П'єзоелектричні генератори
П'єзоелектричні генератори - генератори які працюють на основі п'єзоелектричного ефекту. П'єзоелектричний ефект - виникнення електричних зарядів на поверхні речовини при його механічній деформації. Пєзоелектричний ефект спостерігається в кристалах, що не мають центру симетрії, у яких при деформації елементарного структурного гнізда відбувається поява електричного моменту. Найбільше добре п'єзоелектричний ефект проявляється при прикладені механічної деформації до кристалів природного кварцу. Природні кристали кварцу належать до гексагональної кристалографічної системи й мають форму, близьку до шестигранної призми, обмеженої двома пірамідами. При прикладенні механічної деформації стиску або розтягання до кристала кварцу в певному напрямку, на поверхні кристала утворюються електричні заряди. На Рис. 24.1. показаний кристал кварцу із
Рис. 24.1. Кристал кварцу із вказівкою його осей симетрії
Рис. 24.2. Кварцова пластинка, вирізана із кристала кварцу, перпендикулярно осі. а
зображенням його осей симетрії. А на Рис. 24.2. показана кварцова пластинка, вирізана із кристала кварцу, перпендикулярно осі а. При прикладенні тиску в напрямку осі а, що приводить до деформації стиску або розтягання на гранях 1234 і 5678 з'являються електричні заряди різнойменних знаків. Поверхнева щільність зарядів, що з'явилися, у межах пружних впливів, пропорційна
величині деформацій, що прикладаються. Причина виникнення поверхневих зарядів, при прикладенні механічної деформації до кристала кварцу, полягає в наступному. За електричною структурою всі діелектрики можна розділити на полярні й неполярні. У полярних діелектриків структурні одиниці речовини має власний дипольний момент. У неполярних діелектриків у відсутності зовнішніх впливів дипольного моменту немає. При приміщенні діелектрика в електричне поле диполі в полярних діелектриках повертаються по полю. У неполярних діелектриках зовнішній механічний вплив або електричне поле приводить до зсуву зарядів усередині електрично нейтральних молекул, що також приводить до появи електричних диполів. По механізму зсуву заряджених часток розрізняють електронну, іонну й дипольну поляризацію. По характеру зсуву заряджених часток поляризація може бути пружною й релаксаційною. Як приклад виникнення пружної поляризації, обумовленої зсувом зарядів, під впливам механічної напруги, розглянемо малюнок 24.3. На цьому Рис. показана структура елементарних гнізд кварцу, що складається із трьох молекул
Рис. 24.3. а. При відсутності механічної деформації Центри позитивних (Si) і негативних (О) іонів збігаються
Рис. 24.3. б. При впливі механічної деформації, позитивні й негативні іони зміщаються
діоксиду кремнію - Sio2. При відсутності механічної деформації центри позитивних (Si) і негативних (О) іонів збігаються (Рис 24.3.а). При впливі механічної деформації, що приводить до стиску кристала у вертикальному напрямку, позитивні іони змішаються на деяка відстань у низ, а негативні іони - нагору (мал. 24.3.6). У результаті такого зсуву центри позитивних і негативних іонів тепер не збігаються. У результаті такого зсуву на поверхні кристала з'являються електричні заряди, і виникає різниця потенціалів. При деформації, що приводить до стиску кристала в горизонтальному напрямку, знак виникаючої різниці потенціалів змінюється.
На Рис. 24.4. умовно показаний зсув центрів позитивних і негативних іонів, при впливі деформації стиску у вертикальному напрямку. Видно, що компенсація негативних і позитивних зарядів має місце тільки в області їх взаємного перекриття. Поза цією областю утворюється не скомпенсовані негативні (у верхній частині малюнка) і позитивні (у нижній його частині) заряди. У загальному випадку при механічній деформації кристалів у структурі його грат відбуваються зміни двох типів. По-перше, деформується кожне елементарне гніздо. Так при однобічному стиску кристала з кубічною симетрією його елементарне гніздо перетворюється з куба в паралелепіпед. В - других, при деформації кристала може відбуватися зрушення елементарних гнізд друг щодо друга. Однак це зрушення може відбуватися тільки в кристалах, що не мають центру симетрії. Тому гарними п'єзоелектричними властивостями мають тільки ті кристали, які мають низький ступінь симетрії. Багаторічний досвід проектування різних перетворювачів енергії показує, що в цей час багато електромагнітних механізмів можуть бути замінені твердотільними, п'єзокерамічними перетворювачами.
На сьогоднішній день різними країнами розроблене багато різноманітних конструкцій п'єзоелектричних генераторів, що містять окремі або об'єднані в групи електрично або механічно зв'язані один з одним п'єзоелементи (стрижні, пластинки, диски), на поверхні яких нанесені електроди. Найбільш прості конструкції п'єзоелектричних генераторів,
Рис. 24.4. Зсув центрів позитивних і негативних іонів
показано на малюнках 24.5. і 24.6. На цих малюнках: 1 - металеві, струмоз'ємні контакти; 2 - кварцова пластинка; 3 - діелектрична підкладка. Такі п'єзоелектричні генератори здатні виробляти електричний струм при механічному впливі на його п'єзоелементи. Недоліками генераторів цього типу є: мала питома електропродуктивність на одиниці об'єму й висока крихкість конструкції.
Рис. 24.5. Пристрій найпростішого п'єзоелектричного генератора, із суцільними металевими контактами
Рис. 24.6. Пристрій найпростішого п'єзоелектричного генератора, із гребінчастими металевими контактами
У літературі описании п'єзоелектричний генератор - основою якого є шарувата структура, що полягає зі скріплених між собою магнітострикційного й п'єзоелектричного шарів. Ця структура забезпечена тонкоплівочним випрямлячем, виконаного з р та п напівпровідникових шарів, і конденсатора, що складається із двох металевих і одного діелектричного шарів, виконаних безпосередньо на структурі в одному технологічному циклі. За рахунок використання асиметричної структури, яка складається із шару п'єзоелектричного й магнітострикційного матеріалу, можлива ефективна робота пристрою на частоті електромеханічного резонансу в області інфразвуку. Цей пристрій дозволяє отримувати на виході постійну стабільну напругу. П'єзокерамічний генератор постійного струму. Цей генератор має циліндричний, біморфний дисковий тонкостінний п'єзоелемент, два деформуючі ролики й два струмознімачі. Пристрій генератора показано на Рис. 24.7.
На цьому Рис. показані: 1 - ротор; 2 - деформуючі ролики; 3 - дископодібні п'єзоелементи; 4 - порожній штир; 5-статор; 6-ізолюючі шайби; 7 - гнучка ізолююча прокладка. Знаками "+" і на Рис. показаний напрямок поляризації пластин п'єзоелемента. Генератор працює в такий спосіб. При обертанні ротора від зовнішнього джерела механічної енергії ролики, які встановлені щодо дискових п'єзоелементів таким чином, що забезпечується їхня деформація, прокочуються по прокладці. При деформації п'єзоелемента на електродах внаслідок прямого п'єзоефекту виникають заряди, при цьому на зовнішніх електродах п'єзоелемента - заряди протилежного знаку, які становлять різниці потенціалів. При обертанні ротора й кругової деформації п'єзоелемента на електродах виникає постійна різниця потенціалів, відповідна до величини деформації. Для підвищення надійності й зменшення зношування деформація п'єзоелемента натискними роликами проводиться через гнучку прокладку, закріплену по краю біморфного диска. Електроди, різних п'єзоелементів, можна з'єднувати в електричне коло послідовно й паралельно, одержуючи різні рівні генеруємої напруги. Завдяки закріпленню п'єзоелементів з можливістю повороту - у значній мірі компенсується синфазна складова генеруємої напруги.
Практично здійсненне виготовлення дискових п'єзоелементів для генератора великої потужності.
Компанія Innowattech запропонувала систему одержання електроенергії, яка звичайно розтрачується дарма. Джерелом такої енергії є тиск, який виявляє на поверхню автомобіль, що не тільки рухається, але поїзд або літак під час зльоту або посадки. Переваги цієї системи, у порівнянні з іншими розробками в області видобутку екологічно чистої енергії в тому, що не потрібно виділення додаткової території, не наноситься збиток навколишньому середовищу, система працює незалежно від погодних умов. Під асфальт на
Рис. 24.7. П'єзокерамічний генератор постійного струму
автотрасу або під рейки на залізниці на певній відстані друг від друга встановлюються п'єзоелектричні генератори, здатні перетворювати енергію тиску проїжджаючого транспорту в електроенергію. Енергія що запасається в накопичувачах буде прямо поставлятися споживачам.
