牛人自制高強(qiáng)度桿件欲實(shí)現(xiàn)高空光伏發(fā)電

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

目前的太陽(yáng)能電池板發(fā)電廠由于力學(xué)結(jié)構(gòu)造價(jià)問(wèn)題沒(méi)能考慮到將發(fā)電設(shè)備安裝到5000米以上的高空以節(jié)省地面的土地資源問(wèn)題。而以地面支撐為基礎(chǔ)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架由于以上原因一般設(shè)計(jì)高度均在100米以?xún)?nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)能的可開(kāi)發(fā)利用率極低。本文提出的抗壓、抗彎曲力學(xué)結(jié)構(gòu)將使任意直徑的鋼絲繩鋼材制作的無(wú)縫鋼管的理論獨(dú)自直立高度達(dá)到5000米以上。這個(gè)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池板發(fā)電廠及風(fēng)力發(fā)電站支撐鋼材使用量在與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)那闆r下可以將發(fā)電設(shè)備安裝高度達(dá)到5000米以上。在這一高度安裝太陽(yáng)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(shè)備安裝不太密集的情況下幾乎對(duì)地面植物生長(zhǎng)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。可使全球的可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能總量提高到人類(lèi)需要的100倍以上，將從根本上解決人類(lèi)的電力能源缺乏及因能源利用帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題。

下面結(jié)合上面的圖示說(shuō)明本文的設(shè)計(jì)及利用：（圖1）中M為一根φ60×5mm、材質(zhì)為制作鋼絲繩鋼材的無(wú)縫鋼管，抗拉強(qiáng)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(mǎn)高壓流體（如輕質(zhì)油類(lèi)）后永久封閉。這時(shí)此鋼管外壁的受力狀態(tài)為沿鋼管周向的拉應(yīng)力及沿鋼管徑向的拉應(yīng)力，力學(xué)分析可知此時(shí)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(yīng)力的能力。此時(shí)沿鋼管徑向的拉應(yīng)力約為周向拉應(yīng)力的45％。

取1厘米長(zhǎng)度鋼管分析無(wú)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(guò)圓心O兩側(cè)鋼管的外壁承受拉力為鋼管最大受力面，此時(shí)鋼管兩側(cè)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(jì)鋼管兩側(cè)管壁周向的最大承拉能力之和為19080公斤（即通過(guò)圖2圓心O的直徑上方或下方1厘米長(zhǎng)度鋼管在兩側(cè)管壁上的反作用力FG之和為19080公斤）；此時(shí)管內(nèi)通過(guò)圓心O點(diǎn)1厘米長(zhǎng)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(shí)管內(nèi)通過(guò)圖2圓心O的直徑上方或下方1厘米長(zhǎng)度鋼管的作用力FY之和為19080公斤）。此時(shí)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(shí)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(yīng)力F及F1（圖1）。　　

當(dāng)鋼管M垂直立于穩(wěn)定的基礎(chǔ)之上時(shí)管內(nèi)高壓流體的頂力F即成為一個(gè)作用在鋼管中心垂直向上的拉力，根據(jù)簡(jiǎn)單的力學(xué)原理可知當(dāng)鋼管M的總重量W不大于向上的拉力F時(shí)鋼管M是不會(huì)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(dāng)鋼管的長(zhǎng)度為11013米時(shí)鋼管重量W約與垂直向上的拉力F相當(dāng)，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(chǔ)穩(wěn)定時(shí)獨(dú)自最大直立高度H為11013米以上，此時(shí)鋼管M不會(huì)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(shí)（圖1）。當(dāng)鋼管受外力彎曲時(shí)鋼管頂部中心點(diǎn)A1相應(yīng)偏離鋼管底部中心點(diǎn)A同時(shí)鋼管垂直高度降低，此時(shí)在鋼管頂部載荷及自身重量W之和小于頂部拉力F時(shí)將鋼管自身將產(chǎn)生一個(gè)垂直指向鋼管（直立時(shí)）中心線(xiàn)的分力，此分力在鋼管所受的外力未達(dá)到材料的破壞應(yīng)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(jié)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(qiáng)，這一能力是本設(shè)計(jì)鋼管的固有特性在鋼管的高度達(dá)到一定數(shù)值后與鋼管材料自身的剛度幾乎無(wú)關(guān)?！　?span style="text-indent: 2em; ">本鋼管水平放置在大跨度支撐之上時(shí)由于兩端拉力的作用在允許負(fù)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(qiáng)的特點(diǎn)。水平放置狀態(tài)下在不考慮鋼管自身重量時(shí)鋼管的承載能力與兩端支撐的距離（跨度）幾乎無(wú)關(guān)?！　?/span>

進(jìn)一步分析本設(shè)計(jì)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(qiáng)度有關(guān)。即材料比重越小、抗拉強(qiáng)度越高桿件的可使用剛度越大，在下部基礎(chǔ)穩(wěn)定的前提下獨(dú)自直立高度H將會(huì)越大。而與桿件的長(zhǎng)細(xì)比及桿件所使用材料的抗壓強(qiáng)度幾乎無(wú)關(guān)。這點(diǎn)是與當(dāng)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(qiáng)度來(lái)加強(qiáng)抗壓、抗彎曲構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度的設(shè)計(jì)有根本的區(qū)別。

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

采用本設(shè)計(jì)可將太陽(yáng)能電池板發(fā)電設(shè)備安裝在5000米以上的高空，其優(yōu)點(diǎn)是高空光照強(qiáng)度較地面高（平均大于1.6倍），高空溫度太陽(yáng)能電池板發(fā)電設(shè)備發(fā)電效率更高，因此在高空安裝太陽(yáng)能電池板發(fā)電設(shè)備其平均發(fā)電效率可高出地面的1倍。在設(shè)備安裝不太密集的情況下由于隨著太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)地面的低光度位置同時(shí)移動(dòng)因此幾乎對(duì)地面植物生長(zhǎng)不會(huì)產(chǎn)生任何影響。而這時(shí)太陽(yáng)能電池板發(fā)電設(shè)備幾乎不占用地面土地資源，同時(shí)安裝太陽(yáng)能電池板發(fā)電設(shè)備也幾乎不再受地域的限制?！　?/p>

目前設(shè)計(jì)的1500KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙及葉輪總重為91噸，當(dāng)塔架高度為62米時(shí)塔架的設(shè)計(jì)重量為91噸，當(dāng)塔架高度為90米時(shí)塔架的設(shè)計(jì)重量為174噸，當(dāng)塔架高度為100米時(shí)塔架的設(shè)計(jì)重量為264噸。采用本設(shè)計(jì)在對(duì)應(yīng)的高度時(shí)發(fā)電機(jī)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(dāng)前設(shè)計(jì)消耗鋼材量的1/180（62米）、1/240（90米）、1/320（100米）?？紤]到實(shí)際使用時(shí)一定的安全系數(shù)，采用本設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)塔架在高度為100米時(shí)消耗鋼材量約為現(xiàn)有設(shè)計(jì)的1/160至1/90。采用本設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架本身迎風(fēng)面積相對(duì)極小并且重量幾乎降低到現(xiàn)有設(shè)計(jì)的1/90以下并且下部基礎(chǔ)可以布置在較大邊長(zhǎng)的正三角形（或其他正多邊形）的角上，設(shè)計(jì)時(shí)幾乎可以不考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架運(yùn)行時(shí)迎風(fēng)面產(chǎn)生的力矩對(duì)下部基礎(chǔ)的影響，此時(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架基礎(chǔ)時(shí)幾乎僅僅考慮到基礎(chǔ)的抗壓