РОЗДІЛ 24. П'єзоелектричні генератори

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%.