Скрытые возможности сжатой пружины
Зачем нужны запасы энергии
Развитие альтернативной энергетики, основанной на использовании энергии солнца, ветра, воды или отопительных приборов, вызвало необходимость разработки новых аккумуляторов, способных накапливать энергию, хранить ее и расходовать при необходимости.
На сегодняшний день при устройстве автономной электрической сети в подавляющем случае используются обычные химические аккумуляторы. С одной стороны они удобны, доступны и привычны для нас. Но с другой стороны эти устройства имеют ряд недостатков, таких, как высокая стоимость, низкая плотность токов, малая мощность, недолговечность, а также опасность их использования для окружающей среды. Для устойчивого электрического снабжения загородного дома одного такого аккумулятора недостаточно, нужно иметь их несколько, умножив тем самым перечень их недостатков на количество устройств.
О способах решения проблемы
Все это вызывает необходимость поиска новых способов накопления и хранения энергии, как в промышленных масштабах, так и в масштабах отдельно взятого загородного дома, расположенного на бескрайних пределах нашей страны. Как известно, предложений по способам накопления и хранения энергии про запас, сегодня немало, но вот идеального, пригодного для использования и способного полностью решить вопрос аккумуляции энергии, пока нет.
Как знать, может быть, настоящий прорыв в решении этого вопроса будет произведен нашими российскими изобретателями, решившими с комфортом устроиться в загородном доме, отказавшись от услуг(или не дождавшись их) местных сбытовых компаний.
Привычная пружина…
Накапливать и хранить энергию может сжатая пружина. Играя в детстве с луком и стрелами или устанавливая время звонка на механическом будильнике, мы вряд ли задумываемся, что имеем дело с обычной пружиной, накапливающей, а затем отдающей запас энергии.
В недалеком социалистическом прошлом практически все детские игрушки работали от пружин, и назывались заводными. Говоря о заводе, подразумевалось сжатие пружины и перевод ее в рабочее состояние.
Это значит, что пружину можно сжать при помощи механического усилия и зафиксировать в таком состоянии, сделав запас механической энергии. При необходимости совершить работу пружину достаточно просто освободить. По такому принципу работают современные пружинные двигатели, установленные в различных механизмах.
В них преимущественно используются спиральные пружины, представляющие собой металлическую ленту, установленную в барабан. Правда, при этом речь идет не о простом металле, а о закаленном, обработанным с помощью специальной технологии, позволяющей пружине "запомнить" свое состояние. Делается это так: лента металла сворачивается кольцом и помещается в барабан, где ее нагревают до определенной температуры и оставляют в таком состоянии на несколько часов или дней. Качество полученной пружина зависит от способа ее обработки и времени выдержки, а также от используемого для ее изготовления металла.
Где
1 - обойма; 2 - пружина; 3 - вал
а - спиральная пружина
б - s-образная пружина
Следует отметить, что коэффициент полезного действия пружины составляет 90%, а это является очень хорошим показателем и выделяет пружину среди других аккумуляторов энергии.
Основным недостатком современных спиральных пружин является их малая энергетическая емкость. Иными словами, накопить в таком устройстве энергии, количество которой было бы достаточно, например, для нагрева обычного утюга, непросто.
Большой энергетической емкостью обладает пружина, имеющая желобчатый профиль. При сжатии она деформируется не только в продольном, но и поперечном направлении, накапливая большее по сравнению со спиральной пружиной, энергию. При этом они обладают еще и крутящим моментом, имеющим постоянное значение.
Принцип работы
Пружина способна сжиматься под воздействием внешней силы мгновенно, и также быстро отдавать запас энергии. Но этот процесс, может быть, и растянут во времени, как при сжатии, так и при распрямлении пружины. Предел возможностей пружины ограничен прочностью используемого для ее изготовления материала. Физические процессы, происходящие в пружине, можно описать при помощи обобщенного закона Гука
где
σij - тензор напряжений,
εkl, - тензор деформаций. Благодаря симметрии тензоров напряжения и деформации, закон Гука может быть представлен в матричной форме.
В более примитивной форме, можно сказать, что при сжатии в пружине возникает сила упругости
где
Δl - абсолютное удлинение или сжатие, а
k называется коэффициентом упругости (или жёсткости).
Коэффициент упругости зависит от свойств материала, используемого при изготовлении пружины и ее геометрических размеров. Он пропорционален площади сечения пружины и обратно пропорционален ее длине. Свойства материала, используемые для изготовления пружины, характеризуются модулем упругости, называемым также модулем Юнга.
Где
S-площадь сечения
E-модуль упругости
L-длина
Если ввести понятие относительного удлинения, равное
и нормальное напряжение в поперечном сечении
то закон Гука примет форму
Качественные стальные пружины могут хранить запас энергии несколько лет. Но пружины из материала низкого качества могут при хранении потерять упругость, а вместе с ней, и запас энергии. В качестве упругого накопителя энергии можно использовать не только привычную стальную пружину, но и резиновый жгут, обладающий значительно большей упругостью, но имеющий меньшую прочность, что и ограничивает возможности его применения для аккумуляции энергии.
Для стали Е=2039000кгс/см2. Нетрудно посчитать, что пружина из стали, сечением 1см, деформация которой составляет один метр, может обеспечить в течение часа нагрузку в 40 вт. Речь идет о теоретическом устройстве. Практическая реализация такого проекта непременно встретит на пути немало технических препятствий.
Вспомните обычный часовой механизм, работающий на пружине. Для обеспечения ее постепенного ослабевания задействовано огромное количество передаточных механизмов. При этом речь идет о пружине значительно меньшего сечения.
Вывод: пружина, несомненно, представляет большой интерес как устройство для аккумуляции энергии, но при этом целесообразнее запас энергии использовать мгновенно. Это позволит сделать устройство дешевле и надежнее.
