CC BY
18
УДК 629.341 D01:10.30977/BUL.2219-5548.2018.81.0.29
ВИБ1Р СХЕМИ ТЕХНИЧНОГО Р1ШЕННЯ ЕНЕРГОГЕНЕРУЮЧО1
СХОДИНКИ
Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Дзюбенко О.А., ХНАДУ
Анотаця. На цей час нагальною е проблема енергозбереження та енергоефективност1. Одним 3i шлях1в гг виршення е впровадження р1зного роду систем та пристрогв, як виконують функ-ц1ю енергозбереження i здатш самi генерувати певну кшьюсть енергп. Проведено до^дження схемотехтчних ршень енергогенеруючог сходинки, що перетворюе ктетичну енергт в елект-ричну. Виконано експериментальну апроба^ю вибраного ршення. Показано, що одна сходинка здатна згенерувати 6,8 кВтгод потужностi електроенергИ' при 10 тис. натискань на нег.
Ключов1 слова: енергогенеруюча сходинка, перетворення електричног енергИ', альтернативне джерело енергИ, енергозбереження, енергоефективш технологи.
Вступ
Питання енергоефективносп та збережен-ня електроенерги на цей час набули неаби-яко! актуальности Одним зi шляхiв 1х вирь шення е впровадження рiзного роду систем та пристро!в, яю не тшьки виконують функ-цш енергозбереження, а ще i здатш генерувати певну кшьюсть енергп для подальшого 11 використання [1, 2].
У данш роботi представлено дослщження щодо проблеми енергозбереження та енерго-ефективностi в мiсцях, де е велика прохщ-нiсть людей. За основну щею роботи покла-дено методи та способи перетворення юне-тично! енергп вiд натискання в електричну енерпю. Пропонуеться розглянути деюлька схемних рiшень щодо конструкцп енергоге-неруючо! сходинки, дослiдити 1х принцип ди та обрати найбшьш ефективне рiшення. За-стосування подiбного роду пристро1в та систем перетворення юнетично! енерги в електричну дозволить згенерувати необхщну кшьюсть електроенерги, яка забезпечить систему електроживлення додатковими малопотуж-ними джерелами живлення. Це дозволить бшьш ефективно проводити розподш електроенерги за потужнютю, провести збалансу-вання системи електроживлення за потужш-стю споживання та впровадити сучасш енер-гоефективнi заходи щодо збереження електроенерги [3].
Аналiз публжацш
Велика частина робiт, що представлена у науково-техшчнш перiодицi стосовно теми дано1 роботи, присвячена питанням розробки та дослщження систем та пристро1в принцип ди яких оснований на п'езоелектричному ефекп [4-8]. У цих роботах розглядаються
pÍ3HÍ конструкцп пристро!в, дослiджуються процеси збору електрично! енергп тд час !х роботи, наводиться обгрунтування використання п'езоелектричних перетворювачiв. До недолiкiв цих систем та пристро!в можна вiднести !х малу надшнють, що зумовлено використанням п'езокерамши, i досить висо-ку щну. Також слiд зазначити, що таю при-стро! розрахованi на значну натискну силу та можуть бути встановлеш лише на автомобь льних дорогах [6, 8].
Розробка «Solar Roadway Panel», запропо-нована винахщниками iз США, перетворюе енергiю сонця в електричну, встановлюеться на звичайних автомобшьних дорогах загаль-ного користування та, об'еднуючись у систему «Розумна дорога», являе собою альтернативне та децентралiзоване джерело живлення [9, 10]. У порiвняннi з ршеннями, що пропонуються в цш роботi, «Solar Roadway Panel» потребують сонячного освiтлення та можуть бути встановлеш лише на вщкрито-му простора Також слiд зазначити, що для впровадження ще! розробки необхщне повне переобладнання як само! дороги, так i вше! шфраструктури.
У статп [11] розглядаеться можливють отримання електрично! енергп' шляхом !! перетворення з енергп звукових хвиль та шляхом використання п'езоелектричних елемен-rá, а в робот [12] пропонуеться поеднати процеси перетворення мехашчно! енерги в електричну з !! накопиченням. Але автори цих робгг не вказують експлуатацiйних та технiчних характеристик !х розробок.
Поданий аналiз показуе, що проблема перетворення рiзних видiв енергп в електричну е актуальною та нагальною, про що свщчить велика кшьюсть дослщжень у цьому напрямг
Мета i постановка завдання
Метою роботи е дослiдження схем техш-чних рiшень щодо розробки енергогенерую-чо! сходинки, що перетворюе кшетичну ене-ргiю в електричну, та експериментальна ап-робацiя обраного ршення.
Для досягнення поставлено! мети необ-хiдно вирiшити такi завдання:
- провести аналiз лiтературних джерел щодо методiв та способiв перетворення рiз-них видiв енерги в електричну;
- проаналiзувати схеми технiчних ршень енергогенеруючо! сходинки, що перетворюе кшетичну енерпю в електричну;
- дослщити переваги та недолiки наявних схем техшчних рiшень щодо розробки енер-гогенеруючо1 сходинки;
- провести експериментальш дослщжен-ня обрано! схеми технiчного рiшення енергогенеруючо! сходинки.
Енергогенеруюча сходинка з лшшним електрогенератором
Найбшьш простим та очевидним ршен-ням представляеться конструкщя енергоге-неруючо! сходинки, що основана на принци-пi дi! лiнiйного електрогенератора. Суть за-
пропонованого пристрою пояснюеться схе-матичними кресленнями (рис. 1) [3, 13].
Енергогенеруюча сходинка з лшшним електрогенератором (рис. 1) мае корпус, в якому стввюно розмщеш ротор i статор, з можливютю !х вiдносного поступального перемiщення в однш площинi. При цьому статор виготовлений у виглядi обмотки, що охоплюе ротор. Ротор виконаний iз сущль-них неодимових магнiтiв, а як демпферш пружини використовуються плосю неодимо-вi магнiти, що орiентованi однаковими полюсами до полюав ротора. Однаковi кiнцi обмоток статора з'еднаш мiж собою та вихо-дять до електричного випрямляча, який ви-прямляе змшний струм та заряджае емнюний науопичувач - юнютор. Останнiй через дiод заряджае акумуляторну батарею, що через вимикач шдключаетъся до навантаження, наприклад, для низьковольтного живлення.
Розглянемо принцип роботи енергогене-руючо! сходинки з лшшним електрогенератором. Коли людина наступае на пристрш, його натискна кришка 1, що з'еднана герме-тичним з'еднанням з корпусом 6, починае рухатися вниз i тим самим забезпечуе роботу пристрою - лшшного електрогенератора (рис. 1, а).
1 2 3 4 5 6
б
Рис. 1. Енергогенеруюча сходинка з лшшним електрогенератором: а - конструкщя; б - схема електрична принципова: 1 - натискна кришка; 2 - статор; 3 - неодимовi магшти в натискнш кришщ; 4 - робочий хд натискно! кришки; 5 - пружини; 6 - герметичне з'еднання кришки з корпусом; 7 - корпус; 8 - неодимовi магшти ротора; 9 - обмотки котушок статора (К1-К3); 10 - неодимовi магшти в корпусу 11 - електричний випрямляч; С - емнюний накопичувач; УО - дюд; GB - акумуляторна батарея; S - вимикач; HL - свiтлодiодне навантаження
Завдяки тому, що неодимовi магшти в натис-кнiй кришцi 3 орiентованi однаковими полюсами до полюшв магнiтiв ротора 8, вони через магштне поле вщштовхують ротор й тим самим змушують його вертикально змщува-тися вниз, поки не буде пройдено весь робо-чий хд натискно! кришки 4. У крайньому нижньому положенш, коли натискна кришка 1 лежить на корпус 7, на неодимовi магнiти ротора 8 буде дiяти максимальне магнiтне зусилля вiд неодимових магнтв у корпусi 10, яю також орieнтованi однаковими полюсами до полюшв неодимових магнiтiв ротора 8 та будуть вщштовхувати ротор угору. Таким чином неодимовi магшти в натискнш кришцi 3 та неодимовi магнiти в корпус 10 використовуються як демпфернi пружини. Маючи механiчну iнерцiю, ротор буде коли-ватися мiж неодимовими магштами в натис-кнiй кришцi 3 та неодимовими магштами в корпус 10, як мiж демпферними пружинами. При зшманш ноги з пристрою генерування електрично! енерги, пружини 5 повертають натискну кришку 1 в початкове положення, що збiльшуe промiжок робочого ходу натискно! кришки 4, тим самим створюючи умови для перемщення неодимових магнтв ротора 8 угору, бо сила магштного тиску вщ неодимових магнтв у корпус 10 стае бшьшою, шж вiд неодимових магнiтiв у натискнш кришщ 3.
Зворотно-поступальний рух ротора наводить в обмотках котушок статора (К1...К3) 9 змшний електричний струм. Обмотки статора 2 з'еднаш мiж собою та пщключеш до електричного випрямляча 11 (рис. 1, б), iз затискачiв якого заряджаеться емнiсний на-копичувач С - юшстор та через дюд VD -акумуляторна батарея GB. Вимикач S вклю-чае свгглодюдне навантаження HL до електричного кола акумуляторно! батаре! GB.
Особливiстю запропонованого пристрою генерування електрично! енерги (з лiнiйним електрогенератором) е i те, що вiн мае малi ваго-габаритнi показники та може легко встановлюватися в мiсцях з великою кшьюс-тю пiшоходiв та щшьнютю людського потоку.
Енергогенеруюча сходинка з лшшним електрогенератором та п'езокерамжою
Даний пристрiй перетворення кiнетично! енерги вщ натискання в електричну оснований на попереднш схемi (рис. 1). Його вщ-мiннiсть полягае в тому, що в натискну кри-шку пристрою вбудовано п'езокерамiчнi елементи, електричний сигнал з яких при натисканнi також заряджае емнiсний накопи-чувач та акумуляторну батарею.
На рис. 2 показано конструкщю енергоге-неруючо! сходинки з лшшним електрогенератором та п'езокерамшою [14].
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 2. Конструкщя енергогенеруючо! сходинки з лшшним електрогенератором та п'езо-керамшою: 1 - натискна кришка; 2 - п'езоелектричш елементи; 3 - статор; 4 - неодимовi магшти в натискнш кришщ; 5 - робочий хщ натискно! кришки; 6 - пружини; 7 - герметичне з'еднання кришки з корпусом; 8 - корпус; 9 - неодимовi магшти ротора; 10 - обмотки котушок статора (К1-К3); 11 - неодимовi магшти в корпус
Розглянемо принцип роботи енергогене-руючо! сходинки з лiнiйним електрогенера-тором та п'езокерамшою. Принцип роботи цього пристрою е щентичним попередньому схемотехшчному рiшенню (рис. 1), але мае одну вщмшнють, яка проявляеться в тому, що перетворення кшетично! енерги в електричну вiдбуваеться по двох каналах. При натискан-нi на натискну кришку 1, додатково до про-цесу, що описаний по схемi рис. 1, вбудованi в нш п'езоелектричнi елементи 2 генерують iмпульс електрично! енерги, яка через елект-ричний випрямляч 11 (рис. 1, б) накопичу-
8
еться в емнюному накопичувачi С. Отже, дана конструкщя дозволяе бiльш ефективно виконувати перетворення кшетично! енергп вiд натискання в електричну.
Енергогенеруюча сходинка з електричною машиною обертального типу
Цей пристрш за принципом дп вщносить-ся до електричних генераторiв, що перетво-рюють кiнетичну та мехашчну енергiю обер-тання в електричну. Суть запропонованого пристрою пояснюеться схематичними крес-леннями (рис. 3) [15].
1 2
7
Рис. 3. Конструкщя енергогенеруючо! сходинки з електричною машиною обертального типу: 1 - натискна кришка; 2 - рейка приводу електрогенератора; 3 - пружини; 4 - герметичне з'еднання кришки з корпусом; 5 - корпус; 6 - електрична машина (електрогенератор); 7 -шестерня приводу електрогенератора; 8 - робочий хщ натискно! кришки
Вказаний пристрш, як i два попередшх, мае корпус з натискною кришкою, всередиш якого сшввюно розмщеш ротор i статор, з можливютю ротора обертатися в магштному полi статора. Однаковi кшщ обмоток статора з'еднанi мiж собою та виходять до електрич-ного випрямляча, який випрямляе змшний струм та заряджае емнюний накопичувач -юнютор, який через дiод заряджае акумуля-торну батарею. Остання, через вимикач, тд-ключаеться до навантаження. Ротор електро-генератора виконано у виглядi ротора електрично! машини з неодимовими магштами, що обертаеться вщносно свое! осi вiд дп рейки приводу електрогенератора, яка жорстко з'еднана з натискною кришкою.
Розглянемо принцип роботи енергогене-руючо! сходинки з електричною машиною обертального типу. При виконанш натискання на енергогенеруючу сходинку з електричною машиною обертального типу, !! натискна кришка 1, що з'еднана герметичним з'еднанням кришки з корпусом 4, починае
рухатися вниз (рис. 3), тим самим перемщуе рейку приводу електрогенератора 2, яка сво-!ми зубцями зчеплена з шестернею приводу електрогенератора 7. Рейка приводу електро-генератора 2 перемщуеться вниз на весь робочий хщ натискно! кришки 8, поки натискна кришка 1 не ляже на корпус 5, i тим самим обертае шестерню приводу електрогенерато-ра 7, яка жорстко кршиться на валу ротора електрогенератора 6. Ротор електрогенерато-ра виконано у виглядi ротора електрично! машини з неодимовими магштами, що обертаеться вщносно свое! ош та наводить ЕРС в обмотках статора електрогенератора 6. Коли завершуеться натискна дiя (наприклад, зш-маеться ного з натискно! кришки 1) пружини 3 повертають натискну кришку 1 в початкове положення, а ротор електрогенератора пщ дiею рейки приводу електрогенератора 2 через шестерню приводу електрогенератора 7 починае обертатися у зворотному напрямку, що наводить ЕРС в обмотках статора з вщ'емним значенням. Обмотки статора елек-
трогенератора шдключеш до електричного випрямляча 11 (рис. 1, б). При наведенш ЕРС по обмотках починае протшати змшний еле-ктричний струм, шсля його випрямлення на електричному випрямляч1 11, вш заряджае емнюний накопичувач С - юшстор та через дюд VD акумуляторну батарею GB. Вимикач S вмикае електроживлення до навантаження НК
Таким чином, запропонована конструкщя енергогенеруючо! сходинки з електричною машиною обертального типу дозволяе збшь-шити ефективнють перетворення енерги вщ натискання в електричну за рахунок викори-стання електромехашчного перетворювача енерги на баз1 електрично! машини з оберта-льним ротором. При цьому габаритш показ-ники пристрою залишаються такими ж, як { у попередшх конструкщях.
Енергогенеруюча сходинка з
електричною машиною обертального типу та мультиплжатором
Як { в попередньому випадку (рис. 3), цей пристрш за принципом ди вщноситься до електричних генератор1в, що перетворюють кшетичну та мехашчну енерпю обертання в електричну, (рис. 4) [16].
Пропонуеться електромехашчний пристрш перетворення кшетично! енерги в елек-
9
тричну з електрогенератором, що мае корпус з натискною кришкою, в якому сшввюно ро-змщеш ротор 1 статор, з можливютю !х пе-ремщення один вщносно одного (рис. 4, а). При цьому однаков1 кшщ обмоток статора з'еднаш м1ж собою та виходять до електричного випрямляча, вихщш затискач1 якого шд'еднаш до емнюного накопичувача - юш-стора. Останнш через дюд заряджае акумуляторну батарею, що через вимикач тдклю-чаеться до навантаження (рис. 4, б). Ротор електрогенератора обертаеться вщносно свое! ос пщ д1ею рейки приводу електрогенера-тора через цилшдричний мультиплшатор, що пщвищуе кутову швидюсть обертання.
Розглянемо принцип роботи енергогене-руючо! сходинки з електричною машиною обертального типу та мультиплшатором. Принцип ди запропонованого пристрою пояс-нюеться схематичними кресленнями (рис. 4) [16]. При натисканш на електромехашчний пристрш перетворення кшетично! енерги в електричну з мультиплшатором, його натис-кна кришка 1 (рис. 4, а), що з'еднана герме-тичним сполученням кришки з корпусом 4, починае рухатися вниз пщ д1ею сили натис-кання, тим самим перемщуючи рейку приводу електрогенератора 2, яка сво!ми зубця-ми зчеплена з шестернею приводу електро-генератора 8.
1 2
( 6 >
б
Рис. 4. Конструкщя енергогенеруючо! сходинки з електричною машиною обертального типу та мультиплшатором: а - конструкщя пристрою; б - схема електрична принципова пристрою: 1 - натискна кришка; 2 - рейка приводу електрогенератора; 3 - пружини; 4 - герметичне з'еднання кришки з корпусом; 5 - корпус; 6 - електрична машина (електрогенератор); 7 -мультиплшатор; 8 - шестерня приводу електрогенератора; 9 - робочий хщ натискно! криш-ки;10 - електричний випрямляч; С - емнюний накопичувач; VD - дюд; GB - акумуляторна батарея; S - вимикач; Ъ - навантаження
5
8
а
Ъ
7
Рейка приводу електрогенератора 2 пере-мщуеться вниз на весь робочий хщ натиск-но! кришки 9, поки натискна кришка 1 не ляже на корпус 5, i тим самим обертае шестерню приводу електрогенератора 8, яка жо-рстко кршиться на валу ротора електрично! машини 6 та мультиплшатора 7. Мультипль катор 7 призначений для збшьшення кутово! швидкостi обертання ротора електрично! машини 6.
Ротор електрогенератора, обертаючись вь дносно свое! ош, наводить ЕРС в обмотках статора електрично! машини 6. При зшманш ноги з електромехашчного пристрою перет-ворення кшетично! енергi! в електричну, пружини 3 повертають натискну кришку 1 в початкове положення, а ротор електрогене-ратора, тд дiею рейки приводу електрогене-ратора 2 через шестерню приводу електроге-нератора 8, починае обертатися у зворотному напрямку i наводить ЕРС в обмотках статора з вщ'емним значенням. Обмотки статора електрогенератора шдключеш до електрич-ного випрямляча 10 (рис. 4, б). При наведен-ш ЕРС по обмотках починае протшати змш-ний електричний струм, а тсля його випрям-лення на електричному випрямлячi 10, вiн заряджае емнюний накопичувач С - юшстор та через дiод VD - акумуляторну батарею GB. Вимикач S вмикае електроживлення до навантаження 2.
Таким чином, запропонована конструкцiя енергогенеруючо! сходинки з електричною машиною обертального типу та мультиплша-тором дозволяе збшьшити ефективнiсть пере-творення енергп вiд натискання в електричну за рахунок використання електромеханiчного перетворювача енергп на базi електрично! машини. При цьому габаритш показники пристрою залишаються такими ж, як i у поперед-нiх схемах (рис. 1-3).
Аналiз схемних р1шень
Найбiльш простим та зрозумiлим, як у планi технiчно! реалiзацi!, так i з точки зору фiзичних процесiв, що протiкають, представ-ляеться перше з наведених схемних ршень (рис. 1). Але слiд зазначити, що для його ефе-ктивно! роботи повиннi буди досить рiзкi на-тискання. Це очевидно з принципу його робо-ти [17]. Комбiнування в одному пристро! двох джерел перетворення кшетично! енергп вщ натискання в електричну, що запропоновано у пристро! «Енергогенеруюча сходинка з ль нiйним електрогенератором та п'езокера-мшою» (рис. 2), призведе до тдвищення
ефективностi процесу, як перетворення енергп, так i !! генерацi!, але використання п'езо-керамiки (п'езогенераторiв) призводить до значного подорожчання самого пристрою. Це зумовлено як наявнютю додаткових перетво-рювачiв енергi!, так i систем електроживлення та управлшня цими системами. Також слщ вiдзначити фактор невелико! надшносп п'езокерамiки, тобто !! нездатнiсть працюва-ти тривалий час в умовах постшного фiзич-ного навантаження [18]. Отже, як з економiч-но! точки зору, так i з позицi! тривало! безвщ-мовно! роботи, до друго! схеми е певш засте-реження.
Енергогенеруючi сходинки, що основан на принципi дп електричних машин з обертан-ням ротора, е бшьш ефективними з точки зору перетворення кшетично! та мехашчно! енергп обертання в електричну. Вартють i надiйнiсть малопотужних електромашинних генераторiв також е прийнятними. Це обумовлено трива-лим (майже двохсотрiчним) !х використанням у промисловостi та побуп, а отже !х масовим виробництвом та поширенням майже у вс сфери життя та дiяльностi людства. Це все привело до !х вдосконалення та забезпечення досить добрих показниюв надiйностi i ККД
[19].
Пристрш «Енергогенеруюча сходинка з електричною машиною обертального типу» (рис. 3) - це безпосереднш аналог динамо-машини [20], мехашчний привод яко! здшс-нюеться вiд рейки приводу iз зубчастою передачею моменту дп. Оскiльки хiд натискно! кришки у запропонованих енергогенеруючих сходинках, через необхщнють забезпечення комфорту та зручносп людей, повинен бути не бшьше 10 мм, то перетворення лшшного перемiщення в обертання буде мати малi кiн-цевi показники. Природньо, що для покра-щення цих показникiв необхiдно ввести дода-тковий елемент - мультиплшатор (редуктор). Використовуючи мехашчш мультиплiкатори з передатними числами вщ 1:2 до 1:10, можна значно пiдвищити ефективнiсть пристрою та збшьшити кшцевий показник генерацi! елект-роенергi!.
Зрозумiло, що можна збшьшити передатне число мультиплшатора, але слщ прораховува-ти ККД процесу перетворення енергп i ККД ланок передачi енергi! та крутного моменту в ньому. Також вибiр механiчного мультиплша-тора та його передатного числа залежить вiд конструктивних особливостей енергогенеру-ючо! сходинки та вщ потужностi електрома-шинного перетворювача [21]. Отже, найбшьш
привабливим та ефективним е пристрш «Ене-ргогенеруюча сходинка з електричною машиною обертального типу та мультиплшатором» (рис. 4).
Експериментальна перевiрка
Для перев1рки працездатносн енергогенеруючо! сходинки, виконано! за схемою техш-чного ршення (рис. 4), було виготовлено один елемент експериментального зразка та-ко! сходинки (рис. 5) та проведено цикл екс-периментальних дослщжень.
Рис. 5. Експериментальний зразок енергоге-неруючо! сходинки: 1 - натискна кришка; 2 - електрична машина (електрогенера-тор); 3 - корпус; 4 - мультиплшатор; 5 -рейка приводу електрогенератора
На рис. 6 подано типовий графш згенеро-вано! потужиосн вщ часу при здшсненш одного натискання на елемент експерименталь-ного зразка пристрою. Перша натвхвиля вщ-повщае процесу натискання, друга - зшманню навантаження з натискно! кришки енергоге-неруючо! сходинки.
1нтегрування отриманих графтв (рис. 6) дало змогу визначити, що за 1 натискання (вь дповщае 1 натискному кроку) було згенерова-но 0,17 Вт-год. Отже, розроблений елемент енергогенеруючо! сходинки при здшсненш на нього 1000 кроюв згенеруе 170 Вт-год. Якщо енергогенеруюча сходинка буде складатися з 4 таких елеменпв, то вона згенеруе 680 Вт-год, а при 10 000 кроках - 6,8 кВт-год.
Кшьюсть елеменпв в одному такому при-стро! визначаеться техшчними умовами його встановлення та мюцем розташування.
За наявносп 10 таких пристро!в з кшьюстю натискань ~ 10 тис. за один день можна отри-мати ~ 68 кВт-год згенеровано! електрично! енерги.
Таким чином, створюються умови частко-во! або повно! замши централ1зованого елект-роживлення (на освгглення територи, примь щень, коридор1в, зал1в, хол1в тощо) децентра-л1зованим еколопчним джерелом енерги.
Р, Вт
12345678 9 10111213141516171819202122232425262728293031323334353637
-► I
Рис. 6. Графш вим1рювання зненеровано! потужносп при одному натисканш на один елемент енергогенеруючо! сходинки (вщстань м1ж точками вим1ру на ос абсцис становить 10 мс)
Запропонована енергогенеруюча сходинка може бути використана як альтернативне джерело електрично! енерги у мюцях з великою прохщнютю людей. Встановлення таких енергогенеруючих сходинок приведе до ско-рочення витрат на електроживлення та еко-номи кошт1в за спожиту електроенерпю.
Висновки
Проведен! дослщження дозволили сфор-мулювати наступш висновки:
- проведено анал1з публшацш щодо ме-тод1в та способ1в перетворення р1зних вид1в енерги в електричну;
- проанал1зовано схеми техшчних ршень щодо розробки енергогенеруючо! сходинки, що перетворюе кшетичну енерпю в електричну. Дослщжено !х переваги та недолши;
- проведено експериментальш досль дження обраного вар1анта схеми техшчного ршення енергогенеруючо! сходинки;
- проведен! розрахунки показали, що за наявносп 10 таких пристро!в з кшьюстю натискань ~ 10 тис. за один день можна отри-мати ~ 68 кВт-год згенеровано! потужност! електрично! енерг!!.
Лггература
1. Гнатов А.В. Енергозберiгаючi технологи на транспорт - новггня спецiальнiсть для освiтньо-квалiфiкацiйного рiвня ма-ricTp / А.В. Гнатов, Щ.В. Аргун, О.А. Ульянець // Синергетика, мехатро-нiка, телематика дорожнiх машин i систем у навчальному процес та науцi: зб. наук. пр. за матерiалами Мiжнарод-но! науково-практично! конференцп, 16 березня 2017 р., м. Харюв. - 2017. -С.23-28.
2. Практичний пошбник з енергозбережен-ня для об'екпв промисловостi, будiвни-цтва та житлово-комунального госпо-дарства Укра!ни. - Луганськ: Мiсячне сяйво, 2009. - 696 с.
3. Пат. 106587 Украши, H02K 7/00, H02K 7/12, H02K 35/00, H02K 35/02 Пристрш генерування електрично! енергп / Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Гнатова Г.А.; зая-вник та патентовласник Харювський нац. автом.-дорожн. ун.-т, Гнатов А.В. -№ u 2015 11853 заявл. 30.11.2015; опубл. 25.04.2016, Бюл. № 8.
4. Pavegen: Using the Pavement to Generate Energy // Матерiали сайту - 2014. - Режим доступу: https: //landarchs.com/ pavegen-pavement/.
5. Xiaofeng Li. Modelling piezoelectric energy harvesting potential in an educational building. Energy Conversion and Management / Xiaofeng Li , Vladimir Strezov. - September, 2014. - С. 435-442.
6. Пат. 2 482 568 Роси, H01L 41/11. Сбор энергии с дорог и взлетно-посадочных полос / Абрамович Х., Хараш Е. и др.; заявл. 20.03.2012; опубл. 20.05.2013.
7. Пат. 2499350 Роси, H02N. Пьезоэлектрический генератор постоянного тока на основе эффекта Казимира / Ской В.Р.; заявл. 19.03.2012; опубл. 20.11.2013.
8. Cafiso Salvatore; Cuomo M. Experimental Analysis for Piezoelectric Transducers Applications into Roads Pavements. Advanced Materials Research 684: 253257. (2013).
9. Welcome to Solar Roadways. 2016. Available online: http://www.solarroadways.com.
10. Pat. US D712,822 S United States. Solar Roadway Panel / Brusaw S., Brusaw J. -Declared 19.04.2013; Publ. 9.09.2014.
11. Shalabh R.B. Converting sound energy to electric energy / R.B. Shalabh // International Journal of Emerging Technology and
Advanced Engineering. - Vol. 2, Issue 10, October 2012.
12. Xinyu Xue. Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell / Xinyu Xue, Sihong Wang. Nano Letters, 2012.
13. Пат. 106588 Украши, H02K 7/12. Cnoci6 генерування електрично! енергп вщ кроюв людського потоку / Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Гнатова Г.А.; заявник та патентовласник Харювський нац. автом.-дорожн. ун.-т., Гнатов А.В. -№ u 2015 11854 заявл. 30.11.2015; опубл. 25.04.2016, Бюл. № 8.
14. Пат. 121489 Укра!ни, H02K 7/00, H02K 7/12. Пристрш перетворення кшетично! енергп в електричну / Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Дзюбенко О.А; заявник та патентовласник Харювський нац. автом.-дорожн. ун.-т, Гнатов А. В. - № u 2017 05463; заявл. 02.06.2017; опубл. 11.12.2017, Бюл. №23.
15. Пат. 121491 Укра!ни, H02K 7/00, H02K 7/12, H02K 35/00, H02K 35/02. Електро-мехашчний пристрш перетворення кше-тично! енергп в електричну / Гнатов А.В., Аргун Щ.В.; заявник та патентов-ласник Харювський нац. автом.-дорожн. ун.-т., Гнатов А. В. - № u 2017 05465; заявл. 02.06.2017; опубл. 11.12.2017, Бюл. №23.
16. Пат. 121490 Укра!ни, H02K H02K 7/00. Електромехашчний пристрш перетворення кшетично! енергп в електричну з мультиплшатором / Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Дзюбенко О.А; заявник та патентовласник Харювський нац. автом.-дорожн. ун.-т., Гнатов А. В. - № u 2017 05464; заявл. 02.06.2017; опубл. 11.12.2017, Бюл. №23.
17. Электротехника и электроника: в 3-х кн. / под ред. В.Г. Герасимова. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Высшая школа. -2007.
18. Shenck N.S. Energy scavending with shoe-mounted piezoelectric / N.S. Shenck, J.A. Paradiso // IEEE Micro. May-June. - 2001. - Vol. 21, no. 3.
19. Гольдберг О.Д. Надежность электрических машин: учебник / О.Д. Гольдберг, С.П. Хелемская. - М.: Академия, 2010. -288 с.
20. Шенфер К.И. Динамомашины и двигатели постоянного тока: учебник для
энергетических втузов / К.И. Шенфер. -5-е изд., перераб. и доп. - М.-Л.: Объединенное научно-техническое издательство. Главная редакция энергетической литературы, 1937. - 436 с.
21. Анфимов М.И. Редукторы. Конструкции и расчет / М.И. Анфимов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993. - 463 с.
References
1. Hnatov, A.V., Arhun, Shch.V., Ul'ya nets, O.A. (2017). Enerhozberihayuchi tekhnolohiyi na transpo-rti - novitnya spetsial'nist' dlya osvitn'o-kvalifikatsiynoho rivnya mahistr [Energy-saving technologies in transport - the newest specialty for the educational-qualification level of the master] // Synerhetyka, mekhatronika, telematyka dorozhnikh mashyn i system u navchal'nomu protsesi ta nautsi: zbirnyk naukovykh prats za materialamy mizh-narodnoyi naukovo-praktychnoyi konfe-rentsiyi, 16 March 2017 р., Kharkiv: KhNADU, 209, 23-28 [in Ukraian].
2. Praktychnyy posibnyk z enerhozbere-zhennya dlya obyektiv promyslovosti, budivnytstva ta zhytlovo-komunal'noho hospodarstva Ukrayiny [Practical guide to energy saving for the objects of industry, construction and housing and communal services of Ukraine]. Luhans'k: Misyachne syayvo, 2009, 696 [in Ukraian].
3. Pat. UA 106587 Hnatov A.V., Arhun Shch.V., Hnatova H. A. Prystriy hene-ruvannya elektrychnoyi enerhiyi [Electric power generation device] no. u201511853 zayavl. 30.11.2015; opubl. 25.04.2016, Byul. no. 8.
4. Pavegen: Using the Pavement to Generate Energy. Retrieved from: https://landarchs.com/pavegen-pavement/.
5. Xiaofeng Li, Vladimir Strezov. (2014). Modelling piezoelectric energy harvesting potential in an educational building. Energy Conversion and Management. September, 435-442.
6. Pat. RF 2 482 568 Abramovich H., Harash E. Sbor energii s dorog i vzletno-posadochnyih polos [Collection of energy from roads and runways], zayavl. 20.03.2012; opubl. 20.05.2013.
7. Pat. RF 2499350 Skoy V. R. Pezoelektri-cheskiy generator postoyannogo toka na osnove effekta Kazimira [Piezoelectric DC
generator based on the Casimir effect] zayavl. 19.03.2012; opubl. 20.11.2013.
8. Cafiso Salvatore; Cuomo M. (2013). Experimental Analysis for Piezoelectric Transducers Applications into Roads Pavements. Advanced Materials Research 684, 253-257.
9. Welcome to Solar Roadways (2016). Retrieved from: http://www.solarroadways.com.
10. Pat. US D712,822 S United States. Solar Roadway Panel / Brusaw S., Brusaw J. -Declared 19.04.2013; Publ. 9.09.2014.
11. Shalabh, R.B. (2012). Converting sound energy to electric energy // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2, 10.
12. Xinyu, Xue, Sihong, Wang (2012). Hybridizing Energy Conversion and Storage in a Mechanical-to-Electrochemical Process for Self-Charging Power Cell. Nano Letters, .
13. Pat. UA 106588 Hnatov A.V., Arhun Shch.V., Hnatova H. A. Sposib heneru-vannya elektrychnoyi enerhiyi vid krokiv lyuds'koho potoku [The method of generating electric energy from the steps of the human stream] no. u201511854, zayavl. 30.11.2015; opubl. 25.04.2016, Byul. no. 8.
14. Pat. UA 121489 Hnatov A.V., Arhun Shch. V., Dzyubenko O.A. Prystriy peretvo-rennya kinetychnoyi enerhiyi v elektrychnu [A device for converting kinetic energy into electric], no. u201705463; zayavl. 02.06.2017; opubl. 11.12.2017, Byul. no. 23.
15. Pat. UA 121491 Hnatov A.V., Arhun Shch.V. Elektromekhanichnyy prystriy peretvo-rennya kinetychnoyi enerhiyi v elektrychnu [Electromechanical device for converting kinetic energy into electric], no. u201705465; zayavl. 02.06.2017; opubl. 11.12.2017, Byul. no. 23.
16. Pat. UA 121490 Hnatov A.V., Arhun Shch. V., Dzyubenko O.A. Elektromekhanichnyy prystriy peretvo-rennya kinetychnoyi enerhiyi v elektrychnu z mul'typlikatorom [Electromechanical device for converting kinetic energy into electric with a multiplier], no. u 2017 05464; zayavl. 02.06.2017; opubl. 11.12.2017, Byul. no. 23.
17. Gerasimova, V.G. (2007). Elektrotehnika i elektronika. V 3-h kn. Kn. 2. Elektro-magnitnyie ustroystva i elektricheskie
mashinyi [Electrical engineering and electronics in 3 books. Book. 2. Electromagnetic devices and electrical machines], Moscow: Vyisshaya shk. [in Russian].
18. Shenck, N.S., Paradiso, J.A. (2001). Energy scavending with shoe-mounted piezoelectric // IEEE Micro. May-June, 21, 3.
19. Goldberg, O.D., Helemskaya, S.P. Nadezh-nost elektricheskih mashin [Reliability of electrical machines], Moscow: Akademiya, 288 [in Russian].
20. Shenfer, K.I. (1937). Dinamomashinyi i dvigateli postoyannogo toka [Dynamos and DC motors], 5-e izd-e, dop. M.-L.: Ob'edinennoe nauchno-tehnicheskoe izda-telstvo. Glavnaya redaktsiya energeti-cheskoy literaturyi, 436 [in Russian].
21. Anfimov, M.I. (1993). Reduktoryi. Konst-ruktsii i raschet [Constructions and calculation], 4-e izd., pererab. i dop., Moscow: Mashinostroenie, 463 [in Russian].
Гнатов Андрш Вжторович, д.т.н., проф., +38 066-743-08-87, [email protected]
Аргун Щасяна Валжовна, к.т.н., доц., тел. +38 099-378-04-51, [email protected]
Дзюбенко Олександр Андршович, к.т.н., доц., тел. +38 0667684116, [email protected]
кафедра автомобшьноТ електронiки, Хар^вський нац1ональний автомобшьно-дорожнiй унiверситет, 61002, УкраТна, м. Харкiв, вул. Ярослава Мудрого, 25,
SELECTION OF THE TECHNICAL SOLUTION SCHEME OF THE ENERGY GENERATING STEPS
Hnatov A., Arhun Shch., Dzyubenko O., KhNAHU
Abstract. Problem. Energy saving and energy efficiency is the pressing issue for now. One way to solve this problem is the implementation of various types of systems and devices that not only fulfill the function of energy saving but are also able to generate a certain amount of energy for its further use. Such pieces of equipment that are small, have good mobility and can easily be installed, are particularly relevant. One of the types of them is a power generating step based on a conversion of kinetic energy into electrical one. Goal. Investigation of technical solution schemes for the development of the power generating steps, converting kinetic energy into electri-
cal one and experimental testing of the chosen solution. Methodology. We used the analytical methods of research on the development and application of methods and devices for transforming the kinetic energy into electricity. Also, experimental methods of research and mathematical methods of processing experimental research were used. Results. The analysis ofpublications on the ways of converting various types of energy into electric power was carried out. The technical decision schemes concerning the development of the energy generating steps that transform kinetic energy into electric one were analyzed. The advantages and disadvantages of the existing schemes of the energy generating steps were explored. The chosen version of the scheme of the technical solution of the energy generating steps was experimentally investigated. The performed calculations showed, that if there are 10 such devices with the pressing number ~ 10 thousand in a day, you can receive ~ 68 kW/Year of generated power of electrical energy. Originality. We improved the method of determination of the parameters of generated electric energy during its transformation. The modes of converting kinetic energy into electric one found further development by improving the structural elements of the system. Practical value. The proposed power generating step can be used as an alternative source of electric energy in crowded places with intensive people traffic. Installing such power generating steps will lead to reduced costs on electricity.
Key words: energy generating tile, conversion of electrical energy, alternative energy source, energy-saving, energy-efficient technology.
ВЫБОР СХЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО
РЕШЕНИЯ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ СТУПЕНЬКИ
Гнатов А.В., Аргун Щ.В., Дзюбенко А.А., ХНАДУ
Аннотация. На данный момент важной является проблема энергосбережения и энергоэффективности. Один из путей ее решения - внедрение различного рода систем и устройств, которые выполняют функцию энергосбережения и способны сами генерировать определенное количество энергии. Проведено исследование схемотехнических решений энергогенерирующей ступеньки, которая преобразует кинетическую энергию в электрическую. Выполнена экспериментальная апробация выбранного решения. Показано, что одна ступенька способна сгенерировать 6,8 кВт ч электроэнергии при 10 тыс. нажатий на нее.
Ключевые слова: энергогенерирующая ступенька, преобразование электрической энергии, альтернативный источник энергии, энергосбережение, энергоэффективные технологии.
