Изобретение относится к преобразователям энергии набегающего потока, например в области ветроэнергетики, нетрадиционной энергетики, гидроэнергетики, а также в контрольно-измерительных приборах. Используются вместе два физических эффекта: автоколебания и электромагнитная индукция. Преобразование энергии набегающего потока осуществляется за счет электромагнитной индукции, возникающей при автоколебаниях размещенных в набегающем потоке металлических струн (упругих проводников), расположенных в магнитном поле. Согласно закону электромагнитной индукции металлическая струна, совершая колебательные движения в магнитном поле, становится генератором электрической энергии (тока). Особенность способа позволяет увеличивать мощность преобразователя, увеличивая количество струн в преобразователе до необходимого числа. 1 ил.

Изобретение относится к преобразователям энергии набегающего потока и может быть использовано в области ветроэнергетики, нетрадиционной энергетики, гидроэнергетики, а также в контрольно-измерительных приборах.

Для преобразования кинетической энергии потока в электрическую известны ветродвигатели с вертикальной и горизонтальной осью вращения.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения имеют ряд недостатков:

Тихоходность;

Используют редукторы, которые значительно снижают коэффициент полезного действия, а также надежность ветродвигателя.

Ограниченность размеров лопастей ветродвигателей с горизонтальной осью определяет ограничение на мощность ветродвигателей, а использование устройства для поворота крыльчатки в направлении, перпендикулярном движению потока ветра, вызывает снижение надежности и коэффициента полезного действия ветродвигателя, а также увеличивает его стоимость.

Известен преобразователь энергии потока (см. RU 2142572 С1, опубл. 10.12.1999 г., МПК 6 F 03 D 5/06), использующий преобразование кинетической энергии потока в потенциальную, а затем в механическую. Для этого используется полое тело. Оно заменяет крыльчатку (лопасти), что уменьшает размеры и увеличивает надежность преобразователя энергии потока.

Недостатком данного преобразователя является использование в нем механических преобразователей движения, снижающих коэффициент полезного действия, надежность, увеличивающих стоимость и размеры преобразователя энергии потока.

Наиболее близким решением (прототипом) является способ преобразования энергии, заключающийся в том, что преобразование осуществляется за счет электромагнитной индукции путем размещения проводника в магнитном поле и воздействии на него набегающего потока (см. JP 11294314, МПК 7 F 03 D 9/00, опубл. 26.10.1999 г.).

Недостатком данного способа является его низкая эффективность.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности использования указанного способа.

Технический результат достигается тем, что в способе преобразования энергии, заключающемся в том, что преобразование осуществляется за счет электромагнитной индукции путем размещения проводника в магнитном поле и воздействия на него набегающего потока, в качестве проводника размещают металлические упругие струны.

Иллюстрация работы предлагаемого преобразователя представлена на чертеже.

Автоколебания натянутой металлической струны 1, помещенной в магнитное поле 2, поддерживаются за счет кинетической энергии набегающего потока 3.

Частота и амплитуда установившихся колебаний определяется параметрами струны и параметрами ее взаимодействия с набегающим потоком. Частота колебаний струны (ν):

где S - площадь сечения;

Q - натяжение;

ρ - плотность материала;

n - целое число.

Согласно закону электромагнитной индукции металлическая струна (1), совершая колебательные движения в магнитном поле (2), становится генератором электрической энергии (тока).

Возникающую при этом электродвижущую силу (∈) можно оценить по формуле:

где v - скорость перемещения;

В - напряженность магнитного поля;

l - длина проводника;

α - угол между силовыми линиями магнитного поля и струной.

Особенность способа позволяет увеличивать мощность преобразователя, увеличивая количество струн в преобразователе до необходимого числа.

Способ преобразования энергии, заключающийся в том, что преобразование осуществляется за счет электромагнитной индукции путем размещения проводника в магнитном поле и воздействия на него набегающего потока, отличающийся тем, что в качестве проводника размещают металлические упругие струны.

Если вы думали, что вашему мобильному телефону пригодился бы микро-генератор, то вы не единственный, кто так думает. Финская компания Nokia запатентовала пьезоэлектрический коллектор кинетической энергии, предназначенный обеспечить дополнительное питание для портативной электроники. В устройстве, например, в мобильном телефоне, батарея будет установлена ​​на маленьких рельсах, что позволит ей двигаться при вашей ходьбе вверх и вниз и при этом производить электроэнергию. А в чрезвычайной ситуации вы сможете еще и встряхнуть ваш телефон и этим дать телефону дополнительную порцию энергии.

4. Солнечно-тепловые генераторы

Зачем полагаться только на один способ генерации энергии, когда вы можете воспользоваться двумя в то же время? Fujitsu создала тонкие и гибкие устройства, которые работают одновременно и как солнечные панели, и как термоэлектрический генератор. Это означает, что вы можете создавать в два раза больше энергии, либо можете генерировать ее достаточное количество, если совершенно темно или совсем холодно. Вы сможете генерировать энергию даже, если достаточно темно и прилично холодно одновременно. Это устройство довольно универсальное, и, что еще лучше, должно быть достаточно простым и дешевым в производстве. Ищите его в коммерческих продуктах ближе к 2015 году.

5. Гибкий нано-генератор

Никто не хочет носить с собой личные генераторы энергии, которые являются громоздкими и раздражают при каждом шагу. Идеальные системы будут настолько плотно и незаметно интегрированы в нашу жизнь, что мы не будем даже замечать, что являемся ходячими электростанциями. Один из способов – это просто все сделать супер-крошечным, т. е. нано-размеров. Вы не будете получать много энергии из настолько маленьких генераторов, но это не будет иметь значения, так как их будет очень много. Исследователи Georgia Tech выяснили, как внедрять крошечные пьезоэлектрические нано-провода на гибкие листы полимера, и когда листы сжимаются, провода качают электричество. Если такие генераторы встроить в ткань одежды, то они будут генерировать энергию при каждом вашем движении.

6. Прозрачная солнечная панель

Являются отличным источником электроэнергии, но все, что имеет на себе панель солнечных батарей, не может быть использовано для выполнения еще какой-то задачи. С другой стороны, если солнечные панели можно было бы как-то сделать прозрачными, то их могли бы пристроить к любому устройству, и они были бы незаметными. В данный момент можем сказать: “Добро пожаловать в будущее!”, потому что французская компания под названием Wysips разработала совершенно невидимую солнечную панель в виде пленки. Толщиной в 100 микронов, ее можно интегрировать в дисплей мобильного телефона, где она может в течении часа от солнечных лучей собрать достаточно энергии, чтобы обеспечить телефонный разговор длительностью солидных 30 минут. На рынке подобные устройства могут появиться в течение этого года.

7. Солнечная ткань

Военные всегда очень интересовались возможностью использовать личные вещи для производства энергии, поскольку в настоящее время солдаты таскают сумасшедшее количество батарей для питания всего своего оборудования, что конечно утомляет солдат. Научный центр инженерно-физических исследований в Великобритании работает над проектом военной формы, которая должна функционировать как генератор, который собирает солнечную энергию непосредственно через новый тип ткани. Термоэлектрический компонент также может генерировать электричество, когда темно или туманно, пока он теплый, а в качестве дополнительной пользы данный компонент сможет уменьшить инфракрасный силуэт солдата. Прототип системы должен быть готов к декабрю, и, рано или поздно, неизбежно перейдет в свой коммерческий этап.

8. Персональная панель солнечных батарей

Для ближайшего будущего, солнечные панелей являются одним из самых дешевых и самых надежных способов сбора электроэнергии, особенно если вы живете где-то, где хорошо и солнечно большую часть времени года. Есть много различных персональных систем солнечных панелей, но Solio является одним из самых умных. На самом деле, устройство состоит из трех солнечных панелей, которые открываются как цветок, и вы можете через центральное отверстие вставить карандаш, чтобы подпирать его под оптимальным углом относительно Солнца. В нем есть и встроенный аккумулятор, чтобы обеспечить хранение полученной электроэнергии для времени дня, когда становится темно. Весь комплект должен стоить около $ 70.

9. Ветровая микро-турбина

Энергия ветра становится все больше значимым источником электроэнергии, особенно когда ветровые турбины становятся все более и более гигантскими. Вам лично для повседневной жизни не нужно потенциала гигантских турбин, так что ваша собственная маленькая микро-турбина вполне может быть в состоянии удовлетворить некоторые из ваших потребностей в электроэнергиеи. HYmini персональная ветровая турбина предназначена для монтажа на велосипеде или на руку, когда вы бежите трусцой, при чем ее вращающиеся лезвия генерируют электричество для зарядки встроенной батареи. При цене всего $ 50 за штуку, вы могли бы купить целое стадо из них, и наклеить их на всю поверхность вашего электрического автомобиля. Пока вы едете достаточно быстро или паркуетесь рядом с ураганом, вам никогда снова не придется зависеть от наличия электросети.

Наука имеет различные коэффициенты по преобразованию кинетической энергии в тепловую. Однако, до настоящего времени не расшифрована физическая суть такого преобразования.

Это преобразование связано с трением. Трение процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении). Трение всегда сопровождается выделением тепла и износом трущихся поверхностей.

Выделение тепла связано также с ударами минимум двух тел (в частности, при лёгком постукивании молотком по металлу, удар пушечного ядра в корпус корабля и др.).

Преобразование кинетической энергии в тепловую - это частный случай волнового взаимодействия замкнутых контуров (атомов, доменов) имеющих пульсационные электронные оболочки.

В любой среде распространение волн всегда сопровождается потерями - диссипацией энергии . Все волны обладают энергией и у всех физических волн происходит диссипация энергии.

Наукой принято, что кинетическая энергия любой движущейся частицы представляет собой волну Луи де Бройля. Де Бройлем был выведен принцип универсальности корпускулярно-волнового дуализма относительно всех видов элементарных частиц (атомов, электронов, и т.д.). Все частицы находятся в колебательном движении с длиной волны

л=h / m ? v» (л = h/p),

где m и v - масса и скорость частицы, масса составляет

m = h / л? v », p - импульс «p = h / л» ,

«р = m ? v», «р = Ft (действия силы) ».

Позднее, наукой выведена формула диссипации кинетической энергии за один период колебания волны де Бройля.

Диссипация -

«Wd = H0hс/v»

(считается формулой «вязкости физического вакуума»), где H 0 - постоянная Хаббла (2.40 ± 0.12)·10 -18 Гц, «h» - постоянная Планка, «с» - скорость света, «v» - скорость частицы. Формула подходит для всех тел и частиц.

Из формулы видно, что диссипация кинетической энергии прямо пропорциональна массе и пройденному расстоянию, а также импульсу и времени его действия.

Вывод науки: у всех волн помимо таких свойств как длина, частота и энергия имеется еще и диссипация энергии из-за того, что при каждом колебании волны происходит перекачка одного вида энергии в другой и наоборот.

Какие выводы можно сделать из данного утверждения?

Формула и трактовка диссипации говорит о том, что кинетическая энергия с каждым колебанием снижается, по умолчанию, до полного угасания волн и перехода в тепловую энергию. Это выражается в аспекте «однонаправленности» и «необратимости» эволюционного процесса в Мироздании - фундаментального положения современной науки - Второго начала термодинамики. В результате этого необратимого процесса космические формации обязательно «сваливаются» в термодинамическое равновесие - «тепловую смерть» с максимумом энтропии и хаоса (максимальной степени неупорядоченности теплового движения, т.е. в конечной стадии на уровень элементарных частиц - прим. А.П.). Для науки круговорот материи в Мироздании закончился, т.к. какого-либо реального механизма формирования сингулярной точки и последующего её «Большого Взрыва» в Природе не существует. Имеется единственный выход из данной абсурдной ситуации - признать существование Первичной космической субстанции - элементарных частиц и три стадии их структурирования - монного, три-А-дного и дихотомического.

Размыкание эволюционного процесса в науке является результатом отсутствия в Парадигме двух факторов - гексагональных тороидальных «этажей» - слоёв в частотно-спектральной структуре Мироздания, а также механизма космической пульсации.

В результате в науке (термодинамике) до настоящего времени нет механизма обратимости процессов во Вселенной - тороидальных структур с магнитными потоками N-SS-N (N-SS-NN-S….), т.е. процессов структурирования аннигиляции материи и Мироздания. А однажды возбуждённые волны, в отсутствие механизма космической пульсации, в результате диссипации, безвозвратно угасают.

В соответствие с внутри-Природной информационной системой, в волновых процессах импульс, возбуждающий Среду, создается пульсационным выбросом (с определённой массой, силой с определённой временной продолжительностью

р = Ft (действия силы)

Колебательное же движение - волну создаёт череда периодических импульсов (периодических актов пульсации частиц ) на каждой несущей частоте, формируемой в ходе дихотомического структурирования материи и «этажей» Вселенной.

В этих условиях реальная волна выглядит как чередование сгущений (с повышенной плотностью вещества) и разрежений (с пониженной плотностью) вещества (частиц) Среды. В графическом изображении волна - это череда максимумов и минимумов амплитуды колебаний, для стоячих волн - череда узлов и пучностей.

Пульсационный выброс одного импульса имеет определённое количество выбрасываемого источником вещества и поэтому радиус выброса в трёхмерном пространстве ограничен. Пульсационный выброс формирует спектр излучения. Каждый последующий импульс также формирует спектр, который накладывается на предыдущий. При наложении спектров выбрасываемое вещество взаимодействует и формирует устойчивое частотно-спектральное распределение материи с максимумами лучевой энергии на «синем» конце и тепловой энергии на «красном» конце спектра. Диссипации, как таковой, с каждым колебанием волны не происходит. Тепловые потери при взаимодействии налагающихся друг на друга спектров компенсируются пульсационными выбросами. Диссипация, в данном случае, это отражение снижения лучевой энергии от источника пульсации к «красному» концу спектра (при одновременном росте тепловой энергии на «красном» конце).

Залогом существования реального Мира является способность октаедрических корпускул материи (результата дихотомического структурирования) поглощать более мелкие космические формации (корпускулы), т.е. восстанавливать свою потерянную энергию и пульсировать (выбрасывать поглощаемые частицы) наружу (процессы поглощения и излучении телами известны ещё со времён Кирхгоффа (1859 г.). Часть выброшенных частиц составляет электрическую оболочку корпускулы, часть более энергичных («тепловых», как говорилось выше, более «скоростных» и быстрых) наполняет окружающую Среду. Эти «скоростные» тепловые частицы также являются предметом последующего поглощения и пульсации корпускул. Баланс сохраняется, Закон сохранения энергии обеспечивается.

Таким образом, в реальности, можно выделить два вида диссипации.

Во-первых, диссипация (лучевой) энергии, как отражение угасания (ослабление) импульса в пульсационном цикле.

Во-вторых, диссипация - потеря кинетической энергии с переходом в тепло в ходе передачи импульса от одних колеблющихся частиц Среды (замкнутых контуров, тел, ионов кристаллической решётки, свободных электронов) к другим. Этот вид соответствует определению диссипации науки (при условии дополнительного учёта пульсационных процессов).

Механизм перехода кинетической энергии в тепловую представляется следующим образом.

Трение взаимодействующих тел - результат всеобщей «вязкости физических сред» (в.т.ч. «физического вакуума»). Отсюда - физическая суть диссипации - перехода кинетической энергии в тепло - это взаимодействие электрических (пульсационных) оболочек корпускул. На атомно-молекулярном уровне это взаимодействие электронных оболочек, в большей степени её наружных («валентных») электронных слоёв.

При контакте и перемещении относительно друг друга (трении) «валентные» слои спектра пульсации (с частотными фракталами 3,4-3,1 Гц деформируются, частично разрушаются с выделением «скоростных» частиц (т.н. быстрых электронов) в окружающую Среду. Происходит феномен выделения тепла. Тенденция перехода частотного фрактала (солитона) от 3,1 в сторону к 3,0 Гц приводит к дополнительному нагреву (частичному эффекту «самопроизвольного» нагревания).

Ударное взаимодействие существует в двух видах - внешнего и внутреннего ударов.

В случае внешнего ударного взаимодействия происходит деформация более глубоких (по сравнению с трением) электронных слоёв, с выбросом значительно большего количества «быстрых» частиц. Происходит мощное разогревание до свечения и даже плавления ударяющихся поверхностей.

Количество тепловой энергии пропорционально кинетической энергии (скорости и массе) ударного тела, т.е. достаточной амплитуде и длине пробега, а также импульсу (характеризующегося силой и продолжительностью удара).

Внутренний удар характерен для взаимодействия внутри корпускулы, в частности, ударов структурных элементов триплета о свою энергетическую оболочку, а также взаимных ударов элементов самого триплета.

Откуда в этом случае возникают «скоростные» мелкие частицы, определяющие проявление тепловой энергии? Суть феномена в том, что элементы триплета и контур корпускулы на атомно-молекулярном уровне являются сложными частицами в составе множества суб- суб- суб-…частиц на различных уровнях несущих частот. В результате, внутренних ударов также выбивается в Среду множество скоростных тепловых частиц.

Тепловой эффект возможен также за счёт высокочастотного облучения (например, - излучением или «биологическим - N» через резонанс) повышающего рост частотного фрактала «синего» конца спектра (в частности, до 7,7 Гц и выше).

В технике, при сварке и резке материалов, эффект внешнего удара (и облучения) используется путём одновременного точечного облучения разными по мощности лучами.

Экзаменационные вопросы и ответы по дисциплине

«Энергетические установки и электрооборудование судна»,

для курсантов 2-го курса «Судовождение»,

3-й семестр.

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину - по формуле

E = Blv sin а, (21)

где В - магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l - активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v - скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а - угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу , равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность , затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую . При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 - щетки. 2 - контактные кольца, 3 - стальной сердечник; 4 -рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством - коллектором . Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.