牛人自制高強度桿件欲實現(xiàn)高空光伏發(fā)電

文章提出了一種新型高強度（剛度）抗壓、抗彎曲能力的力學結構，從根本上改變了抗壓、抗彎曲力學結構的受力形態(tài)使其由受壓改變?yōu)槭芾?，目前的力學理論由于受力材料承受壓應力受力結構在長細比達到一定數(shù)值之后則產(chǎn)生力學不穩(wěn)定，因此此類結構長細比達到一定數(shù)值后為了保證結構的穩(wěn)定性在承受同樣數(shù)值的壓應力情況下其消耗的力學材料隨高度或跨度的增大而大基數(shù)的增長?！　?/p>本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/227635.htm

目前的太陽能電池板發(fā)電廠由于力學結構造價問題沒能考慮到將發(fā)電設備安裝到5000米以上的高空以節(jié)省地面的土地資源問題。而以地面支撐為基礎的風力發(fā)電機的塔架由于以上原因一般設計高度均在100米以內(nèi)，進而導致風能的可開發(fā)利用率極低。本文提出的抗壓、抗彎曲力學結構將使任意直徑的鋼絲繩鋼材制作的無縫鋼管的理論獨自直立高度達到5000米以上。這個設計的太陽能電池板發(fā)電廠及風力發(fā)電站支撐鋼材使用量在與現(xiàn)有設計相當?shù)那闆r下可以將發(fā)電設備安裝高度達到5000米以上。在這一高度安裝太陽能電池板發(fā)電廠平均發(fā)電效率可教地面增加一倍、幾乎不占用土地資源并且在設備安裝不太密集的情況下幾乎對地面植物生長不會產(chǎn)生任何影響?？墒谷虻目砷_發(fā)利用的風能總量提高到人類需要的100倍以上，將從根本上解決人類的電力能源缺乏及因能源利用帶來的環(huán)境污染等問題。

下面結合上面的圖示說明本文的設計及利用：（圖1）中M為一根φ60×5mm、材質為制作鋼絲繩鋼材的無縫鋼管，抗拉強度為1870MPa的鋼絲繩鋼材最大承拉能力約190.8公斤/平方毫米左右?，F(xiàn)將管內(nèi)充滿高壓流體（如輕質油類）后永久封閉。這時此鋼管外壁的受力狀態(tài)為沿鋼管周向的拉應力及沿鋼管徑向的拉應力，力學分析可知此時鋼管所能夠承受內(nèi)部高壓流體最大壓力的能力取決于鋼管能夠承受周向的最大拉應力的能力。此時沿鋼管徑向的拉應力約為周向拉應力的45％。

取1厘米長度鋼管分析無縫鋼管M的受力狀態(tài)（圖2）：在管內(nèi)高壓流體的作用下通過圓心O兩側鋼管的外壁承受拉力為鋼管最大受力面，此時鋼管兩側管壁截面積之和為1平方厘米；按鋼絲繩鋼材的承拉能力約190.8公斤/平方毫米計鋼管兩側管壁周向的最大承拉能力之和為19080公斤（即通過圖2圓心O的直徑上方或下方1厘米長度鋼管在兩側管壁上的反作用力FG之和為19080公斤）；此時管內(nèi)通過圓心O點1厘米長度鋼管內(nèi)的流體截面積為5平方厘米；因此在不考慮安全系數(shù)的前提下此鋼管的最大承壓能力約為3816公斤/平方厘米（此時管內(nèi)通過圖2圓心O的直徑上方或下方1厘米長度鋼管的作用力FY之和為19080公斤）。此時鋼管內(nèi)高壓流體的截面積是直徑為5厘米的圓其面積為19.625平方厘米；此時由于鋼管內(nèi)高壓流體的作用使鋼管兩端將產(chǎn)生74889公斤的反方向拉應力F及F1（圖1）?！　?/span>

當鋼管M垂直立于穩(wěn)定的基礎之上時管內(nèi)高壓流體的頂力F即成為一個作用在鋼管中心垂直向上的拉力，根據(jù)簡單的力學原理可知當鋼管M的總重量W不大于向上的拉力F時鋼管M是不會產(chǎn)生彎曲等剛性不穩(wěn)定現(xiàn)象的（不考慮管內(nèi)高壓流體的重量）。

