Пьезогенераторы – новое перспективное направление малой энергетики . статьи . главная . научнокультурологический журнал. Альтернативные источники энергии.
Альтернативные источники энергии

электронный журнал

Пьезогенераторы – новое перспективное направление малой энергетики . статьи . главная . научнокультурологический журнал.



      Про́блема огр́аниченности ми́ровых ви́дов сы́рья для́ исп́ользования их в ка́честве ист́очников всё́ во́зрастающих по́требностей че́ловече́ства в электрической энергии вы́зывает озабоченность у ши́рокого кру́га ученых и инж́енеров. Не́давний про́гноз ученых инс́титута не́фтегазовой ге́ологии и ге́офизики СО́ РА́Н по́казал, что́ к 2015 го́ду до́быча га́за в се́верных ра́йонах За́падной Си́бири мо́жет до́йти до́ 633.6 млрд. ку́бических ме́тров), что́ ме́ньше ны́нешнего объ́ема бо́лее че́м на́ 10% (см.: "По́иск", 2011, №15, с.13). Всё́ это по́буждает ученых исќать дру́гие са́мовозобновляемые ист́очники энергии. Не́ слу́чайно, что́ одн́ой из осн́овных те́м, пре́дложенных для́ обс́уждения на́ отќрытом Фо́руме Евр́онауки (ESOF-2012) в июне 2012 г. явл́яется про́блема во́зобновляемых ист́очников энергии.    С да́вних по́р че́ловек на́учился исп́ользовать в ка́честве да́ровых са́мовозобновляемых ист́очников энергии та́кие ёё ви́ды, ка́к энергию со́лнечного изл́учения, дви́жения во́ды в ре́ках, ве́тра, при́ливных во́лн и др. Из этих ви́дов ист́очников энергии са́мое бо́льшое ра́спростра́нение по́лучили ги́дроэлектростанции (ГРЭ́С), по́строенные и экс́плуатируемые на́ бо́льшинстве кру́пных ре́ках ми́ра. При́ все́й при́влекательности ГРЭ́С ка́к ист́очника де́шевой во́зобновляемой энергии в по́следние го́ды про́явились не́достатки та́кого по́дхода: за́ливаются огр́омные пло́щади пло́дородной зе́мли, сни́жается ско́рость те́чения ре́к, ка́к сле́дствие ре́ки ме́леют, а о не́гативном вли́янии ГРЭ́С на́ уровень вы́лова ры́бы и ее во́спроизво́дство́ не́ при́ходится и го́ворить. По́этому при́ ко́мплексном ра́ссмотрении пе́рспе́ктивности ра́звития се́ти ГРЭ́С не́обходимо учитывать отм́еченные вы́ше не́гативные по́следствия. В ря́де слу́чаев при́ходится отќазываться от стро́ительства кру́пных ГРЭ́С, особенно, с учетом не́давно про́изошедшей тра́гедии на́ Са́яно-Шу́шенской ГЭ́С.     Экологически бе́зопасные ве́тряные электростанции мо́гут на́йти при́менение да́леко не́ ве́зде: для́ этого тре́буются ме́стности, где́ по́стоянно ду́ют до́статочно си́льные ве́тры пре́имущественно одн́ого на́правления.       Дру́гим  экологически чи́стым ист́очником са́мовозобновляемой энергии явл́яются со́лнечные ба́тареи. Одн́ако, они эфф́ективны то́лько в южн́ых ме́стностях, где́ на́блюдается пре́обладающее чи́сло со́лнечных дне́й и обл́ачность не́ ме́шает по́лучать до́статочное ко́личество со́лнечной энергии, обеспечивающее ре́нтабельность при́менения до́рогостоящих со́лнечных ба́тарей. Именно по́этому та́кие ба́тареи бо́льше все́го исп́ользуются в ко́смосе на́ спу́тниках и ко́смических ста́нциях, где́ экономическая эфф́ективность со́лнечных ба́тарей очевидна.        Отм́еченные вы́ше ист́очники во́зобновляемой энергии обеспечивают по́лучение бо́льшого ко́личества энергии и бу́дут при́меняться и да́льше, не́смотря на́ вы́шеперечисленные не́гативные фа́кторы.          Одн́ако су́ществует обл́асть ма́лой энергетики, где́ мо́щности по́требляемой энергии не́велики. К ни́м отн́осятся та́кие при́менения ка́к ма́логабаритная бы́товая те́хника, те́лефоны со́товой свя́зи, бе́спроводные се́нсорные си́стемы для́ на́блюдения и ди́агностики те́хнического со́стояния ра́зличных объ́ектов и мно́гое дру́гое. Та́кого ро́да те́хника не́ тре́бует мо́щных ист́очников энергии. По́этому для́ та́ких уст́ройств ши́роко при́меняются авт́ономные электрохимические ист́очники электрической энергии (ма́логабаритные акќумуляторы и ба́тарейки).         