Ветряная турбина

Вымышленный ветряк на Марсе, изображенный в видеоигре Surviving Mars. Здесь турбины вращаются вокруг вертикальной оси, что позволяет захватывать ветер со всех направлений, а не просто горизонтально.

Ветряные турбины может генерировать электрическую или пневматическую энергию. Это было бы особенно полезно в ситуациях, когда другие методы выработки электроэнергии неуместны, например, во время пыльных бурь, которые могут закрывать солнце на несколько недель, тем самым делая солнечные панели менее эффективными.[1] Миссии к полюсам Марса, в частности, выиграют от энергии ветра: полярные широты могут провести полгода практически без солнечного света, а радиоизотопные термоэлектрические генераторы, такие как установленный на марсоходе Curiosity, выделяют тепло, которое может быть аналогично нежелательно для научных целей полярной миссии. [2]

Однако марсианский воздух примерно на 0,6% толще воздуха на Земле, поэтому сила ветра, на первый взгляд, незначительна, а чрезвычайно мелкая пыль вызывает беспокойство (см. Ниже). Если марсианская атмосфера должна быть уплотнена терраформированием, то энергия ветра станет более разумной.

Содержание

• 1 Как энергия ветра будет работать в разреженной атмосфере Марса?
• 2 Проблемы, возникающие из-за пыли
• 3 Пример расчета
• 4 Масса ветряной турбины
• 5 Экстренное использование
• 6 ссылок

Как энергия ветра будет работать в тонкой атмосфере Марса?

Наблюдения за пылевыми вихрями и пыльными бурями показывают, что в атмосфере Марса существует ветер. Тем не менее, эта атмосфера сравнительно тонкая, с поверхностным давлением менее 1% от земного. [3] Это означает, что для производства электроэнергии с помощью турбин потребуются либо более крупные лопасти ротора (что, в свою очередь, создаст проблемы для стабильности и расхода материалов), либо скорость ветра примерно в три раза выше, чем на Земле. [1]

Первоначальные данные миссий Viking и Pathfinder не указывали на сильные ветры, [1] но эти данные не включали результаты пыльных бурь, которые, как показали компьютерное моделирование и испытания в аэродинамической трубе, могут создаваться и поддерживаться только при сильном ветре. [1] Это приводит к тому, что ветряные турбины работают исключительно во время пыльных бурь, [1] дополняя солнечную энергию во время тех самых бурь, которые снижают их эффективность. NASA AMES испытала ветряную турбину мощностью 100 кВт на своей станции в Антарктиде; хотя это место служит общим аналогом Марса из-за его суровых условий, разреженная атмосфера явно не была воссоздана, а сама турбина была слишком большой и тяжелой для текущих научных миссий.[4] В более позднем исследовании приводилась доводы в пользу возможности выработки электроэнергии с помощью энергии ветра даже вне условий пыльной бури: исследователи протестировали образец турбины, изготовленный из пергаментной бумаги, соломы, дерева и LEGO, в аэродинамической трубе, моделирующей типичные атмосферные условия на Земле. Марс. [5] В эксперименте использовались различные скорости ветра, основанные на тех, которые были обнаружены на полярной посадочной площадке Феникса (примерно 2-6 метров в секунду), и было обнаружено, что более эффективно сконструированные турбины теоретически могут приводить в действие посадочный модуль, равный или меньший по размеру. Марсианский следопыт. (Pathfinder вырабатывал около 35 Вт от своих солнечных элементов, но нуждался в радиоизотопных нагревателях, чтобы помочь нагреть электронику.)

НАСА предлагает следующие скорости ветра: Скорость ветра: 2-7 м/с (лето), 5-10 м/с (осень), 17-30 м/с (пыльная буря) (сайты Viking Lander) [6]

Если подтвердится, что ветряные турбины представляют ценность, многие компоненты потенциально могут быть изготовлены с использованием марсианских ресурсов.

Обратите внимание, что в основном ветер питается от солнечной энергии, а сильные ветры на Земле генерируются за счет испарения и конденсации воды. Поскольку Марс имеет примерно половину солнечной энергии, чем Земля, и очень ограниченный гидрологический цикл, даже если бы атмосфера Марса была намного толще, энергии ветра было бы меньше, чем на Земле.

