XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возможных вариантов использования пьезоэлектрического эффекта в качестве альтернативного источника энергии
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Обычная зажигалка. Небольшое усилие при надавливании кнопки, щелчок, и возникает мощная электрическая искра поджигающая газ. Причём, весь процесс происходит без участия, каких либо электрических источников. Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году и с тех пор получило широкое распространение в радиотехнике и измерительной технике. Заключается оно в том, что усилие, приложенное к образцу пьезоэлектрического материала, приводит к появлению на электродах разности потенциалов. Эффект обратим, поскольку наблюдается и обратное явление. При подаче напряжения к электродам, расположенным на образце пьезоэлектрического материала, образец деформируется. Десятилетие тому назад, когда появились полимерные плёночные пьезоэлектрики, заговорили о пьезоэнергетике. Плёночные полимерные пьезоэлементы, значительной площади, предполагалось укладывать в море. Тогда под действием давления волн они вырабатывали бы электричество. В США даже проводились соответствующие опыты, но положительных результатов не дали. Однако идею не забыли. Фактом является, что в одной из воинских частей США есть электрогенерирующая танцплощадка, под плитки пола которой, уложены пьезоэлементы. Имеются подобные предложения и в России. Предлагается замуровывать пьезоэлементы в асфальт шоссе. Тонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Пешеходы на тротуарах, эскалаторах метро, которые заряжают через пьезопреобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие электроэнергию. Пока это фантастика, но вполне реально применить пьезоэлементы для зарядки небольших мобильных устройств в условиях автономного существования человека. В результате анализа литературных данных по применению пьезоэлементов в качестве генератора электрической энергии сформировалась рабочая гипотеза о возможном использовании плёночных пьезоэлектриков в качестве альтернативного источника энергии. Актуальность данной темы состоит в том, что в условиях автономии мы не всегда имеем возможности обеспечить средства связи энергией.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является, исследование возможностей использования плёночных пьезоэлектриков в качестве альтернативного резервного источника энергии и для зарядки мобильной электроники. Цель работы предполагала решение следующих задач:
- изучение литературных и интернет источников по вопросам разработки и создания пьезоэлектрических материалов, принципа их действия, эффективности преобразования энергии, возможностях использования в промышленности и быту;
- исследование свойств определённого образца плёночного пьезоэлектрика, определение электрических параметров в процессе преобразования энергии, определение возможных конструкционных характеристик преобразователя;
- разработка конструкции и изготовление рабочего макета пьезоэлектрической зарядной станции;
- исследование выходных характеристик зарядной станции и возможных областей применения изготовленного устройства.
Пьезоэлектрический эффект [1-3]
Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и, как было сказано выше, был открыт в 1880 г. братьями Кюри. Явление возникновения электрических зарядов на поверхности пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (Приложение лист I, рис. 1). Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний. Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом (Приложение лист I, рис. 2). Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта, является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейке. Пояснить пьезоэлектрический эффект можно на примере наиболее распространённого пьезоэлектрика титаната бария. Титанат бария ВаТiO3 аналогичен по структуре целому классу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри (температура Кюри – это температура при превышении которой пьезоэлектрический материал теряет свои свойства), является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (Приложение лист II, рис. 3). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены (Приложение лист II, рис. 4). Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным. Пьезоэлектрический эффект присущ некоторым природным кристаллам, таким как кварц и турмалин, которые в течение многих лет использовались в качестве электромеханических преобразователей. Природные пьезоэлектрические материалы имеют достаточно высокую стоимость. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими пьезоэлектрическими монокристаллами, которые выращиваются в специальных установках. Пьезоэлектрические свойства таких кристаллов с достаточно высокой повторяемостью можно задавать путем композиции входящих в него компонентов. Выращенные кристаллы определенным образом режутся на пластины, некоторые (сегнетоэлектрики) поляризуются, и из них путем шлифования и нанесения электродов изготавливаются пьезоэлектрические элементы. Большинство составов искусственной пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой (А)(В)О3 (напр., BaTiO3, РbТiO3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO3 — CaTiO3, BaTiO3 — CaTiO3 — CoCO3, NaNbO3 — KNbO3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO3 — PbZrO3 (система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой (А)(В)2О6, напр. PbNb2O6, имеющих весьма высокую точку Кюри (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.
Применение эффекта [3]
Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Пьезоэлектрические элементы используются в помпах, швейных машинах, датчиках (давления, обледенения, угловых скоростей), оптических инструментах, лазерных принтерах, моторах для автофокусировки. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям:
- сенсоры;
- генераторы;
- силовые приводы;
- преобразователи.
В нашей работе область применения ограничена функциями генерирования энергии. В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.