На Рис. 24.8. показана схема такого перетворювача. На цьому Рис.: 1 - прикріплена маса; 2 - п'єзоелемент; 3 - пружний елемент; 4 - підстава; 5 - струмоз'ємні контакти; 6 - покриття, що сприймає змінний тиск. Схема пристрою, що використовує поздовжній п'єзоефект. Такий принцип одержання електричної енергії відомий давно. Наприклад, що в японському метрополітені е станція (Marunouchi) з п'єзоелектричною підлогою, що використовують тиск ніг пасажирів для виробітку електроенергії, достатньої для живлення декількох турнікетів. На такому ж принципі діє танцювальна підлога в одній з англійських дискотек. Танцюючі генерують струм для декількох дискотечних ліхтарів, спостерігаючи процес генерації, так сказати, власними очима. В Окленді також використовували тиск проїжджаючих машин на трасу для виробітку електрики. Але принцип роботи в цій системі - механічний. Там, автомобілі давлять на встановлені під асфальтом плити, які, у свою чергу, натискають на підземну систему водопостачання, у результаті чого вода надходить на турбіни. Інше відоме застосування достатнє потужних п'єзоелектричних генераторів, було знайдено для живлення велосипедної фари. Виявилося, що потужності таких генераторів, установлених на педалях велосипеда, вистачило для періодичного живлення електричної фари на невеликий час.
Але, ізраїльські розробники перші, хто зміг виробляти п'єзоелектрику в значних масштабах. Наприклад, у цей час на дослідній ділянці біля станції Лод, компанія Innowattech установлює рейки із вмонтованими в них п'єзогенераторами. За твердженням розроблювачів, проходження по цій ділянці в годину 10-20 поїздів з десятьма вагонами кожний дозволить повністю забезпечити електрикою 150 житлових будинків.
Уже створені п'єзогенератори для автомобільних і залізничних, пішохідних стежок і навіть для авіаційних смуг.
Цікаво ще одна пропозиція ізраїльських розроблювачів по спільному використанню гравітаційної взаємодії й п'єзоелектричного ефекту. Розглянемо цю пропозицію. Припустимо, що в нас є циліндр, який може переміщатися нагору-униз. Якщо ми підкладемо під одне з підстав циліндра п'єзоелемент, то циліндр буде впливати на цей п'єзоелемент своєю вагою. Тиск,з яким циліндр буде давити на п'єзоелемент, буде рівний відношенню ваги циліндра до площі зіткнення. Потужність, яку буде генерувати п'єзоелемент, залежить від площі самого п'єзоелемента й від величини тиску, з яким на нього буде впливати циліндр. Тепер згадаємо закон Паскаля, який говорить, що тиск в рідині або в газі рівномірно розподіляється по всіх Можливих напрямках. Отже, якщо всю внутрішню поверхню ємності, заповненою якою-небудь рідиною, покрити п'єзоелементами, а потім створити в ній коливальний процес, наприклад, злегка змінюючи обсяг ємності, то тиск усередині рідини почне змінюватися відповідно до зміни її об'єму й пружних властивостей самої рідини й стінок ємкості. При цьому, п'єзоелемента будуть генерувати ЕРС, яка пропорційна амплітуді зміни тиску. Як основу для такого перетворювача пропонується використовувати герметичну плоску ємкість, заповнену водою або маслом. Верхня частина цієї ємкості буде сприймати на себе тиск транспортного засобу, і стискати рідину. П'єзоелемента розташовуються на внутрішніх поверхнях ємкості. Чим більше площа внутрішніх стінок, тим більше п'єзоелементів там можна розташувати і, отже, одержати більше електроенергії. Такий спосіб отримання електроенергії стає можливим завдяки створенню плоских і невеликих по розміру "наногенераторів".
Рис. 24.8. Схема перетворювача тиску
У лабораторії технологічного інституту Джорджиї розроблено два типи наногенераторів, інкапсулірованих у полімерну плівку. Кожний з генератора являє собою тонкий листок пластику, розміри якого порівнянні з розмірами аркуша паперу для записів. На Рис. 24.9. показана будова одного з наногенераторів. На цьому Рис.: 1 - вихідні електроди; 2 - кремнієва підкладка; 3 - платинові електроди; 4 - нанодроти з оксиду цинку; 5 - полімерний наповнювач. Принцип роботи цих наногенераторів заснований на п'єзоелектричному ефекті в нанодротах з п'єзоелектричного оксиду цинку. При цьому товщина нанодротів лежить у межах декількох сотень нанометрів.
