Термоакустика: от науки к практике

28.01.13 12:31

Перспектива использования энергии звуковых волн для получения электричества кажется весьма заманчивой — достаточно представить, что различные 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 выступают кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии электрического поля.

Анализ появляющихся анонсов позволяет выделить два ключевых подхода к использованию звуковых волн для генерации энергии. Первый вариант — непосредственное преобразование шума (в этом случае речь идет, как правило, о достаточно громких звуках) или вибраций в электричество. Второй вариант — использование тепла (от различных источников) для получения звуковых волн, которые в свою очередь с помощью пьезоэлектрических преобразователей трансформируются в электроэнергию. Рассмотрим подробнее обе стратегии.

 

Эффективность MEMS TAR в зависимости от разности температур на горячем и холодном теплообменниках по материалам Fellows Research Group (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

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 передает их на пьезоэлектрический преобразователь. Модуль (450 x 450 x 80 мм, вес 7 кг) может вырабатывать до 30 Вт мощности на один децибел. Таким образом, шум взлетающего самолета 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 ученые из университета Сунгкюнкан (Южная Корея) разработали генератор электроэнергии, работающий от звука. Действующий элемент установки — два электрода, соединенные нитями оксида цинка. Внешний шум вызывает вибрацию специальной мембраны, под ее 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.

В том же 2011 г. телекоммуникационный оператор Orange представил на молодежном музыкальном фестивале в Великобритании футболки, позволяющие заряжать мобильные телефоны во время концертов. В карман футболки вшивалась пьезоэлектрическая пленка, 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. — Болевой порог звука в 130 дБ позволяет нам собирать лишь 10 Вт с 1 м?. Поэтому подобные разработки — скорее академическая задача, а ее решение коммерчески не востребовано».

 

Термоакустический двигатель на основе бегущей волны Бакхауса-Свифта – самый известный представитель термоакустических двигателей (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

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 твердой 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 т.н. «еnergy harvesting system» – системой, накапливающей энергию от внешних источников для обеспечения питанием 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 встроенного 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 слоев.

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, рожденный теплом

В рамках второй концепции речь идет 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 Воротников. — Хотя первые записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом еще в 1777 г., как самостоятельная дисциплина термоакустика возникла в конце 70-х – начале 80-х гг. ХХ века. Тогда вышла в свет работа швейцарского математика Никалауса Ротта «Термоакустика», которая описала процессы, протекающие в газе вблизи твердой стенки в случае акустических 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 вперед, начались разработки во многих областях техники. Причем энергетика, как ни странно, — отнюдь не первостепенная задача термоакустики. Эта дисциплина оказалась наиболее востребованной в криогенной технике».

 

Экспериментальная модель терморезонансного акустического электрогенератора (TAR) производства Fellows Research Group с рабочей частотой 1200 Гц (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

Термоакустический генератор купить пока сложно, поэтому для энергоснабжения на удаленном объекте, как правило, приходится использовать проверенные источники тока - бензиновые генераторы. Разработано множество моделей: синхронные и асинхронные, с автозапуском, на различное выходное напряжение.

Устройство генератора

Как поясняет Г. Воротников, термоакустические генераторы 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 в ТАЭГ 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». Порция газа в регенераторе, совершает два вида колебаний. Во-первых, она периодически расширяется и сжимается. Во-вторых, она колеблется относительно нейтрали, оказываясь в крайних точках траектории то в горячей, то в холодной области. Импеданс волноводов настроен таким образом, что порция в момент расширения находится в горячей области и получает тепло, а во время сжатия находится в холодной области и тепло отдает. 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.

 

Схема устройства MEMS TAR производства Fellows Research Group (фото предоставлено Г. Воротниковым)

 

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 (см. публикацию EnergyLand.info «Термоэлектричество в быту и на орбите»). Может быть, при наших успехах в области ТЭГ, термоакустика нам просто не интересна, как вчерашний день науки? Однако эксперт вскрыл полную несостоятельность такого предположения.

«Начнем с того, что ТЭГ и ТАЭГ — это принципиально разные устройства, — поясняет Геннадий Воротников. — Причем термоакустический генератор имеет КПД в несколько раз выше, чем ТЭГ. Простейшие ТАЭГ, работающие на сжигаемом мусоре, имеют КПД 15-20%. А так называемые продукты высоких технологий достигают на этих температурах КПД в 1,5 раза выше. [Максимальный КПД ТЭГ — всего 8 %, — прим.ред.]. Что же касается ближайших аналогов, то это электрогенераторы на основе механических двигателей Стирлинга. Они наиболее приближены к ТАЭГ и по термодинамическому циклу, и по КПД, и по режиму работы».

«Причины отставания отечественных разработок совсем в другом, — продолжает Г. Воротников. — Эра массового создания термоакустических устройств началась в конце 80-х гг. В этот временной период в силу объективных причин всем нам было не до науки. Кроме того, термоакустика требует подготовки специалистов новой категории, которым был бы хорошо понятен и математический аппарат акустики, и энергетические категории термодинамики, и теория пограничного слоя. Для этого нужна школа. Тем не менее, работы в этом направлении понемногу ведутся в Омске, Санкт-Петербурге, Самаре. Не хочу опережать события, но надеюсь, что в следующем году Самарский аэрокосмический университет порадует нас испытаниями такого устройства».

Зарубежные же исследователи уже сегодня достигли результатов, которые вселяют уверенность, что термоакустические генераторы в обозримом будущем получат распространение и будут пользоваться спросом, причем не только для бытового применения, но и для нужд армии и даже использования в космосе.

 

Модули Sonic Energy Absorbing System, преобразующие звук в электроэнергию

 

Генератор на службе

Так, исследования Ореста Симко (Orest Symko) и его коллег из Университета Юты (США) спонсируются американской армией. Один из образцов, созданный учеными, представляет собой стеклянную трубку-резонатор. Источником тепла служит газовая горелка. Нагрев изменяет давление газа в трубке, в результате возникает акустическая волна, воздействующая на пьезоэлектрический элемент. Военные считают, что подобные устройства можно использовать для утилизации тепла, выделяемого радарами или сложной интегральной техникой.

Та же группа исследователей разработала продукт для гражданского применения — термоакустический кулер для процессоров персональных компьютеров. Такой охлаждающий элемент поглощает тепло, выделяемое чипом при работе. Горячий воздух вызывает колебания резонатора, а образующийся звук трансформируется в электричество.

Об интересном устройстве, заменяющем генератор, печь и холодильник — SCORE (Stove for Cooking, Refrigeration and Electricity), еще в 2007 г. сообщал портал Membrana со ссылкой на университет Ноттингема (Великобритания). Продукт ориентирован на бытовое применение в странах третьего мира.

«В SCORE — два блока тонких трубок, герметично закрытых и наполненных газом, соединяющих попарно четыре теплообменника. Один из блоков получает тепло от печки и преобразовывает его в колебания: нагрев и охлаждение разных концов трубок вызывает резонанс газа внутри. Эти колебания передаются во второй блок, который работает как холодильник — он забирает тепло от холодильной камеры и отдает его окружающему воздуху, который тут же направляется в печь для поддержания горения. А между этими двумя блоками в SCORE встроен генератор электричества, питающийся за счет части энергии акустических колебаний».

 

Для домашней когенерации

Исследованиями по термоакустике занимается и компания Etalim Inc (Канада). «Etalim разрабатывает инновационный термоакустический механизм, называемый TAC, пояснил специалист компании Рон Клопфер (Ron Klopfer). — Модуль размером с баскетбольный мяч способен вырабатывать мощность до 5 кВт, используя любое топливо или источник тепла. По своей сути прибор очень прост и дешев в изготовлении, он не требует техобслуживания, а срок его эксплуатации свыше 40 лет. TAC не имеет подвижных деталей, за исключением стального преобразователя, вибрирующего на месте с частотой 500 Гц и длиной хода 200 мм и не имеющего пределов усталости.

В основе работы устройства лежат принципы термоакустической физики. Пионер в этой области — Национальная лаборатория в Лос-Аламос (США). TAC использует высокую температуру, чтобы усиливать резонансные акустические волны и затем преобразовывать колебания газа в механические вибрации, которые позволяют генерировать электричество».

В канадской компании считают, что Etalim TAC, главным образом, найдет применение в домашних когенерационных установках, рынок которых сейчас бурно развивается в Евросоюзе. Кроме того, устройство может использоваться для утилизации рассеивающегося тепла в промышленности и на транспорте, для повышения эффективности солнечных концентраторов.

«Проект будет коммерциализован в 2014 г., — добавляет Рон Клопфер, — Стоимость электричества, вырабатываемого Etalim TAC, будет весьма приемлемой — около 500 $ за кВт. Мы не видим каких-либо препятствий для широкого распространения данной технологии».

 

ТАЭГ пробьет себе дорогу

«На мой взгляд, наиболее перспективны в будущем будут микроэлектромеханические терморезонансные акустические системы (MEMS TAR), — считает Геннадий Воротников. — Работы над ними ведутся в США уже 8 лет, и последние 5 лет материалы по этим системам в открытой печати не появляются. Это термоакустические преобразователи размером от 2 мм. Изготовляются они по технологии микрочипов, имеют очень высокую энергетическую плотность в каналах и работают на килогерцовых частотах, что позволяет им достигать КПД до 77% относительно цикла Карно. Внутри они представляют собой все тот же термоакустический двигатель с электропреобразователем. Конечно, есть там и свои особенности. К сожалению, нам такие технологии пока недоступны.

В целом у термоакустических генераторов, безусловно, есть шансы стать коммерчески интересным продуктом. На сегодняшний день это одни из самых эффективных преобразователей тепловой энергии в электрическую. Ресурс их эксплуатации очень высок. Пока высшие достижения в этой области будут служить космосу и милитаристским целям развитых стран. Однако в обозримом будущем высокие технологии пробьют дорогу и в наш быт».

Так что в ближайшей перспективе всерьез можно говорить только о применении генераторов, в основе работы которых лежат принципы термоакустики. Генераторы же, использующие звуки окружающего пространства для производства электроэнергии, на сегодняшний день остаются скорее экзотикой, нежели реально эффективным устройством. Впрочем, техническая мысль не стоит на месте. Может быть, со временем будет найден способ обратить на пользу индустриальный шум, так утомляющий слух современного человека.

 

Кира Патракова

На первой фото: прототип термоакустического электрогенератора производства Northrop Grumman Space and Technology. Использовался на борту «Шатла» в 1999 г. в качестве вспомогательной энергетической установки. Самый большой цилиндр (средняя часть) – пара оппозитных линейных генераторов. Крайний справа в замкнутом волноводе – радиоизотопный источник. КПД установки до 32 %. Максимальная мощность 200 Вт (фото предоставлено Г. Воротниковым)

Читайте также: