Экологически чистая выработка электроэнергии при помощи линейных генераторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологически чистая выработка электроэнергии при помощи линейных генераторов

Иоффе Александр Юльевич

Контакт с автором:

ioffe.shura@yandex.ru

Введение

электроэнергия генератор экологический вибрация

В последнее время, когда остро встала проблема использования экологически чистых источников электроэнергии, автор этой статьи надеется показать, что более полное и удобное использование таких поставщиков экологически чистой энергии, как ветер и волны, а также результатов деятельности человека, например, вибрации и сотрясения транспортных средств и дорожного полотна, возможно при применении наряду с электрогенераторами, работающими от вращательных движений, также и другого типа электрогенераторов, действующих от поступательных движений - линейных генераторов. Для некоторых ситуаций автор предлагает использовать, с его точки зрения, эффективные способы преобразования поступательных движений во вращательные для применения вместе с обычными динамо-машинами.

1. Первые линейные преобразователи энергии

Первые линейные преобразователи энергии были созданы еще в начале девятнадцатого века (они показаны в работах Фарадея и Ленца) и представляли из себя соленоиды с движущимися внутри них постоянными магнитами. Но использовались эти устройства только в физических лабораториях для формулирования законов электромагнетизма. Впоследствии, серьезное применение получили лишь генераторы, работающие от вращательных движений. Но теперь человечество "вспоминает давно забытое старое". Так недавно были созданы "вечные" или "индукционные фонарики Фарадея" (см.Рис.1), работающие от встряски и имеющие в своей основе "поступательный генератор" - тот же соленоид , с колеблющимся внутри него постоянным магнитом *, плюс выпрямительная система , сглаживающий элемент и накопитель. В интернете можно найти описание того, как сделать генератор, питающий велосипедные фары, работающий на том же принципе - от движения магнита внутри соленоида (встряску здесь уже обеспечивает не человеческая рука, а само транспортное средство - велосипед).

Рис.1 "Фонарик Фарадея. 1-магнит, 2-соленоид, 3-пружины, 4-перегородка, 5-лампочка

Появились и проектируются поступательные генераторы, использующие "пьезоэлектрический эффект" - способность некоторых кристаллов при деформации продуцировать электрические заряды (см Рис. 2).

Рис.2 Пьезокристаллический генератор 1-металлические пластинки, 2-пьезокристалл

Это, например, всем известные пьезоэлектрические зажигалки. Французские ученые (в частности этим занимается Жан Жак Шелло в Инновационном Центре в Гренобле) решили подставить пьезокристаллические модули под дождевые капли и, таким образом, получать электроэнергию. В Израиле в фирме "Innowatech" разрабатывается получение электроэнергии от давления машин на дорожное полотно - пьезокристаллы будут подложены под шоссе. А в Голландии подобным же образом планируют "собирать" электроэнергию из под пола танцевального зала.

Все вышеперечисленные примеры, кроме использования энергии дождя, касаются "снятия" энергии с результатов деятельности человека. Здесь можно предложить еще размещение поступательных генераторов в амортизаторах автомобилей и поездов (на соленоидах будет лучше, так как они возьмут на себя часть амортизаторной функции **), а также снабжение этих транспортных средств увеличенными копиями вышеописанных генераторов велосипедов, работающих от встряски, и, кроме того, расположение поступательных генераторов (лучше на пьезокристаллах - чтобы меньше были перемещения) под рельсами железных дорог.

Рассмотрим теперь, как полнее использовать энергию ветра. Известны ветроэлектрогенераторы, в которых ветер вращает воздушные винты, а они, в свою очередь, - валы динамомашин. Но не всегда воздушные винты удобны в использовании. Если они применяются в жилых районах, то требуют дополнительного места, и их, для безопасности, надо заключать в сетки. Они могут портить внешний вид, заслонять солнце и ухудшать обзор. Вращающиеся генераторы сложны в изготовлении: требуются хорошие подшипники и балансировка вращающихся частей (чтобы предотвратить биения). А размещенные на припаркованных электромобилях, подобные ветроэлектрогенераторы создадут большой соблазн и легкость воровства или повреждения со стороны несознательных элементов общества.

В этой статье предлагается использовать более удобные рабочие тела, на которые будет воздействовать ветер: щиты, пластины, паруса, "природные ветрозаборники" (о них будет сказано далее), надувные формы. А вместо привычных динамо-машин - специальные крепления - поступательные генераторы, в которых от механических перемещений и давлений, производимых рабочими телами, будет вырабатываться электроэнергия. В таких креплениях могут быть использованы как пьезокристаллы, так и соленоиды с подвижными магнитными сердечниками. Токи, созданные этими креплениями, будут проходить выпрямители, сглаживающие элементы и заряжать аккумуляторы для дальнейшего использования выработанной электроэнергии. Все части таких поступательных генераторов просты в изготовлении.

Щиты с подобными креплениями (см.Рис.3а,в), размещенные на стенах зданий, балконов и т.п., будут приносить вместо неудобств только выгоду: звуко и теплоизоляцию, тень. Они практически не требуют дополнительного пространства. Рекламные щиты, навесы от солнца или дождя, снабженные такими креплениями и “дождевыми” пьезокристаллическими модулями будут кроме своей основной функции еще и вырабатывать электроэнергию. (см.Рис.4). По такому же принципу можно “заставить работать” и любой забор.

Рис.3. а- Соленоидный поступательный генератор с рабочим телом в виде щиты, в- Пьзокристаллические поступательные генераторы в креплениях для щита

Рис.4. Электрогенерирующий навес 1-пьезокристалл, 2-пьезокристаллический модуль для использования энергии дождевых капель, 3-стена, 4-подпорка, 5-навес, 6-провода.

Рис.5 а), в). Электрогенерирующие крепления в окнах и ставнях а) 1-стекло, 2-оконная рама, 3-оправа стекла, 4-уплотнения, 5-пьезокристаллы, 6-металлические пластины, 7-провода, F-сила ветра; в) 1-оконная рама, 2-ставни, 3-соленоиды, 4-магниты, 5-шарнирные соединения, 6-пружины, 7-провода, F-сила ветра.

Есть опция использовать прочные стекла в окнах в качестве “ветрозаборников”, а электровырабатывающие крепления расположить в раме (см. Рис. 5а). Если взять случай с электромобилями, то крепления можно переключать: на стоянке, где позволительна вибрация стекол от ветра, будут использоваться электрогенерирующие крепления, а при движении, чтобы не нарушать аэродинамические свойства электромобиля- обычные. Хотя при использовании пьезокристаллов можно добиться совсем небольшого люфта и переключения не потребуются. В более простом (непрозрачном варианте выполнения щитов) на стоянке обычные стекла опускаются и вместо них вставляются щитовые ветроэлектрогенераторы, креплениями опирающиеся на рамы окон. То же можно сделать и в доме, скажем ночью, когда окна не должны пропускать свет: вместо стекол или внешних ставень устанавливать подобные ветроэлектрогенераторы (см.Рис.5 b).

Опора, скажем в виде треноги, для фонарного столба или сотовой антенны будет вырабатывать электроэнергию, если мы в каждой ее “ноге”, разделив “ногу” поперек на две части, в стыке разместим вышеописанное электрогенерирующее крепление (см.Рис.6). Столб фонаря или антенны можно поместить в зарытый в землю и укрепленный полый цилиндр с подобными электрогенераторами, размещенными по внешнему ободу -это еще один вариант (см.Рис.7).Фонари на столбах, оснащенных такой “поддержкой”, могут работать самостоятельно без подвода к ним кабелей электропитания, ведь их раскачивание от ветра или от колебаний дорожного полотна всегда имеет место. Такие фонари должны быть очень востребованы там, где либо нет электростанций, либо местность еще не “охвачена” проводкой.

Рис.6. Электрогенерирующая опора столба. 1-столб, 2-опора, 3-цилиндрический обод, 4-земля, 5-пьезокристалл, 6-металлические пластины. 7-провода, 8-шарниры

Рис.7. Столб в цилиндрическом гнезде с поступательными генераторами по краям. 1-столб, 2-цилиндрическое гнездо, 3-грунт, 4-шарнир, 5-пьезокристалл, 6-металлические пластины. 7-провода.

