Аннотация. Статья посвящена представлению нового направления в возобновляемой альтернативной экологичной энергетике – атмосферной энергетике АЭ. Предназначена для широкого круга научно–технических работников. В работе отмечается достижения и существующие проблемы альтернативной энергетики в областях, которые получили в последнее время наибольшее развитие – ветровая и солнечная энергетика. Их зависимость от климатических и погодных условий, времени суток и коллапс при погодной стихии. Выдвинута концепция получения чистой энергии – посредством атмосферного давления в качестве надежного источника альтернативной возобновляемой энергии. Преобразование возобновляемой потенциальной энергии атмосферы, проявляемую давлением от гравитации Земли в кинетическую с помощью специально разработанных движителей – ВАД и МАД. Которые, могут безопорно и прямолинейно двигаться при условии создания вакуума в них. Обосновано применение движителей в качестве силовых приводов для генерации электроэнергии и движения транспорта. Приведены примеры аналитических расчетов с рекомендациями по созданию необходимых мощностей ВАД или МАД для движения автомобиля весом 700 кг, также для электрогенераторов, производительность которых может достигать 11,4 Гвт/час. На создание вакуума расходуется для питания ВАД всего 67 МкВт*час или 0,6% от получаемой энергии, остальная энергия преобразуется от потенциальной энергии АД. Обосновано создание самодостаточных генераторов мощностью до 10 кВт, производящие энергию, с временным электропитанием привода или ленточной пружиной, затем только за счет энергии АД. Определена эффективность применения ВАД или МАД в автомобилях. В сравнение с электромобилем, соотношение затрачиваемой энергии – 2 кВт против 50 кВт. или 1: 25, где 2 кВт затрачивается только на поддержание вакуума, остальная кинетическая энергия преобразуется движителем от потенциальной энергии АД. Технический результат – ВАД и МАД: в качестве силовых приводов могут, применены во всех видах наземного, подземного и надводного транспорта, для производства электроэнергии в генераторах различной мощности, так же в различных технических устройствах. Отличаются стабильностью в работе, не зависят от климатических и погодных условий, а также от времени суток. Обладают экологичностью, дешевизной и высокой энергоэффективностью. В заключение в 10 пунктах изложены преимущества и перспективы развития атмосферной энергетики.

Обзор

Многие страны участники Парижского климатического соглашения в целях значительного уменьшения парниковых выбросов приняли программы по поэтапному переходу экономик на без углеродных источников энергии основанную на ветровой и солнечной энергетике. В последние годы инновации в этих областях, позволили уменьшить себестоимость энергии в сравнение с традиционными источниками, увеличить их мощность в общем объёме производства электроэнергии. Основными сдерживающими факторами в дальнейшем развитии этих производств являются нестабильность в суточной генерации – временной фактор–день/ночь, вынуждающие увеличивать затраты на аккумулирующие системы и инверторы электричества, большая зависимость от климатических и погодных условий, коллапс при стихийных бедствиях – все это ложится тяжелым бременем на конечного потребителя.

Переход на водородную энергию затруднен в связи с технологическими трудностями, большими затратами, высокой себестоимостью и вопросами безопасности, что многим развивающимся странам не по силам. В последние время, под влиянием геополитических событий в мире, так же не способностью имеющихся источников возобновляемой энергии полностью заменить традиционные источники энергии – многие страны вновь склоняются в пользу традиционной топливной энергетики, в виду её надежности в бесперебойном снабжение электроэнергией, устойчивости к погодным условиям и накопленным годами заделом в капитальные вложения отрасли, при этом сохраняются углеродные выбросы усугубляющие экологическую и климатическую ситуацию в мире. Вновь возник интерес к атомной энергетике, которую стали относить к зеленой энергии, так как у нее отсутствуют углеродные выбросы – хотя ее ядерное топливо не возобновляется. Представители атомной отрасли убеждают общественность в ее абсолютной безопасности на основе последних проектных решений при строительстве современных атомных электростанций, однако, по–прежнему остается сложной проблемой утилизация отработанного урана и зараженной воды и пара. Надо иметь в виду, что по данным МАГАТЭ разведанные запасы урана хватить на 120 лет. Стоит отметить, что возведение атомных электростанций отличаются большими затратами, металлоемкостью соответственно рост углеродного следа, сроки окупаемости которых исчисляются десятилетиями. Таким образом, в связи с нарастающим количеством природных катаклизмов по причине ухудшающей экологии и климатическими изменениями, проблемами в сфере альтернативной энергетике и все возрастающими энергетическими потребностями – человечеству необходим новый надежный безопасный возобновляемый источник энергии не зависящий от погодных условий и времени суток, имеющий низкую себестоимость, который реально избавил Землю от разрушающей углеродной зависимости.

