Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный
технический университет»
МЕМБРАННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ АВТОНОМНОЙ
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Руководитель проекта: Гринкруг М.С.
grin@knastu.ru
Автор проекта: Ткачёва Н.А.
5, магистратура
medlashka@mail.ru
Соавтор проекта: Казаков М.Ю.
младший научный сотрудник
kazakovmj@mail.ru
8(4217) 24-12-33; 8-909-866-5696
Комсомольск-на-Амуре
2013
Введение
Проблема внедрения нетрадиционных возобновляемых источников энергии является в
настоящее время одной из наиболее актуальных. Сегодня стараются найти новые источники
энергии, которые были бы выгодны во всех отношениях: простота добычи, дешевизна
транспортирования, экологическая чистота и восполняемость.
В данном проекте предлагается автономная система электроснабжения, которая
позволит получать электроэнергию за счет использования волн давления и разрежения
воздуха, возникающих при движении транспортных средств, например, автомобилей по
магистрали.
Цель проекта заключается в разработке автономной системы электроснабжения с
генератором мембранного типа.
Для достижения поставленной цели уже решены задачи:
1) разработаны принцип действия мембранного генератора и его конструкция;
2) разработана математическая модель мембранного генератора и предложен способ её
решения;
3) проведены расчетные исследования по выявлению зависимостей характеристик
мембранного генератора от его внутренних параметров и параметров воздушной волны.
В дальнейшем предстоит решить следующее:
4) создать опытную модель мембранного генератора;
5) провести испытания на готовом образце и выполнить доработку опытной модели.
Задачи, изложенные выше, решаются командой проекта под руководством Гринкруг
М.С. – кандидата технических наук, профессора кафедры «Общая физика». По тематике
проекта был оформлен и отправлен на регистрацию патент РФ, защищена выпускная
квалификационная работа и опубликовано три статьи в научных журналах.
Сегодня инфраструктура магистральных автодорог снабжается электроэнергией в
основном от дизельных электростанций (ДЭС) или протяженных кабельных линий, с
применением которых связаны следующие проблемы:
- затраты на добычу или покупку топлива;
- затраты на транспортировку и кабельную продукцию;
- экологические проблемы;
- невосполняемость ресурсов.
Решение данных проблем заключается в создании нового типа генераторов,
преобразующих энергию давления и разряжения воздуха в электрическую энергию и не
требующих затрат на органическое топливо – мембранных генераторов.
Генераторы электроэнергии, использующие энергию проходящего транспорта - это
новый способ добычи альтернативной энергии.
В России, где сеть автомобильных дорог очень протяженная, и не всегда есть удобный
подвод электричества, применение подобных изобретений очень бы пригодилось.
Основная часть
Мембранный генератор предназначен для преобразования энергии волн давления
воздуха,
возникающих
при
движении
автотранспорта
в
электрическую
энергию.
Особенности конструкции и принцип работы мембранного генератора изложены в [1].
Основными потребителями предлагаемой системы электроснабжения, снабженной
одним или несколькими мембранными генераторами, могут быть владельцы придорожных
кафе, кемпингов, станций сотовой связи и других отдельных потребителей энергии,
находящихся около автомагистралей, вдали от систем централизованного электроснабжения.
Идея сбора энергии движущихся по трассе автомобилей для последующей выработки
электричества, еще несколько лет казавшаяся фантастической, на сегодняшний день уже
имеет несколько форм вполне успешной реализации.
Команда израильских инженеров изобрела технологию, которая позволяет некоторым
типам дорог генерировать электричество за счет того, что по ним ездят автомобили.
Суть ее состоит в том, что под асфальт на автобан или под рельсы на железной дороге
на определенном расстоянии друг от друга устанавливаются генераторы, способные
превращать энергию давления проезжающего транспорта в электроэнергию. Запасаемая на
компактных накопителях, она будет напрямую поставляться близлежащим потребителям.
Эти генераторы работают по пьезопринципу. Под этим подразумевается способность
устройства
создавать
электрическую
поляризацию
под
действием
механических
напряжений и деформаций (растяжения, скручивания или сдавливания).
Простейший пьезогенератор работает так: под воздействием внешнего фактора
находящийся внутри него ротор начинает вращаться, задевая пьезоэлемент. Он сделан из
такого материала, который начинает деформироваться при подобном воздействии, то есть
его кристаллическая решетка изменяется, высвобождая часть носителей электрического
заряда - электронов или ионов. В результате на электродах, встроенных в пьезоэлемент,
возникают электрические заряды противоположного знака, которые составляют разность
потенциалов. А она, как известно, порождает электрический ток.
Преимущества используемой идеи по сравнению с другими разработками в области
добычи экологически чистой энергии в том, что:
- не требуется выделения дополнительной территории,
- не наносится ущерб окружающей среде,
- система работает независимо от погодных условий.
Особое
внимание
исследователи
обращают
на
то,
что
для
установки
пьезоэлектрических генераторов, в отличие от остальных проектов по добыче экологически
чистой энергии (таких, например, как ветряные или солнечные электростанции), не
требуется выделение специальных площадей земли.
Экологически чистым источником электроэнергии может стать практически любая
дорога с активным движением автотранспорта.
Полученную, таким способом, электроэнергию можно использовать для освещения
дорог. Согласно расчётам, на двухполосном шоссе, где в час проезжает около 600
автомобилей, каждые десять километров асфальта могут выдать до 5 МВт электроэнергии.
Если раньше энергия проезжающих автомобилей впустую передавалась земле, то теперь за
счет нее будет освещен целый километр автотрассы [2,3].
Предлагаемая нами конструкция для получения электроэнергии включает в себя
(рисунок 1): мембрану и устройства для преобразования энергии колебаний мембраны в
электрическую энергию, а также электрические устройства для преобразования полученной
электроэнергии в форму удобную для потребления.
Рисунок 1 – Схема способа получения электроэнергии
Движение мембраны происходит за счет возникновение волн давления и разряжение
воздуха, возникающих при движении автомобилей по шоссе. Механическое движение
мембраны приводит в действие импульсный генератор, который вырабатывает импульсный
переменный ток. С выхода генератора переменный ток подается на вход выпрямителя,
который преобразует переменный ток в постоянный. С выхода выпрямителя электрический
ток поступает на аккумулятор (накопитель энергии). Для получения электроэнергии в
форме удобной для потребителя требуется преобразовать постоянный ток, выдаваемый
аккумулятором
в
переменный
с
напряжением
220
В.
Для
этого
используется
преобразователь, преобразующий постоянный ток в переменный. Для повышения
напряжения до нужного уровня используется трансформатор, с вторичной обмотки которого
напряжение доводится до потребителя.
Схема мембранного генератора представлена на рисунке 2. На колеблющейся мембране
расположен замкнутый проводник, который пересекает силовые линии магнитного поля,
создаваемого постоянными магнитами. При прохождении автотранспорта на мембрану
действует переменные силы давления и разрежения воздуха P, которые приводят мембрану в
колебательное движение. Замкнутый проводник l пересекает силовые линии магнитного
поля B и в нем возникает ЭДС ε, которая порождает переменный ток.
Рисунок 2 – Схема мембранного генератора
На мембрану генератора с проводниками действуют:
- сила упругости Fупр  k  x ( k - коэффициент жесткости,
Н
; x - перемещение
м
мембраны, м );
- сила давления воздуха Fд  P  S ( Р - давление, Па ; S  b  а - площадь, м 2 ; а длина мембраны, м; b - высота мембраны, м);
- сила Ампера Fа  B  I  l (В - магнитная индукция, Тл; I - ток, А ; l - длина проводника,
м);
- сила сопротивления движению мембраны в воздухе Fc 
коэффициент пропорциональности, ρ  1.27
мембраны,
м
).
с
c  ρ  υ2
S
2
( с  1.1 [4] -
кг
dx
- плотность воздуха, υ 
- скорость
3
dt
м
Согласно законам Ома и Фарадея имеем I 
Используя второй закон Ньютона
ε
dΦ
dx
 Bl .
, где ε 
R
dt
dt
 F  m  a , получим уравнение движения мембраны:
d 2 x B 2  l 2 dx k
c  ρ  S dx 2 b а

  x 
 ( )    P(x)dx  F(t) .
2  m dt
m 0
dt 2 R  m dt m
(1)
Уравнение 1 есть нелинейное неоднородное интегро-дифференциальное уравнение
второго порядка. Решив данное уравнение, можно определить все требуемые параметры
мембранного генератора как функции времени:
- скорость движения мембраны υ 
dx м
,
;
dt
с
- возникающую в контуре ЭДС ε 
dΦ
dx
 Bl , В ;
dt
dt
- силу тока в контуре I 
ε
, А;
R
t
- энергию, получаемую при прохождении одного автомобиля W   ε  Idt , Дж .
0
Изменение давления воздушной волны, действующее на мембрану, принимаем, с
учетом рисунка 3, по гармоническому закону P(x)  Pmax sin t .
