Расчет некоторых параметров механического преобразователя энергии

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность получения энергии от движущихся на спуск автомобилей с помощью механического преобразователя энергии. Проведенные расчеты показывают, что одно устройство длиной 2 м может дать 41 кВт-ч.

ABSTRACT

The article considers the possibility of obtaining energy from vehicles moving to the descent by the use of mechanical energy converter. The calculations show that one device with a length of 2 m can give 41 kWh.

В настоящее время большое внимание уделяется проблемам энергосбережения. Большое количество исследований и изобретений относится к вопросам получения электроэнергии от движущегося транспорта для энергообеспечения дорог (например, для их освещения). Для этой цели предложен целый ряд устройств, работа которых основана на разных принципах: пьезоэлектрические [2,5,6], электромагнитные [1, 7], механические [3,4]. Рассмотрим пример механического устройства для выработки электрического тока от движущегося потока автомобилей (рис. 1) [3].

Рисунок 1. Схема механического преобразователя энергии

Устройство выработки электрического тока состоит из вертикально установленного в направляющих 1 винта 2 с закрепленной на нем головкой 3. С винтом кинематически связана гайка 4, которая через обгонную муфту 5 подвижно соединена с маховиком 6.

Маховик жестко соединен с ротором 7 генератора 8 электрического тока. Винт подпружинен возвратной пружиной 9. В настиле 10 выполнен паз 11, куда погружается головка винта при наезде на него автомобиля.

Устройство работает следующим образом. Автомобиль при движении по магистрали наезжает на головку 3 винта 2 и перемещает его в вертикальном направлении. Винт, имеющий кинематическую связь с гайкой 4, вращает ее вокруг вертикальной оси  без перемещения в осевом направлении. Гайка через обгонную муфту 5 вращает маховик 6, а тот, в свою очередь – ротор 7 генератора 8, вырабатывающего электрический ток.

После проезда автомобиля пружина 9 возвращает винт с головкой  в исходное положение. При этом обгонная муфта 5, вращаясь вхолостую, не передает вращение гайки 4 к маховику 6 в обратную сторону. Во избежание толчка автомобиля при погружении головки винта под тяжестью автомобиля головка винта выполнена в виде гребенки, погружающейся в пазы 11 настила 10.

Если описанное устройство установить на спуске автомобильной дороги, движущей силой маховика будет сила тяжести автомобиля. В этом случае получаемая энергия будет «экологически чистой». Рассмотрим, какое количество энергии способно дать предлагаемое устройство.

Приняты следующие данные:

- интенсивность движения 20000 авт/сутки (одна из максимальных для Республики Узбекистан);

- средняя масса автомобиля 10000 кг;

- скорость движения автомобиля на спуске 20 км/час (5,6 м/с);

- размеры выступающей части головки винта: длина l = 2м, высота h= 0,2м.

Расчет:

1. Работа движущей силы (силы тяжести автомобиля)

Где G=50000 Н (половина силы тяжести автомобиля); h =0,2 м.

А_д = 50000∙0,2 = 10000 Н∙м

2. Развиваемая мощность

t – время полного погружения головки винта (равно времени прохождения автомобилем   расстояния    l/2= 1 м    при  скорости   движения   автомобиля    v =5,6 м/с)

3. Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений

   Где N_дин – мощность, затрачиваемая на разгон маховика; N_винт – мощность, расходуемая в винтовой паре; N_пр – мощность, расходуемая на сжатие пружины.

3.1.  Мощность, затрачиваемая на разгон маховика

где m – вес (сила тяжести) маховика,  m = 50кг; D – диаметр маховика,  D =0,3м; n – частота вращения,  n = 250 об/мин.

3.2. КПД винтовой пары (при преобразовании поступательного движения во вращательное):

  λ – угол подъема винтовой линии, принят λ=40⁰; ρ – угол трения, ρ=5⁰

Потери в передаче составят

N_винт = 55556∙(1– 0,834) = 9222 Вт

3.3. Пружина должна быть выбрана таким образом, чтобы она могла вернуть винт в исходное положение после прохождения автомобиля. Принимаем необходимое усилие сжатия пружины F= 1000Н. Ход пружины должен быть равен высоте головки винта h, т.е. 0,2м. Тогда работа силы сжатия пружины

А_пр= F∙h =1000∙ 0,2 = 200 Нм.

Мощность, затрачиваемая на сжатие пружины

3.4. Суммарная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений

N_c = 4270 + 9222 + 1111,2 =14604,2 Вт

3.5. Полезная мощность составит

N_пол = N_дв – N_c = 55556 – 1111,2 =40952 Вт = 41 кВт

4.  Энергия, вырабатываемая предлагаемой установкой в сутки, составит

Э = N_пол ∙ t_сум

t_сум - суммарное время прохождения 20000 автомобилей; t_сум  = 20000∙0,18 = 3600с = 1ч

Э = 41 ∙ 1 = 41 КВт-ч

При установке нескольких, например 10, устройств, можно получить Э = 410 КВт-ч/сутки.

Таким образом, из расчета видно, что с помощью предлагаемого механического устройства можно получить экологически чистую электрическую энергию, необходимую для обслуживания участков горных с большим уклоном (в частности, для освещения туннелей). В настоящее время энергоснабжение таки участков осуществляется от общей электросети, что связано с большими затратами и ущербом окружающей среде.