В рамках проекта Университета штата Огайо проверяется, могут ли высокотехнологичные объекты, немного похожие на искусственные деревья, генерировать возобновляемую энергию, когда они сотрясаются ветром — или колебаниями высокого здания, движением на мосту или даже сейсмическими воздействиями. деятельность.
В недавнем выпуске журнала «Звук и вибрация» исследователи сообщают, что они обнаружили кое-что новое о вибрациях, которые проходят через древовидные объекты, когда они встряхиваются.
В частности, они продемонстрировали, что древовидные конструкции, сделанные из электромеханических материалов, могут преобразовывать случайные силы, такие как ветер или шаги на мосту, в сильные структурные колебания, которые идеально подходят для выработки электроэнергии.
Идея может вызвать в воображении образы полей, полных механических деревьев, качающихся на ветру.
Но эта технология может оказаться наиболее ценной при применении в небольших масштабах, в ситуациях, когда другие возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, не подходят, сказал руководитель проекта Райан Харн, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Огайо и директор Лаборатория исследований звука и вибрации.
Сами «деревья» были бы очень простыми конструкциями: представьте себе ствол с несколькими ветвями — листья не требуются.
Ранние приложения будут включать питание датчиков, которые контролируют структурную целостность и состояние гражданской инфраструктуры, такой как здания и мосты.
Харн представляет, как крошечные деревья подают напряжение на датчик на нижней стороне моста или на балке глубоко внутри многоэтажного здания.
По его словам, в проекте используется обильная вибрационная энергия, которая окружает нас каждый день. Некоторые источники — это движение конструкций, вызванное ветром, сейсмическая активность и деятельность человека.
«Здания очень слабо раскачиваются на ветру, мосты раскачиваются, когда мы едем по ним, а подвески автомобилей поглощают неровности дороги», — сказал он. "На самом деле, с этими движениями связано огромное количество кинетической энергии, которая иначе теряется.
Мы хотим восстановить и переработать часть этой энергии."
Он пояснил, что датчики контролируют прочность конструкции, обнаруживая проходящие через нее вибрации.
Первоначальная цель проекта — превратить эти вибрации в электричество, чтобы системы мониторинга конструкций могли питаться от тех же вибраций, которые они отслеживают.
Сегодня единственный способ запитать большинство структурных датчиков — это использовать батареи или подключать датчики непосредственно к линиям электропередачи, что является дорогостоящим и сложным в управлении для датчиков, установленных в удаленных местах. Если бы датчики могли улавливать вибрационную энергию, они могли бы получать и передавать свои данные по беспроводной сети — это действительно самодостаточный способ.
Поначалу идея использования древовидных устройств для захвата энергии ветра или вибрации может показаться простой, потому что настоящие деревья, очевидно, рассеивают энергию, когда они раскачиваются. А другие исследовательские группы проверили эффективность подобных древовидных структур, используя идеализированные, то есть не случайные, вибрации.
Но до сих пор исследователи не прилагали согласованных усилий для улавливания реалистичных вибраций окружающей среды с помощью электромеханического устройства в форме дерева — в основном потому, что предполагалось, что случайные силы природы не очень подходят для генерации последовательных колебаний, дающих полезные результаты. электрические энергии.
Во-первых, с помощью математического моделирования Харн определил, что древовидные структуры могут поддерживать колебания на постоянной частоте, несмотря на большие случайные входные сигналы, так что энергия может эффективно улавливаться и храниться через силовые схемы. Это явление называется внутренним резонансом, и это то, как определенные механические системы рассеивают внутреннюю энергию.
В частности, он определил, что может использовать внутренний резонанс, чтобы заставить электромеханическое дерево вибрировать с большими амплитудами на постоянной низкой частоте, даже когда дерево испытывает только высокочастотные силы.
Он работал даже тогда, когда эти силы были значительно подавлены дополнительным случайным шумом, поскольку естественные колебания окружающей среды были бы во многих средах.
Он и его коллеги проверили математическую модель в эксперименте, где они построили древовидное устройство из двух небольших стальных балок — одна — «ствол» дерева, а другая — «ветка», — соединенных полосой электромеханического устройства. материал, поливинилиденфторид (PVDF), для преобразования структурных колебаний в электрическую энергию.
Установили модельное дерево на устройство, которое раскачивало его туда-сюда на высоких частотах. Сначала казалось, что дерево не двигается, потому что устройство колеблется с небольшой амплитудой на высокой частоте. Тем не менее, PVDF создавал небольшое напряжение от движения: около 0.8 вольт.
Затем они добавили шум в систему, как будто дерево случайным образом подталкивалось немного больше в ту или иную сторону.
Именно тогда дерево начало проявлять то, что Харн назвал «феноменом насыщения»: оно достигло критической точки, когда высокочастотная энергия внезапно превратилась в низкочастотные колебания. В этот момент дерево заметно раскачивалось взад и вперед, а ствол и ветка вибрировали синхронно. Это низкочастотное движение произвело более чем удвоенное напряжение — около 2 вольт.
Это низкие напряжения, но эксперимент подтвердил концепцию: случайные энергии могут производить вибрации, которые полезны для выработки электричества.
«Кроме того, мы ввели огромное количество шума и обнаружили, что явление насыщения очень устойчиво, а выходное напряжение надежно. Раньше это не было известно ", — сказал Харн.
Харн продолжит эту работу, которую он начал, когда работал докторантом в Мичиганском университете. Там его коллегами и соавторами по работе были Кон-Велл Ван и Анки Сун из Департамента машиностроения.
Начальная фаза этого исследования проводилась при поддержке Летней исследовательской программы бакалавриата в области инженерии Мичиганского университета и Коллегии профессоров Мичиганского университета.