Илюзията на генераторите на свободна енергия: Защо „електрически-към-електрически“ преобразуване не може да генерира допълнителна енергия

През последните години концепцията за генератори на свободна енергия е била изключително популярна. Тя е известна също като „свободна енергия“, „вечен двигател“ или „свръхефективен генератор“. Много търговци я представят като устройство, което може да „генерира електричество, използвайки електричество“, т.е. използва електродвигател за задвижване на генератор с постоянни магнити, обикновено със зъбчат механизъм в средата.

Обаче действително ли съществуват генератори на свободна енергия? Според основните закони на физиката така нареченият вечен двигател просто не може да осигури нетен енергиен прираст. В тази статия системно се обясняват лежащите в основата принципи за всички, за да ви помогне да разберете защо подобни продукти са научно невъзможни.

Закон за запазване на енергията

Това е един от най-основните и универсални принципи във физиката: в изолирана система енергията не може да се създава или унищожава; тя може само да се преобразува от една форма в друга.

Това означава:

Всеки процес на преобразуване на енергия води до загуба на енергия. Общата енергия на изхода на системата не може да надвишава общата енергия на входа. В идеалния случай енергията на изхода може да е равна на енергията на входа (т.е. ефективността на преобразуването е 100 %). В действителност обаче, поради загубите на енергия, ефективността на преобразуването обикновено е по-малка от 100 %, затова енергията на изхода винаги е по-малка от енергията на входа.

Загуби на енергия в компонентите на генератор за свободна енергия

1. Електродвигателът

Ефективността при преобразуване на електрическа енергия в механична енергия обикновено е между 70 % и 95 %. Получаващите се загуби обикновено включват: загуби от топлинно нагряване на съпротивлението, загуби в магнитното ядро, механично триене, съпротивление на вятъра и др. Следователно дори най-ефективният двигател не може да постигне ефективност на преобразуване от 100 %.

2. Зъбчат предавател

При предаване чрез зъбчати колела механичното триене е неизбежно. Следователно ефективността на едностепенното предаване чрез зъбчати колела обикновено е в диапазона от 90 % до 98 %. Ефективността на многостепенните системи за предаване чрез зъбчати колела е още по-ниска, а загубите се натрупват.

3. Генератор с постоянни магнити

Ефективността на преобразуването на механична енергия в електрическа енергия в генератори с постоянни магнити обикновено варира от 80 % до 95 %. Неговите загуби обикновено включват: хистерезисни загуби, загуби от вихрови токове, резистивни загуби, загуби от механично триене и др.

4. Електрическа верига и система за управление

Всички силови електронни устройства имат собствено енергопотребление. Кабелите също имат резистивни загуби.

Предаване чрез скоростна кутия: триъгълна връзка „скорост – въртящ момент – мощност“

Това е ключов физически принцип, който доказва невъзможността на „генератора на свободна енергия“:

1. Принцип на запазване на мощното

- При пренебрегване на краткотрайните преходни процеси, при стационарно предаване механичната мощност в началния край на скоростната кутия ≈ механичната мощност в крайния край (след изваждане на загубите поради триене).

- Механична мощност (P) = Въртящ момент (T) × Ъглова скорост (ω)

- Предавките могат да променят съотношението между въртящия момент и скоростта, но не могат да увеличат общата мощност.

2. Стоимостта на увеличаването на скоростта чрез скоростна кутия

Когато скоростната кутия увеличава скоростта с коефициент N (предаване с увеличение на скоростта), въртящият момент в крайния край ще намалее до приблизително 1/N от входния въртящ момент. Обратно, за електрически двигател, за да задвижи тази ускоряваща скоростна кутия, двигателят трябва да осигури N пъти по-голям въртящ момент, за да преодолее противовъртящия момент, генериран от ускоряващия генератор.

- Въртящият момент на електрическия двигател е пропорционален на тока: T_двигател = K×I (където K е константата на двигателя).

- Това означава, че увеличаването на ъгловата скорост на зъбчатите колела принуждава тока в електрическия двигател да се увеличи значително, което води до квадратично увеличение на медните загуби (I²R) в двигателя и следователно до значително намаляване на ефективността.

