Энергоинформ / Точка зрения / Электростанции на пьезокерамике
Электростанции на пьезокерамике
Аннотация
Предлагается новый способ генерации электрического тока. Представлено теоретическое
основание, конструкция устройства, на базе аналогов и характеристик материалов
предполагается возможная эффективность. Рассматриваются достоинства и недостатки
способа и устройств.
Начнем, как ни странно, с обоснования возможности
«вечного» двигателя. Сегодня уже имеем обоснование невозможности, но это
для замкнутой системы; то, что требуется обосновать, будет системой второго рода,
т.е. использующей неочевидные и малоэффективные источники энергии, использовать
которые, во всяком случае, в технических устройствах, до настоящего
времени не удавалось. К указанным источникам следует отнести энергетику
атомарных процессов, имеющих неизвестное еще науке обеспечение. Предполагать, что
науке известны все виды обеспечений, было бы близоруко; так, например, обеспечивается
устойчивость кристаллической решетки, способной выполнять вполне очевидную «вечную»
работу в области упругих деформаций, так же устойчивость постоянного магнита,
способного выполнять «вечную» работу по притяжению и отталкиванию
материи подобного себе состояния. Указанное обеспечение имеет, как правило, компенсационный
характер, т.е. работа одного направления вполне компенсируется необходимой работой
в другом, в связи с чем использовать ее в качестве полезной
работы если и не вполне невозможно, то во всяком случае, проблематично.
Магнитные конструкции для изобретателей наиболее привлекательны; попытки создания
магнитных двигателей бесчисленны, имеются и рабочие образцы, неочевидные по внутренним
отношениям и малоэффективные, что при достаточной сложности конструкций ставит
серьезные проблемы их освоению. Здесь речь о других конструкциях, использующих
в качестве обеспечения иные отношения, так же атомарного уровня.
Давно известно явление пьезоэффекта; очевидным является факт «вечной»
жизни пьезоэлектрика, генерирующего статический потенциал при деформации в зоне
упругости. Здесь, правда, источник энергии не столь очевиден при наличии внешнего
усилия, прикладываемого к материалу и вызывающего его деформацию. По этой
очевидной связи с усилием устройства и получили наименование пьезоэлектрических
преобразователей, преобразующих один вид энергии в другой, но стоит задуматься —
так ли это?
Согласно существующим представлениям о природе пьезоэффекта, сформированным
около 2,5 веков назад братьями Кюри, явление есть следствие ионной асимметрии в кристаллической
решетке материала, в результате чего дипольный момент, нулевой в естественном
состоянии, приобретает значение в деформированном. Таково общее изложение принципа,
не объясняющего, впрочем, многих деталей; например: отсутствие взаимной компенсации
потенциала в смежных ячейках решетки с одинаковым направлением деформации,
также отсутствие потенциала в деформированном состоянии при отсутствии изменений,
т.е. когда потенциал был, но его уже сняли, не сняв деформации...
Что важно: принцип не утверждает источником энергии, заключенной в электрическом
потенциале — деформацию; источником является ионный потенциал, тогда
как деформация лишь средство его проявления, потому проявляется пропорционально
деформации, а равно напряжению в материале. Различие природы потенциала
и механического напряжения можно уже понять по отношению величин: потенциал —
производная напряжения, т.е. будучи периодическим, представляет отстающую на четверть
периода гармонику изменений напряжения в материале, образуя максимум в моменты
нулевых напряжений и сходя на ноль в момент максимальных и минимальных
(что несложно наблюдать на пьезоэлектрической зажигалке). Этот именно характер
зависимости никак не отражается в математической модели электроупругости,
сформированной на основании соотношений Фогхта. Последняя (т.е. математическая
модель) так же не утверждает источником энергии механическое напряжение,
полагая лишь линейную зависимость величин; источник безосновно предполагается, причем
неверно, по аналогии с источниками известных электрических явлений —
отсюда происходит понятие преобразования в пьезокристаллах как преобразователях
одного вида энергии в другой. Здесь будем придерживаться иной точки зрения,
что деформация лишь средство проявления энергии атомарного уровня; деформирующее
усилие расходуется на нагревание, как это происходит со всеми прочими
материалами, и непосредственного отношения к потенциалу уже не имеет.
В расширение принципа Кюри можно предложить следующее объяснение пьезоэффекта:
Будем исходить из того, что статический потенциал — производная
функции деформации, поскольку разность потенциалов получаем при изменении нагрузки.
Так можно предположить, что при деформации берет начало процесс перераспределения
связевых отношений; одни ионы начинают смещаться прежде, чем соседние успевают на это
смещение реагировать. Этот процесс характерен для любого кристалла, любой обладает
пьезоэлектрическими свойствами, однако в степени, подобной магнитным свойствам
парамагнетика, т.е. мы их просто не замечаем. Отличие пьезоэлектрика —
в характере кристаллической решетки. Наиболее распространенный —
кварц — имеет ромбоэдрическую решетку, представляющую две соосные шестигранные
пирамиды с единым основанием. В такой и в подобных конструкциях
имеем возможность получить не местный, в пределах одного или группы кристаллов,
но глобальный характер изменений при условии единого направления, обеспечиваемый
пирамидальной структурой связей. Так при перемещении одного иона вершины пирамиды
ячейки кристалла изменяются отношения с шестью ионами основания, каждый из которых
есть также вершина другой пирамиды, каждая из которых имеет свое основание
и т.д. Совокупная пирамида изменений будет одного знака, определяя т.о. единое
направление перераспределения потенциалов, и, кроме этого: удерживающие основание
пирамиды связи многократно превосходят изменяющие в вершине, в результате
чего стабилизация ячейки возможна лишь при стабилизации системы в целом.
Прямым подтверждением связи пьезоэлектрических свойств с геометрией будет
наличие аналогичной конструкции решетки в известных природных пьезоэлектриках:
кварце, сегнетовой соли, турмалине..., правда ЭМС природных материалов невелика
(не выходит за пределы 4%), но это уже по другой причине.
И, поскольку уже зашла речь о расширении теоретической конструкции —
несколько слов о понятии статического потенциала:
Статический потенциал и электрический ток — не неподвижный
и движущийся заряд, но два разных уровня энергетического состояния. Высший —
статический, есть производная низшего — электрического, потому можем
получить статический циклическим изменением постоянного тока, что именуем —
переменный электрический ток. Статический потенциал не есть переменный ток,
т.е. само периодическое движение электронов, но более высокое и самостоятельное
существо, способное свои проявления порождать. Различие понятий отражает тот факт,
что постоянный ток невозможно получить, беря один полюс с источника, другой
с заземления, т.е. постоянный ток всегда относителен. Переменный, если его
понимать только как периодически изменяемое движение электронов, так же должен
быть относительным, ибо ничего не меняется; но он абсолютен, и лишь
потому, что представляет еще и другой, более высокий уровень состояния, характеризуемого
другим, собственным потенциалом. Последний так же имеет знак, только другой,
как бы организуя циклы изменения низшего уровня в ту или иную сторону;
подвержен сложению, но не как электрический ток, т.е. последовательным
соединением источников, а параллельным, потому уже имеем возможность его накопления.
Величина потенциала пропорциональна амплитуде и частоте переменного тока, т.е.
если для геометрических систем общий потенциал равен: m = r × v2 (формула
из ненаучного основания), то электростатический: Q = A3 × f2; т.е.
произведению куба амплитуды на квадрат частоты.
Спонтанные проявления статического потенциала всегда только импульс, поскольку
регистрируем проявления, очевидные в момент разрешения на землю либо противоположный
знак, т.е. в момент уничтожения потенциала, проявляя т.о. процесс уничтожения,
что есть электрический ток. Потенциал характеризуется скоростью и направлением
изменения своего проявления; он не измеряется в вольтах —
то, что так измеряем — напряжение частного проявления, зависимое нагрузки,
т.е. если используем низкоомный измеритель, получим напряжение существенно меньшее,
чем в случае измерения высокоомным.
Цель приведенных выше теоретических обоснований в утверждении принципиальной
возможности использования энергии внутриатомных процессов, каковые уже и используем,
не подозревая источника; проблема в практической реализации, каковая зачастую
неэффективна. Если непосредственно нагружать и разгружать пьезокерамический
элемент сжимающей нагрузкой, он будет генерировать потенциал, но механические
затраты окажутся несоизмеримо выше полезной работы порождаемого им тока. Здесь
и понадобятся средства эффективного извлечения. Так можно нагружать и разгружать
элемент, меняя лишь точку приложения нагрузки, т.е. перемещая ее по пьезокерамике
посредством качения; коэффициент трения качения шарика — 0,003, ролика —
0,005 (отношение горизонтального усилия к вертикальному); эффективность повышается
многократно.
Такая конструкция представляет наборное пьезокерамическое кольцо из плотно
подогнанных друг к другу элементов вертикальной поляризации с индивидуальным
отводом потенциала от каждого элемента. Это подобие упорного подшипника; при
качении ролика (все-таки удобнее — ролика) пьезокерамические элементы
будут попеременно сжиматься и разжиматься, генерируя противоположный потенциал,
который посредством диодной пары будет направляться на ту или иную шину
устройства:
Для ориентировочной оценки результата предположим и конкретное устройство:
Это цилиндр диаметром 3 и высотой 18,5 м, из обычного строительного
бетона. Вес цилиндра при объемном весе бетона 2,4 тс/м3 — 314 тс,
длина окружности основания — 9,42 м. Под цилиндром располагается
упорный подшипник с наборными обкладками из пьезокерамики —
именно 1884 элемента сечением 0,5×1 см и высотой 2 см, по которым
бегают 628 стальных роликов. На элемент будет приходиться нагрузка от ролика
500 кг, что менее 1/3 предела прочности пьезокерамики (320 МПа на сжатие).
Для оценки эффективности обычно используют аналоги. Из имеющегося опыта
работы с пьезокерамикой можно привести характеристики преобразователей Мартына
Нунупарова (пьезокнопки, состоящие из пьезокерамического элемента, двух диодов и,
в качестве накопителя энергии — конденсатора):
Была продемонстрирована эффективность на 1,5 % преобразования механической
энергии к электроэнергии в очень компактном пьезоконверторе (80×20×10 мм)
с электрической схемой (30×15×10 мм) В частности, механическая
работа 40 мДж, созданная механической силой F=2 кг со смещением пружины
пьезоэлемента l=4 мм, может быть преобразована в электроэнергию 0,6 мДж
заряженного конденсатора C=100мкФ и напряжением Uout=3,5В. Эффективность пьезоконвертора
может быть увеличена с модификацией пьезоэлемента и электронной схемы.
Лучший результат сегодня — пьезоконвертор с 5%-ой эффективностью —
42 мДж механической работы были преобразованы в 2 мДж электроэнергии
заряженного конденсатора (100мкФ, 6,3В). (ссылка: http://www.gpi.ru/~martin/2.htm
, на английском языке)
Можно опереться на эти данные как экспериментальные и оценить возможный
КПД предложенного выше устройства. Даже при 1,5% эффективности преобразования механической
энергии в электрическую и трении качения 0,5% (для роликов) получим прибыль
эффективности в 100%, т.е. 200% КПД. Возможно, что трение окажется не 0,5%,
но несколько больше (фактор рассмотрен ниже), тем не менее можно уже сказать,
что КПД будет достаточно высок.
Можно попробовать оценить КПД устройства исходя из заявляемых изготовителями
пьезокерамики коэффициентов ЭМС (электро-механической связи). При модуле упругости
(для ЦТС-19) — 73,4 ГПа под нагрузкой в 500 кг (распределенная
на 0,5 см2 площади элемента), получим деформацию 0,0272 мм. Работа силы
500 кг на этом расстоянии в обоих направлениях (полный цикл) составит
0,2725 Дж, что за один оборот устройства даст 0,2725×628×1884
= 322410 Дж. Энергия выхода, исходя из ЭМС 75% (заявленные значения 50-85%),
составит 241806 Дж. Работа по вращению груза 314 тс при коэффициенте
трения 0,005 составит: 3140000×9,42×0,005 = 147894 Дж. КПД
= 163,5 %, что несколько ниже экспериментального.
При этом КПД можно поднять, увеличив, например, высоту пьезокерамического элемента.
При увеличении ее до 3 см получим уже 245%, однако следует учесть
(чего пока не учитываем), что и коэффициент трения при этом так же
изменится.
Сомнение здесь вызывает КПД, превышающий 100% порог, который действительно требует
комментариев:
Понятие КПД является неадекватным в системах с отсутствием прямой зависимости
энергетических форм на входе и выходе устройства; мы можем все-таки
его применить к предлагаемому устройству вследствие наличия формальной зависимости,
происходящей из коэффициента ЭМС (электро-механической связи) пьезокерамики,
связывающей т.о. средство и результат. В основном комментарии коснутся
этой именно связи:
Понятие ЭМС сформировано независимо [?] пьезоэлектриков, на основании абстрактной
электрической машины, преобразующей механическую энергию в электрическую (генераторы),
либо наоборот (двигатели), и представляет отношение силы (крутящего момента)
к току, протекающему по проводнику. Вполне разумно, что коэффициент изначально
не может быть более единицы, поскольку относится к преобразователям, каковыми
именно и являются магнитоэлектрические машины, но не пьезоэлектрики.
(Последнее утверждение очевидно также на факте, что при электрической нагрузке
на выходе обычного генератора получаем соразмерное затруднение вращения привода,
тогда как при снятии потенциала с пьезокерамического элемента получаем даже
облегчение его деформации вследствие снятия вторичного, уже обратного, пьезоэффекта.)
В пьезокерамике, однако, используется этот коэффициент, имеющий в различных
источниках весьма сложное и весьма различное толкование, в общем же
подразумевающий тот же смысл производительности устройства. Предполагается,
что он здесь так же не может быть более единицы; предположение зачастую
и определяет значения, устанавливаемые заводами-изготовителями. Трудно сказать
об истинном положении с измерениями, возможно существующие сегодня пьезоэлектрики
действительно не превосходят этой величины (заявляемые ЭМС не более 0,9);
это не говорит, что они не появятся завтра (предположительно многие марки
пьезокерамики уже сегодня имеют ЭМС более единицы).
Но главное — даже применение пьезокерамики с ЭМС менее единицы
не является препятствием наличия КПД более 100% , поскольку работа устройства
основана более на использовании компенсационного механизма. Энергия статического
потенциала равно выделяется при нагружении и разгружении пьезокерамики, имея
лишь противоположный знак, что в данном случае легко разделить и использовать.
Но компенсации подлежит входящая форма, энергетический баланс полного цикла
каковой равен нулю (без учета обеспечения движения нагрузки, т.е. за минусом
энергии, затрачиваемой на трение качения). Если б не трение, можно
сказать, что имеем возможность получения полезной работы без каких-либо энергетических
затрат, ибо работа по нагружению вполне компенсируется работой упругой реакции
пьезокерамики, равно препятствующее с одной стороны и способствующее качению
ролика с другой.
Очевидно процесс качения ролика, также причины образования и воздействия
трения, все-таки требуют пояснения. Рассмотрим рисунки, изображающие положение ролика
на поверхности наборной обкладки из пьезокерамических элементов:
Из рисунков очевидно, что в статическом положении ролик находится в равновесии,
ибо сумма сил справа и слева от центра оказываются компенсированными.
Такое же равновесие предполагается иметь и в состоянии медленного
движения ролика, когда динамическими составляющими изменений можем пренебречь.
Не менее очевидно, что трение качения не является результатом движения
ролика по поверхности большей либо меньшей жесткости; жесткость играет здесь
косвенную роль, обеспечивая больший либо меньший контакт ролика с поверхностью.
Трение качения есть следствие взаимодействия поверхностей ролика и его основания,
подготовкой каковых возможно существенно снизить либо повысить его значение. Увеличение
жесткости материалов так же окажет влияние на значение трения, однако,
уже косвенным образом.
Значение 0,005 для роликов получено экспериментальным путем, на качении
металлического ролика по металлической поверхности без какой-либо подготовки.
Сложно сказать о коэффициенте качения стального ролика по наборной обкладке;
условная площадь контакта (по поверхности ролика) окажется существенно больше
вследствие уменьшения модуля упругости пьезокерамики относительно металла (в 2,5 —
2,8 раза), также раздельной работы элементов, ибо в сплошной обкладке
в работу включаются участки, удаленные от места положения ролика; но следует
учесть так же, что эта условная площадь гораздо больше фактической, ибо удаленные
от оси ролика элементы касаются ролика не всей поверхностью —
только незначительной частью, что практически сводит площадь контакта к площади
ролика на сплошной поверхности. Вполне вероятно, что при наличии подготовки
поверхности можно все-таки приблизиться к установленному значению трения —
0,005.
И несколько слов о возможных изменениях:
Уже очевидно, что с увеличением высоты обкладки КПД устройства соразмерно
возрастет, отчасти возрастет и сила трения качения по слабому основанию.
Увеличение горизонтальной поверхности элементов совместно с пропорциональным
увеличением высоты никакой выгоды в эффективности не даст, но существенно
повысит долговечность конструкции, пьезокерамика будет работать под малыми нагрузками,
далекими от разрушающих. Кроме того, увеличение длины элемента (в радиальном
направлении) соразмерно увеличению высоты, снизит трение качения, ибо при этом уменьшится
удельное давление на пьезокерамику.
Итак, представлена конструкция генератора совершенно
нового типа. Она имеет свои недостатки, весьма существенные для утверждения революции
в энергетике; она громоздка при относительно малой производительности. (Для
ориентировочной оценки: прибыль эффективности в 50% для описанного устройства
при наличии только одной обкладки представляет 73950 Дж за один оборот,
что при вращении груза со скоростью 5 оборотов в минуту даст 6,163
кВт электроэнергии. Этого достаточно для среднего загородного дома, но недостаточно
для его отопления. Впрочем, нужно учесть, что такова постоянная отдача, энергию
можно накапливать для использования в максимумы потребления. Реальная прибыль
прогнозируется все-таки выше 50% величины; кроме того, здесь не учтен факт
использования подшипника с двумя обкладками также и многоярусного...)
Таков главный, но, пожалуй, единственный недостаток. Остальное относится к достоинствам
конструкции:
1 — она проста как подшипник, потому максимально надежна;
2 — она дешева, не использует редких материалов, высоких технологий;
3 — она не привязана к местности, погоде и времени суток,
невосприимчива к агрессивности внешней среды, не требует защиты от тепла
и влаги;
4 — она не нуждается в эксплуатационных расходах и обслуживании
(в худшем случае обходится минимумом персонала и его квалификации).
5 — она экологически чиста, бесшумна, не имеет выделений и отходов
производства;
6 — она дает свободную энергию, не потребляя энергетического сырья.
Впрочем, есть и некоторое неудобство использования, заключающееся в зависимости
напряжения от нагрузки. В магнитоэлектрических генераторах ток в цепи
поддерживает привод, автоматически увеличивающий свою мощность; здесь мощность источника
постоянна, ток возрастает за счет падения напряжения при постоянной мощности
выхода. Неудобство отчасти компенсируется изменением скорости вращения груза, каковая,
однако, не должна превышать некоторой предельной величины.
Описанный в статье способ генерации ЭДС заявлен
в качестве изобретения; патент на момент публикации еще не получен,
но приоритет установлен.
Автор: Фрейман Игорь Евгеньевич (igorfreiman@yandex.ru), опубликовано 25.06.2010 г.