В по́следние го́ды при́оритет для́ ист́очников пи́тания мо́бильных те́лефонов и но́утбуков отд́ается ли́тий–ионным ма́логабаритным акќумуляторам, имеющим ра́бочее на́пряжение 3-5 В с удельной энергией 100-180 Вт*ч/кг. Их осн́овной не́достаток – они не́ да́ют бо́льшой то́к ра́зряда. В отл́ичие от ли́тий-ионных, ни́кель-ка́дмиевые акќумуляторы с ра́бочим на́пряжением 1.2 В обеспечивают бы́стрый ра́зряд  и по́зволяют по́дзаряжать их имп́ульсами то́ка.        Одн́ако, ре́сурс все́х этих ти́пов ист́очников, ка́к пра́вило, огр́аничен. Дли́тельное исп́ользование уст́ройств та́кого ро́да, особенно для́ бы́товой те́хники, при́водит к не́обходимости ча́стой за́мены хи́мических ист́очников. В авт́ономных се́нсорных мо́дулях уст́ройств, при́меняемых, на́пример, для́ си́стем те́хнической ди́агностики и мо́ниторинга вы́сотных, (да́ и не́ то́лько) со́оружений за́мена ист́очников пи́тания до́статочно тру́доемкая и за́тратная операция. Не́своевременное вы́полнение этой операция да́же для́ бы́товой те́хники (не́ го́воря о дру́гих си́стемах) при́водит к не́ожиданному отќлючению си́стемы: ча́сто та́кие уст́ройства отќазывают в са́мый на́пряженный мо́мент,  что́ мо́жет при́вести к не́штатным си́туациям. По́явившиеся в са́мое по́следнее вре́мя по́пытки исп́ользовать ионисторы в ка́честве авт́ономных ист́очников (с ни́зкой удельной энергией – все́го 30-32 Вт*ч/кг) по́ка на́ходятся в ста́дии экс́периментов и тре́буют да́льнейших исс́ледований.          Упомянутые вы́ше фа́кторы по́будили в по́следние го́ды ученых исќать бо́лее эфф́ективные са́мовозобновляемые авт́ономные ист́очники электрической энергии, ба́зирующиеся на́ но́вых при́нципах. Сре́ди ни́х на́ибольшее вни́мание все́ ча́ще уделяется исс́ледованиям и ра́зра́ботке са́мовозобновляемых ист́очников энергии, в ко́торых исп́ользуются пье́зокерамические элементы (ПЭ́) – пре́образователи энергии окр́ужающей сре́ды (ви́брация, ве́тер, со́лнечная энергия, те́пло, ра́диация и т. д.) в электрическую, с по́следующим ее на́коплением и пе́редачей при́ёмному уст́ройству. Анализ тре́бований, пре́дъявляемых к та́ким ист́очникам энергии (на́копителям и пре́образователям энергии окр́ужающей сре́ды), по́казал, что́ они су́щественно за́висят от то́го, для́ ка́ких ти́пов уст́ройств они пре́дназначены.            В на́стоящее вре́мя на́ибольшее при́менение та́кие ист́очники энергии мо́гут на́йти в не́скольких кла́ссах уст́ройств, сре́ди ко́торых мо́жно вы́делить та́кие ка́к: ма́логабаритные уст́ройства бе́спроводной электроники с ра́сширенным сро́ком слу́жбы, ма́ломощные встроенные и бе́спроводные уст́ройства ко́ммуникации ( на́пример, для́ те́лефонов со́товой свя́зи и сма́ртфонов), бы́товая электромеханика и электроника (на́пример электронные ча́сы) пье́зоэлектрические ге́нераторы  для́ до́статочно емќих ло́кальных си́стем осв́ещения и си́гнализации на́ отд́аленных объ́ектах инф́раструктуры (на́пример,  на́ же́лезнодорожных и авт́омобильных до́рогах) и не́которые дру́гие.        В по́следние не́сколько ле́т бы́ли ра́зра́ботаны опытные обр́азцы пье́зонакопителей энергии окр́ужающей сре́ды и ко́нверторов  для́ ра́зличных при́менений, ко́торые мо́гут бы́ть объ́единены в дву́х ра́зличных кла́ссах, отл́ичающихся по́ ти́пу исп́ользуемых мо́д ко́лебаний (по́перечных и про́дольных). Схе́ма пье́зогенератора (ПГ), ра́ботающего от во́здействия про́дольных (отн́осительно на́правления ве́ктора по́ляризации) ко́лебаний, при́ведена на́ ри́с. 1, а ПГ, исп́ользующего изѓибные мо́ды ко́лебаний пре́дставлена на́ ри́с.2. 
     
  Ри́с.2. Схе́ма ПГ на́ изѓибных ко́лебаниях    Чу́вствительный элемент пе́рвого ти́па ПГ, ра́ботающего на́ про́дольных ко́лебаниях  мо́жет бы́ть вы́полнен в дву́х ва́риантах: с одиночным пье́зоэлементом (ПЭ́) и с мно́гослойным пье́зопреобразователем, ка́к по́казано на́ ри́с.1.  Вто́рой ва́риант по́зволяет по́лучить бо́льшую вы́ходную мо́щность, и по́этому при́меняется ча́ще. Опытные обр́азцы ма́ломощного ПГ изв́естны да́вно и при́менялись ка́к пье́зоактуаторы (при́воды) ант́енн спу́тниковых си́стем на́ведения [2]. Экс́периментальные обр́азцы мно́гослойного ПГ бо́льшой вы́ходной мо́щности (авт́ономные ист́очники пи́тания осв́ещения авт́омобильных до́рог) ра́зра́ботаны и про́ходят  исп́ытания в на́стоящее вре́мя [3]. Не́ ме́нее пе́рспе́ктивны ПГ на́ изѓибных ко́лебаниях (ри́с.2). Они отл́ичаются ка́к сво́ей ко́нфигурацией, та́к и ко́нструктивным исп́олнением. В за́висимости от на́зна́чения ПГ та́кого ти́па бы́ли исс́ледованы при́ ра́зных схе́мных ре́шениях: ми́кропьезогенераторы (МкПГ) и ма́кропьезогенераторы (ПГ). Сре́ди ра́нних ко́нструктивных  ре́шений пе́рвого кла́сса та́ких уст́ройств бы́ла пре́дложена и описана схе́ма, ра́зра́ботанная в 2004 го́ду Lu F., Lee H.P. et al. При́нцип ра́боты этого МкПГ ле́гко по́нять из его схе́мы, при́веденной ни́же (Ри́с. 3).   
   Ри́с.3.При́нципиальная схе́ма бло́ка  ми́кропьезогенератора  [ 1]. Исс́ледования по́казали, что́ та́кой МкПГ, вклю́чающий в се́бя ка́нтилевер то́лщиной 0,1 мм и дру́гими ра́змера́ми 5х1 мм при́ амп́литуде ко́лебаний  на́ сво́бодном ко́нце пла́стины 0,1 мм  ге́нерирует вы́ходную мо́щность 1,6 мВт.        По́зже Leffeure et al. со́здали и апр́обировали экс́периментальный обр́азец ПГ дру́гого ти́па [1].  Его при́нципиальная схе́ма при́ведена на́ ри́с.4.
  Ри́с. 4. При́нципиальная схе́ма  ка́нтилеверного бло́ка ПГ с не́сколькими пье́зоэлементами       Вы́ходная мо́щность ПГ (на́копителя) энергии  этого ти́па оказалась ра́вной 4,6 мВт при́ ко́лебаниях пла́стины на́ ча́стоте 60 Гц. По́сле мо́дификаций, свя́занных с при́менением но́вой электрической схе́мы, в ко́торой бы́ла осуществлена си́нхронизация (по́ фа́зе) си́гналов электрического на́пряжения и по́перечных сме́щений пье́зокантилевера бы́ла по́лучена вы́ходная мо́щность ПГ, ра́вная 12.3 мВт.    Изв́естны та́кже МкПГ, отл́ичающиеся ге́ометрией ме́стоположения ПЭ́ на́ по́дложке, но́ их вы́ходная мо́щность не́ на́много вы́ше, че́м у вы́шеупомянутых. Описанные схе́мы ПГ и МкПГ пре́дназначены для́ ма́логабаритных уст́ройств бы́товой те́хники, мо́бильной свя́зи и се́нсорных си́стем си́гнализации и ко́нтроля. По́пытка исп́ользования ПГ – ист́очника пи́тания для́ по́дзарядки акќумуляторов  [1]  со́товой свя́зи и пле́еров бы́ла описана в ма́е 2010 г.       В дру́гой ра́боте бы́л пре́дложен ПГ, ра́ботающий, по́-ви́димому на́ про́дольной мо́де ко́лебаний (ри́с.1). В этом уст́ройстве одиночный  пье́зоэлемент ПГ мо́нтировался в по́дкладку обуви (кро́ссовок) и ге́нерировал не́большую мо́щность при́ бы́стром пе́редвижении (бе́ге) че́ловека. Этот МПГ бы́л описан Vile Kaajakan (те́хнический университет Лу́изаны, США́) и бы́л вы́полнен в ви́де спи́рального пла́стинчатого пье́зоэлемента. До́лговечность и на́дежность та́кого уст́ройства вы́зывает со́мнение из-за́ хру́пкости пье́зокерамического ма́териала. Во́зможно, эта идея мо́жет оказаться про́дуктивной в слу́чае при́менения ги́бких пье́зополимерных пла́стин. К со́жалению, та́кие ма́териалы по́ка не́ вы́шли из ста́дии исс́ледований.        Для́ ист́очников пи́тания отн́осительно бо́льшой мо́щности та́кже ра́зра́ботаны опытные обр́азцы ма́кропьезогенераторов (МПГ) ра́зличной ко́нструкции. К  на́иболее про́двинутым ра́зра́боткам та́кого кла́сса уст́ройств мо́жно отн́ести изв́естную экс́периментальную си́стему на́копителей энергии на́ осн́ове пье́зогенераторов, вмо́нтированных в на́стил по́ла на́ вхо́де в ста́нции ме́тро (у би́летных те́рминалов) Marunouchi (То́кио) (см. Ри́с. 5) [1] . 
  Ри́с.5. Схе́ма на́копителей энергии в на́стиле по́ла на́ вхо́де в зда́ние ста́нции ме́тро в То́кио [1].    Пе́рвые экс́перименты по́казали, что́ вы́ходная мо́щность этой не́большой си́стемы ПГ обеспечила пи́тание 100-ва́тной ла́мпы осв́ещения в те́чение 100с. В 2011 го́ду экс́перименты бы́ли про́должены и по́казали пе́рспе́ктивность этой ра́зра́ботки.      Дру́гое изв́естное при́менение до́статочно мо́щных ПГ бы́ло на́йдено для́ пи́тания ве́лосипедной фа́ры. Оказалось, что́  мо́щности  ПГ, уст́ановленных на́ пе́далях ве́лосипеда хва́тило для́ пе́риодического пи́тания электрической фа́ры на́ не́большое вре́мя [1]. Исс́ледования та́кой си́стемы про́должаются.     Изв́естно ещё одн́о пе́рспе́ктивное на́правление исс́ледований, свя́занное с исп́ользованием пье́зогенераторов в ка́честве ист́очников энергии, обусловленной де́формацией до́рожного по́лотна дви́жущимся тра́нспортом и пре́дложенное изр́аильской ко́мпанией  Innowatech [4]. Су́щность ра́зра́ботки за́ключается в то́м, что́ по́д асф́альтовое по́крытие авт́обана на́ опр́еделенном ра́сстоянии дру́г от дру́га уст́анавливаются ПГ, тра́нсформирующие энергию де́формации по́лотна, вы́званную дви́жущимся авт́омобилем, в электроэнергию, за́пасаемую в оригинальных на́копителях и отп́равляемую да́лее по́требителям, ра́сположенным вбли́зи до́роги. Эту те́хнологию пре́дполагается в 2011 го́ду апр́обировать на́ опытном участке шо́ссе «Ве́неция –Три́ест» ( Италия).     Мно́гими исс́ледователями, в ча́стности H.A.Sadano [5]  и Y.B. Jeon et al. [6] сде́лан вы́вод об осн́овных тре́ндах в исс́ледованиях, на́правленных на́ по́вышение эфф́ективности пье́зонакопительных  уст́ройств с по́мощью вы́бора опт́имальных фи́зических па́раметров и ге́ометрических ко́нфигураций  их чу́вствительных элементов (ЧЭ́), а та́кже бла́годаря оригинальному си́нтезу адаптивных электрических схе́м на́копления и пе́редачи энергии. По́дробный анализ электрических схе́м ПГ при́веден в ря́де ра́бот Dc Yi-Chung  Shu ( Natinal Tawvan University).   К этому на́до до́бавить, что́ про́блеме обеспечения на́дежной дли́тельной экс́плуатации пье́зогенераторных уст́ройств по́ка не́ уделялось до́лжного вни́мания, хо́тя она имеет ре́шающее зна́чение для́ но́рмирования ха́рактеристик пре́длагаемых для́ ре́ализации уст́ройств. В то́ же́ вре́мя да́вно изв́естны исс́ледования про́цессов ста́рения пье́зоэлектрических ма́териалов  (ПКМ) и не́стабильности их пье́зоэлектрических и упр́угих ко́нстант. На́пример, с ро́стом ме́ханических на́пряжений и те́мператур пье́зоконстанты (а сле́довательно и пье́зозаряд) та́ких ра́спростра́ненных ПКМ, ка́к ЦТС-19, ПКР-1 па́дают в 2 и бо́лее ра́з [7,8]. В ча́стности, не́давно гру́ппой ученых Южн́ого фе́дерального университета (Акопьян В.А., За́харов Ю.Н., Ро́жков Е.В. и др.) бы́ло исс́ледовано вли́яние ме́ханических на́пряжений впло́ть до́ 2*108 Па́ на́ ве́личину пье́зомодулей и пье́зозаряда пла́стины ЧЭ́ из ра́зличных ПКМ и  уст́ановлено, что́ при́емлемая для́ ПГ ста́бильность пье́зозаряда в пре́делах до́ 10% обеспечивается то́лько у ПКМ (ци́рконат-ти́танат-сви́нца) ПКР-78. У дру́гих ПКМ уменьшение пье́зозаряда до́стигает 50%. Ясн́о, что́ не́ учет фа́ктора ста́рения и пе́рестройки до́менной стру́ктуры по́д де́йствием ме́ханических на́пряжений сни́жает до́стоверность ре́зультатов упомянутых вы́ше за́рубежных исс́ледований.    Дру́гим ва́жным па́раметром, имеющим особое зна́чение для́ лю́бых ПГ явл́яется ма́сштабный фа́ктор. Пе́реход от ми́кроразмерных (microscale) ПЭ́ (10-3  м), на́ ба́зе ко́торых со́зданы ми́кроэлектромеханические си́стемы (МЭ́МС) с до́статочно вы́соким ко́эффициентом по́лезного де́йствия (обусловленным уровнем ко́эффициента электромеханической свя́зи ма́териала ПЭ́) к на́норазмерным (10-9 м) си́стемам (НЭ́МС) по́зволяет по́высить  кпд по́ не́которым ли́тературным да́нным [5, 6]  по́ кра́йней ме́ре, на́ два́, а то́ и на́ три́ по́рядка. Это на́правление на́чали акт́ивно ра́звивать за́ ру́бежом в свя́зи с во́зможностью при́менения на́норазмерных ЧЭ́ ПГ для́ те́лефонов со́товой свя́зи , сма́ртфонов и пле́еров [1, 9].  На́ши (Акопьян В.А., За́харов Ю.Н., Па́ринов И.А., Ро́жков Е.В., ЮФУ) не́давние исс́ледования  ха́рактеристик тре́х ти́пов ка́нтилеверных ПГ на́ изѓибных ко́лебаниях (см. схе́му на́ ри́с.2), у ко́торых ра́змеры ПЭ́ и по́дложек отл́ичаются на́ по́л-по́рядка,  по́казали пло́дотворность обс́уждаемого по́дхода к ра́зра́ботке пье́зонакопителей энергии. Во́ вся́ком слу́чае вы́ходное на́пряжение ра́зра́ботанного в ЮФУ ма́лоразмерного ПГ (дли́на  ко́мпозитной  по́дложки 0,035 м, её ши́рина 0,005м  и то́лщина 0,0004 м) пре́вышает 1,4 В.    На́ши за́рубежные ко́ллеги уже про́двинулись да́льше. Long Que  из Louisiana Tech University пре́дложили схе́му ги́бридного МкПГ [9], в ко́тором пье́зозаряд на́капливается за́ сче́т ка́к де́формации ПЭ́, та́к и на́грева на́нопленки со́лнечными лу́чами (ри́с. 6). В [9] не́ при́ведены те́хнические ха́рактеристик этого уст́ройства, но́ пе́рспе́ктивность та́кой схе́мы впо́лне во́зможна. Во́ вся́ком слу́чае, на́м сле́дует по́торопиться с ра́звитием исс́ледований в этом на́правлении!
     Кра́ткий анализ ре́зультатов исс́ледований  пье́зогенераторных  на́копителей энергии из окр́ужающей сре́ды отн́юдь не́ пре́тендует на́ по́лное осв́ещение  этой про́блематики, а все́го ли́шь явл́яется вве́дением  в ко́мплекс за́дач, ко́торые, на́ на́ш взгляд, до́лжны за́интересовать спе́циалистов в да́нной обл́асти.      Авт́оры вы́ражают бла́годарность про́фессору, д.т.н , за́ведующему ла́бораторией ЮНЦ́ РА́Н Ше́вцову С.Н. за́ пло́дотворное обс́уждение за́тронутых в ста́тье за́дач и по́мощь в ра́боте на́д не́й.   Кро́ме то́го, мы́ бла́годарны спе́циалисту Ма́твееву С.Ю. за́ по́мощь в   по́дборе инф́ормации и оформлении ста́тьи. 
        Ра́бота вы́полнена в при́ по́ддержке РФФИ́ ( про́екты № 10-08-00093а, 11-08—12114-офи-м-2011) . 
                                Исп́ользованные ист́очники:
  1. Proc. 7th  Brazilian Conf. on Dynamics, Control and Applications. «Dincon 2008». www.dem.feis.unesp.br.  
  2. Па́нич А.Е., Со́калло А.И., Гри́шин Е.А. и др. Пе́рспективные ко́нструкции и те́хнологии со́здания ги́бких зе́ркал для́ адаптивных опт́ических си́стем// Ми́кросистемная те́хника.2002.№4. С. 60-64.
  3. http:// teros.org.ru/content/view/602/135/ 
  4. http: // venture – buz.ru/energetika – energosberegenie/44-piezote 
  5. Henry A.Sadano. Power Harvesting Using Piezoelectric Materials -http://cap.ee.ic.ac.uk/pdm 97/2007.
  6. Y.B.Jeon, R.Sood, J.-h.Jeong et al. MEMS power generator with transverse mode thin film PZT.Sensors and Actuators.A.Physical.www.elsever.com/locate/sna. 
  7. Definition of Constants for Piezoceramic Materials/ V.A.Akopyan et al. Nova Science Pudlishers,Inc.N.-Y. 2010. ISBN: 978-1-60876-350-4.
  8. Пье́зоэлектрическое при́боростроение А.В. Го́риш, В.П. Ду́дкевич , М.Ф. Ку́приянов и др. По́д ре́д. А.В.Го́риш. –Т.1.Фи́зика се́гнетоэлектрической ке́рамики – М.: ИПР́ЖР.1999.ISBN: 5-88070-006-2. 
  9. http:// news.latech.edu/2011/1
__________________________________ © Акопьян В. А., Ист́омин И. В., Па́ринов И. А.


Статьи