Введение

1.1 Опорное движение

Опорное движение повсеместно происходит в окружающем мире с помощью отталкивания от опоры (земля, воздух и вода) и в существующих транспортных средствах. КПД таких устройств колеблется от 30–40 % у автомобилей с ДВС и 70–90% с электродвигателем. По мнению автора при определении КПД кроме тепловых и механических потерь не учитываются потери от доставленной остаточной энергии к месту приложения силы (колесо–земля, пропеллер–воздух, гребной винт–вода) между двумя телами для создания сил упругости, трения соответственно придания им противоположных скоростей.

Движение, которое происходит как результат сил взаимодействия двух тел, которые получают взаимный импульс от противоположных скоростей (V₁ иV₂) в зависимости от их масс (M₁ и M₂) – Третий закон Ньютона:

М₁*V₁ = M₂*V₂

Транспортные средства зависят от состояния поверхности дорог – низкая проходимость, энергетически не эффективны, с ДВС загрязняют окружающею среду, имеют массу передаточных механизмов в связи с чем увеличивается вес металла, затраты на его производство, кроме того высокий процент углеродного следа.

F_рез = F_атм – F_ост+ F_р

Работа ВАД по элементам

Конус с четырьмя спиральными лопастями (1–3)

а) создание вакуума у задней стенки пластины (3) внутри конуса;

в) возникновение реактивной сил + F_р, конуса от ниспадающего потока воздуха, которая тоже передает усилие движителю и совпадает по направлению движения с прямолинейным движением всего устройства.

Для эффективной работы движителя параметры конуса должны быть приближены к золотому сечению пирамиды по следующим соотношением: угол у вершины конуса около 77^о, в осевом сечение составляет равнобедренный треугольник с углом около 76^о у основания.

Конус не связан с неподвижной пластиной, находящейся у её основания в виде окружности тарельчатой формы, края которой частично находятся в конусе и параллельны ее стенкам с минимально допустимым зазором 0, 5 мм с целью создания и сохранения вакуума. Вакуум образуется путем засасывания воздуха из полости конуса у её края и края силовой пластины набегающим потоком воздуха от спиральных лопастей (закон Бернулли).

Скорость вращения конуса зависит от диаметра конуса, который не должен превышать 40 см при количестве оборотов не менее 18 об/мин и напряжением не менее 220 вольт.

Для избежание деформации конуса от центробежной силы, возникающей при высокой скорости вращения, он должен быть изготовлен из легкого и прочного материала с пределом прочности на растяжение не менее σ_В>3000 кг/см² из высокопрочной стали кл.4,5 или композитного материала.

Силовая пластина (3)

Силовая пластина неподвижна, имеет тарельчатую форму, края которой расположены параллельно внутренней стенки конуса с зазором не более 0,5 мм с максимально возможным выпуском за края конуса. При достижении вакуума в конусе на пластину начинает воздействовать F_рез. Соответственно, пластина через крепление приводит движитель в безопорное прямолинейное движение. Изготавливается из алюминиевого или стального сплава толщиной от 15–20 мм. Сила тяги пластины–тарелки зависит от площади основания – S_осн в см² и результирующей силы F_рез на 1 см²

F_тяги =S_осн *F_рез

Лопасти

Для лучшего аэродинамического эффекта устанавливаются в виде логарифмической спирали под углом 45 ^о к поверхности конуса и под углом 30 ^о к основанию конуса. Скорость перемещения движителя зависит от количества оборотов конуса и ограничивается высотой лопасти от поверхности конуса в вертикальной проекции.

3.2 Пример расчета необходимой мощности ВАД для автомобиля весом 700 кг

В конусе при создании вакуума принимаем – остаточное давление конусе =0,1кг/см², тогда результирующая сила

(1) Fp = 0,87–0,1 = 0,77 кг/см²,

тяговая сила движителя составит

(2) Fтяг = S х Fp = 314см² х 0,77 кг/см² = 242 кг,

соответственно мощность ВАД на 1секунде:

(3) N= Fтяг х g = 242 кг х 9,8 м/с² = 2372 кгм/с²

определим скорость автомобиля за 1–ю секунду. применив закон сохранения импульса:

(4) N = М хVа; Vа = 2372 : 700 = 3,4 м/с.

Значит ВАД может разогнать на 3,4 м за 1 с автомобиль весом 700 кг. Через 10 с. разгона скорость получится:

(5) Vа – 3,4мс х 10с х 3600с = 122 км в час.

Для создания такого ускорения с места легковому электромобилю требуется мощность – 50 кВт.

Отметим, что расход энергии для создания вакуума в движители постоянен при любой скорости – 2 кВт. Определим энергоэффективность ВАД по сравнению с электромобилем соотношением расхода энергии – 50:2=25 раз. При применении ВАД энергия от аккумулятора не затрачивается на перемещение автомобиля, она расходуется только на поддержание вакуума создавая дисбаланс сил АД в движителе. Автомобиль фактически перемещает сила АД, этим объясняется низкий расход электроэнергии от бортового питания.

Проверим допустимую скорость при высоте лопасти h=2 см; п= 18000об/мин: 60с=300об/с ; V=300х2см=6 м/с или 6х3600с (в часе) = 216 км/час >122 км/час значит предельная скорость авто 216км/час до которой авто может развивать скорость с учетом потерь.

Определим развиваемую мощность авто с ВАД при скорости 34 м/с:

(10) Fс = C х G хV² х S/2 (Википедия – влияние лобового аэродинамического сопротивления)

где С – коэффициент аэродинамического сопротивления – 0,4; G – плотность воздуха – 1.25 кг/м³; скорость 34 м/с квадрате –V²; S – усредненная площадь проекции сечения легкового авто – 2м2.

(10) Fс= 0,4 х 1,25 х 34 х 34 х 1 = 578 ватт = 0,6кВт.

Потери мощности на трение в деталях и в трансмиссии в таком авто ВАД в сравнение с другими авто будут отсутствовать т.к. движение – безопорное. Потери будут только на трение – качение шин колес о дорогу (2.5. *Автомобилестроение –Потери энергии на качение шины) в среднем 5-10 процентов от приложенной мощности.

Определяем потери на качение шин берем 7% – 21,2 х 100 : 7 = 0,7кВт. Всего потерь = 2,2 + 0,6 + 0,7 = 3,5кВт; где 2,2 кВт – питание электродвигателя с учетом нагрузки.

Соответственно, расчетная мощность авто – ВАД составит Nр = 21,2 – 3,5 = 17,7кВт.

Устанавливаем следующие параметры: 4 ВАД–д–20см; рабочее колесо д –2м (термин от паровой турбины); длина окружности колеса – 6,28 м; общая потребляемая мощность 4х электродвигателей с учетом рабочей нагрузки – 4 х (1,15 х 4 кВт) = 18,4 кВт; S рабочей пластины = 314см², промышленная частота – 50 герц, линейная скорость вращения V = 50 х 6,28 м=313м/с, принимаем – АД – 0,87 кг/см² на высоте от уровня моря – 1000м.

Определим тяговое усилие от 1–го ВАД

(6) Fтяг= S х АД = 314 см² х 0,87 кг/см² = 273 кг.

Входная мгновенная мощность в генератор от энергии вращения рабочего колеса с 4– ВАД:

(7) Nвх = 4 (Fтяг х V) = 4 (273 кг х 313 мс) = 341796 кгмс х 9,807 вт = 3352 кВт.

Учтем потери мощности в генераторе (ГОСТ России – МЭК 60034–2–1–2009 часть 2 таблицы 3 в примечаниях, КПД измеряемой величины вращающихся электромашин за вычетом всех потерь составляет 95–96 % от входной мощности) составит:

Расходы на электропитание 4х двигателей ВАД в час:

(9) 18,6кВт х 3600 с = 67 Мвт/ч, определим соотношение расхода к получаемой электроэнергии:

100% х 67 : 11462 = 0,6% от получаемой энергии.

Таким образом номинальная мощность электростанции составит – N = 11462 –67 = 11395 Мвт/ч = 11,4 Гвт/ч.

5 таких станций способны обеспечить небольшой город электроэнергией в объёме –57 Гвт/ч.

Как отмечалось, расход энергии идет только на поддержание вакуума в ВАД, и он постоянен.

С помощью ВАД преобразуется почти 100% потенциальной энергии АД. Столь большая выработка энергии объясняется тем, что АД обладает ускорением – 9,8 м/с², прирост энергии происходит за счет разгонного эффекта, чем больше скорость, тем больше энергия – мощность – зависит от силы и скорости: N = F х V.

Казалось бы парадокс. Однако, мы не удивляемся, привыкли, что при создании определенных условий получаем от природы – «реки» без топливной энергии посредством – гравитации, ветра, солнца и прочего.

Энергия ВАД схожа с ветровой энергией, которая образуется в природе перемещением воздушных масс от перепадов АД под влиянием изменяющей температуры воздуха. ВАД можно образно назвать – «техническим парусом», передвигающимся под действием искусственно созданной в нём разницы в давлении воздуха или проще – под действием «искусственного ветра».

Определим влияние лобового аэродинамического сопротивления на 4 ВАД, при тех же параметрах электростанции.

Формула силы лобового сопротивления от встречного воздуха:

(10) Fс = Cх G х V² х S/2,

где С – коэффициент аэродинамического сопротивления – 0,20; G – плотность воздуха – 1,25 кг/м³; линейная скорость движителя в квадрате –V²; S – площадь проекции сечения конуса –314 см² – 0,0314 м². Таким образом потеря от силы сопротивления воздуха:

(11) Fс = 4 (0,2 х 1,25 х 313 х 313 х 0,0314/2) =1538 ватт = 1,5 кВт –

мизерная цифра по сравнению выработанной энергией от 4х ВАД – 11,4 Гвт/ч.

Расчет на прочность вращающего конуса

d – 20 см; объёмный вес стали γ – 7,5 гр/см³; g – 981cм/с²; π – 3,14;

n –18000 об /мин; σ – 3,1 МП предел прочности стали Ст.1 на растяжение (https://www.center–pss.ru).

Определим угловую и линейную скорость в секунду:

(13) V = ωd/2 = 600 х 3,14 х 20/2= 12560 м/с.

Проверяем напряжение обода конуса на растяжение (Н.М. Беляев стр.492), использовав линейную скорость V по формуле:

(14) σ = γ V2/ g = 7,5 х 379003024/981 = 2897577 г/см² = 2898 кгсм² < 3100 кг/см² = 3,1 МП,

(15) σ = γ х ω² х d²/4g = 7,5 х 1600 х 9,86 х 600/39,24 = 2886716 г/см² = 2887 кг/см² < 3100 кг/см² = 3,1 МП.

Одинаковые значения «σ» удовлетворяют запасу прочности. Для увеличения мощности ВАД можно увеличивать диаметр конуса до предельных значений коэффициента прочности– σ – Ст1,2,3,4 –410 МП, веса и скорости вращения.

Прирост мощности ограничен потерями от силы трения, аэродинамического сопротивления воздуха, так же прочностными характеристиками конструкции.

Очевидно, что ВАД обладает большим запасам мощности от нарастающей скорости вращения рабочего колеса от ускорения АД с незначительным аэродинамическим сопротивлением воздуха – Fс из-за малого поперечного сечения ВАД. Однако, мощность ограничена техническими характеристиками и возможностями применяемых материалов и устройств. Для увеличения мощности при сохранении габаритов ВАД возможно применение композитных материалов с высокими прочностными характеристиками. Для предотвращения деформации генератора от сверх оборотов, следует предусмотреть автоматические тормозные закрылки, срабатывающие при достижение промышленной частоты, то при увеличении нагрузки в сети они могут регулировать мощность генератора путем расторможения закрылок и увеличения скорости вращения колеса до необходимой частоты. При вращении колеса с ВАД возможно возникновение вихревых потоков, которые могут набрать большую мощь. Во избежание аварии, необходимо предусматривать специальные гасители непосредственно в месте возникновения вихря или устанавливать парные генераторы с противоположным вращением рабочих колес для взаимной компенсации вихревых потоков.

3.4 Самодостаточные генераторы (схема 2)

Возможно создание генераторов с ВАД, в которых конус не вращается вокруг себя, нет электродвигателя и лопастей. Конуса с силовой пластиной устанавливаются на рабочее колесо, которое предварительно раскручивают вокруг ротора генератора. Стартовое вращение может обеспечиваться ленточной пружиной или электродвигателем обратимым в генератор до достижения скорости необходимой для образования вакуума в полости конусов, после чего внешнее действие прекращается, соответственно под влиянием АД на силовую пластину в конусе рабочее колесо генератора продолжает вращение в самодостаточном режиме. Для создания вакуума в конусах скорость должна достигнуть ускорение АД g = 9,8 м/с² и более, что вполне достижимо. Генераторы могут быть мощностью до 10 кВт. Мощность ограничена в связи с трудностью предварительного раскручивания рабочего колеса с конусами.

Авторское право Германии стандарта Евросоюза,

1. EC–01002671https://interoco.com/all–materials/literary–work/2988–2020–02–03–07–46–02.

Рисунок 3. Схема устройства и описания работы безопорного МАД – магнитно-атмосферного движителя: 1. U-образный электромагнит (в дальнейшем – магнит). 2. Компенсаторная пластина (в дальнейшем – пластина). 3. Два поршня. 4. U-образный трубчатый цилиндр. 5. Жидкость. 6. Корпус движителя. 7. Крепления. 8. Блок электропитания. 9. Блок управления.

U – образный магнит (1) на импульсном токе с магнитной индукцией более 1 тесла, напряжением 12 вольт, закреплён на корпусе движителя (6) параллельно пластине (2) на расстоянии не более 10мм, закрепленной на два параллельных поршня (3), которые находятся в двух концах трубчатого цилиндра (4) заполненной жидкостью (5), обладающей высокой текучестью (масла, глицерин). Корпус движителя, крепления, поршни и цилиндр изготовлены из диамагнитных материалов. МАД разработан с целью получения кинетической энергии при безопорном движении посредством взаимодействия магнитного и гравитационного поля, проявляемого через АД.

Принцип работы

а) при пассивном состоянии Fатм. в каждом цилиндре (4) взаимно уравновешено;

Выбран U – образный магнит (1), в котором взаимодействуют два полюса, магнитные линии которых замыкаются на пластине (2), что обеспечивает 100% эффективность магнита.

Fатм > F1

Fатм = Sпор х АД > F1

Sпор – площадь 2х поршней, АД зависит от нахождения МАД к уровню моря.

Пренебрегаем силу трения поршней о стенки цилиндра, т.к. используются масла, низкие значения трения достигаются точностью исполнения конструкции.

3.6 Пример расчета мощности 6–и МАД для автомобиля М= 700кг

Fатм > Sпоршня х АД = 614 х 0,87 = 535кг > 450 кг

N = 5имп х 6шт. (F1 х V) = 5х6 (450 кг х 0,2 м/с) = 2700 кгм/с х 9,807 вт =26 кВт,

тогда ускорение автомобиля составит:

а = N:М = 2700 кгмс² : 700 кг = 4м/с².

Через 10 с скорость автомобиля Vавт. достигнет 40 м/с или 40 м/с х 3600 с = 144 км/ч.

Потери на электропитание магнита незначительны – 5имп х 12 х 0,6А = 36 вт, поэтому ими пренебрегаем.

Столь низкий расход электроэнергии объясняется сильным электромагнитным полем создаваемый ферроникелевым сплавом с высокой магнитной восприимчивостью, что позволяет при малых токах получать сильные электромагнитные поля, в данном случае притяжение с силой – 450 кг. Потери на аэродинамическое сопротивление воздуха и на шины описаны выше и составляют всего –1,3 кВт (0,6+0,7). Таким образом, расчетная мощность авто с МАД составит:

Nр = 26–1,3=24,7кВт.

Технический результат ВАД и МАД; в качестве силовых приводов могут быть применены во всех видах наземного, подземного, надводного транспорта, для производства электроэнергии в генераторах различной мощности и в технических устройствах (шахты, насосы и пр.). Отличаются – стабильностью в работе в любых климатических, погодных условиях и времени суток, экологичностью, дешевизной и высокой энергоэффективностью.

