高刚度杆件与5000米以上高空风能及低温热能的利用

摘要：本文提出了一种新型具有高强度抗压、抗弯曲能力的力学结构，从根本上改变了抗压、抗弯曲力学结构的受力形态使其由受压改变为受拉，目前的力学理论由于受力材料承受压应力受力结构在长细比达到一定数值之后则产生力学不稳定，因此此类结构长细比达到一定数值后为了保证结构的稳定性在承受同样数值的压应力情况下其消耗的力学材料随高度或跨度的增大而呈大基数的增长。目前以地面支撑为基础的风力发电站机的塔架由于以上原因一般设计高度均在100米以内，进而导致风能的可开发利用率极低。本文提出的抗压、抗弯曲力学结构将使任意直径的钢丝绳钢材制作的无缝钢管的理论独自直立高度可达到5000米以上。采用本设计可在风力发电站塔架钢材使用量与现有设计相当的情况下使可开发利用的风能高度达到5000米以上，可使目前任何地区的可开发利用的风能总量提高到目前已知的100倍以上，将从根本上解决人类的电力能源缺乏及因能源利用带来的环境污染等问题。

下面结合上面的图示说明本文的设计及利用：(图1)中M为一根φ60×5mm、材质为制作钢丝绳钢材的无缝钢管，抗拉强度为1870MPa的钢丝绳钢材最大承拉能力约190.8公斤/平方毫米左右。现将管内充满高压流体(如轻质油类)后永久封闭。这时此钢管外壁的受力状态为沿钢管周向的拉应力及沿钢管径向的拉应力，力学分析可知此时钢管所能够承受内部高压流体最大压力的能力取决于钢管能够承受周向的最大拉应力的能力。此时沿钢管径向的拉应力约为周向拉应力的45%。

取1厘米长度钢管分析无缝钢管M的受力状态(图2)：在管内高压流体的作用下通过圆心O两侧钢管的外壁承受拉力为钢管最大受力面，此时钢管两侧管壁截面积之和为1平方厘米;按钢丝绳钢材的承拉能力约190.8公斤/平方毫米计钢管两侧管壁周向的最大承拉能力之和为19080公斤(即通过图2圆心O的直径上方或下方1厘米长度钢管在两侧管壁上的反作用力FG之和为19080公斤);此时管内通过圆心O点1厘米长度钢管内的流体截面积为5平方厘米;因此在不考虑安全系数的前提下此钢管的最大承压能力约为3816公斤/平方厘米(此时管内通过图2圆心O的直径上方或下方1厘米长度钢管的作用力FY之和为19080公斤)。此时钢管内高压流体的截面积是直径为5厘米的圆其面积为19.625平方厘米;此时由于钢管内高压流体的作用使钢管两端将产生74889公斤的反方向拉应力F及F1(图1)。

当钢管M垂直立于稳定的基础之上时管内高压流体的顶力F即成为一个作用在钢管中心垂直向上的拉力，根据简单的力学原理可知当钢管M的总重量W不大于向上的拉力F时钢管M是不会产生弯曲等刚性不稳定现象的(不考虑管内高压流体的重量)。

φ60×5mm钢管的重量约为6.8公斤/米，当钢管的长度为11013米时钢管重量W约与垂直向上的拉力F相当，因此在不考虑管内高压流体重量及外力影响的前提下钢管M在下部基础稳定时独自最大直立高度H为11013米以上，此时钢管M不会产生弯曲及刚性不稳定现象。

本钢管在垂直固定于地面时(图1)。当钢管受外力弯曲时钢管顶部中心点A1相应偏离钢管底部中心点A同时钢管垂直高度降低，此时在钢管顶部载荷及自身重量W之和小于顶部拉力F时将钢管自身将产生一个垂直指向钢管(直立时)中心线的分力，此分力在钢管所受的外力未达到材料的破坏应力前(承压面的最大压力大于0)弯曲变形越大其数值也越大，此分力的结果是钢管弯曲变形越大其自身产生的抗弯曲力矩越大反变形(抗变形)能力越强，这一能力是本设计钢管的固有特性在钢管的高度达到一定数值后与钢管材料自身的刚度几乎无关。

本钢管水平放置在大跨度支撑之上时由于两端拉力的作用在允许负荷范围内同样具有钢管弯曲变形越大其自身反变形能力越强的特点。水平放置状态下在不考虑钢管自身重量时钢管的承载能力与两端支撑的距离(跨度)几乎无关。

进一步分析本设计杆件的刚度与所使用材料的单位体积重量及单位面积的抗拉强度有关。即材料比重越小、抗拉强度越高杆件的可使用刚度越大，在下部基础稳定的前提下独自直立高度H将会越大。而与杆件的长细比及杆件所使用材料的抗压强度几乎无关。这点是与当前普遍采用的以增加材料截面积及外形尺寸及材料本身的抗压强度来加强抗压、抗弯曲构件的强度及刚度的设计有根本的区别。

当本杆件外壁厚度达到直径的1/3以上时随钢管承压能力的提高管内高压流体的重量对杆件的刚度及直立承载能力的影响几乎可以忽略不计。

由于本设计的受力方式改变在实际应用中将大大地降低抗压及抗弯曲结构的材料使用量;设若高332.6米的东京铁塔顶部可承受217吨的载荷(实际是不可能达到的)，按本文设计的单根φ60×5mm、制作钢丝绳钢材的钢管在332.6米高度时可承受72.36吨以上的重量载荷，即用3根采用本设计形式332.6米长的φ60×5mm、制作钢丝绳钢材的钢管即可达到或超过东京铁塔的力学效果。3根332.6米长的φ60×5mm钢管总重量为6.8吨左右;东京铁塔重4000吨。设若东京塔顶部设计可承受72吨的载荷，采用本设计达到同样的力学效果消耗的钢材量为2.27吨，采用本设计达到同样的力学效果消耗的最低极限钢材使用量仅为其钢材实际消耗量的1/1480。

目前设计的1500KW风力发电机机舱及叶轮总重为91吨，当塔架高度为62米时塔架的设计重量为91吨，当塔架高度为90米时塔架的设计重量为174吨，当塔架高度为100米时塔架的设计重量为264吨。采用本设计在对应的高度时发电机塔架最低极限钢材消耗量分别为0.5吨(62米)、0.75吨(90米)、0.83吨(100米)。分别为当前设计消耗钢材量的1/180(62米)、1/240(90米)、1/320(100米)。考虑到实际使用时一定的安全系数，采用本设计的发电机塔架在高度为100米时消耗钢材量约为现有设计的1/160至1/90。

采用本设计的风力发电机塔架本身迎风面积相对极小并且重量几乎降低到现有设计的1/90以下并且下部基础可以布置在较大边长的正三角形(或其他正多边形)的角上，设计时几乎可以不考虑风力发电机组塔架运行时迎风面产生的力矩对下部基础的影响，此时设计风力发电机塔架基础时几乎仅仅考虑到基础的抗压能力达到风力发电机组的总重量加正常的安全系数即可，因此同时可大大地降低制做风力发电机组地下基础的材料使用量。从而可以在大大降低风力发电机塔架造价的同时大大地降低风力发电机组安装的造价。[!--empirenews.page--]

考虑到使用的安全按制作钢丝绳钢材抗拉强度的50%设计的杆件在不考虑管内高压流体重量及外力影响并且下部基础稳定的前提下可独自直立5500米的高度，此杆件在1000米的高度时可承受30.6吨的重量载荷;以1500KW风力发电机组总重为91吨计约需要3根本文举例的钢管即可将其安装在1000米的高空运行。此时发电机塔架的钢材消耗量为20.4吨相当于目前同样风力发电机组安装在62米高时塔架的钢材消耗量1/4以下。

按制作钢丝绳钢材最大抗拉强度70%设计的杆件在不考虑管内高压流体重量及外力影响并且下部基础稳定的前提下将总重为91吨的1500KW风力发电机组安装在5000米高度时按本设计将使用5根5000米的φ60×5mm、材质为制作钢丝绳钢材的无缝钢管，消耗钢材约为170吨。而此时发电机塔架的钢材消耗量仍低于目前90米高度同类型风力发电机组的塔架钢材消耗量(174吨)。

根据目前掌握的风力资源信息在地面大约80米的高空风速达到每秒5米时，在800米的高空，风速将上升到每秒7米，风能为80米高度2.7倍，同时相同地点随着高度的升高风能的能量密度将会更大。而本文的技术几乎可以将地球上5000米高空以下有价值的风能全部得以利用，全球可开发利用的风能总量可以扩大到目前科技水平认可的100倍以上;因此地球上可开发利用的风能资源将远远大于目前人类的全部能源需求。如果本技术得以实现将有可能彻底解决人类的能源危机问题。

由于高空风能的密度相对较大且更为稳定因此安装在高空的风力发电机组的平均单位时间发电量将会更多且年发电时间更长，按本设计安装的高空发电机组的投资与目前同类机组相当，因此高空风能发电成本将会低于目前使用的100米以下高度塔架风力发电机组的发电成本。

有人设计了高度为1000米的太阳能搜集塔，其设计的主要结构为一个高度为1000米、直径为130米的烟囱，下部周围覆盖直径7000米的温室遮篷。在阳光充足的前提下，太阳能搜集塔顶部空气温度为20℃时，在地面温室遮篷内的空气可达到70℃(空气体积增加量为17%)，此时热空气将以约55公里/小时速度沿着太阳能搜集塔上升，安装在塔内的32个旋转的涡轮将生产出最大20万千瓦电能。尽管在这种工作状态下，太阳能塔转换为电能的效率仅不足太阳能电池板的十分之一(即热效率小于1.4%)。但是太阳能塔的优势是更易维持，成本更低。实际上此设计的难点是1000米或更高太阳能搜集塔的制作成本太大，依据2005年产业报告，具有20万千瓦电能生产能力的太阳能塔的建造需要10亿美元，这意味着每千瓦小时的成本为20美分。

采用本文的技术制作太阳能塔只要将比重低抗拉强度较大的柔性材料制作成内、外壁相连且互通外壁为双层的圆形烟囱结构。使用时依靠数根1000米高度以上本文设计的独立钢管的辅助在太阳能塔内、外壁之间夹层充满空气太阳能塔即可达到1000米或更高的设计高度，根据天气预报当外界环境恶劣时将太阳能塔夹层的空气排出即可保证太阳能塔的安全。而将太阳能塔的材料直接悬挂在数根独立的1000米以上高度的钢管上制作太阳能塔的设计也是同样可行的。如果采用13607根按本文设计的φ30×2mm普通16Mn钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为1000米直径为130米的太阳能塔的建造仅需要约0.5亿美元。

如果采用13607根按本文设计形式的φ30×2mm、制作钢丝绳钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为5500米、直径为130米的太阳能塔。将使用约203500吨钢管，按每吨无缝钢管15000元人民币计太阳能塔的制作的最大成本为30.5亿元人民币，约为4.8亿美元。直径7公里的温室遮篷的成本按80元人民币/平方米考虑约需要34.3亿元人民币。按每上升1千米空气温度下降6.5℃计算此时5500米高空的温度为零下15℃， 此时太阳能塔上下温差为85℃。为原设计的1.7倍，太阳能塔高度为原设计的5.5倍，考虑到5500米高空的空气密度约为地面的一半实际涡轮出口的压力差达到原设计的7倍，此时涡轮入口风速将达到105公里/小时，系统满负荷发电能力为原设计的7倍达到140万千瓦。

发电设备按1500元人民币/千瓦计。合计设备投资6140元人民币/千瓦相当于火力发电厂的设备投资，远低于国家规定的同样为利用太阳能发电的光伏电发电设备补助每千瓦20000元人民币的标准。

由于地面与5500米高空有35℃的温差不采用温室遮棚加热时太阳塔内涡轮前后将产生350公斤/平方米的压力差，每立方米空气的作功能力为350公斤•米，按塔内的空气流速2米/秒计算，此时系统内可产生9300000公斤•米/秒的发电能力约9万千瓦。每千瓦设备投资34000元人民币，按每千瓦设备年发电为7200度计算，系统使用寿命按20年计算，发电成本为0.24元人民币/度左右。考虑到高空风力的影响及制作太阳能塔的钢管密度可以降低到300 mm间距一根，发电成本为0.03元人民币/度左右。

5500米太阳能塔系统采用温室遮棚加热时系统满负荷发电时间按3000小时/年计算，温室遮棚不工作时发电时间按4200/年小时计算，每千瓦设备年发电为3270度，发电成本为0.094元人民币/度左右。

将热机的低温热源安装在5500米高空利用其与地面35℃的温差发电也是可以考虑的方案。

考虑到现有技术5500米太阳能塔的基础制作困难较大，即使采用斜拉方式稳定太阳能塔也将因高空风力大产生较大的困难，因此利用太阳能塔发电应以高度为1000米太阳能塔为起点。

如果采用54428根按本文设计的φ30×1mm、材质为16Mn钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为1000米、直径为520米的太阳烟塔，将使用约74000吨钢管，按每吨16Mn钢材的无缝钢管8500元人民币计太阳能塔的制作的最大成本为6.3亿元人民币;不采用温室遮棚加热直接利用1000米高空与地面6.5℃的温差发电，太阳塔内涡轮前后将产生14公斤/平方米的压力差，每立方米空气的作功能力为11.5公斤•米，太阳能塔内涡轮前将产生约4.2米/秒的风速，太阳能塔内涡轮后方的空气流速为2米/秒，空气通过涡轮后每32000立方米空气生产1度电能，每秒通过涡轮的空气量为425000立方米。涡轮布置在太阳烟塔下约50米高的空气入口处，考虑到太阳能塔顶部高空风力的正面影响系统平均发电能力大于4.5万千瓦。设备投资15500元人民币/千瓦。按每千瓦设备年发电为7920度计算(年发电11个月)，发电成本为0.1元人民币/度左右。将制作太阳能塔的钢管密度降低到300 mm一根，周围用普通的轻质密封隔热材料封闭，太阳能塔的造价可降低到1亿元人民币以内。设备投资3720元人民币/千瓦。发电成本为0.024元人民币/度左右。本方案结构简单以目前的技术水平较为可行。本系统在中国为每人提供1.5千瓦的电力供应能力时不会对地面气温产生太大的影响。本系统也将是一个巨大的空调、环保系统。如太阳能塔的高度达到2000米系统的发电能力将达到18万千瓦以上，系统的电力供应能力将提高到4倍。[!--empirenews.page--]

如果采用13607根按本文设计的φ30×2mm、材质为16Mn钢材的无缝钢管相互连接直接制成高度为1000米、直径为130米的太阳能塔，将使用约37000吨钢管，具有20万千瓦电能生产能力的采用温室遮棚加热的太阳能发电设备投资19725元人民币/千瓦。使用寿命按20年计算，不考虑系统夜间工作时的发电能力，年发电时间按3000小时计算， 发电成本为0.33元人民币/度左右。

利用本文的技术可以将温室遮篷的骨架造价降低到现有设计的30%以内，因此温室遮篷的造价可降低到40元人民币/平方米以内。将制作太阳塔钢管的壁厚降低到1mm，钢管密度降低到300 mm一根，系统投资8150元人民币/千瓦。年生产3000小时发电成本为0.014元人民币/度左右，而原设计直径7000米的温室遮篷是考虑到系统有较大的储热能力夜间有更大的生产能力的。夜间高空气温降低对有储热能力的温室遮篷发电系统的生产能力有相当大的稳定效应。因此有温室遮篷系统发电成本有可能降低到0.1元人民币/度以内。在中国利用1/3的沙漠面积即可达到每人3千瓦的电力供应能力。是一个既治理利用了沙漠又解决了能源问题的好项目。

没有温室遮篷的系统发电具有不占用土地的优点.但有温室遮棚的设计温室遮棚本身有较大的利用价值且单位面积土地上的电力生产能力更大，有温室遮棚的设计更适合建设在昼夜温差大的沙漠地区以稳定系统的发电能力，并且大面积建设在沙漠地区的温室遮棚本身也是治理沙漠的良好方法。

