АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ОБРАТНОГО ПЬЕЗОЭФФЕКТА

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает при воздействии механической силы на пьезоэлектрик. Она вызывает деформацию кристалла и вибрационные колебания в нём [1]. Во многом явление пьезоэффекта зависит от структуры кристаллической решетки материала. В промышленности в большинстве случаев используются резонаторы с кварцевой подложкой Si⁴⁺O^2-. Кремний по своей природе обладает лучшими поляризационными свойствами. Смещение атомов Si⁴⁺ и O^2- вдоль полярных осей молекулы приводит к образованию разноименных электрических зарядов.

Рисунок 1. Атомы кристалла кварца при растяжении и сжатии.

На рисунке 1 представлена схема растяжения-сжатия кристалла кварца [2]. Электрические заряды, возникающие в данном случае, на практике можно накапливать и за счёт этого осуществлять заряд литий-ионных аккумуляторов или переносных устройств.

Проверим данное предположение и выясним насколько эффективно и целесообразно использовать высвобождающуюся пьезоэнергию при деформации пластин кварца в качестве альтернативной системы выработки напряжения и тока, а также её аккумулирования для питания маломощных устройств.

Принцип работы заключается в размещении пьезопластины на участках, где воздействие механической силы наиболее максимально. Это будет приводить к деформации кристалла и генерации некоторого количества заряда. Таким образом будет происходить преобразование механической силы в электрический заряд в линейном соотношении. Блок-схема экспериментального устройства представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Блок-схема преобразующего устройства

Главной задающей частью устройства является стандартная и легкодоступная кварцевая звуковая пьезопластина. Для улучшения выходных характеристик напряжения соединим пьезоэлементы последовательно.

Рисунок 3. Дискообразные пьезопластины с последовательным соединением.

Максимальное пиковое переменное напряжение будет вырабатываться когда частота резонанса пластины будет совпадать с частотой цикличной деформации. Предполагается физическое воздействие на пьезоэлемнт во время ходьбы или бега, предварительно расположив пьезорезонатор в области пятки под стелькой. Один пьезоэлемент при частоте деформации 3-5 Гц  генерирует напряжение в среднем 5-6 В. Переменное напряжение пьезоэлемента выпрямляется с помощью диодов Шоттки с низким прямым напряжением и малыми токами утечки соединенных в мостовую схему. Таким путем вырабатывается сравнительно малое количество энергии, для её поднакопления используем ёмкостный ионистор с рабочим напряжением 5 В. Для стабилизации выходного напряжения схема дополнена повышающим DC/DC преобразователем.

Изначально для визуальной оценки работоспособности схема состояла из пьезорезонатора, емкостного элемента и светодиода. По интенсивности свечения светодиода визуально оцениваем вырабатываемую силу тока. Данная конструкция не позволяет получить необходимое напряжение и ток из-за импульсного характера получаемого напряжения, но благодаря ей убедились в работоспособности метода.

Рисунок 4. Проверочная схема состоящая из пьезоэлемента, конденсатора и светодиода. Измерение напряжения после выпрямительного диодного моста.

В итоговой экспериментальной сборке показатели тока и напряжения соответствуют поставленной задаче. При умеренном приложенном усилии, напряжение одного пьезоэлемента стабильно на уровне 2,3-2,5 В. Измерения проводились на выводах электролитического конденсатора, после выпрямительного моста.

Выпрямляя, стабилизируя и повышая входное напряжение добиваемся необходимых вольт-амперных характеристик на выходе схемы (рисунок 5).

Рисунок 5. Составные компоненты экспериментального устройства.

Связь DC/DC преобразователя с аккумулятором осуществляется через драйвер зарядки литий-ионного аккумулятора. На выходе ток 30 мА/час и напряжение в 4 В, этого будет достаточно для заряда аккумулятора емкостью 200 мА/час. Приблизительное время активной ходьбы для 90 % заряда данного аккумулятора около 3,5-4 часов. При более активных нагрузках частота воздействия на пьезоэлемент возрастет, что соответсвенно повысит выходные параметры и сократит  время накопления энергии.  Важно учитывать частоту собственного резонанса при выборе пьезоэлектрической пластины, чем она меньше, тем больше эффективность преобразования деформации в электричество при рассматриваемых условиях использования. Игнорируя данное замечание работоспособность схемы будет минимальна, если не нулевая. Часть вырабатываемого  пьезоэлементом тока расходуется на питание остальных частей схемы в итоге для заряда аккумулятора будет недостаточно ни тока ни напряжения. Данное устройство может быть легко дополнено и усовершенствовано. Учитывая среднюю емкость аккумуляторов современных носимых устройств, и выходные характеристики тока и напряжения при рассматриваемом способе генерации, предложено использовать иной источник тока, также встраиваемый в элементы обуви или одежды в точках максимальных векторных усилий. Предложенный способ будет рассмотрен в следующей статье.

Список литературы:

1. Пьезоэлектрический эффект//Википедия. [Электронный ресурс]-Режим доступа. -URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пьезоэлектрический _эффект
2. Пьезоэффект//Все о геологии. [Электронный ресурс]-Режим доступа. -URL: http://wiki.web.ru/wiki/Пьезоэффект