научная статья по теме ТЕРМОАКУСТИКА: ОТ НАУКИ К ПРАКТИКЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОАКУСТИКА: ОТ НАУКИ К ПРАКТИКЕ»

ТЕРМО0КУСТИК0: ОТ НвУКИ К ПРАКТИКЕ

В мире продолжается поиск альтернативных источников энергии. Можно ли каким-то образом воспользоваться звуковыми волнами для получения электричества? Этим вопросом задаются учёные в разных уголках планеты.

Заманчивая перспектива

Перспектива использования энергии звуковых волн для получения электричества кажется весьма заманчивой -достаточнопредставить, чторазличные шумы, которых в любом современном мегаполисе в избытке, стали одним из возобновляемых источников энергии. Не удивительно, что за рубежом сразу несколько исследовательских групп ищут пути, как воплотить эту идею в жизнь. Первые результаты есть, однако массовые коммерческие продукты на рынке пока не появились.Часто опытные образцы такого рода генераторов в качестве ключевого элемента содержат пьезоэлектрический преобразователь, то есть устройство, способное конвертировать механическую энергию в электрическую и наоборот. В качестве пьезоэлектриков выступа-| ют кристаллические вещества, в ко-& торых при сжатии или растяжении в | определённых направлениях возника-§ ет электрическая поляризация даже в

отсутствие электрического поля. I Анализ появляющихся анонсов по-£ зволяет выделить два ключевых под-| хода к использованию звуковых волн | для генерации энергии. Первый вари-1 ант - непосредственное преобразова-1 ние шума (в этом случае речь идёт, как I правило, о достаточно громких звуках) ^ или вибраций в электричество. Второй вариант - использование тепла (от различных источников) для получения

76

звуковых волн, которые в свою очередь с помощью пьезоэлектрических преобразователей трансформируются в электроэнергию. Рассмотрим подробнее обе стратегии.

От децибелов к киловаттам

На первый взгляд более простая концепция прямого преобразования оказывается на практике достаточно сложной с точки зрения достижения хорошего КПД генератора. В 2009 г. в Японии в рамках проекта Sonea было выпущено устройство Sonic Energy Absorbing System. Его поглощающая панель собирает шумы и передаёт их на пьезоэлектрический преобразователь. Модуль (450 х 450 х 80 мм, вес 7 кг) может вырабатывать до 30 Вт мощности на один децибел. Таким образом, шум взлетающего самолёта обеспечит выработку уже 240 кВт. Несмотря на привлекательность, идея по каким-то причинам широкого распространения не получила, и о проекте на сегодняшний день ничего не известно.

Спустя два года появилось сообщение, что учёные из университета Сунг-кюнкан (Южная Корея) разработали генератор электроэнергии, работающий от звука. Действующий элемент установки - два электрода, соединённые нитями оксида цинка. Внешний шум вызывает вибрацию специальной мембраны, под её воздействием сокращаются нити, а на электродах появляется напряжение. По задумке создателей, описанная технология могла бы позволить заряжать мобильный телефон в процессе разговора или прослушивания музыки. Однако опытный образец не обеспечивал мощности, достаточной для зарядки телефона. О новых достижениях в исследовании на сегодня не сообщается.

© Вадим Кириллов

В том же 2011 г. телекоммуникационный оператор Orange представил на молодёжном музыкальном фестивале в Великобритании футболки, позволяющие заряжать мобильные телефоны во время концертов. В карман футболки вшивалась пьезоэлектрическая плёнка, способная преобразовывать колебания звуковых волн в напряжение. И в данном случае устройство позиционировалось как прототип, и о коммерциализации проекта речь не шла.

«Сама по себе концепция использования акустического шума в качестве источника энергии - идея малоперспективная, - считает Геннадий Воротников, сотрудник кафедры "Автоматизированные системы энергетических установок" Самарского аэрокосмического университета. - Поэтому подобные разработки - скорее академическая задача, а её решение коммерчески не востребовано».

О пользе вибраций

Близко к обозначенным выше стоят концепции, предлагающие использовать для генерации не шумы, а вибрацию. С точки зрения физического смысла звук и вибрация - тесно связанные понятия. Звук - это упругие волны, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твёрдой среде и создающие в ней механические колебания. А вибрация - это сами упругие механические колебания (деформации среды).

Воспользоваться их энергией для выработки электричества пытается группа исследователей из Университета Флориды во главе с Карлом Завоем (Karl Zawoy). Они работают над "епегду harvesting system" - системой, накапливающей энергию от внешних источников для питания маленьких автономных электронных устройств, которая поглощает и сохраняет энергию, полученную от пьезоэлектрических преобразователей. Эти преобразователи предполагается размещать в покрытии пола или дорожном полотне и использовать для питания встроен-

ного туда же оборудования (к примеру, осветительного). Под воздействием шагов или проезжающего транспорта устройство автоматически активируется и начинает запасать механическую энергию в форме вибрации или деформации. Вибрации преобразуются в электроэнергию, проходя через серию пьезоэлектрических слоёв. Встречаются сообщения и о других генераторах, использующих энергию вибраций. К примеру, в Японии есть пилотный проект железнодорожной станции, получающей энергию от движения проходящих пассажиров. Для этого в зоне турникетов в пол вмонтированы пьезо-элементы.

