Графики, поясняющие процесс
индукции (Ф--изменение магнитного потока в цепи магнитопровода, Е-- инду-цированная
электродвижущая сила) По закону электромагнитной индукции в обоих случаях в цепи катушек возникает
электродвижущая сила, вызывающая элек-трический ток. Процесс индукции
поясняется с помощью рис. 6. В качестве примера оценим электрическую мощность, которая может быть
получена в режиме колебаний с по-мощью описанного устройства при следующих
условиях: период поверхностных волн Т=6 с; амплитуда поверх-ностных волн А-=1
м; размер постоянных магнитов в на-правлении качания перемычки (т. е. ярма)
6=0,05 м (эта величина равна соответствующей стороне поперечного сечения
магнитопровода); полное число витков на двух катушках WB-=800; максимальное
значение магнитного потока через магнитопровод Ф=BS = 1,7-105;
максималь-ное 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
нач-нется при подходе перемычки с магнитами к магнитопро-воду и будет
продолжаться до тех пор, пока она не встанет точно под ним. Совпадение проекций
плоскостей попереч-ного сечения вертикальных стержней магнитопровода с
плоскостями магнитов на перемычке будет соответство-вать 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 индук-ции, определяемая нами
как время достижения магнит-ным потоком своего максимального или минимального
зна-чений, определится формулой Фактически оно будет несколько больше, так как рост магнитного потока
начнется через воздушный зазор не-сколько 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 напряже-ния 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, восполь-зуемся
подстановкой sin2 wt = 1/2
-- 1/2 cos 2wt = 1/2(1 -- cos 2wt). Подставляя принятые
выше значения, получаем Чтобы вычислить электрическую мощность, необхо-димо знать внутреннее
сопротивление обмотки и сопротив-ление полезной нагрузки. Сопротивление обмотки
пре-образователя, состоящей из 800 витков медной проволки диаметром 2,56 мм, равно примерно 1
Ом. Исходя из условия получения максимальной мощности, примем со-противление
полезной нагрузки также в 1 Ом; в этом слу-чае суммарная электрическая мощность
преобразователя Nэл=6,1/1+1=3,1 Вт. При равенстве сопротивления нагрузки внутреннему со-противлению генератора
электрический КПД преобра-зователя 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 апдолжен быть достаточно велик и составлять не менее 2,5 А (где А
-- амплитуда поверх-ностной волны). Это условие определяется необходимостью
иметь достаточную смоченную поверхность плиты во время прохождения ложбины
волны. При его выполнении по-лезная электрическая мощность преобразователя
удво-ится, 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 пре-образователя из
трансформаторного железа. Сила эта до-статочно велика; она не подчиняется
закону синуса и за-висит от многих параметров, в том числе от положения
маг-нитов относительно сердечника. Существенную нелиней-ность 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 тангенциаль-ной составляющей силы притяжения при
применении двух магнитов РЗМ достигает 40 кг; цифра эта достаточно ве-лика для
маленького макета. Она сравнима по своей ве-личине с силой давления both на
плиту, которая также не подчиняется гармоническому закону. Оценим величину си ты давления волн на плиту по формуле F=KpuSa, где F -- суммарная сила давления волн, кг; К=1 -- коэф-фициент
обтекания плиты (приближенное значение); ря=102 кгс2/м4
-- массовая плотность воды; Sn--0,5 м2 --
площадь плиты; Vc=l м/с -- горизонтальная составляю-щая
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
набега-нием волны плита висит вертикально под действием силы тяжести и силы
притяжения магнитов РЗМ к торцам сер-дечника; в этот момент тангенциальная
составляющая силы притяжения магнитов равна нулю. Расчет показывает, что при принятых параметрах ве-личина силы волнового
давления близка к силе статиче-ского 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, на-пример, при прохождении ложбины волны, так как смо-ченная
площадь плиты будет значительно меньше, чем во время прохождения гребня. Это
свидетельствует о том, что у преобразователя имеется порог срабатывания по
орби-тальной скорости поверхностных волн; если горизонталь-ная составляющая
орбитальной скорости и соответственно давление волн на плиту становятся ниже
некоторой ве-личины, то колебания плиты прекращаются. Рис.2.6. Осциллограммы электрического напряжения, возникающего на нагрузке
при колебаниях плиты под действием волн Поэтому процесс возбуждения электрических колебаний имеет существенно
нелинейный характер, что подтверждается осциллограммой, приведенной на рис. 7.
Осциллограмма показывает электрическое напряжение, зарегистрирован-ное на
омической нагрузке преобразователя во время его испытаний на морском причале.
Импульсы электрического напряжения на нагрузке весьма далеки от синусоидаль-ной
формы кривой; они имеют сложную форму, причем большие импульсы чередуются с
малыми, что объясняется сложной игрой нелинейных сил. На осциллограмме, соответствующей одному периоду поверхностной волны, можно
увидеть всего четыре от-носительно больших импульса электрического напряже-ния.
Первый импульс (считая слева направо) соответ-ствует выходу магнитов из-под
торцов сердечника под давлением гребня подошедшей волны; максимальное значе-ние
напряжения достигает 3 В. После прохождения гребня давление волны на плиту
ослабевает и она возвращается в положение равновесия; магниты входят под торцы
сер-дечника. Процесс этот совершается быстрее их выхода, поэтому индуцируемое
напряжение достигает примерно 4,5 В. Третий импульс соответствует второму
выходу маг-нитов за счет прохождения ложбины волны, его макси-мальное значение
напряжения достигает лишь 2,5 В, По Окончании прохождения ложбины плита и
связанная с ней перемычка с магнитами снова возвращаются в по-ложение
равновесия, при этом возбуждается четвертый импульс величиной около 4 В. Большие импульсы напряжения получаются, когда магниты входят в рабочий зазор
сердечника. В этом случае направление момента тангенциальной составляющей силы
притяжения магнитов совпадает с моментом силы тяжести плиты и штанги; кроме
того, при окончании любой фазы волны (т. е. гребня или ложбины) направление
момента силы давления от начинающейся новой фазы совпадает с моментами этих
двух сил. Поэтому возрастает скорость движения магнитов, увеличивается скорость
изменения магнитного потока через магнитопровод, возрастает ин-дуцируемая ЭДС и
напряжение на нагрузке. Пики на-пряжения меньшей величины всегда наблюдались
при выходе перемычки с магнитами из положения равновесия. В этом случае момент
тангенциальной составляющей силы притяжения противоположен моменту силы
волнового давления. Естественно, что скорость движения магнитов меньше, меньше
индуцируемая ЭДС и напряжение на нагрузке. На осциллограмме рис. 7 после второго импульса можно увидеть еще два
импульса малой амплитуды; их происхож-дение, возможно, связано с отраженными от
берега вол-нами. Во время проведения экспериментов отмечено влияние собственной частоты
колебаний плиты на генерируемую мощность. При более строгом анализе процесса преобразования энергии необходимо также
учесть так называемую пондеро-моторную силу (или силу Ампера). Она вызвана
взаимо-действием индуцированного тока в обмотках с магнитным полем возбуждающих
магнитов. Пондеромоторную силу можно оценить по формуле Fa=1,02BlI10 7 кг, где В -- магнитная индукция в зазоре, Гс; I -- суммарная длина
провода обмотки, см; / -- ток через обмотку, А. Расчет показывает, что в
нашем случае значение силы Fa не превосходит 0,25 кг, поэтому в
ориентировочном расчете ею можно пренебречь. Незначительность этой ве-личины
свидетельствует, в частности, о том, что у пре-образователя имеются
значительные возможности в смысле увеличения генерируемой мощности. Этого можно
достигнуть различными путями. Например, для увеличения генерируемой мощности в 10 раз можно увеличить
магнитный поток в \/10, т. е. примерно в 3,16 раза; для этого потребуются два
магнита РЗМ площадью по 6 J см2. При выполнении этого условия легко
получить мощность в 30--40 Вт. Такой мощности вполне достаточно для обеспечения
энергоснабжения навигационного буя или буя для передачи информации о
гидрофизических параметрах океана. Для увеличения мощности в 100 раз, т. е. для
получения 300--400 Вт, магнитный поток при всех остальных неизменных данных
потребуется увеличить в 10 раз; этого можно добиться применением нескольких пар
магнитов РЗМ вместо одной. Такой способ удобнее, так как позволяет ввести
автомати-ческую компенсацию силы статического притяжения маг-нитов, что
облегчит условия работы преобразователя и по-зволит говорить о создании
генераторов такого типа мощ-ностью до нескольких десятков киловатт. Вопрос стоит о цене киловатта в зависимости от разме-ров установки.
