Электрические машины в своем развитии прошли гро­мадный путь, теория электрических машин — одна из наиболее разработанных глав современной электротехники. Но вращение якоря или ротора и сегодня остается основ­ным принципом получения высокой скорости изменения магнитного потока и соответственно высокой электрической мощности, необходимой современной индустрии . Однако в наше время развиваются и иные способы получения большой электрической мощности, не обязательно связанные с вращательным движением. Например, МГД-генераторы не имеют вращающихся частей. Струя раскаленной плазмы с большой скоростью пронизывает сильное магнитное поле (силовые линии поля расположены по нормали к струе), в плазме индуцируется электрический ток, отводящийся с помощью системы электродов.

Вместо вращательного или прямолинейного движений для получения электрической энергии можно применить также колебательное движение. Так (или почти так), как это делал Фарадей, только работу (движения) руки заменить работой волн. Мысль об использовании колеба­тельного движения,  естественно,  возникает  при  поиске способов использования энергии поверхностных волн: как известно, волны являются самым наглядным при­мером колебательного движения. Можно по-разному выполнить преобразователь для работы в колебательном режиме. Схема одного из простей­ших (макета) изображена на рис. 5. Приемником энергии волн здесь служит тонкая плоская плита (пластина) 1, в которую ударяют набегающие волны. Под давлением волн плита совершает колебания относительно горизон­тальной оси 2. Ось может вращаться в подшипниках В. До сих пор это устройство очень походило на первую волноэнергетическую установку в Ошен-Грове. Однако дальше начинаются серьезные различия.

Колебания плиты с помощью штанги 4 передаются не поршню гидравлического насоса, а генератору электри­ческой энергии. Он размещен подальше от поверхности воды, поэтому потребовалась достаточно длинная штанга. Нижний конец штанги болтами скреплен с плитой, а на ее верхнем конце укреплена перемычка (ярмо) 5 из транс­форматорного железа с двумя магнитами 6. Перемычка с магнитами является существенной частью колебатель­ного генератора, она соответствует ротору или якорю в обычном генераторе. Неподвижная часть генератора (статор) состоит из магнитопровода 7 П-образной формы, собранного из полосок тонкого трансформаторного железа. Применение трансформаторного железа для магнитопро­вода и перемычки необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи. На вертикальных стержнях (частях) магнитопровода насажены две катушки 8, каждая имеет по 400 витков толстого медного изолированного провода. Катушки соединены последовательно и включены на общую нагрузку. Вся конструкция связана сварной рамой 9 из угловой стали (на ней укреплены и два под­шипника скольжения, поддерживающие ось), которая кре­пится к причалу. Под ударами волн плита периодически совершает ко­лебания, т. е. качается. Качается и жестко связанная с ней штанга, поэтому перемычка с магнитами периоди­чески замыкает и размыкает цепь магнитопровода. В тот момент, когда перемычка с магнитами замыкает маг-нитопровод, в нем появляется нарастающий магнитный поток, пересекающий витки обеих катушек. А когда волна продвигает плиту дальше, перемычка с магнитами размы­кает магнитопровод, поэтому магнитный поток уменьша­ется, снова пересекая витки катушек.

Рис. 2.4. Графики, поясняющие процесс  индукции

(Ф—изменение магнитного потока в цепи магнитопровода, Е— инду­цированная   электродвижущая сила)

Рис.2.5 Кинематическая схема преобразователя энергии поверх­ностных волн с колеблющимися магнитами и приемником энергии волн в виде пластины

По закону электромагнитной индукции в обоих случаях в цепи катушек возникает электродвижущая сила, вызывающая элек­трический ток. Процесс индукции поясняется с помощью рис. 6.

В качестве примера оценим электрическую мощность, которая может быть получена в режиме колебаний с по­мощью описанного устройства при следующих условиях: период поверхностных волн Т=6 с; амплитуда поверх­ностных волн А-=1 м; размер постоянных магнитов в на­правлении качания перемычки (т. е. ярма) 6=0,05 м (эта величина равна соответствующей стороне поперечного сечения магнитопровода); полное число витков на двух катушках WB-=800; максимальное значение магнитного потока через магнитопровод Ф=BS = 1,7-105; максималь­ное значение индукции в сердечнике магнитопровода g=8000 Гс; площадь поперечного сечения магнитопровода S=19,6   см2.

Определим время, в течение которого магнитный поток в  сердечнике  будет  нарастать  от начального  значения, близкого к нулю, до максимальной величины, принятой в расчете (1,7 -105 силовых линий). Нарастание потока нач­нется при подходе перемычки с магнитами к магнитопро-воду и будет продолжаться до тех пор, пока она не встанет точно под ним. Совпадение проекций плоскостей попереч­ного сечения вертикальных стержней магнитопровода с плоскостями магнитов на перемычке будет соответство­вать максимуму магнитного потока через сердечник; при дальнейшем движении перемычки магнитный поток будет уменьшаться.

При выходе перемычки с магнитами РЗМ за площадь проекций стержней магнитопровода магнитный поток снова примет значение, близкое к нулю. Для упрощения расчетов примем площади поперечного сечения стержней магнитопровода и магнитов РЗМ одинаковыми, а скорость движения перемычки неизменной и равной максимальной скорости орбитального движения частиц воды в волне при принятой амплитуде (А—1 м). Тогда длительность индук­ции, определяемая нами как время достижения магнит­ным потоком своего максимального или минимального зна­чений,   определится   формулой

Фактически оно будет несколько больше, так как рост магнитного потока начнется через воздушный зазор не­сколько раньше подхода кромки магнитов к краю стержня. Вычислим максимальное значение электродвижущей силы, возникающей на концах обмотки при принятых условиях. Согласно формуле Максвелла, она будет равна

Для   определения  мощности    необходимо   вычислить квадрат эффективного значения электрического напряже­ния за период поверхностной волны. Искомая величина определится   выражением од

где   (w=2тс/=62,8 — угловая   частота   переменного тока, возбуждаемого в обмотках преобразователя (800 витков)

при   колебаниях   перемычки   с  постоянными   магнитами РЗМ;

f=1/2t=(2-3,14-0,05)-1-10 Гц.

Чтобы вычислить квадрат действующего значения электрического напряжения за период поверхностной волны согласно приведенному выше интегралу, восполь­зуемся   подстановкой

sin2 wt = 1/2 — 1/2 cos 2wt = 1/2(1 — cos 2wt). Подставляя принятые выше значения, получаем

Чтобы вычислить электрическую мощность, необхо­димо знать внутреннее сопротивление обмотки и сопротив­ление полезной нагрузки. Сопротивление обмотки пре­образователя, состоящей из 800 витков медной проволки диаметром 2,56 мм, равно примерно 1 Ом. Исходя из условия получения максимальной мощности, примем со­противление полезной нагрузки также в 1 Ом; в этом слу­чае  суммарная  электрическая  мощность преобразователя

Nэл=6,1/1+1=3,1   Вт.

При равенстве сопротивления нагрузки внутреннему со­противлению генератора электрический КПД преобра­зователя составляет 50 %. Следовательно, на полезной нагрузке выделится только половина от полученной цифры, т. е. всего 1,55 Вт.

По поводу этого расчета необходимо сделать несколько замечаний. Если правильно выбрать размеры плиты, то за один период поверхностной волны движимая ее энергией плита совершит два полуколебания.

Первое — при прохождении гребня в направлении его движения, второе — при прохождении ложбины волны, в этом случае направление движения плиты будет прямо противоположно направлению ее движения за счет гребня. Чтобы плита в действительности совершала эти колебания, ее размер по вертикали ап должен быть достаточно велик и составлять не менее 2,5 А (где А — амплитуда поверх­ностной волны). Это условие определяется необходимостью иметь достаточную смоченную поверхность плиты во время прохождения ложбины волны. При его выполнении по­лезная электрическая мощность преобразователя удво­ится, т. е. мы получим не 1,55, а около 3,1 Вт.

Фактически мощность была даже несколько больше при меньшей амплитуде поверхностных волн. Увеличение мощности произошло благодаря некоторым нелинейным эффектам, не учтенным в расчете 8. Речь идет прежде всего о силе притяжения магнитов РЗМ к сердечнику пре­образователя из трансформаторного железа. Сила эта до­статочно велика; она не подчиняется закону синуса и за­висит от многих параметров, в том числе от положения маг­нитов относительно сердечника. Существенную нелиней­ность вносит тангенциальная составляющая этой силы, изменяющаяся hj направлению и величине от нуля до максимума при колебаниях перемычки с магнитами РЗМ под действием волн. Максимальная величина тангенциаль­ной составляющей силы притяжения при применении двух магнитов РЗМ достигает 40 кг; цифра эта достаточно ве­лика для маленького макета. Она сравнима по своей ве­личине с силой давления both на плиту, которая также не подчиняется   гармоническому   закону.

Оценим величину  си ты  давления  волн на  плиту  по формуле

F=KpuSa,

где F — суммарная сила давления волн, кг; К=1 — коэф­фициент   обтекания   плиты   (приближенное   значение); ря=102 кгс2/м4 — массовая плотность воды; Sn—0,5 м2 — площадь плиты;  Vc=l м/с — горизонтальная составляю­щая   волновой   скорости;

F=l*102*0,5*l2=50 кг.

Расчет силы давления соответствует моменту, когда гребень волны набегает на плиту, стоящую неподвижно в положении равновесия. Принимается, что перед набега­нием волны плита висит вертикально под действием силы тяжести и силы притяжения магнитов РЗМ к торцам сер­дечника; в этот момент тангенциальная составляющая силы притяжения  магнитов  равна   нулю.

Расчет показывает, что при принятых параметрах ве­личина силы волнового давления близка к силе статиче­ского притяжения магнитов. Если сила волнового давления по какой-либо причине уменьшится до 40 кг. то плита не сдвинется заметным образом or положения равновесия и акта индукции не произойдет. Это может случиться, на­пример, при прохождении ложбины волны, так как смо­ченная площадь плиты будет значительно меньше, чем во время прохождения гребня. Это свидетельствует о том, что у преобразователя имеется порог срабатывания по орби­тальной скорости поверхностных волн; если горизонталь­ная составляющая орбитальной скорости и соответственно давление волн на плиту становятся ниже некоторой ве­личины,   то   колебания   плиты прекращаются.   

Рис.2.6. Осциллограммы электрического напряжения, возникающего на нагрузке при колебаниях плиты под действием волн

Поэтому процесс возбуждения электрических колебаний имеет существенно нелинейный характер, что подтверждается осциллограммой, приведенной на рис. 7. Осциллограмма показывает электрическое напряжение, зарегистрирован­ное на омической нагрузке преобразователя во время его испытаний на морском причале. Импульсы электрического напряжения на нагрузке весьма далеки от синусоидаль­ной формы кривой; они имеют сложную форму, причем большие импульсы чередуются с малыми, что объясняется сложной   игрой   нелинейных   сил.

На осциллограмме, соответствующей одному периоду поверхностной волны, можно увидеть всего четыре от­носительно больших импульса электрического напряже­ния. Первый импульс (считая слева направо) соответ­ствует выходу магнитов из-под торцов сердечника под давлением гребня подошедшей волны; максимальное значе­ние напряжения достигает 3 В. После прохождения гребня давление волны на плиту ослабевает и она возвращается в положение равновесия; магниты входят под торцы сер­дечника. Процесс этот совершается быстрее их выхода, поэтому индуцируемое напряжение достигает примерно 4,5 В. Третий импульс соответствует второму выходу маг­нитов за счет прохождения ложбины волны, его макси­мальное значение напряжения достигает лишь 2,5 В, По Окончании прохождения ложбины плита и связанная с ней перемычка с магнитами снова возвращаются в по­ложение равновесия, при этом возбуждается четвертый импульс величиной  около  4  В.

Большие импульсы напряжения получаются, когда магниты входят в рабочий зазор сердечника. В этом случае направление момента тангенциальной составляющей силы притяжения магнитов совпадает с моментом силы тяжести плиты и штанги; кроме того, при окончании любой фазы волны (т. е. гребня или ложбины) направление момента силы давления от начинающейся новой фазы совпадает с моментами этих двух сил. Поэтому возрастает скорость движения магнитов, увеличивается скорость изменения магнитного потока через магнитопровод, возрастает ин­дуцируемая ЭДС и напряжение на нагрузке. Пики на­пряжения меньшей величины всегда наблюдались при выходе перемычки с магнитами из положения равновесия. В этом случае момент тангенциальной составляющей силы притяжения противоположен моменту силы волнового давления. Естественно, что скорость движения магнитов меньше, меньше индуцируемая ЭДС и напряжение на нагрузке.

На осциллограмме рис. 7 после второго импульса можно увидеть еще два импульса малой амплитуды; их происхож­дение, возможно, связано с отраженными от берега вол­нами.

Во время проведения экспериментов отмечено влияние собственной частоты колебаний плиты на генерируемую мощность.

При более строгом анализе процесса преобразования энергии необходимо также учесть так называемую пондеро-моторную силу (или силу Ампера). Она вызвана взаимо­действием индуцированного тока в обмотках с магнитным полем возбуждающих магнитов. Пондеромоторную силу можно  оценить  по  формуле

Fa=1,02BlI10 7 кг,

где В — магнитная индукция в зазоре, Гс; I — суммарная длина провода обмотки, см; / — ток через обмотку, А. Расчет показывает, что в нашем случае значение силы Fa не превосходит 0,25 кг, поэтому в ориентировочном расчете ею можно пренебречь. Незначительность этой ве­личины свидетельствует, в частности, о том, что у пре­образователя имеются значительные возможности в смысле увеличения   генерируемой   мощности.   Этого   можно   достигнуть   различными   путями.

Например, для увеличения генерируемой мощности в 10 раз можно увеличить магнитный поток в \/10, т. е. примерно в 3,16 раза; для этого потребуются два магнита РЗМ площадью по 6 J см2. При выполнении этого условия легко получить мощность в 30—40 Вт. Такой мощности вполне достаточно для обеспечения энергоснабжения навигационного буя или буя для передачи информации о гидрофизических параметрах океана. Для увеличения мощности в 100 раз, т. е. для получения 300—400 Вт, магнитный поток при всех остальных неизменных данных потребуется увеличить в 10 раз; этого можно добиться применением нескольких пар магнитов РЗМ вместо одной. Такой способ удобнее, так как позволяет ввести автомати­ческую компенсацию силы статического притяжения маг­нитов, что облегчит условия работы преобразователя и по­зволит говорить о создании генераторов такого типа мощ­ностью до нескольких десятков   киловатт.

Вопрос стоит о цене киловатта в зависимости от разме­ров установки. Преобразователи этого типа отличаются простотой, но дорога основная часть — магниты РЗМ. Возможная область их применения — малая энергетика, т. е. небольшие силовые установки для отдельных ферм, рыбозаводов или совхозов, расположенных вблизи по­бережья.

Основное преимущество устройств подобного типа —предельная простота устройства. Они вполне соответству­ют второму типу преобразователей приведенной выше клас­сификации. Преобразование идет по короткой схеме: волны — механический приемник энергии волн—генератор электрической энергии; эта схема отличается от идеальной (схемы I) введением лишь одного элемента — приемника энергии в виде плиты.

Одна из особенностей преобразователей с колебатель­ным движением заключается в необходимости применения постоянных магнитов типа РЗМ (с другими известными ныне типами постоянных магнитов нужного эффекта не получится из-за недостаточности их остаточной индукции), но РЗМ — относительно дороги и дефицитны, что скажется на их применении.

Для нормальной работы преобразователей рассмотрен­ного типа необходимо иметь неподвижное основание, на чем можно было бы укрепить раму, поддерживающую го­ризонтальную ось, относительно которой колеблется плита со штангой и магнитами. Подобное требование не всегда

можно выполнить в условиях открытого моря, однако име­ются способы обойти это затруднение. Первый из них за­ключается в применении якоря. Он может обеспечить до­статочную неподвижность одной из частей преобразова­теля, относительно которой будет колебаться вторая часть, несущая магниты или обмотки. В этом случае конструкция преобразователя должна несколько измениться. Еще лучше вместо якоря использовать стабилизированный буй (типа «вехи Фрудл») с достаточной плавучестью. Можно решить эту задачу н на принципиально ином физическом принципе, использовав силы инерции вместо прямого дав­ления   волн   на   плиту.

Описанный преобразователь динамоэлектрического типа в колебательном режиме дает переменный ток, час­тота которого колеблется так же, как и его эффективное значение. Непосредственная подача такого тока потре­бителям вряд ли окажется приемлемой, поэтому перед подачей его параметры должны быть улучшены. Проще всего это сделать с помощью аккумулятора того или иного типа.

 §2.4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальней­шем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой дея­тельности, которая не требовала бы – прямо или кос­венно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизнен­ного уровня. В те времена, когда человек добывал пи­щу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овла­дения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в при­митивном сельскохозяйственном обществе она составля­ла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

        За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

        Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма».

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти.

И вот новый виток в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.

Но времена изменились. Сейчас, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая». Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее.

Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед. Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что мы на пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды и трудности будут преодолены.

Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому. следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: «Нет простых решений, есть только разумный выбор».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1.     Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

2.     Шефтер  Я.И. Использование энергии ветра 2 издание.., перераб, и доп. Энергоатомиздат.

3.     Шейдлин А. Е. Новая энергетика. – М.: Наука, 1987. – 463 с.

4.     Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.

5.     Вершинский Н. В.  Энергия океана – М. Наука,  1986 – 144с.

6.    Шулейкин В. В.  Физика моря – М. ОНТИ, 1938 – 314с.

                          СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

§1.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

§1.2. ВЕТЕР КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

§1.3. ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИИ ЭНЕРГИИ И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

ГЛАВА 2 ВИДЫ ЭНЕРГИИ МИРОВОГО  ОКЕАНА

§2.1ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ОКЕАНСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА

ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ  И РАБОТЫ КЛОДА

§2.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ МАГНИТАМИ

§2.4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6