движущая сила в Ньютонах;

Х - перемещение, во время которого в направлении перемещения воздействует эта сила, в метрах (направления неизменны, следовательно, нет необходимости сложения составляющих);

V1 - скорость крыла в метрах в секунду.

Усилие F рассчитывается по изменению импульса молекул воздуха в момент соударения. Каждую секунду масса М, равная ρ(V-V1), соударяется с m2 крыла (расположенного прямо по ветру). (V - скорость воздушного потока в метрах в секунду, ρ - плотность воздуха в кг/м3.) Импульс данной массы в данной системе крыльев составляет:

M(V-V1)=ρ(V-V1)2.

Предполагается, что соударение является упругим, поскольку в этом случае обеспечивается отличная аппроксимация. Следовательно, результирующий импульс данной массы после соударения с крылом будет равным по величине и противоположным по направлению относительно исходного импульса. Поскольку величина ρ(V-V1)2 представляет собой импульс в секунду на площади 1 м2, в результате получаем, что каждую секунду масса с таким импульсом получает импульс в противоположном направлении. Следовательно, изменение импульса, сообщаемое крылом молекулам воздуха в данной системе крыла (а все крылья перемещаются с одинаковой скоростью), составляет 2ρ(V-V1)2. Эта величина является величиной усилия, воздействующего на 1 м2 крыла в каждый момент времени. Такое же усилие воздействует на крыло также и в системе Земли. Скорость крыла в данный момент составляет V1. Таким образом, мощность воздушного потока на 1 м2 крыла составляет: P=2ρ(V-V1)2V1. Установим, для какого значения V1 эта мощность максимальна:

;

Решение:

(V-V1)(V-3V1)=0

.

Результат состоит в том, что для выработки максимальной энергии скорость крыла должна составлять одну треть от скорости воздушного потока в данный момент. Найдем, какой будет величина этой энергии, путем подстановки ее в формулу для p:

Проверим, какую часть это составляет от энергии воздушного потока:

Это уже известный результат в отношении максимальной используемой энергии воздушного потока, полученный из других расчетов.

Теперь необходимо рассчитать давление воздушного потока на крылья, количество энергии воздушного потока на 1 м2 крыла, а также показать принцип действия данного устройства. Сначала рассчитаем плотность воздуха на высоте, которая пропорциональна его плотности на уровне моря. Плотность представляет собой произведение количества молекул в единице объема на средний вес молекулы или же произведение количества молей в единице объема на средний молярный вес. Из уравнения Клаузиуса-Клапейрона:

где:

n - количество молей (для данного расчета принято постоянным);

R - постоянная.

В результате получим:

Индекс 1 относится к высоте на уровне моря, а индекс 2 - к большей высоте. В результате получим:

где

ρ - плотность;

m - средний молекулярный вес данного газа;

N - число Авогадро.

В действительности этот расчет не точен, поскольку значение m на высоте не равно значению m на уровне моря, но в силу того, что состав газов на большой высоте имеет небольшое различие, оба значения m не корректируются. Для точности этот расчет должен быть выполнен отдельно для каждого из таких газов: азот, кислород, аргон, водород, неон и гелий (а также и для углекислого газа). Однако автор не располагал данными по процентному соотношению всех газов в 1 м3 на большой высоте, и по этой причине выполнены другие, более простые приближенные расчеты.

Объемный состав сухого воздуха у поверхности земли приведен в последующей таблице в столбце 1. Соответственно было найдено значение ρo. Под этим обозначением приведена парциальная масса в кг каждого из этих газов в 1 м3 сухого воздуха на уровне моря при 0°С в соответствии с расчетом ρo=(процентное соотношение в воздухе)·(молекулярный вес)·(1/22,443)м3. Они приведены в столбце 2. Их сумма составляет 1,2905419 кг, что подтверждается также другими источниками. Для того чтобы рассчитать плотность воздуха на высоте, предположим, что азот, находящийся на уровне поверхности земли, не поднимается относительно более тяжелого кислорода благодаря горизонтальным воздушным потокам и препятствиям у поверхности земли, а также и вертикальным воздушным потокам, вызывающим постоянное перемешивание воздуха. Таким образом, объемные процентные соотношения этих газов у поверхности земли определяются только их процентным содержанием в атмосфере. Это справедливо также в отношении аргона, углекислого газа и неона, у которых удельный вес ненамного отличается друг от друга. Криптон и ксенон, несомненно, не поднимаются относительно других газов, поскольку они тяжелее, однако их количеством можно пренебречь. Только водород и гелий, как видно, поднимаются относительно других газов и выталкиваются кверху, следовательно, их концентрация на высоте выше, чем у поверхности земли. Если необходимо определить их концентрацию на высоте, то следует выполнить соответствующие измерения. Однако эти два газа несущественно влияют на вес 1 м3 атмосферного воздуха, поскольку они относительно легкие. (Однако автор также выполнит расчет и для этих двух газов в соответствии с их процентным содержанием у поверхности земли, считая, что они несомненно присутствуют на больших высотах.)

Определим вес 1 м3 воздуха на высоте в соответствии с обычным содержанием газов у поверхности земли. Выполним это в отношении каждого газа отдельно по формуле:

Где ρо рассчитано так, как показано выше, a m, p, k, Т приведены в единицах М.К.С.

Таким образом, из условия получены результаты, приведенные в столбце 3 последующей таблицы.

Газ столбец 1 столбец 2 (ρо, кг) столбец 3 (кг)
Азот 0,7803 0,9740625 0,1647618
Кислород 0,2098 0,29914 0,0393007
Аргон 0,0094 0,0167284 0,0013282
Углекислый газ 0,0003 0,0005882 0,000036
Водород 0,0001 0,0000089 0,0000078
Неон 0,0000123 0,000011 0,000003
Гелий 0,000004 0,0000007 0,0000005
Криптон 0,0000005 0,0000018
Ксенон 0,00000006 0,0000003

Сумма весов в столбце 3 составляет 0,205438 кг. Соотношение между этим весом и весом воздуха у поверхности земли составляет 0,1591874. Таким образом, плотность воздуха составляет по меньшей мере 1/6,28 от плотности у поверхности земли. (В соответствии с этим расчетом для того, чтобы придать трубе из трубчатой стойки такую же подъемную силу, как и у трубы, находящейся у поверхности земли, в соответствии с рассуждениями, приведенными выше, его толщина должна быть приблизительно в 2,5 раз меньше, чем толщина нижней трубы.) Следовательно, если толщина нижней трубы 10 мм, то толщина верхней трубы составит 4 мм.

При выполнении расчета энергии воздушного потока плотность принята ρ=0,205 кг/м3, а при выполнении расчета давления воздушного потока на крылья принято несколько более высокое значение ρ=0,22 кг/м3 для обеспечения некоторого запаса.

Теперь проверим усилие воздушного потока на крыле.

Усилие на 1 м составляет, как указывалось,

Выполним расчет давления для самых быстрых струйных течений, существующих в мире, то есть в Японии: 550 км/ч, и получим: давление (усилие/1 м2 крыла) =

Рассчитаем максимальное усилие, которое может выдержать огромная труба трубчатой стойки, для которой выполнены эти расчеты. (Как уже указывалось, эти трубы могут быть изготовлены значительно меньшего диаметра.) Ее диаметр у поверхности земли составляет 502 м, а ее толщина составляет 1 см. Площадь ее сечения составляет 315000 см2

(из 2π(502)(0,01)=10,04π=31,5м2).

Если эта труба изготовлена из обычной стали, способной выдерживать напряжения на растяжение 3000 кг/см2, то растягивающее усилие, которое может выдержать трубчатая стойка, составляет 945000 тонн.

Предположим, что наибольший допустимый угол наклона трубчатой стойки вследствие давления воздушного потока на крылья составит 30°. (Давлением на трубы можно пренебречь, если на них будут установлены описанные выше устройства для снижения давления воздушного потока.)

