Zvuk jako cesta k přeměně tepla na elektřinu  
Fyzikové z University of Utah vyvinuli malé zařízení, jež umí přeměnit teplo na zvuk a ten následně na elektřinu. Nová technologie je příslibem nových možností využívání odpadního tepla, sluneční energie, způsobu chlazení počítačů a kdo ví, čeho ještě.

 

 

Zvětšit obrázek
Orest Symko předvádí, jak teplo z plynového hořáku, je-li nasměrováno na přepážku v trubici, přemění se na zvuk. (Credit: University of Utah)

Přeměna tepla na zvuk nic světoborného není. Umí se to už celé desetiletí. Zařízením, která to dokáží, se říká akustické tepelné stroje. Nyní přišli vědci s nápadem, jak z tepla vyrobený randál zužitkovat a přeměnit jej na elektrický proud.


 

Většina zařízení k zužitkování tepla byla dosud velká, nebo málo efektivní. Tento hendikep je předem vyřazoval z použití v počítačích a jim podobných malých přístrojích.

Zvětšit obrázek
Scott Backhaus. Zatímco v Utahu tvrdí, že mají zařízení o délce 11 až 18 centimetrů, která dosahují 40% energetické účinnosti klasických vznětových a zážehových motorů. Scott Backhaus, odborník na termoakustiku z Los Alamos National Laboratory, vyslovuje pochybnosti. Backhaus tvrdí, že také pracoval na některých aplikacích tohoto zařízení, ale že se mu účinnosti blížící se hodnotě 40%, nikdy dosáhnout nepodařilo.

Nejmenší tepelné akustické zařízení, které se Američanům nyní podařilo vyrobit, má délku 1,8mm. Pokud se tyto miniaturní stroje spojí do větších celků, jsou schopny produkovat 1 watt elektrické energie z každého centimetru krychlového objemu využitého prostoru. Symko je přesvědčen, že tyto prvky bude možno spojovat a ve formě prefabrikovaných buněk z nich sestavovat nový typ solárních panelů.   

 

Vědec chce do roka také vyřešit spojování jednotlivých miniaturních zařízení do větších celků a zahájit jejich hromadnou výrobu.

 


Pokud by všechno šlo dobře, nemuselo by to trvat dlouho a budeme tu mít nový typ strojů, které budou schopny  z klasických zdrojů – plynu a uhlí, produkovat elektrickou energii.

 

Většina tepelně elektrických zařízení využívajících zvukové vlny, kterou Symko v laboratoři vyrobil, je zabudována do trubkových rezonátorů, jejichž velikost je zhruba taková, že nám „padnou“ do ruky. Každá z těchto trubek (rezonátorů) obsahuje oddíl s velkým počtem malých prvků, které jsou zhotoveny tak, aby měly velký povrch. Tvoří je například plátky kovu, nebo vlákna z kovu a nebo ze skla.

Zvětšit obrázek
Symko demonstruje jak teplo ze žhavící spirály napájené z baterie se malém tepelném stroji mění na slyšitelný zvuk a ten po přeměně na elektrickou energii rosvěcuje červenou žárovičku. (Credit: University of Utah)

Dokonce se může jednat jen o vlákna z bavlny. Tato přepážka rozděluje trubku na studeno - horký  a horko - teplý výměník. 

Když se do takto přepažené trubky zavede plamen, nebo se v ní zapojí topné tělísko, vyvolá to na straně výstupu teplého vzduchu akustické vlny. Trubka začne vyluzovat tóny. Stane se z ní tak trochu flétna nebo varhanní píšťala. Dlouhé rezonační trubky vyluzují hluboké tóny, ty nejkratší zase piští.

Na jedné straně tedy do trubky vkládáme teplo a na výstupu máme zvuk. Teď přicházíme k té geniálně prosté myšlence - přeměně vzniklého rambajzu pomocí piezoelektrického jevu na elektřinu.
Tento princip má celou řadu předností. Zatímco u klasických benzínových nebo naftových motorů se při jejich výrobě musí bazírovat na přesnosti, dbát aby vše přesně k sobě lícovalo, u výroby těchto píšťal se z nějaké té menší nepřesnosti nestřílí. Symko tvrdí, že zařízení dokonce ani nenemusí znepříjemňovat své okolí rušivým hlukem. K zajištění tichosti provozu těchto strojů prý lze volit hned několik cest. Stačí patřičně zkrátit rezonátor a celé zařízení začne pracovat v oblasti ultrazvuku. Ten, jak známo, je pro lidské ucho neslyšitelný. Druhým způsobem, jak omezit nepříjemné akustické „smetí“ spočívá v zatížení celého zařízení. Jakmile z něj začneme odebírat elektrický proud, produkovaný randál významně klesá. A konečně poslední způsob, kterého lze využít, je obalení stroje protihlukovou izolací.

 

Několik technických údajů
Stroji o délce necelé čtyři centimetry a šířce něco málo přes jeden centimetr, stačí k produkci zvuku teplotní rozdíl mezi studenou a teplou částí výměníku jen 32 stupňů Celsia. Některé stroje produkují zvuk, jež dosahuje hladiny 135 decibelů. To je více, než vydává pneumatické kladivo.

 

Zvětšit obrázek
S takovýmto miniaturním tepelně akustickým strojem Synkos počítá, že bude zajišťovat chlazení v počítačích a z odpadního tepla vyrábět elektrický proud. (Credit: University of Utah)

Zvyšováním tlaku v rezonátoru lze ze stejného zařízení dostat více rámusu a tím také více elektřiny. Pokud rezonátor pracuje se zvýšeným tlakem, stačí menší teplotní rozdíl k tomu, aby zařízení začalo pracovat a rozezvučelo se. To je velmi podstatné zjištění, především pro výrobce elektroniky, protože počítače a jim podobné přístroje, většinou produkují jen malé množství odpadního tepla. Podle autora objevu ale i notebooky produkují dost tepla na to, aby se toto zařízení využilo k jejich chlazení a tím i jako zdroj dodatečného proudu.
Aby mohlo dojít k efektivní přeměně zvuku na elektřinu, musí být jednotlivá zařízení párována.To proto, aby produkované zvukové vlny byly o stejné frekvenci a aby vibrace byly synchronní.

 

Zvětšit obrázek
Teoreticky se s takovým zařízením budeme moci v Brdech brzo setkat. Symko totiž hodlá do jednoho roku dokazovat výhodnost tohoto zařízení při zužitkování odpadního tepla na vojenských radarech.

Nejnovější výzkum těchto strojů ukázal, že na výkon zařízení má významný vliv tvar rezonátoru. Pokud má zařízení tvar kruhový, je dvakrát tak efektivní, než když je rezonátor obyčejná rovná trubka. To je dáno tím, že tlak a rychlost proudění vzduchu v kruhově tvarovaném prostoru je většinou synchronní.

 

Na výzkumném projektu se pod vedením profesora Symko podílí také studenti. Jedné ze studentek se podařilo vytvořit tak malé zařízení, že je jen o polovinu širší, než je tlouštka mince zvané americký cent. Výkon tohoto miniaturního stroje je přesto obdivuhodný. Po zahřátí produkuje zvuk o síle 120 decibelů!  To je zvuk, jakým ječí sirény a nebo pro který si chodíme na rockové koncerty. Je to jedno z nejmenších termoakustických zařízení, které kdy bylo vyrobeno a to zřejmě ještě není konečná hranice. Nicotné rozměry a vysoký výkon otevírají těmto strojům cestu k jejich masové produkci a k jejich širokému využití. Někteří fyzikové hovoří o technologii vysoce efektivních elektráren, automobilech, jejichž chladiče vyrábí proud, elektrických přístrojích zužitkovávajících i ta nejmenší množství odpadního tepla, o nové generaci solárních článků,...

