Механический «аккумулятор» энергии
В наше врем одно из самых популярных предложений альтернативных возобновляемых источников энергии — солнечные панели. Однако системы на их основе имеют ряд недостатков:
1) Хотя цена в последние годы снизилась, стоимость солнечных батарей по-прежнему высока
2) КПД очень низкий, у самых известных моделей до 30%
3) Хранение энергии осуществляется с помощью аккумуляторных систем или суперконденсаторов, что делает системы, основанные на солнечных батареях, намного более дорогими.
4) В дождливые и пасмурные дни и ночью солнечные батареи совершенно неэффективны.
Изобретатель с ником zezarandrade попытался разработать систему, способную хранить энергию в течение неопределенных периодов времени. Это такой механический аккумулятор, основанный на простой работе ремня и шкива. Для обоснования своей теории он решил построить модель устройства.
Для построения демонстрационной модели он использует следующие
Инструменты и материалы:
-Двигатель постоянного тока с редуктором + 2 колеса;
-Диск CD — 5 шт;
-Деревянные планки
(12 см x 4,5 см x 2 см)- 2 шт
(7 см x 4,5 см x 2 см) — 1 шт
(40 см x 7 см x 2 см) — 1 шт;
-Пробка;
-Пластиковая крышка — 3 шт;
-Банка диаметром 14 см;
-Крепеж;
-Светодиод;
-Резистор 220 Ом;
— Банка алюминиевая;
-Нейлоновый шнур 1 метр;
Шаг первый: принцип действия и теоретические выкладки
Давно известно, что энергия не создается и не разрушается, а трансформируется.
Принимая во внимание этот принцип, мы можем взять часть энергии, производимой солнечными панелями или каким-либо другим источником электрической энергии, и преобразовать ее, скажем, в потенциальную энергию.
Идея очень проста: если мы возьмем массу m (кг) и поднимем ее на высоту h (mts), то у нас будет значение потенциальной энергии Ep = m * g * h, где m — масса в кг. , g — ускорение свободного падения, h — высота в метрах, на которой находится масса.
Мы собираемся поднимать и опускать эту массу с помощью системы шкивов и ремней.
Шкив — это колесо на оси или валу, предназначенное для поддержки движения и изменения направления ремня или натянутого троса. В системе ремня и шкива ремень проходит по канавке шкива, так что мощность может передаваться либо от одного шкива к другому, либо от шкива непосредственно к приложению, которое требует мощности.
Ременная передача — это петля из гибкого материала, которая передает движение от одного вращающегося шкива к другому. Каждый шкив закреплен на валу. Основная функция ремня — передавать мощность (энергию вращения) от одного источника к другому. В то время как шкив, имеющий канавку по окружности, позволяет ремню плавно проходить через него при передаче вращательного движения.
На рисунке № 1 показана общая работа системы:
Днем, в солнечные дни, энергия, вырабатываемая солнечными панелями или другой формой энергии, заставляет двигатель M запускаться и поднимать массу m на высоту h, в отсутствие солнечного света или ночью масса m под действием силы тяжести начинает опускаться, и теперь двигатель ведет себя как генератор (G), вырабатывая необходимое электричество.
Чтобы без проблем поднять гирю m, мы прибегаем к системе шкивов и ремней, подобных показанной на рисунке 2.
Одной из интересных характеристик шкивов и ременных систем является то, что мы можем поднимать большие грузы с небольшими усилиями.
На рисунке видно, что соотношение между радиусом шкива на валу двигателя и радиусом следующего шкива (P2) составляет:
K1 = R / r1, где K1 — коэффициент соотношения между шкивами P1 и P3, R — радиус шкива P3, а r1 — радиус шкива P1.
Точно так же коэффициент соотношения (K2) между шкивами P2 и P4 составляет: K2 = R / r2, где R — радиус шкива P4, а r2 — радиус шкива P2.
Для предлагаемой системы:
r1 = 2,5 см, r2 = 1,5 см, R = 5 см.
Итак, K1 = R / r1 = 5 / 2,5 = 2; К1 = 2
Это означает, что для полного оборота шкива P3 требуется повернуть шкив P1 на два оборота.
