Виробництво п’єзоелектричної енергії в Індії: емпіричне дослідження. П’єзоелектричні сонячні панелі

Недорогі, малопотужні п’єзоелектричні звукові сигнали будуть вбудовані.

Лабораторія реактивного руху NASA, Пасадена, Каліфорнія

Запропоновано вбудовувати п’єзоелектричні вібраційні приводи в конструктивні опори сонячних фотоелектричних панелей, щоб час від часу викликати вібрації в панелях з метою розпушення накопиченого пилу. За умови нахилу панелей, розпушений пил буде сповзати під власною вагою. Спочатку спрямована на запобігання затемненню фотоелектричних елементів пилом, що накопичується в марсіанському середовищі, пропозиція може також запропонувати варіант проектування сонячних фотоелектричних панелей для роботи без нагляду у віддалених місцях на Землі.

На малюнку зображена типова легка сонячна фотоелектрична панель, що складається з задньої решітки структурних лонжеронів, які підтримують тонкий лицьовий лист, який, в свою чергу, підтримує масив фотоелектричних елементів на лицьовій стороні. Конструкція задньої частини включає вузлові точки, де перетинаються кілька лонжеронів. Згідно з пропозицією, п’єзоелектричні зумери будуть прикріплені до вузлових точок. Процес проектування панелі буде ітеративним і включатиме комп’ютерне моделювання вібрацій за допомогою скінченно-елементного аналізу для вибору частоти коливань приводів і перерізу лонжеронів для максимального перемішування пилу.

Хоча основна концепція пропозиції є простим продовженням звичайної побутової практики прибирання, інженерна реалізація пропозиції не буде тривіальною. Нижче наведені деякі з інженерних питань, які необхідно вирішити:

  • Компактні, малопотужні, недорогі п’єзоелектричні зумери вже доступні у продажу. Вони можуть бути або не бути придатними для використання в якості п’єзоелектричних приводів для реалізації пропозиції. Оскільки типові комерційні зумери працюють в кілогерцовому діапазоні частот, а власні частоти коливань типових сонячних фотоелектричних панелей нижчі, може виникнути потреба у створенні більш низькочастотних п’єзоелектричних зумерів.
  • Може знадобитися накриття панелей плоскими прозорими листами або переробка конструкції панелей для усунення заглиблень або виступів, які можуть затримувати пил або запобігати його сповзанню під час вібрації.
  • Очікувана швидкість накопичення пилу повинна бути врахована при оцінці ефективності конструкції для видалення пилу.
  • Необхідно провести випробування для визначення взаємозалежностей між кутами нахилу, необхідними для перехоплення сонячного випромінювання, обсягами перемішування, необхідними при різних частотах і амплітудах коливань, щоб зменшити затемнення пилом до прийнятно низького рівня при цих кутах нахилу, і різницею в швидкості видалення частинок пилу різних розмірів і типів.
  • Необхідно подбати про те, щоб енергія, отримана при видаленні пилу, який затуляє сонячну фотоелектричну панель, перевищувала енергію, витрачену на струшування пилу. Це тягне за собою розгляд рівнів потужності зумера та часу збудження.
  • Необхідно також подбати про те, щоб конструкція системи видалення пилу не впливала негативно на інше обладнання, окрім сонячної фотоелектричної панелі.

Ця робота була виконана Стівеном Доусоном, Ніком Мардесічем, Брайаном Спенсом та Стівом Уайтом з Каліфорнійського технологічного інституту для Лабораторії реактивного руху НАСА. Для отримання додаткової інформації зверніться до Пакету технічної підтримки (TSP) на сайті www.технічні характеристики.com/tsp в категорії Машинобудування/Автоматизація. NPO-30909

Цей звіт включає в себе пакет технічної підтримки (TSP).

Панелі сонячних батарей з можливістю видалення пилу

(посилання NPO-30909) наразі доступне для завантаження з бібліотеки TSP.

Не маєте облікового запису? Зареєструватися тут.

Виробництво п’єзоелектричної енергії в Індії: емпіричне дослідження

Споживання енергії завжди зростало в геометричній прогресії, а також завжди зростала потреба в отриманні енергії в тій чи іншій формі. Отже, існує потреба у пошуку можливостей отримання енергії з альтернативних джерел енергії. Утилізація відпрацьованої енергії при пересуванні людини є актуальною і важливою для густонаселених країн, таких як Індія, де залізничні станції, храми і т.д. використовують енергію ніг., переповнені цілодобово. Коли підлогове покриття розроблено з використанням п’єзоелектричної технології, електрична енергія, вироблена тиском, вловлюється датчиками підлоги і перетворюється в електричний заряд за допомогою п’єзоперетворювачів, а потім зберігається і використовується як джерело живлення. Ця робота присвячена генерації альтернативних джерел енергії за допомогою п’єзоелектричних матеріалів. Це дослідження описує використання п’єзоелектричних матеріалів для збору енергії від вібрації при ходьбі людей для генерації та накопичення енергії. Це дослідження також вивчає сприйняття та адаптивність п’єзоелектрики. Адаптивність п’єзоелектричної технології в режимі реального часу була вивчена шляхом порівняння загальної вартості генерації електроенергії з сонячною енергією. Це дослідження також пропонує модель збору п’єзоелектричної енергії, яка є економічно ефективною і простою в реалізації.

Вступ

В Індії енергетика становить 52% комерційних і промислових респондентів. Зі щорічним зростанням попиту на електроенергію по всій країні настав час замислитися над створенням екологічно чистих джерел електроенергії. Для цього індійський енергетичний сектор вже прийняв різні ініціативи для просування відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна, вітрова, гідроенергія тощо. через політику та схеми, які в цілому приносять користь усім зацікавленим сторонам. Але все ж таки потрібно набагато більше способів, за допомогою яких можна виробляти електроенергію.

Для альтернативного методу генерації електроенергії існує ряд методів, за допомогою яких можна виробляти електроенергію, з таких методів генерація енергії кроків може бути ефективним методом генерації електроенергії.

Враховуючи щоденне зростання попиту на електроенергію та глобальні кліматичні зміни, існує велика потреба в екологічно чистих джерелах енергії, поки не стало занадто пізно. Крім того, Індія поставила собі за мету досягти 175 ГВт потужності до 2022 року лише за рахунок відновлюваних джерел енергії. Беручи до уваги вищезазначені амбітні цілі, які країни ставлять перед собою щодо більш чистих джерел палива, існує нагальна потреба в альтернативних джерелах енергії, які не тільки задовольняють вимоги, але й відповідають фінансовим, адаптаційним та імплементаційним сценаріям в реальному часі. Нижче показані частки виробництва енергії в Індії (Таблиця 1 та Рисунок 1).

Загальне виробництво електроенергії в Індії (станом на 31.01.2020).

Паливо МВт% від загального обсягу
Всього теплова 2,30,189.57 63.2%
Вугілля 1,97,964.5 54.2%
Буре вугілля 6,760 1.7%
Газова 24,955.36 6.9%
Дизель 509.71 0.1%
Гідроенергетика (відновлювана) 45,399.22 12.6%
Ядерний 6,780 1.9%
Відновлювані джерела енергії 86,321.03 22.7%
Всього 368,689.82

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Енергетичні потужності в Індії до січня 2020 року. (Джерело: CERC 2020).

П’єзоелектричний ефект

П’єзоефект був відкритий у 1880 році двома французькими фізиками братами П’єром і Полем. П’єзоелектричний датчик. це пристрій, який використовує п’єзоелектричний ефект для вимірювання тиску, прискорення і сили шляхом перетворення їх в електричний сигнал Коли на п’єзоелектричні кристали прикладається тиск, по кристалічній решітці проходить електричний струм.

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

П’єзоенергетика з напрямком сили. (Джерело: kinetictiles.wordpress.com).

Характеристики п’єзоелектрики

Сьогодні більшість досліджень в галузі енергетики спрямовані на розробку джерел енергії майбутнього. Настав час шукати відновлювані джерела енергії для майбутнього. П’єзоелектричні матеріали вивчаються все більше і більше, оскільки вони виявляються дуже незвичайними матеріалами з дуже специфічними і цікавими властивостями.

Енергію не можна ні створити, ні знищити, її можна лише перевести з однієї форми в іншу. Насправді, їхні матеріали можуть виробляти електричну енергію з механічної енергії і можуть перетворювати механічну поведінку, таку як вібрації, в електрику. Нещодавні експерименти показали, що ці матеріали можна використовувати як генератори енергії

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Схема властивостей п’єзоелектрика. (Джерело: складено автором).

Фактори, що зумовлюють потребу в п’єзоелектриці

Нижче, на малюнку 4, показані основні фактори, які призводять до необхідності використання п’єзоелектрики.

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Фактори п’єзоелектрики. (Джерело: складено автором).

Важливі компоненти п’єзоелектричної черепиці

П’єзоелектричний датчик

Датчик, який використовує п’єзоелектричний ефект для вимірювання змін прискорення, деформації, тиску і сили шляхом перетворення їх в електричний заряд, називається п’єзоелектричним датчиком. Ця генерована п’єзоелектрика пропорційна тиску, що прикладається до твердих п’єзоелектричних кристалічних матеріалів.

Батарея

Батарея. це масив електрохімічних елементів для зберігання електроенергії, або індивідуально з’єднаних, або індивідуально з’єднаних і розміщених в одному блоці. Електрична батарея. це комбінація одного або декількох електрохімічних елементів, що використовується для перетворення накопиченої хімічної енергії в електричну. Електроенергія виробляється і споживається одночасно, тому акумулятори використовуються як накопичувачі для зберігання електроенергії.

Первинна батарея

Первинні батареї можуть виробляти струм відразу після монтажу. Одноразові батарейки призначені для одноразового використання та викидання. Вони в основному використовуються в портативних пристроях, таких як сигналізація та комунікаційні схеми, де інша електрична енергія доступна лише з перервами.

Вторинна батарея

Вторинні батареї необхідно заряджати перед використанням; вони, як правило, зібрані з активних матеріалів у розрядженому стані. Акумуляторні батареї або вторинні елементи можна заряджати, подаючи електричний струм, який змінює хімічні реакції, що відбуваються під час їх використання. Пристрої для подачі відповідного струму називаються зарядними пристроями або зарядними пристроями.

П’єзоелектрична плитка

П’єзоелектричні підлоги призначені для уловлювання витраченої енергії та ресурсів і зберігання або перерозподілу їх там, де вони потрібні. Енергія генерується, коли людина наступає на плитку з п’єзоелектричними властивостями. Ця кінетична енергія перетворюється в електричну

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Схема п’єзоелектричної плитки. (Джерело: Shreeshayana et al. 2017).

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Структурна схема п’єзоелектричної черепиці. (Джерело: Naresh et al. 2018).

Огляд літератури

Електрика від кроків, С.С. Таліян, Б.Б. Бісвас, Р.К. Патіл, Г.П. Шрівастава, Т.К. Басу, 2010 р. У цій статті обговорюється основний інженерний та робочий механізм п’єзокристала, інженерний аналіз моделі, робота п’єзокристала та генерація енергії за допомогою кроків.

