Инженер-разработчик
0,0
рейтинг
16 февраля в 20:06

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности из песочницы

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.

За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.

Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

рис. 1

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

рис. 2

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.

По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.

По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.

То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

рис. 3

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.

Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.

При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.
Евгений Коваленко @firef7y
карма
5,0
рейтинг 0,0
Инженер-разработчик
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (33)

  • 0
    Красота. А его можно собрать "на коленке"?
    • 0
      Так ведь

      Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер

      собрал же.
      • 0
        Собрав уже не одну сотню пьезодвигателей за 20 лет, он и на коленке смог.
        На самом деле, после десятка проб и ошибок, действительно можно.
        • 0
          А расскажите пожалуйста, что там за интрига с "батарейку можно и убрать"? И убрал он ее, или в процессе?
          • 0
            Речь идет о дополнительном источнике питания для возбуждения колебаний в пьезоелементе. Изобретателю удалось его убрать.
            • 0
              Т.е. после выхода на автогенерацию "стартер" можно отключить? Тогда же получается вечный двигатель, о котором говорили ниже.
              • +2
                Отключать можно источник питания дополнительного возбуждения, основной источник работы — механический — никуда не девается :)
            • 0
              Теперь понял. Меня заклинило на термине "мотор". В то время, как описывается, видимо, генератор.
      • +1
        Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер

        Похоже, что он с института этим занимался (полагаю что это тот-же Вячеслав Лавриненко). Не думаю, что наличие пенсии его как-то характеризует. Его патенты хорошо отражают высокий уровень опыта и профессиональный подход.
  • 0
    интересно что делают корпорации с многомиллионными бюджетами на научные исследования
    • 0
      Выкупают патенты и прячут их под ковер.
  • +4
    Много лет назад встречал вопрос: почему пьезоэлементы не применяют в малогабаритных ДВС вместо магнетто. Ответ оказался простым: ресурс пьезоэлемента настолько мал, что в ДВС исчерпается за несколько минут.
    • +2
      Об этом Черток писал в своей книге "Ракеты и люди" (2-я книга). У него как раз была идея заменить тяжёлые и сложные магнетто на пьезоэлементы (дело было в 30-е годы), тем самым сделав большое доброе дело для авиации… но, как говорится: "не взлетело". Курчасов его сильно огорчил описанием и характеристиками пьезоэлементов (на тот момент это была сегнетовая соль), на этом дело и кончилось. Как я понял, с тех времён хоть и не стоял на месте прогресс, но ничего принципиально более выносливого в этом направлении не придумали и не открыли.
  • 0
    помоему пенсионер забыл в расчеты вставить вес собственно колеса. ну и ресурс сборки, да.
  • +4
    пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник питания.
    Я надеюсь что меня подвело зрение а не мозг.
  • +2
    «Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома… смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от источника питания»
    Сначала показалось, что это очередной «вечный двигатель» из серии «свободная энергия», только после повторного внимательного прочтения понял свою ошибку :)
    • 0
      Это не совсем ошибка. Почитайте комментарий выше. Самая мякотка в следующей фразе. Если ее не объяснить, то действительно может сложиться превратное отношение. А объяснения, наверное, не будет.
      • 0
        Дейстивительно создавалось впечатление очередного "вечного двигателя".
        Поправил.

      • +1
        Объяснения в абзаце выше обсуждаемого — "Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания.". То есть основной источник энергии для генератора — это механический. Но для повышения эффективности (насколько я понял) необходимо еще и слегка возбуждать пьезоэлемент электрическим сигналом синхронно с механическим воздействием. И как раз источник этого дополнительного возбуждения и имеется в виду. Механическое воздействие для выработки энергии как было так и остается — с приводом от педалей, паротурбины, водяного колеса и т.п. Так что все нормально, закон сохранения энергии соблюдается :)

  • +1
    Надежность, низкий вес, простота (О_О)… а о КПД забыли?
    Или в результате там все выльется в красивую пару ультразвукового пьезоизлучателя и пьезонерератора в одном кристалле, висящем в вакуумной камере на активном магнитном подвесе?
    • +2
      Чем не гальваническая развязка :)
      В надежность слабо верится.
  • +2
    За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта.

    О господи! кто делит мощность на время?
    • +4
      Когда надо, можно и поделить. НО, конечно же, не в данном случае. Правильно было бы следующее: в течение 0.1 наносекунды развивается мощность более 2 мегаватт ИЛИ выделяется 0.2 мДж энергии. Вывод про 0.2 Вт кривоват.
      • 0
        Не. "получить мощность 0,2Вт" это нормально. А вот 0,2 Вт в секунду — бред. Это скорость изменения мощности.
  • 0
    Возможно ли сделать двигатель-генератор "в одном флаконе"? Что бы можно было использовать в электромобилях и даже манипуляторов роботов и для движения, и для торможения с возвратом энергии?
  • 0
    Вопрос, нет ли из-за разных частот потерь в кпд резонанса?
    Энергия от одного элемента другому передается за счет механического воздействия или эм тоже? Какие есть интересные варианты компоновки задействуя оба вида воздействий? Например, один из элементов подвешен для свободных колебаний, поэтому может накапливать энергию не только в колебаниях материала, но и всего элемента?
    Можно ли использовать замкнутый обвод (прямоугольник, круг) для резонансного контура?
    Можно ли в качестве дополнительного усиления собственных колебаний использовать геометрическую форму, например того же камертона?
    И общий вопрос по пьезо-генераторам, насколько эффективно можно использовать источник вроде гудящей трубы, от ветра?
    Спасибо, тема интересная.
  • +1
    За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта.
    Подскажите, каким образом считали? У меня почему-то так:
    210^6 Вт/(0,110^-9 с) = 2*10^16 Вт/с
    • 0
      Тут эти 2 мегаватта из одиночного пика 0.1 наносекунды размазываются по одной секунде. То есть если щелкать раз в секунду, то средняя мощность будет 0.2 Ватта :)
      • 0
        Всё, я понял. Длительность импульса t=0,1 нс, А период T=1c. И за время T-t энергия не выделяется. Правда, можно ли так среднее считать… Ну положим, что можно. Тогда таких t в T будет k=T/t = 10^10. Теперь мощность 2 МВт размазываем на все эти кусочки равномерно: 2 МВт /10^10 = 2 x 10^6 Вт / 10^10 = 2 x 10^-4 Вт = 0,0002 Вт = 0,2 мВт. Поясните, откуда взялось "0,2 ватта"? Где я 3 порядка потерял?
        P.S. Кнопка цитаты не работает, отредактировать комент выше не могу. Плюс ко всему "крадёт" звёздочку между множителями, потому в этом коменте использовал "х". Заметьте, без злого умысла ;)
        • 0
          А, вот тут прошу прощения — порядки чисел не проверял :) Действительно получается 0.2 мВт, у автора тут где-то ошибка :)
  • 0
    Помнится, был электромеханический замок, в котором для питания использовался как раз пьезоэлектрический генератор. Энергии, вырабатываемой при повороте ручки, хватало для считывания контактной смарт-карты и разблокирования замка.
  • 0
    Хотел ctrl+enter отправить несколько лишних запятых, но здесь такой опции нет. С правильными запятыми перечитывать на несколько раз предложения не надо. Спасибо за статью!
  • +2
    Ну так что, когда ждать на instructables.com о том как собрать?

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.