Китайские инженеры сделали ветряной трибогенератор, адаптированный для низких скоростей ветра. В его основе лежит эффект Бернулли, который позволил стабилизировать колебания двух гибких полосок на ветру. В результате требуемая для эффективной работы скорость ветра упала почти в два раза по сравнению с другими конструкциями. Статья опубликована в журнале Physical Science.
Трибоэлектрогенераторы (или трибогенераторы) — это устройства, которые производят ток из трения по схожему принципу с тем, как электризуется шерсть. Источник движения для трибоэлектрического эффекта не важен, зачастую для подзарядки носимой электроники используют движение человеческого тела, а корейские ученые запитали игрушки от прикосновений детей. Если говорить об использовании энергии ветра, то на данный момент у турбин нет конкурентов с точки зрения мощности, но их нецелесообразно строить для питания небольших автономных устройств. В то же время, ветряной трибогенератор размером меньше ладони способен питать погодный датчик или иные подобные приборы.
Производительность ветряных трибогенераторов можно увеличить при помощи флаттера. Обычно так называют гибельный для самолетов эффект, который разрушает крылья, но проявляется он гораздо шире. Гибкие тела, как флаги, листья, колеблются на ветру. При определенных соотношениях размера полотнища и скорости ветра флаг и воздух войдут в резонанс, и интенсивность колебаний начнет резко возрастать, что удобно для генерации энергии.
Два десятилетия назад ученые экспериментально выяснили, что эффект Бернулли может дополнительно увеличить амплитуду колебаний. Согласно закону Бернулли, при увеличении скорости потока жидкости или газа падает статическое давление. В этом легко убедиться без специальной аппаратуры: если взять две полоски бумаги, поднести параллельно друг другу на расстояние пары сантиметров и подуть между ними, то они слипнутся между собой. В случае когда два гибких тела расположены на близком расстоянии, эффект Бернулли усилит их флаттер и синхронизирует фазы колебаний.
Группа ученых из Чунцинского университета и Пекинского института наноэнергетики и наносистем под руководством Синь Чэня (Xin Chen) разработала ветряной трибогенератор, использующий эффект Бернулли. Его ключевая деталь — две полоски длиной восемь сантиметров, состоящие из слоев поливинилиденфторида и фторэтиленпропилена, разделенных слоем серебра. Их расположили на небольшом расстоянии параллельно друг другу и подвели провода. В таком виде прибор уже может генерировать электричество от дуновения ветра, но для извлечения максимальной мощности было важно правильно подобрать дистанцию между полосками. Дело в том, что при минимальном расстоянии они склонны колебаться синхронно, с нулевым сдвигом фаз. В данной конструкции это невыгодно: генератор спроектирован в расчете на периодическое соприкосновение двух элементов. Если расстояние будет слишком большим, то синхронизация пропадет вовсе, и колебания станут хаотичными. Поэтому опытным путем инженеры выяснили, что лучше всего будет установить полоски на расстоянии четверти их длины. В этом случае они колеблются в противофазе и стабильно соприкасаются.
Трибогенератор на основе эффекта Бернулли хорош в первую очередь тем, что он приспособлен к низким скоростям ветра. Большинство подобных устройств выходит на пик эффективности при скорости потока свыше десяти метров в секунду, в то время как новый образец хорошо работает уже при шести. При скорости ветра от четырех до пятнадцати метров в секунду генератор выдавал от 0,8 до 2,5 милливатт, что достаточно для питания портативных маломощных приборов, таких как светодиоды или метеодатчики.
Поскольку электронные устройства в современном мире встречаются на каждом шагу, а будет их еще больше, инженеры придумывают все новые нестандартные способы генерации тока. Например, Boeing запатентовала электрогенератор на шуме самолетов, а портативная гидротурбина поможет зарядить телефон в походе.
Василий Зайцев