1598005429-afd80cdf49ba7e5f6ece6b974d8fd3c4 (811213), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Давление при ударе в этом случае можно оценить по приближенной формуле, приводимой В. В. Шулейкиным «: Р, 0,09 Т«т/м«=0,009 Т' кг/см', где Р— ударное давление, тlм»; Т вЂ” период волны, При Т>=10,5 с Тх=112 с', Рх — 1,1 кг/см', Р=110 кг, что близко соответствует рассмотренному приме у. С ледует отметить, что подсчитанная сила ударного давления волн соответствует так называемому давленихо навала волн, длящемуся 0,01 — 0,02 с; этому давлению предшествует короткий пик ударного давления, имеющий примерно на порядок меньшусо длительность, т.
е. 0,001— 0,002 с, и пр»ьмерно вдвое большее значение, т.. 200— е. . 20 кг. Поэтому максимальное значение электрической ШГ««звов В. В. Крвтязй "Уро физики моря. Лл ГИМИя, 1059 энергии при таком ударе будет примерно вчетверо выше, т. е. 20 — 25 Дж. Максимальная электрическая лгощность за время коРоткого пика т„„„давления определится из отношения «»',/*„„=2030 >=20 000 Вт, но средняя мощность будет мала, так как ударные импульсы возникают только при ударе гребня, а он бывает один раз за период, принятый в нашем случае Т,==10,5 с.
Поскольку мы не можем увеличить частоту ударов волн, реальный путь увеличения средней мощности заключается в увеличении площади пьезоэлектрика. В последние годы на этои пути открылись новые перспективы. В свое время академик А. В. Шубников указал на возьюжность создания пскусстненных пьезотекстур. В 1970 г.
японские химики нашли пьезоэлектрические свойстна у полининилденфторида. Это полииер, пластмасса, по своему строению занимающая промежуточное положение между полиэтиленом п тефлоном. В отличие от последнего, в молекуле полининилденфторида лишь у половины атомов углерода водородные связи замещены фтором, на остальных остался водород. Такая конструкция молекулы вызывает выделение электрических зарядов при механических деформациях пленки из полининплденфторида.
При ударе, изгибе или скручивании вокруг полимера наблюдается образование электрического полн, как и у любого другого пьезоэлектрика. Первоначально япопским исследователям удавалось изготавливать пленку толщиной не более 1ПО мм п она не обладала достаточной механической прочностью. Но недавно французская компания «Томпсон-ЦСФ», применив новую технологию, освоила производство пленок и пластинок из поливянилденфторида практически любой толщины.
Из них начат выпуск пьезоэлектрических микрофонов для телефонных аппаратов. Такой микрофон отличается хорошими акустическими характеристиками, не требует питания и не боится падений и ударов. Самое интереспое заключается в предчоженпи применить новый полимер для использования энергии нолн. Для этой цели предлагают обкладывать толстой пленкой из поливинилденфторида скалы на морском побережье: постоянно бьющий о берег прибой будет бесплатно давать электроэнергию. Создание нового полимера с пьезоэлектрическими свойствами свидетельствует о том, что прямое превращение механической энергии в электрическую с помощью пьезоэффекта в набтоящез йреия йетупает н новую фазу.
Макет пьезоэлектрического генератора А. С. Шепна сегодня может кому-нибудь напомнить опыт с назлектризованныи греоешком, притягивающим обрынки бумаги; подобные опыты были в моде около 200 лет назад. Но здесь уместно вспомнить замечательное высказывание Дж. Гарднера: «инженер.переоценивает то, что способен совершить за год, и крайне недооценивает то, чего он добьется за ближайшее десятилетие». С пошгщью простого по своему устройству пьезоэлектрического преобразователя можно непосредственно без каких-либо промежуточных звеньев превратить удар волны в электрическую энергию.
Пока эта энергия очень мала, но перспективы очевидны. Преобразователи этого типа вполне соответствуют первой группе принедепной классификации. ПЛИТА В КАЧЕСТВЕ ПРИЕМНИКА ЭНЕРГИИ ВОЛН Приемник энергии поверхностных волн в виде плиты (или, как тогда называли, платформы) был использован около 100 лет назад в одной из первых волноэнергетическях установок (рпс. 3), построенной в Ошен-Грове, в 110 км южнее Нью-Йорка. «В этой местности силой волн воспользовалнсь для поднятия морской воды в резервуар водонапорной башни, откуда она распределялась по соседству для орошения улиц. Между устоями подвешен Ряд платформ, могущих вращаться на горизонтальной оси, расположенной в верхней части платформ.
Длина у этих платформ гапона, что во время отлива они потру»каются в море на '/> и, во время прилина — на 2,1 и, а ширила около 2 м. Прп своем движении волны качают эти платформы на поддерживающих их осях. Верхнп>«н сноиип частями платформы соединяются посредством крепких прутьев со стержнем поршня горизонтально Расположенного насоса.
Каждому двюкению платформы соответствует движение поршня, вгоняющего некоторое количество воды в резервуар, помещающийся па верху башня высотой 12 и. Это сооружение вполне удовлетворяет своему назначению и в спокойные дни> ь. > ~7«ее Эмиль. Чудесное в науке. М., 1892, с. 18Е (бо " '' фф 'йс чос оо. ей" тпзэ.с (,"й =..: оь "' "с:, ~е;:й'.
Рис. 3. Волновая установка в Оитеи-грове (1899 г.) длп иакичиваиии морской воды в резервуар водонапорной бишии оеерхр — овлид еид, оииог — плестииы, ислеелиюсоиеся под дедстеиеи иоле, ииеиги и насосы На рисунке видна эстакада, под которой расположены плиты, приводимые в колебательное движение волнами, набегающими с океана. На береговом конце эстакады— башня, в верхней части ее расположен водонапорный бак. Внизу рисунка в увеличенном масштабе показан.
простейший механизм, передающий колебания плит с по= мощью тяг к штокам водяных насосов. Установка в це= лом подкупает простотой своего устройства. Можно предполагать, что установки такого типа могли бы оказаться полезными и в наше время для накачивания воды в прибрежных районах.
Главное преимущество их очевидно— используется даровая энергия волн, отсутствует потреб- ность в дефицитном топливе для двигателя. Как видим, плита в качестве приемника энергии поверхностных волн не потеряла своего значения и теперь. Одно из важных достоинств ее заключается в относительно высоком коэффициенте полезного действия.
Движение жидкости, вызываемое колебаниями тонкой вертикальной пластины, относится к числу немногочисленных водно-волновых проблем, которые допускают решение в явной форме. В 1976 г., почти 100 лет спустя после создания установки в Ошен-Грове, английский ученый Д. Ивенс теоретически рассмотрел работу тонкой вертикальной пластины в качестве приемника энергии поверхностных волн. Под действием приходящих волн пластина вынуждена качаться относительно горизонтальной оси, расположенной на уровне поверхности спокойного моря.
Нижний край пластины погружен на определенную глубину (а), ее величина является радиусом качания пластины относительно горизонтальной оси. Ивенс вывел формулу для расчета КПД тонкой плиты (или кластины) как приемника энергии поверхностных волн. Под КПД понимается доля энергии поверхностных волн, которая может быть поглощена, т. е. воспринята пластиной. Назовем его механическим КПД приемника энергии. Пластина симметрична относительно вертикальной оси, проходящей через точку лс'=О.
Коэффициент полезного действия определяется формулой йч () — о) (ч ) ч) (чп ) Чо) ((ио'+ Рте) чо — (со'+ )оо) ') + ч(чтосе+ чц'") со) где и= ыа1уя 2пат) — безразмерное волновое число колвблюп(егося тела, поглотцающего энергию волн; че=- соса/б — безразмерное волновое число колеблющегося тела, соответствующее максимальному значению КПД; со — угловая частота поверхностных волн; со,— угловля частота поверхностных волн, соответствуюшая максимуму КПД пластины; а — максимальное углубление нижнего конца колеблющейся пластины; ) — длина поверхностных волн; Хо — безразмерный коэффициент поглощения энергии волн; Х,с — безразмерный козффициент поглощения энергии волн для максимального значения КПД; ло'=тя1М вЂ” отношение массы колеблющегося тела к массе вытесненной им воды; обе массы взяты на единицу длины; рч=а„.)М вЂ” безразмерная присоединенная масса для колеблющегося тела (пластины); аи— масса воды, присоединенная к колеблющемуся телу; 42 рго=Р гто)' = ~ )т г+~ ~а — коэффициент потерь; А-,— 1 А»!а комплексная амплитуда волны, полученной на поверхности воды от вынужденных (силовых) колебаний пластины за счет постороннего источника энергии (наприьгер, электропривода) на расстоянии минус бесконечность в отсутствие приходящих (падающих) волн; А,.' — то же для расстояния плюс бесконечность.
Максиьгалъное значение КПД определяется выражением г) „=1 — 3. Преобразуем определение для коэффициента потерь Ь в форму л- ж;л Это выражение позволяет оценить важность асимметрии в конструкции колеблющегося тела. Если оно в режиме генерации волн вызывает на поверхности воды одинаковые цуги волн вправо и влево от точки их возникновения, то )А+)=)А ), 3=0,5, максимальное значение КПД не выше 50'4, как в рассматриваемом случае применения тонкой симметричной пластины в качестве приемника энергии волн. Если гке колеблющееся тело имеет несимметричную форму, возможно, что )А+) будет значительно больше 1А ( и отношение этих двух величин будет значительно больше единицы, следовательно, коэффициент 3 станет меньше 0,5, благодаря чему КПД преобразователя возрастет.
На рис. 4 приведено полученное Ивенсом семейство кривых, показывающих зависимссть КПД приемника энергии волн в виде пластины от безразмерного волнового числа ч при разных значениях тм Кривые рассчитаны для гп'=О, т. е. для бесконечно тонкой колеблющейся пластины, когда ее собственная масса равна нулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
