Я проектирую общество во враждебном климате, которое транспортирует свою энергию с удаленных станций в город с абсолютным минимумом требований к обслуживанию и инфраструктуре. Идея состоит в том, чтобы использовать постоянно циркулирующую ленивую реку для передачи электроэнергии в город. Канал течет непрерывно между двумя точками в петле; в источниках лопасти или винты заставляют жидкость течь, а в пункте назначения текущая жидкость толкает лопасти, соединенные с генераторами. Это открытая гидравлическая трансмиссия, передающая крутящий момент на расстояние.
В конечном итоге мощность поступает в систему и извлекается из нее под действием силы тяжести, поэтому лопасти, вводящие энергию, должны поднимать жидкость на определенное вертикальное расстояние и заставлять ее снова «падать» в желаемом направлении вниз по течению (к городу). Для извлечения энергии требуется, чтобы горизонтальный импульс жидкости был преобразован в подъемную силу (она попадает в своего рода плотину), которая затем должна снова упасть, чтобы привести в действие колесо в городе.
Это все в моей голове прямо сейчас, и мне интересно, может ли чистый положительный крутящий момент действительно передаваться таким образом, как кажется?
Мои предположения заключаются в том, чтобы использовать большой объем чрезвычайно плотной жидкости, такой как ртуть, для передачи большого количества энергии с использованием относительно медленного потока и малых изменений вертикального уровня. Объем работы, которую может выполнить система, должен быть просто произведением направленной вниз силы поднятого объема жидкости, умноженной на вертикальное расстояние, на которое она падает. Ради аргумента предположим, что мои весла поднимают 10 кубических метров ртути на высоту 0,5 метра. Могу ли я восстановить значительную часть этой работы на другом конце, а также вернуть ртуть в генератор? Длина петли канала составляет 10 км.
... так что реальный вопрос должен заключаться в том, является ли это более эффективным, чем использование высоковольтной линии электропередач.
Основным продуктом, конкурирующим с вашей системой каналов, будут высоковольтные линии электропередач постоянного тока (HVDC), которые обычно используются для передачи электроэнергии на очень большие расстояния. Самая длинная и, возможно, самая эффективная система HVDC в мире — это линейная система мощностью 1,1 МВт и мощностью 12 ГВт в Китае, протяженностью около 3300 км. Я не могу найти каких-либо характеристик самого провода, но могу предположить, что он действительно чертовски большой, но сделан из чего-то достаточно экономичного, чтобы делать его очень длинным. Так что, вероятно, это несколько параллельных медных проводов с общим поперечным сечением около 10 000 тыс. см (50,67 см ^ 2), что дает нам общее падение мощности на 22,5% из-за трения. ( https://www.calculator.net/voltage-drop-calculator.html )
Теперь давайте попробуем преодолеть это расстояние, эффективность и пропускную способность с помощью акведука. Плотина Гувера производит 1,1 ГВт электроэнергии, поэтому эквивалентная система должна поддерживать поток воды в 10,8 раз больше, чем у плотины Ховер. Это означает, что эквивалентная гидроэлектростанция нуждается в потоке около 36 087 м ^ 3 / сек воды, сбрасываемой в среднем на 160 м, чтобы вращать генераторы.
Чтобы получить примерно такое же сопротивление от акведука, вам понадобится труба радиусом ~ 77 м. Согласно уравнению Мэннинга ( https://www.lmnoeng.com/manning.php ), это приведет к общему падению примерно на 18,7 м на 3300 км в любом направлении. Это означает, что ваш акведук должен иметь общую высоту в самой высокой точке около 197,4 м, он упадет до 178,7 м, когда доберется до вашего города, упадет до 18,7 м, где он питает ваши турбины, а затем вернется к источнику, чтобы быть поднятым обратно. снова дает вам ~ 23% потери мощности.
Во-первых, трубы — это НАМНОГО большие строительные проекты. Требуемое поперечное сечение примерно в 37 000 раз больше, чем у провода, его также необходимо наращивать до огромной высоты, чтобы покрывать действительно большие расстояния по сравнению с линиями постоянного тока высокого напряжения. Если ваш мир действительно враждебен, подземные линии будут намного безопаснее, чем надземная мегаструктура. Во-вторых, для преобразования этой воды в электричество требуется мощная электростанция внутри вашего города, что лишает смысла производить энергию в другом месте. Напротив, для проводов постоянного тока высокого напряжения требуется простая трансформаторная станция для преобразования постоянного тока высокого напряжения в пригодные для использования переменные токи низкого напряжения.
Все это говорит о том, что вам вполне может не понадобиться 12 ГВт мощности, а 3300 км могут быть намного дальше, чем вам на самом деле нужно, но вы должны иметь в виду, что чем меньше вы делаете свою трубу, тем круче она должна быть; Таким образом, уменьшение размеров на самом деле делает такую систему все менее эффективной.
Это будет менее эффективно, чем вода. Для такой системы вы хотите свести к минимуму источники сопротивления; поэтому вязкие жидкости будут гораздо менее эффективными. Если вы хотите сделать его более эффективным, вы можете использовать спирт или даже жидкий пропан: https://www.engineeringtoolbox.com/absolute-viscosity-liquids-d_1259.html .
Акведуки!
В древние времена было много удивительных инженерных подвигов. Акведуки являются одним из таких подвигов инженерии. Посмотрите на это:
https://en.wikipedia.org/wiki/Загуан_Акведук
Он падает в среднем на 0,3% от общей длины более 90 км (56 миль). Этого небольшого наклона достаточно для непрерывного потока воды. Все путем тщательных измерений в эпоху, когда о лазерах, GPS и других инструментах определения местоположения/уровня не думали веками. Он перемещал от 200 до 370 литров воды в секунду. Хотя это и не сравнимо с современным производством электроэнергии, оно все равно впечатляет.
Допустим, вы делаете такой акведук. Вы уже можете видеть на примере, что вы можете использовать природные ресурсы, чтобы просто войти в акведук и добраться до города! В дополнение к пресной воде у вас будет поток воды, который приравнивается к мощности, когда вы опускаете динамо-машину с водяными колесами в воду.
Для выполнения этой работы вам понадобятся два акведука. Вода немного упадет, создайте свою энергию, а затем попросите второй акведук переместить ее обратно, не поднимая воду. Например, вода проходит километр и падает с высоты 1 метр. Он добирается до города, поток и 1-метровый перепад используются для выработки энергии, а затем он отправляется обратно на километр к электростанциям с еще одним метровым перепадом. Вода теперь на 3 м ниже и требует, чтобы эта высота была накачана электростанциями, чтобы течь обратно в город.
Чтобы получить достаточно энергии, вы можете расширить акведук и сделать спуск более резким, а также увеличить количество акведуков. Как вы предлагаете, утяжеление жидкости с меньшим трением поможет. Однако, насколько это выходит за рамки моей компетенции.
Проблемы
Проблема в том, что энергосистема, вероятно, более эффективна и требует меньше обслуживания. Даже пассивный акведук требует регулярного обслуживания. Больше, чем несколько опор ЛЭП.
Это реальная проблема? Не для меня. Мне очень нравится транспорт энергии, который вы описали. Иногда нам достаточно прохладно. Всегда можно придумать какие-то объяснения этому. Нехватка меди и бетон лучше способны выжить во враждебной среде, например, не привлекая активных сил.
Я был готов назвать эту идею нелепой. Потом я исследовал.
Современные гидротурбины работают с механическим КПД до 90%. Электрические генераторы могут иметь КПД 90% и более. Таким образом, более 80% энергии, подаваемой к генератору, может быть преобразовано в электроэнергию. После этого это проблема локальной сети.
Чтобы течение воды по каналу не теряло много энергии, нужно, чтобы скорость течения была относительно небольшой. Это означает, что вам нужна площадь поперечного сечения канала, которая намного больше, чем площадь проходного сечения через ваши турбины. Таким образом, ширина, умноженная на глубину воды в канале, должна быть намного больше, чем площадь потока через турбины.
Вам понадобятся два канала. Один, расположенный на большей высоте, будет подавать воду к генераторам. Второй на более низкой высоте забирает его обратно. Если у вас нет дополнительной мощности по пути, вам нужно, чтобы уровень дна каналов не сильно менялся по длине или немного опускался. Затем в вашем источнике энергии вы поднимаете воду из нижнего канала в верхний канал. Очень большие песчанки или что-то в этом роде. И вам понадобится источник подпиточной воды для учета испарений, утечек, людей, использующих воду для различных целей и т. д.
Количество энергии, которое вы получаете на килограмм воды в контуре, зависит от того, какое изменение высоты вы можете принять. И это определяет, насколько глубже должен быть обратный канал. Обратите внимание, что это вполне может быть огромной инженерной работой.
Рассмотрим проходное сечение турбины площадью 1 метр в квадрате. И предположим, что вам нужно 100 м ^ 2 в вашем канале. Скажем, 20 метров в ширину и 5 метров в глубину. Если для производства вашей энергии требуется падение на 10 метров, это означает, что вам нужно вырыть канал на 10 метров ниже, чем ваш питающий канал, и шириной 20 метров. Для всей обратной половины цепи. И он не может набрать высоту на обратном пути. На всем протяжении он должен быть на 10 метров ниже питающего канала. Это много канавы.
Хотя и не невозможно. Эта конструкция в Виннипеге, Канада, показывает, что это возможно. И можно поддерживать довольно большие скорости потока.
Так что можно.
НЕТ. ПО КРАЙНЕЙ МЕРЕ НЕ ТАК, КАК ВЫ ДУМАЕТЕ
Текущие жидкости, безусловно, могут питать город. Но вы не можете использовать одни и те же жидкости в замкнутом контуре . Вы должны снова накачать жидкость наверх, потратив по крайней мере то же количество энергии, которое создал поток. Конечно, вы можете использовать турбины с несколькими лопастями ниже по потоку в зависимости от потока, но если вы хотите, чтобы жидкость шла туда, где она началась (петля), вы получите чистую нулевую мощность в «идеальном» сценарии.
Единственный разумный способ «чистой положительной силы» вернуть воду туда, откуда она началась, — это погодные явления, такие как снег и дождь. Даже это на самом деле не является положительным результатом и стало возможным благодаря свету звезды, достигающему планеты. Но масштабы слишком велики, чтобы люди могли почувствовать последствия.
Я думаю, что идея сумасшедшая, но если ее воплотить, получится хороший пейзаж. Вот почему:
Вода течет вниз. Я думаю, что с реально существующими реками что-то от нескольких % до 0,1 % (падение на несколько десятков метров до одного миллиона на км потока). Таким образом, ваша петля представляет собой спираль с подъемной станцией в одной точке.
Допустим, низкий уклон 0,5%, расстояние 40 км, и мы хотим извлечь из воды 5м полезной работы (точнее 5м x плотность xgx объемный расход (м³/с) = мощность станции). Итак, у нас в одном канале перепад высот 200 м, потом 5 м на ГЭС, еще 200 м на обратном пути - подъемной станции нужно будет поднять воду на 405 м. Вода, поступающая на электростанцию, будет иметь некоторую кинетическую энергию, поэтому вы, вероятно, могли бы извлечь больше, чем просто энергетический эквивалент 5 м, но мне нужно подумать, как это сделать.
Я думаю, что на электростанции вы не будете использовать лопастное колесо, вы будете использовать шнековый насос или осевой насос (оба являются хорошими, эффективными системами для ситуаций с высоким расходом и низким напором). На приемной станции я бы построил плотину и маленькую турбину. Чем круче уклон, тем быстрее течение.
Если вы хотите перейти на низкие технологии — скажем, средневековье или ранний модерн, придерживайтесь шнековых насосов или ковшовых элеваторов для подъемной станции и лопастного колеса для нижней станции.
Одним из преимуществ системы с открытым контуром является то, что вы можете хранить энергию в одной части контура. Но это, вероятно, было бы более эффективно с системой закрытых труб и одним большим резервуаром.
Еще одним преимуществом разомкнутой системы является то, что медленные баржи могут перемещаться по кольцу (их нужно поднимать с помощью кранов или чего-то еще в обеих конечных точках).
РонДжон
РонДжон
Джон
Таннер Светт
джеймскф
Вогон Поэт
Вогон Поэт
РонДжон
Вогон Поэт
РонДжон