牛人自制高强度杆件欲实现高空光伏发电

文章提出了一种新型高强度（刚度）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大基数的增长。　　

目前的太阳能电池板发电厂由于力学结构造价问题没能考虑到将发电设备安装到5000米以上的高空以节省地面的土地资源问题。而以地面支撑为基础的风力发电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达到5000米以上。这个设计的太阳能电池板发电厂及风力发电站支撑钢材使用量在与现有设计相当的情况下可以将发电设备安装高度达到5000米以上。在这一高度安装太阳能电池板发电厂平均发电效率可教地面增加一倍、几乎不占用土地资源并且在设备安装不太密集的情况下几乎对地面植物生长不会产生任何影响。可使全球的可开发利用的风能总量提高到人类需要的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。　　

采用本设计可将太阳能电池板发电设备安装在5000米以上的高空，其优点是高空光照强度较地面高（平均大于1.6倍），高空温度太阳能电池板发电设备发电效率更高，因此在高空安装太阳能电池板发电设备其平均发电效率可高出地面的1倍。在设备安装不太密集的情况下由于随着太阳的运动地面的低光度位置同时移动因此几乎对地面植物生长不会产生任何影响。而这时太阳能电池板发电设备几乎不占用地面土地资源，同时安装太阳能电池板发电设备也几乎不再受地域的限制。　　

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