ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

В последнее время возникает острая необходимость поиска, разработки и применения новых технических комплексов, аппаратов и устройств, которые способны либо генерировать электрическую или тепловую энергию, используя возобновляемые источники энергии (ВИЭ), либо же в основу принципа работы которых заложены такие явления, как — фотоэлектрический, пьезоэлектрический и термоэлектрический эффекты. На сегодняшний день существует большая вариация автономных источников энергии на ВИЭ — солнечные и ветряные электростанции, набирает обороты развитие термоэлектрических генераторов — сегодня, КПД которых достигает от 3 до 8 % [2].

Стремительно развивающийся интерес к ВИЭ обусловлен ограниченным количеством природных ресурсов, значительными экономическими затратами на их поиск, разработку и эксплуатацию, загрязнением окружающей среды отходами выработки электрической энергии традиционным способом, вероятностью происхождения техногенных катастроф, а также многими другими социально-экономическими факторами. Поэтому, в данной статье будет рассмотрен актуальный вопрос возможности применения пьезоэлектрических материалов для выработки электрической энергии малой мощности.

Пьезоэлектрический эффект (прямой) — это явление выработки электрической энергии под действием механических напряжений. Поляризация диэлектрика, а, следовательно, и генерация напряжения между поверхностями деформируемого тела, может возникать под действием различных сил — давление шин автомобилей, едущих по автомагистралям, прохожих, идущих по тротуарам, от воздействия чего может производиться заряд аккумуляторов, которые могут в дальнейшем быть использованы для осветительных целей или для работы знаков дорожного движения. Также это явление широко используется в датчиках — силоизмерительных, давления жидкостей и газов, а также в качестве чувствительного элемента в микрофонах, сонарах и др. Таким образом, возникает возможность исследования более широкого диапазона применения данного явления.

В ходе работы было проведено исследование возможности выработки электрической энергии в пьезоэлектрическом материале под действием механической силы соударения жидких капель воды с поверхностью пьезоэлектрика [1]. Был произведен расчет для капель воды шести различных диаметров от 0,5 до 7 см, которые характерны для различных видов жидких осадков — морось, дождь, ливень. Расчеты были произведены на основании научного эксперимента группы французских учёных из Гренобля, произведенного в 2007 году [3]. На диаграмме, представленной на рисунке 1, приведены полученные при расчетах значений энергии, которой обладает капля дождя у поверхности Земли различного диаметра от 0,5 до 7 мм. Скорость капли у земной поверхности варьируется от 2—6 м/с до 30 м/с при сильном ливне. Расчеты показали, что в случае мелкой мороси каждая капля при ударе обладает энергией равной 0.13 мкДж. Как видно из графика, во время дождя, когда значение диаметра капли больше 3 мм, энергия, которой она обладает составляет многократно большее значение, что обусловлено кубической зависимостью массы капли от ее радиуса и квадратичной зависимостью энергии от скорости падения (для расчётов взята среднестатистическая скорость падения дождевых капель) — это 13,8 мДж при небольшом дожде и более 80 мДж при сильном ливне.

Рисунок 1. Зависимость энергии, которой обладает каплю воды, от ее диаметра; Зависимость скорости падения капли воды от ее массы и характера осадков

Для опыта применили тонкую узкую пластину длиной 10 см и шириной 25 мкм, изготовленную из поливинилденфторида (ПВДФ, фторопласт), над поверхностью которого были размещены специальные устройства способные регулировать параметры капель, тем самым моделирую реальные размеры и скорости их падения. Под механическим воздействием от соударения с пьезоэлектриком каждая капля сгенерировала от 1 нДж до 25 мкДж энергии. Это соответствует приблизительно 1 мкВт энергии для самых капель, с наименьшим диаметром, что достаточно для передачи 1 бит информации на расстояние 10 м по воздуху [3].

Таким образом, полученные результаты представляются возможным применить в следующей области. Возникает вероятность улучшения свойств фотоэлектрического модуля, по средствам совместного применения фотоэлектрического элемента и пьезоэлектрического материала. Известно, что установки, вырабатывающие электрическую энергию за счет преобразования энергии фотонов солнечного излучения, обладают следующим недостатком — снижение генерации энергии во время дождя из-за ослабления потока солнечного света, а также в ночной период из-за отсутствия излучения видимого спектра. Эти зависимости легли в основу исследований о возможности совместного использования фотоэлектрических элементов и пьезоэлектрических материалов.

В опыте французских ученых был использован поливинилденфторид (ПВДФ). Этот материал относится к классу фторопластов и имеет техническое название фторопласт-2 (Ф-2). Фторопласт представляет собой кристаллический полимер, из которого сегодня производят, помимо всего прочего, плёнки и пластины, обладающие свойствами пьезо- и пироэффекта.

Для условий совместно применения Ф-2 с солнечными элементами, наиболее целесообразным представляется материал Ф-2МЭ, который в отличие от других фторопластов обладает следующими свойствами:

1.  Набольшим значением прочности и твердости (90 — 114 МПа по Бринеллю);

2.  Стойкостью к ультрафиолетовому излучению;

3.  Широким диапазоном рабочих температур — от -60 до +135ºС;

4.  Большим значением пьезоэлектрического модуля.

Кроме того, материал Ф-2МЭ обладает хорошей способностью пропускать солнечный свет, может производиться в поляризованном виде, а также незначительной толщиной, которая составляет от 3 до 100 мкм. При совместном использовании необходимым условием является то, что проводящий материал, плотно прилегающий к плёнке с обеих сторон, также был прозрачным. Такие материалы существуют и используются в электронике. К таким материалам относится оксид индия (I) InO₂, оксид олова (IV) SnO₂.

Таким образом, представляется вероятность повысить КПД фотоэлектрического модуля за счет применения пьезоплёнки во время пасмурной погоды с осадками. Наименее эффективны в таких погодных условиях монокристаллические фотоэлектрические панели, и научные опыты с пьезоплёнкой необходимо начинать производить именно с ними.

В ходе исследования, было выявлено, что на территории Российской Федерации, существуют регионы, где применения данных установок является наиболее эффективным. Для этого был произведен анализ карт солнечного потенциала, карт выпадения осадков, а также климатических данных различных регионов. В результате было определено, что наиболее эффективно совместное использование энергии солнца и дождя на территории ряда областей Дальневосточного (Амурская область, Хабаровский, Забайкальский, Камчатский и Приморский края), Северо-Кавказского, Сибирского федеральных округов.

Список литературы:
1.    Использование пьезоматериалов для повышения эффективности малой генерации / Яковлева Э.В., Лаврик А.Ю. — Современные научные исследования и инновации 5—1(37), С. 58.
2.    Термоэлектрические источники альтернативного электропитания / Пётр Шостаковский — Компоненты и технологии № 12, 2010, С. 131—138.
3.    Gomm H. Making every shower an electric storm. / H. Gomm // New Scientist. — 2008 — 23.01.