Выработка электроэнергии при помощи линейных генераторов

Более полное и удобное использование таких источников экологически ­чистой энергии, как ветер и волны, возможно при применении наряду с электро­генераторами, работающими от вращательных движений, также и другого типа электрогенераторов, действующих от поступательных движений.

Для некоторых ситуаций предлагается использовать эффективные, с точки зрения автора, способы преобразования поступательных движений во вращательные – с целью применения вместе с обычными динамо-машинами.



Соленоид с магнитом

Первые линейные преобразователи энергии были созданы еще в начале девятнадцатого века (в работах Фарадея и Ленца) и представляли собой соленоиды с движущимися внутри них постоянными магнитами. Но использовались эти устройства только в физических лабораториях для формулирования законов электромагнетизма.

Впоследствии серьезное применение получили лишь генераторы, работающие от вращательных движений. Но теперь человечество «вспоминает давно забытое старое». Так, недавно были созданы «вечные» или «индукционные фонарики Фарадея», работающие от встряски и имеющие в своей основе «поступательный генератор» – это тот же соленоид, с колеблющимся внутри него постоянным магнитом, плюс – выпрямительная система, сглаживающий элемент и накопитель. (Необходимо отметить, что для появления тока в соленоиде необязательно вдвигать и выдвигать внутрь него магнит – достаточно, и не менее эффективно, приближать и удалять магнит от электрической катушки, если в нее вставить сердечник, лучше ферритовый).

В интернете можно найти описание того, как сделать генератор, питающий велосипедные фары, работающий на том же принципе – от движения магнита внутри соленоида (встряску здесь уже обеспечивает не человеческая рука, а само транспортное средство – велосипед).

Появились и проектируются поступательные генераторы, использующие «пьезоэлектрический эффект» – способность некоторых кристаллов при деформации продуцировать электрические заряды.

Это, например, всем известные пьезоэлектрические зажигалки. Французские ученые (в частности этим занимается Жан Жак Шелло в Гренобле) решили подставить пьезокристаллические модули под дождевые капли и таким образом получать электроэнергию. В Израиле фирмой «Innowatech» разрабатывается способ получения электроэнергии от давления машин на дорожное полотно – пьезокристаллы будут подложены под шоссе. А в Голландии подобным же образом планируют «собирать» электроэнергию из-под пола танцевального зала.

Все вышеперечисленные примеры, кроме использования энергии дождя, касаются «снятия» энергии с результатов деятельности человека. Здесь можно предложить еще размещение поступательных генераторов в амортизаторах автомобилей и поездов, а также снабжение этих транспортных средств увеличенными копиями вышеописанных генераторов велосипедов, работающих от встряски, и, кроме того, расположение поступательных генераторов под рельсами железных дорог.



Новый способ использования ветра

Рассмотрим теперь, как полнее использовать энергию ветра. Известны ветроэлектрогенераторы, в которых ветер вращает воздушные винты, а они, в свою очередь, – валы динамо-машин. Но не всегда воздушные винты удобны в использовании. Если они применяются в жилых районах, то требуют дополнительного места, и их, для безопасности, надо заключать в сетки. Они могут портить внешний вид, заслонять солнце и ухудшать обзор. Вращающиеся генераторы сложны в изготовлении: требуются хорошие подшипники и балансировка вращающихся частей. А размещенные на припаркованных электромобилях ветроэлектрогенераторы могут быть похищены или повреждены.

Автор предлагает использовать более удобные рабочие тела, на которые будет воздействовать ветер: щиты, пластины, паруса, надувные формы. А вместо привычных динамо-машин – специальные крепления в виде поступательных генераторов, в которых от механических перемещений и давлений, производимых рабочими телами, будет вырабатываться электроэнергия. В таких креплениях могут быть использованы как пьезокристаллы, так и соленоиды с подвижными магнитными сердечниками. Токи, созданные этими креплениями, будут проходить через выпрямители, сглаживающие элементы и заряжать аккумуляторы для дальнейшего использования выработанной электроэнергии. Все части таких поступательных генераторов просты в изготовлении.

Щиты с подобными креплениями, размещенные на стенах зданий, балконов и т. п., будут приносить вместо неудобств только выгоду: звуко- и теплоизоляцию, тень. Они практически не требуют дополнительного пространства. Рекламные щиты, навесы от солнца или дождя, снабженные такими креплениями и «дождевыми» пьезокристаллическими модулями, будут кроме своей основной функции еще и вырабатывать электроэнергию. По такому же принципу можно заставить работать и любой забор.



Энергопроизводящие окна и столбы

Есть возможность использовать прочные стекла в окнах в качестве «ветрозаборников», а электровырабатывающие крепления расположить в раме.

Если взять случай с электромобилями, то крепления можно переключать: на стоянке, где позволительна вибрация стекол от ветра, будут использоваться электрогенерирующие крепления, а при движении, чтобы не нарушать аэродинамические свойства электромобиля – обычные. Хотя при использовании пьезокристаллов можно добиться совсем небольшого люфта и переключения не потребуются.

В более простом (непрозрачном варианте выполнения щитов) на стоянке обычные стекла опускаются и вместо них вставляются щитовые ветроэлектрогенераторы, креплениями опирающиеся на рамы окон. То же можно сделать и в доме ночью, когда окна не должны пропускать свет: вместо стекол или внешних ставень устанавливать подобные ветроэлектрогенераторы.

Опора в виде треноги для фонарного столба или сотовой антенны будет вырабатывать электроэнергию, если мы в каждой «ноге», разделив их поперек на две части, в стыке разместим вышеописанное электрогенерирующее крепление. Столб фонаря или антенны можно поместить в зарытый в землю и укрепленный полый цилиндр с подобными электрогенераторами, размещенными по внешнему ободу, – это еще один вариант.

Фонари на столбах, оснащенных такой «поддержкой», могут работать самостоятельно, без подвода к ним кабелей электропитания – ведь их раскачивание от ветра или от колебаний дорожного полотна всегда имеет место. Такие фонари должны быть очень востребованы там, где либо нет электростанций, либо местность еще не «охвачена» проводкой.

Кроме того, поступательные генераторы позволяют нам задействовать еще и такие «природные ветрозаборники», как деревья: ведь их ветви раскачиваются от ветра. С деревьями лучше использовать генераторы соленоидного типа, а не на пьезокристаллах. Соленоиды с магнитами и пружинами будут обеспечивать мягкую «упряжку».

Вот один из возможных вариантов использования качания ветки. Одну веревку, идущую от бобины электрической катушки, закрепляем на стволе или прикрепляем к «якорю» (типа морского), зарытому в землю, а вторую, соединенную с магнитом, закрепляем за качающуюся ветвь. Закрепление бобины можно и не производить – оставить только связь с веткой. Тогда генератор будет работать от встряски, которую ему обеспечит раскачивание ветки от ветра (катушке не даст упасть пружина).



«Летящее» электричество

Что же касается надувных «рабочих тел» для поступательных ветроэлектрогенераторов, то многие видели рекламные надувные фигуры на бензоколонках, которые качаются от ветра.

Такие надувные формы (их можно выполнять в виде шаров, эллипсоидов, надувных матрацев и т.д.) также могут поработать на экологически чистую электроэнергию. Их преимущество в том, что они, «отвязавшись» и движимые ветром, никого из людей серьезно не травмируют.

Так, например, можно использовать воздушный шар как рабочее тело для поступательного ветроэлектрогенератора соленоидного типа. Магнит привязывается к шару, а катушка «якорится», причем лучше использовать упругие соединения, чтобы не порвать шар и не повредить катушку и электронику (упомянутые выше выпрямительную, сглаживающую и накопительную системы).

Энергию ветра можно задействовать для выработки электричества еще и на парусных судах в местах крепления парусов (тут больше подойдут электрогенерирующие крепления на пьезокристаллах, чтобы не создавать больших перемещений). Выработанное электричество пойдет на зарядку аккумулятора как дополнительной энергетической возможности в случае штиля, для движения на электромоторе и для внутренних нужд судна, скажем, для освещения и холодильных агрегатов.



Энергия волн

Теперь посмотрим, как использовать энергию морских и речных волн. Можно сделать такие генераторы поступательного действия, где рабочими телами будут служить не большие щиты или другие крупные геометрические формы, а небольшие пластины.

Электрогенерирующие крепления останутся такими же (на соленоидах или же на пьезокристаллах), но только меньших размеров. Наборы из таких пластинчатых электрогенераторов установим на плавучих средствах на уровне их ватерлиний. Они (генераторы), в силу их небольших размеров, не будут слишком сильно портить обвод судна. Следует позаботиться и о гидроизоляции генераторов, поместив их под водонепроницаемую эластичную оболочку. Волны, бьющие по судну (по пластинам), будут вырабатывать электроэнергию для двигателя (ходовая часть) и для внутренних нужд судна, что позволит избавиться от громоздкого и опасного (переворачивающего плавучее средство) паруса, с которым, кроме того, сложно идти против ветра, и загрязняющих окружающую среду моторов и генераторов внутреннего сгорания.

Использовать энергию волн у берега – еще проще, закрепив соленоиды к пирсу, дебаркадеру или другому сооружению. Здесь возьмем щиты и крепления побольше: в этом случае обтекаемость только повредит.



Генератор в виде плота

Для этой же цели (использования энергии волн) предназначен «плот-электрогенератор». Здесь волны будут обеспечивать движение поплавков друг относительно друга, что при помощи стоек на шарнирах вызовет движение магнитов относительно соленоидов.

Напомним, что магниты, соленоиды и пружины составляют поступательные генераторы, прикрепленные к стойкам на шарнирах. Аккумулятор и электронный блок заключены в общий жесткий кожух, подвешенный на канатах к стойкам.

Система стоек, шарниров и пружин, не ограничивая полностью взаимные перемещения поплавков, в то же время не даст плоту распасться. А относительное движение магнитов и соленоидов обеспечит выработку тока в соленоидных обмотках, который будет передаваться по проводам в электронный блок. Там он пройдет выпрямитель и сглаживающий элемент, после чего поступит в аккумулятор плота или по кабелям будет передаваться на берег или на судно, буксирующее плот для своих энергетических нужд.

