Електростатичен генератор

Проектиране и изследване на  електростатичен генератор

Резюме: В доклада е изследвана възможността за производство на електрическа енергия посредством нетрадиционни енергийни източници (електростатични генератори задвижвани от ВЕИ). Разработен и изследван е модел на електростатичен генератор(ЕСГ). Конструкцията и използваните материали са избрани с цел създаване на възможност за оптимално изследване на основните параметри и характеристики на устройството.

Основната цел е след успешно проектиране, изграждане и изпитване на генератора да се анализират възможностите за приложението му в сферата на енергетиката, транспорта и образованието.

Ключови думи: алтернативни източници на енергия, електростатични генератори, електростатична индукция

Study of electrostatic generators

Georgi Pavlov, Yvor Isaev, Elena Dimkina

                                                                               

Summary: The report investigated the possibility of producing electricity through unconventional energy sources (electrostatic generators powered by RES – renewable energy source). They transform mechanical energy in to electrical. The generation charge is carried out in two ways: a tubular effect or electrostatic induction.

Тhis report shows a development of an electrоstatic generator (ESG).

Тhrough pre-designed and tested model is made generator with  higher power. Construction and materials are optimized to in order to allow for optimal examination of the basic parameters and characteristics of the device and its efficiency.

Тhe main purpose after successfully design, construction and testing the generator has to be analyzed possibilities for its application field of energy, transportation and education.

Keywords: alternative energy sources, electrostatic generators, electrostatic induction.

Въведение в проблема

Електростатичните генератори работят  на принципа на преобразуване на механична енергия в електрическа. Генерирането на заряд се осъществява по два начина: тробоскопичен ефект или електростатична индукция. Електростатични генератори, като Van de Graff генератор  и разновидности на  Pelletron намират приложение в сферата на научните лабораторни изследвания. Електростатичните генератори в зависимост от начина на генериране на тока може да се разделят на две категории:

• Триещи се повърхности използващи тробоскопичния ефект (електрическа енергия  произведена чрез контакт или триене);

•  Машини използващи електростатична индукция.

На базата на цялостно и задълбочено проучване на развитието на техниката в тази област и отчитане на предимствата и недостатъците на използваните технологии са  определени типа и конструкцията на проектираният от нас генератор. Проектираното от нас съоръжение е от типа генератори базирани на използването на електростатична индукция. То се състои от две повърхности, разположени близо една до друга, въртящи се с еднаква скорост в срещуположни посоки. В следствие на триенето с въздуха тези повърхности се наелектризират. Всяка повърхност е снабдена с автономен изправител, който служи за разделяне на положителните и отрицателните заряди в две срещуположни полуокръжности на повърхността. Един спрямо друг двата изправителя са дефазирани на 180 градуса, като последното е необходимо за улеснение при едновременното токоснемане на зарядите от двата диска. Процеса на токоснемане се осъществява при контакт на токоснемателите с полюсите аксиално наредени по двете повърхности. Полюсите са изработени от метал с ниско съпротивление. Токоснемателите са по един общ за двете повърхности за положителните и за отрицателните заряди.  Честотата на напрежението е в правопропорционална зависимост от броя на полюсите и честотата на въртене на повърхностите. На фиг.1 е показан изглед на общото устройство на съоръжението, където се виждат дисковете,  механичното задвижване, искровата междина, филтровите групи, част от механичния изправител и проводниците на силовата верига. [3]

 Фиг.1. Общ изглед на ЕСГ

1. Особености при Проектирането на ЕСГ

На база на получените резултати от проведени изпитания по съставена от нас методика на проектиран и изработен умален модел на ЕСГ се направиха съществени изводи по отношение на конструктивните особености на основните елементи на устройството. Основната цел, която беше поставена е проектиране на ЕСГ за по-голяма мощност при оптимален избор на всички конструктивни материали. Механичната конструкция и електрообзавеждането на изпитвания ЕСГ са проектирани така, че да позволяват комплексни лабораторни изследвания на основните параметри и характеристики, определящи неговата енергийна ефективност.

За да се постигне поставената цел при проектирането на модела на ЕСГ се създадоха следните конструктивни възможности:

- възможност за промяна на параметрите на устройството чрез внасянето на геометрични промени в конструкцията на генератора. Това включва възможността за промяна на разстоянието между движещите се повърхности, предназначени за наелектризиране, както и промяна на посоките на движение на едната или двете повърхности заедно. Създаване на възможности за монтиране на една или повече повърхности стационарно, позиционирани между или встрани от подвижните повърхности, с цел изследване на промяната на големината на електрическите заряди.

- В предходният модел на електростатичен генератор за задвижване на двете повърхнини бяха използвани два електродвигателя, което представлява съществен недостатък и намалява КПД на устройството. В настоящият вариант задвижването на двата диска е проектирано еднодвигателно при минимално механично съпротивление, което увеличава енергийната ефективност на ЕСГ и създава възможности за използването на екологични източници на енергия, като вятър, вода и др.

 - Реализирано е микропроцесорно управление, контрол и защита на основните режими на работа на ЕСГ. За постигане на оптимален режим на работа в енергийно отношение е необходимо прецизно управление на искровите междини във функция от напрежението и честотата. За целта са използвани микроконтролери от серия PIC16F, като схемата на управление е показана на фиг.2.

Фиг.2. Схема за управление на ИМ

SM- стъпкови мотори; ZP- захранващи проводници за стъпковите мотори; OV- обратна възка; MK- микроконтролен блок; KI- крайни изключватели; UP- бутон за повишаване на междината; DOWN- бутон за намаляване на междината; KA- аналогов сигнал от контролната апаратура; VDD- захранване на микроконтролерния блок

Като първа стъпка при проектирането е взето под внимание правилното оразмеряване на валовете и основната повърхност, които трябва да издържат тежестта на дисковете и вибрациите от въртенето им. В това число се включва и подбора на подходящ тип лагери. При проектиране на окачването и задвижването устройството на конструкцията е изпълнено, така че двата диска да бъдат електрически изолирани един от друг при спазване на необходимото изолационно разстояние между тях. Използваната методика по-отношение на механичното оразмеряване на ЕСГ не е показана в настоящия материал.

При проектиране на генератора от особено значение е материала, от който са изработени дисковете, тяхната дебелина и диаметър. Колкото по голяма е дебелината на материала толкова по добри са изолационните му свойства, респективно и възможността за повишаване на изходящото напрежение. За целта дисковете са изработени от стъкло тип триплекс с диаметър 500 mm и дебелина 10 mm, като оразмеряването е реализирано на база направените изследвания и анализи на умаления модел на ЕСГ и изискването за проектиране на съоръжение отдаващо по-голяма мощност. Амплитудата на напрежението зависи от броя на полюсите, а техния брой се определя от диаметъра на дисковете.

От направеното подробно литературно проучване по темата не са намерени теоретични зависимости даващи пряка връзка между механичните и електрическите параметри на устройството. Големината на изходящата мощност на проектирания генератор ще бъде точно определена при провеждане на експерименталните изпитания на обекта по предварително изготвена от нас методика.

Дисковете се монтирани върху изолационна хоризонтална повърхност посредством метални стойки. Стойките и плоскостта са оразмерени да издържат на вибрациите и тежестта на дисковете. Съпътстващата апаратура състояща се от въздушни междини, филтрови групи и механиката е разположени на същата основа. Вида на проводниците изграждащи електрическата схема е съобразен с предполагаемата максимална изходяща мощност на проектирания ЕСГ.

На фиг. 3 е показана принципна електрическа силова схема на свързване на основните елементи на ЕСГ, както и част от необходимата измервателна апаратура. Големината на изходното напрежение на ЕСГ се определя от разстоянието между електродите в искровата междина. С цел съгласуване режима на работа на двете искрови междини и по-прецизно регулиране на изходната мощност е предвидена възможност за микропроцесорно управление на подвижните електроди в искровити междини. На фиг. 4 е показана схема на управление на искровите междини реализирано на базата на МК тип PIC 16F84 A и стъпкови двигатели SANYO DENKI TYPE 103H6704-0140 3,6V 1A 1,8 DEG. [1, 2]

Фиг.3. Принципна електрическа схема на електростатичния генератор и измервателната апаратура

D1/D2- стъклени дискове; IM1/IM2- искрови междини; C/C1/C2/C3- кондензаторни батерии; I1/I2- механични изправители;PE1/PE2- регулируеми електроди; G1/G2- галетни превключватели

2. Особености при изследване на параметрите и характеристиките на базовия модел на ЕСГ

Създадена е методика за изпитване на проектирания генератор и възможност за цялостни лабораторни изпитания, като за целта се използва подходяща измервателна техника, която да позволява измерване и запис на параметри в стационарни и преходни режими на работа.

Направените изследвания ще дадат възможност за оптимизиране  на основните недостатъци свързани с триенето на токоснемателите спрямо полюсите и намаляване на пулсациите на напрежението. Това ще доведе до увеличаване на експлоатационния период на съоръжението, намаляване на обслужването и разходите за поддръжка, намаляване на габарита и себестойността на вгражданата апаратура, увеличаване на надеждността.

На базата на проведеното изследване и анализа на получените резултати ще се проектира и разработи система за безконтактно снемане на зарядите,  намаляване на пулсациите чрез промяна на броя полюси, тяхната площ и разположение,  корекция на оборотите и др.

Електростатичния генератор е източник на пулсиращо постоянно напрежение. Амплитудната стойност на напрежението се определя от разстоянието на електродите в искрището. Ефективната стойност на мощността на генератора зависи от напрежението, тока и честотата на разрядите. Тока е в правопропорционална зависимост от напрежението. Възпроизвеждането на заряд с дадена стойност на напрежението, освен от разстоянието мезду електродите в разрядника зависи и от честотата на въртене на активните повърхности. Честотата на разрядите зависи от капацитета на кондензаторната батерия, честотата на въртене на активните повърхности и от броя и площта на полюсите.

Капацитета на кондензаторната батерия определя времето за зареждането й, но също така и времето на разряда. Колкото е по голям капацитета, толкова по голямо е времето необходимо за зареждането на  батерията, но трябва да се има в предвид, че след това при разряда  времето на разреждане също се увеличава. С това се повишава и ефективната стойност на мощността на генератора ,  продължителността на пулсациите намалява.

Измерването на каквато и да е електрическа величина на генератора не може да стане чрез директно свързване на измервателната апаратура и без паралелно свързана кондензаторна батерия. Паралелно на кондензаторната батерия се свързва разрядника, а последователно на него се свързва измервателната апаратура. При това положение всички измервания се извършват по време на разряд. Неспазването на тези правила би довело до неутрализирането на зарядите, а от тук и излизане от нормален режим на работа на генератора. Това би довело до протичане на разряди между активните повърхности, което от своя страна води до влошаване на изолацията между тях и значително намаляване на КПД.

Устройството генерира заряди посредством триенето на активните повърхности с въздуха без да се допират взаимно една с друга. От тук се извежда и пряката зависимост на ефективността на генератора от средата в която работи. В атмосферна среда с атмосферно налягане работата на генератора зависи от температурата, тя влияе на влажността и плътността на въздуха. Друго важно нещо е запрашеността на въздуха, типа на частиците и големината им. До известна степен те могат да бъдат полезни но след определена концентрация започват да влошават работата на генератора. От теорията и направените изследвания и експерименти до сега е установено, че заряда е най-голям когато повърхностите се трият директно една в друга, но тогава зарядите се неутрализират взаимно и устройството не може да се използва като генератор. Друг фактор който влияе върху работата на генератора е разстоянието между активните повърхности. С увеличаването му се повишава и амплитудната стойност на напрежението, но обратно пропорционално намалява и честотата, което понижава ефективната стойност и КПД.

С оглед на трудностите свързани с филтрирането на пулсиращия ток и понижаването на високото напрежение, основната цел на настоящият експеримент и измерване е да се изследват възможностите на устройството при ниска честота на въртене която би осигурила необходимото напрежение без да се налага понижаване, по този начин бихме избегнали необходимостта от инвертиране на напрежението. Това намалява значително себестойността на генератора.  

На фиг. 4 е показана схема на свързване на измервателната апаратура за изследване на основните електрически параметри на ЕСГ.

Фиг. 4. Схема на свързване на измервателната апаратура

           

            След измерване на ефективните и максималните стойности на тока и напрежението се установи , че е необходима допълнителна апаратура за контрол  на честотата на въртене на активните повърхности. Причината за това е  нелинейно нарастващата зависимост на мощността спрямо оборотите при различни товари.

          На фиг.5 са показани графичните зависимости получени след провеждане на измерванията на този етап.

Фиг. 4 Графики на зависимостите на ефективната стойност на напрежението от оборотите и ефективната стойност на тока в зависимост от товара.

          От направените на този етап измервания може да се направи следният анализ. Отчетените максимални стойности на тока и напрежението на ЕСГ, са както следва: U_max = 478.3V, I_max = 978.7µA  при честота на въртене 140 об/мин.

От тук следва, че максималната (пикова) мощност на ЕСГ е

(1)  

            Входящата захранваща мощност на ЕСГ е приблизително 1.44W. Коефициента на полезно действие на проектирания генератора е 

(2) 

В предходните изчисления не са включени загубите в зъбно ремъчните предавки за обръщане на посоката на въртене на едната активна повърхност със запазване на същата честота на въртене.

Заключение

Приетата стратегия от Европейската комисия „Европа 2020 година” постави сериозни предизвикателства пред света, свързани с екологията, производството на зелена енергия и намаляване консумацията на такава. Изпълнението на тези цели са свързани с повишаване на енергийната ефективност и добива на енергия от ВЕИ. Електростатичните генератори  представляват екологични и алтернативни източници на зелена енергия поради някои от безспорните си предимства пред известните до този момент ВЕИ. Те са свързани с проста конструкция, ниско ниво на шум, заемат малки площи, не се влияят от климатичните условия и имат лесна и евтина поддръжка.

Предимствата на ЕСГ са свързани и с факта, че режима на работа на генератора е устойчив, като неговата честота на въртене остава константна величина. Също така константна остава и силата необходима за задвижване на генератора. Поради особености в електрическата схема и спецификата на механичното устройство на генератора няма опасност от пренапрежения и от претоварване.

При постигане на добри показатели се създават възможности за използването на подобен тип генератори в енергийната система или като локален източник на електроенергия.  Също така ще се обследват възможностите за приложението му в изпитателни лаборатории, като прибори за изпитване на изолация, симулация на някои природни явления и т.н.