CC BY
39
УДК 629.341
ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧА ПЛИТКА ЯК АЛЬТЕРНАТИВНЕ МАЛОПОТУЖНЕ ДЖЕРЕЛО ЕЛЕКТРИЧНО1 ЕНЕРГП
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Проведено анал1з розробок альтернативних джерел живлення, що здатт перетво-рювати р1зт види енергп в електричну. Запропоновано технгчне ршення, детально розглянуто та описано принцип дИ' енергогенеруючог плитки, яка перетворюе кгнетичну енергт в1д нати-скання в електричну та накопичуе гг.
Ключовг слова: енергогенеруюча плитка, джерело електричног енергп, енергоефективтсть.
ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩАЯ ПЛИТКА КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МАЛОМОЩНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведен анализ разработок альтернативных источников питания, способных преобразовывать различные виды энергии в электрическую. Предложено техническое решение, подробно рассмотрен и описан принцип действия энергогенерирующей плитки, которая преобразует кинетическую энергию от нажатия в электрическую и накапливает ее.
Ключевые слова: энергогенерирующая плитка, источник электрической энергии, энергоэффективность.
NERGY GENERATING TILE, AS ALTERNATIVE LOW-POWER SOURCE
OF ELECTRIC ENERGY
A. Gnatov, Prof., Ph. D. (Eng.), Sch. Argun, Assoc. Prof., Ph. D. (Eng.), Khartov National Automobile and Highway University
Abstract. Analysis of existing developments such as the alternative power sources transforming different types of energy into electric energy is carried out. The technical solution for the installation of energy-generating plates, which converts the kinetic energy from pressure into electric and accumulates it for further use is suggested. The principle of action of energy-generating tiles as an alternative and decentralized source of electric energy is discussed in detail and described.
Key words: energy generating tile, electric energy accumulation, alternative energy source, accumulator battery, energy-efficient technology.
Вступ
Останшм часом все актуальшшою стае проблема енергонезалежносп, а отже, виникае неабияка потреба в альтернативних джерелах живлення. У цьому напрямi проводиться до-сить велика кшьюсть рiзного роду досль джень та випробувань [1].
Дослщження, що проведет в данш роботу присвячеш виршенню проблеми енергозбе-реження та бшьш ефективному використан-ню електрично! енергп, в тому чи^ i для транспортних засобiв та !х шфраструктури. Основною щеею роботи е розробка та впро-вадження систем енергозбереження та гене-рацп електрично! енергп. В основу ще! проекту покладено методи та способи перетво-
рення кшетично! енергп в електричну, що дозволить згенерувати необхщну кiлькiсть енергп, забезпечити системи електроживлення до-датковими альтернативними малопотужними джерелами живлення та провести ефективний розподiл енергп та й збалансування за потуж-нютю споживання [2].
Аналiз публжацш
Одним з аналогiв розробки е плитка Pavegen, яку розробив ангтець Лоуренс Кембелл-Кук. Pavegen виробляе кшетичну енергiю вiд кро-кiв i перетворюе И в електричну [3].
Аналопчну розробку запропонували росш-сью вченi Х. Абрамович, Е. Хараш та iн. [4]. Винахiд вщноситься до пристрою, системи i способу збору енерги на дорогах i автомапс-тралях з використанням п'езоелектричного генератора. Недолк останньо! розробки по-лягае в тому, що вона потребуе стащонарно! будови та вщповщного монтажу.
Винахiдниками iз США Brusaw S., Brusaw J. запропоновано пристрш «Сонячш дорожнi панелЬ>, якi перетворюють енергiю сонця в електричну для забезпечення роботи самих панелей та новггшх «розумних дорк» [5-7]. Але !х розробка не може перетворювати кше-тичну енергiю вiд натискання в електричну.
Вчений Ской В.Р. винайшов «П'езоелект-ричний генератор постшного струму на ос-новi ефекту Казимира» [8]. Винахщ вщно-ситься до перетворювачiв енерги, якi працю-ють на основi застосування п'езокерамiчних матерiалiв, i може бути використаний в будь-якiй галузi техшки як малопотужне джерело струму.
У статп [9] Shalabh R.B. показано принципо-ву можливiсть отримання електрично! енергп шляхом И перетворення з енерги звукових хвиль та використовуючи п'езоелектричш елементи. Але автор розглядае лише прин-ципову можливiсть такого перетворення та не пропонуе конкретних приладiв та систем, здатних це зробити.
