CC BY
536
удк 620.91:620.92
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Д.С. СТРЕБКОВ, академик РАСХН, директор Е.Д. СОРОКОДУМ, кандидат технических наук, зав. сектором ВИЭСХ
E-mail: viesh@dol.ru
Резюме. Представлены новые направления поиска альтернативных источников энергии, которые могут экстрагироваться из окружающей среды, имеют неограниченные запасы, низкую стоимость преобразования в другие виды энергии, не используют ископаемое топливо, автономны, экологически безопасны, не зависят от метеоусловий и времени года, не требуют длинных магистралей для передачи энергии.
Ключевые слова: низкопотнециальная энергия, альтернативные источники энергии, селективная экстракция энергии, имплозия.
На нашу планету надвигается одновременно несколько глобальных катастроф - энергетическая, экологическая, нехватка продовольствия, воды и чистого воздуха. Решение энергетических проблем путем сжигания топлива и использования ядерной энергии позволит прожить некоторое время, но принесет огромный экологический ущерб и приведет к изменению климата [1]. Кроме того, запасы полезных ископаемых, необходимые для их реализации, ограничены.
Ряд стран делает большую ставку на водородную энергетику. Водород - экологически чистый энергоноситель, но это направление убыточно, потому что энергия, поступившая потребителю, меньше, затраченной на образование водорода. Решение энергетических проблем с помощью биотоплива вызывает резкое повышение цен на сельхозпродукты.
Таким образом, человечество фактически не располагает реальными технологиями для решения проблемы глобального энергетического кризиса. По принятым направлениям решения энергетических проблем будут растрачены огромные финансовые ресурсы и потеряно время. Поэтому необходим поиск новых источников энергии, которые должны отвечать следующим требованиям: экстрагироваться из окружающей среды в любой точке планеты, в том числе рядом с потребителем;
иметь неограниченные запасы, низкую стоимость преобразования в другие виды энергии, не использовать ископаемое топливо;
быть автономной, экологически чистой и возобновляемой, не зависеть от метеоусловий и времени года;
не требовать длинных магистралей для передачи энергии;
использовать как центральные, так и локальные источники;
мощность одной электростанции должна варьировать от сотен ватт до гигаватт.
Таким требованиям не отвечает ни один из существующих или планирующихся к разработке в будущем источников энергии. Поэтому для обеспечения планеты энергией необходимо решить две задачи:
найти источник, который отвечал бы перечисленным требованиям;
найти способы преобразования, передачи и использования такой энергии.
Любой вид энергии имеет определенный уровень потенциала по отношению к потребителю или к окружающей среде [2-7].
Высокопотенциальные источники энергии не соответствуют перечисленным параметрам, потому что используют топливо, зависят от погодных условий и имеют много других недостатков. Указанным требованиям отвечают низкопотенциальные и законсервированные источники, при извлечении энергии которых не происходит процесс горения. При этом нужно иметь в виду, что некоторые из них могут быть очень опасными.
Так, низкопотенциальные источники энергии на основе тепловой энергии и энергии давления окружающей среды безопасны, а базирующиеся на различных структурах микромира могут таить в себе различные неизвестные формы мощных излучений. При их экстракции можно извлечь такие виды энергии или излучений, которые по опасности для человека намного превысят ядерный взрыв, радиоактивное, рентгеновское и другие излучения. То же относится к законсервированной энергии микроструктур.
Способы преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды.
Несмотря на то, что низкопотенциальная энергия существует везде и запасы ее огромны, использование ее достаточно проблематично. Например, тепло, согласно второму закону термодинамики, не переходит от холодного тела к горячему. При механическом взаимодействии внешняя среда не передает энергию потребителю, если его потенциал (например, давление) будет таким же.
Теоретическая возможность получение энергии из низкопотенциальных источников изучена очень слабо. Официальная наука игнорирует саму возможность ее преобразования. Решить такую проблему пытаются многочисленные изобретатели. Однако для этого нужны теоретические и экспериментальные исследования с использованием неординарных процессов в термодинамике, нелинейной аэрогидродинамике, системах управления и др. Причем предпосылки для использования источников возобновляемой низкопотенциальной энергии сегодня есть.
Обобщая немногие научные результаты, можно предложить несколько способов преобразования и использования низкопотенциальной энергии окружающей среды.
Селективная экстракция высокопотенциальной энергии из низкопотенциальной среды.
Энергия многих сред - это сумма энергии большого числа локальных областей (например, для тепловой энергии - механическое движение атомов и микрочастиц рассматриваемой области). Уровень энергии таких сред определяется как некий среднестатистический. Он может быть низкопотенциальным по отношению к уровню потребителя. Но в этой же среде есть области, у которых уровень энергии выше, чем у потребителя. Если тем или иным способом проводить селекцию высокопотенциальных областей, их энергию можно передавать потребителю.
Например, температура - это мера некоторой средней скорости движения молекул. При этом у каждой из них в отдельности скорость отличается. Если каким-то образом собрать молекулы с высокой скоростью в определенной области, то в ней можно получить высокую температуру, а область с молекулами движущимися на малой скорости будет иметь низкую температуру. В итоге закон сохра-__ Достижения науки и техники АПК, №03-2010
нения энергии не нарушается. Этот гипотетический эффект известен давно, как «демон Максвелла» (рис.1). Источник энергии типа усилитель энергии.
Передача низкопотенциальной энергии Ее потребителю возможна при выполнении следующих общих условий: наличие рабочего тела, с которым можно проделывать необходимые манипуляции. Это может быть область низкопотенциальной среды, область потребителя или область между средой и потребителем;
изменение физических свойств или создание специальных форм движения в рабочем теле, которые приведут к тому, что в нем появится область с потенциалом ниже (сверхнизкий потенциал), чем у окружающей среды и область с потенциалом выше, чем у потребителя;
использование (поиск) способов, дающих возможность экстрагировать энергию из низкопотенциальной среды в рабочее тело, поднимать потенциал этой энергии от сверх-
Высокопотенциальные источники Потенциал
Низкопотенциальные источники Топливо ¿Г' потребителя Г
Окружающая среда Преобразователь энергии Потребитель
Рис. 1. Способы получения энергии из окружающей среды.
низкого до высокого, передавать энергию потребителю;
подача к рабочему телу свежих порций окружающей низкопотенцильной среды (или непрерывный приток новых порций энергии из вне).
При всех этих изменениях свойств, форм движения и переносе энергии закон ее сохранения остается в силе.
Перечисленные условия относятся как к известным видам энергии, так и к слабоизученным или еще не открытым.
Такая экстракция низкопотенциальной энергии возможна в ходе специального физического процесса, для организации и поддержания которого нужно выделить энергию Еб.
для создания в рабочем теле области со сверхнизким и с высоким потенциалом;
для экстракции энергии в рабочее тело из внешней среды;
для подъема потенциала рабочего тела со сверхнизкого до высокого уровня;
для передачи энергии потребителю; для подачи к рабочему телу новых порций энергии из вне;
для управления процессом.
Потребитель получает энергию Ес, а чистая энергия будет Ес-Еа. Ее отношение к энергии затраченной на организацию физического процесса будем называть коэффициентом усиления энергии
к=(Ес-Е^ (1)
Отношение чистой энергии к экстрагированной низкопотенциальной энергии - коэффициент полезного дей-Достижения науки и техники АПК, №03-2010 __
ствия п этого преобразователя в качестве источника энергии.
П=Ес-Ес/Ее (2)
Для потребителя целесообразно (за исключением особых случаев), чтобы коэффициент усиления энергии превышал 1. В этом случае он будет получать больше энергии, чем потратит на организацию физического процесса по ее экстракции из окружающей среды. Если чистой энергии достаточно для потребителя, то система в части расхода энергии на поддержание и управление физическим процессом становится самодостаточной, то есть такой источник будет автономным.
Энергия может совершать работу, если она передается при движении.
Е=Рх (3)
где Р - обобщенная сила; х - обобщенное смещение. В случае, если экстрагированная энергия преобразуется в энергию с потенциалом выше, чем у потребителя (рис. 2), можно создать возобновляемые источники энергии типа усилитель или автономный источник энергии. Общие принципы переноса энергии от низкопотенциальной среды к высокопотенциальной для этого следующие.
Экстракция энергии. Создание области с потенциалом (температуры, давления, уровня электромагнитного поля и др.) ниже, чем у окружающей среды (рис. 2).
Трансформация характеристик энергии. Потенциал экстрагированной энергии будет еще ниже, чем имела окружающая среда и передать ее потребителю обычным путем невозможно. Поэтому физические характеристики экстрагированной энергии нужно преобразовать до высокого уровня, который будет выше, чем у потребителя Трансформация может происходить как внутри одного вида энергии, так и при преобразовании ее в другой вид,. пригодный для потребителя (тепловая, механическая, электрическаяи др.).
На выходе трансформатора энергия должна быть выше той, которую имеет потребитель. При разработке механизма трансформации характеристик энергии необходимо соблюдать закон ее сохранения.
Полученную высокопотенциальную энергию можно довести до потребителя с помощью передающего преобразователя. Эта задача хорошо решена для известных высокопотенциальных источниках энергии.
Изложенные общие принципы универсальны и пригод-
Рис. 2. Схема переноса энергии из низкопотенциальной области к высокопотенциальной.
ны для любого вида энергии окружающей среды (тепловой, давления атмосферы, гравитационной, электромагнитной и др.).
Фактически сегодня уже используются десятки миллионов преобразователей низкопотенциальной энергии. Это тепловые насосы, обогревающие жилые и промышленные помещения. Для их работы требуется энергия от существующих электросетей, благодаря которой создается физический процесс, позволяющий экстрагировать тепловую энергию в количестве в несколько раз больше потребляемой от электросети. К сожалению, тепловые насосы не автономны и их коэффициент преобразования энергии варьирует от 2 до 4. Созданы первые действующие образцы термоакустического теплового насоса, в котором также экстрагируется низкопотенциальная тепловая энергия окружающей среды. Это наглядно показывает, что ее преобразование реально.
Источник энергии типа имплозия.
Еще один способ также заключается в том, что тем или иным способом создается область, в которой потенциал ниже, чем в окружающей среде. В результате происходит перенос энергии не от преобразователя (эксплозия), а к преобразователю из вне (имплозия). Экстрагированная таким образом энергия имеет очень низкий потенциал, по сравнению с тем, который есть у потребителя. Но ему не обязательно получать энергию именно того вида, которая была экстрагирована. Потребителю необходима энергия, которая может совершить работу. Для этого на пути ее переноса можно поместить преобразователь, который трансформирует часть экстрагированной энергии в работу. Например, перепад температур может обеспечить работу двигателя, на выходе которого будет механическая энергия вращения вала, а далее электрическая энергия генератора, соединенного с этим валом. Потребитель вместо теп-
ловой получит механическую или электрическую энергию, и в случае необходимости сможет преобразовать ее в тепловую. При этом если в обычных тепловых двигателях КПД меньше единицы, в том числе и в связи с потерями тепловой энергии на пути переноса от горячего к холодному телу, то в устройствах, принцип которых основан на имплозии, тепловые потери невозможны в принципе, потому что температура окружающей среды выше, чем у рабочего тела двигателя. Поэтому при прочих равных условиях КПД таких двигателей должен быть выше, чем у обычных.
Преимущества имплозии.
меньшие затраты энергии на физический процесс;
снижение потерь экстрагированной энергии при преобразовании в работу у потребителя;
более простая конструкция.
На сегодняшний день в ВИЭСХ ведутся исследования по созданию преобразователей низкопотенциальной энергии окружающей среды, которые будут вырабатывать тепловую с коэффициентом преобразования 10...100, а также электрическую энергию автономно - это стратегический путь решения энергетических проблем.
Выводы. Глобальные энергетические проблемы могут быть решены путем преобразования низкопотенциальных источников тепловой энергии и потенциальной энергии давления окружающей среды в электрическую энергию и теплоту.
Необходима специальная программа научных исследований физических принципов преобразования низкопотенциальной энергии окружающей среды и разработки промышленных образцов автономных электростанций и теплогенераторов нового типа различного назначения и мощности, организация производства электростанций нового типа для индивидуальных потребителей и электроснабжения больших городов и производственных объектов.
Литература.
1. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. - Изд. М.: ВИЭСХ. - 2005 г.
2. Сорокодум Е.Д. Утилизация энергии окружающей среды посредством вихря. «Возобновляемые источники энергии» IWRFRI'2001, май 28-30. - 2001,Санкт- Петербург. - 2001. - С. 105-106.
3. Родионов Б.Н., Сорокодум Е.Д. Вихревая энергетика // Строительные материалы, оборудование, технологии ХХ века. - 2001. - 3(26). - С. 28-29.
4. Sorokodoum E. Vortex heat-generators // New Energy Technologies. Issue. - № 2(5). - 2002. - P. - 17-18.
5. Sorokodoum E. Vortex heat-generators // New Energy Technologies. Issue. - № 2(5) . - 2002. - p. - 324-325.
6. Сорокодум Е.Д. Некоторые общие свойства материи и источников энергии. //Новая Энергетика. - №2. - 2003 . - с.29-34.
7. E. Sorokodum Extraction of Low-Potential Energy from Environment. The Solution to Energy and Ecological Problems. // «World Affairs», Spring 2006 vol. 10, No 1. - pp.166-183.
USE OF LOW-ENERGY FOR PRODUCTION OF ELECTRICAL AND HEAT ENERGY D.S. Strebkov, E.D. Sorokodum
Summary. There are presented new directions of alternative energy sources search that can be extracted from the environment, have unlimited reserves, low cost of transformation into other energy types, do not use fossil fuels, are autonomous, environmentally safe, don’t depend on weather conditions and the time of year, don’t require long lines for the transmission power.
Key words: low energy, alternative energy sources, selective extraction of energy, implosion
УДК 631.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ВИБРАЦИИ В МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИНАХ
Н.М. БЕСПАМЯТНОВА, доктор технических наук, зав. лабораторией
Ю.А. БЕСПАМЯТНОВ, инженер ДА. ПОДОЛЬСКИЙ, инженер ВНИПТИМЭСХ E-mail: vniptim@gmail.com
Резюме. Работа посвящена особенностям проявления эффектов вибрации при создании современныхмногофункциональных машинно-тракторныхагрегатов, снабженных техническими устройствами с регламентированными агротехническими характеристиками. Применение технологии и технических средств с виброэлементами снижает __ Достижения науки и техники АПК, №03-2010