Исследование электрических параметров пьезоэлектрического материала [4-5]
Разработчики пьезоэнергетических систем учитывают, что пьезоэлемент выдает электрический ток только тогда, когда его деформируют. Для деформации нужно совершить работу:
А = Fx,
где F – приложенная сила, х - деформация. При этом вырабатываемая электроэнергия:
W = k2A,
где k – коэффициент электромеханической связи. Коэффициент электромеханической связи k описывает способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Для лучших пьезоматериалов k = 0,5. Поэтому в электричество преобразуется не более 25 % затраченной энергии (без учета неизбежных механических и электрических потерь). Следовательно, при использовании пьезоэлементов в энергетике необходимо учитывать, что затраты механической энергии будут превышать более чем в четыре раза энергетические возможности генератора. Простейшим материалом, на котором можно провести исследования параметров пьезоэлектрического эффекта является пьезокерамическая пластинка звуковых излучателей (Приложение лист III, рис. 5). Для того, что бы получить с пьезопластины электрический потенциал нужно создать определённые колебания этой пластины. При вибрационном воздействии на пластине возникает электрический потенциал. Проведённые экспериментальные исследования показали значение этого потенциала порядка 2,3 вольта при токе 0,02А (Приложение лист III, рис. 6). Повысить эффективное напряжение можно при включении в цепь диодного моста. В этом случае будет использоваться два полупериода переменного напряжения с выхода пьезоэлектрической пластины и напряжение, практически удвоится (Приложение лист IV, рис. 7). Применение схемы накопления энергии с помощью электролитического конденсатора, позволяет кратковременно повысить напряжение и ток в несколько раз, но его отдача происходит мгновенным импульсом (Приложение лист IV, рис. 8). В этом случае напряжение возрастает до 4-5 вольт, а ток составляет 0,025 А. Пьезоэлектрические излучатели, не являются генераторными модулями, поэтому обладают достаточно скромными параметрами с точки зрения вырабатываемой электроэнергии. Её едва хватает для работы одного светодиода. Для получения значительных напряжений и тока применяют более мощные пьезоэлектрические модули. Например, гибкие плёночные модули, которые можно приобрести на торговых сайтах. Модули представляют собой пластины размерами от 50 x 50 мм, до более крупных (Приложение лист IV, рис. 9). Исследуя параметры подобных модулей, мы получили следующие данные: При деформации пластины напряжение на выходе модуля составляет до 50 – 60 вольт при силе тока до 0,035А. Этих показателей уже вполне достаточно, для использования этих модулей, в качестве генератора альтернативной энергии.
Изготовление пьезоэлектрического генератора альтернативной энергии [6-8]
Как уже говорилось выше, пластины пьезокерамических излучателей, можно использовать только для организации местной подсветки, при условии постоянной вибрации. Такую подсветку можно организовать при работе электроинструмента. Например, если поместить излучатель на корпус электрической дрели, то горящим при её работе светодиодом, можно освещать рабочую зону. Вибрация корпуса дрели, создаёт достаточную механическую работу, преобразуемую пьезоэлементом, для устойчивой работы одного светодиода (Приложение лист V, рис. 10). Для зарядки мобильной техники, требуются определённые стабильные напряжения, в отличие от тех, что выдаёт пьезоэлектрический элемент. Батарея мобильных устройств, таких как смартфон, сотовый телефон, требуют напряжения зарядки не менее 6,5 вольт. В этом случае, идеальным вариантом генератора альтернативной энергии, являются гибкие пьезоэлектрические модули. Напряжение на их выходе слишком высокое и нестабильное, поэтому, при использовании в качестве зарядного устройства, необходимо это напряжение привести к стабильным параметрам. Самым простым вариантом является применение DC – DC преобразователя энергии. Ассортимент современных DC-DC конвертеров (а именно так называются преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение) достаточно широк (Приложение лист V, рис. 11).В этих преобразователях, в основном используется микросхема LM2596. На вход преобразователя подается постоянное напряжение в диапазоне от 4,5 до 40 вольт (с диодного моста), а на выходе получается постоянное напряжение от 1,3 до 35 вольт (Приложение лист V, рис. 12). Максимальный ток, который можно получить от данного преобразователя составляет 3 ампера, однако в этом случае требуется радиатор, если же преобразователь используется без радиатора, средний ток не должен превышать 2 ампер. Эффективность такого преобразователя может достигать 92%. Таким образом, схема альтернативного генератора получается очень простой. Пьезоэлектрическая пластина, через диодный мост подключается к преобразователю, на выходе которого мы имеем нужное стабильное напряжение, для зарядки мобильного устройства (Приложение лист VI, рис. 13 - 14). Дальнейшие эксперименты показали, что для изготовления пьезоэлектрического генератора для зарядки мобильной техники, можно использовать и пьезоизлучатели. В этом случае несколько пьезоизлучателей собираем в блок, на какой либо пластине. Соединение их параллельное, с целью поднять не напряжение, а силу тока. Большая величина силы тока необходима для возбуждения повышающего преобразователя напряжения. Наиболее удачным вариантом микросхемы, при конструировании преобразователя, является контроллер TPS61040/41 компании «Texas Instruments» - аналоги LM2703, LT1615, АМЕ5131, САТ4137, G5111Т11, SP6690. Микросхема контроллера относится к так называемым повышающим DC - DC-преобразователям со встроенным ключом (максимальный ток до 400 мА) (Приложение лист VII, рис. 15). У этой микросхемы самый низкий диапазон напряжения питания 1,8 - 6 В. При получаемом с пьезоэлементов напряжении, около 2,5 вольт, это единственный вариант преобразователя. В остальном схема повторяет предыдущую, только преобразователь будет повышающим (Приложение лист VII, рис. 16).
Исследование выходных параметров генератора
Исследование выходных параметров, изготовленных генераторов, проводились по нескольким вариантам. Использовались различные источники вибрации:
- контрольный стенд – генератор звуковых колебаний (частота вибрации 200 Герц);
- оконное стекло при умеренном ветре;
- вибрация кузова автомобиля при работающем двигателе;
- динамическая головка работающего телевизора;
- акустическая система компьютера при воспроизведении музыки;
- помещение пьезопластины под стельку в обувь и замеры параметров при ходьбе.
Результаты измерений проанализированы и сведены в таблицу (Приложение лист VIII, таблица 1). По всем результатам испытаний мы получаем стабильное напряжение 6,5В. Этого напряжения достаточно для зарядки мобильной техники, но заряжать её придётся достаточно долго, поскольку сила тока зарядки в среднем составляет 20 мА.
Выводы
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- в ходе работы и проведённых исследований изучены литературные и интернет - источники по вопросам разработки и создания пьезоэлектрических материалов, принципа их действия, эффективности преобразования энергии, возможности использования в промышленности и быту;
- исследованы свойства пьезокерамических пластин пьезоизлучателей и образца плёночного пьезоэлектрика, определены их электрические параметры в процессе преобразования энергии;
- разработаны конструкции и изготовлены рабочие экземпляры пьезоэлектрических зарядных модулей с применением плёночного пьезоматериала, и с применением обычных керамических пьезоизлучателей. При изготовлении опытных образцов пьезогенераторов освоены приёмы преобразования энергии с помощью электронных преобразователей;
- проведённые исследования выходных характеристик рабочих экземпляров пьезогенераторов, показали возможность использования их в, качестве альтернативного источника энергии при зарядке мобильной техники.
Список использованных литературных и интернет источников
1.http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html - Пьезогенераторы - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?
2.http://www.dom-spravka.info/_alt_energo/ab_18.html - Альтернативная энергетика XXI века.
3.https://www.eprussia.ru/epr/136/10576.htm - Электричество: неожиданные источники.
4.https://studopedia.ru/2_1283_pezoelektricheskie-materiali.html - Пьезоэлектрические материалы.
5.Т.Д. Шермергор, Н.Н. Стрельцова, Пленочные пьезоэлектрики, М.: Радио и связь, 1986.
6.https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/preobrazovateli-napriazheniia/ - Преобразователи напряжения.
7.http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1269 - Сверхминиатюрные изолированные DC/DC-преобразователи со стабилизированным выходом и ультранизким уровнем пульсаций
8.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61040.pdf - Описание контроллера TPS61040/41
Приложение
Рис. 1. Прямой пьезоэлектрический эффект.
Рис. 2. Обратный пьезоэлектрический эффект.
Рис. 3. Элементарная ячейка титаната бария (ВаТiO3) при температуре выше точки Кюри (слева), и ниже точки Кюри (справа).
Рис. 4. Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложении сильного электрического поля (справа).
Рис. 5. Пьезоизлучатели.
Рис. 6. Простой эксперимент по генерации энергии пьезоэлектрической пластиной.
Рис. 7. Экспериментальная схема с удвоением напряжения.
Рис. 8. Экспериментальная схема с удвоением напряжения и его накоплением.
Рис. 9. Пьезокерамические модули высокой мощности.
Рис. 10. Использование пьезоэлектрического излучателя, в качестве генератора альтернативной энергии, для организации местной подсветки.
Рис. 11. Миниатюрный DC-DC конвертер (преобразователь).
Рис. 12. Принципиальная схема преобразователя.
Рис. 13. Схема пьезоэлектрического генератора альтернативной энергии.
Рис. 14. Фотография пьезоэлектрического генератора.
Рис. 15. Схема повышающего DC-DC преобразователя на контроллере TPS61040/41.
Рис. 16. Схема пьезоэлектрического генератора альтернативной энергии собранного с применением пьезоэлементов.
Таблица 1. Результаты испытаний, изготовленных пьезоэлектрических генераторов.