Технология maglev: никакой магии – только наука
Текст: Екатерина Хворова | 2013-05-10 | 7103
Ветроэнергетика – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Но ветряками застраиваются лишь сельские районы и оффшорные территории. Встретить ветряк в городе – большая редкость. Это понятно: по сути, единственным местом для установки ветрогенераторов здесь являются крыши домов, что из-за вибраций может привести к разрушению зданий.

С другой стороны, ряд экспертов отмечает, что городс­кая ветроэнергетика обладает большим потенциалом – как с точки зрения возможности освоения местных ветров, так и с точки зрения повышения надежности энергоснабжения. Города разрастаются, линии электропередач становятся длиннее, следовательно, уязвимее к разрывам.  В таких условиях централизованная инф­раструктура, доставляющая электричество в города, становится слабым звеном, и развитие городской ветроэнергетики могло бы «смягчить» данную проблему.

Канадец Джим Роуан поставил перед собой задачу разрешить это противоречие: «Крыши есть во всех домах  и на каждой из них можно установить ветряную турбину. И в случае, если все крыши будут оборудованы ветряками,  то мы сможем получать просто невероятное количество электроэнергии».

Первое, что он сделал – смоделировал движение ветра вокруг городских домов. В результате проведенных экспериментов ему удалось выявить «эффект крыши»: «Воздух, приближаясь к дому со стороны, не облетает его вокруг, а перелетает через конёк крыши. На верхней точке крыши недос­татка ветра нет, но воздух становится турбулентным и движется в разных направлениях. Даже плоские крыши разбивают воздушный поток подобным образом, и стандартные вертикальные ветряные турбины не справляются с таким хао­тичным воздушным потоком. Крыша коверкает ветер, и если он бьет в турбину с нескольких сторон, турбина попадает в аэродинамический стопор и не функционирует».

Роуан понял, что турбину для таких условий придется создавать практически с нуля. Ее лопасти должны были быть разработаны таким образом, чтобы улавливать ветер значительно меньшей силы, чем традиционные турбины, причем со всех направлений одновременно, чтобы не потерять ничего. В результате, он пришел к необычной для турбин дизайнерской форме, крайне напоминающей древнерусский шлем с витой тульей.

При испытаниях пилотной установки выяснилось, что нетрадиционный внешний вид турбины способен эффективно улавливать разнонаправленный турбулентный воздух, но никак не спасает от вибраций и сильного шума, не позволяющего жильцам дома спокойно спать по ночам.

Проблема грозила разрушить планы Роуана, но в какой-то момент он смог подглядеть ее верное решение и, как это часто бывает, в совершенно неожиданном месте. Источником его вдохновения стал высокоскоростной немецкий поезд на магнитной подвеске. Изобретатель сообразил, что раз можно приподнять поезд, то то же самое нужно сделать и с ветряной турбиной.

В основе всего этого лежит обычная наука и тот факт, что два одинаковых магнитных полюса отталкиваются друг от друга. Роуан использовал магниты такой мощности, чтобы возникающее электромагнитное поле  могло удержать в состоянии левитации не только саму турбину, но и еще пятерых стоящих на ней взрослых человек.

При таком устройстве вет­рогенератора отсутствует трение, что снижает уровень виб­раций и шума и вдобавок облегчает вращение.

Для того, чтобы преобразовать энергию вращающихся лопастей в электричество, был также задействован магнетизм. На внешний обод турбины навесили ряд магнитов, а на основание – петлю из медных катушек. При вращении турбины магниты проходят через катушки, производя электрический ток. Оригинально и эффективно. 

Однако первые собранные турбины не показали высокой экономической эффективности. Но главной причиной этого стали не недостатки в технологии maglev (от magnetic levitation – магнитная левитация), а все-таки недостаточные потоки ветра в городе. Нобелевский лауреат, специалист по энергетике Дэн Кэммэн так оценил изобретение Роуана: «Технология maglev продемонстрировала низкие показатели. Я должен признать, что меня это не удивляет. Города не очень подходят для сбора больших объемов ветряной энергии. Но эта технология имела бы потрясающий эффект в правильном месте, она таит в себе большой потенциал».

Пока сложно сказать, есть ли у идеи Джима Роуана будущее – именно в том виде, как он задумывал. Но вот привнесенная им в ветроэнергетику технология произвела должный эффект. Ее подхватил ряд компаний, в результате чего в очень короткие сроки на рынок было выведено несколько моделей левитирующих вет­ряков. Особенно преуспели в этом деле китайцы. Пока речь идет об относительно небольших и маломощных ветрогенераторах. Но очевидно, что линейка м­ощностей будет быстро расти. Самый амбициозный на данный момент проект, связанный с maglev-ветряком разработан американской компанией «Maglev Wind Turbine Technologies». Это вертикальная ветровая турбина мощностью 1 гигаватт…

 

Комментарий Валерия Гальетова, сертифицированного специалиста по ТРИЗ

 

Пока что человечество паразитирует, живет за счет природных ресурсов. И в ХХI веке потребуется изменение всех принципов существования человека. Одной из важнейших является проблема экологичной энергетики. Изобретатели давно пытаются ее решить, но часто встречают недоверие экспертов и соп­ротивление руководителей.

Изобретатель Джим Рован решил использовать крыши домов для улавливания энергии ветра. Установив на каждый дом ветряной генератор, можно получить бездну электроэнергии. Но эксперты утверждают, что ветер на крышах слабый, и обычные вет­ряки с горизонтальной осью работать не будут. Но их мнение не остановило новатора.

Разработав подходящий дизайн турбины, он столкнулся с проблемой высокого уровня вибрации и шума. Налицо противоречие: турбина на крыше полезна, поскольку вырабатывает энергию, но она же и вредна, так как виб­рации раздражают жителей и могут повредить крышу.

Для устранения вибраций надо разрушить связь «турбина – крыша». Мы знаем из «77 стандартов» ТРИЗ, что для разрушения вредного веполя нужно «ввести третье вещест­во или поле». Джим Рован заимствовал решение из области  транспорта. Он использовал идею магнитной подвески электропоезда.

Абсолютно верное решение! Специалист по ТРИЗ находит его уже через несколько минут после начала работы со справочником.  Ну а изобретатель, не знакомый с ТРИЗ, может использовать такие приемы, как «спать с проблемой, идти на работу, гулять, принимать душ, ехать, пить, есть, играть в теннис – все с ней». Рекомендуется также «бродить среди стимулирующей обстановки: на свалках лома,  в технических музеях». Этот совет дают М.Тринг и Э.Лэйтуэйт,  авторы книги «Как изобретать».

Джим Рован убежден, что положил начало новой энергетической революции. Он говорит: «Городские крыши – это гектары свободного пространства. Можно и нужно их использовать».

Прекрасная идея! И действительно, ведь крышные котельные уже устанавливают на новых домах. Поставив там «турбины Рована», можно забыть не только о линиях электропередач, но и о газопроводах. «Надо ставить, тренд не может обмануть!» – скажет обычный инженер.

Но как же тогда отнестить к мнению эксперта Дэна Каммина, советника администрации президента Обамы по климату, считающего, что показатели изобретения слишком низки? На кого опираться президенту страны или министру энергетики в этой противоречивой ситуации? Где тот эксперт, который не подведет, кто не лоббирует интересы какой-либо научной или промышленной группировки? Наш ответ – опираться только на законы развития Природы, общества и техники. Даже имея дело с суперэкспертом, нужно смотреть – на чем основаны его рекомендации? На экстраполяциях известных тенденций или, например, на законе необходимого разнообразия Р.Эшби.

Группа Дэна Камина работает над энергетикой будущего для экополиса, опираясь на прогнозы западных ученых.  Форсайт-технология предсказала, что население экополиса будет составлять примерно 18 миллионов человек. И к 2050 году 75% людей на Земле будут жить в подобных городах. Предполагается, что типичный гражданин экополиса будет потреблять в 5-10 раз больше электричества и в 5 раз больше выбрасывать углекислого газа, чем мы.

Но есть и другие варианты движения. Один из них, например, основан на учении В.И.Вернадского о ноосфере – более системном и целостном, чем западные предс­тавления. В рамках развития учения был предложен и наш, отечественный  вариант экополиса – ноосферные поселки. Они могут располагаться где угодно – в тунд­ре, в лесу, в пустыне, на берегу моря. В каждом поселке будет жить до десяти тысяч человек в одно- и двухэтажных домах. Каждый дом будет абсолютно автономен: своя вода, собственная энергетика.

И я не исключаю, что возможен и второй сценарий развития ситуации, и тогда технологии, подобные разработкам Джима Рована, здесь очень даже пригодятся.

 

Фото: Allatka / en.wikipedia.org, Dmitry Naumov / Fotolia.com, с сайта www.cntimar.com