Статья:

ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Конференция: XX Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: 19. Энергетика

Выходные данные
Лаврик А.Ю., Слызченко С.А. ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 1(20). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_social/1(20).pdf (дата обращения: 14.12.2024)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Лаврик Александр Юрьевич
студент Национального минерального университета «Горный», РФ, г. Санкт-Петербург
Слызченко Сергей Александрович
студент Национального минерального университета «Горный», РФ, г. Санкт-Петербург
Яковлева Эмилия Владимировна
научный руководитель, канд. техн. наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный», РФ, г. Санкт-Петербург
 

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.