3. Анализ на симулацията на енергийния поток

Да предположим идеална система, при която временно се пренебрегват всички загуби:

Генераторът изисква 1000 оборота в минута и 10 нютон-метра въртящ момент, за да генерира електричество. Тогава изискваната мощност се изчислява по формулата: P = T × ω = 10 нютон-метра × (1000 × 2π/60) ≈ 1047 вата

Ако се използва редуктор с предавателно отношение 1:10 (генераторът прави 10 оборота, докато двигателят прави 1 оборот)

Тогава изискваната скорост на двигателя: 100 оборота в минута (об/мин), изискваният въртящ момент на двигателя: 100 нютон-метра (N·m) (10 пъти по-голям от въртящия момент на генератора!)

Следователно обикновен малък двигател с въртящ момент по-малък от 100 нютон-метра ще бъде силно претоварен, а ефективността му може да спадне от 90 % до под 50 %.

Изчисление на общата ефективност на генераторите на свободна енергия

При условие че се използват най-ефективните компоненти, налични на пазара, коефициентите на преобразуване са следните:

- Високоефективен електродвигател: 95 %

- Високоефективна предавка със зъбчати колела: 98 %

- Високо ефективен генератор : 95 %

Обща ефективност = 0,95 × 0,98 × 0,95 ≈ 88,5 %

Това означава, че за всеки 100 единици входна електрическа енергия може да се получи максимум само 88,5 единици изходна електрическа енергия, като нетната загуба е 11,5 единици. При реални продукти ефективността на всеки компонент обикновено е по-ниска, а общата ефективност може да спадне до 60–70 %. Това означава, че за всеки 100 единици входна енергия се получават само 60–70 единици изходна енергия, поради което така наречената „система за генериране на свободна енергия“ всъщност постоянно консумира енергия, вместо да я генерира.

Често срещани въвеждащи в заблуждение твърдения

1. Постоянните магнити могат да осигуряват „безплатна енергия“

Всъщност магнитното поле на постоянните магнити не извършва работа по време на процеса на генериране на електроенергия. То служи само като средство за преобразуване на енергия. Магнитната енергия не се възстановява самостоятелно. Генераторите изпитват магнитно съпротивление при въртене и изискват непрекъснато подаване на енергия, за да бъде преодоляно това съпротивление.

2. Предавките могат да увеличат енергията

Предавките наистина могат да променят въртящия момент и ъгловата скорост, но не могат да увеличат общата енергия. Както е посочено в третия раздел, увеличението на ъгловата скорост на предавките става за сметка на удвояване на изискванията към въртящия момент, което всъщност намалява ефективността на системата.

3. Веднъж стартирана, системата за генериране на свободна енергия може да функционира самостоятелно.

Всъщност всяка загуба ще доведе до постепенно забавяне на системата и в крайна сметка до спирането ѝ. В тези демонстрации от страна на тези компании може да се използва допълнителна външна енергия, но тя не се показва в записите и се скрива от клиентите.

4. Манипулиране на измерените входни и изходни стойности

По време на измерителния процес тези търговци могат също така да използват измервателни уреди с различна точност или непълни измервателни системи (например, пренебрегване на енергийното потребление на системата за управление), за да заблудят клиентите.

Заключение

Вечното двигателно устройство пренебрегва енергийния поток и загубите и следователно нарушава закона за запазване на енергията. Такива продукти обикновено нямат изпитателни доклади, а търговците също не са запознати с техническите подробности относно продуктите.

Някои търговци дори ще твърдят, че притежават патенти за своите продукти, за да уверят клиентите в ефективността им. В действителност обаче патентът гарантира единствено новостта на продукта, а не неговата научна обоснованост.

Следователно не вярвайте на триковете с машината за вечно движение. При среща с такива продукти можете да поискате от продавача да предостави пълен доклад за енергийното измерване на дългосрочната работа на продукта в затворена система. Ако не може да го предостави или избягва въпроса, това е достатъчно, за да посочи наличието на проблем.

Как да се подобри ефективността на енергийното преобразуване?

Макар генераторите на свободна енергия да са невъзможни за реализиране, все още съществуват някои осъществими методи за повишаване на ефективността на енергийното преобразуване. Първо, препоръчително е да се използват компоненти с най-висока ефективност на преобразуване. Освен това могат да се намалят ненужните стъпки на преобразуване, за да се минимизира загубата на енергия по време на процеса на преобразуване.