Проблемы, возникающие из-за пыли

На Марсе есть очень маленькие частицы пыли (мелкие частицы), которые необходимо контролировать вокруг движущихся частей. Переносимая ветром пыль может засорить движущиеся части или повредить их. Техническое обслуживание может быть дорогостоящим, так как нельзя полностью избежать истирания. Смазку может быть трудно производить на Марсе, и она может действовать по-разному из-за условий окружающей среды; следовательно, может потребоваться конструкция без смазки, такая как чистые магнитные подшипники без прямого контакта.

Однако в пыленепроницаемых уплотнениях нет ничего нового, а транспортные средства работают на Земле в чрезвычайно абразивных средах, таких как глиноземные заводы и цементные заводы.Специальные смазочные материалы, такие как перфторированные полиэфиры Castrol Brayco 815Z, были разработаны для использования в космосе и на Марсе. [7]

Пример расчета

Умозрительный 84-метровый ветряк на фоне космических кораблей Spacex для масштаба. Ширина лопасти утроена из-за низкой плотности воздуха, а толщина лопасти увеличена в 1,5 раза по сравнению с земным аналогом. Это может производить от 120 до 300 кВт, в то время как земной эквивалент может производить 1,5 МВт, и его мощность необходимо снижать при высоких скоростях ветра. Масса — это большое неизвестное.

P = ½*n*p*As*v3 , куда н КПД турбины, п плотность атмосферы (кг/м3), В качестве — площадь охвата турбины (м2), а в скорость ветра (м/с). Максимальный КПД составляет 16/27 (60%), согласно закону Беца. Для небольшой турбины диаметром 10 м As=78 м2, КПД 31%, плотность воздуха 0,02 кг/м3 и скорость ветра 10 м/с, P= 487 Вт. Большая турбина с 40-метровыми лопастями может развивать мощность от 150 до 300 кВт.

При вышеуказанных параметрах типичная большая ветряная турбина на Земле производит 12 Вт / кг, где масса включает лопасти, генератор и башню (нужна ссылка). Это меньше, чем 33 Вт/кг, которые могут быть достигнуты с помощью солнечной энергии на Марсе (ссылка), но доступность может быть выше, поскольку ночью может дуть ветер. В частности, во время пыльных бурь на Марсе доступная солнечная энергия очень мала, но средняя скорость воздуха выше. Поскольку мощность пропорциональна кубу скорости воздуха, средняя мощность ветра на кг будет примерно равна солнечной энергии на кг, что делает две формы энергии взаимодополняющими. Таким образом, марсианское поселение может захотеть иметь сочетание солнечной и ветровой энергии, чтобы увеличить разнообразие источников энергии.

При том же размере турбины, поскольку воздух на Земле в 50 раз плотнее, та же турбина будет производить в 50 раз больше энергии. Однако марсианский ветряк можно было бы построить намного легче, поскольку он потребляет гораздо меньше энергии и, возможно, имеет аналогичный общий КПД и соотношение мощность/масса.Исследование 2012 года [8] показало, что длина шнура для марсианской ветряной турбины будет в три раза больше, чем на Земле, при соотношении хорд 1,5, а мощность и нагрузка на башню будут составлять одну десятую от земной башни такого же размера. .

Были изучены воздушные ветряные турбины [9] с аналогичными параметрическими изменениями от Земли до Марса. Те же проблемы с надежностью относятся и к марсианским бортовым турбинам.

