Случайные вибрации превращают деревья в электростанции
Команда исследователей в Университете штата Огайо создала электромеханические устройства, которые выглядят как крошечные деревья и могут генерировать электричество во время сейсмической активности, незначительного раскачивания высотного здания или вибрации от движения на мосту.
Следует отметить, что эта идея создана для тех ситуаций, когда требуется небольшое количество энергии.
В исследовании, опубликованном в прошлом месяце, исследователи описали свои эксперименты с новой платформой, собирающей вибрационную энергию.
«Здания чуть-чуть раскачиваться на ветру, мосты колеблются, когда мы движемся по ним и автомобильные подвески поглощают неровности на дороге», говорит руководитель проекта Райан Харн (Ryan Harne). «На самом деле, есть огромное количество кинетической энергии, связанной с теми движениями, которое мы просто теряем. Мы хотим восстановить и переработать часть этой энергии».
Первоначальная цель состоит в том, чтобы обеспечить энергией датчики низкого напряжения, которые поддерживают структурную целостность гражданских сооружений и объектов, таких как мосты и балки глубоко внутри высотных зданий.
В настоящее время эта энергия обеспечивается батареей или сетевыми датчиками, методы, которые являются дорогостоящими и их трудно поддерживать в удаленных местах. Датчики, которые могут собирать энергию колебаний могут выполнять свою работу полностью самостоятельно.
В прошлом исследователи предположили, что случайные движения, генерируемые в природе, могут быть наиболее подходящим вариантом для создания последовательных колебаний, необходимых, чтобы создать полезную электроэнергию. Похожие искусственные случайные колебания были использованы в экспериментах. В противоположность этому исследованию, команда Огайо изучила способы сбора энергии, вырабатываемыми более естественным, случайным образом.
С помощью математического моделирования, Харн подсчитал, что это возможно для древовидных структур, которые смогут поддерживать колебания с постоянной частотой, несмотря на случайное внешнее воздействие, благодаря внутреннему резонансу, явлению, что позволяет создавать некоторые механические системы, чтобы рассеять внутреннюю энергию. Энергия может затем быть собрана и сохранена с помощью энергетических структур.
Харн и его коллеги проверили модель, создав устройство, изготовленное из двух стальных балок, образующих L-образную структуру (по аналогии с стволом дерева и ветвью), поддерживаемую зажимом и прикрепленной к конструкции, которую качали вперед и назад на высоких частотах. Балки соединены полосой поливинилиденфторида (PVDF) для преобразования структурных колебаний в электрическую энергию.
Когда устройство реагировало на высокие частоты, то колебалось с небольшими амплитудами, едва видными невооруженным глазом. Тем не менее, вырабатываемое напряжение составило около 0,8 вольт. Но когда исследователи добавили случайные помехи в систему, «дерево» начало показывать то, что Харн называет «явление насыщения».
Система достигла критической точки, где энергия высокой частоты внезапно трансформируется в низкую частоту колебаний. В этой точке дерево качалось взад и вперед, вместе со стволом и веткой, которые вибрировали синхронно. Эти движения низкой частоты произвели около 2 вольт электрической энергии, увеличили электрическое напряжение более чем в два раза, что достаточно, чтобы продемонстрировать работоспособность концепции.