如果以上太阳能搜集塔发电项目的效益分析得比较准确可以认为其必将取代几乎其他全部的能源利用方式。因为本文的设计更实际、成本更低、更安全、持久、环保。

本技术利用在火力发电厂建造烟囱时可以大大地降低烟囱的建筑成本，用三根以上按本文设计的1000米高度以上的独立钢管及简单的轻质较抗拉耐170℃以上温度的密封材料即可制作成1000米高以上的烟囱。火力发电厂使用1000米高以上烟囱一方面可以降低对附近环境的污染，另一方面可以降低或消除火力发电厂排烟对引风机的依赖将节省数量极大的运行电力能源甚至可以对外供电。火力发电厂使用1000米高烟囱发电可以使排烟中的热能发电效率达到1.4%左右。

本技术在各种吊车、大跨度桥梁、大跨度房屋架、桁架、各种塔架、高空建筑等方面的利用都将大大地降低成本。而用在飞机、载重车辆方面时一方面可降低制造成本减轻重量，又可降低其使用能耗;使用在车辆中还可以提高车辆的整体刚度大大地提高安全性能。制作潜艇的骨架时将大大降低制造成本减轻重量扩大使用空间。

本技术利用在风力发电机叶片上时可使叶片的设计长度增加较大一方面可在不增加风力发电机塔架高度时提高风能的可利用的高度(有可能使叶片长度达到100米以上)，并降低其重量和制作成本。

总之，本技术将在几乎全部的承压、抗弯曲结构中得以利用并降低成本使许多目前不可想象的大型力学结构设计得以实现，本技术的实现必将对环保、能源安全、力学材料、交通安全等领域产生及重大的正面影响，或者说将是一场深刻的工业革命。是材料力学及结构力学理论的飞跃。

本设计为了说明问题是以在钢管内充以高压流体来论证的，考虑到实际使用时的安全持久管内如果是充满高压固体其安全可靠性将更加得以保证。目前个人认为比较可行的设计是在管内充满耐高压力的小直径滚珠及润滑剂;工作时由滚珠将压力传递到钢管内壁各处，润滑油不受力只起润滑作用，这样钢管的实际受力状况更加接近于管内充满高压流体的状况，同时也可以基本保证本设计的使用稳定性。如果将滚珠制作成中空的并充以高压力气体的技术可行采用到本技术中效果将更好。要找到以本设计为理论基础实际使用安全性能可靠的高刚度结构制作的最佳方案必须在今后大量的实践后才可能获得这里就不过多地讨论了。

当管件内压力设计不太高时较为可行的方法是在半封闭的钢管内部充满膨胀水泥当水泥固化后将钢管全封闭即可制作成符合本设计力学要求安全性能可靠的杆件。

即使仅仅在现有风力发电机圆柱形塔架内部充满沙子或水后将其封闭，塔架在受力弯曲时由于钢管变形内部体积减小必将产生对外部管壁的压力使风力发电机圆柱形塔架的上、下两端产生拉力，由于管内沙子或水为基本不可压缩物质因而极小的体积减小都将使管内压力迅速升高而使钢管的反变形能力迅速增大，并且在较大范围内钢管弯曲变形越大其反变形能力也越强，从而大大地增加了塔架在弹性范围内的弹性和刚度。因此这一简单的改变使风力发电机塔架的钢材消耗量降低到目前现有设计的1/10以下是完全可能的;或者保守地说使用目前设计100米高度风力发电机塔架20%数量的钢材即可将发电机组安装在500米以上高空。

采用管内加密封内胆向内胆充以高压流体也是一种本设计的实施方法，由于本结构基本没有外力破坏按目前技术水平辅以良好的监测及控制手段随时补充管内压力的办法使用过程也是较为安全的。

设想一下一个没有多大刚度的塑料矿泉水瓶在瓶内装满水密封时的刚度增大到不依靠其他工具人力几乎无法使其弯曲变形就可以说明本设计的许多力学问题了。