В этом случае усилие воздушного потока на крыльях (суммарное) было бы (Sin30°) 945000=(0,5)945000=472500 тонн. (Выше было показано, что максимальное давление при максимальном ветре в Японии составляет 4588 кг/м2.) В результате необходимо 472500/4,588=102986 м2 крыльев. Если произвести расчет в отношении Европы, где максимальная скорость ветра составляет приблизительно 200 узлов, что составляет приблизительно 370 км/ч, то получим:

Сила/м2 крыла

Таким образом, если принять, что максимальный наклон в Европе при максимальном ветре должен составлять до 30°, необходимо выполнить общую площадь поверхности крыльев площадью 472500/2,073=227273 м2.

Если допустить наклон в 45°, то максимальное горизонтальное усилие на крыльях составит (945000) (0,707)=668216 тонн, и это потребует при скорости воздушного потока в 550 км/ч общую площадь поверхности крыльев 145644 м2, а при скорости воздушного потока 370 км/ч - общую площадь поверхности крыльев 321412 м2. Предположим, что необходима общая площадь поверхности крыльев 500000 м2 для того, чтобы ее оказалось достаточно также и для слабых ветров. Если возможно, чтобы в каждый момент времени работали 25 крыльев, каждое крыло должно иметь площадь поверхности 20000 м2. Если взять вариант осуществления трубчатой стойки, в котором диаметр трубы на поверхности земли составляет 502 м, а диаметр верхней трубы составляет (502)2,5=1225 м (фактически он может быть немного меньше, поскольку если подъемная сила от 1 м3 объема трубы на высоте составляет 0,1907 кг, то, как будет показано, диаметр 502(2,2899)=1150 м будет достаточным). Следовательно, ширина крыла может составлять 1300 м. Соответственно, высота каждого крыла может составлять менее чем 16 м.

Существует много вариантов по количеству крыльев, работающих в каждый момент, их ширине и высоте - все эти параметры определяются в соответствии с конкретными условиями.

Найдем мощность, которую крылья дают при максимальной скорости воздушного потока, рассчитанной выше. Мощность рассчитывается по вышеприведенной формуле (8/27)ρV3A, где А - площадь поверхности крыла. При скорости воздушного потока 550 км/ч и максимальном наклоне 30°:

Р для всех крыльев =

=(8/27)(0,22)(153)3(102986)=(2,4044)1010Bт=24,044 тыс. МВт.

При скорости воздушного потока 370 км/ч=103 м/с и максимальном наклоне 30°:

Р для всех крыльев =(8/27)(0,22)(103)3(227273)=16,189 тыс. МВт.

Для максимального наклона 45° при скорости 550 км/ч:

Р для всех крыльев =(0,22)(153)3(145644)=34000 МВт.

И для скорости 370 км/ч Р для всех крыльев =

=(0,22)(103)3(321412)=22,894 тыc. МВт.

Однако необходимо учитывать также ситуации с более слабыми ветрами, и для таких случаев необходимо выполнить крылья с большей площадью поверхности для того, чтобы отбирать всю возможную энергию воздушного потока (с ограничением по установленному углу наклона).

Усилие натяжения трубчатой стойки

Было установлено, что при допустимом угле наклона трубчатой стойки для трубы большого диаметра, составляющем 30°, допустимое суммарное усилие на всех крыльях составляет 472500 тонн. В этом случае усилие натяжения трубчатой стойки кверху таким образом, что не превышается угол наклона 30°, составит:

(cos30°)(945000)=(0,866)(945000)=818394 т.

Если допустимый угол наклона этой трубчатой стойки составляет 45°, то усилие натяжения должно составлять: (cos 45°)(945000)=668216 т.

Плотность воздуха на данной высоте 12000 м составляет, как указывалось выше, 0,205438 кг/м3. Плотность водорода в воздухе составляет, как указывалось выше, приблизительно 1/14. Таким образом, если уменьшить в оболочках вес водорода, который создает подъемную силу, получим приблизительно 0,1907 кг/м3.

Автор полагает, что наилучшим способом для создания усилия, которое натягивает трубчатую стойку, является добавление нескольких дополнительных труб, которые можно назвать трубами-оболочками, подобными тем, которые входят в состав трубчатой стойки. Они прикреплены к верхней стороне конструкции, несущей систему крыльев и другое оборудование, принадлежащее этой системе крыльев. Предпочтительно, чтобы это соединение также было выполнено при помощи двух выступов, которые расположены на одной воображаемой линии. Только как соединение, связывающее эту конструкцию с трубчатой стойкой, и только там эти трубы имеют круглую жесткую крышку также на их нижней стороне. Для того чтобы обеспечить возможность время от времени опускать трубчатую стойку на землю или только на меньшую высоту, к нему присоединены тонкие гибкие трубки. Эти тонкие трубки доходят до поверхности или места, находящегося на некоторой высоте, и через них при необходимости газ закачивается в трубы-оболочки для того, чтобы уравнять давление внутри с давлением воздуха снаружи на высоте, на которую опускаются эти трубы-оболочки.

Что касается труб-оболочек, осуществляющих натяжение, можно принять их количество, равное трем. Длина каждой из них составит 1000 м, а диаметр составит 1416 м, причем толщина стенки нижней части нижней трубы-оболочки будет подобна толщине стенки верхней трубы трубчатой стойки (которая по расчетам автора составляет приблизительно 4 мм). Эта толщина уменьшается по высоте в соответствии с увеличением диаметра, подобно трубам трубчатой стойки (таким образом, нижний диаметр составит 708 м, а верхний диаметр составит 739,375 м). Только следующая труба выше нее имеет значительно более тонкие стенки в соответствии с расчетами той части натяжного усилия, которое должна передавать. Объем нижней трубы из этих трех труб-оболочек, включая объем верхней крышки и исключая объем нижней крышки, составляет приблизительно (1,7488484)109 м3, что приводит к образованию подъемной силы величиной 333505,4 тонн. Вес этой трубы, включая верхнюю и нижнюю крышку, в предположении, что она изготовлена из композиционного материала, имеющего удельный вес 1,65 г/см3, составляет 40224,418 тонн. Остаток составляет 293280,98 тонн подъемной силы, что составляет приблизительно 36% требуемого усилия для натяжения трубчатой стойки. Очевидно, что на этих трубах-оболочках также устанавливаются вышеупомянутые устройства для уменьшения усилий, воздействующих на них со стороны воздушного потока. Нижняя труба-оболочка может быть выполнена упомянутого диаметра, однако она может быть также выполнена и большего диаметра, чем верхняя труба трубчатой стойки. Это обусловлено тем, что кольцо, удерживающее ось, которая прикрепляет трубу-оболочку к конструкции, может быть выполнено достаточно толстым, чтобы воспринимать и передавать импульс, то есть усилие.

В соответствии со способом натяжения трубчатой стойки, описанным здесь, использование подъемной силы, создаваемой при помощи конуса или поверхности с узлом, описанным выше, осуществляется только для конструкции, удерживающей систему крыльев и генератор. Способ выполнения каждого крыла, способного передавать усилие, а также обеспечение площади крыла, достаточной для восприятия и отбора всей возможной энергии воздушного потока при максимальном установленном наклоне трубчатой стойки, таковы. Каждое крыло изготавливают в виде каркаса толщиной, определяемой расчетом таким образом, чтобы противостоять изгибу этого каркаса вследствие давления воздушного потока (эти расчеты достаточно просты) из пригодного легкого и прочного материала (алюминий, сталь или композиционный материал). Он также имеет по необходимости усиливающие стойки. В зонах, где стоек нет, натягиваются тонкие шнуры. Эти шнуры образуют сеть не слишком высокой плотности, способную поддерживать крыло. Крыло может быть сделано из прочного материала. Для того чтобы предотвратить наклон трубчатой стойки на нежелательный угол при необычно сильном ветре в зоне крыла, компьютер, управляющий скоростью движения крыла, может быть специально запрограммирован на перемещение крыльев в таких случаях с более высокой скоростью V (обычно крылья перемещаются со скоростью ). При более высокой скорости давление на крыло уменьшится и угол наклона трубчатой стойки не превысит заданного значения. Однако этот способ имеет недостаток. Если мы продифференцируем исходную формулу мощности по V1 для того, чтобы выяснить, как изменяется Р при изменении V1, то получим:

А если продифференцировать формулу давления (усилие на 1 м2 крыла), то получим:

Соотношение между производной мощности и производной давления таково:

Установим, для каких значений V1 это выражение больше единицы:

В результате видно, что если отклонение от настолько невелико, что последняя формула справедлива, то уменьшение давления превышает уменьшение вырабатываемой энергии. Однако если отклонение становится большим, то потери энергии возрастают быстрее, чем уменьшение давления на крыльях.

Необходимо установить, достаточно ли часто повторяются такие случаи, чтобы принимать меры противодействия. Если они повторяются достаточно часто, то можно задать постоянное, равномерное уменьшение давления и вырабатываемой энергии. Это может быть выполнено, например, путем складывания некоторых крыльев на время сильного ветра способом, описанным далее, таким образом, что будет работать меньшая площадь крыла. Складывание крыльев может быть осуществлено следующим образом: материал крыла наматывается на барабан, находящийся с той стороны крыла, с которой дует ветер. Этот барабан будет двигаться на небольшом устройстве, содержащем два колеса, расположенных одно за другим, а направление его перемещения вверх-вниз или наоборот. Оно приводится в движение при помощи электрического двигателя. Электрическая энергия постоянно подается на него через цепи, удерживающие крыло, или от аккумуляторной батареи, которая заряжается в некоторой точке вдоль траектории перемещения крыла. Колеса перемещаются по каркасу и соединены с параллельными колесами, установленными с другой стороны каркаса, чем осуществляется соединение этого небольшого устройства с каркасом таким образом, что оно не отпадает. Другая сторона материала крыла прикреплена к каркасу. Перемещение барабанов соседних крыльев осуществляется следующим образом: на одном крыле это перемещение осуществляется вверх-вниз, а на другом это перемещение осуществляется в обратном порядке (вниз-вверх). Это необходимо для обеспечения более или менее одинаковых усилий на верхней рабочей цепи и на нижней рабочей цепи. Двигатели, осуществляющие наматывание материала крыльев, получают беспроводной сигнал от датчика, контролирующего наклон трубчатой стойки. Этот датчик также подает сигнал на прекращение сматывания, когда угол наклона становится достаточно большим. Все крылья складываются синхронизированно. Некоторые из них находятся в рабочем положении, а некоторые в развернутом по потоку. Это делается для того, чтобы в процессе перемещения крыльев, когда развернутые по потоку крылья будут работать, а работающие переводиться в положение, развернутое по потоку, не было изменений в общем усилии воздушного потока, воздействующем на крылья.

Рабочая площадь поверхности крыльев в ряде крыльев постоянно регулируется таким образом, что наклон трубчатой стойки не превышает допустимого максимального значения для того, чтобы осуществлять отбор максимально возможного количества энергии. Как упоминалось ранее, полезная мощность на 1 м2 крыльев составляет:

Давление на 1 м2 крыльев составляет:

Обозначим допустимое суммарное усилие на все крылья, дающее максимальный наклон трубчатой стойки - В. При этом рабочая площадь поверхности составляет:

Тогда полная мощность составляет:

В результате получаем, что мощность в Ваттах, вырабатываемая данным устройством, возрастает пропорционально величине V.