Максимальное давление определяется по формуле, Па:
Pmax
где
μ ρ  V2

,
2
μ - коэффициент, учитывающий снижение давления перед мембраной по
сравнению с максимальным давлением перед автомобилем (принято μ  0.5 ), ρ  1.27
плотность воздуха, V - скорость автомобиля,
кг
м3
м
.
с
Для решения уравнения 1 необходимо рассмотреть движение волны давления воздуха
относительно мембраны в трех случаях:
1. волна начинает набегать на мембрану, но расположена не на всей ее длине;
2. волна расположена по всей длине мембраны;
3. волна начинает уходить от мембраны и расположена не на всей ее длине.
На любом участке сила, действующая на мембрану, может быть найдена по формуле
x2
f  b   P(x)dx .
x1
Рисунок 3 - Расчетная схема набегания мембраны на воздушную волну для определения
параметров интегро-дифференциального уравнения
Соответствующее уравнение для давления воздушной волны может быть представлено
в виде P(x)  Pmax sin[
2π
(x  a)] . С учетом этого сила давления воздуха на мембрану может
λ
быть определена следующим образом:
F(t)  
Первый участок:
Pmax  b  λ
[cosVt - 1].
m  2π
Pmax  b  λ
[cosVt  cos(Vt - a)] .
m  2π
Второй участок:
F(t)  
Третий участок:
F(t)   
Pmax  b  λ
[cosλ  cos(Vt - a)] .
m  2π
Решение интегро-дифференциального уравнения второго порядка было выполнено с
помощью программной среды Matlab. Результаты расчетов для одного из вариантов
представлены на рисунках 4 - 5.
Рисунок 4 - Зависимость ЭДС генератора от времени
при прохождении автомобиля длиной 5 м
Рисунок 5 - Зависимость энергии, вырабатываемой мембранным
генератором за время прохождения одного автомобиля, от времени
при прохождении автомобиля длиной 5 м
Были проведены расчетные исследования по выявлению зависимостей характеристик
мембранного генератора от его параметров и параметров воздушной волны. В расчетах
определялась энергия, вырабатываемая мембранным генератором за время прохождения
одного автомобиля без учета потерь энергии при ее накоплении и преобразовании
(идеальный случай).
При исследовании характеристик мембранного генератора от длины автомобиля
варьировалась длина автомобиля.
Остальные характеристики мембранного генератора были приняты следующими:
V  25
м
- скорость автомобиля; l  1 м - длина проводника; R  0.1 Ом - сопротивление;
с
B  1.5 Тл - магнитная индукция; m  1.5 кг - масса движущихся частей генератора; S  1 м 2 -
площадь мембраны; k  3000
Н
- коэффициент жесткости.
м2
Полученная зависимость представлена на рисунке 6.
Зависимость энергии, вырабатываемой мембранным генератором за прохождение
одного автомобиля, от его длины аппроксимирована полиномом 3 степени. С ростом длины
автомобиля энергия увеличивается.
2577
2800
y = 54,187x
3
2
- 130,43x + 350,1x - 204,48
R2 = 1
Энергия, Дж
2100
1135
1400
407,5
700
69,38
0
5
9
13
17
Длина автомобиля, м
Рисунок 6 - Зависимость энергии, вырабатываемой генератором за время прохождения
одного автомобиля, от длины автомобиля
Далее исследовались зависимости характеристик мембранного генератора от скорости
автомобиля, варьировалась скорость автомобиля.
Полученная зависимость представлена на рисунке 7.
6000
y = 338,11x 3 - 1650,2x 2 + 2891,6x - 1479,6
R2 = 1
Энергия, Дж
5000
5322
4000
3000
1472
2000
1000
99,85
407,5
0
20
25
30
35
Скорость автомобиля, м/с
Рисунок 7 - Зависимость энергии, вырабатываемой генератором за время прохождения
одного автомобиля, от скорости автомобиля
Полученная зависимость аппроксимирована полиномом 3 степени. С увеличением
скорости автомобиля энергия растет.
При исследовании характеристик мембранного генератора от коэффициента жесткости
упругих связей мембраны варьировались коэффициент жесткости, полное сопротивление
генератора и масса движущихся частей генератора.
Полученные зависимости представлены на рисунке 8.