φ60×5mm鋼管的重量約為6.8公斤/米，當鋼管的長度為11013米時鋼管重量W約與垂直向上的拉力F相當，因此在不考慮管內(nèi)高壓流體重量及外力影響的前提下鋼管M在下部基礎穩(wěn)定時獨自最大直立高度H為11013米以上，此時鋼管M不會產(chǎn)生彎曲及剛性不穩(wěn)定現(xiàn)象?！　?/p>

本鋼管在垂直固定于地面時（圖1）。當鋼管受外力彎曲時鋼管頂部中心點A1相應偏離鋼管底部中心點A同時鋼管垂直高度降低，此時在鋼管頂部載荷及自身重量W之和小于頂部拉力F時將鋼管自身將產(chǎn)生一個垂直指向鋼管（直立時）中心線的分力，此分力在鋼管所受的外力未達到材料的破壞應力前（承壓面的最大壓力大于0）彎曲變形越大其數(shù)值也越大，此分力的結果是鋼管彎曲變形越大其自身產(chǎn)生的抗彎曲力矩越大反變形（抗變形）能力越強，這一能力是本設計鋼管的固有特性在鋼管的高度達到一定數(shù)值后與鋼管材料自身的剛度幾乎無關?！　?span style="text-indent: 2em; ">本鋼管水平放置在大跨度支撐之上時由于兩端拉力的作用在允許負荷范圍內(nèi)同樣具有鋼管彎曲變形越大其自身反變形能力越強的特點。水平放置狀態(tài)下在不考慮鋼管自身重量時鋼管的承載能力與兩端支撐的距離（跨度）幾乎無關?！　?/span>

進一步分析本設計桿件的剛度與所使用材料的單位體積重量及單位面積的抗拉強度有關。即材料比重越小、抗拉強度越高桿件的可使用剛度越大，在下部基礎穩(wěn)定的前提下獨自直立高度H將會越大。而與桿件的長細比及桿件所使用材料的抗壓強度幾乎無關。這點是與當前普遍采用的以增加材料截面積及外形尺寸及材料本身的抗壓強度來加強抗壓、抗彎曲構件的強度及剛度的設計有根本的區(qū)別。

當本桿件外壁厚度達到直徑的1/3以上時隨鋼管承壓能力的提高管內(nèi)高壓流體的重量對桿件的剛度及直立承載能力的影響幾乎可以忽略不計?！　?/p>

采用本設計可將太陽能電池板發(fā)電設備安裝在5000米以上的高空，其優(yōu)點是高空光照強度較地面高（平均大于1.6倍），高空溫度太陽能電池板發(fā)電設備發(fā)電效率更高，因此在高空安裝太陽能電池板發(fā)電設備其平均發(fā)電效率可高出地面的1倍。在設備安裝不太密集的情況下由于隨著太陽的運動地面的低光度位置同時移動因此幾乎對地面植物生長不會產(chǎn)生任何影響。而這時太陽能電池板發(fā)電設備幾乎不占用地面土地資源，同時安裝太陽能電池板發(fā)電設備也幾乎不再受地域的限制。　　

目前設計的1500KW風力發(fā)電機機艙及葉輪總重為91噸，當塔架高度為62米時塔架的設計重量為91噸，當塔架高度為90米時塔架的設計重量為174噸，當塔架高度為100米時塔架的設計重量為264噸。采用本設計在對應的高度時發(fā)電機塔架最低極限鋼材消耗量分別為0.5噸（62米）、0.75噸（90米）、0.83噸（100米）。分別為當前設計消耗鋼材量的1/180（62米）、1/240（90米）、1/320（100米）?？紤]到實際使用時一定的安全系數(shù)，采用本設計的發(fā)電機塔架在高度為100米時消耗鋼材量約為現(xiàn)有設計的1/160至1/90。采用本設計的風力發(fā)電機塔架本身迎風面積相對極小并且重量幾乎降低到現(xiàn)有設計的1/90以下并且下部基礎可以布置在較大邊長的正三角形（或其他正多邊形）的角上，設計時幾乎可以不考慮風力發(fā)電機組塔架運行時迎風面產(chǎn)生的力矩對下部基礎的影響，此時設計風力發(fā)電機塔架基礎時幾乎僅僅考慮到基礎的抗壓