Кроме того, поступательные генераторы позволяют нам “запрягать” еще и такие “природные ветрозаборники” как деревья: ведь их ветки еще как раскачиваются от ветра. Но делать это надо мягко и осторожно, чтобы не повредить наших зеленых друзей. С деревьями лучше, на мой взгляд, использовать генераторы соленоидного типа, а не на пьезокристаллах. Соленоиды с магнитами и пружинами будут обеспечивать мягкую “упряжку”.

На Рис. 8а показан один из возможных вариантов использования качания ветки. Одну веревку, идущую от бобины электрической катушки (1), закрепляем на стволе или прикрепляем к “якорю” (4) (типа морского), зарытому в землю, а вторую, соединенную с магнитом (2) закрепляем за качающуюся ветвь. Закрепление бобины можно и не производить - оставить только связь с веткой (см. Рис.8b). Тогда генератор будет работать от встряски, которую ему обеспечит раскачивание ветки от ветра (катушке не даст упасть пружина (5)).

Таким образом, даже туристы смогут получать электроэнергию от дерева, ведь соленоид с магнитом плюс сопутствующая электроника не объемны и вполне поместятся в багажнике автомобиля. Подобное использование деревьев, при аккуратном и щадящем обращении с ними, по моему мнению, приведет не к сокращению зеленых насаждений, а наоборот, к их увеличению. Так, например, использование человеком лошадей, а также животных собачьих и кошачьих семейств привело к их повсеместному распространению. Я не исключаю также, что будут выбраны или выведены несколько стойких и пружинящих пород деревьев с “парусной” листвой, наиболее приспособленных стать “несущим звеном” поступательных электрогенераторов.Такие деревья и будут распространяться.

Рис.8 а). Использование качания ветки для выработки электроэнергии. Закрепление генератора за ствол или почву. 1-соленоид, 2-магнит, 3-блок электроники, 4-якорь, 5-пружина, 6-провода

Рис.8 в). Использование качания ветки для выработки электроэнергии. Работа от встряски. 1-соленоид, 2-магнит, 3-блок электроники, 4-провода, 5-пружина.

Что же касается надувных “рабочих тел” для поступательных ветроэлектрогенераторов, то все очевидно видели рекламные надувные фигуры людей на бензоколонках, и что они вовсе не стоят истуканами. А их “корежит” от ветра немилосердно. Так пусть надувные формы (не обязательно в виде человека: их можно выполнять в виде шаров, эллипсоидов, надувных матрацев и т.д.) “поработают” на экологически чистую электроэнергию. Их преимущество в том, что они, “отвязавшись” и движимые ветром, никого из людей серьезно не травмируют. На Рис.9 показано использование воздушного шара как рабочего тела для поступательного ветроэлектрогенератора соленоидного типа. Магнит привязывается к шару, а катушка “якорится”, причем лучше использовать упругие соединения, чтобы не порвать шар и не повредить катушку и электронику (упомянутые выше выпрямительную, сглаживающую и накопительную системы).

Добавлю, что энергию ветра можно “запрячь” для выработки электричества еще и на парусных судах в местах крепления парусов (тут больше подойдут электрогенерирующие крепления на пьезокристаллах, чтобы не создавать больших перемещений) (см. Рис.10). Выработанное электричество пойдет на зарядку аккумулятора как дополнительной энергетической возможности в случае штиля, для движения на электромоторе и для внутренних нужд судна, скажем, для освещения и холодильных агрегатов.

Рис.9. Воздушный шар, как рабочее тело для поступательного генератора. 1-соленоид, 2-магнит, 3-блок электроники, 4-якорь, 5-пружина, 6-грунт, 7-провода, 8-воздушный шар.

Рис.10.Электрогенерирующие крепления паруса. 1-мачта, 2-рея, 3-парус, 4- пьезокристалл, 5- металлические пластины, 6- бруски-прокладки, 7-канат, 8-провода.

