Как преобразуется механическая энергия в электрическую

Изобретение относится к области возобновляемых источников электрической энергии.

Известен импульсный способ преобразования энергии ветра в электрическую энергию аккумуляторной батареи, заключающийся в том, что механическую энергию ветроколеса преобразуют в электрическую энергию высоковольтных импульсов переменного тока, которые через разрядник и выпрямительное устройство заряжают батарею конденсаторов для формирования импульсов зарядного тока аккумуляторной батареи (см. пат.

№2338924 РФ, МПК F03D 9/02, опубл. 20.11.2008 – бюл. №32).

Недостатками способа являются:

1. Потери мощности на искровом промежутке разрядника.

2. Потери мощности при однополупериодном выпрямлении.

3. Потери мощности на стабилитроне.

Таким образом, эффективность преобразования энергии ветра в электрическую энергию импульсным способом недостаточна для рационального использования ветроэнергетических установок.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении эффективности преобразования механической энергии ветроколеса в электрическую энергию аккумуляторной батареи.

Результат достигается тем, что способ преобразования механической энергии ветра в электрическую энергию заключается в том, что механическую энергию ветроколеса сначала преобразуют в электрическую энергию с помощью генератора электрической энергии, а затем с помощью фотоэлектрического устройства гальванической развязки передают на инвертор для заряда аккумуляторной батареи и преобразования в переменный электрический ток.

Способ заключается также в том, что в качестве фотоэлектрического устройства гальванической развязки используют оптрон.

Предложен способ преобразования энергии ветра в электрическую энергию, который основан на получении электрической энергии постоянного, переменного или выпрямленного напряжения в генераторе электрической энергии. Нагрузкой такого генератора является оптрон, в котором происходит преобразование электрического сигнала в свет, его передача по оптическому каналу и последующее преобразование обратно в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал используется для формирования зарядного тока аккумулятора электрической энергии.

Таким образом, оптрон гальванически развязывает генератор и зарядную сеть аккумулятора электрической энергии, что эквивалентно работе генератора электрической энергии с постоянной нагрузкой. Выполненная гальваническая развязка с помощью оптрона позволяет уменьшить зависимость величины полученной в ветроэнергетической установке электрической энергии от скорости ветра. Параметры ветроколеса подбираются таким образом, чтобы ветроэнергетическая установка работала в номинальном режиме при скорости ветра, равной среднегодовой скорости ветра, характерной для данной местности.

На фиг. изображена блок-схема способа преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Ветроэнергетическая установка содержит:

1 – ветроколесо;

2 – генератор электрической энергии;

3 – оптрон;

4 – зарядное устройство аккумуляторной батареи с функцией инвертора;

5 – аккумуляторная батарея;

6 – нагрузка постоянного и переменного тока.

Способ преобразования энергии ветра в электрическую энергию осуществляется следующим образом.

Механическая энергия ветра передается ветроколесу 1, которое под действием этой энергии начинает вращать генератор электрической энергии 2. Вращаясь, генератор вырабатывает электрическую энергию. Электрическая энергия поступает с генератора на оптрон 3, где преобразуется в энергию светового потока.

Фоторегистрирующая схема оптрона, при появлении светового потока, преобразует ее в электрическую энергию, которая затем подается на зарядное устройство аккумуляторной батареи 4. Данное зарядное устройство выполняет функции управления зарядом аккумуляторной батареи 5, а также работает в качестве инвертора для нагрузки переменного тока. Нагрузка постоянного тока питается от аккумуляторной батареи.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в следующем:

– оптрон обеспечивает гальваническую развязку цепи генератора электрической энергии и зарядного устройства аккумуляторной батареи, что эквивалентно работе генератора на постоянную нагрузку;

– механический момент сопротивления электрической нагрузки генератора постоянен, что позволяет подобрать параметры ветроколеса таким образом, чтобы ветроэнергетическая установка работала в номинальном режиме при скорости ветра, равной среднегодовой скорости ветра, характерной для данной местности;

– исключаются потери мощности на искровом промежутке разрядника, потери мощности при однополупериодном выпрямлении и потери мощности на стабилитроне (потери мощности на оптроне определяются только излучением и поглощением светового потока), что повышает эффективность преобразования механической энергии ветра в электрическую энергию всей установки по сравнению с рассматриваемым аналогом.

1. Способ преобразования энергии ветра в электрическую энергию, заключающийся в том, что механическую энергию ветроколеса сначала преобразуют в электрическую энергию с помощью генератора электрической энергии, а затем с помощью фотоэлектрического устройства гальванической развязки передают на инвертор для заряда аккумуляторной батареи и преобразования в переменный электрический ток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фотоэлектрического устройства гальванической развязки используют оптрон.

