Учебно-исследовательский проект "Пьезогенераторы - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ЦЕНТР ОБРАЗОВАНИЯ г.ПЕВЕК»

Учебно-исследовательский проект

Пьезогенераторы - новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?

Автор работы:

ученица10 класса

Плотникова Марина

Руководитель:

учитель физики

Вигантс Яна Валентиновна.

Певек

2018

Оглавление

Введение 2

Актуальность проблемы 2

1.Теоретическая часть:

1.1. Что такое пьезоэлектрический эффект? 2

1.2. Виды пьезоэлектрического эффекта 3

1.3. Пьезоэлектрические материалы 4

1.4. Пьезоэлектрические устройства 4

1.5. Практическое использование 6

2.Практическая часть:

2.1

3. Рекомендации.

4. Заключение

6. Используемые ресурсы

7.Приложения.

Введение.

«Никакой вид энергии не обходится так дорого, как её недостаток». Гоми Баба.

Актуальность проблемы.

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни.

Энергетический кризис – явление, возникающее, когда спрос на энергоносители значительно выше их предложения.

Человек всегда будет стремиться обладать как можно большим количеством энергии, обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получать энергию во всевозрастающих объемах. Быстро растущая доля и важность возобновляемых источников вызывают появление новых технологий в производстве энергии.

Одна из таких экологичных технологий получения энергии — пьезоэлектрические напольные покрытия.

Объект исследования:альтернативный источник энергии – пьезогенератор.

Предмет исследования:виды, а также способы применения пьезогенераторов на практике. Суть пьезо эффекта.

Гипотеза: Пьезогенераторы могут стать новым источником энергии. Возможно, это более выгодно, чем существующие способы получения энергии.

Цель исследования: рассмотреть пьезогенераторы как альтернативный источник энергии, все преимущества и недостатки. Пропаганда разумного энергопотребления.

Для достижения поставленной цели мы поставили перед собой следующие задачи:

• По литературным и прочим источникам изучить историю открытия пьезоэффекта.

• Изучить суть этого эффекта.

• Изучить устройство приборов, работа которых основана на пьезоэффекте.

• Выявить положительные и отрицательные стороны использования пьезо генераторов как альтернативного источника электроэнергии.

• Провести исследование того, смогут ли пьезогенераторы быть выгоднее, чем нынешний способ получения электроэнергии, на примере МБОУ «Центр образования» г. Певек.

• Дать рекомендации по разумному использованию электроэнергии.

1.Теоретическая часть.

1.1.Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие.

1.2.Виды пьезоэлектрического эффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд (приложение №1).

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься (приложение №2).

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют в медицинских ультразвуковых и гидроакустических датчиках.

1.3.Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O₃. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO₃.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO₃. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическимкерамическим материалом.

Сегноэлектрики – это кристаллические полупроводники, обладающие в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией, которая существенно изменяется под влиянием внешних воздействий. Поляризация – процессы и состояния, связанные с разделением каких-либо объектов, возникшие при отсутствии внешнего электрического поля.

1.4.Пьезоэлектрические устройства

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта.Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту.

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник (приложение №3).

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение (приложение №4).

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезодрайверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения (приложение №5).

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

1.5.Практическое использование

Созданы экспериментальные установки, которые позволяют получать электроэнергию за счет использования кинетической энергии. Есть идеи в ближайшем будущем создать специальные "зеленые тренажерные залы", в которых группа спортивных тренажерных велосипедов сможет, по словам производителей, генерировать до 3,6 мегаватт возобновляемой электроэнергии в год.

Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов.Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.

В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и ...продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».

Кто производит пьезопокрытия

Несколько корпораций по всему миру уже объявили о разработке и выпуске первых элементов пьезоэлектрического покрытия. Вот примеры некоторых ведущих производителей:

PavegenSystems– разработчик, который продвинулся в создании "умных напольных плит" дальше всех. Одна плитка Pavegen генерирует 4 Вт энергии при каждом шаге. 12 плиток, установленных на лондонской станции метро Вест-Хэм, за день вырабатывают столько электроэнергии, что ее хватает для освещения станции на протяжении ночи. Пьезоплитки этой компании установлены более чем в 30 странах мира. Производитель надеется, что революционный, экологически чистый продукт в дальнейшем будет внедряться более активно, существенно сокращая выбросы в атмосферу углекислого газа, а также повышая энергоэффективность больших городов по всему миру. Лондонские власти уже применяют свое ноу-хау в школах и на вокзалах, где плитка является источником электроэнергии для светодиодных ламп. 

