Расчет некоторых параметров механического преобразователя энергии

Calculation of some parameters of a mechanical energy converter
Цитировать:
Радкевич М.В. Расчет некоторых параметров механического преобразователя энергии // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2017. № 8 (41). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/5040 (дата обращения: 29.10.2020).
Прочитать статью:
Keywords: energy conversion, mechanical converter, screw device

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.

Ад = 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 Nдин – мощность, затрачиваемая на разгон маховика; Nвинт – мощность, расходуемая в винтовой паре; Nпр – 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=400ρ – угол трения, ρ=50

Потери в передаче составят

Nвинт = 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

АпрFh =1000∙ 0,2 = 200 Нм.

Мощность, затрачиваемая на сжатие пружины

3.4. Суммарная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений

Nc = 4270 + 9222 + 1111,2 =14604,2 Вт

3.5. Полезная мощность составит

Nпол = Nдв – Nc = 55556 – 1111,2 =40952 Вт = 41 кВт

4.  Энергия, вырабатываемая предлагаемой установкой в сутки, составит

Э = Nпол ∙ tсум

tсум - суммарное время прохождения 20000 автомобилей; tсум  = 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.


Список литературы:

1. Ададуров С.Е. и др. Патент RU № 2455183. Путевое устройство для преобразования механической энергии в электрическую
2. Акопьян В., Паринов И., Истомин И. Пьезогенераторы – новое перспективное направление малой энергетики. // Ж. Наука и техника № 9 (227), 2011. – С. 65-70
3. Аннакулова Г.К., Радкевич М.В. Устройство для выработки электрического тока. Патент РУз № FAP 00896.
4. Бляшке Р. Электрический ток лежит на дороге// Наука и жизнь. 1979. № 9.
5. Пьезогенераторы - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность? (Эл. ресурс). http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html (Дата обращения: 3.11.2014)
6. Практические примеры использования пьезогенераторов (Эл. ресурс). URL: http://alternativenergy.ru/index.php?do=search. Дата обращения: 3.11.2014
7. Торшин В.В. и др. Способ получения электрической энергии при колебании рельсов. Патент RU 2444458.

Информация об авторах

д-р техн. наук, доцент, Ташкентский институт по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог, 100000, Узбекистан, г. Ташкент, ул. А.Темура, дом 20

Doctor of technical sciences, assistant professor, Tashkent Institute of Design, Construction and Operation of Highways, 100000, Uzbekistan, Tashkent, A. Temura street, 20

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top