Теперь посмотрим, как использовать энергию морских и речных волн. Можно сделать такие генераторы поступательного действия, где рабочими телами будут служить не большие щиты или другие крупные геометрические формы, а небольшие пластины. Электрогенерирующие крепления останутся такими же (на соленоидах или же на пьезокристаллах), но только меньших размеров. Наборы из таких пластинчатых электрогенераторов установим на плавучих средствах на уровне их ватерлиний (см.Рис.11). Они (генераторы), в силу их небольших размеров, не будут слишком сильно портить обвод судна. Следует позаботиться и о гидроизоляции генераторов, поместив их под водонепроницаемую эластичную оболочку. Волны, бьющие по судну (по пластинам), будут вырабатывать электроэнергию для двигателя (ходовая часть) и для внутренних нужд судна, что позволит избавиться от громоздкого и опасного (переворачивающего плавучее средство) паруса, с которым, кроме того, сложно идти против ветра, и загрязняющих окружающую среду моторов и генераторов внутреннего сгорания.

Рис. 11. Пластинчатые электрогенераторы на судне. 1-борт судна, 2-пластины, 3-соленоиды, 4-магниты, 5-гидроизолирующая оболочка, 6-пружины, 7-провода.

Использовать энергию волн у берега - еще проще, закрепив соленоиды к пирсу, дебаркадеру или другому сооружению (см.Рис.12). Здесь возьмем щиты и крепления побольше: в этом случае обтекаемость только повредит.

Рис.12. Щиты, крепящиеся к пирсу с помощью поступательных электрогенераторов. 1-пирс, 2-щит, 3-соленоиды, 4-магниты, 5-пружины, 6- блок электроники, 7-провода.

Есть опция - магниты соединять с поплавками вместо щитов, а соленоиды прикреплять к опорам пирса или к самой его горизонтальной поверхности, как вариант - соленоиды “якорить” (см.Рис.13).

Еще можно преобразовывать энергию волн в электрическую, поставив на плавучие средства увеличенные копии вышеописанных генераторов, работающих от встряски, таких, как в “фонариках Фарадея” и как на велосипедах для питания велосипедных фар. Как вариант - делать герметичные водонепроницаемые “капсулы”, обладающие плавучестью, и содержащие поступательные генераторы и соответствующие преобразователи и накопители. В обшивке должны быть проводящие зоны для двух проводников и , если есть аккумулятор, то выключатель. Такие капсулы можно “отдавать на волю волн” около берега или транспортировать за судном.

Для этой же цели (использования энергии волн) предназначен “плот-электрогенератор”, показанный на Рис.14. Волны будут обеспечивать движение поплавков (1) друг относительно друга, что при помощи стоек (2) на шарнирах (3) вызовет движение магнитов (6) относительно соленоидов (5). Напомним, что магниты, соленоиды и пружины (7) составляют поступательные генераторы (4), прикрепленные к стойкам на шарнирах (3). Аккумулятор (8) и электронный блок (9) заключены в общий жесткий кожух (10), подвешенный на канатах (11) к стойкам. Система стоек, шарниров и пружин, не ограничивая полностью взаимные перемещения поплавков, в то же время, не даст плоту распасться. А относительное движение магнитов и соленоидов обеспечит выработку тока в соленоидных обмотках, который будет передаваться по проводам (на рисунке не показаны) в электронный блок. Там он пройдет выпрямитель и сглаживающий элемент, после чего поступит в аккумулятор плота или по кабелям (не показаны) будет передаваться на берег или на судно, буксирующее плот для своих энергетических нужд.

Для более полного использования всех направлений воздействия волн, можно из таких плотов составить конгломерат, разместив их под оптимальным углом, друг относительно друга, или же на одном плоту сделать комплексную (учитывающую все возможные относительные перемещения поплавков), но и более сложную, чем на Рис.14, систему стоек шарниров и пружин.

Рис.13. Поплавковая система выработки электричества от энергии волн. 1-пирс, 2-поплавки, 3-соленоиды, 4-магниты, 5-пружины, 6- блок электроники, 7-провода, 8-канаты, 9-якорь, 10-вода, 11-дно.

Рис.14. Плот-электрогенератор. 1-поплавки, 2-стойки, 3-шарниры, 4-поступательные генераторы, 5-соленоиды, 6-магниты, 7-пружины, 8-аккумулятор, 9-электронный блок, 10-жесткий кожух, 11-канаты.