а)
8000
R=0,15 Ом
7000
R=0,13 Ом
Энергия, Дж
6000
R=0,11 Ом
5000
R=0,1 Ом
4000
3000
2000
1000
0
500
1000
1500
2000
2500
2000
2500
2000
2500
Коэффициент жесткости, Н/м*м
б)
6000
R=0,15 Ом
5000
R=0,13 Ом
Энергия, Дж
R=0,11 Ом
4000
R=0,1 Ом
3000
2000
1000
0
500
1000
1500
Коэффициент жесткости, Н/м*м
в)
6000
5000
R=0,15 Ом
Энергия, Дж
R=0,13 Ом
4000
R=0,11 Ом
R=0,1 Ом
3000
2000
1000
0
500
1000
1500
Коэффициент жесткости, Н/м*м
Рисунок 8 - Зависимости энергии, вырабатываемой генератором за время прохождения
одного автомобиля, от коэффициента жесткости при длине автомобиля 9 м, скорости
автомобиля 25 м/с, массе мембраны: а - 1 кг; б -2 кг; в - 2.5 кг
Зависимости
энергии,
вырабатываемой
мембранным
генератором
за
время
прохождения одного автомобиля, имеют сложный характер с явно выраженным
экстремумом. При небольших коэффициентах жесткости его увеличение ведет к росту
энергии. Дальнейший рост коэффициента жесткости
приводит к
уменьшению энергии,
вырабатываемой генератором за одно прохождение автомобиля. Максимальные значения,
выработанной энергии соответствуют значению полного сопротивления генератора 0.15 Ом
и приведены в таблице 1 вместе с коэффициентами жесткости, при которых они
достигаются.
Таблица 1 - Значения параметров генератора, при которых достигается
максимальная энергия
Масса мембраны, кг
1.5
2
Н
Коэффициент жесткости,
1000
1300
м2
Энергия, Дж
7317
5100
2.5
1500
4829
Из таблицы 1 видно, что с увеличением массы движущихся частей генератора
максимальная энергия, вырабатываемая за время прохождения одного автомобиля,
уменьшается. Коэффициент жесткости, при котором достигается максимум вырабатываемой
энергии, с ростом массы движущихся частей генератора увеличивается. Соответствующие
Максимальная энергия,
Дж
зависимости представлены на рисунках 9 и 10.
8000
7317
7000
R=0,15 Ом
6000
5100
5000
4829
4000
1,5
2
2,5
Масса мембраны, кг
Рисунок 9 - Зависимость максимальной энергии от массы мембраны
при полном сопротивлении генератора 0.15 Ом
Коэффициент жесткости,
Н/м*м
1500
1600
R=0,15 Ом
1300
1200
1000
800
1,5
2
2,5
Масса мембраны, кг
Рисунок 10 - Зависимость коэффициента жесткости, соответствующего максимуму, от
массы мембраны при сопротивлении генератора 0.15 Ом
При исследовании зависимостей характеристик мембранного генератора от массы
движущихся частей генератора варьировались коэффициент жесткости и масса движущихся
частей генератора. Расчет был произведен при полном сопротивлении генератора 0.15 Ом.
Полученные зависимости представлены на рисунке 11.
Зависимости
энергии,
вырабатываемой
мембранным
генератором
за
время
прохождения одного автомобиля, от массы движущихся частей генератора имеют сложный
характер. Характер изменения определяется всей совокупностью параметров генератора и не
может быть определен однозначно.
8000
k=1000 Н/м*м
7000
Энергия, Дж
6000
5000
k=500 Н/м*м
4000
3000
k=1500 Н/м*м
2000
k=2000 Н/м*м
1000
k=2500 Н/м*м
0
1,5
2
2,5
Масса мембраны, кг
Рисунок 11 - Зависимости энергии, вырабатываемой мембранным генератором за время
прохождения одного автомобиля, от массы мембраны при длине автомобиля 9 м, скорости
автомобиля 25 м/с, полном сопротивлении генератора 0.15 Ом
Проведенные исследования показали, что мембранный генератор может быть
использован
в
качестве
источника
электроэнергии
в
автономных
системах
электроснабжения. Выявлены зависимости характеристик мембранного генератора от его
параметров, обеспечивающих максимальное значение получаемой электроэнергии [5].
Экономическая часть
Экономическая эффективность проекта была оценена путем сравнения годовых затрат
двух видов генераторов (мембранного генератора и дизель-генератора), снабжающих
придорожное кафе со средней потребляемой электрической мощностью 5 кВт.
Годовые затраты на установку и эксплуатацию генераторов были разделены на
постоянные и переменные.
Постоянные затраты включают в себя стоимость оборудования, амортизационные
отчисления, а также затраты на обслуживание и ремонт оборудования. В переменные
затраты входят затраты на топливо и смазочные материалы.
Расчет амортизационных отчислений для генераторов осуществлялся линейным
способом. Суть его в том, что каждый год амортизируется равная часть стоимости данного
вида основных средств. Линейный способ целесообразно применять для тех видов основных
средств, где время, а не устаревание (моральный износ) является основным фактором,
ограничивающим срок службы.
