Способы преобразования, передачи и накопления энергии в технике

При работе над разработкой (анализом) конструкции и принципа действия образца техники сложно обойтись без расчетов коэффициента полезного действия, как комплексной составляющей определения эффективности. Работая же над эффективностью выполнения заданных функций изделия, обращаемся к энергетической составляющей. В расчетных формулах за энергию или ее преобразование мы используем другие величины, зависящие от затраченной и полезной работы.

Энергия – скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие [7].

Энергию невозможно представить в виде физической субстанции, но все прекрасно понимают, что для совершения какой-либо работы необходим ее запас.

Энергетические проявления в природе разнообразны, энергия проявляет себя на различных уровнях – от макрообъектов до квантового уровня и глубже, причем чем глубже уровень организации энергии, тем наблюдается большая ее концентрация [1, с. 93].

Различные тела обладают различными видами энергии, которые являются как внутренними, так и внешними, а в общей массе образуют составляющую энергию тела.

Рассматривая различные энергетические уровни, общим для образцов остается «законом сохранения и превращения энергии».

Закон сохранения энергии: энергия не возникает и не исчезает во всех природных явлениях, она только переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому, при этом значение энергии не изменяется [8].

Благодаря переходу одного вида энергии в другой с использованием различного рода конструктивных решений мы получаем те необходимые функции полезной работы изначально, заложенные в задание на разработку опытного образца. При этом насколько полно (качественно) будет осуществлен переход (распределение) различных видов энергии покажет нам об его производительности, а в конечном итоге эффективности работы.

Рассматривая образцы техники в первую очередь необходимо говорить о механической, тепловой, химической, электромагнитной энергии.

Получение или превращение различных видов энергии для наибольшей эффективности работы образца одна из важнейших проблем и задач развития промышленности.

В качестве энергоресурсов выступают возобновляемые (исчерпаемые) и не возобновляемые ресурсы: солнечный свет, газы, нефтепродукты, вода, химические элементы и другие природные ископаемые.

Превращение энергии – это переход энергии из одного вида в другой или от одного тела к другому, при этом общее количество энергии не меняется [8].

Много столетий в различных механизмах осуществляется превращение энергии на пользу человека. Как пример рассмотрим преобразования энергии автомобиля.

Главным или основным является преобразование тепловой энергии сгорания топливовоздушной смеси в механическую энергию вращения коленчатого вала, которая затем через приводы передается к различным узлам и механизмам автомобиля.

В целях надежного функционирования систем и механизмов автомобиля; автоматизации работы агрегатов; комфорта и безопасности водителя и пассажиров, функционирует электрооборудования автомобиля, требующее для своей работы на электрическую (электромагнитную) энергию.

Основное устройство, где происходит преобразования химической энергии в электрическую энергию – аккумуляторная батарея.

Для ее заряда и обеспечения электропитания потребителей во время работы двигателя происходит дальнейшее преобразование механической энергии вращения ротора генератора в электрическую энергию.

В автомобильной технике используется также процесс преобразования солнечной в электрическую энергию на установленных штатно (опытных экземплярах) или в качестве дополнения к конструкции - солнечных батареях, позволяющих питать потребителей и заряжать основную аккумуляторную батарею.

Отдельным примером преобразования энергии в автомобиле могут служить датчики действие, которых основано на преобразовании теплового воздействия (тепловой энергии) в электрическую энергию, а точнее в незначительный по величине электрический импульс (датчик кислорода (лямбда-зонд), а также температурные датчики отдельных систем противопожарного оборудования).

Для более эффективного преобразования тепловой энергии инженеры продолжают совершенствовать конструкцию парового двигателя, примером тому может служить «двигатель Стирлинга – тепловой накопитель» фирмой «Филипс», на основе конструктивных решений, нагрева и химических реакций элементов.

Отдельные разработки и конструкторские решения позволяют преобразовывать энергию воздушного потока с использованием в вертикально-осевого ветродвигателя, набегающего на автомобиль во время движения в электрическою энергию.

Рассмотрим, какими способами реализована возможность передачи энергии.

Передача механической энергии осуществляется с использованием приводных механизмов: шестеренчатого, червячного, ременного, цепного, карданного, гидравлического, пневматического с различными передаточными числами.

Передача электрической энергии осуществляется по проводникам. Чем ниже сопротивление проводника и выше электрическое напряжение, тем эффективнее осуществляется передача электрической энергии. Исследования показали, что эффективнее передавать не переменный, а постоянный ток.

При передаче электроэнергии постоянным током исчезают затруднения, связанные с индуктивным сопротивлением и ёмкостью линии. Ограничениями здесь являются лишь максимальный допустимый кпд линии и мощность преобразователей. Отсутствие зарядной мощности линии (ёмкость между линией и землёй) позволяет сооружать кабельные линии длиной 100–200 км и более, что недостижимо для кабельных линий переменного тока из-за перегрева токоведущих жил кабеля зарядной мощностью [5].

Кроме того, активно совершенствуются способы передачи электрической энергии через сверхпроводники, но необходимые условия для передачи по ним (температура, давление) не позволяют делать их массовыми.

Помимо проводной передачи электрической энергии все большее интерес возникает к беспроводной передаче энергии. В этом виде передачи главное место отводится радиоволнам, а именно микроволнам.

В 1964 г. William C. Brown продемонстрировал на канале CBS в программе Walter Cronkite News свою модель вертолета, получавшую достаточную для полета энергию от микроволнового излучателя [6].

В целом, учеными испытывались две принципиально отличающиеся схемы:

1. В индукционной катушке или электрическом трансформаторе….
2. …магнитное резонансное сцепление, где оба индуктора настроены на взаимную частоту, значительная энергия может быть передана на немалое расстояние [6].

Учеными всего мера представляются различные прототипы устройств беспроводной передачи энергии: в 2010 году беспроводной телевизор, в 2015 технология зарядки по сети WiWi названая PoWiFi (от Power Over WiFi), компания Intel провели передачу энергии между антеннами для питания лампы (около 60 Вт) на расстоянии 1 метр.

В промышленном же масштабе используются не так уж много примеров, беспроводная зарядка телефона и конечно трансформаторы, где первичная и вторичная обмотки (катушки) не имеют проводной связи между собой.

Энергию необходимо не только получать и преобразовывать, но и запасать. К сожаленью устройств, способных накапливать энергию не так уж много, но роль их весьма велика.

Интересным примером запаса и преобразования энергии служит автомобили с маховичным накопителем. Сам маховичный накопитель представляет маховик, из большого количества нагруженных материалов (в виде проволоки, ленты). Основу работы маховичного двигателя составляет два принципа. В первом накопленную стартер-генератором электрическую энергию используют на преобразование в механическую энергию на тяговых двигателях. Во втором раскручивание маховика происходит в ходе замедления автомобиля, где энергия замедления используется на раскручивание маховика, крутящий момент которого передается на ведущие колеса.

В различное время автомобили с маховичными двигателями использовались как серийно в гиробусе Oerlikon, так и на отдельных экспериментальных моделях марок УАЗ, Porsche, Volvo, Audi, Chrysler, Jaguar. Если говорить об основном недостатке, то это потеря запасенной энергии маховика во время остановки.

Самым распространенным хранилищем энергии является аккумулятор (аккумуляторная батарея), гальванический элемент (гальваническая батарея). Срок хранения энергии и возможные потери при хранении зависит от конструкции и заложенных характеристик, технического состояния, температурного режима использования (хранения).

Говоря о качестве зарядке аккумуляторной кислотной батареи (АКБ), можно выделить систему интеллектуальной зарядки (СИЗ) с датчиком IBS (Intelligent Battery Sensor). Общий принцип работы, которой базируется на основе полученных данных о состоянии аккумуляторной батареи: внутреннем сопротивлении, напряжении, температуры, силы тока разряда. Датчик передает информацию в электронный блок управления (ЭБУ), который в свою очередь определяет выходное напряжение тока с генераторной установки (ГУ) для заряда аккумуляторной батареи. Это благоприятно сказывается на работоспособности аккумуляторной батареи и режимах работы автомобиля двигателя при резком ускорении. Принципиальная схема работы системы представлена на (рис.).

Рис. Схема функционирования системы интеллектуального заряда аккумуляторной батареи (IBS)

Способы повышения коэффициента полезного действия, а по-другому более эффективного преобразования различных видов энергии сложная и очень важная задача, решение которой волнует не только конструкторские бюро, но и отдельных энтузиастов самоучек. Ведь чем он больше, тем эффективнее работает образец.

Со включением в состав базового автомобиля конструктивных решений по использованию дополнительных устройств, способных преобразовать тепловую энергии двигателя, ветровую энергию воздушного потока и солнечной энергии необходимо провести расчет эффективности усовершенствованной модели.