РОЗДІЛ 24. 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