Проводник АБ(Рис. 1) движется с неизменной скоростью за счет механической энергии какого-нибудь первичного мотора — источника механической энергии.

Механическая мощность движения проводника

PМЕХ= Fv

гдеF— сила, действующая на проводник со стороны первичного мотора.

Благодаря электрической индукции в проводнике действует э.

д. с. и есть ток

I = E : (r0+ r)

где r0— сопротивление проводника АБ(внутреннее сопротивление источника электронной энергии); r— сопротивление наружной части цепи, включая сопротивления приемника и части шин, входящей в контур

Рис. 1 Движение прямого провода в магнитном полеПроводник АБявляется в этом случае источником э. д.

е., электронная мощность которогоP = EIВеличину Рнередко именуют электрической мощностью. С возникновением тока в проводнике АБпоявляется электрическая сила FМ, действующая в направлении, перпендикулярном направлению тока. Применяя правило левой руки, можно убедиться в том, что электрическая сила FМориентирована против силы F.Как следует, наружняя сила Fявляется в этом случае движущей, аFМ— тормозной.При неизменной скорости v(установившееся движение) движущая и тормозная силы равны:F = FМ= BIl  (B – магнитная индукция)Подставляя выражение силы в формулу (PМЕХ= Fv), получим:PМЕХ= Fv = BIlvПотому чтоBvl = EтоРМЕХ= Fv = РКак следует, механическая мощность первичного мотора равна электронной мощности источника.Выражение (РМЕХ= Fv = Р) указывает, что при движении проводника в магнитном поле в направлении механической силы происходит полное преобразование механической энергии в электронную.

Напряжение на концах проводника UАБявляется сразу напряжением на наружной части цепи. Это напряжение меньше э. д.

с. на величину внутреннего падения напряжнияUАБ= E – Ir0= IrЭкзаменационныевопросы и ответы по дисциплине«Энергетическиеустановки и электрооборудование судна»,длякурсантов 2-го курса «Судовождение»,3-йсеместр.Элект­рическиемашины предназначены для преобразованиямеханичес­кой энергии в электрическую(генераторы) и электрической энергии вмеханическую (двигатели). Принципдействия всех элек­тромашин основанна законеэлектромагнитной индукциии возник­новении электромагнитнойсилы.Приперемещении прямолинейного проводника,замкнутого че­рез внешнюю цепь нанагрузку, с постоянной скоростью водно­родном магнитном поле в проводникеиндуктируется неизменяю­щаяся э.

д.с. электромагнитной индукции, а взамкнутой цепи возникает электрическийток (рис. 22, а).Направление э. д.

с. впро­воднике определяют по правилуправой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину— по формулеE=Blvsinа, (21)гдеВ—магнитная индукция, характеризующаяинтенсивность маг­нитного поля;l—активная длина проводника, пронизываемаясиловыми линиями магнитного поля, м;v—скорость перемещения проводника вмагнитном поле, м/с: а — угол междунаправлением скорости движения проводникаи направлением вектора магнитнойиндукции.Еслипроводник движется перпендикулярносиловым линиям магнитного поля, тоа=90°,aэ.

д. с. будет максимальной:Направлениетока в проводнике совпадает с направлениемэ.

д. с.Напроводник с током действует электромагнитнаясила (Н).Этасила препятствует перемещению проводникав магнитном поле.Направлениеэлектромагнитной силы определяют поправилу левой руки (рис. 22,г).Для ее преодоления необходима внешняясила.

Чтобы проводник перемещался спостоянной скоростью, не­обходимоприложитьвнешнююсилу,равнуюпо величине и противоположно направленнуюэлектромагнитной силе.Изсказанного следует, что механическаямощность,затрачиваемаяна движение проводника в магнитномполе, пре­образуется в электрическуюмощностьвцепи проводника.Всудовых генераторах внешняя силасоздается первичными двигателями(дизелем, турбиной).Преобразованиеэлектрической энергии в механическую.Припропускании электрического тока одногонаправления через прямо­линейныйпроводник, расположенный в однородноммагнитном по­ле, возникает электромагнитнаясила,поддействием ко­торой проводникперемещается в магнитном поле с линейнойско­ростью V(рис.22,б)Направление движения проводникасовпадает с направлением действияэлектромагнитной силы и определяетсяпо правилу левой руки.Во время движенияпроводника в нем ин­дуктируется э д. с,направленнаявстречно напряжению Uисточникаэлектроэнергии. Часть этого напряжениязатрачива­ется на внутреннемсопротивлении проводника R.Такимобразом, электрическая мощность впроводнике, преобразуется вмеханическуюи частично расходуется на тепловыепотери проводника Именно на этом принципеос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

Вреальных электрических машинах проводникиконструктивно изготовляют в виде рамок.Для уменьшения магнитного сопротивлениямашины, а следовательно, для увеличениязначений э. д.

