Главная
Главная
О журнале
О журнале
Архив
Архив
Авторы
Авторы
Контакты
Контакты
Поиск
Поиск
20 лет журналу RELGA. Невероятно, но - факт!
Юбилейный выпуск журнала RELGA к 20-летию выхода в свет. Рассуждения об издании,...
№04
(337)
12.04.2018
Наука и техника
Пьезогенераторы – новое перспективное направление малой энергетики
Владимир Акопьян
Иван  Паринов
Игорь Истомин

 

     Проблема ограниченности мировых видов сырья для использования их в качестве источников всё возрастающих потребностей человечества в электрической энергии вызывает озабоченность у широкого круга ученых и инженеров. Недавний прогноз ученых института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН показал, что к 2015 году добыча газа в северных районах Западной Сибири может дойти до 633.6 млрд. кубических метров), что меньше нынешнего объема более чем на 10% (см.: "Поиск", 2011, №15, с.13). Всё это побуждает ученых искать другие самовозобновляемые источники энергии. Не случайно, что одной из основных тем, предложенных для обсуждения на открытом Форуме Евронауки (ESOF-2012) в июне 2012 г. является проблема возобновляемых источников энергии.

   С давних пор человек научился использовать в качестве даровых самовозобновляемых источников энергии такие ёё виды, как энергию солнечного излучения, движения воды в реках, ветра, приливных волн и др. Из этих видов источников энергии самое большое распространение получили гидроэлектростанции (ГРЭС), построенные и эксплуатируемые на большинстве крупных реках мира. При всей привлекательности ГРЭС как источника дешевой возобновляемой энергии в последние годы проявились недостатки такого подхода: заливаются огромные площади плодородной земли, снижается скорость течения рек, как следствие реки мелеют, а о негативном влиянии ГРЭС на уровень вылова рыбы и ее воспроизводство не приходится и говорить. Поэтому при комплексном рассмотрении перспективности развития сети ГРЭС необходимо учитывать отмеченные выше негативные последствия. В ряде случаев приходится отказываться от строительства крупных ГРЭС, особенно, с учетом недавно произошедшей трагедии на Саяно-Шушенской ГЭС.

    Экологически безопасные ветряные электростанции могут найти применение далеко не везде: для этого требуются местности, где постоянно дуют достаточно сильные ветры преимущественно одного направления. 

     Другим  экологически чистым источником самовозобновляемой энергии являются солнечные батареи. Однако, они эффективны только в южных местностях, где наблюдается преобладающее число солнечных дней и облачность не мешает получать достаточное количество солнечной энергии, обеспечивающее рентабельность применения дорогостоящих солнечных батарей. Именно поэтому такие батареи больше всего используются в космосе на спутниках и космических станциях, где экономическая эффективность солнечных батарей очевидна.

       Отмеченные выше источники возобновляемой энергии обеспечивают получение большого количества энергии и будут применяться и дальше, несмотря на вышеперечисленные негативные факторы.

         Однако существует область малой энергетики, где мощности потребляемой энергии невелики. К ним относятся такие применения как малогабаритная бытовая техника, телефоны сотовой связи, беспроводные сенсорные системы для наблюдения и диагностики технического состояния различных объектов и многое другое. Такого рода техника не требует мощных источников энергии. Поэтому для таких устройств широко применяются автономные электрохимические источники электрической энергии (малогабаритные аккумуляторы и батарейки).

        В последние годы приоритет для источников питания мобильных телефонов и ноутбуков отдается литий–ионным малогабаритным аккумуляторам, имеющим рабочее напряжение 3-5 В с удельной энергией 100-180 Вт*ч/кг. Их основной недостаток – они не дают большой ток разряда. В отличие от литий-ионных, никель-кадмиевые аккумуляторы с рабочим напряжением 1.2 В обеспечивают быстрый разряд  и позволяют подзаряжать их импульсами тока.  

     Однако, ресурс всех этих типов источников, как правило, ограничен. Длительное использование устройств такого рода, особенно для бытовой техники, приводит к необходимости частой замены химических источников. В автономных сенсорных модулях устройств, применяемых, например, для систем технической диагностики и мониторинга высотных, (да и не только) сооружений замена источников питания достаточно трудоемкая и затратная операция. Несвоевременное выполнение этой операция даже для бытовой техники (не говоря о других системах) приводит к неожиданному отключению системы: часто такие устройства отказывают в самый напряженный момент,  что может привести к нештатным ситуациям. Появившиеся в самое последнее время попытки использовать ионисторы в качестве автономных источников (с низкой удельной энергией – всего 30-32 Вт*ч/кг) пока находятся в стадии экспериментов и требуют дальнейших исследований. 

        Упомянутые выше факторы побудили в последние годы ученых искать более эффективные самовозобновляемые автономные источники электрической энергии, базирующиеся на новых принципах. Среди них наибольшее внимание все чаще уделяется исследованиям и разработке самовозобновляемых источников энергии, в которых используются пьезокерамические элементы (ПЭ) – преобразователи энергии окружающей среды (вибрация, ветер, солнечная энергия, тепло, радиация и т. д.) в электрическую, с последующим ее накоплением и передачей приёмному устройству. Анализ требований, предъявляемых к таким источникам энергии (накопителям и преобразователям энергии окружающей среды), показал, что они существенно зависят от того, для каких типов устройств они предназначены. 

          В настоящее время наибольшее применение такие источники энергии могут найти в нескольких классах устройств, среди которых можно выделить такие как: малогабаритные устройства беспроводной электроники с расширенным сроком службы, маломощные встроенные и беспроводные устройства коммуникации ( например, для телефонов сотовой связи и смартфонов), бытовая электромеханика и электроника (например электронные часы) пьезоэлектрические генераторы  для достаточно емких локальных систем освещения и сигнализации на отдаленных объектах инфраструктуры (например,  на железнодорожных и автомобильных дорогах) и некоторые другие. 

      В последние несколько лет были разработаны опытные образцы пьезонакопителей энергии окружающей среды и конверторов  для различных применений, которые могут быть объединены в двух различных классах, отличающихся по типу используемых мод колебаний (поперечных и продольных). Схема пьезогенератора (ПГ), работающего от воздействия продольных (относительно направления вектора поляризации) колебаний, приведена на рис. 1, а ПГ, использующего изгибные моды колебаний представлена на рис.2. 

Нажмите, чтобы увеличить.
     

Нажмите, чтобы увеличить.
 

Рис.2. Схема ПГ на изгибных колебаниях 

  Чувствительный элемент первого типа ПГ, работающего на продольных колебаниях  может быть выполнен в двух вариантах: с одиночным пьезоэлементом (ПЭ) и с многослойным пьезопреобразователем, как показано на рис.1.  Второй вариант позволяет получить большую выходную мощность, и поэтому применяется чаще. Опытные образцы маломощного ПГ известны давно и применялись как пьезоактуаторы (приводы) антенн спутниковых систем наведения [2]. Экспериментальные образцы многослойного ПГ большой выходной мощности (автономные источники питания освещения автомобильных дорог) разработаны и проходят  испытания в настоящее время [3]. Не менее перспективны ПГ на изгибных колебаниях (рис.2). Они отличаются как своей конфигурацией, так и конструктивным исполнением. В зависимости от назначения ПГ такого типа были исследованы при разных схемных решениях: микропьезогенераторы (МкПГ) и макропьезогенераторы (ПГ). Среди ранних конструктивных  решений первого класса таких устройств была предложена и описана схема, разработанная в 2004 году Lu F., Lee H.P. et al. Принцип работы этого МкПГ легко понять из его схемы, приведенной ниже (Рис. 3). 

 
Нажмите, чтобы увеличить.
   Рис.3.Принципиальная схема блока  микропьезогенератора  [ 1].

Исследования показали, что такой МкПГ, включающий в себя кантилевер толщиной 0,1 мм и другими размерами 5х1 мм при амплитуде колебаний  на свободном конце пластины 0,1 мм  генерирует выходную мощность 1,6 мВт.

       Позже Leffeure et al. создали и апробировали экспериментальный образец ПГ другого типа [1].  Его принципиальная схема приведена на рис.4.

Нажмите, чтобы увеличить.
 

Рис. 4. Принципиальная схема  кантилеверного блока ПГ с несколькими пьезоэлементами 

     Выходная мощность ПГ (накопителя) энергии  этого типа оказалась равной 4,6 мВт при колебаниях пластины на частоте 60 Гц. После модификаций, связанных с применением новой электрической схемы, в которой была осуществлена синхронизация (по фазе) сигналов электрического напряжения и поперечных смещений пьезокантилевера была получена выходная мощность ПГ, равная 12.3 мВт.

   Известны также МкПГ, отличающиеся геометрией местоположения ПЭ на подложке, но их выходная мощность не намного выше, чем у вышеупомянутых. Описанные схемы ПГ и МкПГ предназначены для малогабаритных устройств бытовой техники, мобильной связи и сенсорных систем сигнализации и контроля. Попытка использования ПГ – источника питания для подзарядки аккумуляторов  [1]  сотовой связи и плееров была описана в мае 2010 г. 

     В другой работе был предложен ПГ, работающий, по-видимому на продольной моде колебаний (рис.1). В этом устройстве одиночный  пьезоэлемент ПГ монтировался в подкладку обуви (кроссовок) и генерировал небольшую мощность при быстром передвижении (беге) человека. Этот МПГ был описан Vile Kaajakan (технический университет Луизаны, США) и был выполнен в виде спирального пластинчатого пьезоэлемента. Долговечность и надежность такого устройства вызывает сомнение из-за хрупкости пьезокерамического материала. Возможно, эта идея может оказаться продуктивной в случае применения гибких пьезополимерных пластин. К сожалению, такие материалы пока не вышли из стадии исследований. 

      Для источников питания относительно большой мощности также разработаны опытные образцы макропьезогенераторов (МПГ) различной конструкции. К  наиболее продвинутым разработкам такого класса устройств можно отнести известную экспериментальную систему накопителей энергии на основе пьезогенераторов, вмонтированных в настил пола на входе в станции метро (у билетных терминалов) Marunouchi (Токио) (см. Рис. 5) [1] . 

Нажмите, чтобы увеличить.
 

Рис.5. Схема накопителей энергии в настиле пола на входе в здание станции метро в Токио [1].

   Первые эксперименты показали, что выходная мощность этой небольшой системы ПГ обеспечила питание 100-ватной лампы освещения в течение 100с. В 2011 году эксперименты были продолжены и показали перспективность этой разработки.  

   Другое известное применение достаточно мощных ПГ было найдено для питания велосипедной фары. Оказалось, что  мощности  ПГ, установленных на педалях велосипеда хватило для периодического питания электрической фары на небольшое время [1]. Исследования такой системы продолжаются. 

   Известно ещё одно перспективное направление исследований, связанное с использованием пьезогенераторов в качестве источников энергии, обусловленной деформацией дорожного полотна движущимся транспортом и предложенное израильской компанией  Innowatech [4]. Сущность разработки заключается в том, что под асфальтовое покрытие автобана на определенном расстоянии друг от друга устанавливаются ПГ, трансформирующие энергию деформации полотна, вызванную движущимся автомобилем, в электроэнергию, запасаемую в оригинальных накопителях и отправляемую далее потребителям, расположенным вблизи дороги. Эту технологию предполагается в 2011 году апробировать на опытном участке шоссе «Венеция –Триест» ( Италия). 

   Многими исследователями, в частности H.A.Sadano [5]  и Y.B. Jeon et al. [6] сделан вывод об основных трендах в исследованиях, направленных на повышение эффективности пьезонакопительных  устройств с помощью выбора оптимальных физических параметров и геометрических конфигураций  их чувствительных элементов (ЧЭ), а также благодаря оригинальному синтезу адаптивных электрических схем накопления и передачи энергии. Подробный анализ электрических схем ПГ приведен в ряде работ Dc Yi-Chung  Shu ( Natinal Tawvan University).   К этому надо добавить, что проблеме обеспечения надежной длительной эксплуатации пьезогенераторных устройств пока не уделялось должного внимания, хотя она имеет решающее значение для нормирования характеристик предлагаемых для реализации устройств. В то же время давно известны исследования процессов старения пьезоэлектрических материалов  (ПКМ) и нестабильности их пьезоэлектрических и упругих констант. Например, с ростом механических напряжений и температур пьезоконстанты (а следовательно и пьезозаряд) таких распространенных ПКМ, как ЦТС-19, ПКР-1 падают в 2 и более раз [7,8]. В частности, недавно группой ученых Южного федерального университета (Акопьян В.А., Захаров Ю.Н., Рожков Е.В. и др.) было исследовано влияние механических напряжений вплоть до 2*108 Па на величину пьезомодулей и пьезозаряда пластины ЧЭ из различных ПКМ и  установлено, что приемлемая для ПГ стабильность пьезозаряда в пределах до 10% обеспечивается только у ПКМ (цирконат-титанат-свинца) ПКР-78. У других ПКМ уменьшение пьезозаряда достигает 50%. Ясно, что не учет фактора старения и перестройки доменной структуры под действием механических напряжений снижает достоверность результатов упомянутых выше зарубежных исследований.

   Другим важным параметром, имеющим особое значение для любых ПГ является масштабный фактор. Переход от микроразмерных (microscale) ПЭ (10-3  м), на базе которых созданы микроэлектромеханические системы (МЭМС) с достаточно высоким коэффициентом полезного действия (обусловленным уровнем коэффициента электромеханической связи материала ПЭ) к наноразмерным (10-9 м) системам (НЭМС) позволяет повысить  кпд по некоторым литературным данным [5, 6]  по крайней мере, на два, а то и на три порядка. Это направление начали активно развивать за рубежом в связи с возможностью применения наноразмерных ЧЭ ПГ для телефонов сотовой связи , смартфонов и плееров [1, 9].  Наши (Акопьян В.А., Захаров Ю.Н., Паринов И.А., Рожков Е.В., ЮФУ) недавние исследования  характеристик трех типов кантилеверных ПГ на изгибных колебаниях (см. схему на рис.2), у которых размеры ПЭ и подложек отличаются на пол-порядка,  показали плодотворность обсуждаемого подхода к разработке пьезонакопителей энергии. Во всяком случае выходное напряжение разработанного в ЮФУ малоразмерного ПГ (длина  композитной  подложки 0,035 м, её ширина 0,005м  и толщина 0,0004 м) превышает 1,4 В.

   Наши зарубежные коллеги уже продвинулись дальше. Long Que  из Louisiana Tech University предложили схему гибридного МкПГ [9], в котором пьезозаряд накапливается за счет как деформации ПЭ, так и нагрева нанопленки солнечными лучами (рис. 6). В [9] не приведены технические характеристик этого устройства, но перспективность такой схемы вполне возможна. Во всяком случае, нам следует поторопиться с развитием исследований в этом направлении!

Нажмите, чтобы увеличить.
 

   Краткий анализ результатов исследований  пьезогенераторных  накопителей энергии из окружающей среды отнюдь не претендует на полное освещение  этой проблематики, а всего лишь является введением  в комплекс задач, которые, на наш взгляд, должны заинтересовать специалистов в данной области. 

    Авторы выражают благодарность профессору, д.т.н , заведующему лабораторией ЮНЦ РАН Шевцову С.Н. за плодотворное обсуждение затронутых в статье задач и помощь в работе над ней. 

 Кроме того, мы благодарны специалисту Матвееву С.Ю. за помощь в   подборе информации и оформлении статьи. 
        Работа выполнена в при поддержке РФФИ ( проекты № 10-08-00093а, 11-08—12114-офи-м-2011) . 

                                Использованные источники:

  1.  Proc. 7th  Brazilian Conf. on Dynamics, Control and Applications. «Dincon 2008». www.dem.feis.unesp.br.  
  2. Панич А.Е., Сокалло А.И., Гришин Е.А. и др. Перспективные конструкции и технологии создания гибких зеркал для адаптивных оптических систем// Микросистемная техника.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. Пьезоэлектрическое приборостроение А.В. Гориш, В.П. Дудкевич , М.Ф. Куприянов и др. Под ред. А.В.Гориш. –Т.1.Физика сегнетоэлектрической керамики – М.: ИПРЖР.1999.ISBN: 5-88070-006-2. 
  9. http:// news.latech.edu/2011/1

__________________________________

© Акопьян В. А., Истомин И. В., Паринов И. А.


«Математические» игры Александра Пушкина
Размышления об игре с числами в поэзии А.С. Пушкина как разновидности тайнописи в его творчестве
Цвет российской истории
Николай II во время I мировой войны. Черно-белые фотографии знаковых событий мировой истории окрашены с помощь...
Интернет-издание года
© 2004 relga.ru. Все права защищены. Разработка и поддержка сайта: медиа-агентство design maximum