CC BY
18
УДК 629.341
ВЛАСТИВОСТ1 ТА СПОСОБИ ЗАСТОСУВАННЯ П'СЗОЕЛЕКТРИЧНИХ ЕЛЕМЕНТ1В ЯК ГЕНЕРАТОР1В ЕЛЕКТРОЕНЕРГП
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., О.А. Ульянець, шж., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Проведено до^дження п'езоелектричних матер1ал1в та анал1з можливостей гх застосування як джерела електричног енергИ Розглянуто гх властивост1, наведено аналтичш ствв1дношення для гх розрахунку. Досл1джено п'езокерам1чш елементи як перетворювач1 енергИ. Подано схеми гх застосування i схеми виконання п'езогенератор1в.
Ключов1 слова: енергозберiгаючi технологи, п'езоелектричний ефект.
СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ КАК ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
А.В. Гнатов, проф., д.т.н., Щ.В. Аргун, доц., к.т.н., О.А. Ульянец, инж., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Проведено исследование пьезоэлектрических материалов и анализ возможностей их применения в качестве источника электроэнергии. Рассмотрены их свойства и приведены аналитические соотношения для их расчета. Исследованы пьезокерамические элементы как преобразователи энергии. Представлены схемы их применения и схемы выполнения пьезо-генераторов.
Ключевые слова: энергосберегающие технологии, пьезоэлектрический эффект.
PROPERTIES OF PIEZOELECTRIC ELEMENTS AND METHODS OF THEIR APPLICATION AS ELECTRIC ENERGY GENERATORS
A. Hnatov, DSc., Prof., Shch. Arhun, PhD., Assoc. Prof., O. Ulyanets, Engineer, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. In the paper the properties of piezoelectric substances are studied and the possibilities of their application as a source of electric energy are analyzed. The characteristics ofpiezoelectric substances properties are considered and the main analytical connections during their calculation are given. The piezoceramic elements as energy converters with reference to the basic schemes of their application are investigated. The schemes of constructing piezogenerators for the systems and devices of electric power generation are presented.
Key words: energy-saving technologies, piezoelectric effect.
Вступ
На цей час дослщження, розробка та впрова-дження нових нетрадицшних методiв та спо-собiв генераци електрично! енерги набули неабияко! актуальности Про це свщчить велика кшьюсть рiзного роду державних про-грам та проекпв, спрямованих на дослщження та виршення згадано! проблематики. Сама ж державна полггика, особливо врахову-
ючи останш поди в Укра!ш, мае неухильний курс на енергонезалежшсть. Отже досль дження та розробка нових пристро!в i систем, яю мають за мету генеращю електрично! енерги, е актуальним та нагальним питанням сьогодення [1-3].
Дослщження п'езоелектричного ефекту, з метою створення системи чи пристрою гене-раци електрично! енерги, е одним з напрямiв
ще! комплексно! та багатогранно! проблеми [4, 5]. Досить складно створити повнощнне альтернативне джерело електроживлення, використовуючи п'езоелементи (ПЕ) та п'езогенератори (ПГ), але додаткове малопо-тужне джерело створити цшком можливо. Останне тдтверджують результати сучасних дослiджень як в Укра!ш, так i в свт [4-6].
П'езоелемент - електромехашчний перетво-рювач, що виготовляеться з п'езоелект-ричних матерiалiв певно! форми i орiентацi! вiдносно кристалографiчних осей, за допомо-гою якого мехашчна енергiя перетворюеться в електричну (прямий п'езоефект), а елект-рична - в мехашчну [7]. Конструктивно ПЕ являе собою п'езокерамшу з нанесеними еле-ктродами. ПЕ можуть бути рiзно! форми: у виглядi дисюв, кiлець, трубок, пластин, сфер та ш. Для вiбраторiв i генераторiв ПЕ об'еднують у п'езострiчку, щоб досягти кра-щих характеристик [7-9].
Аналiз публiкацiй
П'езоелектричнi матерiали (п'езоелектрики), зокрема п'езокерамiка, вiдрiзняються тим, що при деформацп пiд дiею зовнiшнього ме-ханiчного тиску на !х поверхнi виникають електричнi заряди. Цей ефект називаеться прямим п'езоелектричним ефектом i був вщ-критий в 1880 р. братами Кюрi [7, 8].
Першим у 1880 р. був вщкритий прямий п'езоелектричний ефект у кристалах турма-лшу П'ером i Жаком Кюрi. Вони помггили, що якщо подавати мехашчний тиск на крис-тал у певному напрямку, на протилежних сторонах кристала виникають електричш заряди, пропорцiйнi тиску i протилежно! по-лярностi. Изшше вони вiдкрили подiбний ефект у кварщ та iнших кристалах [10].
У 1881 р. був тдтверджений i зворотний п'езоефект, а саме те, що такий матерiал, ро-зташований мiж двома електродами, реагуе на прикладену до нього електричну напругу, змшюючи свою форму. Бiльш детальш дос-лiдження п'езоефекту показали, що його мо-жна пояснити властивютю елементарно! ко-мiрки структури матерiалу. При цьому еле-ментарна комiрка е найменшою симетрич-ною одиницею матерiалу, з яко!, шляхом !! багаторазового повторення, можна отримати мiкроскопiчний кристал. Було показано, що необхщною передумовою для появи п'езо-
ефекту е вщсутнють центру симетрп в еле-ментарнiй комiрцi [4, 5, 7-10].
Мета i постановка завдання
Метою роботи е дослщження властивостей п'езоелектричних речовин та анатз можли-востей !х застосування як джерела електрич-но! енергi! з використанням методiв теорi! електричного поля.
Властивост п'езоелектричних речовин
Зв'язок мiж прикладеною силою i результу-ючою реакщею ПЕ залежить вiд: п'езоелектричних властивостей п'езокерамши, розмiру i форм зразка, напрямку електричного i ме-ханiчного збудження.
ПЕ характеризуеться такими властивостями
[7, 8]:
- вщносна дiелектрична постiйна;
- резонансна частота;
- коефщенти електромехашчного зв'язку;
- пружнi постiйнi;
- п'езоелектричш постiйнi;
- коефiцiент Пуассона;
- температурний коефiцiент;
- швидюсть старiння;
- механiчна мiцнiсть;
- температура Кюрц
- щiльнiсть.
Вщносна дiелектрична постiйна е вщношен-ням дiелектрично! проникностi матерiалу
т т
(833 та Ец) до дiелектрично! проникностi вакууму ( е0).
8т (5) 833
та
8т (5) 811
(1)
де е0= 8,85 10-12 Ф/м.
Верхнш iндекс показуе граничнi умови, що ддать на матерiал у процес визначення зна-чення вiдносно! дiелектрично! постiйно!. Зокрема iндекс Т говорить про те, що дiелект-рична постшна вимiрюеться на вшьному (не затисненому) зразку [11]. А шдекс 5 показуе, що вимiрювання вiдбуваються при постiйнiй деформацi! п'езокерамши (в затиснутому станi). Перший нижнш iндекс показуе на-прямок дiелектричного зсуву, а другий - еле-
0
0
ктричного поля [12]. Формула розрахунку вщносно! дiелектрично! постшно! е такою
ч
8о
г ■ с во ■ 5
(2)
де Ъу - дiелектрична проникнiсть (одна з
т т
двох 833 або В11), Ф/м; г - вщстань мiж елек-тродами, м; 5 - площа електрода, м2; с - ем-нють, Ф.
Розглянемо резонансну частоту. Власну частоту пластини за товщиною / обчислюеть-ся за такою формулою
/0 = 2'
де с - швидкiсть звуку в матерiалi, м/с.
(3)
Амплпудно-частотна характеристика ПЕ подана на рис. 1.
Рис. 1. Амплггудно-частотна характеристика ПЕ
Коефiцiенти електромеханiчного зв язку kp, k33, kt i k3l описують здатнють ПЕ перет-ворювати енергiю з електрично! в мехашчну i навпаки. Квадрат коефщента електромеха-нiчного зв'язку визначаеться як вщношення накопичено! енерги одного виду (мехашчно! або електрично!) до вхщно! енергi!' другого виду (електрично! або мехашчно!). 1ндекс показуе вщносш напрямки електричних i ме-ханiчних величин i вид коливань. Вони мо-жуть бути пов'язаш з модою коливань простого перетворювача певно! форми:
— кр означае взаемозв'язок електрично! й мехашчно! енерги в тонкому круглому диску, поляризованому за товщиною i який ко-ливаеться в радiальному напрямку - планар-на мода (рис. 2, а);
— ^ вщноситься до довгого тонкого бруска з електродами на довгш поверхш. Вид коливань - розтягання за довжиною (рис. 2, б);
— ^ пов'язаний з тонким диском або пластиною i визначае розтягування стиснення за товщиною (рис. 2, в);
— вщповщае довгому тонкому бруску з електродами на його кшцях i поляризовано-му за довжиною. Вид коливань - розтягуван-ня стиснення за довжиною (рис. 2, г);
— описуе енерпю, перетворену у зсувш коливання за товщиною (рис. 2, д) [13]. Цей коефщент може бути обчислений через ре-зонансну й антирезонансну частоту за формулою (4)
^ =
/а /г
0,405 (2/а - /г У
(4)
де / - резонансна частота, Гц; /а - антире-зонансна частота, Гц.
Рис. 2. Види коливань зразюв п'езокерамши рiзно! форми: а - радiальне розтягання (тонкий диск); б - розтягання за довжиною (тонкий брусок); в - розтягання за товщиною (тонкий диск або пластина); г - розтягання за довжиною (цилшдр або блок); д - зсув за товщиною
в
г
д
Щоб вимiряти щ частоти, зазвичай викорис-товуеться аналiзатор iмпедансу, за допомо-гою якого можна отримати залежнють опору вiд частоти у п'езокерамщ (рис. 3).
За своею природою резонансна частота ви-никае, коли система мае дуже невеликий опiр, в той час як антирезонансна - коли система мае дуже великий отр.
На рис. 3 частота, яка мае мшмальний отр, е резонансною (^), а частота з максималь-ним опором - антирезонансною (fa) [14].
К,
Ом
чно! деформаци до прикладеного електрич-ного поля (Кл/Н) [7]
I, Гц
Рис. 3. Залежнють опору вщ частоти у п'езокерамщ
Розглянемо пружш константи. Пружнi влас-тивосп п'езоелектричних матерiалiв харак-
теризуються пружною податливютю ()
або пружними жорсткостями (СЕ'D). Пруж-
на податливiсть визначае величину деформаци, що виникае пiд впливом прикладено! ме-ханiчно! напруги. З огляду на те, що тд впливом мехатчно! напруги керамiка поро-джуе електричну вiдповiдь, яка протидiе ре-зультуючiй деформацi!, ефективний модуль Юнга при короткому замиканш електродiв е меншим, нiж при холостому ходг На додачу, жорсткiсть е рiзною в рiзних напрямках, тому для точного визначення величини вказу-ються електричш й механiчнi умови. Верхнш iндекс Е говорить про те, що вимiри вщбу-ваються при постшному електричному полi (коротке замикання). У той час як шдекс D вказуе на граничну умову - постшне елект-ричне змщення (iндукцiя), тобто вимiри вщ-буваються при холостому ходi. Перша нижня цифра показуе напрямок деформаци, друга -напрямок мехашчно! напруги [13].
Розглянемо п'езоелектричш постшш. П'езо-електричний модуль d - вщношення мехат-
d33 =
АХ5
и5
(5)
де Ах 5 - змша товщини пластини, м; и5 -прикладена напруга, В.
Велию значення dij призводять до великих мехашчних зсувiв, що зазвичай досягаеться при проектуванш ультразвукових перетво-рювачiв. d33 застосовують, коли сила спрямо-вана в напрямку ош поляризацi! (рис. 2, г). d3l використовують, коли сила прикладаеться тд прямим кутом до осi поляризаци; при цьому заряд виникае на електродах так само, як i в попередньому випадку (рис. 2, б). d\5 показуе, що заряд накопичуеться на електро-дах, яю знаходяться пiд прямим кутом до початкових електродiв, полярiзуючих; i що отриманi механiчнi коливання е зсувними (рис. 2, д).
П'езоелектрична константа тиску gij - вщно-шення отримано! напруги до прикладеного тиску:
ие = §33Фх,
(6)
де Рх - прикладений тиск, Па; ие - отрима-на напруга, В.
1ндекс «33» показуе, що електричне поле i мехатчна напруга спрямованi по осi поляризаци. 1ндекс «31» означае, що тиск прикладаеться шд прямим кутом до ош поляризацi!; у цьому випадку напруга зшмаеться з тих же самих електродiв, що й у цьому випадку «33». 1ндекс «15» говорить про те, що прикладена напруга е зсувною i результуюче електричне поле е перпендикулярним до осi поляризацi!. Високе значення gij веде до великих значень вихдного напруження, що е необхщним для сенсорiв.
Коефiцiент Пуассона - це вщношення вщно-сно! поперечного стиснення до вiдповiдного вщносного поздовжнього подовження [8]
Аа • I А1 • а'
(7)
де ц - коефщент Пуассона; а а - абсолют-не збiльшення товщини; а - товщина тсля
деформаци, м; д/ - абсолютне збшьшення довжини, м; / - довжина тсля деформаци, м.
Температурний коефщент показуе змiну рiз-них властивостей матерiалу (резонансна частота, емнють, розмiри) за змiни температури
[14]
ткч - -1 ■/ ()-/(?2 ) ■ю6
Д /20 '
(8)
де ТКЧ - температурний коефщент резонансно! частоти, 1/°С; / (/1) - резонансна частота за температури ?1, Гц; /(^2) - резонансна частота при ?2, Гц; /2о - резонансна частота за температури 20 °С, Гц; Дг - рiзниця температур Дг - г2 - °С.
ТКЕ - -1 ■ С()-С() ■Ю6, (9) Д с20
де ТКЕ - температурний коефщент емностi, 1/°С; с^) - емнють за температури ^ , Ф; с(?2) - емнiсть за температури г2, Ф; С20 -емнiсть за температури 20 °С, Ф
ТКЛР --1■1 ()-1 (^) ■ 106,
Д 120
(10)
де ТКЛР - температурний коефiцiент лшш-ного розширення, 1/°С; /(^1) - довжина за температури ^ , м; /(¿2) - довжина за температури ?2, м; /20 - довжина за температури 20 °С, м.
Швидюсть старшня - це показник змши резонансно! частоти й емносп з часом. Щоб обчислити цю швидкiсть, пiсля поляризаци електроди перетворювача з'еднуються разом, i зразок нагрiваеться певний перiод часу. Проводяться вимiри резонансно! частоти й емносп кожнi 2" (1, 2, 4 i 8) доби. Швидюсть старiння обчислюеться за такою формулою [12]
( ^ )-
1
- X,.
^ г2 - log г1 хи
(11)
де AR - швидкiсть старшня для резонансно! частоти або емносп; ^ , ?2 - число дiб пiсля поляризацi!; Хг1, Хг2 - резонансна частота
або емнють через ^ та ?2 дiб пiсля по-ляризацi!.
Розглянемо мехашчну добротнiсть. Доброт-нiсть - кшьюсна характеристика резонансних властивостей коливальних систем, яка вка-зуе, у скшьки разiв амплiтуда вимушених коливань при резонанс перевищуе амплiтуду вимушених коливань на частой, що е набага-то нижчою за резонансну за однаково! ампль туди сили збудження [8]. Добротшсть дорiв-нюе вщношенню власно! частоти резонансно! системи до ширини частотно! смуги, на кордонах яко! енергiя системи при вимушених коливаннях е удвiчi меншою за енергiю на резонанснiй частой [14]
Qm
Г
J а
2/2гС (
(/2 -/?)'
(12)
де Qm - мехaнiчнa добротнiсть; /г - резонансна частота, Гц; /а - антирезонансна частота, Гц; 2Г - отр при резонaнсi, Ом; с -емнють, Ф.
Вироби, основаш на п'езоелектричному резонансу вимагають високо! мехaнiчно! добротности
Температура Кюрi - це температура, при пе-ревищеннi яко! п'езоелектричний мaтерiaл втрачае сво! влaстивостi [8].
Густина
Р-
т
V'
де р - густина, кг/м ; т об'ем, м3.
(13)
- маса, кг; V -
П'eзокерамiчш елементи як перетворювачi енергн
У наш час найбшьш застосовними тaкi дже-рела енергi! можуть бути в декшькох класах пристро!в, серед яких можна видшити тaкi як: малогабаритш пристро! бездротово! елек-тронiки з розширеним термiном служби, ма-лопотужш вбудовaнi й бездротовi пристро! комушкаци (наприклад, для телефонiв стшь-никового зв'язку), побутова електромехашка i електрошка (наприклад, електронний го-
2
динник), п'езоелектричш генератори для до-сить емних локальних систем осв^лення i сигналiзашi на вiддалених об'ектах шфра-структури i деякi iншi [4]. В останнi кшька роюв були розробленi дослiднi зразки п'eзонакопичувачiв енергл навколишнього середовища i конверторiв для рiзних застосу-вань, як можуть бути об'eднанi у два рiзнi класи, що вiдрiзняються за типом використо-вуваних мод коливань (поперечних i поздов-жнiх). Схема п'езогенератора (ПГ), що пра-цюе вiд впливу поздовжнiх (щодо спряму-вання вектора поляризаци) коливань, наведена на рис. 4, а ПГ, що використовуе вигиновi моди коливань, подано на рис. 5.
Чутливий елемент першого типу ПГ, що працюе на поздовжш коливання, може бути виконаний у двох варiантах: з одиночним ПЕ i з багатошаровим п'езоперетворювачем, як показано на рис. 4.
Прурсний елемент
Прикршлена маса П' езоперетворю вач
Рис. 4. Схема багатошарового п'езогенератора, що використовуе поздовжнш п'езоефект
П'езоелектричний
елемент Зовшшня сила
Масивна опора
Рис. 5. Схема п'езогенератора, що використовуе вигиновi моди коливань
Другий варiант дозволяе отримати велику вихiдну потужшсть, i тому застосовуеться частiше. Дослщш зразки малопотужного ПГ вiдомi давно i застосовувалися як актуатори антен супутникових систем наведення [15]. Уже розроблеш i проходять випробування у наш час експериментальш зразки багатошарового ПГ велико! вихщно! потужносп (автономнi джерела живлення освiтлення
автомобшьних дор1г) [7]. Однак слщ зазна-чити, що це лише стартапи i бшьш-менш ре-альних результат1в випробувань ще не опуб-лшовано.
Не менш перспективними е ПГ на згиналь-них коливаннях (рис. 5). Вони вщр1зняються як своею конф1гуращею, так i конструктив-ним виконанням. Залежно вщ призначення ПГ такого типу були дослщжеш при р1зних схемних р1шеннях: мшроп'езогенератори (МкПГ) i макроп'езогенератори (ПГ). Серед раншх конструктивних р1шень першого кла-су таких пристро!в було запропоновано i описану схему, розроблену в 2004 р. Lu F., Lee H. P. [16].
Дослщження показали, що такий МкПГ, що включае в себе кантилевер товщиною 0,1 мм й шших розм1р1в 5х1 мм, за ампл1туди коливань на вшьному кшщ пластини 0,1 мм гене-руе вихщну потужшсть 1,6 мВт.
В шшш робот був запропонований ПГ, що працюе на поздовжнш мод1 коливань. У цьо-му пристро! одиночний ПЕ ПГ монтувався в пщкладку взуття i генерував невелику потужшсть при швидкому пересуванш людини (рис. 6) [17]. Цей МПГ, описаний Vile Kaajakan (США), був виконаний у вигляд1 сшрального пластинчастого ПЕ. Довгов1ч-нють i надшнють такого пристрою виклика-ють сумшв через крихкють п'езокерам1чного матер1алу. Ця щея може виявитися продуктивною в раз1 застосування гнучких п'езопо-л1мерних пластин. На жаль, таю матер1али поки не вийшли з1 стадГ! дослщжень. Для джерел живлення щодо велико! потужносп також розроблеш дослщш зразки макро-п'езогенератор1в (МПГ) р1зно! конструкций
Рис. 6. Модель ПГ для взуття
До найбшьш просунутих розробок такого класу пристро'1'в можна вщнести експеримен-тальну систему накопичувачiв енергл на ос-новi ПГ, вмонтовану в настил пщлоги на входi станци метро МагипоисЫ (Токiо) (рис. 7) [16, 18].
jVV » •• 7»
^у
'.»■ I и
Ш*
Рис. 7. Система накопичувач1в енергп на основ1 ПГ, вмонтованих у настил тд-логи на вход1 станцп метро МагипоисЫ (Токю)
Перш1 експерименти показали, що вихщна потужшсть ще! невелико! системи ПГ забез-печила живлення 100 Вт лампи освгтлення протягом 100 с. У 2011 р. експерименти були продовжеш й показали перспектившсть ще! розробки. 1нше вщоме застосування досить потужних ПГ було знайдено для живлення велосипедно! фари. Виявилося, що потужно-сп ПГ, встановлених на педалях велосипеда, вистачило для !! перюдичного живлення еле-ктрично! [16]. Дослщження тако! системи тривають.
Розглянемо п'езоелектричш елементи 1 дороги. Вщомо про ще один перспективний на-прям дослщжень, пов'язаних з використан-ням п'езогенератор1в як джерел енергп, що зумовлено деформащею дорожнього полотна рухомим транспортом. Вш запропонований 1зра!льською компашею Innowatech [19]. Сутнють розробки полягае в тому, що тд асфальтове покриття автобану на певнш вщ-стат один вщ одного встановлюються ПГ, що трансформують енерпю деформаци полотна, викликану рухомим автомобшем, в електроенерпю, що запасаеться в оригшаль-них накопичувачах 1 вщправляеться дал1 споживачам, розташованим поблизу дороги (рис. 8). Цю технолопю передбачалося у 2011 р. випробувати на дослщнш дшянщ шосе «Венещя-Тр1ест».
1зра!льськ1 вчеш з ф1рми Innowattech тдра-хували, що 1 км автобану може генерувати електричну потужшсть до 5 МВт. Вони не тшьки виконали розрахунки, але 1 розкрили кшька десятк1в метр1в полотна автостради 1 змонтували тд ним сво! п'езогенератори. Здавалося, що нарешт настав прорив у галуз1 альтернативно! енергетики, але, на жаль, в цьому виникають серйозш сумшви, оскшьки
фахiвцi компани Innowattech так i не подши-лися з широкою громадськютю результатами свого експерименту [19].
Рис. 8. Схема роботи системи п'езогенера-торГв, вбудованих в дорогу
Багатьма дослщниками, зокрема H. A. Sadano [20], Y.B. Jeon й шшими [21], зроблено ви-сновок про основш тренди в дослщженнях, спрямованих на пiдвищення ефективностi п'езонакопичувальних пристро!в за допомо-гою вибору оптимальних фiзичних парамет-рiв i геометричних конфiгурацiй !х чутливих елеменпв (ЧЕ), а також завдяки оригшаль-ному синтезу адаптивних електричних схем накопичення i передачi енергп.
Докладний аналiз електричних схем ПГ наведено в рядi робiт Dc Yi-Chung Shu (Natinal Tawvan University). До цього треба додати, що проблемам забезпечення надшно! трива-ло! експлуатацГ! п'езогенераторних пристро!в поки не придшялося належно! уваги, хоча вони мають вирiшальне значення для норму-вання характеристик, пропонованих для реа-лГзаци пристро!в. У той же час давно вщомГ дослiдження процеав старiння п'езоелект-ричних матерiалiв (ПКМ) i нестабiльностi !х п'езоелектричних i пружних констант. Наприклад, зГ зростанням мехашчно! напруги i температур п'езоконстанти таких поширених ПКМ, як ЦТС-19, ПКР-1, падають в 2 i бшь-ше разГв [22]. Зокрема групою вчених ПГв-денного федерального ушверситету (Акопь-ян В. А., Захаров Ю. Н., Рожков Е. В. та ш.) було дослщжено вплив механГчних напруг
аж до 2108 Па на величину п'езомодуля i п'езозаряду пластини ЧЕ з рiзних ПКМ i встановлено, що прийнятна для ПГ стабшь-HicTb п'езозаряду в межах до 10 % забезпечу-еться тiльки у ПКМ (цирконат-титанат-свинцю) ПКР-78. У iнших ПКМ зменшення п'езозаряду досягае 50 %. Ясно, що не враху-вання фактора старшня i перебудови домен-но'' структури пiд дiею механiчноi напруги знижуе вiрогiднiсть пiдтвердження результата згаданих вище зарубiжних дослiджень.
1ншим важливим параметром, що мае особ-ливе значення для будь-яких ПГ, е масштаб-ний фактор. Перехщ вiд мiкророзмiрних (microscale) ПЕ (10-3 м), на базi яких створеш мiкроелектромеханiчнi системи з досить ви-соким ККД, до нанорозмiрних (10-9 м) систем, що дозволяе шдвищити ККД, за деяки-ми лггературними даними [20, 21], на два, а то i на три порядки. Цей напрям почали активно розвивати за кордоном у зв'язку з можливютю застосування нанорозмiрних ЧЕ ПГ для телефошв стшьникового зв'язку, смартфошв та плеерiв [4, 16].
Дослщження характеристик трьох тишв кан-тiльоверних ПГ на згинальних коливаннях, у яких розмiри ПЕ i пiдкладок вiдрiзняються на швпорядку, показали плiднiсть обговорю-ваного пщходу до розробки п'езонакопи-чувачiв енергп [4]. У всякому разi вихщна на-пруга малорозмiрного ПГ (довжина компози-тноi пiдкладки - 0,035 м, ii ширина - 0,005 м i товщина - 0,0004 м) перевищуе 1,4 В.
Long Que з Louisiana Tech University запро-понували схему пбридного МкПГ [4], в яко-му п'езозаряд накопичуеться за рахунок як деформаци ПЕ, так i нагрiвання наноплiвки сонячними променями (рис. 9).
Рис. 9. Схема принципова пбридного мк-роп' езогенератора
В [4] не наведено техшчних характеристик цього пристрою, але перспективнють тако'' схеми щлком можлива.
Висновки
Проведено дослщження властивостей п'езо-електричних речовин та аналiз можливостей ix застосування як джерел електрично'' енергп. Докладно розглянуто характеристики властивостей п'езоелектричних речовин та наведено основш аналггичш спiввiдношення для ix розрахунку. Розглянуто та дослiджено п'езокерамiчнi елементи як перетворювачi енергп з наведенням основних схем !х застосування. Подано схеми виконання та застосування п'езоелемента (п'езогенераторiв) для систем та пристро'в генерацп електрично! енергп. Наведено короткий аналiз результатiв дослщжень п'езогенераторних накопичувачiв енергп та !х властивостей, що не претендуе на повне висвгглення цiеi проблематики, а е введенням у комплекс завдань, що повинш защкавити фаxiвцiв у данш галузi науки i техшки.
Лiтература
1. Про схвалення Енергетично'' стратеги Укра'ни на перiод до 2035 року «Безпе-ка, енергоефективнють, конкурентосп-роможнють»: розпорядження КМУ. № 605-р - редакцiя вiд 18.08.2017, Ки'в, 2017.
2. Бедрiй Я. I. Основи екологп та охорона навколишнього середовища: навчальний поабник / Я. I. Бедрш- К.: ЦУЛ, 2002. -248 с.
3. Нова полiтика енергетично'' незалежнос-тi (Витяг з програми Кабшету Мiнiстрiв Укра'ни) // Матерiали сайта. - 2014. -Режим доступу: http: //www.energoatom. kiev.ua/ua/press/presentations/40826-nova_poltika_energetichno_nezalejnost_vit yag_z_programi_kabnetu_mnstrv_ukrani/.
4. Пьезогенераторы - новое перспективное направление малой энергетики // Мате-рiали сайта. - 2017. - Режим доступу: http://metrology-spb. ru/B iblioteka/ Pezogeneratory_novoe_perspektivnoe_napr avlenie_maloy_ jenergetiki.
5. Жуков С.Н. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение / С.Н. Жуков. - Минск: ФУАинформ, 2003. - 112 с.
6. О пьезокерамике и перспективах ее применения // Матерiали сайта. - 2017. -Режим доступу: http: //kazus.ru/ articles/ 368.html.
7. ПЭ // Матерiали сайта. - 2017. - Режим доступу: http: // engineering-solutions.ru/ ultrasound/piezomaterials/.
8. Кучерук I. М. Загальний курс фiзики: у трьох томах. Т.2. Електрика i магнетизм / I. М. Кучерук, I. Т. Горбачук, П. П. Лу-цик. - 2-е вид., випр. - К. : Техшка, 2006.
- 452 с.
9. Jaffe B. Piezoelectric ceramics / B. Jaffe, W. R. Cook Jr and H. Jaffe. - London and New York: Academic Press. 1971. - 318 с.
10. Jan Tichy Fundamentals of Piezoelectric Sensorics / Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. - Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010. - 208 с.
11. David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover / David H. Johnson.
- PA, USA: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
12. Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms / Ranier Clement Tjiptoprodjo. -Saskatchewan, Canada: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005. - 200 с.
13. Пьезосистемы, INC // Матерiали сайта. -2017. - Режим доступу: http://piezo.com.
14. Инженерные решения // Матерiали сайта.
- 2017. - Режим доступу: http:// engineering-solutions.ru/ultrasound/ piezomaterials/.
15. Панич А.Е. Перспективные конструкции и технологии создания гибких зеркал для адаптивных оптических систем / А.Е. Панич, А.И. Сокалло, Е.А. Гришин и др. // Микросистемная техника. - 2002.
- №4. - С. 60-64.
16. Proc. 7th Brazilian Conf. on Dynamics, Control and Applications. «Dincon 2008» // Матерiали сайта. - 2017. - Режим доступу: www.dem.feis.unesp.br/.
17. Стельки - пьезогенераторы // Матерiали сайта. - 2015. - Режим доступу: http://www.mobipower.ru/modules.php?na me=News&file=article&sid=562.
18. JR East Starts Test of Floor Able to Generate Power with Weight Applied by Passengers Going Through Ticket Gate // Матерiали сайта. - 2015. - Режим доступу: http: //techon.nikkeibp.co.jp/english/ NEWS_EN/20061017/122345/.
19. ПГ - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность? // Матерiали сайта. - 2015. - Режим доступу: http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html.
20. Sodano A.H. Power Harvesting Using Piezoelectric Materials / A.H. Sodano //
Technical Digest PowerMEMS 2007 (Freiburg, Germany, 28-29 November 2007). - 2008. - C. 39-44.
21. Jeon Y.B. MEMS power generator with transverse mode thin film PZT / Y.B. Jeon // Sensors and Actuators A: Physical. -2005. - T. 122, №. 1. - C. 16-22.
22. Akopyan V.A. Definition of constants for piezoceramic materials / V.A. Akopyan. -Nova Science Pub Incorporated, 2010. -205 c.
References
1. Rozporjadzhennja KMU. Pro shvalennja Energetychnoi' strategii' Ukrai'ny na period do 2035 r. [On approving the Energy Strategy of Ukraine for the period up to 2035] Bezpeka, energoefektyvnist', konku-rentospromozhnist', no. 605. redakcija vid 18.08.2017.
2. Bedrij Ja. I. Osnovy ekologii' ta ohorona navkolyshn'ogo seredovyshha [Fundamentals of Ecology and Environmental Protection] Navchal'nyj posibnyk. Kyiv, CUL Publ., 2002. 248 p.
3. Nova polityka energetychnoi' nezalezhnosti (Vytjag z programy Kabinetu Ministriv Ukrai'ny) [The new policy of energy independence (Excerpt from the program of the Cabinet of Ministers of Ukraine)]. Available at: http: //www.energoatom. kiev.ua/ua/press/presentations/40826-nova_poltika_
energetichno_nezalejnost_vityag_z_progra mi_kabnetu_mnstrv_ukrani/ (accessed 20 September 2017).
4. P'ezogeneratory - novoe perspektivnoe napravlenie maloi energetiki [Piezo-generators - a new perspective direction of small-scale power engineering]. Available at: http://metrology-spb.ru/Biblioteka/ Pezogeneratory_novoe_perspektivnoe_napr avlenie_maloy_ jenergetiki (accessed 20 September 2017).
5. Zhukov S.N. P'ezoelektricheskaia kera-mika: printsipy i primenenie. [Piezoelectric ceramics: principles and applications]. Minsk, FUAinform Publ., 2003. 112 p.
6. O p'ezokeramike i perspektivakh ee primeneniia [About piezoceramics and prospects of its application]. Available at: http://kazus.ru/articles/368.html (accessed 20 September 2017).
7. P'ezoelement [Piezoelement]. Available at: http://engineering-solutions.ru/ultrasound/
piezomaterials/ (accessed 9 September 2017).
8. Kucheruk I.M., Gorbachuk I.T., Lucyk P.P. Zagal'nyj kurs fizyky: U tr'oh tomah. T.2. Elektryka i magnetyzm 2-ge vyd., vypr. [General physics course: Three volumes. Vol. 2. Electricity and magnetism 2nd ed., Vers.]. Kyiv, Tehnika Publ., 2006. 452 p.
9. Jaffe B., Cook W. R. Jr and Jaffe H. Piezoelectric ceramics. London and New York: Academic Press. 1971. 318 p.
10. Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics. Heidelberg, Dordrecht, London, New York, Springer, 2010. 208 c.
11. David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover. PA, USA, Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
12. Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms. - Saskatchewan, Canada, University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005, 200 p.
13. P'ezosistemy, INC. [Piezoelectric systems].
2017. Avialable at.: http://piezo.com.
14. Inzhenernye resheniia [Engineering Solutions]. Available at: http://engineering-solutions.ru/ ultrasound/piezomaterials/ (accessed 20 September 2017).
15. Panich A.E., Sokallo A.I., Grishin E.A. i dr. Perspektivnye konstruktsii i tekhnologii sozdaniia gibkikh zerkal dlia adaptivnykh opticheskikh sistem [Perspective designs and technologies for creating flexible mirrors for adaptive optical systems].
Mikrosistemnaia tekhnika. 2002. no. 4. pp.60-64.
16. Proc. 7th Brazilian Conf. on Dynamics, Control and Applications. «Dincon 2008». Available at: www.dem.feis.unesp.br/ (accessed 20 September 2017).
17. Stel'ki - p'ezogeneratory [Insole - piezo-generators]. Available at: http: // www. mobipower.ru/modules.php?name=News&f ile=article&sid=562 (accessed 20 September 2017).
18. JR East Starts Test of Floor Able to Generate Power with Weight Applied by Passengers Going Through Ticket Gate. Available at: http://techon.nikkeibp.co.jp/ english/NEWS_EN/20061017/122345/ (accessed 5 August 2017).
19. PG - novye istochniki elektroenergii. Fantazii ili real'nost'? [PG - new sources of electricity. Fantasy or reality?]. Available at: http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html (accessed 29 August 2017).
20. Sodano A.H. Power Harvesting Using Piezoelectric Materials. Technical Digest PowerMEMS 2007 (Freiburg, Germany, 28-29 November 2007). 2008. pp. 39-44.
21. Jeon Y.B. MEMS power generator with transverse mode thin film PZT. Sensors and Actuators A: Physical. 2005. vol. 122. no. 1. pp. 16-22.
22. Akopyan V.A. Definition of constants for piezoceramic materials. Nova Science Pub Incorporated, 2010. 204 p.
Рецензент: О.Я. Ншонов, професор, д.т.н.,
ХНАДУ.