Заключение

Преимущества и перспективы атмосферной энергетики

1. АЭ позволяет производство дешевой и бесперебойной по времени подачи электроэнергии, обеспечение различных видов транспорта энергоэффективными вариантами движителей, работающих с помощью АД.

2. Стабильная работа, не требующая постоянного наличия солнца или ветра;

3. Повсеместное использование в масштабах всей планеты в любых климатических и погодных условиях позволит в течение 3–5 лет значительно уменьшить парниковые выбросы в атмосферу.

4. В движителях ВАД и МАД отсутствует противо – ЭДС, так как нет прямой связи между движителем и нагрузкой, что способствует существенному уменьшению расхода энергии. Также возможность безопорного перемещения транспорта.

5. Мощность любой установки на транспорте, можно варьировать количество небольших движителей, подключаемых по мере необходимости автоуправлением. На надземном и подземном транспорте возможна рекуперация энергии путем установки генераторов на опорных осях, которые обеспечат восполнение энергии, в том числе на отопление салона.

6. Крайне низкая себестоимость энергии при сравнении с остальными источниками энергии включая традиционные – тепловые, гидро и атомные станции в связи с небольшой металлоёмкостью, простой конструкцией и без существенных капитальных вложений, соответственно дешевая энергия позволит поднять благосостояние всего человечества.

8. МАД применим в различных электромобилях, в производстве электроэнергии мощности до 100 кВт, в различных технических устройствах – шахтные и лифтовые подъемники, насосные станции и прочее.

9. Возможность установки атмосферных электростанций в заброшенных и действующих шахтах, где АД выше, ещё более удешевить электроэнергию и отпадания необходимости строительства специальных помещений.

10. Постепенный отказ от крупных тепловых электростанций путем строительства локальных станций АЭ не посредственно в городах, крупных кварталах, поселках и производствах, обеспечивающих их энергией посредством кабельных разводок, не зависящих от климатических и погодных условий.

11. Низкая стоимость электроэнергии позволит производить водород в неограниченных количествах.

P.S. Требуются дальнейшие исследования и разработки нового перспективного источника получения чистой энергии с помощью атмосферного давления. Затраты и усилия сторицей окупятся сулящими огромными выгодами применения устройств, преобразующих не иссекаемый потенциал атмосферы в чистую и безопасную энергию, необходимую сейчас как никогда для страждущего человечества. В ближайшем обозримом будущем атмосферная энергетика наряду с другими источниками возобновляемой энергии избавит нашу планету от пагубной углеродной зависимости и превратит нашу Землю в единый цветущий сад.

Литература

1. Справочник по физики и технике /А.С. Енохович – Москва: Просвещение, 1996 – 241с.

2. Физика. Справочные материалы / О.Ф. Кабардин – Москва: Просвещение, 1991 – 367с.

3. Курс электротехники /Д.Г. Максимов – Москва Издательство Мин. обороны СССР, 1983 – 787с.

4. Механика В.Г. /Зубов – Москва: Наука,1978 – 351стр.

5. Сопротивление материалов/Н.М. Беляев – Москва: Наука,1976 – 608с.

6. Альтернативные энергоносители наавтотранспорте: эффективность и перспективы/ Л.П. Падалко. Минск: Беларуская навука, 2017. – 263 с.

7. Возобновляемая энергетика / В.В. Елистратов. – Санкт–Петербург. Издательство политехнического университета, 2016 – 421 с.

8. Возобновляемая энергетика: учебное пособие / С.Н. Удалов. Новосибирск: НГТУ, 2016 – 614 с.

9. Возобновляемая энергетика и энергоэффективность: монография / В.И. Русан. – Минск: Энергопресс, 2015 – 380 с.

10. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Ю.Д. Сибикин. – Москва: КноРус, 2017 – 228 с.

11. Солнечная энергетика: учебное пособие / В.А. Волчок. – Гродно: им. Я. Купалы, 2017 – 55 с.

12. Развитие альтернативных источников энергии в решении глобальных энергетических проблем / Г. И. Рац, https://cyberleninka.ru/

13. Альтернативная энергетика: перспективы развития / Н.Н. Теодорович, ttps://cyberleninka.ru/