Потенціал п’єзоелектричних і термоелектричних технологій для збору енергії з тротуарів, Лукай Го, Квін Лу, 2017 р. У цій статті обговорюється аналіз економічної ефективності технологій збору енергії з тротуарних покриттів. Він оцінює генерацію електричної енергії від мережі тротуарів за двома технологіями розрахунку вартості та оцінки потреб. Аналіз витрат та оцінка виробництва енергії на основі п’єзоелектричної технології.

Збирач енергії з підлогової плитки для автономного бездротового датчика присутності, Натан Шарпс, Душан Вучкович та Шашанк Прія, 2016 р. У цій статті представлено детальну інформацію про проектування та оптимальну структуру п’єзоелектричного продукту. Також запропоновано відповідну структуру для проектування продукту для комерціалізації та проектування схеми та структури зовнішньої оболонки.

Зелений тротуар виробляє електроенергію. крок за кроком, Джордж Вебстер, 2011. В роботі досліджується метод отримання електроенергії. Відгуки громадськості та дослідження впровадження альтернативного джерела енергії на ринку.

Дослідження енергогенеруючої плитки. Павеген, Жень Лян Сеу, Сонг Тао Чен та Нор Байнін Хайрудін, 2011 р. Ця стаття дає уявлення про комерціалізацію виробництва енергії на основі п’єзоелектрики в реальному сценарії.

Майбутнє використання п’єзоелектричного ефекту для виробництва енергії, Зак Местер і Гільєрме Тамасія, 2012. У цій статті обговорюються економічні аспекти п’єзоелектрики, недоліки п’єзоелектрики та інші інноваційні методи п’єзоелектричної генерації. Також вивчається, як мінімізувати потенційні недоліки п’єзоелектрики та підвищити ефективність згенерованої енергії.

Техніко-економічне обґрунтування використання п’єзоелектричної підлоги для збору енергії у внутрішніх приміщеннях будівель, Аднан Мохамад Махмуд Юсіф, 2017. В даній роботі досліджено доцільність використання п’єзоелектричної плитки в інтер’єрі будівель. Зроблено аналіз перетворення енергії за допомогою п’єзоелектричної плитки. Вивчення можливості використання енергогенеруючої плитки в інтер’єрі будівель, а також на низьких пішохідних ділянках, таких як квартири, шляхом використання збирання підлогової плитки в інший спосіб для вироблення та збереження енергії.

Застосування п’єзоелектричного перетворювача для збору енергії в дорожньому покритті, Xiaochen Xu, Dongwei Cao, 2017. У статті стверджується, що використання п’єзоелектричних технологій для збору енергії на дорогах є можливим і має велике майбутнє. Детально описано механізм роботи та використання п’єзоелектрики для збору енергії.

Електроенергія з кроків, S.S. Таліян, Б.B. Бісвас, Р.K. Patil, та G.P. Шрівастава, 2013. У статті представлено можливість генерації електроенергії з кроків людини. Робоча модель генератора енергії на основі кроку. У статті наведено детальну робочу модель та функціонування системи генерації електроенергії на основі кроків людини. Це енергоефективний спосіб виробництва електроенергії, оскільки ходьба є однією з найпоширеніших речей, які ми робимо у повсякденному житті.

Огляд збору енергії з вібрацій за допомогою п’єзоелектричних матеріалів, Генрі А. Садано, Даніель Дж. Інман та Гюхей Парк, 2004 р. У статті проаналізовано збирання енергії з вібрації за допомогою п’єзоелектричних матеріалів. Досліджено різні аспекти збору енергії на основі механічних та електричних компонентів. З розвитком технологій збору врожаю, виробництво електроенергії за допомогою п’єзоелектричних матеріалів буде більш ефективним.

Збір енергії за допомогою п’єзоелектричного ефекту на спортивних майданчиках, Джуліус Еванс, 2015. У цій статті досліджуються різні параметри, пов’язані з поведінкою споживачів та адаптивністю плитки.

Кроки: Оновлена черепиця, Фатіма Захра Бузіді, 2017. У цій статті проводиться детальний STEEPLE-аналіз п’єзоелектричної енергії.

Передумови дослідження

Нещодавнє дослідження показало, що альтернативне джерело енергії вкрай необхідне для задоволення майбутніх потреб в енергії. Таким чином, для задоволення вимог необхідне фінансово стабільне та життєздатне джерело енергії, яке буде нешкідливим для навколишнього середовища та матиме дуже просту методологію виробництва енергії. Таким чином, п’єзоелектрична модель обґрунтовує дослідження альтернативного джерела генерації електроенергії. Вивчення літератури дозволило визначити різні параметри для розгляду п’єзоелектричної плитки як альтернативного джерела енергії, такі як доступність електроенергії, структура використання в регіоні, вартість одиниці енергії та загальний рахунок за електроенергію для споживача. Кілька параметрів, які були визначені. обізнаність про п’єзоелектрику, готовність виробляти автономну енергію. Вищезазначені параметри були детально вивчені для досягнення основних цілей дослідження.

Мета дослідження

Дане дослідження проводиться з метою вивчення різних параметрів п’єзоелектричної черепиці для використання в якості альтернативного джерела енергії, вивчення сприйняття споживачами, реакції, адаптивності п’єзоелектрики, а також аналізу собівартості одиниці електроенергії під п’єзоелектрикою.

Методологія

Це дослідження є змішаним дослідженням. У цьому дослідженні первинні дані були зібрані за допомогою методу неімовірнісної вибірки, де були відібрані респонденти з різних секторів, особливо ті, хто має базові уявлення про трендові технології на ринку. Футуристичні ідеї, які переважають на сучасному технологічному ринку, особливо в секторі інженерії та енергетики. Це було необхідно, оскільки для того, щоб зробити висновок на основі результатів, отриманих у вибірках, потрібно було врахувати багато факторів. При аналізі та вивченні зразків ми орієнтувалися не тільки на поведінку споживача, але й на вимоги ринку. Для збору даних було підготовлено анкету на основі змінних, а також використано трибальну шкалу Лайкерта. У цьому дослідженні було відібрано 143 респонденти. Опитування проводилося за допомогою таблиць Google. Для збору якісних даних використовується особисте інтерв’ю з використанням режиму face-to-face Skype. Крім того, метод Дельфі також використовується шляхом вибору двох експертів галузі.

Аналіз даних

Аналіз даних проводиться відповідно до поставлених цілей. Для досягнення першої мети використовуються наступні питання для збору даних, а потім ці дані аналізуються.

Питання 1. Чи часто у вашому будинку/районі трапляються перебої з електроенергією??

Питання 2. Чи економите ви електроенергію, вимикаючи електроприлади, коли вони не потрібні?

Питання 3. Скільки ви платите за електроенергію щомісяця в перерахунку на одиницю продукції??

Питання 4. Скільки ви платите за загальне споживання електроенергії на місяць?

Для досягнення другої мети використовуються наступні питання для збору даних, а потім ці дані аналізуються.

Питання 1. Чи будете ви виробляти електроенергію, ходячи пішки?

Питання 2. Чи цікавитеся ви виробництвом електроенергії власноруч?

Питання 3. Чи чули ви про п’єзоелектрику?

Питання 4. Як ви дізналися про цю технологію?

Питання 5. Хочете встановити у себе вдома нову електронну підлогову плитку?

Питання 6. Як часто ви ходите пішки в день?

Питання 7. Які вправи ви віддаєте перевагу робити регулярно?

Питання 8. Якій сумі ви віддаєте перевагу при інвестуванні в гаджети, що можуть генерувати електроенергію для домогосподарств?

Для досягнення третьої мети готується аналіз витрат і порівнюється з сонячною енергією. Схема аналізу витрат наведена нижче (Таблиця 2):

Загальна вартість п’єзоелектричної плитки та обсяги виробництва в Індії.

ПараметриОдиниця виміруЗначення
Загальна вартість (одна п’єзоелектрична плитка) (рупії) ₹ 12,511
Середня кількість кроків на день Номери. 7000
Загальна кількість натискань (припускаючи 3 натискання на людину в будинку) Кількість. 21,000
Енергія на крок Джоулі 5 Дж × 4 п’єзокристали = 20 Дж
Загальна енергія за день (Дж) Джоулі 420,000 J
Загальна енергія на добу (кВт-год) кВт-год 0.11664 кВт-год
Загальна кількість енергії на рік кВт-год 42.573 кВт-год
Довговічність Років 15 років

Крім того, далі п’єзоелектрична енергія, що виробляється, порівнюється з сонячною енергією, яка в даний час є новим альтернативним відновлюваним джерелом енергії, що також високо комерціалізується (Таблиця 3).

Порівняння сонячної енергії з п’єзоелектричною.

Сонячна енергіяП’єзоелектрична енергія
Вартість встановлення 1 кВт 75 000 рупій Вартість однієї плитки 12 511 рупій
Кількість одиниць, вироблених за рік (з урахуванням CUF-20%) 1752 Одиниці Кількість одиниць, вироблених однією плиткою за рік (враховуючи 21 000 кроків) 42.573 Одиниці

Результат та обговорення

З рисунку 7 видно, що 21% респондентів вважають, що в їхньому районі часто відключають електроенергію. 96% респондентів мають звичку вимикати електроприлади, коли вони не потрібні, в той час як 4% респондентів не мають такої звички Майже 40% респондентів сплачують рахунки за електроенергію в діапазоні 3-5 рупій і вище за 5 рупій за одиницю споживання електроенергії на місяць 77% респондентів витрачають більше 1000 рупій на місяць на електроенергію, 18% платять більше 500 рупій на місяць, а решта. менше 500 рупій

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Доступність енергії в регіоні.

П’єзоелектричні матеріали. найпоширеніше невідоме джерело енергії

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Очікується, що в найближчі три роки п’єзоелектрична промисловість досягне приблизно 41 мільярда одиниць, а середньорічний темп зростання становитиме близько 6%, оскільки щодня розробляються нові практичні застосування. Цей бум дозволить подальший розвиток та впровадження високотехнологічних амоних та плівкових п’єзоелектричних полімерів у сучасному світі.

Що таке п’єзоелектричні матеріали?

П’єзоелектричні матеріали дозволяють нам використовувати кінетичну енергію, перетворюючи силу в електричний заряд. Вперше визначений братами Кюрі в 1880 році, п’єзоелектрика стала фундаментальним принципом, який використовується в сучасних технологіях.

П’єзоелектрика. це здатність речовини виробляти електричний заряд при механічному впливі. Цей електричний заряд утворюється завдяки вимушеній асиметрії. У п’єзоелектричних матеріалах позитивні та негативні заряди відокремлені один від одного, залишаючись при цьому вирівняними в симетричному порядку. Коли до речовини прикладається механічний вплив, ця симетрія втрачається, що призводить до утворення електричного заряду.

Ще однією унікальною властивістю матеріалів є випадковий характер і наявність доменів Вейсса (магнітно орієнтованих без зовнішнього магнітного впливу).