Масса ветряной турбины

На Земле ветряные турбины представляют собой довольно массивные объекты: в 1,5-мегаваттной модели GE одна только гондола весит более 56 тонн, лопасти в сборе весят более 36 тонн, а сама башня весит около 71 тонны — общий вес составляет 164 тонны. тонн. Соответствующий вес для Vestas V90 составляет 75, 40 и 152, всего 267 тонн; а для Gamesa G87 72, 42 и 220 — всего 334 тонны (https://www.wind-watch.org/faq-size.php). Или отношение мощности к массе около 9 Вт/кг. Солнечная энергия составляет около 30 Вт/кг. Однако доступность солнечной энергии составляет порядка 25%, поэтому средняя мощность составляет около 8 Вт / кг. Средняя мощность ветрогенераторов зависит от наличия ветра. Если такое же отношение мощности к массе можно построить на Марсе при 100% доступности ветра, ветер превзойдет солнечную энергию по отношению к массе. Если доступность ниже, например, 30%, как на Земле, то ветровая энергия имеет менее половины отношения энергии к массе солнечной. Могут быть районы, например база у полюсов, где энергия ветра превосходит солнечную. И солнечная, и ветровая требуют резервных батарей, которые значительно увеличивают массу системы.

На Земле стальная башня закреплена на фундаменте из более чем тысячи тонн бетона и стальной арматуры, шириной от 10 до 15 метров и глубиной от 2 до 10 метров. Валы иногда опускают дальше, чтобы закрепить его. Горные вершины должны быть взорваны, чтобы создать ровную площадку площадью не менее 1,2 га (12 000 м2 или 3 акра).Фундамент имеет решающее значение для стабилизации веса узла турбины и сопротивления силе ветра. (https://www.wind-watch.org/faq-size.php) Аналогичный фундамент потребуется на Марсе. Фонд может потребовать производства бетона на месте или какой-либо формы структурного спеченного реголита. Арматура (стальные стержни для железобетона) значительно увеличит массу башни.

Экстренное использование

Одним из основных случаев использования ветряных турбин на Марсе является их использование во время штормов, когда солнечная энергия не работает. Однако этот случай следует сравнить с возможностью использования ядерной энергии, проточной батареи или добавления большего количества солнечной энергии и использования избыточной мощности для производства метана. Затем метан можно было бы сжигать в обычной генераторной установке для выработки аварийного питания во время шторма. Генераторная установка мощностью 150 кВт сжигает около тонны метана в сутки. Поскольку все современные планы поселения на Марсе включают производство топлива на месте, резервный метан может быть частью обычного производственного процесса. Генераторная установка мощностью 150 кВт может весить около 2 тонн, а группа ветряных турбин мощностью 150 кВт будет весить не менее 16 тонн, а возможно, и больше.

использованная литература

1. ↑ 1.01.11.21.31.4 Блак, Дж. (2001, 10 октября). НАСА — Выпуск новостей. Получено 12 июля 2019 г. с https://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2001/01_72AR.html.
2. ↑ Гольштейн-Ратлоу, К., Томас, П. Э., Меррисон, Дж., и Иверсен, Дж. Дж. (2018). Производство энергии ветряными турбинами в текущих марсианских атмосферных условиях. Вклады ЛПИ, 2086.
3. ↑ Хаберле, Р. М. (1 января 2015 г.), Норт, Джеральд Р.; Пайл, Джон; Чжан, Фуцин (ред.), «СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА / СОЛНЦЕ, АТМОСФЕРЫ, ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕР | Планетарные атмосферы: Марс», Энциклопедия атмосферных наук (второе издание), Academic Press, стр. 168–177, doi: 10.1016/b978-0-12-382225-3.00312-1 , ISBN 9780123822253 , получено 6 июня 2019 г.
4. ↑ Коулман (ред.) (2013) NASA Spinoff, стр. 106-107; цитируется в Holstein-Rathlou et al. (2018).
5. ↑ Гольштейн-Ратлоу, К., Томас, П. Э., Меррисон, Дж., и Иверсен, Дж. Дж. (2018).Производство энергии ветряными турбинами в текущих марсианских атмосферных условиях. Вклады ЛПИ, 2086.
6. ↑https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html
7. ↑ Космические смазки Castrol https://www.castrol.com/en_gb/united-kingdom/home/industrial/lubricants-by-sector/aerospace/applications/space.html
8. ↑https://pdfs.semanticscholar.org/2691/3339453d63ac462d90152bdf68e7a67c02ff.pdf
9. ↑https://newatlas.com/nasa-airborne-wind-power/23200/