Полезный ветер. От паруса до...
Научное
Покупка
Тематика:
Транспорт
Издательство:
Интеллект
Автор:
Власов В. К.
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 256
Дополнительно
Книга посвящена теоретическим и практическим аспектам использования силы ветра в качестве тяги транспортных средств на суше, воде и в воздухе. Показано техническое и экологическое преимущество первичных ветродвигателей во всём разнообразии их конструкций.
Издание предназначено для широкого круга читателей от изобретателей и исследователей до разработчиков объектов альтернативной энергетики и транспорта, студентов и преподавателей технических университетов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ПОЛЕЗНЫЙ ВЕТЕР ОТ ПАРУСА ДО… В. К. Власов Vlasov Veter 19.indd 1 Vlasov Veter 19.indd 1 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
ISBN 978-5-91559-233-8 Â.Ê. Âëàñîâ Ïîëåçíûé âåòåð. Îò ïàðóñà äî... : Íàó÷íîå èçäàíèå / Â.Ê. Âëàñîâ – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2017. – 256 ñ. ISBN 978-5-91559-228-4 Êíèãà ïîñâÿùåíà òåîðåòè÷åñêèì è ïðàêòè÷åñêèì àñïåêòàì èñïîëüçîâàíèÿ ñèëû âåòðà â êà÷åñòâå òÿãè òðàíñïîðòíûõ ñðåäñòâ íà ñóøå, âîäå è â âîçäóõå. Ïîêàçàíî òåõíè÷åñêîå è ýêîëîãè÷åñêîå ïðåèìóùåñòâî ïåðâè÷íûõ âåòðîäâèãàòåëåé âî âñ¸ì ðàçíîîáðàçèè èõ êîíñòðóêöèé. Èçäàíèå ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ øèðîêîãî êðóãà ÷èòàòåëåé îò èçîáðåòàòåëåé è èññëåäîâàòåëåé äî ðàçðàáîò÷èêîâ îáúåêòîâ àëüòåðíàòèâíîé ýíåðãåòèêè è òðàíñïîðòà, ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé òåõíè÷åñêèõ óíèâåðñèòåòîâ. © 2017, Â.Ê. Âëàñîâ © 2017, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå ISBN 978-5-91559-228-4 Õóäîæåñòâåííîå îôîðìëåíèå – Ãàëèíà Çàéöåâà
Оглавление От автора ...........................................................................................................6 Введение ...........................................................................................................7 ГЛАВА 1 Действующие лица .............................................................................9 1.1. Воздушный океан .............................................................................11 1.2. Атмосферный пирог .........................................................................15 1.3. Давление столба ................................................................................20 1.4. Пояса Земли ......................................................................................23 1.5. Парад ветров .....................................................................................26 ГЛАВА 2 Ветер, ветер, ты могуч! .....................................................................39 2.1. Сила ветра .........................................................................................41 2.2. Полезный ветер ................................................................................48 2.2.1. Энергия из воздуха ................................................................48 2.2.2. Лобовой удар ..........................................................................49 2.2.3. Атака под углом .....................................................................53 2.2.4. Обтекаемый профиль ............................................................56 2.2.5. Сила Магнуса .........................................................................69 2.3. Пограничная история .......................................................................73 2.4. Ветродвигатели .................................................................................79 ГЛАВА 3 Парус................................................................................................83 3.1. Начало ...............................................................................................85 3.2. Золотой век .......................................................................................89 3.3. Второе дыхание .................................................................................96 3.3.1. Морской сокол.......................................................................97 3.3.2. Жёсткий парус ..................................................................... 105 3.3.3. Крылья океана ..................................................................... 110 3.3.4. Пирамида в море!? ............................................................... 122 3.3.5. Подставь лицо ветру ............................................................ 125 3.3.6. Расправить крылья!.............................................................. 127 3.3.7. Паруса на вырост ................................................................. 128 3.3.8. Порвать паруса! .................................................................... 129 3.3.9. Парусный красавчик ........................................................... 131 Vlasov Veter 19.indd 3 Vlasov Veter 19.indd 3 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
ГЛАВА 4 Борьба за ноль ................................................................................ 135 4.1. Датская история .............................................................................. 137 4.2. Дорогой парус ................................................................................. 138 4.3. Стальной дельфин .......................................................................... 139 4.4. Парусная мечта ............................................................................... 141 4.5. Девятый номер ............................................................................... 145 4.6. Солнечный парус ............................................................................ 146 4.7. В круиз под парусами ..................................................................... 147 4.8. Всё в одном ..................................................................................... 150 4.9. Пятёрка отважных .......................................................................... 152 4.10. Максимум ..................................................................................... 153 ГЛАВА 5 Парусники без парусов ................................................................... 157 5.1. Роторы Флеттнера .......................................................................... 159 5.2. Мельница в помощь ....................................................................... 165 5.3. Студенты ......................................................................................... 168 5.4. Четыре по углам .............................................................................. 169 5.5. Небесные роторы ............................................................................ 171 ГЛАВА 6 Аркан для ветра .............................................................................. 175 6.1. Всё выше, и выше ........................................................................... 177 6.2. Змеем в небо ................................................................................... 181 6.3. Летающая коробка .......................................................................... 185 6.3.1. Пионеры ............................................................................... 185 6.3.2. Русские идут ......................................................................... 191 6.3.3. Наследники Жюля Верна .................................................... 200 6.4. Змей Поморцева ............................................................................. 206 6.5. Мощный кайт ................................................................................. 210 6.5.1. Гибкое крыло ....................................................................... 210 6.5.2. Дельтаплан ........................................................................... 213 6.5.3. Адреналиновый змей ........................................................... 213 6.6. Белуга на верёвочке ........................................................................ 219 ГЛАВА 7 Эх, прокачу! ................................................................................... 225 7.1. Дорожная история .......................................................................... 227 7.2. Под стук колёс ................................................................................ 232 7.3. По тонкому льду ............................................................................. 235 Заключение ................................................................................................... 245 Список литературы ....................................................................................... 246 Оглавление Vlasov Veter 19.indd 4 Vlasov Veter 19.indd 4 4/5/17 11:47 AM 4/5/17 11:47 AM
ЛЕГЕНДАРНЫЙ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ
ЖУРНАЛ – БОЛЕЕ ВЕКА
С ЧИТАТЕЛЕМ!
