Пьезоэлектрические генераторы электроэнергии

Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов

В последние годы получило новое развитие направление пьезоэлектрического приборостроения, связанное с созданием пьезоэлектрических преобразователей для генерации электрической энергии за счет использования механической энергии деформации, перемещения конструкций и движения транспортных средств и человека.
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, обеспечивающими согласование их импеданса с импедансом нагрузки и 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.

Как правило, мощные пьезоэлектрические пьезогенераторы являются преобразователями механической энергии (с давлением не менее 1–2 кН) в электрическую при циклическом нагружении, при этом переменное 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 (рис. 1). 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.

Рис. 1. Блок-схема модуля питания

В работах показана принципиальная возможность создания двух вариантов конструкции пьезоэлектрических генераторов в основном как источника зарядки аккумуляторных батарей на напряжение 2–10 В.

В последние годы начаты работы по созданию на основе многослойных монолитных конструкций пьезоэлементов мощных источников питания.

В работе были проведены исследования и определены предельные параметры многослойных пьезоэлектрических генераторов на основе многослойных пьезоэлементов с габаритами 6×6×2,7 мм (количество слоев 50, толщина слоя 50 мкм). Основные конструктивные и электрические их параметры приведены в работах . Целью исследования являлась разработка макетного образца автономного пьезоэлектрического источника питания на основе преобразования механической энергии движения поезда (количество вагонов 10) в постоянное напряжение для подзарядки устройств питания радиомодуля, обеспечивающего его непрерывную работу в течение двух часов, выходное напряжение 3–5 В, максимально развиваемое усилие 5×107 Н/м2, цикличность движения — один состав в час со средней скоростью 20 км/ч.

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).

Были проведены исследования электрофизических параметров пьезогенераторов на устройствах, позволяющих воспроизводить циклические нагружения пьезогенераторов, аналогичные воздействию движущегося поезда на рельсы.

Следует отметить, что проведенный расчет деформации рельсов от давления основного вагона поезда массой 60 т показал, что их величина менее 0,001 мкм, и при расчете преобразования механической энергии в электрическую этот параметр можно не учитывать.

Исследования проводились в электрической схеме включения (рис. 2).


Рис. 2. Принципиальная электрическая схема источника питания

Диод VD1 в этой схеме предотвращает утечки заряда обратно к пьезогенератору (ПГ), когда давление снижается. Диод VD2 обеспечивает разряд обратного напряжения, которое возникает на пьезогенераторе, когда давление спадает до нуля после переклички с генерированной энергией в накопителе (в данном случае в качестве накопителя использована емкость Сн = 40 мкФ, Rн = 2×107 Н/м2). Время одного цикла нагружения и сброса нагрузки не более 1 мин., общее количество циклов не менее 120.

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.

В работе были рассмотрены предельные параметры конструкции многослойных пьезоэлектрических генераторов в качестве твердотельных батарей. Показано, что для аналогичных элементов толщиной до 100 мкм предельные значения давления составляют 5×108 Н/м2. Удельное предельное значение запасенной энергии в пьезогенераторе при давлении 108 Н/м2: W/V = 0,25–0,3 Дж/см3, удельное значение величины заряда Q/S = 5–6×10–2 К/м2.

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.

Система позволяет передавать информацию в реальном масштабе времени о частоте и скорости потока автомобилей, грузоподъемности транспортных средств, а также расстоянии между ними.

В октябре 2009 г. с участием фирмы MAATZ (Israeli National Roads Company) были проведены испытания образцов пьезогенераторов, установленных на участках скоростной дороги № 4. Под асфальтом на глубине 3 см в участок полотна длиной 100 м было установлено 500 000 пьезоэлементов, на участке 400 м — до 2 000 000.

Конструкция и технология изготовления пьезоэлектрических генераторов типа I PEG с системой сбора С. С. защищены четырьмя международными патентами, данные в открытой печати не опубликованы. Результаты проведенных исследований позволили фирме Innowattech приступить к разработке и реализации следующих проектов:

  • С участием национальной компании IRC (Israel Railways Company) на опытном участке близ станции Лод устанавливаются рельсы с вмонтированными в них пьезогенераторами. Проведенные предварительные расчеты показывают, что при интенсивном движении 10–20 поездов (с числом вагонов не менее 10) в час возможно получить до 200 кВт/ч, способных обеспечить электроснабжением до 300 индивидуальных домов.
  • Заключен контракт Start Road на проведение работ в период 2010–2013 гг. по установке пьезоэлектрических генераторов типа I PEG с аккумуляторной системой сбора на трассе Венеция–Триест. Пьезогенераторы закладываются на глубину до 3 см, через каждые 500 м осуществляется сбор и накопление электроэнергии с последующей ее передачей потребителям. Предварительные расчеты показывают, что при частоте движения 600 автомобилей в час на 1 км четырехполосного шоссе полотно с установленными под ним пьезогенераторами позволяет выработать до 1 МВт/ч, на двухполосном шоссе длиной 10 км — до 5 МВт/ч, что позволяет полностью обеспечить энергопитанием системы освещения дороги, электронные системы управления движением (светофоры, табло и т. д.). Сумма инвестиций итальянской компанией Impregilo составляет 225 млн евро.

В приведены предварительные расчеты по созданию волновых электростанций с использованием преобразования механической энергии набегающих прибрежных волн в электрическую. Предварительные расчетно-экспериментальные данные показали низкую эффективность преобразования пьезогенератора: линейка многослойных пьезогенераторов шириной 10 см и толщиной 5 см обеспечивает получение 8–10 Вт с одного метра при воздействии волны с частотой 0,2–0,25 Гц и высотой до 1 м.

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).

Мини-пьезогенераторы

В одном из последних обзоров приведены различные варианты создания пьезо-электрических генераторов и наносистем для различных областей применения. Показана перспективность и применение изгибных пьезогенераторов в малогабаритных устройствах беспроводной электроники и устройствах коммуникации (телефоны сотовой связи, смартфоны), бытовой электромеханике и электротехнике.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию информационно-измерительных и управляющих систем, способных принимать и идентифицировать электромагнитные сигналы от беспроводных микромощных датчиков, встроенных в различные конструкции сетей передачи информации, расположенные в любых, в том числе и труднодоступных, местах, где возможности централизованного питания ограничены. Большое число элементов в таких информационных беспроводных сетях практически исключает возможность длительного, многолетнего поддержания их работоспособности путем регулярной или выборочной замены источника питания. Достижения в области создания маломощных СБИС наряду с низкими коэффициентами заполнения беспроводных датчиков уменьшают требования к питанию до диапазона десятков и сотен микроватт. Связанная с этим низкая потребляемая мощность открывает возможность обеспечения питанием сенсорных узлов посредством извлечения энергии из окружающей среды, устраняя необходимость в батареях и увеличивая срок службы до бесконечности. В таблице 1 приведено сравнение источников извлечения энергии и источников фиксированной энергии (батарей).

Таблица 1. Сравнение источников извлечения энергии и источников фиксированной энергии

Источники извлечения энергии Плотность энергии (мкВт/см3) при годовом сроке службы Плотность энергии (мкВт/см3) при 10-летнем сроке службы
Солнечная энергия (внешняя среда) 15 000 — прямые солнечные лучи,
150 — пасмурный день
Солнечная энергия (внутренняя среда) 6
Вибрации (пьезоэлектрическое преобразование) 250
Вибрации (электростатическое преобразование) 50
Батареи (литиевые без перезарядки) 45 3,5
Батареи (литиевые с перезарядкой) 7 0

Данные таблицы показывают, что батареи являются приемлемым вариантом при коротких сроках службы. Для длительных сроков службы требуется другое решение. Солнечные элементы обеспечивают превосходную плотность энергии при прямом солнечном свете. Однако практически исключают выработку энергии в закрытых помещениях и зависят от погодных условий. Решение данного вопроса возможно при генерации электрической энергии непосредственно на месте расположения электронного маломощного устройства из энергии окружающей среды.

В последние годы появились публикации, посвященные генерации электрической энергии из неиспользованной энергии окружающей среды. Этот метод получил название «энергетическая очистка». Это одно из перспективных направлений, конечная задача которого — обеспечение практически неограниченной продолжительности работы маломощного электронного устройства.

В таблице 2 приведена информация об источниках вибрации.

Таблица 2. Информация об источниках вибрации

Источник вибраций Величина ускорения, м/с2 Частота основной моды колебаний, Гц
Отсек двигателя автомобиля 12 200
Основание трехосного станка 10 70
Корпус смесителя 6,4 121
Сушка белья 3,5 121
Приборная доска автомобиля 3 13
Небольшая СВЧ-печь 2,5 121
Компакт-диск портативного компьютера 0,6 75
Микровибрации зданий и сооружений 0,2 30–100

Механизмы преобразования

Существуют три основных механизма преобразования вибраций в электрическую энергию: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический. В первом случае относительное перемещение между катушкой и магнитным полем вызывает протекание тока в катушке. Электростатический генератор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, которые перемещаются относительно друг друга. При перемещении проводников энергия, хранящаяся в конденсаторе, меняется, обеспечивая, таким образом, механизм преобразования механической энергии в электрическую. В третьтем варианте преобразование механической энергии в электрическую происходит на основе пьезоэффекта в пьезокерамическом материале.

В таблице 3 приведено качественное сравнение особенностей указанных трех механизмов преобразования.

Таблица 3. Сравнение особенностей механизмов преобразования

Механизм Достоинства Недостатки
Пьезоэлектрический Не требуется источник напряжения, выходное напряжение 3–8 В Затруднена интеграция в микросхемы
Электростатический Простота интегрирования в микросхемы Необходим отдельный источник напряжения
Электромагнитный Не требуется источник напряжения Выходное напряжение 0,1–0,2 В

Из анализа данных, приведенных в таблице 3, следует, что наиболее перспективным является прямое преобразование механической энергии колебаний в электрическую, осуществляемое пьезокерамическим преобразователем. В качестве основного элемента преобразователя используются пьезоэлектрические датчики. Прямое преобразование механических колебаний конструкции в электрическую энергию будет наиболее эффективно при использовании гибких пьезоэлектрических датчиков — пьезобиморфов .

Принципиальная конструкция пьезоэлектрического микропреобразователя на основе пьезобиморфа показана на рис. 3.


Рис. 3. Принципиальная конструкция микропреобразователя на пьезобиморфе

В ряде работ были проведены расчеты и оптимизация основных параметров, приведенных в таблице 4, а также установлены предельные ограничения, обусловленные механической прочностью конструкции из пьезокерамического материала.

Таблица 4. Основные параметры

Переменная Описание Ограничения
Габариты статической массы М
lm Длина hm <5 мм
hm Высота (lm+lb)wm <1 см2
wm Ширина (lm+lb)wb <1 см2
Конструктивные параметры пьезобиморфа
lb Длина балки le–lm <0
wb Ширина балки
le Длина электрода
tp Толщина пьезослоя
tsh Толщина стальной шайбы
Rload Сопротивление нагрузки

В работе приведена оптимизация конструкций, изготовленных из пьезоэлектрических материалов: PZT, который является керамикой, и PVDF, который является полимером. Оптимальные параметры конструкции для двух различных материалов (с прокладкой и без) представлены в таблице 5.

Таблица 5. Оптимальные параметры конструкции для двух различных материалов

Параметры PZT PVDF
без прокладки с прокладкой без прокладки с прокладкой
lm, см 1,71 1,73 0,32 0,5
hm, см 0,5 0,5 0,5 0,5
wm, см 0,3 0,3 1,87 1,32
lb, см 1,62 1,6 0,21 0,25
wb, см 0,3 0,3 1,87 1,32
le, см 1,62 1,6 0,21 0,25
tp, мкм 365 267 75,6 42,9
tsh, мкм 0 182 0 135
Rload, кОм 355 264,5 6725 4825
Vr, В 13,1 12,1 50 50
Pout, мкВт 242 277 186 260

Значения входной вибрации были получены в малой СВЧ-печи на частоте 120 Гц. При моделировании для PZT использовался коэффициент пьезоэлектрической связи (k31), равный 0,12, основанный на измерениях биморфа со стальной центральной прокладкой. Для PVDF использовался коэффициент связи 0,08. Следует отметить, что использование оптимальных параметров PZT-биморфа привело к реализации очень длинного тонкого прибора. В зависимости от применения дополнительные индивидуальные ограничения могут быть внесены по общей длине и ширине прибора. Моделирование и эксперимент выявили наилучшее значение выходной мощности, равное приблизительно 250 мкВт. Выполненный анализ показал, что пьезоэлектрические преобразователи способны обеспечивать бóльшую мощность на единицу объема, чем емкостные. Также пьезоэлектрические преобразователи предпочтительнее еще и потому, что не требуют отдельного источника питания, и выходное напряжение рассматриваемых источников вибрации было в диапазоне 3–10 В.

В настоящее время реализуется Европейский исследовательский проект VIBES (Vibration Energy Scavenging, «Сбор вибрационной энергии»). Координатором является University of Southampton (School of Electronics and Computer Science), в состав команды входят также государственные исследовательские лаборатории EPFL, Tima, Tyndall, University of Southampton, Femto-st, фирмы Philips, MEMSCAP и METRAVIB . Цель проекта — разработка и демонстрация микромощного генератора, способного использовать энергию от вибраций и движений окружающего пространства (зданий, машин, человека). Этот прибор будет производить электрическую энергию (в диапазоне мкВт) для обеспечения питанием автономных микросистем. В устройство должны входить маломощные контроллер и модуль ВЧ-связи, несколько MEMS-датчиков и микробатарея для хранения энергии (рис. 4).


Рис. 4. Схема извлечения энергии

Прибор состоит из сейсмической массы, изготовленной из кремния, подсоединенного к подложке посредством гибкого кантилевера. Во время движения кантилевер испытывает нагрузку при сжатии и растяжении на верхней и нижней поверхностях. Пьезоэлектрический слой, расположенный в верхней части кантилевера, подвергается нагрузке, и, как следствие, некоторый электрический заряд появляется на поверхности. Этот заряд собирается металлическими электродами и подается на электрическую нагрузку или схему накопления энергии. Прибор изготовлен с использованием MEMS-технологии в кооперации с фирмой MEMSCAP. В процессе используется глубокое реактивное ионное травление обеих сторон со структурой «кремний-на-изоляторе» (SOI). Пьезоэлектрический слой был изготовлен из нитрида алюминия и в ближайшем будущем будет заменен на более толстый слой PZT (цирконат–титанат свинца). Модуль управления питанием предназначен для передачи энергии, производимой микромощным генератором, в модуль хранения энергии, например микробатарею. Для зарядки батареи требуется стабильный источник напряжения на постоянном токе со специфичным напряжением, зависящим от характеристик батареи. Также требуются операции по некоторому выпрямлению и повышению напряжения. Более того, эти операции должны выполняться с наивысшей эффективностью, а схема должна иметь очень малую потребляемую мощность. На рис. 5 приведена блок-схема модуля управления питанием. Схема извлечения энергии состоит из AC/DC-схемы для выпрямления напряжения и DC/DC-схемы для повышения напряжения. DC/DC-схема управляется цифровым контроллером, так как она является активной и адаптируется в зависимости от поступающего электрического сигнала и его частоты в целях обеспечения максимальной передачи энергии и зарядки батареи с наивысшей эффективностью. Как и ожидалось, генерируемая мощность является функцией амплитуды перемещения. Было установлено оптимальное значение нагрузочного сопротивления — 333 кОм, необходимое для выделения максимальной мощности с вибрирующей балки. Максимальная генерируемая мощность для амплитуды перемещения в 0,9 мм составила около 2 мкВт. Максимальное генерируемое напряжение составляет около 1,2 В.


Рис. 5. Схема архитектуры автономной микросистемы

В Sandia National Laboratories (США) ведутся работы по созданию ключевых компонентов безбатарейной микросенсорной системы, в которой осуществляется преобразование механической энергии от незначительных вибраций структур в электрическую энергию, которая приводит в действие систему. Пьезоэлектрический материал крепится к балке (кантилеверу). Всякий раз под воздействием нагрузки (например, когда высокое здание раскачивается от ветра или грузовик проходит по мосту) пьезоэлектрическая керамика генерирует небольшой заряд, всего 100 мкКл, который временно хранится в накопительном банке системы. Этого хранимого заряда достаточно для питания микросенсорной системы на долю секунды, что достаточно для осуществления простого считывания. Далее, если механическое напряжение в пьезоэлектрике превысит установленный порог, в результате может произойти сбой в структуре, например, маломощный микропроцессор может включиться. Сенсор выполнит измерение, передаст результат считывания на ВЧ-тэг flash-памяти, и будет осуществлен быстрый перевод микропроцессора в спящий режим.

Специалисты Sandia создали систему, которая обеспечивает питание микропроцессора, генерируемое от вибраций, и продемонстрировали метод хранения и поиска данных. Был показан только метод мониторинга критической инфраструктуры. Законченный прибор должен обеспечивать тепловые измерения, измерения механической нагрузки и отклонения растяжения, а также получение другой информации, которая может храниться в базе данных и считываться немедленно — например, в случае организации эвакуации из высокого здания. Это позволило бы решить задачу мониторинга высоких зданий, мостов, дамб, туннелей и других инфраструктур.

В приведены результаты исследования по созданию микро-пьезоэлектрического генератора мощностью 375 мкВт, обеспечивающего работу радиопередатчика на частоте 1,9 ГГц при рабочем цикле 1,6%. В беспроводных системах прием/передача сигнала осуществляется в короткий период времени, затем устройство переходит в режим ожидания, с практически отсутствующим энергопотреблением. Типичный рабочий цикл передачи 1–2%, режим ожидания 98–99%.

Массовое применение микро-пьезогенераторов в настоящее время нашло в системах питания TPMS (система измерения давления в автомобильных шинах). Эта разработка выполнена на фирме Morgan Electro Ceramics (Англия).

Другие возможные применения генератора для извлечения энергии касаются бытовых электронных изделий, таких как мобильные телефоны, mp3-проигрыватели, цифровые камеры, которые могут получать энергию от движения человека.

В таблице 6 приведены данные ожидаемого уровня электрической энергии от движения человеческого тела за счет преобразования механической энергии в электрическую.

Таблица 6. Данные ожидаемого уровня электрической энергии от движения человеческого тела

Активное действие Генерируемая механическая энергия Электрическая энергия Электрическая энергия, затрачиваемая на движение
Дыхание 0,83 Вт 0,091–0,42 Вт 0,5–2,5 Дж
Движения верхних конечностей 3 Вт 0,33–1,5 Вт 1,5–6,7 Дж
Движение пальцев 6,9–19 мВт 0,76–2,1 мВт 143–266 мкДж
Ходьба 67 Вт 5 Вт 8,3–14 Дж

Как видно из приведенной таблицы, наибольшие значения электрической энергии связаны с ходьбой. Из сравнения генерируемой и потребляемой энергии понятно, что источники питания, связанные с ходьбой или дыханием, могут быть использованы в любом носимом приборе. Пьезоэлектрические генераторы, основанные на движении верхних конечностей, в перспективе в состоянии обеспечивать питание GSM- и Bluetooth-устройств с низким энергопотреблением.

Некоторые примеры пьезоэлектрических генераторов, связанных с движением человека

В Массачусетском технологическом институте был проведен эксперимент с размещением пьезоэлектрических элементов под стандартной съемной стелькой спортивной обуви . Энергия от давления пятки извлекается посредством расплющивания двух элементов, изготовленных из двух униморфов Thunder PZT/пружинная сталь, а энергия от сжатия/разжатия пальцев ног — посредством изгиба биморфной пластины, изготовленной из 16 пьезоэлектрических слоев. Ввиду ограниченной эффективности электромеханического преобразования среднее значение извлекаемой энергии оказалось небольшим (8,3 мВт на пятке и 1,3 мВт на пальцах во время ходьбы в среднем темпе). Тем не менее этого достаточно для транспорта 12-разрядного ID-кода в локальную сеть с помощью портативного передатчика.

Перспективные исследования и разработки проводит фирма Kyocera (Япония) в области создания альтернативного источника энергии — пьезогенератора для заряда встроенного аккумулятора перспективного мобильного телефона Eos при движении человека .

Фирма Nissan Electric (Япония) разработала и выпускает модуль питания на основе пьезобиморфа, который вырабатывает энергию при ходьбе человека (мощность ≥20 мВт).

Фирма EnOcean сообщает о разработке безбатарейного радиовыключателя освещения .

В приведены результаты исследований мини-пьезогенератора для питания имплантируемого протеза TKR при давлении с мощностью до 225 мкВт (мощность потребления системы питания микроконтроллера протеза TKP PIC161E872 — 50 мкВт).

В приведены результаты исследований пьезогенератора, имплантируемого в протез колена человека для стимуляции роста костной ткани (мощность до 250 мкВт).

В Англии фирма Facility Architects совместно со Scott Wilson Group реализует проект Pacesetters по преобразованию механической энергии движения пассажиров на вокзале Виктория (за 60 мин. проходит 34 тыс человек) в источник электрической энергии. Авторы проекта полагают, что система может получить от каждого проходящего человека 3–4 Вт. Аналогичной разработкой занимаются специалисты японской железнодорожной компании JR-East совместно с учеными университета Keio. Созданная ими система может использоваться для подсчета пассажиров и одновременно для генерации электричества от прохождения людей через турникет. Эксперимент показал, что на вокзале в Сибуя в течение 6 часов работы система вырабатывает 1 Вт/ч.

Английская компания Pavegen Systems разработала пьезогенератор Pavegen, который преобразует энергию от давления шагов человека в электрическую (при деформации на 5 мм получается 2,1 Вт). Плата-генератор изготовлена из нержавеющей стали, покрытой резиной. Внешний корпус изготовлен из литого алюминия. Получаемая энергия накапливается в литьевых полимерных аккумуляторных батареях и может быть использована для питания осветительных приборов. Пять таких генераторов, установленных на оживленном участке тротуара, могут снабдить энергией освещения автобусную остановку на всю ночь. По подсчетам экономистов, срок окупаемости этого устройства — около года, в то время как заявленный ресурс составляет пять лет или 20 млн шагов.

Гриценко Анатолий, Никифоров Виктор, Щёголева Татьяна

Литература (в источнике):
Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Пьезоэлектрические генераторы — генераторы работающие на основе пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффект — возникновение электрических зарядов на поверхности вещества при его механической деформации. Пезоелектричний эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии, в которых при деформации элементарного структурного гнезда происходит появление электрического момента. Наиболее хорошо пьезоэлектрический эффект проявляется при приложены механической деформации кристаллам природного кварца. Природные кристаллы кварца относятся к гексагональной кристаллографической системы и имеют форму, близкую к шестигранной призмы, ограниченной двумя пирамидами. При приложении механической деформации сжатия или растяжения до кристалла кварца в определенном направлении, на поверхности кристалла образуются электрические заряды. На Рис. 24.1. Показан кристалл кварца с

Рис. 24.1. Кристалл кварца с указанием его осей симметрии

Рис. 24.2. Кварцевая пластинка, вырезанная из кристалла кварца, перпендикулярно оси. а

изображением его осей симметрии. А на Рис. 24.2. Показана кварцевая пластинка, вырезанная из кристалла кварца, перпендикулярно оси а. При приложении давления в направлении оси а, что приводит к деформации сжатия или растяжения на гранях 1234 и 5678 появляются электрические заряды разноименных знаков. Поверхностная плотность зарядов, появившиеся в пределах упругих воздействий, пропорциональна

величине деформаций, прикладываются. Причина возникновения поверхностных зарядов, при приложении механической деформации к кристаллу кварца, заключается в следующем. По электрической структурой все диэлектрики можно разделить на полярные и неполярные. В полярных диэлектриков структурные единицы вещества имеет собственный дипольный момент. В неполярных диэлектриков в отсутствии внешних воздействий дипольный момент нет. При помещении диэлектрика в электрическое поле диполи в полярных диэлектриках возвращаются по полю. В неполярных диэлектриках внешнее механическое воздействие или электрическое поле приводит к смещению зарядов внутри электрически нейтральных молекул, также приводит к появлению электрических диполей. По механизму смещения заряженных частиц различают электронную, ионную и дипольной поляризацией. По характеру смещения заряженных частиц поляризация может быть упругой и релаксационной. В качестве примера возникновения упругой поляризации, обусловленной смещением зарядов, под действием механических напряжений, рассмотрим рисунок 24.3. На этом Рис. показана структура элементарных ячеек кварца, состоящий из трех молекул

Рис. 24.3. а. При отсутствии механической деформации Центры положительных (Si) и отрицательных (О) ионов совпадают

Рис. 24.3. б. При воздействии механической деформации, положительные и отрицательные ионы смещаются

диоксида кремния — Sio 2 . При отсутствии механической деформации центры положительных (Si) и отрицательных (О) ионов совпадают (рис 24.3.а). При воздействии механической деформации, приводит к сжатию кристалла в вертикальном направлении, положительные ионы смешаются на некоторое расстояние в низ, а отрицательные ионы — вверх (рис. 24.3.6). В результате такого сдвига центры положительных и отрицательных ионов теперь не совпадают. В результате такого сдвига на поверхности кристалла появляются электрические заряды, и возникает разность потенциалов. При деформации, приводит к сжатию кристалла в горизонтальном направлении, знак возникающей разности потенциалов меняется.

На Рис. 24.4. Условно показан сдвиг центров положительных и отрицательных ионов, при воздействии деформации сжатия в вертикальном направлении. Видно, что компенсация отрицательных и положительных зарядов имеет место только в области их взаимного перекрытия. Вне этой области образуется не скомпенсированы негативные (в верхней части рисунка) и положительные (в нижней части) заряды. В общем случае при механической деформации кристаллов в структуре его решетки происходят изменения двух типов. Во-первых, деформируется каждое элементарное гнездо. Так при одностороннем сжатии кристалла с кубической симметрией его элементарное гнездо превращается из куба в параллелепипед. Во — вторых, при деформации кристалла может происходить сдвиг элементарных ячеек друг относительно друга. Однако этот сдвиг может происходить только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Поэтому красивыми пьезоэлектрическими свойствами обладают только те кристаллы, которые имеют низкую степень симметрии. Многолетний опыт проектирования различных преобразователей энергии показывает, что в настоящее время многие электромагнитных механизмов могут быть заменены твердотельными, пьезокерамическими преобразователями.

На сегодняшний день различными странами разработано много различных конструкций пьезоэлектрических генераторов, содержащих отдельные или объединенные в группы электрически или механически связаны друг с другом пьезоэлементы (стержни, пластины, диски), на поверхности которых нанесены электроды. Наиболее простые конструкции пьезоэлектрических генераторов,

Рис. 24.4. Смещение центров положительных и отрицательных ионов

показано на рисунках 24.5. и 24.6. На этих рисунках: 1 — металлические, токосъемных контакты; 2 — кварцевая пластинка; 3 — диэлектрическая подложка. Такие пьезоэлектрические генераторы способны вырабатывать электрический ток при механическом воздействии на его пьезоэлементы. Недостатками генераторов этого типа являются: малый удельный електропродуктивнисть на единицу объема и высокая хрупкость конструкции.

Рис. 24.5. Устройство простейшего пьезоэлектрического генератора, со сплошными металлическими контактами

Рис. 24.6. Устройство простейшего пьезоэлектрического генератора, с гребенчатыми металлическими контактами

В литературе описании пьезоэлектрический генератор — основой которого является слоистая структура, состоящая из скрепленных между собой магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев. Эта структура обеспечена тонкопленочных выпрямителем, выполненного из г. и п полупроводниковых слоев, и конденсатора, состоящий из двух металлических и одного диэлектрического слоев, выполненных непосредственно на структуре в одном технологическом цикле. За счет использования асимметричной структуры, состоящей из слоя пьезоэлектрического и магнитострикционного материала, возможна эффективная работа устройства на частоте электромеханического резонанса в области инфразвука. Это устройство позволяет получать на выходе постоянное стабильное напряжение. Пьезокерамический генератор постоянного тока. Этот генератор имеет цилиндрический, биморфный дисковый тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующие ролики два токосъемники. Устройство генератора показано на Рис. 24.7.

На этом Рис. показаны: 1 — ротор; 2 — деформирующие ролики; 3 — дискообразный пьезоэлементы; 4 — пустой штырь; 5-статор; 6-изолирующие шайбы; 7 — гибкая изолирующая прокладка. Знаками «+» и на рис. показано направление поляризации пластин пьезоэлемента. Генератор работает следующим образом. При вращении ротора от внешнего источника механической энергии ролики, установленные по дисковых пьезоэлементов таким образом, что обеспечивается их деформация, прокатываются по прокладке. При деформации пьезоэлемента на электродах в результате 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 разница потенциалов, соответствующая величины деформации. Для повышения надежности и уменьшения износа деформация пьезоэлемента нажимными роликами производится через гибкую прокладку, закрепленную по краю биморфного диска. Электроды, различных пьезоэлементов, можно соединять в электрическую цепь последовательно и параллельно, получая разные уровни генерируемой напряжения. Благодаря закреплению пьезоэлементов с возможностью поворота — в значительной степени компенсируется синфазная составляющая генерируемой напряжения.

Практически осуществимо изготовления дисковых пьезоэлементов для генератора большой мощности.

Компания Innowattech предложила систему получения электроэнергии, которая обычно растрачивается зря. Источником такой энергии является давление, которое оказывает на поверхность автомобиль не только движется, но поезд или самолет при взлете или посадке. Преимущества этой системы, по сравнению с другими разработками в области добычи экологически чистой энергии в том, что не нужно выделения дополнительной территории, а не наносится ущерб окружающей среде, система работает независимо от погодных условий. Под асфальт на

Рис. 24.7. Пьезокерамическими генератор постоянного тока

автотрассу или под рельсы на железной дороге на определенном расстоянии друг от друга устанавливаются пьезоэлектрические генераторы, способные превращать энергию давления проезжающего транспорта в электроэнергию. Энергия запасаемой в накопителях будет напрямую поставляться потребителям.

На Рис. 24.8. Показана схема такого преобразователя. На этом Рис .: 1 — прикреплена масса; 2 — пьезоэлемент; 3 — упругий элемент; 4 — основание; 5 — токосъемных контакты; 6 — покрытие, воспринимает переменное давление. Схема устройства, использующего продольный пьезоэффект. Такой принцип получения электроэнергии известен давно. Например, что в японском метрополитене е станция (Marunouchi) с пьезоэлектрической полом используют давление ног пассажиров для выработки электроэнергии, достаточной для питания нескольких турникетов. На таком же принципе действует танцевальный пол в одной из английских дискотек. Танцующие генерируют ток для нескольких дискотечных фонарей, наблюдая процесс генерации, так сказать, собственными глазами. В Окленде также использовали давление проезжающих машин на трассу для выработки электричества. Но принцип работы в этой системе — механический. Там, автомобили давят на установленные под асфальтом плиты, которые, в свою очередь, оказывают давление на подземную систему водоснабжения, в результате чего вода поступает на турбины. Другое известное применение достаточно мощных пьезоэлектрических генераторов, было найдено для питания велосипедной фары. Оказалось, что мощности таких генераторов, установленных на педалях велосипеда, хватило для периодического питания электрической фары на небольшое время.

Но, израильские разработчики первые, кто смог производить пьезоэлектричество в значительных масштабах. Например, в настоящее время на опытном участке возле станции Лод, компания Innowattech устанавливает рельсы с вмонтированными в них пьезогенераторамы. По утверждению разработчиков, прохождение по этому участку в час 10-20 поездов с десятью вагонами каждый позволит полностью обеспечить электричеством 150 жилых домов.

Уже созданы пьезогенераторы для автомобильных и железнодорожных, пешеходных троп и даже для авиационных полос.

Интересно еще одно предложение израильских разработчиков по использованию гравитационного взаимодействия и пьезоэлектрического эффекта. Рассмотрим это предложение. Предположим, что у нас есть цилиндр, который может перемещаться вверх-вниз. Если мы подложим под одно из оснований цилиндра пьезоэлемент, то цилиндр будет влиять на этот пьезоэлемент своим весом. Давление, с которым цилиндр будет давить на пьезоэлемент, будет равен отношению веса цилиндра к площади соприкосновения. Мощность, которую будет генерировать пьезоэлемент, зависит от площади самого пьезоэлемента и от величины давления, с которым на него будет влиять цилиндр. Теперь вспомним закон Паскаля, который говорит, что давление в жидкости или в газе равномерно распределяется по всем возможным направлениям. Итак, если всю внутреннюю поверхность емкости, заполненной какой-либо жидкостью, покрыть пьезоэлементами, а затем создать в ней колебательный процесс, например, слегка изменяя объем емкости, то давление внутри жидкости начнет меняться в соответствии с изменением ее объема и упругих свойств самой жидкости и стенок емкости. При этом, пьезоэлемента будут генерировать ЭДС, пропорциональная амплитуде изменения давления. В качестве основы для такого преобразователя предлагается использовать герметичную плоскую емкость, заполненную водой или маслом. Верхняя часть этой емкости будет воспринимать на себя давление транспортного средства, и сжимать жидкость. Пьезоэлемента располагаются на внутренних поверхностях емкости. Чем больше площадь внутренних стенок, тем более пьезоэлементов там можно расположить и, следовательно, получить больше электроэнергии. Такой способ получения электроэнергии становится возможным благодаря созданию плоских и небольших по размеру «наногенератора».

Рис. 24.8. Схема преобразователя давления

В лаборатории технологического института Джорджии разработаны два типа наногенератора, инкапсулированих в полимерную пленку. Каждый из генератора представляет собой тонкий лист пластика, размеры которого сопоставимы с размерами листа бумаги для записей. На Рис. 24.9. Показана строение одного из наногенератора. На этом Рис .: 1 — выходные электроды; 2 — кремниевая подложка; 3 — платиновые электроды; 4 — нанопровода из оксида цинка; 5 — полимерный наполнитель. Принцип работы этих наногенератора основан на пьезоэлектрический эффект в нанопроводов из пьезоэлектрического оксида цинка. При этом толщина нанопроводов лежит в пределах нескольких сотен нанометров.

Нанопроводники этого генератора были изготовлены чисто химическим способом. Для увеличения срока работы наногенератора, пространство между нанопроволоками заполнен пластиком. Небольшой допустимый сжатие наногенератора приводит к тому, что он генерирует напряжение около 0,24 В.

Другой, более мощный генератор создан по схожему принципу, но содержит значительно большее количество нанопроводов. Строение этого пьезогенератора показано на Рис. 24.10. На этом Рис .: 1 — полимерный корпус; 2 — металлизированная подложка; 3 — Zno — нанопроволок. Выходное напряжение такого генератора прямо пропорционально величине механической деформации, которой подвергаются нанопровода. Исследования показали, что изготовлены опытные образцы могут обеспечить пиковую напряжение 1.26В, при плотности полученной электрической мощности — 2,7 милливатта на один кубический сантиметр объема, в том случае, когда материал генератора подвергается деформации всего в 0,19 процента.

Рис. 24.9. Устройство пьезогенератора на основе нанопроводов из оксида цинка

Такая энергетическая емкость пьезоэлектрического наноустройства, указывает на реальную возможность его практического применения. Кроме высокого значения напряжения, новые наногенератора обладают рядом преимуществ перед существующими устройствами подобного типа. В них, в отличие от многих известных пьезоэлектрических генераторов, не применяются токсичные металлы, производство таких пьезогенераторив не требует значительных энергетических затрат.

Более того, благодаря отсутствию механических частей движущихся эти генераторы могут служить в течение длительного времени без потерь своих характеристик. Интересная конструкция пьезоэлектрического генератора, который содержит диэлектрическую подложку и наноразмерные столбики из пьезоэлектрика • полупроводника. В этом устройстве наноразмерные столбики жестко

Рис. 24.10. Пьезогенератор на основе большого массива нанопроводов.

Рис. 24.11. Наноромирний пьезогенератор

встроенные в диэлектрическую подложку, а наноразмерные токосъемных проволочные электроды проложены на подложке с обеих сторон столбиков, причем между каждыми двумя электродами, проложенными между соседними рядами столбиков, есть зазор, а сами электроды заключены в слой упруго-пластического изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов.

Вертикальные наноразмерные столбики, выполненные из оксида цинка. Диэлектрическая подложка выполнена из твердого диэлектрического полимеризуючогося пластика. В пьезоэлектрический генератор введены постоянные наноразмерные магнитные элементы, жестко связанные с вершинами наноразмерных столбиков или заселены в вершины наноразмерных столбиков или погружены в каплевидную наноразмерные элементы, или в каждый постоянный наноразмерные магнитный элемент. Строение пьезогенераторив показано на Рис. 24.12. На этом Рис .: 1 — диэлектрическая подложка; 2 — вертикальные наностовбчикы; 3 — наноразмерные токосъемных электроды; 4 — упругий изолятор; S-наноразмерные постоянные магниты; 6- каплевидные наноразмерные элементы. Раздельное установлен вертикально наноразмерных столбиков в подложки необходимо для устранения паразитных электрических связей между ними в процессе работы пьезоэлектрического генератора и, как следствие, повышение выработки электрического тока. Наноразмерные токосъемных проволочные электроды (выполненные из золота) проложены на подложке с обеих сторон вертикальных наноразмерных столбиков, причем между каждыми двумя наноразмерными токосъемных проволочными электродами, имеется зазор, а сами электроды заключены в слой упругого пластического изолятора, высота которого соответствует диаметру электродов. Постоянные наноразмерные магнитные элементы жестко связаны с вершинами наноразмерных столбиков причем магнитные оси всех постоянных наноразмерных магнитных элементов перпендикулярны наноразмерными токосъемных проволочным электродам, параллельные друг другу и поверхности подложки, а полюса всех постоянных наноразмерных

Рис. 24.12. Строение пьезогенератора с вертикальными наностовбчикамы

магнитных элементов одинаково ориентированы. Это необходимо для достижения максимальной амплитуды и синхронности колебания всех наноразмерных столбиков, приводит к выработке максимального тока.

В результате совместной работы ученых из Калифорнийского университета в Беркли (США), Мюнхенского технического университета (Германия) и Института электроники Академии наук Китая был сконструирован генератор на базе органических нановолокон. В основе работы этого генератора так же лежит прямой пьезоэффект — появление электрической поляризации под действием механических напряжений и деформаций (растяжения, скручивания). Для получения нановолокон органического полимера — поливинилиденфторид — использовалась технология так называемого электропрядение, которая позволяет с высокой точностью контролировать расположение волокон на подложке. Минимальный диаметр созданных наногенератора — составил 500 нм. При механическом воздействии они генерировали выходное напряжение в диапазоне 5-30 мВ и выходной ток от 0,3 до 3,0 на. Зарегистрирована в эксперименте эффективные преобразования энергии доходила до 21,8% при среднем значении в 12,5%.

Интересная разработка пьезоэлектрического генератора на резиновой основе. В основе этой разработки лежит использование наночастиц одного из самых эффективных пьезоэлектриков: цирконата — титаната свинца. Эти частицы наносятся на тонкую ленту из кремний-органич резины. В результате, можно создавать генераторы, преобразующие кинетическую энергию в электрическую. При этом разрабатываемые обещают получить КПД, достигает отметки в 80%.

Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект, первоначально обнаружен в природных материалах, таких как кварц, турмалин, Сегнетова соль и т.д., достаточно слабый. В это время синтезированы поликристаллические сегнетоэлектрических керамические материалы с улучшенными свойствами, такие как титанат бария Batioj и цирконат-титанат свинца PZT (аббревиатура формулы Pb O 3 (0 < х <1)).

В Pzt-кристалле отрицательные и положительные электрические заряды разделены, но при этом они распределены в объеме кристалла симметрично, что делает его электрически нейтральным. Чтобы подобная керамика стала пьезоелектриком, необходимо «отрегулировать» полярность зарядов в кристаллической решетке. Для этого керамику нагреваемой подвергают обработке сильным электрическим полем (E> 2000 В / мм), которое приводит к нарушению симметрии в кристалле. В пьезокристаллами заряды разных знаков формируют электрический диполь. Несколько близлежащих диполей формируют так называемые домены Вейса. К установлению полярности домены ориентированы произвольным образом. Под действием электрического поля и высокой температуры кристалл расширяется в направлении поля и сжимается по перпендикулярной оси. Это приводит к выстраиванию диполей вдоль приложенного электрического поля. После выключения поля и остывания пьезокерамика приобретает остаточную поляризацию. Если к кристаллу с отрегулированной полярностью приложить электрическое поле, домены Вейса начинают выравниваться вдоль поля, причем степень выравнивания зависит от приложенного электрического напряжения. В результате возникает изменение размеров пьезоэлектрического материала. При механическом давлении симметрия распределения зарядов нарушается, приводя к разности потенциалов на поверхностях кристалла. Например, кварц объемом 1 см 3 при приложении силы 2 кН может сделать напряжение до 12500 В.

Теперь вернемся к работе американских ученых. Используя динамическую модель, исследователи показали, что в узком диапазоне геометрических размеров пьезоэлектрические наноструктуры могут преобразовывать энергию с очень большой эффективностью. При этом, они учитывали не только пьезоэлектрический, но и флексоэлектрический эффект (появление электрического напряжения при сгиба сконструирован генератор на базе органических нановолокон и кручении пьезоэлектрика), который вносит дополнительный вклад в результирующую эффективность пьезоэлектрических устройств. Установлено, что наиболее сильно флексоэлектрический эффект проявляет себя на наноуровне. В этом случае он в три раза превышает по эффективности обычный пьезоэлектрический эффект. Это относится прежде всего к Pzt-материалов, выполненным в виде нанокантилеверив (балок нанометровых размеров с одной точкой опоры) толщиной в пределах 20-23 нм. При таких условиях нанокантилевер достаточно гибкий и чувствительный к внешним воздействиям. Любая незначительная вибрация, передается через точку опоры, приводят кантилевер в движение, в результате чего в нем возникают как пьезоэлектрика, так и флексострум. Расчеты показали, что флексоэлектрический эффект в несколько раз увеличивает эффективность сбора энергии нанокантиливером.

Пьезогенераторы — новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?

Тонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Пешеходы на тротуарах, эскалаторах метро, которые заряжают через пьезо преобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие мегаватты электроэнергии, которой хватает для целых городов и поселков.

Фантастика? К сожалению, пока да, и таковой может остаться. Есть большая вероятность, что скоро закончится ажиотаж вокруг сенсационных сообщений о чудесных перспективах генераторов энергии на пьезоэлементах. А мы будем опять мечтать о безопасной, возобновляемой и, что греха таить, дешевой электрической энергии, полученной с привлечением других явлений. Ведь список физических эффектов замечательно велик.

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году и с тех пор получило широкое распространение в радиотехнике и измерительной технике. Заключается оно в том, что усилие, приложенное к образцу пьезоэлектрического материала, приводит к появлению на электродах разности потенциалов. Эффект обратим, т.е. наблюдается и обратное явление: прикладывая к электродам напряжение, образец деформируется.

В зависимости от направления преобразования энергии пьезоэлектрики делятся на генераторы (прямое преобразование) и двигатели (обратное). Термин “пьезогенераторы” характеризует не эффективность превращения, а только направление преобразования энергии.

Именно первым явлением, связанным с генерацией электричества при механическом воздействии, заинтересовались в последние годы инженера и изобретатели. Как из рога изобилия, посыпались сообщения о возможностях получения электрической энергии, утилизируя уличный шум, движение волн и ветра, нагрузки от перемещения людей и машин.

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».

Сравнительно недавно взорвало мировую общественность сообщение об испытаниях систем получения энергии от движущегося автотранспорта. Израильские ученые из небольшой фирмы Innowattech подсчитали, что 1 километр автобана может генерировать электрическую мощность до 5 МВт. Они не только выполнили расчеты, но и вскрыли несколько десятков метров полотна автострады и смонтировали под ним свои пьезогенераторы. Казалось, что наконец наступил прорыв в области альтернативной энергетики. Но в этом возникают серьезные сомнения.

Рассмотрим подробней физику процессов, происходящих в пьезоэлектрике. Для знакомства с принципами генерации энергии пьезоэлектрическими материалами достаточно понимания нескольких базовых механизмов. При механическом воздействии на пьезоэлемент происходит смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Это смещение приводит к возникновению электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на электродах пьезоэлемента.

В отличие от обычного конденсатора, обкладки которого могут сохранять заряды достаточно долго, индуцированные заряды пьезоэлемента сохраняются только до тех пор, пока действует механическая нагрузка. Именно в это время можно получить от элемента энергию. После снятия нагрузки индуцированные заряды исчезают. По сути, пьезоэлемент является источником тока ничтожной величины, с очень высоким внутренним сопротивлением.

Поскольку специалисты компании Innowattech так и не сочли нужным поделиться с широкой общественностью результатами своего эксперимента, попробуем сами сделать грубые численные прикидки эффективности работы пьезоэлектриков в качестве источника энергии. В качестве объекта для расчетов возьмем обычную бытовую пьезозажигалку – единственное изделие, получившее сейчас широкое распространение.

Из обилия технических характеристик пьезоматериалов нам понадобятся всего несколько. Это значение пьезоэлектрического модуля, которое для распространенных (а иных пока промышленность не выпускает) пьезоэлектриков составляет от 200 до 500 пикокулон (10 в минус 12 степени) на ньютон, и характеризует эффективность генерации заряда под воздействием силы.

Эта характеристика не зависит от размеров пьезоэлемента, а полностью определяется свойствами материала. Поэтому пытаться делать более мощные преобразователи за счет увеличения геометрических размеров бессмысленно. Емкость обкладок пьезоэлемента зажигалок известна и составляет около 40 пикофарад.

Рычажная система передачи усилия на пьезоэлемент создает нагрузку приблизительно 1000 ньютонов. Зазор, в котором проскакивает искра — 5 мм. Диэлектрическую прочность воздуха принимаем 1 кВ/мм. При таких исходных данных зажигалка генерирует искры мощностью от 0,9 до 2,2 мегаватта!

Но не стоит пугаться. Длительность разряда составляет всего 0,08 наносекунды, отсюда такие огромные значения мощности. Подсчет же суммарной энергии, генерируемой зажигалкой, дает значение всего 600 микроджоулей. При этом КПД зажигалки, с учетом того, что механическое усилие через рычажную систему полностью передается пьезоэлектрику, составляет всего … 0,12%.

Предлагаемые в разных проектах схемы извлечения энергии близки к режимам работы зажигалок. Отдельные пьезоэлементы генерируют высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, и ток поступает на выпрямитель, а затем в накопительное устройство, например, ионистор. Дальнейшее преобразование энергии стандартно и интереса не представляет.

От зажигалок перейдем к задаче получения энергии в промышленных масштабах. Пусть будут использованы наиболее эффективные элементы, генерирующие 10 милливатт на элемент. Собранные в кластеры (группы) по 100-200 элементов, они помещаются под полотно дороги. Тогда для получения заявленной величины мощности порядка 1 МВт на километр дороги потребуется всего… 100 миллионов отдельных элементов с индивидуальными схемами съема энергии. Остается еще задача ее суммирования, преобразования и передачи потребителю. При этом токи элементов, учитывая изменяющуюся нагрузку на дорожное полотно, будут лежать в диапазоне нано или даже пикоампер.

Знакомясь с подобными проектами получения энергии от пьезоэффекта, невольно напрашивается аналогия с гидроэлектростанцией, в которой турбины работают от влаги утренней росы, бережно собранной с окрестных полей.

А как же с экспериментом израильской компании? Отчет о результатах «вредительства» на полотне автострады так и не появился. А ведь впереди выполнение контракта на получении энергии с автострады Венеция – Триест, который заключила фирма Innowattech.

По этому поводу есть одна версия: это компания типа «стартап», т.е. с высоким риском инвестиционного капитала. Получив более чем скромные предварительные результаты исследователей, ее основатели решили оправдать затраченные деньги инвесторов и провернули великолепный маркетинговый ход – провели эффектное испытание с участием прессы. И весь мир заговорил о маленькой компании. И в этом шуме потерялся основной вопрос: где же мегаватты дешевой энергии?

Подводя итоги, можно сделать только один вывод: пьезоэлементы никогда не станут альтернативными источниками электроэнергии в промышленных масштабах. Круг их применений ограничится маломощными (микромощными) источниками питания и датчиками. А жаль, такая красивая была идея!

Перевел alexlevchenko92 для mozgochiny.ru

Продолжение статьи о стельках-генераторах.

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.
За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.
Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.
Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.
Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.
По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.
По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.
То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.
Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.
При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.