У робот [10] запропоновано поеднати про-цес перетворення мехашчно! енергп в електричну та процес накопичення електрично! енергп у виглядi хiмiчно! енерги. Авторами не зазначено експлуатацшних характеристик !хньо! розробки.
У публшаци [11] подано спосiб перетворення електролiтичного потоку в електричну енер-гiю та надаеться схемна реалiзацiя, але ж не зазначено складу та властивостей основних матерiалiв схеми та !х експлуатацiйних характеристик.
Авторами статп [12] запропоновано перет-ворювач енерги на основi термоелектричного конденсатора, а отже, для його роботи потрь бен перепад температур, що е основним не-долшом.
У робой [13] науковщ наводять обгрунту-вання використання п'езоелектричних перет-ворювачiв на дорозi з асфальтним покриттям з точки зору ефективносп та виробництва енерги. Отже, показано перетворення кшетично! енергп вщ натискання в електричну, але не наведено конкретних техшчних ршень для практичного використання цього проце-
су.
У робот [14] подано технiчний огляд пбрид-ного вiтрогенератора i фотоелектричного пе-ретворювача енергi!. Цi технiчнi ршення е досить потужними та громiздкими.
Мета i постановка завдання
Метою роботи е дослщження альтернативного малопотужного джерела електрично! енергi! у вигляд енергогенеруючо! плитки, що перетворюе кшетичну енергда в електричну.
Для досягнення поставлено! мети необхiдно виршити таю завдання:
— проаналiзувати методи перетворення рiзних видiв енергi! в електричну;
— проаналiзувати характеристики та можли-вiсть використання рiзних вцщв вщновлюва-них та альтернативних джерел електроенергп;
— проаналiзувати характеристики накопичу-вачiв електрично! енергi!;
— розробити схеми перетворювачiв електрично! енергп, що генеруеться, для !! утримання та подальшого використання;
— розробити системи контролю кшьюсних показникiв електроенергi!.
Будова енергогенеруючоТ плитки
Привабливою простотою технiчно! реалiзацi! й широкими можливостями вирiзняеться пристрш генерування електрично! енергi! (з лшш-ним електрогенератором), в якому кшетична
енерпя в1д крок1в людей перетворюетъся в електричну { накопичуетъся в емшсних нагро-маджувачах - юшсторах та акумуляторних батареях. Запропонований пристрш може бути використаний як альтернативне джерело електрично! енерги, наприклад, при зовшшньому свгтлодюдному освгтленш [15, 16].
В основу дослщження покладено завдання розширення функцюнальних можливостей, а також тдвищення ефективносп процесу пе-ретворення кшетично! енерги в електричну за рахунок вдосконалення конструкци та конструктивних особливостей устаткування пристрою генерування електрично! енерги, а саме, конструктивних особливостей лшшно-го електричного генератора - основного складового елемента запропонованого пристрою як автономного та альтернативного джерела живлення.
Поставлена задача виршуеться за рахунок того, що пристрш генерування електрично! енерги з лшшним електрогенератором мае корпус, в якому стввюно розмщеш ротор 1 статор, з можливютю !х вщносного поступа-льного перемщення в однш площиш. При цъому статор виготовлено у вигляд! обмотки, що охоплюе ротор ¿з групою постшних маг-нтв, а виводи статора призначеш для тдк-лючення до них навантаження. Ротор вико-нано ¿з суцшьних неодимових магнтв, а як демпферш пружини використовуються плос-к неодимов! магнгти, що ор!ентоваш однако-вими полюсами до полюшв ротора. Однаков! кшщ обмоток статора з'еднаш м1ж собою та виходять до електричного випрямляча, який випрямляе змшний струм та заряджае емню-ний нагромаджувач - юнютор, який через дюд заряджае акумуляторну батарею, що через вимикач тдключаеться до навантаження, наприклад, зовшшнього свгтлодюдного освь тлення.
Особливютю запропонованого пристрою генерування електрично! енерги (з лшшним електрогенератором) е 1 те, що вш мае мал! ваго-габаритш показники та може легко встановлюватися в мюцях з великою кшьюс-тю п!шоход!в та щшьшстю людського потоку.
Суть запропоновано! корисно! модел! пояс-нюеться схематичними кресленнями (рис. 1)
[15, 16].
Рис. 1. Конструкц!я енергогенеруючо! плитки
На рис. 1 показано конструкщю енергогенеруючо! плитки. Запропонований пристрш генерування електрично! енерги мае наступш конструктивш елементи (рис. 1): натискну кришку 1; статор 2; неодимов! магнгти в на-тискн!й кришщ 3; робочий х!д натискно! кришки 4; пружини 5; герметичне з'еднання кришки з корпусом 6; корпус 7; неодимов! магнгти ротора 8; обмотки котушок статора (К1-К3) 9; неодимов! магнгти в корпус! 10; електричний випрямляч 11.
Принцип дп енергогенеруючоТ плитки
На рис. 2 та 3 показано роботу енергогене-руючо! плитки.
б
Рис. 2. Схематичне зображення принципу д!! енергогенеруючо! плитки: а - до на-тискання; б - тсля натискання
«Енергогенеруюча плитка»
Рис. 3. Схема принципова енергогенеруючо! плитки: С - емнюний нагромаджувач; УО - дюд; GB - акумуляторна батарея; S - вимикач; HL - свгглодюдне навантаження
Енергогенеруюча плитка працюе таким чином. Коли людина наступае на пристрш, на-тискна кришка 1, що з'еднана герметичним сполученням iз корпусом 6, починае рухати-ся вниз (рис. 2), тим самим забезпечуючи роботу пристрою як лiнiйного електрогене-ратора. Завдяки тому, що неодимовi магнiти в натискнiй кришцi 3 орiентованi однакови-ми полюсами до полюшв магнiтiв ротора 8, вони через магштне поле вiдштовхують ротор i тим самим змушують його вертикально змiщатися вниз, поки не буде пройдено весь робочий хщ натискно! кришки 4. У крайньо-му нижньому положеннi, коли натискна кришка 1 лежить на корпус 7, на неодимовi магшти ротора 8 буде дiяти максимальне магштне зусилля вщ неодимових магнтв у ко-рпусi 10, яю також орiентованi однаковими полюсами до полюшв неодимових магнiтiв ротора 8 та будуть вщштовхувати ротор угору. Таким чином, неодимовi магшти у натис-кнiй кришщ 3 та неодимовi магнiти в корпус 10 використовуються як демпферш пружини. Маючи механiчну iнерцiю, ротор буде коли-ватися мiж неодимовими магнатами в натис-кнiй кришщ 3 та неодимовими магнатами в корпус 10, як мiж демпферними пружинами. При зшманш ноги з пристрою генерування електрично! енергi! пружини 5 повертають натискну кришку 1 в початкове положення, що збшьшуе промiжок робочого ходу натис-кно! кришки 4, тим самим створюючи умови для перемщення неодимових магнiтiв ротора 8 угору, бо сила магштного тиску вщ неодимових магнiтiв у корпус 10 стае бiльшою, нiж вщ неодимових магнiтiв у натискнiй кришщ 3. Зворотно-поступальний рух ротора наводить в обмотках котушок статора (К1...К3) 9 змiнний електричний струм. Обмотки статора 2 з'еднаш мiж собою та пщк-люченi до електричного випрямляча 11 (рис. 3), iз затискачiв якого заряджаеться ем-нiсний нагромаджувач С - юнютор та через дiод УО-акумуляторна батарея GB. Вимикач S включае свгтлодюдне навантаження HL до
електричного кола акумуляторно! батаре! GB.
Таким чином, запропонована енергогенерую-ча плитка дозволяе суттево зменшити склад-нють, габарити i собiвартiсть, порiвняно з ю-нуючими аналогами, за рахунок використання ротора, виконаного iз сущльних неодимових магнiтiв, а як демпферш пружини - плоских неодимових магнтв, орiентованих однаковими полюсами до полюсв ротора, й за рахунок того, що однаковi кшщ обмоток статора з'еднаш мiж собою i через електричний ви-прямляч проводиться заряд юнютора та аку-муляторно! батаре!. Усе це дозволило не за-стосовувати у конструкцп лiнiйного електрогенератора додаткових складних ме-ханiзмiв, спещальну рiдину та герметичне об-ладнання для забезпечення його роботи.
Також як основний елемент, що перетворюе кшетичну енергiю в електричну, може вико-ристовуватися електричний двигун (ДПС або кроковий двигун). У такому разi необхщно передбачити спецiальний редуктор, який пе-ретворюе лiнiйне перемiщення у кругове та пiдвищуе кутову швидюсть обертання ротора двигуна [17].
Висновки
Проведено аналiз публiкацiй щодо аналопв запропоновано! енергогенеруючо! плитки.
Виконано детальнi дослiдження щодо будови енергогенеруючо! плитки як альтернативного та децентралiзованого джерела електрично! енергп.
Запропоновано, детально розглянуто та описано принцип дi! енергогенеруючо! плитки як альтернативного та децентралiзованого джерела електрично! енерги.
Запропонована енергогенеруюча плитка мо-же бути використана як альтернативне дже-
рело електрично! енерги у мюцях з великою прохщнютю людей.
Лггература
1. Транспортна iнфраструктура / Матерiали
сайту. - 2016. - Режим доступу:
http://bagrationovsk.gov39.ru/about/transp
ortnaya-infrastruktura.
2. Гнатов А.В. Малопотужна система енер-
гозбереження та генераци електрично! енерги для транспортних засобiв / А. В. Гнатов, Щ. В. Аргун // Сучасш енергетичнi установки на транспорт i технологи та обладнання для !х обслу-говування: 7-ма Мiжнародна науково-практична конференцiя СЕУТТОО-2016. Херсон, Укра!на 22-23 вересня 2016 р. - 2016. - №263. - С. 56-57.
3. Xiaofeng Li Modelling piezoelectric energy
harve sting potentialinan educational building / Xiaofeng Li, V. Strezov // Energy Conversionand Management. -2014. - September. - Р.435-442.
4. Пат. 2 482 568 России, H01L 41/11. Сбор
энергии с дорог и взлетно-посадочных полос / Абрамович Х., Хараш Е.; заявитель и патентообладатель ИННОВАТЕК ЛТД. - заявл. 20.03.2012; опубл. 20.05.2013.
5. Pat. US D712,822 S United States. Solar
Roadway Panel / Brusaw S., Brusaw J. -Declared 19.04.2013; Publ. 9.09.2014.
6. Welcome to Solar Roadways. 2016.
Available online: http: // www. solarroadways.com.
7. How 'Solar Roadways' plans to create smart
roads to produce clean energy and save lives and money. / Матерiали сайту -2014. - Режим доступу: http: // www. techrepublic. com/article/how-solar-roadways-plans-to-create-smart-roads-to-produce-clean-energy-and-save-lives-and-money/.
8. Пат. 2499350 России, H02N. Пьезоэлект-
рический генератор постоянного тока на основе эффекта Казимира / В.Р. Ской; заявитель и патентообладатель Ской В.Р. - заявл. 19.03.2012; опубл. 20.11.2013.
9. Shalabh R.B. Converting sound energy to
electric energy /R.B. Shalabh // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. - 2012, October. -Vol. 2, Issue 10.
10. Xinyu Xue, Sihong Wang. Hybridizing Energy Conversion and Storagein a Mechanical-to-Electrochemical Processfor Self-Charging Power Cell. Nano Letters, 2012.
11. L. Liu, H. Lim, W.Y. Lu, Y. Qiao. Mechanical-to-Electric Energy Conversionby Mechanically Driven Flow of Electrolytes Confinedin Nanochannels, Appl. Phys. Express 6, (2013).
12. Преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию / Л. С. Лунин // Журнал технической физики. -2013. - Т. 83, № 11. - С. 72-77.
13. Cafiso Salvatore; Cuomo M. Experimental Analysis for Piezoelectric Transducers Applicationsinto Roads Pavements. Advanced Materials Research 684. - 2013. - Р.253-257.
14. P. Kumarand D. Kumar. Palwalia Decentralized Autonomous Hybrid Renewable Power // Generation Journal of Renewable Energy. - 2015. - 18 p. Article ID 856075.
15. Пат. 106587 Укра!ни, H02K 7/00, H02K
7/12, H02K 35/00, H02K 35/02 Пристрш генерування електрично! енерги / Гнатов А. В., Аргун Щ. В., Гнатова Г. А.; заявник та патентовласник Харювський нац. автом.-дорожн. ун.-т. - № u 2015 11853; заявл. 30.11.2015; опубл. 25.04.2016, Бюл. № 8.
16. Пат. 106588 Укра!ни, H02K 7/12, H02K 35/02 Спосб генерування електрично! енерги вщ кроюв людського потоку / Гнатов А. В., Аргун Щ. В., Гнатова Г. А.; заявник та патентовласник Хар-ювський нац. автом.-дорожн. ун.-т. - № u 2015 11854; заявл. 30.11.2015; опубл. 25.04.2016, Бюл. № 8.
17. Гнатов А. В. Теорiя електроприводу: Ч. 1. Мехашчш характеристики електроприводу постшного та змшного струму / А. В. Гнатов, В. I. Калмиков. - Х. : ХНАДУ, 2009 - 156 с.
References
1. Transportnaya infrastruktura [Materlali saytu]. 2016. Avaliable at: http:// bagrationovsk.gov39.ru/about/transportnay a-infrastruktura.
2. Gnatov A. V., Argun Sch. V. Malopo-tuzhna sistema energozberezhennya ta generatsiyi elektrichnoyi energiyi dlya transpor-tnih zasobIv. 7-ma Mizhnarodna
naukovo-praktichna konferentsIya [Low-power system for energy saving and electric power generation for vehicles. 7th International Scientific and Practical Conference] Herson: Hersonska derzhavna morska akademlya, 2016. 263. pp. 56-57.
3. Xiaofeng Li, Vladimir Strezov. Modelling piezoelectric energy harve sting potentialinan educational building. Energy Conversionand Management. September 2014.pp. 435-442.
4. Abramovich H., Harash E. Sbor energii s dorog i vzletno-posadochnyih polos [Collection of energy from roads and runways] Patent Ros. 2 482 568, 2013.
5. Pat. US D712,822 S United States. Solar Roadway Panel / Brusaw S., Brusaw J. Declared 19.04.2013; Publ. 9.09.2014.
6. Welcome to Solar Roadways. 2016. Available online: http: // www. solarroadways.com.
7. How 'Solar Roadways' plans to create smart roads to produce clean energy and save lives and money. [Materlali saytu]. 2014. Avaliable at: http://www.techrepublic. com/article/how-solar-roadways-plans-to-create-smart-roads-to-produce-clean-energy-and-save-lives-and-money/.
8. Skoy V.R. Pezoelektricheskiy generator postoyanno-go toka na osnove effekta Kazimira [Piezoelectric DC generator based on the Casimir effect] Patent Ros. 2499350, 2013.
9. Shalabh R.B. Converting sound energy to electric energy. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2012. October, vol. 2, iss. 10.
10. Xinyu Xue, Sihong Wang. Hybridizing Energy Conversion and Storagein a Mechanical-to-Electrochemical Processfor Self-Charging Power Cell. Nano Letters, 2012.
11. L. Liu, H. Lim, W.Y. Lu, Y. Qiao. Mechanical-to-Electric Energy Conver-
sionby Mechanically Driven Flow of Electrolytes Confinedin Nanochannels, 2013. Express 6, Appl. Phys.
12. Lunin L. S. Preobrazovanie tepla okru-zhayuschey sredyi v elektricheskuyu energiyu [Converting the heat of the environment to electrical energy] Zhurnal tehnicheskoy fiziki. 2013. vol. 83, no. 11. pp.72-77.
13. Cafiso Salvatore; Cuomo M. Experimental Analysis for Piezoelectric Transducers Applicationsinto Roads Pavements. Advanced Materials Research 684. 2013. pp.253-257.
14. P. Kumarand D. Kumar. Palwalia Decentralized Autonomous Hybrid Renewable Power Generation Journal of Renewable Energy, 2015, 18 p. Article ID 856075.
15. Gnatov A. V., Argun Sch. V., Gnatova G. A. Prystriy heneruvannya elektrychnoyi enerhiyi [Electricity generation device]. Pat. UA 106587, 2016.
16. Gnatov A.V., Argun Sch.V., Gnatova G.A. Sposib heneruvannya elektrychnoyi enerhiyi vid krokiv lyuds'koho potoku [The method of generating electric energy from the steps of the human stream]. Pat. UA 106588, 2016.
17. Gnatov A.V., Kalmykov V. I. Teoriya elekt-ropryvodu: Ch. 1. Mekhanichni kha-rakterystyky elektropryvodu postiynoho ta zminnoho strumu [The theory of the electric drive: Ch. 1. Mechanical characteristics of the electric drive of the direct and alternating current]^ Kharkov, KhNADU Publ., 2009. 156 p.
Рецензент: О.В. Бажинов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