Нанопровідники цього генератора були виготовлені чисто хімічним способом. Для збільшення строку роботи наногенератора, простір між нанодротами заповнений пластиком. Невеликий припустимий стиск наногенератора приводить до того, що він генерує напругу близько 0,24 В.
Іншої, могутніший генератор створений по схожому принципу, але містить значно більша кількість нанодротів. Будова цього п'єзогенератора показано на Рис. 24.10. На цьому Рис.: 1 - полімерний корпус; 2 - металізована підкладка; 3 - Zno - нанодротики. Вихідна напруга такого генератора прямо пропорційно величині механічної деформації, якої зазнають нанодроти. Дослідження показали, що виготовлені дослідні зразки можуть забезпечити пікову напруга 1.26В, при щільності отриманої електричної потужності - 2,7 мілівата на один кубічний сантиметр обсягу, у тому випадку, коли матеріал генератора піддається деформації всього в 0,19 відсотка.
Рис. 24.9. Пристрій пьезогенератора на основі нанопроводов з оксиду цинку
Така енергетична ємкість п'єзоелектричного нанопристрою, вказує на реальну можливість його практичного застосування. Крім високого значення напруги, нові наногенератори мають рядом переваг перед існуючими пристроями подібного типу. У них, на відміну від багатьох відомих п'єзоелектричних генераторів, не застосовуються токсичні метали, виробництво таких п'єзогенераторів не вимагає значних енергетичних витрат.
Більше того, завдяки відсутності механічних частин що рухаються ці генератори можуть служити протягом тривалого часу без втрат своїх характеристик. Цікава конструкція п'єзоелектричного генератора, який містить діелектричну підкладку й нанорозмірні стовпчики з п'єзоелектрика• напівпровідника. У цьому пристрої нанорозмірні стовпчики жорстко
Рис. 24.10. П'єзогенератор на основі великого масиву нанодротів.
Рис. 24.11. Наноромірний п'єзогенератор
вмонтовані в діелектричну підкладку, а нанорозмірні струмоз'ємні дротові електроди прокладені на підкладці по обидва боки стовпчиків, причому між кожними двома електродами, прокладеними між сусідніми рядами стовпчиків, є зазор, а самі електроди укладені в шар пружньо-пластичного ізолятора, висота якого відповідає діаметру електродів.
Вертикальні нанорозмірні стовпчики, виконані з оксиду цинку. Діелектрична підкладка виконана із твердого діелектричного полімерізуючогося пластику. У п'єзоелектричний генератор уведені постійні нанорозмірні магнітні елементи, жорстко пов'язані з вершинами нанорозмірних стовпчиків або заселені у вершини нанорозмірних стовпчиків або занурені в краплевидні нанорозмірні елементи, або в кожний постійний нанорозмірні магнітний елемент. Будова п'єзогенераторів показано на Рис. 24.12. На цьому Рис.: 1 - діелектрична підкладка; 2 - вертикальні наностовбчики; 3 - нанорозмірні струмоз'ємні електроди; 4 - пружний ізолятор; S-нанорозмірні постійні магніти; 6- краплеподібні нанорозмірні елементи. Роздільне встановленя вертикальних нанорозмірних стовпчиків у підкладки необхідно для усунення паразитних електричних зв'язків між ними в процесі роботи п'єзоелектричного генератора й, як наслідок, підвищення виробітку електричного струму. Нанорозмірні струмоз'ємні дротові електроди (виконані, із золота) прокладені на підкладці по обидва боки вертикальних нанорозмірних стовпчиків, причому між кожними двома нанорозмірними струмоз'ємними дротовими електродами, є зазор, а самі електроди укладені в шар пружного пластичного ізолятора, висота якого відповідає діаметру електродів. Постійні нанорозмірні магнітні елементи жорстко пов'язані з вершинами нанорозмірних стовпчиків причому магнітні осі всіх постійних нанорозмірних магнітних елементів перпендикулярні нанорозмірними струмоз'ємними дротовим електродам, паралельні один одному й поверхні підкладки, а полюса всіх постійних нанорозмірних
Рис. 24.12. Будова п'єзогенератора з вертикальними наностовбчиками
магнітних елементів однаково орієнтовані. Це необхідно для досягнення максимальної амплітуди й синхронності хитання всіх нанорозмірних стовпчиків, що приводить до виробітку максимального струму.
У результаті спільної роботи вчених з Каліфорнійського університету в Беркли (США), Мюнхенського технічного університету (Німеччина) і Інституту електроніки Академії наук Китаю був сконструйований генератор на базі органічних нановолокон. В основі роботи цього генератора так само лежить прямий п'єзоефект - виникнення електричної поляризації під дією механічних напруг і деформацій (розтягання, скручування). Для одержання нановолокон органічного полімеру - полівініліденфторида - використовувалася технологія, так званого електропрядіння, яка дозволяє з високою точністю контролювати розташування волокон на підкладці. Мінімальний діаметр створених наногенераторів - склав 500 нм. При механічному впливі вони генерували вихідну напругу в діапазоні 5-30 мВ і вихідний струм від 0,3 до 3,0 на. Зареєстрована в експерименті ефективніші перетворення енергії доходила до 21,8% при середньому значенні в 12,5%.
Цікава розробка п'єзоелектричного генератора на гумовій основі. В основі цієї розробки лежить використання наночасток одного з найефективніших п'єзоелектриків: цирконата - титанату свинцю. Ці частки наносяться на тонку стрічку із кремній-органичної гуми. У результаті, можна створювати генератори, що перетворять кінетичну енергію в електричну. При цьому розроблювані обіцяють одержати ККД, що досягає оцінки в 80%.
Слід зазначити, що п'єзоелектричний ефект, спочатку виявлений у природних матеріалах, таких як кварц, турмалін, Сегнетова сіль і т.д., досить слабкий. У цей час синтезовані полікристалічні сегнетоелектричні керамічні матеріали з поліпшеними властивостями, такі як титанат барію Batioj і цирконат-титанат свинцю PZT (абревіатура формули Pb[Zrxtil-x]O3 (0 < х < 1)).
В Pzt-Кристалі негативні й позитивні електричні заряди розділені, але при цьому вони розподілені в обсязі кристала симетрично, що робить його електрично нейтральним. Щоб подібна кераміка стала п'єзоєлектриком, необхідно "відрегулювати" полярність зарядів у кристалічних ґратах. Для цього кераміку, що нагрівається, піддають обробці сильним електричним полем (E > 2000 В/мм), яке приводить до порушення симетрії в кристалі. У п'єзокристалах заряди різних знаків формують електричний диполь. Кілька прилеглих диполів формують так звані домени Вейса. До встановлення полярності домени орієнтовані довільним образом. Під дією електричного поля й високої температури кристал розширюється в напрямку поля й стискується по перпендикулярній осі. Це приводить до вибудовування диполів уздовж прикладеного електричного поля. Після вимикання поля й остигання п'єзокераміка здобуває залишкову поляризацію. Якщо до кристала з відрегульованою полярністю прикласти електричне поле, домени Вейса починають вирівнюватися уздовж поля, причому ступінь вирівнювання залежить від прикладеної електричної напруги. У результаті виникає зміна розмірів п'єзоелектричного матеріалу. При механічному тиску симетрія розподілу зарядів порушується, приводячи до різниці потенціалів на поверхнях кристала. Наприклад, кварц обсягом 1 см3 при прикладенні сили 2 кН може зробити напругу до 12500 В.
Тепер повернемося до роботи американських учених. Використовуючи динамічну модель, дослідники показали, що у вузькому діапазоні геометричних розмірів п'єзоелектричні наноструктури можуть перетворювати енергію з дуже великою ефективністю. При цьому, вони враховували не тільки п'єзоелектричний, але й флексоелектричний ефект (поява електричної напруги при згину сконструйований генератор на базі органічних нановолокон й крутінні п'єзоелектрика), який вносить додатковий вклад у результуючу ефективність п'єзоелектричних пристроїв. Встановлено, що найбільше сильно флексоелектричний ефект проявляє себе на нанорівні. У цьому випадку він у три рази перевищує по ефективності звичайний п'єзоелектричний ефект. Це відноситься, насамперед, до Pzt-матеріалів, виконаним у вигляді нанокантилеверів (балок нанометрових розмірів з однієї точкою опори) товщиною в межах 20-23 нм. За таких умов нанокантилевер досить гнучкий і чутливий до зовнішнього впливу. Будь-яка незначна вібрація, що передається через точку опори, приводять кантилевер у рух, у результаті чого в ньому виникають як п'єзоелектрика, так і флексострум. Розрахунки показали, що флексоелектричний ефект у кілька раз збільшує ефективність збору енергії нанокантилівером.
