Пристрій для одержання електроенергії в метрополітені

Корисна модель відноситься до енергетичного, транспортного будівництва і може бути використана при проектуванні та експлуатації метрополітену. Враховуючи постійне здороження енергоносіїв, вітряні електростанції стають більш популярними серед населення. Зараз вчені з врахуванням "рози вітрів" розробляють спеціальний атлас, на котрому будуть вказані місця, де можна використовувати подібні споруди найбільш ефективно. Вартість промислового вітряка дорівнює $ 880-1500 за КВт встановленої потужності. Середній вітряк виробляє 1,5-2,0КВт на годину. Він "потягне" п'ять 100-ватних електролампочок або одночасно включені телевізор, холодильник, електричний чайник. Відомий пристрій вітряної електростанції, що містить вітряне колесо з лопатами на валу, електрогенератори, муфти, редуктори. Вал встановлений шарнірнo на рамі електрогенератора, вал котрого з'єднаний з валом іншого вітряного колеса. Новим в пристрої є те, що вітряне колесо на валу першого електрогенератора поміщено в трубі, встановленій на рамі, вісь котрого розміщена паралельно на одному рівні з віссю іншого електродвигуна – аналог [1]. Разом з тим, розміщення на одному рівні близько двох вітряних коліс створює дифузний вихровий потік повітряних мaс, зменшує швидкість обертання лопат вентилятора і валів електрогенераторів, що призводить до зменшення коефіцієнту корисної дії системи. Недоліки пристрою також полягають в тому, що згадуваний пристрій не забезпечує можливість використання аеродинамічного ефекту труби в замкненому просторі. Пристрій не дозволяє за необхідним напрямком спрямовувати потоки, регулювати тиск і швидкість руху повітряних мас. Найбільш близьким до корисної моделі є пристрій для одержання електроенергії в метрополітені. Пристрій містить тунель, стіни камери в стінах, вентилятори з лопатами, муфти, вали, електрогенератори - прототип [2]. На стінах тунелю вибивають бетон, влаштовують камери. В них розміщують вентилятори. Чотирьох-лопатні вентилятори вбудовані з підшипниками ковзання і спарені з обох кінців валу ротора електродвигуна. З боку руху потяга камера постачена повітроводом (забірником повітря з продуктивністю до 40м3/хвил). Штраба в стіні виконана з ухилом в бік глибини камери (у співвідношенні сторін 1:10) в середину для кращого забору повітря. Із зовнішньої сторони камера з електродвигуном закрита ґратчастою кришкою. Повітряний простір (в подальшому іменується "аеродинамічною трубою") по суті обмежений з чотирьох сторін. При руху потяга метрополітену в аеродинамічній (аналогічно гідродинамічній) трубі виникають потужні (доходять до ураганних) повітряні потоки, що пересуваються зі швидкістю до 150км/год, уздовж потяга. Потоки повітря під тиском до 3т/м2 захоплюються повітрозабірниками і потрапляють на лопати вентилятора. Лопати обертають вал, а привод передає обертовий момент валу електрогенератора, що виробляє електроенергію. По кабелю струм передається до станцію, що його акумулює (систему-запасник). Для збудження обертового моменту система може працювати й в зворотному напрямку (тобто реверсивно). Основним недоліком вітрової електростанції є складність пристрою камер в стінах при експлуатації метрополітену. Пристрій не постачений фрикційною передачею. Ускладнена експлуатація і проведення ремонтних робіт. В основу корисної моделі пристрою для одержання електроенергії в метрополітені поставлено завдання шляхом введення нових форм елементів конструкції та їх розташування на даху вагону досягти перетворення механічної енергії в електричну, що може поповнити енергетичні запаси національної економіки, тим самим запровадити енергозберігаючі технології. Поставлене завдання досягається