Пізніше було виявлено, що ці ж матеріали демонструють властивість, прямо протилежну електричному ефекту. Було виявлено, що якщо до матеріалу прикласти електричний заряд, то в ньому відбуватиметься повторювана механічна деформація. Це відкриття принесло велику користь таким матеріалам, оскільки по суті подвоїло їх потенційні сфери використання.

Виробники та інноватори

Перш ніж ми зануримося в приклади реальних випадків використання, нижче наведено трійку провідних компаній, які використовують п’єзоелектричні матеріали в різноманітних продуктах, що є невід’ємною частиною сучасної електроніки.

Варто зазначити, що аналітики Barron’s наразі рекомендують кожну з наступних акцій як “перепродати” або “купувати.

Стоунерідж (SRI)

Акції компанії Stoneridge (SRI), що котируються на Нью-Йоркській фондовій біржі, за останній рік зросли в ціні більш ніж на 30% на момент написання цього звіту. Хоча доходи Stoneridge зазнали удару під час розпалу COVID, у 2021 році вони зросли майже на 20% до 770 млн

У компанії Stoneridge працює понад 5 000 осіб, вона розташована в штаті Мічиган.

Methode Electronics (MEI)

Компанія Methode Electronics Inc котирується на Нью-Йоркській фондовій біржі. за останній рік її акції зросли в ціні майже на 15% на момент написання цієї статті. За останні 4 роки компанії Methode Electronics вдалося продовжити зростання доходів в межах 2.36% і 10.13% щороку. За 2022 рік дохід перевищив 1.16B.

У компанії Methode Electronics працює понад 7 000 осіб, і вона здійснює свою діяльність у штаті Іллінойс.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Компанія Kimball Electronics Inc, що котирується на Nasdaq. за останній рік акції компанії зросли в ціні більш ніж на 32% на момент написання цього звіту. Там, де перераховані вище компанії боролися з труднощами в 2019-2020 роках, Kimball Electronics вдавалося постійно демонструвати зростаючі доходи. Всього 1.35B за 2022 рік, це означає 4.47% зростання за 2021 рік.

У компанії Kimball Electronics працює понад 7000 осіб, і вона розташована в штаті Індіана.

Сучасні досягнення

Традиційно для демонстрації ефекту використовували природні п’єзоелектричні речовини. Найчастіше матеріалом вибору був кварц. Коли були досягнуті межі природних речовин, популярним вибором стала штучна кераміка. Розроблена в 1952 році, і все ще одна з найпопулярніших п’єзоелектричних керамік сьогодні. PZT (цирконат-титанат свинцю). Однак, маючи такі недоліки, як обмежена деформація, крихкість і висока щільність маси, PZT не є ідеальним матеріалом для кожного застосування.

У 1964 році був розроблений PVDF (полівініліденфторид). PVDF має напівкристалічну структуру і створює заряди в кілька разів більші, ніж кварц. Хоча цей полімер, створений людиною, усунув багато недоліків PZT, він мав свої власні. п’єзоелектричні пробої при високих температурах і деградація. З недавнім технологічним прогресом і зростаючими вимогами, PZT і PVDF, можливо, досягли своїх меж.

На початку 2000-х років такі інститути, як GAIKER-IK4, почали розробляти так звані амоні п’єзоелектричні полімери. Використовуючи амону структуру, речовина може витримувати набагато вищі температури. Оскільки п’єзоелектричні ефекти не залежать від кристалічної структури, яка руйнується при високих температурах, амоні структури створюють набагато міцніший полімер.

Ці амоні полімери розробляються, оскільки вони пропонують більш високі рівні деформації, значне зменшення ваги і більшу міцність. Завдяки цьому сфера застосування матеріалів тепер дозволяє використовувати їх в аерокосмічних та електронних пристроях. З новими амоними п’єзоелектричними полімерами та плівками, що розробляються, руйнування під час використання відбуватиметься при температурі приблизно 150°C і вище. Деградація речовини відбувається при температурі близько 400°C. Хоча це може обмежити їх використання в екстремальних умовах, переважна більшість застосувань знаходиться в межах відповідного діапазону.

Як і багато нових речовин, ці полімери розробляються з використанням PVDF і PVT в якості основ. Намагаючись зберегти позитивні якості кожного матеріалу, усунувши при цьому якомога більше недоліків. Хоча такі продукти є більш новими полімерами, вони моделюються за поточними робочими моделями.

Використовуючи амону структуру, необхідно провести широке тестування на оптимальні температури склоподібного переходу. Це значення безпосередньо пов’язане з силою п’єзоелектричних властивостей, якими буде володіти матеріал. Амона структура демонструє і покладається на ближній порядок для отримання п’єзоелектричного ефекту, а не на дальній порядок, як це спостерігається в кристалічних структурах. На додаток до цього, багато хто вирішує включати полііміди в структуру матеріалів завдяки їх механічним, діелектричним і тепловим властивостям, причому полііміди забезпечують поляризацію молекул незалежно від їх позиціонування.

Варіанти використання

Минулі та сучасні застосування п’єзоелектричних матеріалів включають багато непомітних предметів, таких як запальнички, кварцові годинники і навіть системи управління двигуном. Найбільш поширеним застосуванням для них в даний час є використання в датчиках і приводах. Хоча для цих випадків використання були застосовані відповідні п’єзоелектричні матеріали, для майбутніх застосувань потрібен більш універсальний матеріал. На щастя, п’єзоелектричні полімери, що розробляються, є саме такими. універсальними. З постійним прогресом в нашому розумінні матеріалознавства та їх здатності демонструвати прямі зворотні ефекти, кількість застосувань, в яких вони можуть бути використані, продовжує зростати. Деякі інтригуючі сучасні та потенційні майбутні застосування включають,

Мобільна та пересувна електроніка

Мобільні телефони з функцією розмови та носимі пристрої. Використовуючи тиск, що створюється в мікрофоні під дією звукових хвиль, п’єзоелектричні полімери, сподіваємось, одного дня зможуть створювати достатню потужність, необхідну для користування телефоном. Хоча малоймовірно, що ця концепція в найближчому майбутньому повністю усуне потребу в акумуляторі, вона створює можливість продовження терміну служби батареї в розумних пристроях, що носяться з низьким розрядом.

Слід зазначити, що п’єзоелектричні матеріали використовуються в мікрофонах вже майже 100 років. Замість того, щоб заряджати пристрій, ці додатки дозволяють перетворити звукові хвилі в електрику з метою запису і відтворення в економічно ефективний спосіб.

Системи зволоження

Іншим застосуванням є використання п’єзоелектричних матеріалів у системах демпфування. Такі компанії, як HEAD, впровадили цю ідею у свої тенісні ракетки та лижі, щоб поглинати/демпфірувати вібрації. Коли відбувається удар по ракетці або лижах, зворотний ефект використовується шляхом надсилання електричного сигналу, створеного на інверсний матеріал, що забезпечує протилежну силу. Це призводить до ефективної системи демпфування.

Ця ж концепція застосовується для зменшення шуму та вібрації в автомобілях, будинках та в небезпечних робочих умовах. Прикладом такого середовища можуть бути ферми для видобутку біткоїнів. Мало того, що вібрації шкідливі для електронного обладнання в довгостроковій перспективі, були різні випадки, коли навколишні громади, в яких проводяться ці операції, скаржилися на шум і вібрації, що виникають в результаті використання пристроїв ASIC. У багатьох подібних сценаріях п’єзоприводи використовуються як рішення для гасіння кожного з цих ефектів. Оскільки звукові хвилі створюються в автомобілях, будинках і машинах внаслідок реверберації матеріалів, цей шум також можна усунути або, принаймні, зменшити за допомогою традиційних методів, таких як клейкий демпферний матеріал. Однак ці матеріали працюють пасивно, вони дуже важкі і дорогі. Зазвичай вони працюють за рахунок зниження резонансної частоти матеріалів. Використання властивостей п’єзоелектричних полімерів вирішує цю проблему, застосовуючи більш активний і динамічний підхід, описаний вище.

Рішення для очищення

Щоб продемонструвати, наскільки різноманітними є сфери застосування п’єзоелектричних матеріалів, розглянемо роботу, яку виконують такі компанії, як Solar PiezoClean. У цьому випадку компанія покриває сонячні панелі п’єзоелектричною плівкою. Мета полягає в тому, щоб запропонувати засіб для підтримки чистоти сонячних панелей, що не вимагає великих витрат на обслуговування. ключ до забезпечення оптимальної ефективності.

Цей процес передбачає нанесення електричного заряду на плівку, яка потім вібрує з певною частотою і кроком, що дозволяє пилу і бруду просто падати під дією сили тяжіння. Все це означає економію води та робочої сили, одночасно збільшуючи довговічність та ефективність панелей з покриттям. Просте, але геніальне рішення проблеми, яка тільки зростає, оскільки сонячні установки стають все більш поширеними.

поширені застосування п’єзоелектричних матеріалів таким чином включають ультразвукові очисні пристрої, такі як ювелірні очисники.

Аерокосмічна галузь

Раніше ми вже згадували про використання п’єзоелектричних матеріалів в аерокосмічному секторі. Тут літаки можуть використовувати такі матеріали для моніторингу структурної цілісності та навантажень за допомогою вимірювання електричних зарядів, що генеруються. варіант використання, який може забезпечити не лише підвищену безпеку, але й більшу ефективність, дозволяючи інженерам одночасно зменшити вагу та зміцнити конструкції, де це необхідно.

Вийдіть за межі нашої атмосфери, і п’єзоелектричні приводи використовуються в багатьох супутниках. Здатність працювати з надзвичайною точністю дозволяє використовувати такі актуатори для створення мікро-двигунів, здатних правильно позиціонувати супутники.

Діагностичні інструменти для охорони здоров’я

Оскільки наша здатність створювати все менші і менші пристрої покращується, ми зараз використовуємо п’єзоелектричні матеріали в різних діагностичних інструментах в галузі охорони здоров’я. Прикладом цього є внутрішньосудинне ультразвукове дослідження (IVUS). IVUS. це процес, який дозволяє крихітним датчикам генерувати зображення зсередини кровоносних судин. Це робиться за допомогою ультразвукових перетворювачів, побудованих на основі п’єзоелектричних монокристалів.

П’єзоелектричні матеріали також використовуються в певному стоматологічному обладнанні. Подібно до описаного вище рішення для чищення SolarClean, це обладнання використовує ультразвукові хвилі, що утворюються при подачі електричного струму на п’єзоелектричні матеріали, для очищення/видалення зубного нальоту з зубів.

Сонар

Системи сонарів (звукової навігації і визначення дальності) можуть використовуватися для отримання зображень або для зв’язку. Приклади візуалізації включають топографічне картографування дна океану або повсякденне використання ехолотів для пошуку риби. Тим часом комунікація може бути досягнута за допомогою створення звукових хвиль. Кожен з цих процесів став можливим завдяки використанню п’єзоелектричних перетворювачів.

Незважаючи на те, що сонар був розроблений понад 100 років тому, він продовжує відігравати важливу роль і сьогодні. Останнім поширеним прикладом цього є застосування п’єзоелектричних матеріалів у безпілотних автомобілях, які зазвичай використовують комбінацію гідролокатора, LIDAR і радара для відстеження та інтерпретації навколишнього середовища.

Збір енергії

Нарешті, дуже інтригуючим застосуванням може бути великомасштабне виробництво енергії. П’єзоелектричні полімери розробляються для розміщення в місцях з високим трафіком, включаючи різні заводи, спортивні майданчики, залізничні станції та багато іншого по всьому світу. Шматок кварцу розміром 1 см 3 здатний виробляти до 4 500 В електроенергії при прикладанні сили 175 фунтів. З кожним кроком на таких станціях, що створюють цю електроенергію, є потенціал для використання величезних обсягів, оскільки вона створюється щодня. значно підвищуючи ефективність і витрати на електроенергію для будівлі.

Крім пішохідного руху, багато хто уявляв собі майбутнє, в якому дорожні шляхи будуть вмонтовані в такі матеріали, створюючи електрику для живлення вуличних ліхтарів і знаків, оскільки автомобілі чинять на них фізичну силу.

У поєднанні майбутні технології, такі як бездротова автомобільна зарядка, що розробляється Electreon, і поверхні з електроживленням від таких компаній, як Pavegen, одного разу, сподіваємося, дозволять зменшити розміри акумуляторів в транспортних засобах, а також набагато ефективніший і чистіший спосіб підтримувати заряд електромобілів.

Заключне слово

В цілому, потенціал п’єзоелектричних матеріалів тільки починає реалізовуватися. Фотоелектричні ефекти, які роблять сонячну енергію можливою, були відкриті в середині 1800-х років, і тільки зараз стають практичними для широкого використання. П’єзоелектричні матеріали нічим не відрізняються від інших, і оскільки дослідження і розробка цих матеріалів продовжуються, підвищення ефективності та довговічності слідують за ними. Сучасні наукові досягнення тільки зараз дозволяють нам реалізувати або принаймні зрозуміти весь потенціал цього джерела енергії, причому перераховані тут випадки використання (виробництво електроенергії, звукоізоляція, сонар, датчики, загострювачі і т.д.) є лише деякими з незліченних можливостей.

П’єзоелектрика. це відновлювана енергія, на яку ми так довго чекали

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Вперше відкритий П’єром Кюрі, чоловіком Марії Кюрі, та його старшим братом Жаком у 1880 році, п’єзоелектрика працює, якщо взяти електрично нейтральну речовину, таку як певні кристали, кераміка і навіть біологічні матеріали, і прикласти достатній тиск, щоб створити дисбаланс позитивно і негативно заряджених атомів на протилежних сторонах. За нормальних умов розташування атомів врівноважує електричний заряд, але під тиском може створюватися електричне поле, оскільки нейтральне розташування було спотворене, залишаючи більш високу концентрацію позитивно заряджених атомів з одного боку і негативно заряджених атомів з іншого.

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Сьогодні п’єзоелектричний ефект має безліч застосувань, наприклад, у кварцових годинниках, запальничках для барбекю, гітарних звукознімачах, годинниках в електроніці, струменевих принтерах тощо. Причина, по якій вам доводиться так сильно натискати на кнопку на запальничках для барбекю, наприклад, полягає в тому, що ви насправді злегка деформуєте кристал кварцу, який створює електричний заряд, який потім змушений перескочити через крихітний проміжок, створюючи іскру і запалюючи рідину запальнички.

Якщо будь-який вид руху має потенціал стати джерелом електроенергії, то чому ми не використовуємо його частіше?? В останні кілька років дослідники працюють над впровадженням п’єзоелектричних матеріалів у людське тіло, дороги, велосипедні доріжки, тротуари, сонячні панелі тощо, щоб розкрити цей відносно невикористаний потенціал. щоб розблокувати це відносно невикористане джерело відновлюваної енергії.

Шок для серця

У статті, опублікованій в журналі Nature, професор Ехуд Газіт і його команда з Тель-Авівського університету продемонстрували використання п’єзоелектричного ефекту для перетворення довільних і мимовільних рухів тіла у внутрішній електричний струм, достатньо сильний для живлення медичних пристроїв. Все, від дефекації до розширення і скорочення легенів, є потенційним джерелом енергії. Вони стверджують, що “п’єзоелектричний ефект у білках. це інтригуюче явище, яке потенційно може забезпечити кращий інтеейс між напівпровідниковим і біологічним світами”.”

Ця ідея не нова, але її використання було обмеженим, оскільки дослідники не могли знайти матеріали, які були б одночасно безпечними та електрично ефективними. Найпоширенішим п’єзоелектричним матеріалом, що використовується в комерційних цілях, є титанат цирконату свинцю, тип кераміки, який, звичайно, містить свинець, що робить його токсичним. Однак, Gazit et al. розробили наноматеріал, який імітує колаген, найпоширеніший білок в організмі. Завдяки розумному використанню пептидів, що самоорганізуються, їх новий матеріал виробляє електричний струм, який конкурує або, можливо, перевищує комерційні матеріали. За їхніми словами, “ми виготовили простий біоп’єзоелектричний пристрій, виготовлений з ультракоротких пептидних послідовностей, що імітують колаген, який може досягати високих вихідних струмів і напруг, подібних до тих, що отримуються за допомогою наногенераторів, що складаються з неорганічних матеріалів або органічних полімерів.”

Таким чином, завдяки п’єзоелектриці нові медичні прилади матимуть власне безпечне джерело живлення, що дозволить створювати більш довговічні та досконалі кардіостимулятори, дефібрилятори, датчики крові, системи доставки ліків та все інше, що з’явиться з медичними приладами наступного покоління.

