CC BY
15
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т.ХУЬ Научна сесия „Техника и технологии, естествени и хуманитарни науки", 30-31 Х 2013 Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVI.,ISSN 1311-9192, Technics, Technologies, Natural Sciences and Humanities Session, 30-31 October 2013
хидравличен пиезометод и пиезогенератор на
ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЕНЕРГИЯ Драгия Иванов, Кирил Коликов Пловдивски университет „Паисий Хилендарски"
Резюме
В настоящата работа ние предлагаме нов метод за преобразуване на механична енергия в електрическа, посредством генератор, основаващ се на пиезоелементи. Пиезогенераторът работи на хидравличен принцип въз основа на закона на Паскал. Принципът позволява, при максимално възможен коефициент на полезно действие, да се оказва дистанционно синхронно въздействие върху огромно количество пиезоелементи. Пиезометодът може да се използва за генериране на екологично чиста електроенергия в твърде много случаи: деформация на пътища и жп линии от транспортни средства; деформации в гумите на транспорт-ни средства; енергия на водни потоци и морски вълни; вибрационна енергия от машини, сгради, вятър, звук, ултразвук и др.
1. Въведение
При правия пиезоефект се упражнява пряко механично въздействие от източника на механична енергия върху пиезоелемент (PE), вследствие което върху двете му работ-ни повърхности се появява електричен заряд, т.е. генерира се електрическо напрежение. Конструирани са множество такива пиезогенераторни устройства [1-9]. Известно е, че пиезоефектът се проявява дори при нищожни механични въздействия и деформации. Ето защо, PE могат да се използват за генериране на електрическа енергия в изключително много случаи в практиката.
Съществуват редица практически устройства за превръщане на механична енергия в електрическа чрез пряко механично въздействие върху единични PE. Ако искаме обаче да получим по-големи напрежения или токове, трябва да въздействаме едновременно на група от повече PE, свързани по определен начин. В тези случаи технического решение се ус-ложнява значително. Изобретяват се всевъзможни способи за механично въздействие върху повече PE в тези устройства. Обикновено PE в тях се подреждат в специални пакети, така че деформацията на единия пиезокристал да се предаде на следващия кристал и т.н. Особено сложно в тези случаи е да се въздейства механично едновременно върху цялата работна повърхност на пиезоелементите, за да се получи максимален ефект.
Нашите изследвания показват, че съществува възможност от гледна точка на физиката и техниката, тези на пръв поглед сложни проблеми да се решат изключително просто и евтино, на базата на хидравлично или пневматично въздействие, основаващо се на закона на Паскал.
2. Пиезометод
Ще илюстрираме нашият пиезометод, основан на закона на Паскал, посредством еле-ментарен първичен експеримент, показан на Фиг.1, чрез който сме осъществили нестан-
фиг. 1. Хидравлично въздействие върху ПЕ в съд с течност.
дартно, непряко механично въздействие върху РЕ. В цилиндричен съд V с бутало (например спринцовка) се поставя РЕ, който се свързва с електроизмерителен уред I. В съда се налива масло. Изводите на РЕ се херметизират. Посредством кран Т системата се обезвъздушава.
Чрез въздействие върху буталото се прилага сила ¥ , която се предава на течността в съда. Тъй като течността е практически несвиваема. от външното механично въздействие в нея се
създава налягане Р.
Съгласно закона на Паскал, създаде-
ното от външна сила ¥ налягане Р се предава равномерно във всички посоки в течността и следователно е еднакво във всички точки от повърхността на РЕ. Това довежда до възникване на напрежение с определена полярност между двете повърхно-сти на РЕ. Във веригата протича ток, който се регистрира посредством уреда. По този начин извършената механичната работа при въздействието върху буталото се превръща в електрическа енергия.
Както се вижда, в този случай процесът на максимално ефективно механично въздействие върху цялата повърхност на пиезоелемента се осъществява технически изключително просто. Този факт е важен за бъдещи практически приложения.
Описаният експеримент може да се осъществи с въздух вместо с течност, но с по-малка ефективност на преобразуването на механичната енергия в електрическа, поради значително по-голямо изменение на обема на затворения газ в сравнение с обема на течността.
3. Пиезогенератор
Предлаганият от нас пиезогенератор, се основава на разгледания по-горе метод. Използваме не един, а множество РЕ, които могат да бъдат с произволна форма и разме-ри. РЕ се поставят в контейнер R с подходяща форма и обем, като могат да се разполагат произволно във вътрешността му (Фиг.2), дори безпорядъчно (в насипно състояние). Поне една от стените на R трябва да има възможност да се премества или огъва (да бъде
еластична) под действие на външна сила ¥ . Възможно е деформиращата се стена W да се замени с бутало, което да се премества под действие на сила, както на Фиг.1, но това е технически по-сложно. Стените на R трябва да са направени от електроизолационен материал или да са електрически изолирани от вътрешната си страна.
РЕ се свързват помежду си електрически според необходимостта - последователно, успоредно, смесено, по групи и др. Електрическите връзки могат да се осъществят вътре в обема на контейнера, или извън контейнера. За целта върху корпуса на R се монтират херметично куплунги С за електрическа връзка, които са изолирани от корпуса.
В Я се налива електрически изолационна течност с малък вискозитет. Подходящи течности са например хидравлично
Фиг. 2. Вертикално сечение на контейнер.
t
, fi .
или трансформаторно масло. PE се потопяват изцяло в течността и се фиксират по такъв начин, че тя да има достъп до двете свободни активни повърхности на пиезоелементите. Контейнерът трябва да е закрепен на здрава основа така, че под действие на външна сила да не се премества като цяло тяло, а да се деформират само предвидените за това стени.
Под действие на външна сила F върху деформиращите се стени на R, в течността се
създава налягане P . В зависимост от големините на силата и повърхността, налягането може да достигне много големи стойности. Контейнерът трябва да бъде пригоден да издържа съответните налягания.
Тъй като хидравличното налягане, съгласно закона на Паскал, действа едновременно върху цялата работна повърхност на всеки PE, ефектът (напрежение - ток) от всеки ПЕ ще бъде максимален. Независимо от нищожното количество енергия, което може да даде всеки отделен PE, ефектът се мултиплицира и може да бъде използван за практически цели. Например за получаване на огромни напрежения от хиляди волта.
Съществува техническа възможност за развиване на приложението на хидравличния пиезометод. В редица случаи е много по-приемливо под източника на механично въздействие да се постави само подходящ прост контейнер с масло. В близост на удобни места, които ще наречем пиезостанции (PS), се поставят контейнерите с PE.
Контейнерите се свърват с хидравлична предавателна система (тесни тръби с течност). Хидравличното налягане, създадено от механичния източник, се предава по системата и въздейства на PE. Пиезомодулите би могло да се подредят в подходяща зала, така че до тях да има възможност за свободен достъп за контрол, техническа подръжка, трансформиране и пренасяне на електрическата енергия. Хидравличните въздействия от множество места ще могат да се предават на раз-стояние в една или повече пиезостанции (Фиг.3).
Количеството на маслото в хидравличната предавателна система и пиезостанциите не е от съществено
значение. Достатъчно е цялото свободно пространство в тях да бъде запълнено без остатъчни мехури въздух и маслото да има свободен достъп до повърхностите на всички пиезоелементи. В такъв смисъл конструкциите на пиезостанциите и на цялата хидравлична предавателна система трябва да бъдат съобразени с изискването за минимално количество масло.
4. Дискусия
Известни са редица класически електрически генератори за преобразуване на концентрирана механична енергия на вятъра, на падаща или течаща вода. Обаче огромно количество механична енергия се разсейва хаотично в земната кора и в атмосферата и в крайна сметка ги загрява. Досега не е направено нещо съществено за използване на такава механична енергия. В много от тези случаи може да бъде използван нашият пиезометод за преобразуване на механична енергия в електроенергия.
За преобразуване на хаотично постъпваща механична енергия в електрическа е най-подходящо използването именно на PE, защото нищожното свиване на течностите дори при огромно налягане се съчетава отлично с нищожните деформации на ПЕ.
ш*.
■—t "—
ива:
>=t iSSt i=t
1—l- I—L '—
фиг. 3. Хидравлична предавателна система с пиезстанция
Очевидно е, че ефектът на мултиплицирането на енергията, получавана от пиезоефекта, се дължи на повишаване на общата работна площ на пиезоелементите. Във връзка с това се появява интересна практическа възможност. Напоследък се произвеждат РЕ с форма на тънки листове [10, 11, 12] с различни размери, които могат да се огъват. В контейнерите могат да се поставят листови РЕ със сравнително голяма площ. Листовете би могло да се нагънат по определен начин или да се навият на рула. Използването на листови РЕ ще опрости значително електрическите връзки в системата.
Енергията, получена от РЕ, може да се натрупва и използва, подобно на енергията от фотоелементите, посредством включване в енергийната мрежа, натрупване в акумулатори и др.
5. Изводи
Създаването на хидравлични електрически пиезогенератори на основа на закона на Паскал има няколко важни предимства пред всички известни досега способи за механично въздействие върху РЕ, които се осъществяват технически лесно, просто и евтино:
• Максимално използване на работната площ на всеки РЕ, т.е. получаване на максимален коефициент на полезно действие по отношение на работната площ на РЕ.
• Мултиплициране на ефекта от механичното въздействие върху множество РЕ.
• Възможност за просто ефективно използване на листови РЕ с голяма площ.
• Синхронно въздействие върху голям брой РЕ.
• Дистанционна хидравлична връзка между мястото на механичното въздействие и мястото на разположение на РЕ.
6. Заключение
Предлаганият от нас способ за хидравлично и пневматично синхронно въздействие върху РЕ на основа на закона на Паскал решава радикално въпроса за масово и максимално ефективно използване на РЕ за безотпадъчно екологично преобразуване в електрическа енергия на огромно количество губеща се механична енергия.
Ще изброим някои възможности, в които РЕ чрез предлагания от нас метод могат да бъдат използвани успешно за преобразуване на механична енергия в електрическа:
• Механични деформации на магистрали, жп линии и други пътища, по които се движат транспортни средства и хора [13,14,15,16]. Поставянето на хидравлични контейне-ри под тях позволява механичното въздействие, създавано на дадено място, да се прехвърли хидравлично на огромно количество РЕ от съседни участъци.
• Енергията на морските вълни и прибои и на водопадите. Вкарването на хидравлични контейнери в морски прибои дава изключително евтин и удобен способ за получаване на електроенергия, в сравнение с известните методи.
• Вибрации на сгради, машини, коли и др. Задействането на РЕ е ефективно от механични вибрации, както и от звукови и ултразвукови трептения.
• Деформациите в гумите на колите. Този практически неизчерпаем източник на механична енергия, на който не се обръща внимание, може да се използва автономно във всяка кола.
• Налягането, създавано при протичането на някои физични процеси, какъвто е например осмотичния процес. Нарастването на осмотичното налягане в затворен обем на разтвор е сравнително бързо [17, 18] и може да се освобождава импулсно [19], поради което е много подходящо то да се комбинира с пиезоефекта.
Необходимо е да се разработят пиезоелементи и непроводящи течности, които по своите технически характеристики да са максимално приложими за използване в електрохидравличен режим на работа.
Във всеки един практически случай се подхожда конкретно, но винаги остава в сила хидравличният принцип въз основа на закона на Паскал, който предагаме. Този принцип дава възможност за голям спектър от технически приложения. 112
Признателност
Резултатите от настоящите изследвания се публикуват с финансовата подкрепа на Фонд „Научни изследвания" към МОН - България, по договор № ТО 1/2.
Литература
1. http://www.google.com/patents/US20060226739?dq=PIEZOELECTRIC+CERAMICS +generator&hl=bg&sa=X&ei=uZ7sUOW7No-SswbRoYH4BA&ved=0CD0Q6AEwATgU
2. http://www.google.com/patents/US20040041498?hl=bg&dq=PIEZOELECTRIC+CER AMICS+generator&ei=VpfsUOLXFMfEswa-xoGACQ&cl=en
3. http://www.google.com/patents/US20050082949?dq=PIEZOELECTRIC+CERAMICS +generator&hl=bg&sa=X&ei=VpfsUOLXFMfEswa-xoGACQ&sqi=2&pjf=1&ved=0CFUQ6A EwCQ
4. http://www.google.com/patents/US20100244629?dq=PIEZOELECTRIC+CERAMICS +generator&hl=bg&sa=X&ei=uZ7sUOW7No-SswbRoYH4BA&ved=0CEMQ6AEwAzgU
5. http://www.google.com/patents/US20110227456?dq=PIEZOELECTRIC+CERAMICS+ generator&hl=bg&sa=X&ei=AJ_sUKeGL8npswbAqYCADw&ved=0CFUQ6AEwCTgy
6. http://www.google.com/patents/US5801475?dq=PIEZOELECTRIC+CERAMICS+gene rator&hl=bg&sa=X&ei=GJ_sUJ6oGoTLswb7kIHoAw&ved=0CEwQ6AEwBjg8
7. http://www.google.com/patents/US8058774?hl=bg&dq=PIEZOELECTRIC+CERAMI CS+generator&ei=dpfsUNzEFcmHtQaet4HgBw
8. http://www.google.com/patents/US8174167?hl=bg&dq=PIEZOELECTRIC+CERAMI CS+generator&ei=VpfsUOLXFMfEswa-xoGACQ
9. http://www.scribd.com/doc/77911439/PIEZOELECTRIC-SHOE-GENERATOR
10. http://www.piezo.com/prodsheet2sq5H.html
11. http://www.alibaba.com/showroom/piezoelectric-sheet.html
12. http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-04112000-14080024/unrestricted/ AppendixD.pdf
13. http://cleantechnica.com/2008/12/17/israeli-company-testing-piezoelectric-road/
14. http://heightech.blogspot.com/2013/05/piezoelectric-road-harvests-traffic.htmlhttp:// www.theenvironmentalblog.org/2012/03/piezoelectric-roads-israel-california-powering-cities-drive/
15. http://www.google.com/patents/US7812508
16. http://www.energy.ca.gov/2013publications/CEC-500-2013-007/CEC-500-2013-007-D.
17. Manev E., Kolikov K., Minkov I., Radoev B., On some experimentally established features of the osmotic kinetics and their interpretation, Proc. 27th ECIS Conference, 1-6 September, Sofia (2013) (submitted)
18. Minkov I., Manev E., Sazdanova S., Kolikov K., Effect of controlled volume variation on the osmotic rate in aqueous solutions, The Scientific World Journal (in Print)
19. Кирил Коликов, "Mетод и устройство за преобразуване на препятствано осмотично налягане в енергия" Заявка за патент, №111441/09.04.2013