Для более полного использования всех направлений воздействия волн можно из таких плотов составить конгломерат, разместив их под оптимальным углом друг относительно друга, или же на одном плоту сделать комплексную (учитывающую все возможные относительные перемещения поплавков), более сложную систему стоек шарниров и пружин.



Использование перепадов уровней воды

Поступательные генераторы подходят также и для использования энергии перепадов уровней воды у рек, водопадов, приливов и отливов. Они будут работать вместо гидротурбин. Эффективность их, по предварительным оценкам, меньше, но зато поступательные генераторы вместе с сопутствующими устройствами здесь проще построить: ведь гидротурбинные генераторы, в силу их принадлежности к вращающимся, нуждаются в точности изготовления, балансировке и хороших подшипниках.

Самой простой для выполнения является следующая схема. Соленоид закрепляется на берегу (очень хорошо к мосту) речки или водопада, а к магниту привязывается поплавок, опущенный в воду. Если течение турбулентное, а это мы наблюдаем в быстрых речках и водопадах, то поплавок будет колебаться и передаст колебания магниту, что и требуется для выработки электроэнергии. Магнит вместе с поплавком не уплывет из за того, что магнит закреплен к днищу бобины соленоида пружиной. Эта схема очень напоминает вышеприведенную поплавковую схему для использования энергии волн.

Есть еще одна достаточно хорошо известная система. Сверху в накопительную чашу идет непрерывный поток воды, например из отводного канала от речки. Чаша заполняется. Когда гидростатическое давление на конец трубки, находящейся в этой емкости, превысит определенный «порог запирания» (ведь в трубке пока воздух), вода начнет через нее проходить и выльется на поступательный генератор, находящийся внизу. Уровень воды в чаше спустится ниже изогнутого конца трубки, и воздух опять «запрет» ее.

За счет поступления воды сверху снова произойдет заполнение емкости до максимального уровня. А при нем гидростатическое давление способно «отпереть» трубку (и т. д.). Тем самым обеспечивается прерывистое падение воды на поступательный генератор, что и требуется для выработки электроэнергии. После совершения «работы» вода стечет вниз на водосборник, откуда по соответствующему каналу поступит опять в речку, но уже на более низком уровне.

Поступательные генераторы, предназначенные для использования прерывистых падений на них жидкости, выглядят так. Соленоидного типа – здесь наклонная кювета для сбора и слива воды жестко крепится к магниту, находящемуся внутри закрепленного соленоида. А сам магнит снизу подпирает пружина, закрепленная к днищу бобины соленоида. Пьезоэлектрического типа – здесь такая же кювета опирается на пьезокристалл.

Есть устройство такого же предназначения, но другого типа – это поворачивающаяся (в вертикальной плоскости) на шарнире чаша. Она имеет разные центры тяжести в ненаполненном и наполненном состояниях. В ненаполненном состоянии чаша находится в устойчивом равновесии: она опирается на шарнир и подставку. Вертикаль, опущенная из ее центра тяжести, проходит через площадь опоры. Но по мере заполнения чаши водой, например из отводного канала от речки, ее центр тяжести смещается. И когда вертикаль, опущенная из нового центра тяжести выйдет за площадь опоры, чаша начнет переворачиваться.

По мере переворачивания вертикаль из центра тяжести все больше и больше будет выходить за площадь опоры. В конце концов жидкость из чаши выльется на поступательный генератор, а затем в водосборник и в возвращающий к речке канал. Пустая же чаша возвратится в свое исходное положение устойчивого равновесия, снова начнет заполняться водой, и цикл повторится.



Совершенствование конструкций

Можно придумать еще много возможностей для использования электрогенераторов поступательного действия, вариантов их конструктивного выполнения и сопутствующих им устройств. Автор надеется, что эти генераторы займут свою «нишу» в области выработки экологически чистой электроэнергии.

Если по каким то причинам электрогенераторы поступательного действия не могут быть построены и применены или уже имеются обычные генераторы, действующие от вращательных движений, то некоторые поступательные движения, имеющие достаточную амплитуду (например, качания веток деревьев от ветра, движения поплавка или воздушного шара), все равно могут быть использованы, так как существуют механические передачи, преобразующие поступательные движения во вращательные.

Можно назвать, например, реечную передачу, винтовую (как у детской игрушки – юлы) и ременную с катушкой: на катушку наматываем ремешок, леску или кабель и присоединяем к ней возвратную пружину, например спиральную. А для еще большей эффективности выработки электроэнергии таким способом надо в качестве мультипликатора поставить коробку передач, как в автомобиле или велосипеде, и переключать скорости (передаточное число) в зависимости от силы ветра или волн на текущий день или час.

Если мы оценим, какая часть «приземной» воздушной поверхности, подверженной воздействию ветров, еще не «задействована» для выработки электричества, какая водная поверхность с волнами и сколько рек и водопадов пока не «работают» (это еще не говоря о солнечных лучах и геотермальных источниках), то мы увидим, что у экологически чистой энергетики есть большое будущее.

Александр ИОФФЕ