Пьезоэлементы большой мощности

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, суперконденсаторы и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных .

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).

Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает:

• Устройство инициирования:
• Генератор ударной волны:
• Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно:
• Электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны:
• Блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны:
• Генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.

Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:

• При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
• Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы.

Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:

• Движение волн и ветра.
• Воздействие уличного шума.
• Нагрузки от перемещения машин и людей.
• Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности

На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов в:

• Пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
• Качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
• Контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
• Датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.

Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться в:

• Пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
• Системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
• Излучателях гидролокаторов (сонарах).
• Ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
• Пьезоэлектрических двигателях.
• Струйных принтерах для подачи чернил.
• Адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются в:

• Датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
• Ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
• Приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
• Пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
• Кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Пьезоэлементы большой мощности

Вот пистолеты уж блеснули,

Гремит о шомпол молоток.

В граненый ствол уходят пули

И щелкнул в первый раз курок.

Вот порох струйкой сероватой

На полку сыплется. Зубчатый,

Надёжно ввинченный кремень

А. С. Пушкин. Евгений Онегин

Издревле было известно свойство некоторых минералов при ударе ими или о них высекать искру. Так добывали огонь и поджигали трут, которым разжигали костёр, трубку. Впоследствии почти несколько сот лет использовали кремень- скрытнокристаллические модификации кварца для поджигания пороха в «кремневых» мушкетах, разновидностях ружей, пистолетах, пищалях и т.п. видах оружия. Для извлечения искры использовался кварц или горный хрусталь и его разновидности-аметист (фиолетово-пурпурный), цитрин (от жёлтого до коричневого), розовый кварц (розовый иногда с блестками), авантюрин (беловатый с сильным зелёным отблеском), праз (луково-зеленый), «тигровый глаз» и ястребиный глаз (полосчатые, от желтого до коричневого и синий-непрозрачные), яшма (темноокрашенная, обычно от красноватой до коричневой, непрозрачная), кварцит (беловатая тонкозернистая порода, непрозрачная), халцедон различной разновидности (агаты, хризопраз, карнеол, огненный агат, оникс, плазма, сард и др. [1, 46-50, 114-115].

Пьезоэлектричество было известно давно, но научное изучение пьезоэффекта и фактически его открытие принадлежит братьям П. и Ж. Кюри, начатое в 1880 году.

При воздействии на пьезоэлектрический материал механической силы на поверхностях пластинок пьезоэлектрического материала появляется электрическое напряжение. Имеется и обратный пьезоэффект, когда под воздействием электрического поля возникает механическое напряжение.

Пьезоэлектрический кварц – это стратегический материал, работы с которым до 60-х годов были закрытыми, так как он использовался в кварцевых резонаторах, фильтрах, линиях задержках в радиолокационных станциях и т.п. изделиях оборонного и закрытого характера. В настоящее время изделия пьезоэлектроники используются очень широко, так как отображение частоты и времени делается самым экономичным, простым и дешёвым способом. Наиболее широко для этого используются кварцевые миниатюрные резонаторы частотой 32768 Гц (2х1015). Российские учёные и инженеры, внесли огромный вклад в развитие пьезоэлектроники, в том числе в разработку и производство синтетических пьезоэлектрических материалов, таких как кварц, сегнетова соль, ниобат и танталат лития, пьезокерамика, лангасит, пьезоэлектрические плёнки и др. и изделий из них [2-6].

Многие пьезоэлектрики, в том числе перечисленные, являются пироэлектриками. Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Пироэлектричество – возникновение разноимённых электрических зарядов на противоположных поверхностях некоторых диэлектриков, как кристаллических минералов, так пьезокерамики и некоторых полимеров при нагревании или охлаждении [7]. О пироэлектрических материалах, физических свойствах и применении можно найти, например в [8].

Впервые пироэлектрический эффект начал изучать Ф. Эпинус (1756) , после того как в Европу завезли турмалин («цейлонский магнит»). Он установил, что при нагревании кристалла на концах образуются электрические заряды противоположного знака, которые притягивают частицы пепла. Д. Брюстер в1824 г. ввёл термин «пироэлектричество». Кельвин связал пироэлектрический эффект с изменением электрической поляризации при изменении температуры. Т. Аккерман исследовал пироэлектрический эффект в ряде кристаллов в широком интервале температур и обнаружил убывание пироэффекта при понижении температуры. Первая микроскопическая теория пироэлектричества создана С.А. Богуславским в 1915г.[9].

В дальнейшем было установлено, что у сегнетоэлектриков величина пироэффекта вблизи фазового перехода может быть на один-два порядка больше, чем у кристаллических пироэлектриков [10-13].

Уравнение пироэлектрического эффекта описывает приращение спонтанной поляризации

ΔPs кристалла при изменении его температуры ΔТ. В первом приближении величины ΔРs и ΔТ связаны линейно

где p-пироэлектрический коэффициент.

Изменение Ps с температурой может происходить по двум причинам. Прежде всего, при изменении температуры свободный кристалл за счёт эффекта теплового расширения меняет свои размеры: сужается или расширяется. В результате этого даже при условии, что в кристалле не произошло перестройки его структуры из-за изменения температуры, спонтанная поляризация кристалла изменится, так как изменится число зарядов в единице объёма. Таким образом, в пироэлектрическом эффекте должна присутствовать часть обусловленная деформацией кристалла. Эта часть пироэлектрического эффекта трактуется как пьезоэлектрическая. Деформационная, пьезоэлектрическая часть пироэлектрического эффекта называется вторичным пироэлектрическим эффектом. Его коэффициент обычно обозначают как p». А первичный, истинный пироэффект описывается коэффициентом p’. В линейных пироэлектриках, таких как турмалин, истинный пироэффект, как правило, мал и составляет 2-5% от полного эффекта [10; 11, 648-650]. Но в других пьезокристаллах и сегнетоэлектриках первичный пироэффект может достигать 10%.[11,585-592; 12;13].

Уравнение пироэффекта, учитывающее его разделение на первичный и вторичный имеет вид:

Все величины, кроме температуры Т являются векторами, т.е. изменяются в зависимости от кристаллографической ориентации кристалла.

Кристаллический кварц не является пироэлектриком, но индуцирование электрического поля при свободной деформации кристалла за счёт термического расширения реализуется через пьезоэлектрический эффект [14; 15, 24-25,46-50].

В области комнатных температур в линейных диэлектриках пирокоэффициент р, как правило мало зависит от температуры. Абсолютное значение р близко к одной электростатической единице. Для турмалина, например, коэффициент полного пироэффекта составляет – 1,3 ед. СГСЕ.

Электрическое напряжение V возникающее на пластинке кристалла триглицинсульфата площадью Ф=10Х10 мм и толщиной d=1мм, вырезанной перпендикулярно полярной оси при резком изменении его температуры на ΔТ= 10К (пироэлектрическая постоянная ТГС p σ =45,0 нКл/см 2 •К), его диэлектрическая постоянная равна 30[14].

V=0,1(см)•45•10 -9 (Кл•см 2 •К -1 )•10К/30•8,85•10 -14 (Кл•В -1 •см -1 )=17,0 кВ.

Аналогично для турмалина (ε=8,2, =1,3•10 -5 Кл/м 2 •К)

V=0,1 (см)•1,3•10 -9 ( Кл•см 2 •К)•10К/8,2•8,85•10 -14 (Кл•В -1 •см -1 )=1,7 кВ.

Для кварца у пластины, вырезанной перпендикулярно оптической оси (ε=4,0 =0,69•10 -5 нКл/м 2 •К).

V=0,1(cм)•0,69•10 -9 (Кл•см 2 •К -1 )•10К/4,0•8,85•10 -14 (Кл•В -1 •см -1 )=0,19кВ

Данные сведены в таблицу 1. [11-17].

Минерал

Диэлектрическая проница

-емость, ε₂

Пирокоэ-ффициент

, Кл/см 2 К

Электриче-ское напряжениекВ.

Пьезоэлемент

Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.

1. Физические свойства пьезоэлемента
2. Принцип работы
3. Применение

Физические свойства пьезоэлемента

Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля – электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.

Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d₃₃, в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d₃₃ существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Применение

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.

Пьезоэлектрический генератор постоянного тока

Это изобретение относится к преобразователям энергии, работающим на основе применения пьезокерамических материалов.

Сущность изобретения: генератор содержит ротор, который приводится в движение от механической энергии, и статор, на котором закреплены один или несколько дисковых биморфных пьезоэлементов. С помощью закрепленных на роторе роликов осуществляется круговая деформация пьезоэлемента. В результате вследствие прямого пьезоэффекта на электродах пьезоэлемента генерируется постоянное напряжение.

Недостатки электромагнитных преобразователей, которые являются базой большинства ныне используемых устройств, известны: это относительно большая масса, применение дорогих дефицитных материалов, сложность устройства, содержащего катушку, магнит или обмотку возбуждения, зависимость генерируемого напряжения от скорости вращения ротора, наводки от искрения, электромагнитных полей и т. д.

Практика проектирования преобразователей показывает, что в настоящее время многие электромагнитные механизмы могут быть заменены твердотельными, пьезокерамическими, при этом удается существенно улучшить многие качественные показатели. Так, достигаются большая надежность, снижение массогабаритных показателей, технологичность и на базе этого более низкая стоимость, высокий КПД преобразования.

Одним из таких устройств является пьезокерамический генератор постоянного тока, выбранный авторами в качестве прототипа. Этот генератор имеет цилиндрический тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующих ролика и два токосъемника.

При деформации роликами поляризованного в радиальном направлении пьезоэлемента на электродах, которыми являются металлизированные поверхности, возникают вследствие прямого пьезоэффекта заряды, которые передаются в виде напряжения потребителю через токосъемные ролики.

Для повышения надежности и уменьшения износа деформация пьезоэлемента нажимными роликами производится через гибкую прокладку, закрепленную по краю биморфного диска.

В многоэлементном пьезоэлектрическом генераторе могут быть получены различные уровни напряжений путем соединения электродов пьезоэлементов в электрическую цепь последовательно и параллельно.

Генератор включает в себя ротор с деформирующими роликами и биморфный дисковый пьезоэлемент, закрепленный с помощью полого штыря на статоре. В креплении пьезоэлемента имеются изолирующие шайбы, по краю диска пьезоэлемента закреплена гибкая изолирующая прокладка, которая, как уже было сказано выше, может быть выполнена в виде герметизирующей мембраны. В многоэлементном варианте генератора пьезоэлементы закреплены на штыре и отделены друг от друга изолирующими шайбами, по краю каждого элемента закреплены гибкие прокладки.

Генератор работает следующим образом. При вращении ротора от внешнего источника механической энергии ролики, которые установлены относительно дисковых пьезоэлементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке. При деформации пьезоэлемента на электродах вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды, при этом на внешних электродах пьезоэлемента – заряды противоположного знака, которые составляют разности потенциалов.

При вращении ротора и круговой деформации пьезоэлемента на электродах возникает постоянная разность потенциалов, соответствующая величине деформации. Ролики прокатываются по поверхности гибкой прокладки.

В одноэлементном генераторе и в многоэлементном прокладка первого элемента имеет функции защиты электрода пьезоэлемента от воздействия со стороны деформирующих роликов, изоляции электрода от замыкания через ролики и, благодаря гибкости, уменьшения потерь энергии на деформацию.
Электроды разных пьезоэлементов можно соединять в электрическую цепь последовательно и параллельно, получая различные уровни генерируемого напряжения. Благодаря закреплению пьезоэлементов с возможностью поворота – в значительной степени компенсируется синфазная составляющая генерируемого напряжения.

Практически осуществимо изготовление дисковых пьезоэлементов для изготовления генератора большой мощности. Авторами, например, были проведены работы по созданию многоэлементного генератора для ветроэнергетической силовой установки.

Использование пьезопреобразователей серии DuraAct для аккумулирования энергии

Термин «аккумулирование энергии» используется в тех случаях, когда источником для выработки электричества является окружающая среда. К примеру, температура, вибрации, потоки воздуха. В настоящее время существуют электронные платы, чьё энергопотребление находится в диапазоне нескольких милливатт. Несмотря на то, что вырабатываемая энергия с использованием устройств на основе пьезоэффекта невелика, данное направление представляет интерес в тех случаях, когда электричество не может быть подведено с помощью кабелей или требуется исключить использование батарей, что связано с техническим обслуживанием.

Рис.1 Аккумулирование энергии может быть основано на ряде физических эффектов. Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для этой задачи

Аккумулирование энергии (рис.1) может быть основано на ряде физических эффектов. Это могут быть фотоэлементы, а также термогенераторы, которые вырабатывают электрическую энергию при колебаниях температуры. Существует возможность получать и использовать энергию радиоволн с помощью антенн, что может использоваться, например, для питания идентификационных радиометок. Пьезоэлектрические кристаллы также идеально подходят для задач аккумулирования энергии. Они генерируют электрическое напряжение в результате приложения силы в форме давления или вибраций.

Генерация энергии посредством пьезоэффекта

В случае механической деформации пьезоэлектрического кристалла при приложении усилия происходит возникновение электрического напряжения на электродах пьезоэлемента. Данное явление известно как прямой пьезоэлектрический эффект.

Рис.2 Генерация энергии при использовании пьезоэффекта

Генерируемый заряд может быть описан математическим соотношением Q = d ∙ ΔF

Постоянная d зависит от используемого материала. В связи с тем, что количество генерируемого заряда мало, накладываются высокие требования к механической системе и электронике для аккумулирования оптимального количества энергии.

Система аккумулирования энергии

Универсального решения для аккумулирования энергии не существует, так как существует множество приложений и параметры установки всегда различаются. На рис.3 показана общая схема установки.

Рис.3 Общая схема установки для аккумулирования энергии

Для правильного расчёта такой системы, все граничные условия должны быть известны и приняты во внимание. Возьмём, к примеру, источник энергии. Нужно понимать, какой тип воздействия будет оказываться: непрерывный или импульсный. Требования электропотребителя также должны быть приняты во внимание. Важными параметрами являются: требуемое напряжение, мощность и входное сопротивление. Затем можно использовать эти данные для проектирования пьезопреобразователя, включая механическую систему.

Типичные приложения для аккумулирования энергии с использованием пьезоэффекта

Существует множество приложений, где процесс аккумулирования энергии из окружающей среды оказывается эффективным и полезным. Хотя, в настоящее время, небольшие аккумуляторные элементы имеют длительный срок службы, имеет смысл отказываться от их использования, так как требуется много усилий, чтобы проверить или заменить их, если электропотребитель устанавливается в труднодоступном месте. Системы аккумулирования энергии могут являться решением в таких случаях. Типичным примером является контроль технического состояния лопаток ветровых турбин.

Другим интересным приложением является мониторинг и передача данных в системах отопления и кондиционирования воздуха. Вибрации транспортного средства могут быть использованы для выработки энергии и тем самым во время транспортировки можно контролировать продукцию, не используя датчики, оснащённые батареями. Это может быть полезно, если требуется, к примеру, отслеживать температуру в закрытых контейнерах. Датчики дождя могут получать необходимую электроэнергию с помощью систем сбора энергии. Беспроводные сети типа ZigBee могут также получать питание с использованием систем аккумулирования энергии.

Универсальные и надёжные пьезопреобразователи

В общем случае, каждый пьезокерамический элемент или пьезоактуатор может быть использован для аккумуляции энергии. Путем преобразования механических вибраций с частотой в несколько килогерц в электрическое напряжение, может быть получена мощность в диапазоне нескольких милливатт. Питание может подаваться на электрические компоненты, в том числе, на процессоры, датчики и миниатюрные передатчики.

Характеристики

Толщина пьезокерамического слоя

Диапазон рабочих температур

Технические характеристики пьезопреобразователей, выпускаемых компанией Physik Instrumente ( PI )

Компания PI предоставляет широкий ассортимент пьезопреобразователей (рис. 3), которые отличаются высокой надёжностью.

Рис.4 Пьезопреобразователи производства Physik Instrumente

Пьезопреобразователь состоит из пьезокерамического слоя, покрытого полимерной изоляцией, а также электрических контактов. Полимер выполняет функции электроизоляции и механической защиты хрупкой пьезокерамики. Таким образом, использование полимера повышает допустимые пределы по нагрузке на пьезопреобразователь и позволяет его прикреплять на изогнутые поверхности. Кроме того, компактная конструкция и изоляция позволяют пользователю легко интегрировать пьезопреобразователь в свою систему. К примеру, в композитные материалы. Пьезопреобразователь имеет симметричную структуру, т.е. когда он изогнут, на обоих электродах генерируется одинаковое количество заряда противоположного знака. Существует необходимость крепления пьезопреобразователя на подложку (например, из алюминия; пластика, армированного углеродным волокном или стекловолокном), таким образом, получая обычную биморфную структуру. В результате этого заряды генерируются путём фиксирования краевой части пластины и её деформации. Количество заряда оказывается пропорциональным величине деформации в первом приближении.

Проведение испытаний позволяет получить информацию о том, как толщина пьезокерамического слоя влияет на характеристики, связанные с аккумулированием энергии. С этой целью, пьезопреобразователи серии DuraAct были закреплены на пластину из пластика, армированного углеродным волокном. Сама пластина была зафиксирована с одного конца. Вращающийся эксцентриковый диск создавал смещение биморфного пьезопреобразователя. С помощью этой установки удалось реализовать воспроизводимые условия воздействия на пьезопреобразователи, необходимые для их сравнения (варьирование частоты и величины смещения).

Зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки

В ходе эксперимента было проведено сравнение различных пьезопреобразователей серии DuraAct ( P -876. A 11, P -876. A 12, P -876. A 15), закреплённых на пластину из пластика, армированного углеродным волокном, на предмет зависимости выходной мощности от сопротивления нагрузки при одинаковых условиях воздействия (частота 1 Гц, смещение 5 мм). Переменное напряжение от генератора было выпрямлено с помощью двухполупериодного мостового выпрямителя и сглажено посредством конденсатора (10 мкФ). Выходную мощность для каждого пьезопреобразователя определяли при различных сопротивлениях нагрузки.

Рис. 5 Зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки

График показывает, что каждый пьезопреобразователь при определённой нагрузке имеет максимальную выходную мощность. Из протестированных пьезопреобразователей модель P -876. A 12 показала наибольшую выходную мощность. Таким образом, для достижения максимальной выходной мощности требуется оптимизированная конструкция пьезопреобразователя с соответствующей регулировкой параметров нагрузки.

Зависимость выходной мощности от параметров воздействия на пьезопреобразователь

Другие результаты исследования ограничены рассмотрением биморфной структуры на основе пьезопреобразователя P-876.A12.

Рис.6 Зависимость выходной мощности от смещения пьезопреобразователя P -876. A 12.

Рис.7 Зависимость выходной мощности от частоты механического воздействия на пьезопреобразователь P -876. A 12.

Электроника для задач аккумулирования энергии

Доступная электроника для задач аккумулирования энергии посредством использования пьезоэффекта включает выпрямитель с накопительным конденсатором и переключатель нагрузки. Данная схема позволяет преобразовывать переменное и постоянное входное напряжение. Электронная схема позволяет разъединять нагрузку (т.е. потребитель) от генератора, и, таким образом, энергия может собираться и храниться в течение длительного времени.

Для процесса зарядки накопительного конденсатора напряжение генератора в разомкнутой цепи должно быть выше чем уровень Vhigh .

После того, как уровень напряжения Vhigh достигнут в течение временного интервала t 1+ t 2, следует процесс разрядки (передача электрической энергии нагрузке) в течение времени t 3. В случае, если напряжение падает до уровня Vlow , дальнейшая передача энергии нагрузке прекращается и накопительный конденсатор должен быть снова заряжен (рис. 8)

Рис. 8 Схема работы электронного модуля, контролирующего процесс передачи энергии нагрузке.

Таким образом, энергия может передаваться только между уровнями Vhigh и Vlow:

Существует возможность подбирать ёмкость конденсатора в соответствии с требованиями по мощности для конкретного потребителя энергии. Выходное напряжение электронного модуля для тестирования может изменяться до 1.8 В или 5 В. Вследствие следующего цикла: «накопление заряда», «хранение», «передача электроэнергии потребителю», «накопление заряда» это решение может применяться для приложений, где не требуется постоянная передача энергии потребителю. К примеру, в случае с беспроводными датчиками, где заряд может генерироваться, накапливаться и храниться в течение периода между измерениями и извлекаться для измерения и передачи данных. Если пьезоэлектрический преобразователь, механическая система и электронный модуль согласованы в соответствии с конкретным приложением, метод аккумулирования энергии на основе пьезоэффекта может иметь широкое практическое применение.

Приведённые выше данные показывают примеры того, как энергия из окружающей среды может быть преобразована в электрическую энергию, которая затем используется соответствующим потребителем.

Не существует единого решения по аккумулированию энергии, которое удовлетворяет всем требованиям. Конструкция пьезоэлектрического преобразователя, модуль электроники и условия воздействия на пьезокерамику определяют выходные параметры и должны подбираться исходя из конкретной задачи.

Более подробную информацию о пьезопреобразователях серии DuraAct Вы можете найти по следующим ссылкам:

© Все использованные рисунки являются собственностью компаний: Physik Instrumente (PI) GmbH, Moxtek Inc. Все торговые марки являются собственностью соответствующих компаний-владельцев. Цитирование материалов сайта без ссылки на первоисточник запрещено.