CC BY
24
Using the piezoelectric materials as an alternative energy source Baibatyrova A.1, Abenova F.2 Использование пьезоэлектрика как альтернативного источника энергии Байбатырова А. С.1, Абенова Ф. А.2
'Байбатырова Айгерим Саматбеккызы / Baibatyrova Aigerim - магистрант;
2Абенова Фатима Аманбеккызы / Abenova Fatima Amanbekkyzy - магистрант, специальность: приборостроение, кафедра робототехники и технических средств автоматики, Казахский национальный технологический исследовательский университет им. К. И. Сатпаева, г. Алматы, Республика Казахстан
Аннотация: бурный рост экономики, населения во всем мире требует больше затрат на выработку энергии. По данным независимого агентства США - Энергетической информационной администрации (EIA), в 2040 году ожидается рост потребления энергии на 48%. Большинство роста потребления энергии приходится на развивающиеся страны, которые не входят в Организацию экономического сотрудничества и развития. Таким странам, как Китай и Индия, приходится больше половины предполагаемого роста потребления [1]. Исходя из вышеуказанного, следует отметить, что в настоящее время наиболее актуальным является использование возобновляемых источников энергии, так как они обладают рядом преимуществ: менее затратные, легкодоступные и не вредят окружающей среде. В данной статье будут рассматриваться возможности использования пьезоэлектрика как альтернативного источника энергии.
Abstract: the rapid growth of the economy, the world's population requires more expenses for energy production. According to an independent US agency - the Energy Information Administration (EIA) in 2040 is expected to increase in energy consumption of 48%. Most of the growth in energy consumption is in fluttering countries that do not belong to the Organization for Economic Cooperation and Development. Countries such as China and India account for more than half of the projected growth of consumption [']. Based on the above said, it should be noted that at present the most relevant is the use of renewable sources of energy, since they have a number of advantages: less expensive, easily available and do not harm the environment. This article will consider the possibility of using a piezoelectric material as an alternative energy source.
Ключевые слова: энергетика, альтернативные источники, пьезоэлектрик. Keywords: energy harvesting, alternative sources, piezoelectric.
Альтернативные источники энергии получают огромную поддержку среди всех государств мира, включая инвесторов, которые заинтересованы в развитии этого энергоресурса. В 2013 году на развитие возобновляемых ресурсов было выделено 23 млрд долларов, что существенно выше инвестиции на реализацию невозобновляемых ресурсов - 3,4 млрд долларов [2].
К альтернативным источникам энергии относят: солнечную, ветряную, гидравлическую, гидро, разницу температур, энергию бытового происхождения и т.д.
Таблица 1. Оценка получения энергии от возобновляемых источников [3]
Источники энергии | Получаемая мощность
Вибрации/Движения
Человек 4 дВт/см2
Промышленность 100 цВт/см2
Разница температур
Человек 25цВт/см2
Промышленность 1-10 mВт/см2
Свет
В помещении 10 цВт/см2
На улице 10 mВт/см2
Радиочастота
GSM 0.1 цВт/см2
WiFi 0.001 mВт/см2
В 2013 году на конференции Printed Electronics Europe 2013, проходившей в Берлине (Германия), был продемонстрирован ряд новых устройств, предназначенных для сборки
энергии. Британская компания Perpetuum представила свое изобретение - Vibration Energy Harvester (VEH) [4]. VEH - это пьезодатчик, собирающий данные в техническом объекте и передающий информацию через беспроводную связь оператору. Данный прибор работает за счет своей энергии, т.е. «собирает» энергию, произошедшую от процесса вибрации, которая возникает при процессе работы.
Пьезоэлектрические датчики содержат кристаллы или текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение тока деформации при изменении направления поля.
Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества: кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и др., а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле поликристаллические материалы (пьезокерамики): титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца и др.
Пьезоэлектрические датчики позволяют решать многообразные задачи: для измерения механических параметров (усилий, давлений, ускорений, массы, угловых скоростей, моментов, деформации и т.п.), тепловых приборов (термодатчиков, датчиков расхода, вакуума, измерителей электрических параметров, датчиков тепловых потоков), устройств для контроля составов, концентрации газов, влажности, микромасс. По разрешающей способности и точности эти устройства во многих случаях превосходят датчики, выполненные на других физических принципах [5].
Рис. 1. Основные принципы работы пьезоэлектрика
Генераторы, работающие за счет инерционной силы, являются более гибкими, чем генератор с прямым применением силы, потому что они требуют только одну точку присоединения к движущейся конструкции, позволяя минимизировать поверхность прилегания.
Применение пьезоэлектрика:
1. Мониторинг состояния
Типичным примером применения является мониторинг компонентов в сложных системах, таких как крылья самолетов. Пьезоэлектрические преобразователи выполняют ряд функций, они измеряют деформации, а также является передатчиком энергии для беспроводной передачи данных.
2. Мониторинг данных и передача данных
Блок питания для датчиков и радиопередатчиков, например, в системах отопления и кондиционирования воздуха технологии для контроля температуры или воздушного потока в трубах.
3. Мониторинг состояния продукта во время перевозки
Если вибрации транспортного средства используются для получения энергии, продукты можно непрерывно контролировать во время транспортировки без соответствующих датчиков, которые должны быть подключены к источнику питания или оборудованы батареями.
К сожалению, пьезоэлектрическому генератору далеко до достаточного обеспечения большого электрического устройства. В данный момент изучается возможность сохранения энергии для необходимого питания оборудования. Предлагается расширить области использования пьезоэлектриков: в промышленности, в ежедневном быту человека, на трассах и
т.д. Необходимо улучшить сбор электроэнергии, также модифицировать его хранение в аккумуляторах для использования по мере необходимости.
Литература
1. U.S. Energy Information Administration, EIA projects 48% increase in world energy consumption by 2040 (12 may 2016). [Электронный ресурс]. URL: http://www. eia. gov/todayinenergy/detail.cfm?id=26212.
2. U.S. Energy Information Administration, Total energy subsidies decline since 2010, with changes in support across fuel types (13 march 2015). [Электронный ресурс]. URL: http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.cfm?id=20352.
3. Texas Instruments, Energy Harvesting - White paper, 2009.
4. Perpetuum: Industrial Products. [Электронный ресурс]. URL: http://www.perpetuum.com/tech.asp.
5. Шарапов В. М., Мусиенко М. П., Шарапова Е. В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В. М. Шарапова. Москва: Техносфера, 2006.