Дальше у нас есть: K2 = R / r2 = 5 / 1,5 = 3,33, что означает, что для того, чтобы шкив P4 совершил полный оборот, необходимо, чтобы шкив P2 сделал 3 1/3 оборота.
Общий коэффициент передаточного отношения всей системы шкивов составляет: K = K1 * K2 = 2 * 3,33 = 6,66, то есть для полного оборота шкива P4 требуется 6,66 оборотов шкива P1.
Хотя верно то, что скорость шкива P4 уменьшается, также верно и то, что сила на последнем шкиве увеличивается в 6,66 раза, и чем выше коэффициент K, тем меньше требуемое усилие.
Наоборот, коэффициент передаточного отношения составляет 1 / K = 1 / 6,66 = 3/20, то есть 3 оборота шкива P4 преобразуются в 20 оборотов шкива P1, и, следовательно, 20 оборотов вала двигателя.
Это небольшая но очень важная часть расчетов произведенных мастером.
На основании теорий и расчетов он делает следующие выводы:
1) Использование шкива и ременной системы позволяет нам поднимать тяжелые грузы с малыми энергозатратами
2) Подъем массы на определенную высоту позволяет нам сохранять определенное количество потенциальной энергии, которая, обращая процесс вспять, может быть использована и передана двигателю, который теперь действует как генератор, и, таким образом, получить электрическую энергию.
3) Низкая стоимость обслуживания устройства
4) Простота установки и демонтажа
5) Простота конструкции
6) Смазка не требуется
7) Легко заменяется, благодаря невысокой стоимости.
8) Мощность может передаваться вертикально, горизонтально или по диагонали.
Шаг второй: сборка
На рисунках 3a, 3b, 3c, 3d, 3e и 3f показан монтаж двигателя на доске. Мастер снял резину, покрывающую колесо, и использовал желтую пластиковую деталь в качестве первого шкива Р1.
На рисунках 4a, 4b и 4c показаны детали шкивов P2 и P3.
Мастер сделал шкив P2 из пробки от винной бутылки и двух круглых кусочков картона.
Шкив P3 состоит из двух компакт-дисков, а в середине он поместил пластиковую крышку от кофейной банки.
Оба шкива, P2 и P3, установлены на планке, как показано на фотографиях.
На рисунках 5a, 5b, 5c, 5d, 5e и 5f показан шкив P4, состоящий из 3 компакт-дисков, разделенных двумя пластиковыми крышками, одно из пространств предназначено для размещения нейлоновой веревки, поддерживающей груз m.
На рисунках 6a, 6b и 6c показаны шкивы P1, P2, P3 и P4 в полностью собранном виде.
Наконец, все собрано.
Шаг третий: электрика
Для тестирования системы мастер использовал схему, показанную на рисунке.
Это очень простая схема. Когда переключатель S1 находится в положении «1»:
источник питания подает на двигатель напряжение «V», которое приводит в действие систему ременного шкива, в результате чего масса m поднимается на высоту h.
Когда переключатель находится в положении «2», и масса под действием силы тяжести начинает падать:
система шкива с ремнем активируется, но в противоположном направлении, в результате чего вал двигателя начинает вращаться, и теперь двигатель играет роль генератора.
Электроэнергия, вырабатываемая двигателем (генератором), питает светодиод, пока масса m не коснется земли (h = 0)
Конечно идея сама по себе не новая, но интересная применительно к солнечной энергетике. Правда возникает один, и возможно ключевой вопрос, где взять «высоту» на которую необходимо установить устройство?
Очевидно, что в городских условиях это малоэффективно, а в сельской местности просто нет таких высотных зданий.
Но теперь уже не мастеру, а мне пришла в голову мысль, а что если вместо системы двигатель — шкив — ремень — шкив — груз, использовать спиральную пружину. Тогда двигатель мог бы напрямую крутить ось на которой установлена пружина и таким образом «заводить» ее по принципу пружины на старом бабушкином будильнике. Соответственно, в ночное время, пружина начинает раскручиваться и крутить двигатель.
Источник (Source)
Источник: