XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Нетрадиционные источники энергии
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Введение
Никакой вид энергии не обходится
так дорого, как её недостаток
Гоми Баба, 1964
Это высказывание известного индийского ученого никогда не звучало столь актуально, как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовыми расходами, прилагает все усилия к поиску новых путей получения энергии.
Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, техническим освоением и способами использования различных источников энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете.
Размышляя о том , как получить экономически выгодную и чистую энергию, я заинтересовалась получением энергии от пьезоэлектрика. Именно поэтому я выбрала данную тему для исследовательской работы.
Актуальность проблемы. Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни.
В связи с энергетическим кризисом, вызванным повышением спроса на энергоносители, правительство многих стран планирует совершить четвертый энергетический переход – сократить использование ископаемых видов топлива и развить использование возобновляемых источников энергии ВИЭ. В условиях энергетического перехода вопросы развития энергетики неразрывно связанно с внедрением новых технологий, трансформацией ,направленной на снижение выбросов парниковых газов в атмосферу. Из-за этого многие ученые ищут способы получения экологически чистой энергии.[8]
Объект исследования: альтернативный источник энергии – пьезогенератор.
Предмет исследования: виды, а также способы применения пьезогенераторов на практике.
Гипотеза: Пьезогенераторы могут стать новым источником энергии.
Цель исследования: рассмотреть пьезогенераторы как альтернативный источник энергии.
Задачи:
Изучить историю открытия пьезоэффекта;
Изучить принцип работы этого прибора;
Рассмотреть типы приборов, работа которых основана на пьезоэфекте;
- Опытным путем определить целесообразность экономического использования пьезоэлемента.
Для изучения данной темы я использовала следующую литературу: «Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов» (livejournal.com ), «Принцип работы пьезоэлемента» (principraboty.ru), «Пьезокерамические источники высокого напряжения» (avrora-binib.ru), - из которой я узнала об особенностях строения пьезоэлектрика, пьезоэлкетрического эффекта, материалах ,которые используются для создания пьезоэлемента, а также применение данного диэлектрика в некоторых устройствах и возможность использования электроэнергии, полученной от пьезоэлектрика, в будущем.
II. Основная часть.
1. Что такое пьезоэлемент.
Пьезоэлемент - электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной ориентации и формы относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).
2. Пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики), имеют то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (приложение 1) и был открыт в 1880 г. братьями Кюри. Они заметили, что в некоторых кристаллах, если оказывать механическое давление в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы (приложение 2).
Пьезоэлектрический эффект присущ некоторым природным кристаллам, таким как кварц и турмалин, которые в течение многих лет использовались в качестве электромеханических преобразователей.
Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают электрические заряды разных знаков. Это и есть пьезоэлектрический эффект. Кристаллическая решетка таких кристаллов не имеет центра симметрии. Воздействие (сжимающее или растягивающее), приложенное к такому кристаллу, приводит к поляризации после разделения положительных и отрицательных зарядов, имеющихся в каждой отдельной элементарной частице. Эффект практически линейный, то есть степень поляризации прямо пропорциональна величине прилагаемого усилия, но направление поляризации зависимо, так как усилие сжатия или растяжения генерируют электрические поля, а следовательно, и напряжение, противоположной полярности. Соответственно, при помещении кристалла в электрическое поле упругая деформация вызовет увеличение или уменьшение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности поля.[2]
3. Пьезоэлектрические материалы
Пьезоэлектрические материалы условно можно разбить на две группы:
Пьезоэлектрические монокристаллы
|
Выращенные кристаллы определенным образом режутся на пластины, некоторые (сегнетоэлектрики) поляризуются, и из них путем шлифования и нанесения электродов изготавливаются пьезоэлектрические элементы.
Пьезоэлектрическая керамика (пьезокерамика)
По физическим свойствам это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов).
По химическому составу это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония.
В отличие от пьезоэлектрических кристаллов, пьезокерамические элементы изготавливаются методом полусухого прессования, шликерного литья, горячего литья под давлением, экструзии или изостатического прессования с последующим обжигом на воздухе при температуре 1000–1400 градусов по Цельсию. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода, или элемент изготавливается с помощью метода горячего литья. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды.
После этого керамику делают пьезоэлектрической с любым выбранным направлением поляризации путем помещения ее в сильное электрическое поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров.
Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.
В зависимости от предназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию — от плоской до объемной.
4. Применение пьезокерамических элементов
а) Пьезокерамические генераторы
Они преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект. Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.
б) Пьезокерамические датчики.
Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте. В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.
в) Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы)
Актюаторы строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела.
г) Пьезокерамические преобразователи
Предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта.[6]
Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:
1. звуковые (ниже 20 кГц) — телефонные микрофоны, зуммеры, высокочастотные громкоговорители, сирены и т. п.;
2. ультразвуковые — высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов, датчики уровня жидкостей, дисперсионные распылители, генераторы тумана, ингаляторы, увлажнители воздуха.
3. высокочастотные ультразвуковые — оборудование для испытания материалов и неразрушающего контроля, диагностика в медицине и промышленности, линии задержки и т. д.
д) Комбинированные пьезокерамические системы
Такие системы преобразуют электрические величины в электрические, при последовательном использовании обратного и прямого пьезоэффектов. В качестве примеров таких систем можно привести эхолоты, измерители потоков, пьезотрансформаторы, «искатель ключа».[1]
5. Пьезоэлектрические устройства
Гидролокатор
Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов.
Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок.
В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.
На рисунке (приложение 3) показан принцип работы гидролокатора.
Принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.
Приемник, в отличие от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.
Пьезоэлектрические исполнительные устройства
На рисунке (приложение 4) показана работа силового привода на основе пьезоэлектрического эффекта.
Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.
Например, некоторые вязальные машины (приложение 5)используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.
Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры
Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.
Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.
Пьезо драйверы
Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения. На рисунке (приложение 6) представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера.
Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи, и повышать его с помощью усилителя.
Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.
6. Особенности приборов, измеряющих вибрации
Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.
Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной (приложение 7).
Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:
пьезопреобразователь включают в автогенератор;
кристалл находится на резонансной частоте;
как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.
Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.[5]
7. Практическое использование
Созданы экспериментальные установки, которые позволяют получать электроэнергию за счет использования кинетической энергии. Есть идеи в ближайшем будущем создать специальные "зеленые тренажерные залы", в которых группа спортивных тренажерных велосипедов сможет, по словам производителей, генерировать до 3,6 мегаватт возобновляемой электроэнергии в год.
Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов. Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.
В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и ...продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».[4]
8. Принцип работы пьезоэлектрического генератора в зажигалке
Речь пойдёт о пьезозажигалке нажимного действия, которая по ходу своей клавиши выдаёт серию искр. Упрощенная модель пьезогенератора (приложение 8) представляет собой опору с рычагом, позволяющим прикладывать значительное усилие на пьезоэлементы. Пьезоэлементы, имеющие форму сплошного цилиндра с электродами на торцевых поверхностях, поставлены друг на друга и вследствие этого подвергаются действию одной и той же силы. Пьезоэлементы ориентированы так, что на электродах соприкасающихся поверхностей наводится заряд одного знака, а на противоположных – другого знака. Противоположные электроды электрически замкнуты элементами рычажного механизма. В таких условиях пьезоэлементы оказываются соединёнными электрически параллельно. Выведем от соприкасающихся электродов токовод с наконечником, желательно, с закруглённым концом и расположим наконечник на некотором расстоянии от металлического основания. Теперь, при нажатии на рычаг, произойдёт пробой воздушного промежутка между наконечником и основанием. Надавив на рычаг сильней можно «высечь» вторую искру, третью и так далее, пока не разрушим пьезоэлементы. [7]
9. Генераторы и перспектива их развития
Внедрение новой технологии изготовления пленочных пьезоэлектрических элементов с толщиной от 5 до 100 мкм и реализация технологии их автоматической сборки в многослойные конструкции позволяют изготовить пьезоэлектрические генераторы с оптимальными параметрами, с выходными напряжениями от 2–10 до 240–300 В. Конструкция пьезогенератора определяется конструкцией пьезоэлемента.