с. и к. п.

д. в гене­раторах,вращающего момента и к. п.

д вэлектродвигателях ак­тивные сторонырамки укладывают в пазы цилиндрическогосталь­ного сердечника (якоря), которыйсовместно с закрепленной на нем рамкойможет свободно вращаться в магнитномполе. Для этой же цели полюсам магнитапридают особую форму, при которойсило­вые линии поля всегда направленыперпендикулярно направлению движенияактивных сторон рамки, а магнитнаяиндукция в воздуш­ном зазоре междуполюсами и якорем распределена равномерно(рис. 23,а).

Еслипри помощи сторонней силы якорь вместес рамкой вра­щать в магнитном полеполюсов, то в соответствии с закономэлект­ромагнитной индукции в активныхсторонах аЬиcdрамкииндук­тируются э. д. с, направленныев одну сторону и суммируемые.

Припереходе активных сторон через плоскость,перпендикуляр­ную магнитному полю,индуктируемые в них э. д. с.

меняют своенаправление. В рамке будет действоватьэ д. с, переменная как по величине, таки по направлению.Есликонцы рамки через кон­тактные кольцасоединить с внешней целью, то в цепибудет протекать переменный ток.

Рис23 Принцип получения переменного тока

1— щетки. 2—контактныекольца, 3—стальнойсердечник; 4—рамка

Длявыпрямления токаэлектрическая машина снабжена специ­альнымустройством — коллектором.Простейшийколлектор пред­ставляет собой дваизолированных полукольца, к которымприсое­диняют концы вращающейся вмагнитном поле рамки (рис. 24,а).

Свнешней цепью коллекторные пластинысоединены при помо­щи неподвижныхщеток, рабочие поверхности которыхсвободно скользят по вращающемусяколлектору 2.Щеткина коллекторе устанавливают так, чтобыони переходили с одного полукольца надругое в тот момент, когда индуктируемаяв рамке э. д. с.

равна нулю. При поворотена 90°, когда рамка займет горизонтальноеположе­ние, в ее проводниках э. д.

с. не индуктируется, так как они непе­ресекают магнитного поля. Ток вконтуре также равен нулю.

Рис24. Принцип получения постоянного токаПриперемещении еще на 90* рамка снова займетвертикальное поло­жение, ее проводникипоменяются местами и направление э. д.

с и тока в них изменится. Таккак щетки неподвижны, то к щетке 3(+)по-прежнему подходит ток от рамки идалее через приемник направляется кщетке 1(-). Таким образом, во внешней цепина­правление тока не изменяется.Графиквыпрямленных э д с и тока изображен нарис.24,6.

Выпрямленный ток имеет пульсирующийхарактер. Пульсацию то­ка можноуменьшить увеличением числа рамок,вращающихся в магнитном поле машины, исоответственно числа коллекторныхпластин.Проводник АБ (Рис. 1) движется с постоянной скоростью за счет механической энергии какого-либо первичного двигателя — источника механической энергии.Принцип преобразования энергии.Механическая мощность движения проводникаPМЕХ= Fv,гдеF — сила, действующая на проводник со стороны первичного двигателя.Благодаря электромагнитной индукции в проводнике действует э.

д. с. и есть токI = E : (r0+ r),где r0— сопротивление проводника АБ (внутреннее сопротивление источника электрической энергии); r— сопротивление внешней части цепи, включая сопротивления приемника и части шин, входящей в контурРис.

1 Движение прямого провода в магнитном поле.Проводник АБ является в данном случае источником э. д. с., электрическая мощность которогоP = EIВеличину Р часто называют электромагнитной мощностью.

С появлением тока в проводнике АБ возникает электромагнитная сила FМ, действующая в направлении, перпендикулярном направлению тока.Применяя правило левой руки, можно убедиться в том, что электромагнитная сила FМнаправлена против силы F.Следовательно, внешняя сила F является в данном случае движущей, а FМ— тормозной.При постоянной скорости v(установившееся движение) движущая и тормозная силы равны:F = FМ= BIl (B – магнитная индукция)Подставляя выражение силы в формулу (PМЕХ= Fv), получим:PМЕХ= Fv = BIlvТак какBvl = E,тоРМЕХ= Fv = РСледовательно, механическая мощность первичного двигателя равна электрической мощности источника.Выражение (РМЕХ= Fv = Р) показывает, что при движении проводника в магнитном поле в направлении механической силы происходит полное преобразование механической энергии в электрическую. Напряжение на концах проводника UАБявляется одновременно напряжением на внешней части цепи. Это напряжение меньше э.

д. с. на величину внутреннего падения напряжнияUАБ= E – Ir0= IrПоделитесь полезной статьей:

Источники:

• www.findpatent.ru
• elektrica.info
• studfiles.net
• fazaa.ru