Ветроэнергетические установки способны не только давать электрическую энергию, но и укрощать тропические ураганы.

Наука и жизнь // Иллюстрации

1. Схема автогенератора с положительной обратной связью.

Наука и жизнь // Иллюстрации

2. Циклон над Тихим океаном и его математическая модель.

3. Структурная схема энергетической системы с отрицательной обратной связью аналогична схеме автогенератора и отличается от нее только характером обратной связи.

4. Экспериментальная установка по торможению модели циклона.

ОЦЕНКА ЭНЕРГИИ ТРОПИЧЕСКОГО ЦИКЛОНА

Согласно метеорологической науке, тропический циклон представляет собой атмосферную систему с низким давлением и воздушными потоками, закрученными в спираль со скоростью ветра более 17 м/с. Теплое ядро циклона формируется над тропической акваторией океана с температурой 26-27°С. Прогретый воздух, насыщенный влагой, поднимаясь с поверхности океана на большую высоту, охлаждается. Вследствие этого водяные пары конденсируются, выделяя тепло, которое питает энергией зарождающийся циклон. При возникновении подобного лавинообразного процесса в области, лежащей между 5-ю и 20-ю градусами северной широты, под воздействием земной силы Кориолиса образуется крупномасштабный циклонический вихрь. Он вращается вокруг практически вертикальной оси против часовой стрелки и окружен массой относительно холодного и неподвижного воздуха. Развитие циклона продолжается до момента равновесия между тепловой энергией испарения и охлаждением океана в силу перемешивания его вод.

Оценим кинетическую энергию циклона, как вращающегося столба воздушного потока высотой L и радиусом R при средней плотности воздуха r = 0,8 кг/м³. Воспользовавшись известной из школьного курса физики формулой, получим:

(1)

где V - скорость воздушных потоков в циклоне.

Согласно (1) при V = 17 м/с, L = 10 км и R = 7 км кинетическая энергия циклона W_Ц 10¹⁴ Дж; при V = 27 м/с, R = 150 км W_Ц = 10¹⁷ Дж.

Попутно укажем, что энергия, выделяющаяся при взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 20 килотонн, составляет 10¹⁴ Дж, а 20-мегатонной водородной - 10¹⁷ Дж. Из приведенных цифр видно, что при зарождении тропического циклона его энергия сравнима с энергией атомной бомбы, а на конечном этапе развития - водородной. Отсюда ясно, какой разрушительной силой обладает тропический циклон из-за высокой скорости вращения.

ПРИНЦИП ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Есть такая наука - теория колебаний, позволяющая единообразно исследовать самые различные по своей физической природе колебательные процессы. С позиций этой теории циклон - спиральное образование вокруг вертикальной оси - можно трактовать как объемный автоколебательный процесс, стремящийся к состоянию равновесия между энергией, питающей циклон (тепловая энергия испарения), и суммарной энергией всех потерь (охлаждение за счет океана, сопротивление воздуха, трение о поверхность, преодоление препятствий и т. д.). Рассмотрим в этой связи работу обычного автогенератора, структурная схема которого приведена на рис. 1,а. Схема включает колебательный контур, цепь обратной связи и усилитель. Если цепь обратной связи разорвать, то колебания в контуре из-за имеющихся в нем потерь погаснут (рис. 1,б). Для поддержания автоколебаний на определенном уровне (рис. 1,в) контур все время надо пополнять энергией, компенсирующей энергию потерь. Этой цели и служит цепь положительной обратной связи, с помощью которой небольшая по мощности часть колебаний, отобранная из контура, усиливается и вновь возвращается в него, не давая колебаниям затухнуть. Одним словом, сколько энергии теряется в контуре, столько в него за счет обратной связи и следует дополнительно "впрыснуть".

Вернемся к циклону - тому же автогенератору, только иной физической природы, гигантского объема и мощности. На плоскости X-Y моделью, отражающей работу такого автогенератора, могут служить спирали, "наматывающиеся" на общую окружность, - так называемый устойчивый предельный цикл, соответствующий состоянию равновесия в системе, когда дополнительная энергия, вбрасываемая в систему, равна энергии потерь (рис. 2). Движение каждой из точек спирали во времени t определяется зависимостями X(t) и Y(t), близкими к синусоиде, в результате чего траектория движения точки на плоскости X-Y оказывается спиралью. Для уменьшения энергии такого объемного автогенератора, служащего моделью циклона, необходимо резко уменьшить радиус предельного цикла R, для чего в систему нужно внести дополнительные потери. Но как это осуществить?

СПОСОБ ВНЕСЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ В ИССЛЕДУЕМЫЙ ПРОЦЕСС

От общей рекомендации по уменьшению энергии циклона обратимся к конкретному предложению, основанному на применении ветроэнергетических установок.

При анализе работы ветрового электрогенератора рассматривают три вида энергии в процессе ее преобразования:

- кинетическую энергию в единицу времени воздушного потока, прогоняемого через площадь S = r², где r - радиус пропеллера, со скоростью V;

- механическую энергию вращающегося пропеллера;

- электрическую энергию ветрового электрогенератора, что позволяет получить следующую формулу для его мощности:

(2)

Запитаем полученной электрической энергией электродвигатель, на оси которого закрепим пропеллер. Работа, совершаемая таким вентилятором, с учетом кпд электродвигателя за время Т_В (в секундах) составит:

(3)

При r = 32 м , V = 30 м/с из (3) получим: W_В 10⁷Т_В Дж.

Разместим группу подобных ветровых генераторов-вентиляторов в зоне действия циклона. Направление вращения пропеллеров вентиляторов установим по часовой стрелке, то есть противоположным направлению вращения вихревого воздушного потока (циклоны в Северном полушарии всегда вращаются против часовой стрелки), что должно способствовать торможению развития циклона.

Таким образом, в рассматриваемой модели часть кинетической энергии циклона сначала преобразуется в электрическую энергию группой ветровых электрогенераторов. Затем она превращается в энергию, "впрыскиваемую" с помощью вентиляторов в форме направленных воздушных потоков в основной, "материнский" поток в противоположном ему направлении и потому тормозящую его развитие. Такая энергетическая система с отрицательной обратной связью по энергии может быть представлена в виде структурной схемы, приведенной на рис. 3. Оценивают работу данной системы в первую очередь два параметра. Первый - отношение "организованной" энергии W_В, вбрасываемой в основной воздушный поток вентиляторами, к кинетической энергии этого потока W_Ц. Назовем его энергетическим коэффициентом обратной связи γ = W_В/W_Ц. Второй параметр характеризует инерционные свойства системы, связанные с временем поднятия прогретого, насыщенного влагой воздуха с поверхности океана до момента конденсации водяных паров и выделения ими тепла, питающего энергией циклон. При вертикальной скорости поднятия воздуха V < 0,1 м/с и высоте, на которой происходит конденсация паров, 10 км получим для данного времени Т_П > 10⁵ с 28 ч. За время Т_П вентиляторы должны "впрыснуть" в циклон такое количество "организованной" энергии, которое начнет тормозить его развитие.

Таков в общих чертах физический механизм возможного предотвращения развития тропического циклона на начальном этапе, когда его разрастание можно остановить с помощью группы ветровых генераторов-вентиляторов. Их можно разместить на специальных высокоскоростных кораблях, управляемых по радио и направляемых в зону зарождения циклонического образования после его обнаружения с помощью метеорологических спутников.

Сравнивая предложенную схему торможения развития циклона (рис.3) со схемой обычного автогенератора (рис.1), отметим одно важное различие между ними. В обычной схеме обратная связь положительна, с ее помощью автоколебания "разгоняются" по мощности. В случае циклона она должна быть отрицательной, гасящей автоколебания.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Высказанные предположения были проверены на модели. На дне цилиндрического сосуда диаметром и высотой по 25 см стоял вентилятор, создающий вихревой воздушный поток 0,05 м³/с (имитация циклона), вращающийся против часовой стрелки (рис. 4). Над ним размещались четыре маленьких вентилятора, вращающиеся по часовой стрелке, с суммарной мощностью ветровых потоков около 0,005 м³/с (значение коэффициента обратной связи γ = 0,1). На дне сосуда налита вода, подогреваемая снизу до температуры кипения и образования пара. При включении только большого вентилятора в сосуде образовывался циклический поток ламинарного типа разогретого воздуха. При одновременном включении всех пяти вентиляторов ламинарный поток преобразовывался в турбулентный. Для лучшего наблюдения за процессом преобразования ламинарного потока воздуха в турбулентный в воде растворяли металлический йод, придающий парам розовую окраску.

Таким образом, лабораторный эксперимент подтвердил, что затормозить мощный вихревой циклический процесс с помощью специально организованных "малых" потоков, закрученных в противоположную сторону, вполне возможно.

Попутно заметим, что обычно стараются избавиться от турбулентного, вихревого движения газа и жидкости, создающего дополнительные потери, и сохранить ламинарный, упорядоченный процесс движения. Здесь же предлагается прямо противоположный рецепт: ламинарный поток преобразовать в хаотический, турбулентный, который и будет препятствовать развитию циклона.

Для полной проверки предложенной идеи о разрушении циклона на начальном этапе его развития требуется, конечно, более полномасштабный эксперимент.

Из проведенного анализа и лабораторного эксперимента следует, что:

- энергия, разрушающая циклон, должна быть сопоставима с его кинетической энергией, ориентировочно 1:10, поэтому тормозить циклон необходимо на начальном этапе его зарождения;

- энергия торможения в качестве своего источника должна использовать сам циклон путем прямого отбора из него части энергии с помощью воздушных вентиляторов;

- можно применить принцип отрицательной обратной связи, "впрыскивая" в циклон дополнительную энергию в противоположном от основного движения направлении;

- нужно упорядоченные, вращающиеся по спирали воздушные потоки превратить в хаотические, турбулентные, которые не дадут циклону беспрепятственно развиваться.

Приведенные выше данные показывают, что для рабочей ветроэнергетической системы разрушения циклона на начальном этапе его зарождения достаточно принять коэффициент обратной связи γ = 0,1, а для расчета энергии вентиляторов время Т_В = 20 000 с < Т_П. В результате для энергии одного вентилятора при его мощности Р = 5 МВт получим: W_В = Р •Т_В = 10¹¹ Дж. Следовательно, при энергии циклона на начальном этапе W_Ц = 10¹³ Дж и коэффициенте γ = 0,1 для его разрушения потребуется только 10 генераторов-вентиляторов. В случае повышения энергии до W_Ц = 10¹⁴ Дж их число придется увеличить до 100.

Подробности для любознательных

СИЛА КОРИОЛИСА

Когда тело движется во вращающейся системе координат (например, по поверхности земного шара), приходится учитывать силу, возникающую за счет вращения системы. Для учета ее влияния вводится сила инерции, именуемая силой Кориолиса, по имени французского физика XIX века Гюстава Гаспара Кориолиса, который исследовал явление и ввел само понятие. Сила эта равна произведению массы тела на кориолисово ускорение: α_кор = 2ω_перv_отн sinα, где w_пер - угловая скорость вращения системы, α - угол между направлением скорости тела v_отн и осью вращения системы, и направлена в противоположную сторону. Действие силы Кориолиса приводит к тому, что тело, движущееся во вращающейся системе непараллельно оси ее вращения, отклоняется в направлении, перпендикулярном направлению скорости. На Земле этот эффект, обусловленный ее суточным вращением, приводит к тому, что падающие тела отклоняются к востоку, а движущиеся вдоль меридиана отклоняются в Северном полушарии вправо, а в Южном - влево от направления движения. Эти отклонения вследствие медленного вращения Земли (ω_пер = 10^-5 с^-1) заметно сказываются только при очень высоких скоростях движения (например, при дальней артиллерийской стрельбе или запусках ракет) либо когда движение длится очень долго - при возникновении морских и воздушных течений, а также при размывании реками соответствующих берегов. В науках о Земле последнее явление называется законом Бэра.

Литература

Каганов В. И. Ветроэлектроэнергетика как составная часть мировой энергетики // Наукоемкие технологии, 2002, т. 3, № 2.

Каганов В. И. Ветроэнергетический метод предотвращения развития тропического циклона // Письма в ЖТФ, 2006,т.32, вып.6.

Качурин Л. Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы . - Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

Лучков Б. И. Ураганы - вечная проблема? // Наука и жизнь, 2006, № 3.

Погосян Х. П. Циклоны. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

№8, 2006