Преобразователи этого типа отличаются простотой, но дорога основная часть --
магниты РЗМ. Возможная область их применения -- малая энергетика, т. е.
небольшие силовые установки для отдельных ферм, рыбозаводов или совхозов,
расположенных вблизи по-бережья. Основное преимущество устройств подобного типа --предельная простота
устройства. Они вполне соответству-ют второму типу преобразователей приведенной
выше клас-сификации. Преобразование идет по короткой схеме: волны --
механический приемник энергии волн--генератор электрической энергии; эта схема
отличается от идеальной (схемы I) введением лишь одного элемента -- приемника
энергии в виде плиты. Одна из особенностей преобразователей с колебатель-ным движением заключается
в необходимости применения постоянных магнитов типа РЗМ (с другими известными
ныне типами постоянных магнитов нужного эффекта не получится из-за
недостаточности их остаточной индукции), но РЗМ -- относительно дороги и
дефицитны, что скажется на их применении. Для нормальной работы преобразователей рассмотрен-ного типа необходимо иметь
неподвижное основание, на чем можно было бы укрепить раму, поддерживающую
го-ризонтальную ось, относительно которой колеблется плита со штангой и
магнитами. Подобное требование не всегда можно выполнить в условиях открытого моря, однако име-ются способы обойти
это затруднение. Первый из них за-ключается в применении якоря. Он может
обеспечить до-статочную неподвижность одной из частей преобразова-теля,
относительно которой будет колебаться вторая часть, несущая магниты или
обмотки. В этом случае конструкция преобразователя должна несколько измениться.
Еще лучше вместо якоря использовать стабилизированный буй (типа «вехи Фрудл») с
достаточной плавучестью. Можно решить эту задачу н на принципиально ином
физическом принципе, использовав силы инерции вместо прямого дав-ления волн на
плиту. Пришло время, когда человечество вплотную должно заняться сохранением среды
своего обитания. Необходимы как научные, так и практические усилия для охраны
природы, чтобы род человеческий не только выжил, но и продолжал развиваться. Естественным путем выживания являются максимизация стратегии бережливости в
отношениях с окружающим миром и увеличение замкнутости круговорота всех
веществ, вовлекаемых в сферу человеческой деятельности. Однако легко это сформулировать теоретически, но очень трудно перевести на
язык практической деятельности. В этом сложном процессе должны участвовать все
члены мирового сообщества, начиная от международных организаций и кончая каждым
человеком в отдельности в его обычной жизни. Тогда на первом плане окажутся не
идеологические, а экологические проблемы; доминировать будут не отношения между
нациями, а отношения между человечеством и природой. Заключение. Энергия - это движущая сила любого производства. Тот факт, что в
распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой
энергии, в значительной степени способствовало индустриализации и развитию
общества. Однако в настоящее время при огромной численности населения и
производство, и потребление энергии становится потенциально опасным. Наряду с
локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха
и воды, эрозией почвы, существует опасность изменения мирового климата в
результате действия парникового эффекта. Человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя
обеспечить благополучия людей, а с другой - сохранение существующих темпов ее
производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды,
серьезному ущербу здоровья человека. Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти,
около трети - на долю газа и атома (примерно по одной шестой) и около одной
пятой - на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего
несколько процентов. Совершенно очевидно, что без тепловых и атомных
электростанций на современном этапе человечество обойтись не в состоянии, и все
же по возможности там, где есть, следует внедрять альтернативные источники
энергии, чтобы смягчить неизбежный переход от традиционной энергетики к
альтернативной. Тогда будет жизненно важно, сколько солнечных батарей успеет
вступить в действие, сколько заработает “мини-ГЭС” и приливных станций,
открывающих дорогу тысячам других, сколько цепочек ветряков встанет по горам и
сколько цепочек волновых буйков закачается у побережий.