Звук, рождённый теплом

В рамках второй концепции речь идёт скорее об утилизации рассеиваемого тепла, а не об использовании "шумового потенциала" современных городов. Здесь звуковые волны выступают своего рода "передаточным звеном", а не первоисточником энергии. При данном подходе на плечи исследователей ложится решение уже двух задач: обеспечить преобразование тепловой энергии в звуковые волны и преобразовать механическую энергию звуковых волн в электрическую. Теоретической базой для разработок служит термоакустика - раздел физики на стыке термодинамики и акустики.

«Термоакустика очень молодая наука, - рассказывает Геннадий Воротни- „ ков. - Хотя первые записи о колеба- 8 ниях, порождаемых теплом, сделаны £ Хиггинсом еще в 1777 г., как самостоя- ° тельная дисциплина термоакустика 1 возникла в конце 70-х - начале 80-х гг. f ХХ века. Тогда вышла в свет работа 1 швейцарского математика Никалауса g Ротта "Термоакустика", которая опи- | сала процессы, протекающие в газе § вблизи твёрдой стенки в случае аку- i стических колебаний. Затем появилась ® статья американского теплофизика ^ Грэга Свифта "Термоакустические установки", в которой уравнения Ротта

были обобщены для создания термоакустических устройств.

За последние годы термоакустика шагнула вперёд, начались разработки во многих областях техники. Причём энергетика, как ни странно, - отнюдь не первостепенная задача термоакустики. Эта дисциплина оказалась наиболее востребованной в криогенной технике».

Устройство генератора

Как поясняет Г. Воротников, термоакустические электрогенераторы (ТАЭГ) состоят из двух основных узлов: термоакустического двигателя, который преобразует тепловую энергию внешнего источника в энергию акустической волны, и электрического преобразователя, который эту самую акустическую энергию трансформирует уже в электрическую. Электрические преобразователи могут быть самыми разными, и описания большинства из них можно найти в учебниках, но на практике наибольшее распространение получили электродинамические преобразователи из-за относительно высокого КПД (до 87%) и относительно высоких токов (что облегчает их прямое использование).

Термоакустический двигатель работает на основе принципа Рэлея, который гласит: "Если к газу в момент наибольшего сжатия подвести тепло, а в момент наибольшего разряжения тепло „ отобрать, то это усиливает колебания". я Порция газа в регенераторе соверша-I ет два вида колебаний. Во-первых, она Н периодически расширяется и сжимает-1 ся. Во-вторых, она колеблется относи-

1 тельно нейтрали, оказываясь в край-р них точках траектории то в горячей,

2 то в холодной области. Импеданс вол-| новодов настроен таким образом, что § порция в момент расширения находит-1 ся в горячей области и получает тепло, ® а во время сжатия находится в холод-^ ной области и тепло отдаёт. Это увеличивает амплитуду колебания, или попросту, энергию акустической волны.

Эффективность термоакустического двигателя, как и любого теплового, определяется перепадом температур на горячем и холодном теплообменниках и ограничивается сверху эффективностью цикла Карно.

В волноводах термоакустических двигателей плотность энергетического потока на несколько порядков выше, чем повседневно слышимый нами звук, -100-1000 кВт/м (180-190 дБ).

Теоретически ресурс термоакустического двигателя неограничен, так как прибор не имеет подвижных механических частей, но на практике его ресурс ограничивается ползучестью конструкционных материалов (при эксплуатации на чрезмерно высоких температурах). Поэтому ресурс ТАЭГ в целом ограничивается ресурсом электрического преобразователя. С изобретением в начале нынешнего века оксфордской подвески для линейных электродинамических генераторов ресурс ТАЭГ достиг 100 000 часов.

Будет ли ТАЭГ в России?

Работы в области термоакустики ведутся преимущественно на Западе, российская же наука пока о каких-либо исследованиях в этой сфере не сообщает. Почему? На ум пришло, что в свое время СССР, а сейчас Россия лидирует на мировом рынке термоэлектрогенераторов (ТЭГ). Это похожие по функциям и сферам применения компактные устройства, но напрямую преобразующие тепловую энергию в электрическую. Может быть при наших успехах в области ТЭГ термоакустика нам просто не интересна как вчерашний день науки? Однако эксперт вскрыл полную несостоятельность такого предположения.

"Начнём с того, что ТЭГ и ТАЭГ - это принципиально разные устройства, -поясняет Геннадий Воротников. -Причём термоакустический генератор имеет КПД в несколько раз выше, чем ТЭГ. Простейшие ТАЭГ, работающие на сжигаемом мусоре, имеют КПД 1520%. А так называемые продукты вы-

соких технологий достигают на этих температурах КПД в 1.5 раза выше. Что же касается ближайших аналогов, то это электрогенераторы на

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком