Идеальный ресурс энергии. Статья №64. 14.11.17.

(Доклад И.Ю. Куликова на IX Международной конференции "ТРИЗ. ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ И РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ". 10.-11 ноября 2017 г.)




Сегодня основным источником энергии, является углеводородное топливо, начиная от дров и заканчивая бензином и газом. Сравнительная дешевизна обеспечивает ему явное превосходство перед возобновляемыми источниками энергии, такими, как солнце, ветер и природные потоки воды, несмотря на их существенное экологическое преимущество.

Однако, высокая себестоимость не единственный недостаток возобновляемой энергии. Не менее весомым недостатком является временнóе непостоянство её генерации. Солнечные батареи вырабатывают энергию только днём, ветрогенераторы эффективны только в ветренную погоду, приливные ГЭС дают энергию только в активной фазе прилива и отлива, всё остальное время они пассивны. Даже на гидростанциях больших рек наблюдается то избыток приточной воды в период паводка, то недостаток зимой и во время летней засухи.

Проблема неравномерности генерации могла бы быть решена при наличии дешёвых энергонако­пителей большой ёмкости. Но, несмотря на все усилия, научно-технического прорыва в этой области никак не происходит.

Формулируя идеальный образ источника энергии, приходится учитывать ряд важнейших факторов: стоимость, доступность в любой момент времени и экологическая чистота.

Но есть и ещё один фактор, может быть, самый важный, с точки зрения идеальности, это доступность энергии в любой точке земного шара.

Особенно актуальна проблема доступности для отдалённых районов, таких как районы крайнего Севера. Сезонная доставка топлива в эти места ограничена одним – двумя летними месяцами, что повышает стоимость углеводородного топлива в десятки раз. Проблема доступности энергии здесь актуальна, как нигде.

Итак, энергия должна быть:

– изобильна и доступна по цене

– доступна в любой момент времени

– доступна в любом медвежьем углу

– экологически безупречна

С этих позиций, идеальным источником энергии может считаться такой источник, который всегда в изобилии присутствует в любой точке земного шара, обладая при этом высочайшей экологической чистотой.

Но, что же такое существует всегда в любой точке мира, помимо неуловимого эфира Теслы. Если ограничиться материальными объектами, то пожалуй, главным претендентом на эту роль является атмосферный воздух.

Правда, не совсем ясно, каким боком воздух имеет отношение к энергии. Вот поток воздуха реально обладает кинетической энергией. Горячий воздух обладает тепловой энергией. А какой энергией может обладать обычный неподвижный воздух ?

На первый взгляд – никакой.

Впрочем, воздух земной атмосферы сжат силой земного тяготения, и с точки зрения термодинамики, это классический газовый аккумулятор энергии (ресивер). При температуре 300 К (17° С) и давлении 1 бар один кубометр воздуха обладает внутренней энергией 250 кДж. Вполне себе весомая порция энергии, с помощью которой можно поднять груз массой в одну тонну на высоту 25,5 метра. Если же учесть, что мы живём на дне безбрежного воздушного океана, то кубометров воздуха в нашем распоряжении – несчётное количество.

Для сравнения, кинетическая энергия одного кубометра воздуха, имеющего скорость 12 м/сек, составляет, всего лишь, 83,6 Дж, что в три тысячи раз меньше его внутренней энергии. То есть, для разгона воздуха до 12 м/сек необходима энергия, высвобождаемая при его охлаждении на 0,1 градуса.

Но, к сожалению, мы пока не умеем использовать такого рода энергию. С точки зрения классической физики, извлечение энергии из окружающей среды возможно только при наличии разности энергетических потенциалов, таких как температура, давление, скорость и геометрическая высота.

Если же порция воздуха окружена со всех сторон другими порциями того же самого воздуха, с точно такими же физическими параметрами, то высвобождение внутренней энергии воздуха не представляется возможным.

С лёгкой руки Клазиуса, равнопотенциальная энергия получила название “мёртвой”. Отсюда знаменитая теория Клазиуса о тепловой смерти вселенной, вследствие постепенного выравнивания всех энергетических потенциалов.

Налицо явное противоречие: энергия в сжатом воздухе атмосферы имеется, но извлечь эту энергию (в отсутствие разности потенциалов) не представляется возможным.

Это своего рода статическая энергия мирового воздушного океана, которая себя активно никак не проявляет.

С учётом этого уточнения, противоречие можно сформулировать следующим образом: располагаемая энергия сжатого воздуха по своей природе статична, а для извлечения этой энергии она должна быть динамична.

Стало быть, требуемую динамичность следует искусственную создавать (провоцировать).

Рассмотрим простейший случай взаимодействия порции воздуха (объёмом в 1 куб.м), помещённой в цилиндр с поршнем, с окружающим атмосферным воздухом.



Давление с левой и с правой сторон поршня одинаково и равно одному бару. Поэтому силы, действующие на поршень уравновешены, а усилие на штоке поршня равно нулю. Начальная температура воздуха, для определённости, пусть будет равна 300 К (17° С).

В такой уравновешенной статике никаких причин для проявления внутренней энергии воздуха не наблюдается.

Попробуем создать искусственную динамику, приложив механическое усилие к штоку поршня. Под действием усилия на штоке, поршень начнёт перемещаться влево, при этом давление в цилиндре начнёт расти. В соответствии с одним из классических газовых законов (закон Пуассона), при достижении давления в цилиндре 1,1 бар, температура воздуха в нём повысится на 8,3 градуса.

Что здесь необычного ?



Нагрев воздуха внутри цилиндра происходит без внешнего подвода тепла, и на первый взгляд, исключительно благодаря перемещению поршня.

Прирост тепловой энергии, при сжатии 1 куб. м воздуха до 1.1 бар, составляет 6908 джоулей (m•ΔT•Cv = 1,16•8,3•717.5 = 6908 Дж).

А какова же величина работы, затраченной на перемещение поршня. Казалось бы, согласно закону сохранения энергии, эта работа должна быть равна приросту тепла.

Но, нет, она равна всего лишь 320 Дж, что составляет менее 5 процентов от тепла, полученного при сжатии воздуха.

Так откуда же приплыли остальные 6588 Дж ?

Как ни странно, львиную долю прироста энергии обеспечила “пассивная” атмосфера, но за счёт чего же ?

Оказывается, во время движения поршня неподвижная атмосфера, как-то вдруг, потеряла свою безучастность и активно включилась в работу по сжатию воздуха внутри цилиндра.

На протяжении всего процесса сжатия, атмосфера давила на наружную стенку поршня с силой 100 000 ньютонов, при площади поршня в один квадратный метр. Это значительно больше усилия, прикладываемого нами к штоку поршня. В нашем примере начальная сила на штоке равна нулю, а в конце фазы сжатия эта сила достигает 10000 ньютонов. Средняя сила на штоке поршня (5000 ньютонов) в ~двадцать раз меньше силы атмосферного давления на поршень.

Полная работа атмосферы пропорциональна атмосферному давлению и разнице в объёмах воздуха до и после его сжатия.

В нашем случае вклад атмосферы равен 6588 Дж.

Земная атмосфера, с помощью простейшего технического устройства, неожиданно превращается в уникальный источник энергии – доступный, вездесущий, неисчерпаемый и экологически безупречный.

Пассивная статическая энергия мирового воздушного океана становится столь же удобной для полезного использования, как и динамическая энергия воздушных потоков, с той лишь разницей, что ветра больше ждать не нужно.

Тепло – одна из важнейших форм энергии, необходимых для социума. Отопление жилых помещений, обогрев теплиц, подогрев воды в бассейне, при двадцатикратном снижении затрат, очень заманчиво.

Но, всё же, для полноценного функционирования социальной инфраструктуры, необходимы и другие формы энергии, например, механическая и электрическая.

Может ли статическая энергия атмосферы быть преобразована в механическую энергию? Для ответа на этот вопрос, рассмотрим малоизвестный гидравлический эффект ускорения струи вытекающей жидкости.

Известно, что скорость истечения жидкости из отверстия в тонкой стенке сосуда, почти что, равна скорости камня, падающего с высоты уровня жидкости в сосуде. В соответствии с законом сохранения энергии, потенциальная энергия жидкости, поднятой на высоту Н, переходит в кинетическую энергию. При этом скорость вылетающей струи жидкости равна: V = (2gH)^1/2.

В реальности, скорость при истечении из отверстия на 2 процента ниже теоретического предела. В почти идеальном коноидальном сопле потери скорости составляют 1 процент. Казалось бы, нет никакой возможности хоть на сколько-нибудь превысить теоретический предел скорости истечения: (2gH)^1/2 .

Однако, установка на выходе из отверстия пологого диффузора кардинально меняет дело.



В самой узкой части диффузора возникает разрежение, вплоть до давления насыщенных паров жидкости, в результате чего, истечение жидкости происходит уже не только под действием силы тяжести, но и под действием атмосферного давления, которое вталкивает жидкость в зону вакуума, искусственно созданного в горле диффузора. Напомним, что атмосферное давление эквивалентно 10 метрам водяного столба.

Благодаря такой безвозмездной помощи атмосферы, скорость струи, как показывают опыты, может быть увеличена в два с половиной раза. Следовательно, кинетическая энергия струи в горле сопла может возрасти более, чем в 6 раз по отношению к располагаемой потенциальной энергии жидкости.

Например, при напоре воды в 1,5 метра на плотине малой ГЭС, максимальная скорость истечения составляет ~ 5,3 м/сек. При установке же диффузора скорость струи в горле диффузора можно поднять до 13 м/сек, что соответствует, почти что, шестикратному увеличению энергии струи.

В данном примере давление атмосферы позволяет получить многократный прирост кинетической энергии жидкости, которую, в свою очередь, можно попытаться преобразовать в любой удобный вид энергии, например, в электричество.

Закономерен вопрос – насколько безопасным, в экологическом смысле, окажется такого рода возобновляемая энергия, основанная на заимствовании энергии у атмосферы ?

Не приведёт ли отбор энергии к охлаждению атмосферы, и к нежелательному изменению климата ?

Конечно же, нет. Отъём энергии у атмосферы носит кратковременный характер, поскольку последующее полезное использование энергии всегда сопровождается её превращением в рассеянное тепло, которое возвращается обратно в атмосферу, восстанавливая её энергетический потенциал.

Таким образом, статическая энергия земной атмосферы имеет все шансы стать идеальным ресурсом возобновляемой энергии везде, всегда и в любом количестве.

Что открывает человечеству дорогу в экологически безопасное энергетическое изобилие.



ИННОТЭК: Помощь в патентовании изобретений,
полезных моделей и промышленных образцов.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800
Нина Николаевна Андреева.




Автор:  Игорь Юрьевич Куликов. Видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку