150053 (594517), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Использование новых источников энергии весьма важно для развития энергетики Крайнего Севера.

§2.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ МАГНИТАМИ

Фарадей открыл закон электромагнитной индукции с помощью постоянного магнита в виде стержня, который он вводил (рукой) в катушку с медной проволокой. При каждом вводе или выводе магнита в катушку на концах ее обмотки наблюдалось возникновение электрического напряжения. Согласно закону электромагнитной индук­ции, величина возникающей электродвижущей силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через катушку и числу витков катушки.

Закон электромагнитной индукции определил путь развития электрических машин. Их главный принцип: чтобы получить быстрые изменения магнитного потока, надо вращать магнит при неподвижной катушке или, на­оборот, вращать катушку при неподвижном магните. Именно так действовала первая электрическая машина, изобретенная итальянцем Граммом более 100 лет назад и спустя примерно 50 лет после открытия Фарадеем электро­магнитной индукции, — так называемое «Кольцо Грамма». «Кольцом» она была названа по той причине, что в каче­стве якоря имела тороидальное кольцо из тонких железных проволок, вращавшееся на оси в поле подковообразного постоянного магнита. На кольце крепилось несколько катушек из медной проволоки. Кольцо приводилось во вращение рукой с помощью ременной передачи.

Грамм не мог вращать магнит, поскольку 100 лет назад магниты должны были быть достаточно длинными. Те­перь же новейшие магниты (типа РЗМ ) хорошо работают только при малой длине, поэтому конструктивно их просто привести во вращение. РЗМ — редкоземельные магниты, или магниты на основе редких земель, — самые сильные (но хрупкие) постоянные магниты. РЗМ сделаны на основе самария в соединении с ко­бальтом (SmCo₅). Речь идет преимущественно об электрических машинах малой мощности, когда желательно избежать применения коллектора или контактных колец. Это важно для машин, длительно работающих в тяжелых условиях эксплуатации, без частых осмотров и своевре­менной профилактики, например велогенераторов, гене­раторов для тракторов и т. п. Для волновых энергетиче­ских установок также удобнее бесконтактные генераторы, особенно для установок в открытом море.

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, п оэтому 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 W_B-=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 а_п 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=Kp_uS_a,

где F — суммарная сила давления волн, кг; К=1 — коэф­фициент обтекания плиты (приближенное значение); р_я=102 кгс²/м⁴ — массовая плотность воды; S_n—0,5 м² — площадь плиты; V_c=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.

Характеристики

Список файлов ВКР