тим, що пристрій для одержання електроенергії в метрополітені, який містить кабелі, електрогенератори, муфти, редуктори, опори, вали, вимірювачі напруг, відповідно корисної моделі, що він додатково постачений закріпленим на даху піддоном, фрикційною передачею, складеної з двох конічних шестірень, розміщених взаємно перпендикулярно із зачепленням на валах і що обертаються з різними швидкостями, при цьому приєднання генераторів електроланцюг здійснюють як послідовно, так і у вигляді трикутника, а лопати вентилятора виконані у вигляді трилисника і обертаються в площині даху вагона. Таке розташування шестірень і лопат вентилятора забезпечує перетворення механічної (вітряної) енергії в електричну (можливо і теплову, світлову та ін.). Представлені на Фіг.1 в плані елементи платформи і вагонів в аксонометрії, на Фіг.2 - схема послідовного з'єднання, на Фіг.3 - схема з'єднання електродвигунів за трикутником, на Фіг.4 - розріз електродвигуна трьохфазного струму на лапах. Пристрій містить платформу 1 з огородженням, вітряний двигун 2 на даху (показані не всі по довжині вагона), геодезичні відмітки 3 низу зводу тунелю, верху вітряного двигуна та верху вагона, вітряний двигун 4, конденсатор 5 для ліквідації зсуву фаз, піддон 6 з отворами для кріплення на даху, трьохфазний електродвигун 7 з відведеннями, муфту 8, вал 9, редуктор 10, шестерню 11 з валом - ведене колесо, шестерню 12 - ведуче конічне колесо на вертикальному валу, верхній диск ковзання 13 на шестерні, лопату вентилятора 14 у вигляді трилисника, епюру 15 вітрових навантажень, елемент електроланцюга 16, конденсатор 17 для вирівнювання зсуву фаз, трьохфазний електродвигун 18 (див по стрілці), нижній диск 19, елемент даху 20, статор 21, обмотку 22 з різною кількістю витків і різними діаметрами дротів, обертовий по стрілці ротор 23 з валом, графіки 24 зсуву фаз j, коефіцієнт потужності cosj= Р/Рар, Р - реактивна, Pap (Pap=Ut) - повна, U - напруга, І - сила струму (в одиницях Сl). Пристрій працює наступним чином. Здійснюють розрахунки реверсивних передач. При розрахунку параметрів вітрових навантажень у відповідності до норм припускається уточнити їх на підставі результатів продувки моделей в трубах. При цьому аеродинамічний коефіцієнт рекомендується визначати за формулою Сх=ΣCxi x Ai/Ak, де Схі=1,4, Ak - площа проекції і-того елементу на площину днища. У відповідності до правила Ленца електрична потужність машин, що працюють як в генераторному, так і в рушійному режимах, визначається за формулою Р=UI, де U - напруга, І - сила струму. Миттєва потужність за період часу Т визначається за формулою t P = 1 / P(t )dt ò o . Синхронні та асинхронні генератори виготовляються з потужностями від долів Вт до десяти тисяч КВт. Якщо швидкість вітру дорівнює середній швидкості електропотяга (45м/с), то супровідна (так звана лінійна швидкість вітру) може бути подвоєна і дорівнювати Vnb=Vn+Vb=45+45=90м/с (Фіг.1). Лінійна швидкість U=lj точки обертового тіла (наприклад лопати вентилятора) чисельно дорівнює добутку кутової швидкості на відстань від цієї точки до осі обертання. При проектуванні фрикційної передачі визначають розміри (масу) конічних катків-шестерень. Визначають обертовий момент на ведучому катку Мt=N/w , де N - потужність ведучого валу, w - кутова швидкість. В лабораторних умовах здійснюють досліди з деякими уточнюючими характеристиками, наприклад, при довжині лопат 0,4м, коефіцієнті корисної дії z=0,541, швидкості V=45м/с, n=1100об/хвил, кутовий швидкості w=115радіан/с. Визначають обертовий момент установки Н = Мtw . Досліди проводять як з двох-, так і з трьохфазними електродвигунами. За необхідністю визначають зсув фаз (наприклад вмиканням в мережу конденсатора, або дають зворотній хід двигуну - так звана підзарядка - реверс). За допомогою повітряних насосів в аеродинамічній трубі створюють вітрові навантаження на лопати 14 вентилятора, Фіг.2. Ведуча шестерня 12, постачена із зачепленням з шестернею 11, через редуктор 10, муфту 8 при послідовному з'єднанні обертає вал електродвигуну 7 або вал електрогенератора 18 при роботі всіх трьох фаз - з'єднання двигунів трикутником [див. Шварц В.В. Иллюстрированный словарь по машиностроению. - М.: "Русский язык", 1983. - 426с.]. Зсув фаз Здійснюють за допомогою реверсивного ходу чи за допомогою введення в мережу конденсаторів 5, 17 (Фіг.3). Ротор 23 обертається по стрілці, виробляючи одночасно три характеристики Р, U та І, зображені на графіку (Фіг.4). Пристрій компанують на переносному піддоні 6. При достатній надійності результатів дослідів може бути налагоджений промисловий випуск піддонів з устаткуванням. Для початку обирають самі швидкісні ділянки дороги в метрополітені, наприклад, "Арсенальна - Дніпро" (Фіг.1, від верху рейки до низу в'їзної арки не менше 10м). В середньому, по довжині вагона можна розмістити тричотири вітряки, з'єднані між собою за допомогою кабелів. При виробленні 2кВт/год. одним вітряком можна одержати на даху одного вагону за годину їзди Р=2х4=8кВт. Метрополітен працює з 06 до 01 години, на добу - 19 годин. Вироблення потужності з одного вагону за добу становитиме 8х19=152вВт. Всього в потягу зчеплене 5 вагонів. Приблизно при 20 (їх значно більше) працюючих потягів на лінії, за добу на трьох лініях Київського метрополітену загальне вироблення потужності електричного струму складатиме ΣР=3х5х20х152=45600кВт. Вироблений з електродвигунів струм можна використовувати на місцеві поточні потреби, а також можна його збирати в спеціальні витратні модулі електроенергії (якщо їх немає, необхідно створити на зразок закордонних, аналогічних модулям температурного нагріву), тобто акумулювати вироблений електричний струм. В проміжках часу протягом стоянок 1,5-2,0 хвилин, система "вентилятор-генератор" працює неспинно за рахунок залишкової потенційної енергії. Таким чином, в системі "вентилятор-генератор" здійснюють перетворення механічної енергії в електричну. Збільшення загальної (сумарної) електроенергії здійснюють за рахунок складання (накладання) потужностей всіх вітряків (генераторів), розміщених по всіх дахах вагонів. Рух потягів через інтервали сприяє збереженню параметрів роботи електрогенераторів. При цьому важливу роль має замкненість в тунелі простору повітряних потоків, тобто наявність аеродинамічної складової, що утворює одночасне накладання вітрових навантажень (резонанс) з урахуванням збільшення і навіть уточнення аеродинамічного коефіцієнту, наведеного в нормах (Фіг.4). В порівнянні з існуючими вітряками запропонований пристрій дозволяє одержати електроенергію не чекаючи вітру - "з моря погоди", використовувати ефект вже існуючої аеродинамічної труби - тунелю. Пристрій дозволяє знизити загальну трудомісткість робіт на 50% за рахунок використання існуючих конструкцій: підлог, стін, зводів, за рахунок амортизаційних витрат знизити кошторисну вартість ремонтних робіт. Запропонований пристрій може бути використаний при реконструкції існуючих чи будівництві нових станцій метрополітену. При позитивному ефекті пристрій може бути використаний на інших метрополітенах України. Джерела інформації: 1. AC Росії 93-340 34870/06, МПК 01D1/02, 1/04; Опубл. Бюл. - 1996. - №17. - аналог. 2. Пат. 28997 А Україна, МПК F01B1/00, F03D1/02. Спосіб отримання електроенергії у метрополітені та пристрій для його здійснення: M.I. Тимофеев, Ю.М. Семко (Україна); Опубл. Бюл. "Промислова власність України. - 2000. - №5.- прототип.