 

Pramen: University of Utah 


 

Datum: 07.06.2007 05:50
Tisk článku

Fyzika pro gymnázia - Fyzika mikrosvěta - Štoll Ivan
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 139 Kč
cena: 124 Kč
Fyzika pro gymnázia - Fyzika mikrosvěta
Štoll Ivan

Diskuze:

elektrárna ve vesmíru

Cygnu,2007-06-09 10:52:15

Jen drobnost, ve vakuu hluk nevadí a rozdíl teplot mezi stranami objektu z nichž jedna je přivrácená ke slunci a druhá ve stínu je dost značný. Tam bych viděl velmi praktické využití bez ohledu na to jestli je účinnosti 10% nebo víc. A narozdíl od solárních článků, které se dneska používají takový tepelný převaděč nebude závislý na drobném poškození povrchu, nebo prachu atd...

Odpovědět


Tohle by nám jednou mohlo zachránit zadek

HBEfan,2007-08-17 21:36:05

No především ve vakuu se žádný zvuk, který je vázán na látkové prostředí, vůbec nešíří. To celé je ale zajímavá myšlenka, jak vyrobit elektrickou energii z tepla aniž by mezi tím strašila nějaká parní turbína. Jen si říkám, proč neexistuje způsob přeměny bez jakéhokoli mezistupně, kterým je v tomto případě zvuk. Když existuje přímá přeměna z elektrické energie na tepelnou (např. přímotop, kde si zatopíme Jouleovým teplem), tak to musí jít i naopak. Termočlánek je klasický případ, ale tudy cesta asi nevede. No však až tady budou vlivem globálního oteplování 70stupňový vedra, tak se tenhle výzkum možná posune kupředu...

Odpovědět

..s okamzitou..

jara cimrman,2007-06-08 19:56:50

..s okamzitou platnosti doporucuju instalovat ono zarizeni ve vlade, v parlamentu, a aspon trochu vyuzit tech teplych hlavicek a toho kravalu ke slusnejsimu ucelu...Vas Jara Cimrman

Odpovědět

ucinost

DRK,2007-06-08 12:02:05

Ta 40% ucinost se mi nezda...
Kazdopadne proc menit energii z tepelne na mechanickou a pak na elektrickou kdyz jde tepelna energie menit primo na elektrickou ? Viz napr. Seebeckův jev.

Odpovědět


Re: ucinost

edison,2007-06-10 11:05:54

1. Pochopitelně i na termoelektrické jevy se vztahuje II. věta termodynamická a tedy i Carnotův cyklus.
2. Termoelektrická zařízení generují šíleně malé napětí, takže pro dosažení "rozumné" účinnosti je nutné, aby to celé mělo i velmi malý el. odpor. Ale všechny dobře el. vodivé materiály jsou i dobrými vodiči tepla.
- Při malém rozdílu teplot je účinnost malá kvůli Carnotovu cyklu, při velkém rozdílu zas většina tepla přímo prochází bez účasti na výrobě el.
Praxe: NASA považuje za velký úspěch, že můžou v některých případech nahradit peltier s účinností 5-10 % termoakustickým generátorem s 10-16 %.

Odpovědět

Vyuzitie v notebookoch

Andrej,2007-06-07 19:43:24

To by ma zaujimalo ako dostanu do notebooku hrubeho asi tak 2 cm tento pristroj. Navyse typicky mobilny procesor spotrebuva tak 10 W energie takze na vyuzitie v notebookoch (ako tu bolo pisane) tato technologia asi nie je vhodna. Iba ze by povazovali produkciu 0,1 W energie za dostatocnu. :)
Ale som rad ze mozno za par rokov sa tato technologia dostane do serverov a desktopov - dufam.

Odpovědět


Prave ze se povedla

Colombo,2007-06-07 20:01:57

miniatiruzace

Odpovědět


spotreba

Hps,2007-06-07 21:05:30

Ale tady jde o chlazení.

Odpovědět


výkon

pavelm,2007-06-07 22:22:24

Je jedno kolik procesor spotřebovává, ale jestli se povedlo dosáhnout 40% účinnosti, tak to znamená znatelný prodloužení výdrže.

Odpovědět

asd

se,2007-06-07 14:18:13

A nebylo by vyhodnejsi pouzit spojeni dvou ruznych kovu namisto obezlicky s piezem??

Odpovědět

Měl by proč

Pavel,2007-06-07 12:02:16

Nejúčinějším strojem na přeměnu tepelné energie na mechanickou (a zvuk je mechanická energie) je stroj pracující v Carnotově cyklu. Jak si vzpomínám z termodynamiky, existence účinějšího stroje by porušovala druhý termodynamický zákon. No a vzhledem k účinnosti Carnotova cyklu (T2-T1)/T2 je při malém rozdílu teplot učinnost malá. Pro rozdíl teplot 32° a pokojovou teplotu chladiče vychází méně než 10%, s vyšší teplotou při stejném rozdílu teplot účinnost klesá. A to mluvíme o ideálním případě, reálné tepelné stroje zdaleka účinnosti Carnotova cyklu nedosahují.

Dále přeměna tlaku na elektřinu v piezokrystalu je také dost malá, přesná čísla nevím ale o moc víc než 10% to nebude.

Takže pokud z 1cm3 dostanou 1W, tak ho musí zahřívat za ideálních podmínek příkonem 100W, reálně to bude možná i desetkrát více.

Docela by mě zajímalo, jaké účinnosti dosáhli, ale mě se nějak z toho ta výhodnost ztrácí...

Odpovědět


Re

Michal,2007-06-07 12:11:54

Ano, u nových zařízení (a zvlášť "ekologických") se o účinnosti či ekonomii provozu - momentálně dosažené a teoreticky dosažitelné - obvykle taktně mlčí.
Největší kinetický účinek může mít to, že při dostatečném randálu se všichni z okolí rychle rozprchnou :-)

Odpovědět


Nízkoenergetické zdroje

Stanislav,2007-06-07 12:47:53

Mně připadá ta hlavní výhodnost v samotném faktu zužitkování nízkoenergetického tepla. Je jasné, že na tomhle energetiku nepostavíte.

Odpovědět


určitě?

pavelm,2007-06-07 12:49:32

Ale tady nejsou žádné písty, určitě to funguje stejně?

Odpovědět


Re: Měl by proč

edison,2007-06-10 11:13:01

"Dále přeměna tlaku na elektřinu v piezokrystalu je také dost malá, přesná čísla nevím ale o moc víc než 10% to nebude."
- Praxe je trochu jiná. Např. podsvícení displejů v mnoha nových noteboocích je napájeno s pomocí piezoelektrického transformátoru. Jeho účinnost bývá těsně nad 90 %. Dlužno upozornit, v že transformátoru tato přeměna probíhá 2x, takže účinnost jednoho kroku vychází nad 94 %.

Odpovědět


edison ma

Jiri Hasek,2012-10-05 00:29:42

s tou ucinosti piezoelektrickeho jevu pravdu. Piezoelektricky jev je vratny a funguje obema smery. Vyuziva toho kdejaky vysilac/prijimac asi sto let pro generovani stabilniho kmitoctu pomoci vybrusu kremeneho krystalu. Vyrabi se velmi siroky sortimemt piezoelektricke keramiky pro "silove " aplikace. Dost rozsahly prumyslovy segment.

Odpovědět

Chladič?

pavelm,2007-06-07 10:48:28

Chladič? A co takhle vymontovat motor a topit tomu nějakým hořákem?

Odpovědět

2TZ

Xavier,2007-06-07 09:50:05

Jen aby nedostal 2. termodynamický zákon na prdel :)

Odpovědět


?

pavelm,2007-06-07 10:51:57

Proč by měl?

Odpovědět


2TZ

Oomega,2007-06-09 21:30:38

pac je to looser, ja ho znam:)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace