Наукова робота. Дослідження можливостей використання п’єзоелементів як альтернативних джерел енергії

РОБОТУ ВИКОНАВ:
Варваров Ярослав Анатолійович,
учень 10 класу
Комунального закладу «Навчально-виховного комплексу
«Cпеціалізована школа I ступеня з поглибленим вивченням
української мови – гімназія № 39
імені гетьмана України Богдана Хмельницького»
Деснянського району м. Києва»

Педагогічний керівник:
Шерстюк Сніжана Олегівна, 
учитель фізики, інформатики та астрономії НВК 39,
лауреатка V Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ – 2020” за версією
науково-популярного природничого
журналу „КОЛОСОК” у номінації
„Фізика і астрономія”

ВСТУП

Актуальність дослідження. На сьогодні людина вже навчилася використовувати в якості відновлювальних джерел енергії такі її види, як енергію сонячного випромінювання, руху води в річках, вітру, приливних хвиль і ін. З цих видів джерел енергії найбільше поширення отримали гідроелектростанції (ГЕС), побудовані й експлуатовані на більшості великих річках світу. При всій привабливості ГЕС як джерела дешевої відновлюваної енергії в останні роки звертається увага на недоліки такого підходу: заливаються величезні площі родючої землі, знижується швидкість течії річок, як наслідок річки міліють, а про негативний вплив ГЕС на рівень вилову риби та її відтворення годі й говорити. Тому при комплексному розгляді перспективності розвитку мережі ГЕС необхідно враховувати зазначені вище негативні наслідки. Згадати лише трагедію 2009 року на Саяно-Шушенській ГЕС та аварійний стан дамб українських ГЕС, можна зробити висновок, що від використання таких видів електростанцій відходить у минуле, поступаючись місцем більш екологічним електростанціям.

Екологічно безпечні вітряні електростанції (ВЕС) можуть знайти застосування далеко не скрізь: для цього потрібні місцевості, де постійно дмуть досить сильні вітри переважно одного напрямку. Таким чином на території України знаходиться лише 17 ВЕС, 9 з яких знаходиться на території Криму, і мають потужність не більше 25 МВт [2].

Іншим екологічно чистим джерелом само відновлювальної енергії є сонячні батареї (СЕС). Однак, вони ефективні тільки в південних місцевостях, де спостерігається переважне число сонячних днів і хмарність не заважає отримувати достатню кількість сонячної енергії, що забезпечує рентабельність застосування дорогих сонячних батарей. Саме тому такі батареї найбільше використовуються в космосі на супутниках і космічних станціях, де економічна ефективність сонячних батарей очевидна.

Зазначені вище джерела відновлюваної енергії забезпечують отримання великої кількості енергії і будуть застосовуватися і далі, незважаючи на перераховані вище негативні фактори.

Однак існує область малої енергетики, де потужності споживаної енергії невеликі. До них відносяться такі застосування як малогабаритна побутова техніка, телефони стільникового зв’язку, бездротові сенсорні системи для спостереження і діагностики технічного стану різних об’єктів і багато іншого. Такого роду техніка не вимагає потужних джерел енергії. Тому для таких пристроїв широко застосовуються автономні електрохімічні джерела електричної енергії (малогабаритні акумулятори та батарейки).

В останні роки пріоритет для джерел живлення мобільних телефонів і ноутбуків віддається літій-іонним малогабаритним акумуляторів, які мають робочу напругу 3-5 В з питомою енергією 100-180 Вт*год/кг. Їх основний недолік – вони не дають великий струм розряду. На відміну від літій-іонних, нікель-кадмієві акумулятори з робочою напругою 1,2 В забезпечують швидкий розряд і дозволяють заряджати їх імпульсами струму. Однак, ресурс всіх цих типів джерел, як правило, обмежений. Тривале використання пристроїв такого роду, особливо для побутової техніки, призводить до необхідності частої заміни хімічних джерел [2].

Згадані вище чинники спонукали в останнім часом вчених шукати більш ефективні само відновлювальні автономні джерела електричної енергії, що базуються на нових принципах. Все частіше увага приділяється дослідженням і розробці джерел енергії, в яких використовуються п’єзокерамічні елементи (ПЕ) – перетворювачі енергії навколишнього середовища в електричну, з подальшим її накопиченням і передачею приймальному пристрою. Аналіз вимог, що пред’являються до таких джерел енергії (накопичувачів і перетворювачів енергії навколишнього середовища), показав, що вони істотно залежать від того, для яких типів пристроїв вони призначені. В даний час найбільше застосування такі джерела енергії можуть знайти в декількох класах пристроїв, серед яких можна виділити такі як: малогабаритні пристрої бездротового електроніки з розширеним терміном служби, малопотужні вбудовані і бездротові пристрої комунікації (наприклад, для телефонів стільникового зв’язку і смартфонів), побутова електромеханіка і електроніка (наприклад електронний годинник) п’єзоелектричні генератори для досить ємних локальних систем освітлення і сигналізації на віддалених об’єктах інфраструктури тощо.

В цій роботі ми з’ясуємо ефективність використання п’єзоелементів як джерела відновлювальної енергії.

Об’єктом дослідження цієї роботи являються діелектрики, які здатні генерувати електричний струм.

Предметом дослідження роботи є п’єзоелектрики як альтернативне джерело енергії.

Мета дослідження полягає в досліджені та пошуку доцільних сфер використання п’єзоелектриків для генерування електричного струму.

Відповідно до мети дослідження були сформульовані завдання дослідження:

1. Ознайомитись з принципами утворення електричного струму в діелектриках.
2. З’ясувати фізичний аспект та стан використання п’єзоелектриків.
3. Встановити методи досліджень та практичного використання п’єзоелементів.
4. Запропонувати етапи дослідження п’єзоелементів як альтернативних джерел електроенергії.
5. Виявити переваги та недоліки використання п’єзоелементів як джерел енергії.
6. Систематизувати та експериментально отримати інформацію про ефективність використання п’єзоелементів в порівняні з іншими альтернативними джерелами електроенергії (сонячними панелями).
7. Запропонувати власні сфери використання дослідно отриманої п’єзоенергії.

Для досягнення поставленої мети, виконання завдань дослідження застосовувався комплекс теоретичних та експериментальних методів дослідження, а саме: проаналізовані електричні особливості діелектриків та з’ясовано їх практичне значення у сфері генерування електричного струму; синтезовано стан дослідження та використання п’єзоелементів у сфері джерел енергії; досліджено умови виникнення електричного струму в п’єзокремнійових пластинках та їх фізичні характеристики; графічно побудовано електричні схеми з’єднання у програмному засобі QElectroTech, за якими було практично виготовлено електричні кола; узагальнено отримані результати, на основі яких запропоновано сфери використання даного виду п’єзоелектриків. 

РОЗДІЛ 1. П’ЄЗОЕЛЕКТРИКИ ЯК ОСОБЛИВИЙ ВИД ДІЕЛЕКТРИКІВ ТА ЇХ ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

1.1. Поляризація діелектриків та їх види

Відомим є факт, що всі речовини за своїми електричними властивостями, а саме електропровідністю, розділяються на декілька типів: провідники, напівпровідники та діелектрики. Провідниками називають речовини й матеріали, що добре проводять електричний струм. Така властивість зумовлена наявністю у провідниках великої кількості вільних заряджених частинок. Так, у металевому провіднику частина електронів, залишивши атоми, вільно «мандрує» по всьому його об’єму. Кількість таких електронів сягає 10²³ у см³ [4].

Діелектриками ж називають речовини, які погано проводять електричний струм або, як ми звикли вважати, взагалі не проводять, тобто є ізоляторами. У таких речовинах заряди не можуть пересуватися з однієї частини тіла в іншу, тобто є зв’язаними. Зв’язаними зарядами називають заряди, що входять у склад атомів або молекул діелектрика, заряди іонів у кристалах з іонною ґраткою.

Всі діелектрики можна розділити на три типи: полярні діелектрики, неполярні діелектрики та іонні кристали. Полярними (H₂О, NCl, SO₂ тощо) називаються діелектрики, в молекулах яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів не співпадають, і вони мають дипольний момент, подібно диполю, навіть під час відсутності зовнішнього електричного поля. Неполярними (H₂, N₂, СO₂ тощо) називаються діелектрики, в молекулах яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів співпадають, які зміщаються у протилежних напрямках під дією зовнішнього електричного поля, що призводить до виникнення дипольного моменту. Іонні кристали (NaCl, KBr, LiF тощо) – це діелектрики, решітка яких складається з позитивних і негативних іонів. В зовнішньому електричному полі іони частково зміщуються від положень рівноваги, і сумарний електричний момент вже не буде дорівнювати 0 [12].

Хоча у діелектриків майже відсутні вільні заряджені частинки, а отже, проходження через них струму практично неможливе, на практиці виявилося, що абсолютних діелектриків не існує. В зовнішньому електричному полі заряджені частинки можуть зміщуватись на невеликі відстані в межах атомів, молекул чи відносно вузлів кристалічної ґратки, але не можуть переміщуватись по всьому об’єму діелектрика. З цього можна зробити висновок, що важливу роль у прояві електропровідності діелектриків відіграє явище поляризації – процес обмеженого переміщення зв’язаних заряджених часток і деяке впорядкування в розташуванні диполів, під дією зовнішнього електричного поля, що роблять хаотичний тепловий рух, у результаті чого в діелектрику утворюється результуючий електричний дипольний момент.

Слід розрізняти два основні види поляризації. Перший вид поляризації (деформаційна) відбувається в діелектрику під дією електричного поля практично миттєво, без розсіювання енергії, тобто без виділення тепла. Другий вид поляризації (релаксаційна) наростає й убуває уповільнено й супроводжується нагріванням діелектрика. Усі частки діелектрика, що здатні зміщатися й викликати поляризацію, можна розділити на дві групи: пружно (сильно) зв’язані й слабко зв’язані. Пружно зв’язані заряди мають одне положення рівноваги, відносно якого відбувається тепловий рух. Слабко зв’язані частки мають кілька положень рівноваги, у яких вони розташовуються випадково й рівно ймовірно. Відповідно, перший вид поляризації викликаний процесами, які пов’язані із пружно зв’язаними частками, релаксаційна поляризація ж – зі слабко зв’язаними зарядами.

Виявилось, що є діелектрики, які відрізняються один від одного певними властивостями. Існують такі види діелектриків: п’єзоелектрики, сегнетоелектрики, піроелектрики та електрети [4].

Сегнетоелектрики – такі діелектрики, що володіють спонтанною поляризацією, напрям якої може бути змінений за допомогою зовнішнього електричного поля. При відсутності зовнішнього електричного поля сегнетоелектрики, як правило, мають доменну структуру. Домени – це макроскопічні області, що володіють спонтанною (мимовільною) поляризацією, яка виникає під впливом внутрішніх процесів в діелектрику.

Діелектрики, які внаслідок впливу температури поляризуються називаються піроелектриками. Процес зміни спонтанної поляризації діелектричного кристалу при однорідній зміні його температури називається піроелектричним ефектом. Піроелектричними властивостями володіють всі сегнетоелектричні матеріали.

Електретом називають тіло з діелектрика, що тривалий час зберігає поляризацію і створює в просторі, що його оточує, електричне поле, тобто електрет є формальним аналогом постійного магніту. Отримати електрети можна з охолодженого в сильному електричному полі розплаву полярних діелектриків: пальмового воску і каніфолі. Для уточнення технології отримання такі електрети називають термоелектретами. Термоелектрети здатні створювати електричне поле в навколишньому просторі протягом багатьох місяців і навіть років.

Під час поляризації під дією електричного поля різнойменно заряджені частинки в діелектрику зміщуються в протилежних напрямках, що приводить до його деформації. Це явище називається електрострикцією. Значна електрострикція проявляється в сегнетоелектриках, в кристалах кварцу та інших діелектриках. Цим діелектрикам властиве і обернене явище. Якщо діелектрик деформувати то на гранях перпендикулярних до напрямку деформації виникають протилежні за знаком заряди. Це явище називається п’єзоелектричним ефектом, який найсильніше виражений ще у одного типу діелектриків – п’єзоелектриків [12]. Саме їх особливості ми опишемо ґрунтовніше, так як  вони лежать в основі нашого дослідження.

1.2. П’єзоелектрики як особливий вид діелектриків

П’єзоелектрики (від латинського «piezo» – «надавлюю») – кристалічні діелектрики без центру симетрії (рисунок 1.1.(б)), у яких найкраще проявляється явище п’єзоефекту. В кристалах, що володіють центром симетрії (рисунок 1.1.(а)), п’єзоефект неможливий [11].

Рисунок 1.1. а) кристал діелектрика з центром симетрії; б) кристал діелектрика без центру симетрії

Суть п’єзоелектричного ефекту полягає в тому, що пластинка п’єзоелектричного кристалу може слугувати перетворювачем механічної енергії в електричну і навпаки – з електричної в механічну. За рахунок цього п’єзоефект розділяється на два види: прямий та непрямий (обернений).

Прямим п’єзоелектричним ефектом називають явище поляризації діелектрика під дією механічної напруги, тобто під час деформації виникає електричне поле. Оберненим п’єзоефектом називають процес деформації п’єзоелектрика внаслідок впливу зовнішнього електричного поля [10].

П’єзоелектричний ефект був експериментально відкритий братами П’єром і Жаком Кюрі в 1880 році у кристалічному кварці, який і до цих пір залишається одним із найкращих п’єзоелектриків через малі втрати енергії. Вони помітили, що при поміщені вантажу на поверхню деяких кристалів, на ній з’являються електричні заряди, значення яких прямо пропорційне прикладеній до них силі [11].

Деформація п’єзоелектрика залежить від напряму електричного поля і змінює знак при зміні напряму останнього. Розрізняють також поздовжній і поперечний п’єзоелектричні ефекти. Під першим розуміють такий ефект, коли виникнення зарядів на протилежних гранях пластинки визначають в тому ж напрямі, в якому були прикладені механічні зусилля, а при зворотному п’єзоелектричному ефекті деформацію вимірюють у напрямі прикладеного електричного поля. При поперечному п’єзоелектричному ефекті виникаючі заряди або деформації вимірюють в напрямі, перпендикулярному напряму механічних зусиль або електричного поля відповідно [10].

Дослідження показують, що для існування явища п’єзоефекту необхідно:

• речовини з гетерополярним хімічним зв’язком, тобто п’єзоелектриками можуть бути або йонні, або сильнополярні діелектрики;
• відсутність центра симетрії в структурі діелектрика: деформація спричиняє симетричне зміщення позитивних і негативних зарядів, і електричний момент не виникає;
• високий питомий опір. В достатньопровідних середовищах п’єзоелектрична поляризація швидко компенсується вільними носіями заряду. Оскільки будь-який діелектрик володіє деяким струмом витоку, всі застосування п’єзоефекту пов’язані із швидкоплинними процесами.

Відомо більше тисячі речовин, що володіють п’єзоелектричними властивостями, зокрема – всі сегнетоелектрики. П’єзоелектричними властивостями також володіють так звані п’єзоелектричні матеріали [3].

РОЗДІЛ 2. ОПИС П’ЄЗОЕЛЕМЕНТІВ ТА ЇХ ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ

2.1. П’єзоелемент як основна частина п’єзоперетворювачів

П’єзоелемент – виготовлена з п’єзоматеріалу деталь простої геометричної форми (стрижень, пластина, диск і ін.), з нанесеними на певні поверхні електродами, що є основою п’єзоелектричного перетворювача (рисунок 2.1) [11].

Рисунок 2.1. Схематичне зображення п’єзоелементу

П’єзоелектричнi матерiали – кристалiчнi з’єднання, якi володiють добре вираженими п’єзоелектричними властивостями та застосовуються для виготовлення п’єзоелектричних перетворювачiв та п’єзоелементiв [14]. Такі матеріали бувають природнього походження (кварц) і штучного (п’єзокераміка). П’єзокераміка є неорганічним діелектриком з високою діелектричної проникністю, відноситься до сегнетоелектриків (тверді розчини солей барію BaTiO₃ і свінцаPbTiO₃ [13].

Виготовлення п’єзоелементів з природних матеріалів відрізняється від виготовлення їх зі штучних п’єзоматеріалів. Виготовлення виробів з природних п’єзоматеріалів здійснюється розрізанням п’єзокристала на елементи в певному напрямку в залежності від заданого зрізу і подальшої механічної обробки їх шліфуванням і притиранням для доведення до необхідних розмірів. П’єзокерамічні вироби виготовляються з відповідних заготовок шляхом шліфування, доводячи їх до необхідної форми і відповідних розмірів [5]. Таким чином, технологічний процес виготовлення п’єзокерамічних виробів можна розбити на 7 етапів:

1. Синтез матеріалу – сутність зводиться до отримання однорідного продукту з високим вмістом необхідних речовин.
2. Виготовлення заготовок – здійснюється пресуванням або литтям під тиском. Сухий порошок пластифікують: пресування здійснюється в спеціальних прес-формах при питомих тисках 5-8*10⁷ Па.
3. Випал – здійснюється в печах із спеціальним градієнтом температури (t= 900-1500 °C).
4. Механічна обробка – етап безпосереднього виготовлення п’єзоелемента. Виготовлення заготовки здійснюється тими ж способами, що і обробка металів: на токарних, фрезерних і свердлильних верстатах. Доведення елементів до заданих розмірів здійснюється шліфуванням, для доведення по частоті використовують полірування.
5. Нанесення електродів – здійснюється вакуумним напиленням, запіканням, осадженням з розчину (хімічний спосіб). Матеріали для електродів – срібло (зазвичай), нікель, паладій, індій, мідь. Найбільш поширений спосіб – запікання срібної пасти: на знежирену поверхню наносять пензлем або пульверизатором шар срібної пасти, сушать при 200 °C і запікають при 750-800 °С.
6. Поляризація – процес орієнтації довільно спрямованих доменів речовини в певному напрямку. Способи: масляна і повітряна, високо- і низькотемпературна, в постійному або імпульсному поле динамічним методом. Найчастіше використовується масляна або повітряна в безперервному постійному полі.
7. Вихідний контроль п’єзоелементів – візуальний огляд та перевірка відповідності технічним умовам, контроль поляризації, діелектричних констант, коефіцієнта зв’язку [13].

Відмітимо, що створений п’єзокерамічний вибір за типом відношення між вектором поляризації та напрямом механічних коливань розділяється на два класи: з поперечним та повздовжнім напрямом механічної дії [5].

Розглянемо принцип генерації енергії в п’єзоелементі (рисунок 2.2):

1. При механічній дії на п’єзоелемент спостерігається зміщення атомів у несиметричній кристалічній решітці.
2. Дане зміщення приводить до появи електричного поля, яке, у свою чергу, індукує заряди на електродах п’єзоелемента.

Рисунок 2.2. Загальна схема перетворення енергії п’єзоелементами

На відміну від звичайного конденсатора, обкладинки якого здатні зберігати заряд тривалий час, індуковані заряди п’єзоелемента зберігаються до того моменту, поки не перестане діяти механічне навантаження. Лише у цей момент від елемента можна отримати енергію [8]. Проте, це не зупинило винахідників та інженерів знайти практичне використання п’єзоелементів.

2.2. Практичне значення п’єзоелементів та перспектива їх використання як джерел енергії

П’єзоелектричні матеріали знайшли застосування в широкому ряді областей, таких як медичні інструменти, контроль промислових процесів, системах виробництва напівпровідників, побутових електричних приладах, системах контролю зв’язку, різних вимірювальних приладах і в інших областях. Застосування п’єзоелементів зазвичай зводиться до чотирьох категорій: сенсори, генератори, силові приводи і перетворювачі [5].

В генераторах, п’єзоелектричні матеріали можуть генерувати напругу, якої достатньо для виникнення іскри між електродами, і таким чином можуть бути використані як електроди для запалення палива, для газових плит і для зварювального устаткування. У сенсорах, п’єзоелектричні матеріали перетворять фізичні параметри, такі як прискорення, тиск і вібрації в електричний сигнал. У силових приводах, п’єзоелектричні матеріали перетворюють електричний сигнал в точно контрольоване фізичне усунення, чітко встановлюючи точність механічних інструментів, лінз і дзеркал. У перетворювачах, п’єзоелектричні перетворювачі можуть, як генерувати ультразвукової сигнал з електричної енергії, так і конвертувати механічні коливання в електричні [1].

Теоретичні розрахунки та досліди показують, що із п’єзоелектричних матеріалів можна створити екологічно-чисте джерело електроенергії. Проте тенденція розвитку методів та способів використання таких перетворювачів зростає, на жаль, дуже повільно і лише за кордоном.

Кожен день люди здійснюють тисячі кроків, і крім переміщення свого тіла з пункту А в пункт В це не приносить нам ніякої користі. Але ж при ходьбі ми витрачаємо величезну кількість енергії, яку можна змусити працювати нам на благо. Так японська компанія East Japan Railway Company вирішила використовувати групи відвідувачів в якості перспективного генератора. Турнікети з п’єзоелементами розмістили на вокзалі в токійському районі Сібуя, де щодня проходять сотні тисяч людей. Підходячи до турнікету, відвідувачі наступають на п’єзоелементи, вмонтовані в підлогу, і таким чином передають енергію від тиску свого тіла (рисунок 2.3). Також люди не тільки крокують, а роблять і інші дії пов’язані з натисканням на що-небудь.

Рисунок 2.3. П’єзоелектрична плитка, яка використовується на вокзалі в токійському районі Сібуя

Група дизайнерів VIVA з технологічного університету міста Гуандонг (Китай) розробила Green Pass турнікет. Головною його особливістю є повна автономність. Турнікет живляться від людей, що через нього проходять кожного дня. Таке переміщення жителів міста забезпечує повну автономну роботу грошоприймачів або пристрої для зчитування карт для оплати проїзду. Певним чином це здешевлює проїзд в транспорті за рахунок зменшення оплати за електроенергію, що йде на роботу турнікетів [6].

Концепція голландської компанії Boon Edam передбачає заміну стандартних дверцят при вході в торгові центри (які зазвичай працюють за системою фотоелемента і самі починають крутитися) на двері, які відвідувач повинен штовхати і таким чином виробляти електроенергію, яку можна буде використовувати надалі в різних цілях. Таким чином при вході в торговий центр Natuurcafe La Port, що знаходиться у Нідерландах, встановлені двері-генератори, які працюють на «ефекті поштовху». Один такий пристрій виробляє до 4600 кВт/год на рік. Можна собі уявити перспективи використання таких дверей у всіх торгових центрах світу (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4. П’єзоперетворювач при вході до торгового центру Natuurcafe La Port

Британська компанія Pavegen Systems Ltd. успішно виробляє і продає по всьому світу унікальну тротуарну плитку, яка генерує електроенергію завдяки крокуючим по ній пішоходам. Перше комерційне замовлення компанія Pavegen отримала на створення тротуарних плит для найбільшого міського торгового центру Європи – Westfield Stratford City, неподалік від олімпійського містечка в Лондоні. У 2012 році, на час проведення літньої олімпіади в Лондоні, плитку Pavegen вже встановили на декількох багатолюдних вулицях, і за пару тижнів зібрали 20 мегаджоулей електроенергії, чого вистачило для живлення освітлення столичних вулиць. Компанія має договір з виробником напоїв Diageo, які вже поширюють плитки Pavegen по всьому світу від Бразилії до В’єтнаму, п’ять плиток живлять вуличні ліхтарі на протязі всієї ночі. Плитка може також посилати дані бездротовим способом, завдяки енергії кроків, і таким чином бути інтегрована в системи розумних міст [9].

Але ж такого роду енергію можливо отримати не лише за допомогою рухів людини, а й транспорту, наприклад автомобілів на дорогах, потягів на рельсах тощо. З ідеї і початкових розробок п’єзоелектричного генератора для отримання електроенергії з шосейного полотна, яким були присвячені багато років – виник перспективний стартап ізраїльської компанії Innowattech.

Ідея використання п’єзоелектричного генератора полягає в наступному – це альтернативне, абсолютно нове екологічно чисте джерело енергії. Про його існування було відомо і раніше, але отримати з нього велику кількість електроенергії нікому досі не вдавалося. Тепер автори стартапу знають як при використанні п’єзоелектричних елементів можна отримувати електрику, перетворюючи тиск проїжджаючого автомобіля на дорожнє полотно. І цю інноваційну технологію можна сміливо назвати проривом.

Нещодавно Innowattech успішно провела етап випробувань у реальних умовах нової технології, яка може зробити переворот в дорожньому будівництві, з’єднавши його з енергетикою. Під асфальт на автобан або під рейки на залізниці на певній відстані один від одного встановлюються п’єзоелектричні генератори, здатні перетворювати енергію тиску проїжджаючого транспорту в електроенергію. Збережена в компактних накопичувачах, вона буде прямо поставлятися прилеглим споживачам [7].

Ізраїльтяни перші змогли масштабувати п’єзогенерацію електрики в споживчих масштабів. Наприклад, в даний час на дослідній ділянці поблизу станції Лод Innowattech встановлює рейки з вмонтованими в них п’єзогенераторами. За твердженням розробників, проходження по цій ділянці в годину 10-20 поїздів з десятьма вагонами кожен, дозволить повністю забезпечити електроенергією 150 житлових будинків.

Особливу увагу дослідники звертають на те, що для установки п’єзоелектричних генераторів, на відміну від інших проектів з видобутку екологічно чистої енергії таких, наприклад, як вітряні або сонячні електростанції, не потрібно виділення спеціальних площ землі. «Для виробництва 1 МВт електроенергії за допомогою сонячних батарей необхідна площа в 2,5 км². Причому, ні для чого іншого цю землю використовувати вже неможливо. Електростанції, які використовують енергію вітру, також займають значну площу, і, крім того, самим своїм існуванням створюють екологічну проблему – в лопатях гине величезна кількість птахів», – говорить автор бізнес ідеї, Євгеній Хараш. «Не можна забувати також, що в існуючих способах виробництва екологічно чистої енергії, як правило, дуже дорого обходиться сервіс», – додає він [9]. Проте, на даний момент, прорив саме у цій області залишається лише «на папері» через недостатній розвиток технологій та наявність спеціалістів технічної сфери.

Що ж стосовно України? Київ як місто-мільйонник є перспективним для розвитку технологій видобування електроенергії на основі п’єзоефекту. Київський метрополітен є своєрідним «клондайком» потенційних способів застосування п’єзоперетворювачів та п’єзогенераторів. Київське метро займає 29 місце в світі за пасажиропотоком, 1.37 млн осіб на добу або 498,4 млн осіб на рік, і ці показники ростуть. Довжина ліній метро 67,6 км, а це рельси по яких їздять 814 вагонів. На кожному вході до станції в середньому 7 турнікетів та по 8 дверей, які люди постійно і доволі сильно штовхають. А ось рівень автомобілізації в столиці істотно вищий за середньоукраїнський, який становить 148 автомобілів на 1000 чоловік. У Києві цей показник тримається на рівні 213 автомобілів на 1000 жителів.

Враховуючи вищесказане, потенціал використання п’єзоелементів як альтернативних джерел енергетики дуже великий. Залишається знайти найбільш потенціально вигідні джерела механічної деформації, щоб при малих фізичних затратах отримувати максимум електричної енергії.

РОЗДІЛ 3. ОСОБЛИВОСТІ ДЖЕРЕЛ МЕХАНІЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ ДЛЯ П’ЄЗОЕЛЕМЕНТІВ

3.1. Загальні відомості про використані п’єзоелементи

Для дослідження найпростіших фізичних характеристик та доцільності використання п’єзоелементів як альтернативних джерел енергії, у роботі використані керамічні мембрані п’єзоелектричні перетворювачі або його ще називають датчиком удару (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1. Вигляд керамічного п’єзоелектричного перетворювача

Даний перетворювач складається з п’єзоелектричного керамічного диска, який спарений з металевим диском. Такий датчик працює як і за прямого п’єзоефекту, так і за оберненого. До срібного напилення конструкції та металевого диску припаяні два електроди. Виробник зазначає технічні характеристики п’єзоелемента, які занесені до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Характеристики п’єзоелектричного керамічного перетворювача

Крім того на сайті виробника зазначено, що датчик повинен видавати напругу в залежності від частоти та сили удару чи вібрації: чим більший механічний вплив, тим більша напруга генерується п’єзоелементом.

3.2. П’єзоелементи у складі експериментальних схем

Для експериментального підтвердження та дослідження явища п’єзоефекту було зібрано та спаяно 5 електричних кіл. Для побудови принципових схем у роботі використано безкоштовну програму QElectroTech.

Спочатку було спаяно п’єзоперетворювач з світлодіодом (рисунки 3.2 (а,б)).

Рисунок 3.2. а) принципова схема; б) загальний вигляд з’єднання світлодіоду та п’єзоелемента

Дана схема, являється індикатором наявності електричного струму при прямому явищі п’єзоефекту.

Друге електричне коло являє собою п’єзоперетворювач під’єднаний до світлодіоду, через діодний міст. Проте довелося його виготовляти самостійно: використовуючи 4 однакові діоди. Його роль полягає у перетворенні змінного струму в постійний та зменшенні втрат електроенергії (рисунок 3.3 (а,б)).

Рисунок 3.3. а) принципова схема; б) загальний вигляд з’єднання світлодіоду, діодного моста та п’єзоелемента

Третє коло виготовлено аналогічно до другого, але має три світло діоди, з’єднаних послідовно між собою, довжина провідників дорівнює 55 см, а перші 10 см провідників з перетворювачем заламіновані (рисунок 3.4 (а,б)).

Рисунок 3.4. а) принципова схема; б) загальний вигляд з’єднання світлодіодів, діодного моста та п’єзоелемента

До четвертої електричної схеми входять п’єзоперетворювач, під’єднаний до діодного моста, до кута «-» до «-» якого під’єднаний ключ, що веде до світлодіода. Інший провідник світлодіоду під’єднаний до кута «+» до «+» діодного моста. При цьому перед ключем до діодного моста під’єднаний конденсатор (6,3 В та 470 мкФ) задля накопичення отриманої енергії (рисунок 3.5 (а,б)).

Рисунок 3.5. а) принципова схема; б) загальний вигляд з’єднання світлодіодів, діодного моста, конденсатора, ключа та п’єзоелемента

Спочатку планувалось зробити дві такі подібні схеми, де будуть послідовно або ж паралельно з’єднані чотири п’єзоелементи, але за великого шансу невдалої пайки та можливості пошкодження посріблення вирішилось використовувати лише один перетворювач.

П’яте коло – сонячна панель приєднана до конденсатора, після якого розміщений ключ, до якого приєднаний світлодіод, що іншим провідником відходить до конденсатора (рисунок 3.6 (а,б)).

Рисунок 3.6. а) принципова схема; б) загальний вигляд з’єднання світлодіодів, ключа, конденсатора та сонячної панелі

Саме дана схема буде використана для порівняння отриманої енергії з п’єзоелемента, щоб оцінити ефективність його використання у порівнянні з іншими альтернативними джерелами енергетики.

3.3. Аналіз отриманих результатів експериментів

Для підтвердження можливості використання п’єзоелектриків як альтернативного джерела електроенергії та знаходження потенціальних джерел механічної деформації ми провели експерименти.

Перший експеримент полягав у наданні механічної деформації п’єзоелементу з різною інтенсивністю та силою удару. Аналізуючи результати даного досліду, ми побачили, що яскравість світіння світлодіоду була невеликою. Логічно було припустити, що даний перетворювач генерує змінний струм, частина якого втрачається на шляху до світлодіоду. Тому було вирішено використати діодний міст, щоб позбутися даного негативного ефекту.

Використовуючи друге коло та мультиметр, ми отримали такі дослідні дані: через діодний міст проходить 3-6мкА приблизно за удар в секунду, 8,1-11мкА приблизно за удар в півсекунди та 12-21мкА приблизно за удар в чверть секунди. Отже, ми прийшли до висновку, що чим інтенсивніше деформується п’єзоелемент, тим більшу напругу він генерує. Таким чином ми підтвердили інформацію виробника, щодо ефективності роботи п’єзоперетворювача (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7. Яскравість світлодіоду під час деформації п’єзоелементу

Роздумуючи над джерелами механічної деформації, ми вирішали перевірити можливість використання енергії з крапель води. Таким чином з висоти 2,5 метри (для більшої потенціальної енергії) ми з великою інтенсивністю капали на п’єзоперетворювач під ламінатом. Діоди світились, а отже, падаюча вода є гарним варіантом застосування цієї технології (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8. Світіння світло діоду від падіння води на п’єзоперетворювач

Враховуючи результати, вищезгаданого досліду, ми пропонуємо використовувати п’єзоперетворювачі, розміщуючи їх на крівлях будинків, та накопичувати отриману енергію, яку потім можна використати для власних потреб.

Продовжуючи пошуки джерел механічної деформації, ми замислилися над тим, чи можна отримувати її з повітря. Для перевірки нашої гіпотези, ми вирішили сконструювати таку установку: до металевої лінійки приєднали 2 електричне коло. Лінійка зазнавала коливань. На відстані 9-16см від точки опори світлодіод мигтів (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9. Експериментальна установка для дослідження деформації п’єзоелемента за рахунок опору повітря

Враховуючи результати експерименту, ми пропонуємо використовувати п’єзоперетворювачі на крилах літаків та лопатях гелікоптерів. Енергія у цих випадках буде генеруватися від різних вібрацій, наприклад, турбулентні потоки повітря.

Для встановлення ефективності використання п’єзоперетворювачів, ми порівняли їх із сонячною панеллю. Характерним є факт, що починаючи з напруги 2,3В використанні світлодіоди мигтять, а розряджаються світячись до 2,15В. Також у колі з панеллю конденсатор розряджався сам по собі, а у колі з перетворювачем – ні, це пов’язано з діодним мостом (струм по напівпровідниках йде виключно в одному напрямку, отже з конденсатору струм не відходив назад до провідників). Ми накопичували конденсатори 4 та 5 кіл до напруги 3В. Світлодіоди світились майже однакову кількість часу. Світлодіод в колі з п’єзоперетворювачем світився приблизно 30 секунд. У колі з сонячною панеллю світлодіод світив довше на 2 секунди. Отже, використання п’єзоелементів як джерел енергії є доцільним та за ефективністю майже не відрізняється від генерованої напруги сонячної панелі.

Також ми припустили, що використання п’єзоелементів у клавіатурах та комп’ютерних мишах буде доволі ефективним. Проте перевірити нашу теорію експериментально не було можливості. Це пов’язано з тим, що необхідно враховувати тип матеріалу, з якого виготовлений п’єзоелемент, та його фізичні властивості (наприклад, еластичність). І це є темою наших наступних досліджень.

ВИСНОВКИ

Отже, ми з’ясували, що у природі не існує ідеальних діелектриків, що означає: вони здані проводити електричний струм. В залежності від типу діелектрика, вони розділяються на декілька видів, особливим з яких є п’єзоелектрик. Саме йому притаманне явище п’єзоефекту, тобто утворення електричного заряду при деформації. Виявилось, що п’єзоелементи застосовують як у звичайних речах, які ми можемо бачити кожного дня, так і в складних пристроях. Також п’єзоелементи починають розглядати та використовувати як альтернативне джерело енергії.

В процесі дослідження особливостей п’єзоелементів ми дізнались, що технологія виробництва малих п’єзоперетворювачів доволі громіздка, проте вони дуже дешеві, що є дуже сильною превагою відносно інших альтернативних джерел енергетики. Сам же процес перетворення енергії відбувається таким чином: при деформації пластинки на вихідних електродах виникає електрична напруга як наслідок прямого п’єзоефекту.

Провівши ряд експериментів, ми дійшли висновку, що генерувати енергію за допомогою п’єзоефекту можна краплями води, які при падінні деформують п’єзоелемент перетворювача; опором повітря, що стискає п’єзоелемент, таким чином призводячи до виділення електричного заряду. Характерним являється і той факт, що чим інтенсивніше деформується пластинка п’єзоперетворювача, тим більше виділяється електроенергії. Також порівнявши п’єзоелементи з найпопулярнішим джерелом альтернативної енергетики: сонячною батареєю,- дійшли висновку, що при оптимальному застосуванні п’єзоелементів, вони як джерело енергії будуть не менш ефективними та прибутковими.

Ґрунтуючись на експериментах, ми можемо впевнено запропонувати такі можливі сфери застосування п’єзоелементів як: метро, школи, багатолюдні офіси, трамвайні лінії, турбіни та крила літаків, лопаті гелікоптерів, крівлі будинків на територіях, яким притаманні великі опади, клавіатури та комп’ютерні миші.

СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ

1. Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms. – Saskatchewan, Canada: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005.
2. Акопьян В.А. Пьезогенераторы – новое перспективное направление малой энергетики / В.А.Акопьян, И.А.Паринов, И.В.Истомин [Елекронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.relga.ru/Environ/WebObjects/tgu-www.woa/wa/Main?textid=2928&level1=main&level2=articles.
3. Головнин В.А. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов / В.А.Головнин, И.А.Каплунов, О.В.Малышкина, Б.Б.Педько, А.А.Мовичков – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. – 272 с.
4. Горячева Т.В. Електротехнічне матеріалознавство: Конспект лекцій. Для студентів навчального напряму 6.050301 «Електромеханіка» / Т.В.Горячева, – Красноармійськ: КІІ Дон НТУ, 2010р. – 114 с.
5. Жуков С.Н. Пьезоєлектрическая керамика: принципы и применение / С.Н.Жуков. – Минск: «ФУАинформ», 2003.
6. Менде Ф.Ф. Альтернативная идеология электродинамики. Монография. // Ф.Ф.Менде, А.С.Дубровин. – М.: Перо, 2016. – 198 с., ил. 62, библ. 78.
7. Пахомов П.И. Пьезоєлектрические переобразователи. Методическое пособие / П.И.Пахомов. – Кыргызско-Российский Славянский университет. – Бишкек, 2001. – 40 с.
8. Повный А.П. Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение / А.П.Повный [Електронний ресурс]. – Режим доступу: – https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/pezogeneratory/.
9. Повный А.П. Тротуарная плитка, генерирующая электроэнергию / А.П.Повный [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://electrik.info/main/news/1138-trotuarnaya-plitka-generiruyuschaya-elektroenergiyu.html.

• Поплавко Ю.М. П’єзоелектрики: навч. посіб. / Ю.М.Поплавко, Ю.І.Якименко. – К.: НТУУ «КПІ», 2013. – 328 с.
• Пьезоэлектрик // Физическая энциклопедия. Т.4 / Гл. ред. А.М.Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. – с. 188–189.
• Титюк В.К. Конспект лекцій з дисципліни «Процеси у діелектриках» / В.К.Титюк, Р.О.Пархоменко. – Кривий ріг, 2010. – 99 с.
• Шарапов В.М. Пьезоэлектрические датчики / В.М.Шарапов, М.П.Мусиенко, Е. В.Шарапова. – М.: Техносфера, 2006.
• Шарапов В.М. Электроакустические преобразователи / В.М.Шарапов, И.Г.Минаев, Ж.В.Сотула, Л.Г.Куницкая / Под ред. В.М. Шарапова. – Москва: Техносфера, 2013. – 296 с.