В данном проекте объектами основных средств являются генераторы.
Срок полезного использования данных основных средств - 3 года.
Расчёт затрат был произведен на 1 год.
Таким образом, суммарные годовые затраты мембранного генератора составили
353 333 р. (250 000 р. - стоимость мембранного генератора, 83 333 р. - амортизационные
отчисления, 20 000 р. – эксплутационные затраты). Нужно отметить, что мембранный
генератор не требует затрат на топливо и ГСМ, а следовательно не имеет переменных затрат.
Суммарные годовые затраты дизель-генератора составили 559 758 р., из них
постоянных
153 333 р.
(100 000
р.
-
стоимость
дизель-генератора,
33 333
р.
-
амортизационные отчисления, 20 000 р. - эксплутационные затраты), а переменных 406 425
р. (387 072 р. - затраты на топливо, 19 353 р. - затраты на смазочные материалы).
Затраты на смазочные материалы составляют 5 % от затрат на топливо.
Годовые затраты на топливо были рассчитаны следующим образом:
Зм  с  Рм  12  Цт ,
где Зм - годовые затраты на топливо, р.;
с - удельный расход топлива, с  0,28
кг
;
кВт  ч
Рм - месячное потребление электроэнергии, кВт  ч ;
Рм 12 - годовое потребление электроэнергии, кВт  ч ;
Цт - цена за 1 кг дизельного топлива, Цт  32 р.
На рисунке 12 представлен графический расчёт годовых затрат при производстве
электроэнергии различными видами генераторов.
600 000
Cдг+Vдг
Затраты, р.
450 000
Vдг
Смг
300 000
Cдг
150 000
0
0
1
Год
Рисунок 12 - Графический расчёт годовых затрат при производстве электроэнергии
различными видами генераторов
На рисунке приняты обозначения: Сдг, Vдг - постоянные и переменные затраты дизельгенератора, соответственно; Сдг+Vдг - суммарные затраты дизель-генератора; Смг постоянные затраты мембранного генератора.
Из рисунка 12 видно, что годовые суммарные затраты мембранного генератора меньше
затрат дизель-генератора. Разница составила 206 425 р.
Использование мембранных генераторов позволит
значительно сократить годовые
затраты на электроэнергию.
Заключение
В работе предложен мембранный генератор для получения электроэнергии от волн
давления и разрежения, возникающих при движении автотранспорта по магистралям.
Данный способ получения электроэнергии не требует затрат на топливо, является
экологически чистым и может быть использован для потребителей небольшой мощности,
находящихся вдали от централизованных систем электроснабжения. В работе разработана
математическая модель мембранного генератора и проведены расчёты по влиянию основных
параметров на энергетические характеристики генератора. Показано, что при рациональном
выборе параметров достигается достаточное для практической значимости энергетическая
эффективность
генератора.
Произведена
оценка
экономической
эффективности
предложенной системы.
Считаем,
что
мембранный
генератор
является
перспективной
системой
для
электроснабжения небольших потребителей электрической энергии, удаленных от систем
централизованного электроснабжения.
Особенно актуальным представляется использования данного генератора в регионах
Сибири и Дальнего Востока, так как данный регион имеет низкую плотность энергосистемы
и на значительных участках территории отсутствует сплошное покрытие системой
централизованного электроснабжения.
Список используемой литературы
1 Гринкруг М. С., Ткачёва Н. А. Математическая модель генератора мембранного типа
для автономной системы электроснабжения - Материалы Международного научного форума
студентов, аспирантов и молодых ученых стран АТР. - 2012. - С. 369-372.
2
Горовец
М.
Электростанция
на
автотрассе
//
URL:
http://www.sem40.ru/finansy/22271/ (дата обращения 04.12.2012).
3
Евсеев
А.
Электроэнергия
автомобильных
пробок
http://www.pravda.ru/science/eureka/inventions/04-05-2011/1075499-probci_energy-0/
//
URL:
(дата
обращения 04.12.2012).
4 Кухлинг Х. Справочник по физике. - М.: МИР, 1982. - 520 с.
5 Гринкруг М. С., Ткачёва Н. А. Исследование характеристик идеального мембранного
генератора - Электротехнические комплексы и системы управления, НТЖ. - 2012. - № 4. - С.
17-22.
6 Гринкруг М. С., Ткачёва Н. А. Оценка параметров автономной системы
электроснабжения с генератором мембранного типа - ВЕСТНИК Дальневосточной
государственной социально-гуманитарной академии. - 2011. - № 2(9). - С. 45-50.