Примечание: для описанной выше трубы-оболочки, натягивающей ряд крыльев, здесь приняты значения толщины 4 мм для трубы и 1 мм для крышки. Если окажется, что нет смысла использовать материал, имеющий прочность на растяжение свыше 30 кгс/мм2, то необходимо изготовить трубу приблизительно вдвое толще (и соответственно также толщину верхних труб трубчатой стойки и некоторых труб ниже их). Толщину крышек необходимо сделать в 2,5 раза от указанной. Это не создает никаких проблем, поскольку подъемная сила остается значительно больше веса, превышая его на порядок.

Добавочное описание ряда крыльев и принципа действия устройства

Поскольку крылья расположены в ряде крыльев одно за другим, то для того, чтобы воздушный поток достигал всех крыльев, а не только первых, этот ряд крыльев должен постоянно перемещаться вверх и вниз. Это осуществляется путем перемещения трубчатой стойки на небольшой угол вперед и назад. (Путем подачи газа в натяжные трубы-оболочки и его откачки или же путем балластирования оболочек при помощи воды, подаваемой в специальный бак, установленный выше трубчатой стойки, а затем при необходимости сбрасываемой. Это может быть выполнено также при помощи дополнительного крыла, расположенного над трубчатой стойкой, однако таким образом, чтобы не создавать помех рабочим крыльям. Угол установки этого крыла контролируется компьютером, осуществляющим управление дополнительным горизонтальным усилием на верхней части устройства.) Упомянутое перемещение решает указанную проблему следующим образом: когда ряд крыльев, постоянно расположенный горизонтально (что вполне возможно), достигает новой определенной высоты - там перемещается поток воздуха перед первым крылом, как и перед остальными крыльями. Этот поток воздуха (представляющий собой ветер) оказывает давление на каждое крыло, толкая его. Рассмотрим два соседних крыла. Предпочтительно, чтобы воздух, изначально находящийся на одной третьей расстояния между этими крыльями, перед вторым крылом перестал достигать заднего крыла, это крыло будет находиться уже на новой высоте, на которой перемещается другой, невозмущенный воздушный поток (в этом положении образуется относительное разрежение позади первого крыла в объеме длиной 2/3 скорости воздушного потока, умноженной на количество секунд, прошедшее с момента исходного состояния. Возможно, что это относительное разрежение при его возникновении оказывает воздействие, состоящее в ослаблении воздушного потока, который должен попадать на заднее крыло, и это воздействие оказывается слишком сильным).

Возможно установить другую величину, отличную от 1/3, если окажется, что ее недостаточно или же, напротив, она окажется слишком жестким требованием. Для того чтобы выполнить такое требование, расстояние между соседними крыльями должно быть равно максимальной скорости воздушного потока, который предполагается использовать, умноженной на три значения времени, необходимого ряду крыльев для поднятия на высоту, равную высоте крыла. Если, например, максимальная скорость воздушного потока, который предполагается использовать, составляет 540 км/ч, что равняется 150 м/с, а высота крыла составляет 30 м и ряду крыльев необходимо 15 с для подъема, то расстояние между соседними крыльями составляет: (150)(15)3=6750 м. Если в ряде крыльев имеются 25 крыльев, то длина этого ряда крыльев составит 169 км. В принципе, ограничений на длину ряда крыльев не существует, поскольку каждая секция этого ряда крыльев имеет оболочки, удерживающие ее в воздухе. Единственными ограничениями являются себестоимость изготовления и удобство обслуживания. Уменьшение длины ряда может быть обусловлено увеличением частоты вибраций трубчатой стойки или же использованием менее жестких критериев, чем приведены здесь (умножение на 3).

Для того чтобы все крылья получали невозмущенный воздушный поток, ряд крыльев должен находиться выше трубчатой стойки и ниже труб-оболочек. Это может быть достигнуто применением стоек аэродинамической формы, имеющих достаточную длину. Эти стойки будут установлены на большом подшипнике, который прикреплен к верхней части трубчатой стойки. Они имеют достаточную длину для того, чтобы расстояние между вершиной трубчатой стойки и нижней частью натяжных труб-оболочек составляло по меньшей мере три высоты крыла. Примечание: для предотвращения изгиба стоек аэродинамической формы конструкция, несущая крылья и все, что к ним присоединяется, должна соединяться с этими стойками аэродинамической формы при помощи узла, представляющего, например, петлю, в которой находится ось или шарнир, соединенный с конструкцией, а также соединения вверху, между конструкцией и нижней трубой-оболочкой, при помощи шарнира, находящегося в большой петле. Эта петля прикреплена к другой стойке аэродинамической формы, соединенной с нижней трубой-оболочкой. Кроме того, для того чтобы крылья, возвращающиеся после рабочей части цикла к передней стороне ряда крыльев, не вносили возмущений в невозмущенный воздушный поток, приходящий на крыло, предпочтительно, чтобы крылья возвращались сбоку, а не снизу. Также предпочтительно, чтобы оболочки, удерживающие ряд крыльев в воздухе, располагались с обеих сторон ряда крыльев, а не сверху или снизу. Таким образом все рабочие цепи, перемещаемые крыльями, и все оборудование, относящееся к ним, будет повернуто на 90° относительно положения, описанного выше.

Заключение: сущность данной патентной заявки состоит в использовании струйных течений для выработки электричества при помощи трубчатой стойки, удерживающей себя в воздухе за счет легких газов и натяжение которой также осуществляется за счет легких газов, а также при помощи крыльев, перемещающихся в направлении воздушного потока (или же при помощи лопастей, которые здесь не описаны и которые также приобретают определенную скорость таким образом, что перемещение каждой точки каждого крыла в направлении перемещения воздушного потока составляет от половины до менее одной трети скорости этого воздушного потока. Таким образом, угол наклона каждого крыла в сечении вблизи оси отличается от его угла установки в более удаленных точках, а фактически для каждого расстояния от нее точки крыла имеют другой угол наклона).

Все прочие элементы, такие как генераторы, вырабатывающие электричество в воздухе (не на земле), размещенная на земле по меньшей мере одна турбина, элементы конструкции крыльев и каркаса, в котором они перемещаются, а также средства передачи усилий между крыльями и генераторами, вырабатывающими электрическую энергию, приведены только лишь в качестве примера, и их элементы могут быть выполнены различными способами. Также в качестве примера приведено непосредственное преобразование энергии воздушного потока в электрическую энергию, а не в другие виды энергии.

Таблица значений радиуса и длины нижней трубы, для которых подъемная сила на трубе превышает ее вес

Вес трубы рассчитан в предположении, что она изготовлена из стали.

Для трубы, содержащей внутри газ Для трубы с круглыми и конусообразными куполами со всех сторон
Радиус (м) Длина (м) Радиус (м) Длина (м)
165 529 1 81
166 443 6 106
167 382 11 131
168 337 16 136
169 311 21 141
170 273 26 146
171 249 31 151
172 230 36 156
173 213 41 161
174 199 46 156
175 187
176 177
177 177
178 178

На Фиг.18 схематически показаны основные части данного устройства в сборе: 25 - земля; 26 - цепи, удерживающие устройство и закрепленные в земле; 27 - тело одной из труб трубчатой стойки; 28 - сферическая оболочка данной трубы; 29 - отверстие для уравнивания давления воздуха с давлением воздуха снаружи и для доступа персонала для обслуживания и ремонта этой трубы выше оболочки; 31 - тросы натяжения трубчатой стойки кверху, оставляющие возможность прохода воздушного потока в направлении крыльев; 32 - один из вариантов исполнения элемента, осуществляющего натяжение трубчатой стойки кверху, в данном случае он также представляет собой трубу, наполненную водородом. Устройство может содержать несколько подобных труб для натяжения. 33 - каркас, выполненный из треугольников, сечение его имеет прямоугольную форму, а внутри расположены крылья, движущиеся вдоль каркаса, цепи, перемещающие их, двигатель, перемещающий крылья на скорости, составляющей 1/3 скорости воздушного потока, а также генераторы, вырабатывающие электрическую энергию; 34 - подшипник, обеспечивающий изменение направления каркаса ряда крыльев в соответствии с направлением воздушного потока без поворота всей трубчатой стойки; 30 - резервуар, наполненный водородом для обеспечения подъемной силы, удерживающей каркас и все оборудование, установленное на нем (также с обеих сторон этого каркаса в направлении от чертежа и вглубь его расположены подобные резервуары с водородом). Для облегчения понимания чертежа на нем не показаны устройства, изображенные на Фиг.3, установленные на части или на всех трубах для уменьшения давления воздушного потока на эти трубы, а также приборное оборудование, установленное на каждой трубе для измерения давления воздуха.

1. Система для выработки электричества из струйных течений, включающая в себя трубчатую стойку, простирающуюся от поверхности земли на высоту, на которой перемещаются струйные течения, и по меньшей мере один ряд крыльев, размещенных на трубчатой стойке на указанной высоте, причем упомянутый ряд крыльев приводит в действие по меньшей мере один генератор для вырабатывания электричества.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что трубчатая стойка выполнена из множества размещенных одна над другой труб.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что трубчатая стойка удерживает себя в воздухе за счет легких газов.

4. Система по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна труба является полой и имеет в существенной степени цилиндрическую форму, но при этом диаметр нижнего основания меньше диаметра верхнего основания, так что труба имеет форму усеченного конуса с небольшой конусностью.

5. Система по п.3, отличающаяся тем, что толщина стенки трубы уменьшается в направлении от нижнего основания к верхнему.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что скорость перемещения крыльев составляет, по существу, от половины до менее одной трети скорости воздушного потока.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый ряд крыльев соединен с по меньшей мере одним генератором с помощью по меньшей мере одного толкателя или по меньшей мере одной цепи.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что на земле размещена по меньшей мере одна турбина.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что генераторы вырабатывают электричество в воздухе (не на земле).

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутая высота составляет, по существу, 17 км.

11. Система по п.9, отличающаяся тем, что энергия передается на по меньшей мере одно устройство, расположенное на земле.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ветротеплоэнергетике, в частности к отопительной технике, и может быть использовано для теплоснабжения жилых и производственных помещений.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для утилизации тепловых отходов, в частности для утилизации дымовых газов. .

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветротеплоэлектрическим генераторам, использующим энергию ветра для нагрева воды и получения электрической энергии.

Изобретение относится к области возобновляющихся источников энергии, а именно к ветроэнергетическим установкам. .

Изобретение относится к области энергетики, а именно к трансмиссии, обеспечивающей передачу вращающего момента от ветродвигателя к генератору электрического тока.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. .

Изобретение относится к области энергетики, а именно к ветровым электростанциям. .

Изобретение относится к области энергетики, в частности к выработке электрической энергии с использованием ветровых потоков. .

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения тепловой энергии в виде горячей воды для отопления объектов, бытовых и технических нужд, а также электрической энергии для различных потребителей.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. .

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано в машиностроении, кораблестроении, энергомашиностроении и в сфере культурно-развлекательной индустрии.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано для генерирования электроэнергии посредством энергии ветра. .

Изобретение относится к электроэнергетике. .

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэнергетических или в гидроэнергетических установках, которые превращают энергию атмосферных и водных течений в электрическую.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики, в частности, к ветроэнергетике. .

Изобретение относится к устройствам мачт парусников и ветроэнергетических установок. .

Изобретение относится к энергетике и может использоваться для преобразования энергии океанических, морских и речных течений в электроэнергию. .

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии ветра в механическую энергию (ВЭУ), в частности к монтажным элементам. .

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии. .

Изобретение относится к ветроэнергетике и может использоваться при проектировании мобильных ветроэнергетических установок с вертикальной осью. .

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии ветра в электрическую энергию

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройствам для преобразования энергии ветра струйных течений в электроэнергию

Наверх