Тел.: +7 (495) 624-18-35
www.nkj.ru
«ГАЗЕТЫ. ЖУРНАЛЫ»
Агентство РОСПЕЧАТЬ:
70601 — текущая подписка
72334 — годовая подписка
79179 — для организаций
Каталог ФГУП
«Почта России»
П1467 — текущая подписка
П2831 — для организаций
В процессе работы над книгой много времени пришлось провести в читальных залах и фондах Российской государственной библиотеки (Ленинка), Государственной публичной научно-технической библиотеки России, Всероссийской патентно-технической библиотеки. Выражаю глубокую признательность сотрудникам этих учреждений, сделавшим время моей работы там таким продуктивным. Выражаю благодарность Юрию Алексеевичу Ульянину за бережно собранные и предоставленные мне для работы над книгой материалы о жизни и творчестве его деда, выдающегося изобретателя, авиаконструктора, одного из пионеров русской авиации Сергея Алексеевича Ульянина. Яхтенному капитану Михаилу Тихонычеву за разъяснения сложных для меня вопросов парусной техники. Журналисту газеты «Заполярная правда» Татьяне Зачупейко за невероятные материалы о людях и событиях на гулаговских стройках, о находчивости заключённых, использующих энергию ветра для выполнения плана, а может быть и для спасения своей жизни. Елкену Октури (дизайнер, Франция), Дженнифер Финн («National Fisherman», США), Ричарду Саутеру («Sauter Carbon Offset Design», США), Стиву Коппису (University of Chicago, США), Анне Стаак («SkySails GmbH», Германия) за предоставленные материалы и советы. Эрику Леружу («Erik Lerouge Yacht Designs», Франция) за ценные материалы по истории пирамидного паруса. Особо хочу отметить, что настоящая книга была бы невозможна без поддержки моих близких и родных. От автора Vlasov Veter 19.indd 6 Vlasov Veter 19.indd 6 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
Введение Ветер смело можно отнести к самым романтическим явлениям природы, с ним неразрывна эпоха великих географических открытий и похождения джентльменов удачи. На ветру развеваются флаги, но ветры стирают с лица Земли и целые города. Да и полетел человек, опираясь не только на силу своего разума. Ветер является возобновляемым источником энергии. Образуется он, прежде всего, в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. А учитывая тот факт, что Солнце, если не в физическом, то в биологическом смысле, является для человечества источником вечным, то и ветер можно отнести к вечным источникам энергии. В энергетическом балансе Земли на долю ветра относят всего 2% мощности приходящего солнечного излучения. Однако, несмотря на кажущуюся скромность этой цифры, в абсолютном выражении это составляет порядка 3·109 МВт. Оставить без внимания такой объём бесхозной энергии было бы беспечно, и в конце 70-х годов прошлого века ветроэнергетика становится глобальной отраслью, в которой участвуют энергетические гиганты с ежегодными инвестициями в сотни миллиардов долларов. По данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики (WWEA) к концу 2015 года установленная мощность ветрогенераторов на Земле достигла 4,28·105 МВт. Однако не весь ветер может стать полезным, то есть таким, энергия которого может быть направлена на выполнение полезной для человека работы. Энергия ветра рассеяна в огромном пространстве атмосферы, и попытка эффективно собрать её одним устройством наталкивается на технические трудности. Регионы с высоким потенциалом энергии ветра распределены по карте Земли неравномерно и в большинстве своём удалены от мест массового потребления энергии. Сам ветер отличается Vlasov Veter 19.indd 7 Vlasov Veter 19.indd 7 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
стихийностью, он неустойчив и неоднороден. Концентрация энергии ветра колеблется в широких пределах от 2 Вт/м2 при лёгком ветре 2 м/с и до 40000 Вт/м2 при скорости ветра 40 м/с во время урагана. Именно по этой причине коэффициент использования установленной мощности ветрогенераторов составляет всего 20%. Преобразование стихийной энергии ветра в форму, удобную для полезного применения, осуществляют ветродвигатели, которые подразделяются на первичные и вторичные. К первичным ветродвигателям относят устройства, преобразующие энергию ветра непосредственно, без трансмиссий и передаточных механизмов. К представителям этой группы относится Парус, преобразующий энергию ветра в поступательное движение транспортного средства, Воздушный змей со всеми его разновидностями (змейковый поезд, крыло Рогалло, кайт, парафойл), роторы Флеттнера, преобразующие энергию ветра в силу Магнуса. Вторичные ветродвигатели преобразуют энергию ветра опосредовано, через промежуточные механизмы или устройства для её накопления. К этой группе относятся устройства, преобразующие энергию ветра в энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в другие виды механической энергии (Ветряная мельница) или в электрическую энергию (Ветрогенератор). Предлагаемая книга задумана первой в ряду книг об энергии ветра и посвящена она истории и развитию первичных ветродвигателей. В ней впервые обобщаются современные тенденции ветроэнергетики транспортных средств, анализируются исследования и конструкторский опыт ведущих мировых разработчиков и производителей. Книга адресована широкому кругу читателей, исследователям, разработчикам объектов альтернативной энергетики и транспорта, изобретателям. Обширная библиография отечественных и зарубежных работ поможет специалистам глубже изучить рассматриваемые вопросы. Введение Vlasov Veter 19.indd 8 Vlasov Veter 19.indd 8 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
ГЛАВА 1 ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЛИЦА Vlasov Veter 19.indd 9 Vlasov Veter 19.indd 9 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
Vlasov Veter 19.indd 10 Vlasov Veter 19.indd 10 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
1.1. Воздушный океан С атмосферой нам повезло! Атмосфера защищает нас от пагубного воздействия солнечной радиации и космических лучей. Она предохраняет поверхность Земли от губительного зноя и леденящего холода, от запредельных суточных и годовых колебаний температур. Содействуя сложному взаимодействию гидросферы и литосферы, атмосфера обеспечивает всем необходимым всё живое, формирует рельеф земной поверхности и погоду. А ещё атмосфера создаёт среду для распространения звука и электромагнитного излучения и защищает Землю от метеоритов, немалая доля которых сгорает, не долетая до поверхности планеты. Так сложилось, что из всех планет Солнечной системы только Земля обладает атмосферой, благоприятной для развития и процветания высших форм жизни. Биогеохимические преобразования для этого могут осуществляться только в узком температурном диапазоне существования воды в жидком состоянии, а Земля на наше счастье расположена от Солнца на таком расстоянии, что средняя температура земной поверхности в настоящее время не превышает 15°С. Но если бы светимость Солнца была в 3-4 раза большей, Земля неизбежно превратилась бы в Венеру с плотной углекислотно-паровой атмосферой, а если меньшей, то замерзла, подобно Марсу. FAI (Federation Aeronautique Internationale) – международная авиационная федерация (спортивная), основана в 1905 в Париже, объединяет авиационные организации 85 стран (активные члены). СССР – член FAI с 1935. Vlasov Veter 19.indd 11 Vlasov Veter 19.indd 11 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM
Атмосферой Земли называют газовую оболочку, удерживаемую на шей планетой силами гравитации. Поскольку резкой границы между атмосферой и межпланетным пространством не существует, атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Единого мнения относительно верхней границы атмосферы нет. Международная авиационная федерация (FAI) принимает в качестве технической границы между атмосферой и космосом «Линию Кармана» – условную линию на высоте 100 км над уровнем моря, получившую своё название в честь американского инженера и физика венгерского происхождения Теодора фон Кармана (Theodore von Karman). Карман первым определил, что примерно на этой высоте атмосфера настолько разрежённая, что аэродинамическая авиация становится невозможной, так как скорость летательного аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, приближается к первой космической скорости, и поэтому для достижения высот за линией Кармана необходимо пользоваться средствами космонавтики. Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA) оперирует значением 122 км. Это та высота, на которой американские многоразовые космические корабли Шаттлы переходят от маневрирования с участием двигателей к маневрированию с «опорой» на воздушные массы. Но атмосфера Земли продолжается и за линией Кармана, достигая по различным источникам высоты ста тысяч километров, где она состоит в основном из атомов водорода, способных покидать атмосферу. Формирование атмосферы Земли началось приблизительно 4 миллиарда лет назад с началом на нашей планете тектонической активности [69]. Вулканическая деятельность заложила основы современной атмосферы, постепенно насыщая её углекислым газом, аммиаком, водяным паром. С появлением океанов и биосферы атмосфера формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животны Теодор фон Карман 11.V.1881 – 6.V.1963 ГЛАВА 1. Действующие лица Vlasov Veter 19.indd 12 Vlasov Veter 19.indd 12 4/4/17 6:15 PM 4/4/17 6:15 PM