Пьезоэлементы, в которых направление поляризации совпадает с направлением механического усилия, используются при создании мощных пьезоэлектрических генераторов на напряжения 100–300 В. Пьезоэлементы изгибного типа (биморфы), в которых направление поляризации перпендикулярно направлению деформации при вибрации, используются при создании мини-пьезоэлектрических генераторов на напряжения 2–10 В.
Пьезогенераторы с выходным напряжением на 100-300 В. являются преобразователями механической энергии (с давлением не менее 1–2 кН) в электрическую при циклическом нагружении, при этом напряжение преобразуется с помощью мостовых выпрямителей в постоянное. Поскольку пьезопреобразователь работает в течение продолжительного времени с относительно малой электрической энергией, производимой за один цикл, как правило, используется система накопления и хранения энергии. Для стабилизации выходного напряжения пьезогенератора на заданном уровне используется система с обратной связью, специальный контроллер. Контроллер также обеспечивает согласование импеданса пьезогенератора с выходным импедансом потребителя энергии (приложение 9).
В последние годы начаты работы по созданию на основе многослойных монолитных конструкций пьезоэлементов мощных источников питания.
Было разработано два варианта конструкции макетных образцов многослойных пьезогенераторов:
первый — из 13 многослойных элементов, соединенных механически последовательно, а электрически параллельно;
второй — из одного слоя многослойных элементов, расположенных попарно на ситалловых подложках 48×48×0,5 мм и соединенных электрически параллельно (сверху слой закрыт такой же ситалловой подложкой, в слое шесть линеек по шесть элементов).
Для многослойных пьезогенераторов наблюдается линейная зависимость напряжения и заряда от давления вплоть до предельных значений 2×108 Па. При давлении 107 Н/м2 пьезогенератор обеспечивает напряжение 7 В и величину заряда 70×10–6 К, энергия 21×10–5 Дж.Для второго варианта конструкции напряжение 10 В, заряд 180×10–6 К, энергия 75×10–5 Дж. Результаты исследований показали, что такой пьезогенератор может обеспечить подзарядку аккумулятора радиопередатчика мощностью 10 Вт при увеличении площади сечения в 100 раз и увеличении цикла нагружения в течение 1 ч до 10 раз. Проведенные исследования предельных параметров двух вариантов макетных образцов пьезогенераторов показали, что расчетные предельные соотношения с точностью ±10% совпадают с результатами эксперимента при давлении 107 Н/м2. Первый вариант конструкции обеспечивает заряд ~660×106 К, второй — 1760×10–6 К, электрическая энергия 21×10–3 Дж и 77×10–3 Дж соответственно.
Предельные параметры 108 Н/м2 для многослойных пьезоэлектрических конструкций соответствуют требованиям, обеспечивающим их надежную и долговечную работу (~цикл до 2×109 импульсов), тогда как предел разрушения многослойной керамики достигает 109 и более Н/м2.
Несколько лет назад в Израиле были начаты разработки мощных пьезогенераторов, преобразующих механическое давление транспортных средств (автомашины, поезда, самолеты) в электрическую энергию. Созданная в 2008 г. израильская компания Innowattech (Energy Harvesting Systems) занимается исследованиями и разработками пьезоэлектрических генераторов с системой сбора энергии. Разрабатываются варианты, преобразующие в электроэнергию энергию давления:
- автомобилей на полотно дороги (для автомобильных дорог);
- движущегося железнодорожного транспорта на полотно железной дороги (для железных дорог);
- самолета при взлете и посадке на взлетно-посадочную полосу (для аэродромов).
Производство электрической энергии при преобразовании давления транспортных средств имеет ряд преимуществ:
- не требует выделения дополнительных площадей;
- не наносит ущерба окружающей среде (экологически чистое производство);
- не зависит от погодных условий.
При применении для освещения дороги и электропитания светосигнальных дорожных транспортных устройств источник питания расположен непосредственно на трассе и не требует дополнительных электрических подводок.
Перспективным направлением является создание пьезоконвертера на основе применения многослойных пьезоэлементов для бытовых устройств, которые преобразуют усилие нажатия человека на кнопку в электрическую энергию. При давлении 1 Н/см2 многослойный пьезоэлемент площадью 1 см2 и толщиной 2–3 мм генерирует напряжение 3–12 В, что достаточно для:
- передачи сигнала с пульта дистанционного управления для измерения и индикации результатов;
- передачи сигнала автомобильного брелока на охранную систему и систему сигнализации;
- работы дистанционного радиозвонка для коттеджа (один из производителей таких бытовых звонков фирма Carradon Fredland отмечает, что выигрыш от применения пьезоконвертеров состоит даже не в снижении стоимости батареек, а прежде всего в возможности герметизации всего устройства);
- работы безбатарейного устройства, настенного или мобильного, для включения и выключения освещения, которое может быть установлено в стену и не требует прокладки сетевой проводки, что создает дополнительные удобства для пользователей, повышает пожарную безопасность и позволяет экономить на строительно-монтажных работах по прокладке сетевых кабелей;
- электромеханической блокировки электронного замка (с помощью пластиковой карточки при ее движении осуществляется передача энергии на микропроцессор, опознающий код карточки).[3]
III. Заключение.
В качестве проектной части мы решили рассчитать сколько нужно электроэнергии ,чтобы энергосберегающая лампа горела 13 часов. Для этого мы рассчитали , сколько плиток компании Pavegen Systems (прилож.10) понадобиться для этого. За один шаг такая плитка может вырабатывать 2-4 Вт электроэнергии. Электроэнергия может накапливаться в литиевом аккумуляторе, либо отправляться напрямую для питания лампы. Мы рассчитали площадь школьного коридора, по которому прошли бы 166человек (за 16 шагов): . За 1 год: 81432.96кВт*ч/год. 1 энергосберегающая лампа мощностью 6 Вт за год потребляет 2,19 кВт*ч/год => энергии 21 плиты хватит на 37184 такие лампы или этой энергии хватит для работы 2262 компьютеров на год. 1 плита =70$ => 21 плита = 1470$=122818 руб. За год эти плиты выйдут в 325,731.84 руб. => 325,731.84:5848 55.69 раз эти плиты окупятся.
Подводя итог нашему эксперименту, можно сделать вывод, что данные плиты будут выгодны в эксплуатации. Данную энергию можно затратить не только на горение лампы, но и на работу нескольких компьютеров (т.к. в год 1 компьютер потребляет 36кВт*ч/год.) компьютеров и многое другое.
Говорить об освещении нашего поселка за счет пьезоэлементов еще рано. Над этой проблемой я собираюсь продолжить работать в следующем году.
IV. Список используемой литературы
1. «Пьезоэлектрические элементы и их применение» (allbest.ru) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://otherreferats.allbest.ru/physics/00157892_0.html#text
2. « Пьезоэлемент » (engineering-solutions.ru) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://engineering-solutions.ru/ultrasound/piezomaterials/#2
3. «Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов» (livejournal.com) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://makulaturoman.livejournal.com/18233.html
4. «Пьезогенераторы - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?» (electrik.info) [Электронный ресурс]. –Режим доступа: http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html
5. «Принцип работы пьезоэлемента» (principraboty.ru) [Электронный ресурс]. –Режим доступа: https://principraboty.ru/princip-raboty-pezoelementa/#h2-4
6. «Пьезоэлектрические материалы» ( rmasters.donntu.og) [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://masters.donntu.org/2012/feht/arhipov/library/article2.htm
7. «Пьезокерамические источники высокого напряжения» (avrora-binib.ru) [Электронный ресурс].- Режим доступа:
https://avrora-binib.ru/stati/pezokeramicheskie_istochniki_vysokogo_napryazheniya/
8. «Что такое энергопереход. Объясняем простыми словами» (secretmag.ru) [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://secretmag.ru/enciklopediya/chto-takoe-energoperekhod-obyasnyaem-prostymi-slovami.htm
V. Приложение:
№1. Обратный эффект
№2. Прямой эффект
№3.
№4.
№5
№6.
№7.
№8.
№9.
№10.
№
11.
№
12.
№13.