Поступательные генераторы подходят также и для использования энергии перепадов уровней воды у рек, водопадов, приливов и отливов. Они будут работать вместо гидротурбин. Эффективность их по предварительным оценкам меньше, но, зато, поступательные генераторы вместе с сопутствующими устройствами проще построить: ведь гидротурбинные генераторы, в силу их принадлежности к вращающимся, нуждаются в точности изготовления, балансировке и хороших подшипниках. На Рис.15,16 ,17 и 18 показаны возможные варианты в этой области использования поступательных генераторов.

Рис.15. Поплавковая система выработки электроэнергии на речке или водопаде. 1-стойка, 2-поплавок, 3-берег, 4-поток, 5-электронный блок, 6-магнит, 7-соленоид, 8-пружина, 9-днище бабины соленоида, 10-провода, 11-канат.

Самой простой для выполнения является следующая схема (см.Рис.15). Соленоид закрепляется на берегу (очень хорошо к мосту) речки или водопада, а к магниту (6) привязывается поплавок (2), опущенный в воду. Если течение турбулентное, а это мы наблюдаем в быстрых речках и водопадах, то поплавок будет колебаться и передаст колебания магниту, что и требуется для выработки электроэнергии. “Уплыва” магнита вместе с поплавком не произойдет из-за того, что магнит закреплен к днищу бобины(9) соленоида (7) пружиной (8). Эта схема очень напоминает вышеприведенную поплавковую схему для использования энергии волн (См Рис 13).

На Рис.16а изображена достаточно хорошо известная система . Сверху в накопительную чашу (1) идет непрерывный поток воды, например из отводного канала (2) от речки. Чаша заполняется. Когда гидростатическое давление на конец трубки (3), находящейся в этой емкости, превысит определенный “порог запирания” (ведь в трубке пока воздух), вода начнет через нее проходить и выльется на поступательный генератор (4), находящийся внизу. Уровень воды в чаше спустится ниже изогнутого конца трубки (h min) и воздух опять “запрет” ее. За счет поступления воды сверху, снова произойдет заполнение емкости до уровня (h max). При котором гидростатическое давление способно “отпереть” трубку и т.д. Тем самым обеспечивается прерывистое падение воды на поступательный генератор, что и требуется для выработки электроэнергии. После совершения “работы” вода стечет вниз на водосборник (5), откуда по соответствующему каналу (6) поступит опять в речку, но уже на более низком уровне.

На Рис.16 b и с изображены уже сами поступательные генераторы, предназначенные для использования прерывистых падений на них жидкости. На Рис.b - соленоидного типа, здесь наклонная кювета (1) для сбора и слива воды, жестко крепится к магниту (2), находящемуся внутри закрепленного соленоида (3). А сам магнит снизу подпирает пружина (4), закрепленная к днищу (5) бобины соленоида. На Рис.с - пьезоэлектрического типа. Здесь такая же кювета (1) опирается на пьезокристалл (2), вырабатывающие ток.

Рис.16 a) b) c) Использование разности уровней воды в природе для выработки электроэнергии. а) 1-накопительная чаша, 2-отводной канал от речки, 3-трубка, 4-поступательный генератор, 5-водосбор, 6-возвращающий к речке канал; b) 1-наклонная кювета, 2-магнит, 3-соленоид, 4-пружина, 5-днище бабины соленоида, 6-провода, 7-вода; с) 1-наклонная кювета, 2- пьезокристалл, 3- металлические пластины, 4-провода, 5-вода.

На Рис.17 изображено устройство такого же предназначения, но другого типа - это поворачивающаяся (в вертикальной плоскости) на шарнире (2) чаша (1). Она имеет разные центры тяжести в ненаполненном и наполненном состояниях. В ненаполненном состоянии чаша находится в устойчивом равновесии: она опирается на шарнир (2) и подставку (3). Вертикаль, опущенная из ее центра тяжести (С1) проходит через площадь опоры. Но по мере заполнения чаши водой, например из отводного канала (10) от речки, ее центр тяжести смещается. И когда вертикаль, опущенная из нового центра тяжести (С2) выйдет за площадь опоры, чаша начнет переворачиваться. По мере переворачивания, вертикаль из центра тяжести все больше и больше будет выходить за площадь опоры. В конце концов, жидкость из чаши выльется на поступательный генератор (5), а затем в водосборник (7) и в возвращающий к речке канал (8). Пустая же чаша возвратится в свое исходное положение устойчивого равновесия, снова начнет заполняться водой, и цикл повторится.

