МЕТОД  ГЕНЕРАЦИИ  ЭЛЕКТРИЧЕСТВА  С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ  ПЛАСТИН

Сейдагалиев  Марат  Какимжанович

Генаев  Роман  Владимирович

студенты  4  курса  кафедра  «Конструкция  и  испытания  летательных  аппаратов»  филиала  «Восход»  МАИ, 
РФ,  г.  Байконур

E  -mail:  mkc9494@gmail.com

Абильдаева  Кенжегуль  Жалгасбаевна

научный  руководитель,  старший  преподаватель  кафедры  Б11  –  «Конструкция  и  испытание  летательных  аппаратов»  филиала  «Восход»  МАИ, 
РФ,  г.  Байконур

При  механических  деформациях  кристаллов  некоторых  диэлектриков  на  гранях  кристаллов  возникают  электрические  заряды,  а  внутри  кристаллов  создается  электрическое  поле,  это  явление  называется  пьезоэлектрическим  эффектом.  Пьезоэффект  бывает  двух  типов:  прямой,  в  котором  механическая  энергия  преобразуется  в  электрическую,  и  обратный,  в  котором  электрическая  энергия  преобразуется  в  механическую.  Связь  между  приложенной  силой  и  результирующим  ответом  пьезоэлемента  зависит  от:  пьезоэлектрических  свойств  пьезокерамики,  размера  и  форм  образца,  направления  электрического  и  механического  возбуждения.  Вещества,  в  которых  возникает  пьезоэлектрический  эффект  называют  пьезоэлектриками  [2,  с.  156].

В  отличие  от  конденсатора,  заряды  пьезоэлемента  сохраняются,  лишь  пока  на  них  механически  воздействуют,  и  они  исчезают  после  снятия  нагрузки.  То  есть  пьезоэлемент  –  источник  тока  ничтожной  величины,  однако  при  этом  с  колоссальным  внутренним  сопротивлением.

Рассмотрим  процесс  более  подробно.

Определимся  что  растяжение  и  сжатие  пьезоэлемента  происходит  по  толщине  (Рисунок  1).

Рисунок  1.  Схема  сжатия,  растяжения

Выбор  моды  колебания  имеет  большое  значение,  так  как  именно  от  нее  зависит  один  из  главных  показателей  пьезоэлемента  –  коэффициент  электромеханической  связи  [1,  с.  200].  Квадрат  коэффициента  электромеханической  связи  определяется  как  отношение  накопленной  и  преобразованной  энергии  одного  вида  (механической  или  электрической)  к  входной  энергии  второго  вида  (электрической  или  механической):

  (1)

где:  k_p  –  коэффициент  электромеханической  связи

  –  механическая  энергия

  –  электрическая  энергия

Индекс  «p»  показывает  относительные  направления  электрических  и  механических  величин  и  вид  колебаний  [3,  с.  106]

Механическая  энергия  представляет  из  себя  работу  по  деформации  пьезоэлектрической  пластины  и  определяется  выражением: 

  (2)

где:  –  работа  по  деформации  пьезоэлектрической  пластины

  –  сила,  оказываемая  телом  на  пластину

  –  абсолютное  удлинение

Закон  Гука  гласит:

  (3)

где:    –  механическое  напряжение

S  –  площадь  пластины

E  –  Модуль  Юнга

  –  относительное  удлинение 

  –  толщина  пластины  до  деформации

  –  толщина  пластины  после  деформации

Найдем  величину  механической  энергии  используя  выражения  (2)  и  (3)

  (4)

Вырабатываемая  пластиной  электрическая  энергия  определяется  выражением:

  (5)

Как  видно  из  выражения  (5),  эффективность  пьезоэлемента  зависит  от  свойств  кристалла,  величины  прикладываемой  нагрузки,  толщины  и  площади.  Как  следствие  эффективность  пьезоэлектрического  генератора  можно  увеличить,  подбирая  оптимальные  материалы,  снижая  контактную  площадь  использовав  устройство  концентрирующее  нагрузку.

Определение  толщины  будет  производиться  в  зависимости  от  эксплуатационных  свойств  материала.

Предлагается  использовать  пьезоэлектрический  эффект  для  генерации  электричества.  В  роли  генератора  будет  выступать  пьезостек,  объединяющий  несколько  пьезолементов,  конструктивно  представляющих  из  себя  пьезокерамику  с  нанесенными  электродами.  При  проектировании  пьезостеков  необходимо  будет  обеспечить  защиту  от  пыли,  мелкого  мусора  и  влаги.

Генерация  электричества  будет  происходить  в  результате  механического  воздействия  на  пьзостек.  Пьзостеки  в  свою  очередь,  можно  использовать  в  качестве  дорожного  покрытия,  железнодорожного  полотна  или  даже  тротуаров.  Генерируемый  ток  можно  будет  использовать  для  подпитки  придорожной  инфраструктуры,  дорожного  освещения  и  т.  д.

Произведем  примерный  расчет  генератора  с  концентратором  нагрузки  (1/10),  задавшись  следующими  параметрами:

Материал  ЦТС-19;  коэффициент  электромеханической  связи,  k_p=0,55;  средний  вес  автомобиля,  F=20  кН;  общая  длина  пьезостека,  l=0,5  м;  средняя  скорость  автомобиля,  ϑ=60  км/ч;  средняя  контактная  площадь  колес  автомобиля,  S=0,092  м²;  модуль  Юнга,  E=0,7  *10¹¹  Па;  ширина  контактной  площадки  одного  колеса,  b=  0,05  м.

Вырабатываемая  энергия  пьезостеком,  согласно  выражению  (5):

Мощность  вырабатываемая  одной  машиной:

На  трассе  с  потоком  в  1000  машин  вырабатываемая  мощность  составит  31  кВт.  По  результатам  расчета  можно  сделать  вывод,  что  эффективность  пьезогенераторов  не  высокая,  это  во  многом  объясняется  большим  значением  модуля  упругости.  При  использовании  более  упругих  материалов,  что  в  перспективе  является  вполне  осуществимым,  вырабатываемая  мощность  может  увеличится  на  порядок.

Рассматриваемый  в  статье  метод  генерации  электричества  является  перспективным  и  достаточно  недорогим,  в  сравнении  с  другими  альтернативными  источниками  энергии.  Разработка  и  внедрение  подобных  генераторов  осуществима  повсеместно  в  короткие  сроки.

Список  литературы:

1. Крауткремер  Й.К,  Крауткремер  Г.К.  Ультразвуковой  контроль  материалов:  справочник.  –  М.:  Металлургия,  1991.  –  200  с.
2. Пьезоэлемент:  Инженерные  решения  [Электронный  ресурс].  –  Режим  доступа.  –  URL:  http://engineering-solutions.ru/ultrasound/piezomaterials/  (дата  обращения:  1.09.15)
3. Сивухин  Д.В.  Общий  курс  физики.  Т.  I.  Механика.  –  М.:1979.  –  156  с.
4. Ranier  Clement  Tjiptoprodjo.  On  a  Finite  Element  Approach  to  Modeling  of  Piezoelectric  Element  Driven  Compliant  Mechanisms.  –  Saskatchewan,  Canada.:  University  of  Saskatchewan  Saskatoon,  April  2005.  –  106  с.