Буквально пару недель назад, в статье "", мы уже касались колеблющихся систем для преобразования энергии потока в колебания и затем в электричество. Рассмотрим теперь похожую, хотя и "обратную" задачу, когда колебания среды преобразуются во вращение.
Данная заметка написана на основе одной из исследовательских работ школьников. Полностью приводить её здесь не буду, кому потребуется, сможет прочесть на . Здесь же дам только выдержки, касающиеся собственно генератора.
Постановка задачи следующая, нужно преобразовать колебания волн во вращательное движение. Задача была решена весьма простым способом - колеблющийся плавник, закреплённый на оси вращения генератора. Причём, вращательный момент, создаваемый плавником при любом движении воды, будет направлен в одну сторону.
Далее, просто цитирую из оригинала.
Решение задачи "...достигается применением в качестве лопасти турбины плоского или объемного гидродинамически обтекаемого гибкого упругого тела. Область жесткого захвата этого тела должна удовлетворять правилу U = 0.29, причём, в состоянии покоя хорда лопасти располагается в плоскости вращения турбины, перпендикулярной оси её вращения.
Сама турбина состоит из N-отдельных элементов, закрепленных на валу вращения турбины, каждый из которых составлен из двух и более лопастей, симметрично расположенных относительно вала вращения турбины. Тогда сила тяги лопасти возникает под воздействием текучей среды при возвратно-поступательном движении турбины относительно среды или среды относительно турбины вдоль оси её вращения за счет гибких деформаций лопасти. Деформации подобны деформациям крыла птицы или хвоста рыбы в процессе махового движения.
Применение нашего движителя в варианте лопасти для турбины даёт устройство, изначально обладающее высоким КПД и знакопостоянным моментом вращения при знакопеременном направлении падения потока текучей среды на турбину.
На рис. 17 показан элемент турбины, состоящий из двух лопастей 1, закрепленных на поперечине 2 в области, соответствующей правилу U = 0.29 для лопасти. Поперечина 2 жёстко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z приводит к изгибным деформациям 5 лопастей, противоположное движение приводит к изгибным деформациям 6 лопастей. В обоих случаях элемент приобретает вращательное движение в направлении 7 - против часовой стрелки. Наращивание числа элементов турбины, последовательно расположенных на одном валу вращения, приводит к пропорциональному возрастанию мощности на валу вращения. Это позволяет наращивать необходимую мощность на одном валу вращения турбины без увеличения поперечных размеров колеса турбины.
Рис.17 Диаметрическая проекция вращательного элемента турбины. Лопасти 1 закреплены на поперечине 2 в области, соответствующей правилу U=0,29 для лопасти. Поперечина 2 жестко соединена с валом 3, имеющим ось вращения 4. Так выглядит элемент турбины в состоянии покоя. Движение элемента вдоль оси вращения, т.е. в положительном направлении оси Z, приводит к изгибным деформациям лопастей вида 6. В обоих случаях элемент приобретает вращательное движение в направлении 7 – против часовой стрелки.
Для демонстрации реализации предлагаемого технического решения воспользуемся методом физического моделирования.
На фотографии рис. 18 приведена фотография модели турбины с одним вращательным элементом, содержащая две симметрично расположенные прямоугольные лопасти 1, закрепленные на поперечине 2, жестко связанной с валом 3. На вал 3 насажаны поплавок 8 с возможностью свободного вращения и жестко большая шестерня 9. Лопасти выполнены из гибкой упругой полимерной пленки толщиной 0.00025 м так, что образуют прямоугольное тело с размерами 0.07х0.105 м . В области, соответствующей правилу U = 0.29, создан карман 10 для насаживания и крепления лопасти 1 на поперечине 2. На рис. (9 показаны проекции лопасти 1: а - вид сбоку, b - вид сверху. 10 - карман для жесткого крепления поперечины и лопасти.
Рис.18 Фотография модели турбины с одним вращательным элементом, содержащая две симметрично расположенные прямоугольные лопасти 1, закрепленные на поперечине 2, жестко связанной с валом 3. На вал 3 насажены поплавок 8 с возможностью свободного вращения на валу и жестко большая шестерня 9.
На фотографии рис. 20 приведена турбина с тремя последовательно расположенными элементами на валу, смещёнными один по отношению к другому в плоскости вращения на угол 120° и расстояние 0.1 м. Вдоль вала вращения. 11 - площадка для крепления генератора 12 так, как это показано на фотографии рис. 21. Вращение вала 3 приводит в движение шестерню 9, которая, в свою очередь, через зубчатую передачу приводит во вращение малую шестерню, насажанную на вал генератора 12.
Рис.19. Показаны проекции лопасти 1. а- вид сбоку, b - вид сверху. 10 - карман для жесткого крепления поперечины и лопасти.
Рис. 20. Фотография турбины с тремя последовательно расположенными элементами на валу 3, смещёнными один по отношению к другому на угол 120 градусов и расстояние 10 см.
Коэффициент передачи шестеренок 132:8 (n=16.5). В результате вращения турбины на выводах генератора 13 возникает разность потенциалов. В качестве генератора используется электрический микродвигатель постоянного тока в обратном режиме. Двигатель постоянного тока ДМП-25-Н1-03 расчитан на напряжение питания 12В и силу тока 0,3А; угловая скорость 6000 об/мин. В качестве индикатора используется светодиод марки GNL-1206URC красного цвета с рабочим напряжением 1.9В и силой тока 70mA, подключаемый к выводам генератора.
Для имитации движения поплавка на волне используется ручной вариант - удерживая устройство за поплавок, производим вертикальные колебательные движения так, что трехэлементная турбина все время находится в состоянии погруженном в воду. При этом возникает вращательное движение турбины, не зависящего от прямого или обратного направления движения устройства, возбуждающее в цепи генератор-светодиод электрический ток.
Рис.22 Фотография работы устройства: под действием вертикальных движений руки устройство, захваченное за поплавок, с турбиной, погруженной в воду, зажигает красный светодиод 14. Светодиод подсоединен к выводам генератора 13 и для удобства фотосъемки механически закреплен на штативе 15.
На фотографии рис.22 можно видеть работу устройства: под действием вертикальных движений руки, устройство захваченное за поплавок, с турбиной погруженной в воду, зажигает красный светодиод 14. Светодиод присоединён к выводам генератора 13 и для удобства фотосъемки механически закреплен на штативе 15. Динамометрические измерения и измерения напряжения и силы электрического тока дали следующие результаты (таблица 1).
Таблица 1
сила, Н 3.0×0.5 скорость, М/с 0.12 мощность механическая, Вт 0.18 напряжение, В 2.0 ток, А 0.05 мощность электрическая, Вт 0.10
Максимальное значение прикладываемой силы выбрали равным 3.0 Н. Средняя прикладываемая сила 3.0×0.5 действовала в течение 0.5с на интервале вертикального смещения устройства, равном 0.06 м, что определило среднюю скорость движения как 0.12 м/с и угловую 1.0 обор/с. Мощность, прикладываемая к устройству, равна 3.0x0.5x0.12 = 0.18 Вт. Измерение напряжения (2.0 В) и силы тока (0.05 А) на светодиоде, подключенном к выводам генератора, дало оценку выходной (полезной) мощности 2.0×0.05=0.1 Вт.
В результате КПД устройства оказалось равным 0.1/0.18 = 0.56 = 56%.
Если учесть, что КПД генератора (обратного двигателя) может оцениваться в пределах от 60 до 80 %%, то для КПД турбины можно получить оценки - от 93 до 70 %%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Таким образом, предложенное техническое решение оказывается экономически существенно более выгодным, чем турбины Уэллса и Дэннисса.
2. Выигрыш заключается в том, что мы принципиально отходим от варианта использования текучей среды в качестве опоры для движителя, поскольку в этом случае движитель всегда будет "проваливаться" в среду, при этом его действенность будет заключаться в том, сколько текучей массы в единицу времени он успеет оттолкнуть от себя. Но это уже ближе к реактивному движению, причем в самом экономически невыгодном варианте.
3. Наш же вариант заключается в том, что движитель создает условия для возникновения вихревых потоков, т.е. таких потоков, которые возникают при маховых движениях крыла у птицы или хвоста у рыбы, КПД которых примерно 95%.
Предлагаемое техническое решение естественным образом допускает следующие расширения:
— турбина может располагаться не только в водной, но и в воздушной среде; — на одном валу вращения возможно совместное применение и подводного и воздушного вариантов турбины.
Авторы: Дмитрий Краснопевцев, Евгений Журавлев. Школа № 1273 ЮЗАО, 11 класс, Москва. 2006г.
Не стоит, конечно, доверять полученным "оптимистичным" цифрам КПД преобразования, но не стоит и смеяться над методиками измерения и т.п. У ребят была задача используя методологию большой науки, выполнить свою, пока маленькую"научную" работу и они с ней справились.
Нам же стоит обратить внимание на сам принцип преобразователя-генератора и может быть сделать что-то реально рабочее. И, кстати, это первая публикация на этом сайте, где предлагается получать энергию от волн.
25.11.09 -------------------------------------------------- Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас.