Veranu – этот итальянский производитель выпускает плитку SmartEnergyFloor (SEF), которая изготавливается из особого чувствительного пластика. Ее конструкция предназначена для "скрытой" установки и интеграции "в пол". Пластик получается экологически чистым, простым в обслуживании и переработке;

EnergyFloors – здесь производят одни из самых "чувствительных" плит, встраиваемых в танцпол. Когда на них наступает человек весом 80 кг, плита прогибается на 10 мм, генерируя 15-25 Вт электроэнергии. Правда, некоторые независимые ресурсы не считают эту плитку пьезогенератором в чистом виде.

От энергетического танцполаEnergyFloor можно обеспечивать электричеством акустические, а также световые устройства. Конечно, мощные аудиоколонки танцующие люди запитать не смогут, но вот светодиодную систему освещения ночного клуба – вполне.

Каждый пол EnergyFloor состоит из отдельных ячеек, а потому может быть адаптирован производителем под любые размеры танцпола в заведении. Первый такой пол был собран в ночном клубе TempleNightClub в американском городе Сан-Франциско несколько месяцев назад, и опыт его эксплуатации за это время показал, что подобная установка может заметно экономить энергетические расходы в подобном заведении.

Российский аналог

В России теперь есть аналогичное изобретение. Профессор Тимофей Лупейко разработал прибор, способный от низкочастотной вибрации вырабатывать электроэнергию мощностью до десятой ватта за одну генерацию. До этого речь шла о милливаттах. Дело в том, что пьезощагогенератор работает на основе созданного в университете нового пьезоактивного материала. Это мини-прорыв к превращению в электроэнергию движения проезжающих автомашин и пешеходов.

Теперь задача ученых в том, чтобы, используя новый способ пьезогенерации, суметь адаптировать нагрузку, равную весу человека и транспорта, для чего необходимо скомпоновать в единый блок большое число элементов и добиться, чтобы они работали как одно целое. Сам элемент похож на пятирублевую монету. Это шаг к разработке пьезогенераторов, способных превращать в электроэнергию движение пешеходов и проезжающих автомашин, генераторов, имеющих большой срок службы и способных вырабатывать, например, альтернативную энергию для освещения труднодоступной местности. Пьезошагогенератор по сути превращает вибрацию в электроэнергию.

— Вибрация так же всеобща, как температура. Частички вируса, например, находятся в тепловом движении, его интенсивность и есть их температура. Движение, аналогичное тепловому, на макроуровне — вибрация, вибрирует все: транспорт, здания, станки. Человеческий шаг — 1 цикл вибрации. В Израиле уже пробовали встраивать под дорожное полотно пьезоэлементы. Они говорят, что от движения транспорта можно получить до 20% всей потребляемой энергии в городе. Но пока это пробные эксперименты, есть проблемы с ограниченным сроком службы их преобразователей, да и стоимость такой энергии пока в 5−7 раз выше стоимости энергии, получаемой от ТЭЦ, — рассказал профессор.

Изобретение пьезошагогенератора — шаг в будущее. Такие приборы будут вырабатывать электроэнергию для освещения улиц города Ростова-на-Дону,где сейчас трудится профессор. Однако пока мощность этой машины мала. Профессор намерен ее увеличить, однако пока это остается в «секрете изобретателя».

«Умные полы»

Пьезополы были разработаны для того, чтобы расходовать энергию, получаемую "из воздуха" (а точнее, преобразуя кинетическую энергию в электрическую). И направлять ее туда, где она действительно необходима. При этом, что интересно, количество и скорость выработки электричества будут зависеть от параметров человека – веса, скорости и интенсивности ходьбы. Иными словами, атлет весом 100 кг, который несколько раз пробежит по такому покрытию, сможет выработать максимальное количество энергии.

Сейчас ученые разрабатывают гибкие и прочные материалы, которые будут производить максимум энергии.

Устанавливать пьезоэлектрические полы целесообразно в местах с интенсивным пешеходным движением. Это могут быть популярные экскурсионные "тропы", залы торговых центров, школы, больницы, аэропорты, университеты, танцевальные залы и т.д. В будущем генерирующие электричество покрытия смогут прокладывать на автострадах, паркингах и стоянках, ведь масса автомобиля в любом случае больше массы человека, поэтому и количество вырабатываемой энергии будет больше.

Со временем умные полы придут на замену традиционному ламинату и линолеуму.

Полезные стельки

Ресурсоэффективная стелька с подогревом PowerInsole 2.0, разработанная студентом Томского политехнического университета (ТПУ), не только не даст замерзнуть ногам зимой, но и зарядят мобильный телефон. Стелька заряжается при ходьбе, от энергии своего владельца. Такая инновация удобна для полярников, туристов, вахтовиков, работающих в экстремальных условиях.

«Такая стелька окажется полезна для людей, работающих в условиях Крайнего Севера. Им приходится много времени проводить на открытом воздухе, что может негативно сказаться на их здоровье»,— рассказывает автор разработки, студент Энергетического института (ЭНИН) Томского политехнического университета (ТПУ) Николай Волохов, дополнительно обучающийся по системе элитного технического образования вуза, в рамках которой реализует свой проект.

«Известно, что человек, сам по себе, является источником большого количества энергии. Испытания работы данной схемы показали, что в среднем за 40 — 50 минут ходьбы наше тело выделяет примерно 400 мАч(миллиампер-час — единица измерения емкости аккумуляторных батарей). Это достаточно приличный объем энергии», — отмечает студент.

От энергии тела человека устройство заряжается, благодаря пьезоэлементам, которыми оно оснащено. Пьезоэлементы реагируют на давление ноги, возникающее в тот момент, когда человек делает шаг. Устройство «снимает» с ноги человека возникающую в результате давления нагрузку. Таким образом, мы получаем свою же энергию назад в виде тепла.

«Особенностью пьезогенераторов является способность выдавать относительно большое напряжение при малом токе, что и делает нашу стельку ресурсоэффективной», — говорит студент. — Кроме того, опытнымпьезоэлементы расположили на тех участках стельки, где они вырабатывают наибольшее количество энергии" (приложение №8).

Первый опытный прототип ресурсоэффективной стельки в настоящее время уже создан. Сейчас студент работает над созданием второго, более усовершенствованного образца.

Устройство политехников недорогое и ресурсоэффективное. Элементы питания размещены внутри стельки и носить их в кармане не нужно.

Управлять работой и осуществлять контроль заряда устройства можно будет с помощью специального приложения в смартфоне. Это позволит отказаться от ношения дополнительных устройств и пультов, легче управлять работой стельки, благодаря удобному и понятному интерфейсу.

Пользователь сможет самостоятельно настраивать устройство в зависимости от своих текущих потребностей. Использование распространенного и популярного стандарта индуктивной беспроводной зарядки Qi позволяет отказаться и от неудобной потребности извлекать стельки из обуви.

«Накопление энергии во внутреннем аккумуляторе с помощью пьезогенераторов дает устройству дополнительную автономность посредством накопления электроэнергии в стельке, которая вырабатывается в ней при ходьбе, что позволят отказаться от ежедневной зарядки, а при умеренном использовании и от зарядки вообще, — говорит Николай. — Экономя расход энергии, мы решаем еще одну важную проблему для людей, работающих в экстремальных условиях — проблему подзарядки мобильного телефона. Той энергии, которую вырабатывают пьезоэлементы, хватит и на то, чтобы поддерживать тепло в обуви, и на то, чтобы зарядить мобильный телефон. Устройство будет оснащено универсальным кабелем для подзарядки».

От зажигалок перейдем к задаче получения энергии в промышленных масштабах

Пусть будут использованы наиболее эффективные элементы, генерирующие 10 милливатт на элемент. Собранные в кластеры (группы) по 100-200 элементов, они помещаются под полотно дороги. Тогда для получения заявленной величины мощности порядка 1 МВт на километр дороги потребуется всего... 100 миллионов отдельных элементов с индивидуальными схемами съема энергии. Остается еще задача ее суммирования, преобразования и передачи потребителю. При этом токи элементов, учитывая изменяющуюся нагрузку на дорожное полотно, будут лежать в диапазоне нано или даже пикоампер.(нано – 10^-9, пико – 10^-12)

Знакомясь с подобными проектами получения энергии от пьезоэффекта, невольно напрашивается аналогия с гидроэлектростанцией, в которой турбины работают от влаги утренней росы, бережно собранной с окрестных полей.

2. Практическая часть

2.1. Расчеты

Стоимость 1 плитки фирмы PavegenSystemsсоставляет 70-80 $.

24 плитки занимают 5 м²

Мы сделали расчеты для коридора на входе в столовую:

Площадь этого «коврика» составила бы 2,5 м², для покрытия которого необходимо 12 плиток общей стоимостью примерно 1000$. Каждый человек делает примерно 16 шагов в день по этому пространству, средняя длина шага около 0,6 м. За каждый шаг вырабатывается примерно 4 Вт·с энергии. Для 600 человек вырабатывается столько энергии:

600 чел * 16 шагов * 4 Вт·с = 38400 Дж

38400 / 1000 / 3600 = 0, 011 кВт·ч = 11 Вт·ч

Выводы

Этого количества, конечно, не хватит для того, чтобы сэкономить много денег, ведь неизвестно, когда это может окупиться и окупится ли вообще. Но этой энергии достаточно для того, что в небольшом подсобном помещении целый час горела лампочка.

3. Рекомендации

Если говорить о применении пьезоплитки в нашей школе, то наиболее целесообразной будет ее установка в коридорах начальной школы, ведь ее ученики могут набегать за перемену столько энергии, что ее хватит на освещение этого же коридора. Впрочем, и более старшие классы тоже иногда могут набегать достаточное количество энергии для освещения.

Наша школа заботится о сбережении электроэнергии, ведь у нас установлены люминесцентные и энергосберегающие лампы. Но электричество можно беречь еще больше.

Например, если установить датчики движения в туалетах. Как показывает опыт, существенную экономию электроэнергии в зданиях позволяет достичь установка комплексного автоматизированного контроля и управления системами электроосвещения.

В дежурном режиме многие электроприборы потребляют большое количество энергии. Поэтому, уходя на длительный срок или на ночь, аппаратуру рекомендуют отключать совсем.

«Уходя, гасите свет» - это стоит делать только в том случае, если вы уходите более чем на 10-15 минут. Дело в том, что лампы перегорают именно в момент включения. А на изготовление новой лампы требуется гораздо больше энергии, чем вы сэкономите, часто выключая ее на короткое время.

Необходимо также периодически чистить лампы от пыли и грязи, снижать уровень освещенности в коридорах и туалетах.

И необходимо помнить: гораздо лучше сэкономить одну единицу энергии, чем создать новую. Сберегая энергию дома или в школе, мы сокращаем потери энергии при ее транспортировке и производстве

3. Заключение

В ходе исследования мы частично опровергли гипотезу. Пьезогенераторы уже сейчас вполне успешно применяются как источник энергии, но вырабатывают ее в небольшом количестве и локально. На данный момент они не могут стать единственным источником энергии в промышленных масштабах, но могут являться отличным дополнением. Активно продолжается улучшение эффективности пьезопокрытий.

Тонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие мегаватты электроэнергии, которой хватает для целых городов и поселков.

Фантастика? К сожалению, пока да. Но сейчас это направление активно разрабатывается.

4. Используемые ресурсы:

http://elenergi.ru/chto-takoe-pezoelektricheskij-effekt.html

http://yug.svpressa.ru/society/article/97182/

https://sdelanounas.ru/blogs/65728

http://www.keramogranit.ru/news.energogeneriruyushchaya-plitka-pavegen-na-parizhskom-marafone-2013.html

http://www.innoros.ru/news/foreign/16/05/umnaya-plitka-ot-pavegen-sposobnaya-vyrabatyvat-elektroenergiyu

http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html

http://www.novate.ru/blogs/030513/22960/

http://altenergiya.ru/novosti/piezoelectric-flooring.ht

http://yug.svpressa.ru/society/article/97182/

https://sdelanounas.ru/blogs/65728

http://yug.svpressa.ru/society/article/97182/

Приложение №1.

Прямой пьезоэлектрический эффект.

Приложение № 2.

Обратный пьезоэлектрический эффект.

Приложение №3.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора.

Приложение №4.

Работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта.

Приложение №5.

Блок-схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера.

Приложение №6