Рис.17. Опрокидывающаяся чаша-генератор. 1-чаша, 2-шарнир, 3-подставка, 4-балласт, 5-поступательный генератор, 6-электронный блок, 7-водосборник, 8-возвращающий к речке канал, 9-провода, 10-отводной канал от речки.

Далее, на Рис.18 показано устройство маятникового типа, позволяющее превращать энергию падающей воды в электрическую. От постоянно наполняющейся чаши (1) (от ее днища) идет гибкий шланг (2), качающийся вместе с маятником (3). Маятник заставляем работать например за счет электрического моторчика с редуктором (4). Шланг поливает попеременно несколько поступательных генераторов (5). Выработанный ток через выпрямительные и сглаживающие элементы, находящиеся в электронном блоке (6), подзаряжает аккумулятор (7). Он обеспечивает питание моторчику, а оставшуюся часть энергии подает на полезную нагрузку (8).

Рис.18. Маятниковый способ выработки электроэнергии от разности уровней воды. 1-накопительная чаша, 2-гибкий шланг, 3-маятник, 4-электромотор с редуктором, 5-поступательные генераторы, 6-электронный блок, 7-аккумулятор, 8-полезная нагрузка, 9-провода, 10-ременная передача, 11-вода, 12-грунт.

Можно придумать еще много возможностей для использования электрогенераторов поступательного действия, вариантов их конструктивного выполнения и сопутствующих им устройств. Я надеюсь, что эти генераторы займут свою “нишу” в области выработки экологически чистой электроэнергии.

Если по каким -то причинам электрогенераторы поступательного действия не могут быть построены и применены, или уже имеются обычные генераторы, действующие от вращательных движений, то некоторые поступательные движения, имеющие достаточную амплитуду, например качания веток деревьев от ветра, движения поплавка или воздушного шара, все равно могут быть использованы, так как существуют механические передачи, преобразующие поступательные движения во вращательные. Могу назвать, например, реечную передачу (см.Рис.д), винтовую (как у детской игрушки - юлы) и ременную с катушкой (см.Рис.а): на катушку наматываем ремешок, леску или кабель и присоединяем к ней возвратную пружину, например спиральную ***. Кроме того, желательно после получения вращения на каком-либо валу, поставить после него мультипликатор (см.Рис.в) повышающий обороты, и динамо-машину подсоединять уже к его выходному валу, так как динамо-машины рассчитаны для эффективной работы на большие скорости вращения. А для еще большей эффективности выработки электроэнергии таким способом, надо в качестве мультипликатора поставить коробку пердач, как в автомобиле или велосипеде, и переключать скорости в зависимости от силы ветра или волн на текущий день или час.

Рис.д Реечная передеача

Рис. а. Катушка, преобразующая разные виды движений. 1 - катушка (бобина), 2 - вал катушки, 3 - спиральная пружина, 4 - крепление пружины, 5 - ремень.

Рис. в. Мультипликатор

Если мы оценим, какая часть “приземной” воздушной поверхности, подверженной воздействию ветров, еще не “задействована” для выработки электричества, какая водная поверхность с волнами и сколько рек и водопадов пока не “работают” (это еще не говоря о солнечных лучах и геотермальных источниках), то мы увидим, что у экологически чистой энергетики есть большое будущее.

Примечания

* Необходимо отметить, что не обязательно для появления тока в соленоиде, вдвигать и выдвигать внутрь него магнит (на сегодняшний день самые сильные - неодимовые магниты), достаточно, и ,кроме того, не менее эффективно, приближать и удалять магнит от электрической катушки , если в нее вставить сердечник, лучше ферритовый. Вот

** В соответствии с правилом Ленца.

*** Здесь может пригодиться часть спиннинга или устройства ремня безопасности автомобиля. Возможно составить комбинацию из их элементов.

Размещено на Allbest.ru