Знову в дорозі

Враховуючи кількість автомобілів та автобусів на світових автомагістралях і кількість людей, які користуються тротуарами та велосипедними доріжками, можна з упевненістю сказати, що за допомогою п’єзоелектрики можна було б збирати приголомшливу кількість енергії. Щоразу, коли автомобіль чинить тиск на проїжджу частину, пішохід ступає на тротуар або велосипедист котиться по велодоріжці, ця механічна енергія може бути перетворена в електричну. На щастя, дослідники працюють над цим.

Наприклад, дослідницька група з Ланкастерського університету тестує різноманітні п’єзоелектричні матеріали та конфігурації, і перші результати виглядають багатообіцяючими. Вони виявили, що за нормальних умов руху (від 2000 до 3000 автомобілів на годину) вони можуть генерувати близько 2 МВт на кілометр дороги, що достатньо для живлення від 2000 до 4000 вуличних ліхтарів. Беручи до уваги вартість встановлення цієї нової технології збору енергії, дослідники вважають, що вони могли б заощадити місту 20% витрат на електрифікацію доріг. Провідний дослідник професор Саафі сказав: “Система, яку ми розробляємо, буде перетворювати цю механічну енергію в електричну для живлення таких пристроїв, як вуличні ліхтарі, світлофори і зарядні станції для електромобілів. Він також може бути використаний для забезпечення інших переваг “розумних вулиць”, таких як моніторинг інтенсивності руху в реальному часі.”

Аналогічно, Каліфорнія інвестувала 2.3 мільйони на два проекти для перевірки життєздатності збору енергії з масового руху людей. Один з цих проектів. 60-метрова ділянка дороги біля Каліфорнійського університету в Мерседесі. Проїжджа частина буде встелена п’єзокерамікою шириною 2 сантиметри. Іншим проектом займається компанія Pyro-E, що базується в Сан-Хосе, і за допомогою подібної стратегії вони вважають, що зможуть виробляти достатньо електроенергії для живлення 5000 будинків. Вони вважають, що в разі розширення масштабу, “вироблена енергія може забезпечити 60% зниження тарифів на роздрібну електроенергію, щоб допомогти компенсувати негативний вплив бензинових автомобілів на навколишнє середовище”.”

Крім того, дослідники просуваються вперед з вимощенням доріг сонячними панелями. Якщо/коли це станеться, виявиться, що п’єзоелектрика може зробити їх більш ефективними. У статті, опублікованій Королівським хімічним товариством, автори продемонстрували, що сонячні елементи, виготовлені з CH3NH3PbI3, змінюють свою ефективність при стисненні. Вони стверджують, що “Коли до шару CH3NH3PbI3 прикладається зовнішня деформація, продуктивність PPSC [п’єзо-фототронного органічного перовскіту] лінійно покращується”.” Тому проїжджа частина, вимощена сонячними елементами, була б чудовою, але проїжджа частина, вимощена п’єзо-сонячними елементами, була б набагато ефективнішою, причому чим більша деформація, тим краще.

Звичайно, все це збільшує вартість обслуговування та встановлення, але дослідники впевнені, що нові матеріали та конфігурації можуть принести достатньо прибутку, щоб зробити це вартим того.

Обдування вітром

Використовувати вітер найкраще за допомогою повітряних турбін, але навіть з найкращими конструкціями енергія все одно залишається на столі. Всі конструкції демонструють Коли повітря обтікає конструкцію, воно може стати турбулентним через процес, відомий як вихрові індуковані коливання (VIV), в якому повітря змушене згинатися відповідно до кривизни, в деяких випадках створюючи вихор на поверхні конструкції. Коли це відбувається не симетрично, структура вібрує. Коли коливання збігаються з резонансною частотою структури, структура сильно коливається. Так само ефект галопуючого вітру може бути ще одним джерелом енергії. Коли сильний вітер штовхає конструкцію всередину і навколо неї, він створює сили, які конкурують з природною еластичністю конструкції, викликаючи великі коливання.

виробництво, єзоелектричної, енергії, індії, емпіричне, дослідження

Дослідники вважають, що можна використовувати енергію як від VIV, так і від ефекту галопуючого вітру. Команда дослідників з Китаю продемонструвала в статті з Journal of Sensors, що “квадратний циліндр” є ідеальною формою для генерації п’єзоелектрики від вітру. Коли ця форма потрапляє під вітер, вона коливається, стискаючи п’єзоелектричну кераміку в своїй основі, виробляючи струм. Автори зазначають, що “Варто зазначити, що як вібрація, спричинена вихором, так і галопування структури квадратного перерізу можуть бути використані в одному і тому ж п’єзоелектричному обладнанні для збору енергії вітру, оскільки обидва ці явища можуть спричинити велику амплітуду коливань, що може бути хорошим джерелом живлення для збудження п’єзоелектричного пристрою до вібрації”.” Вони планують впровадити свою ідею у вже існуючі вітроенергетичні пристрої, підвищивши їх ефективність за рахунок використання енергії, яка в іншому випадку залишилася б невикористаною.

Чи варта п’єзоелектрика того?

П’єзоелектрика зіткнулася з важкою битвою за широкомасштабне впровадження. З одного боку, п’єзоелектричні матеріали чутливі до високих температур, тобто вони стають менш ефективними під впливом тепла. По-друге, п’єзоелектричні кристали розчиняються у воді, а це означає, що їх необхідно захищати від впливу навколишнього середовища, що створює додаткові витрати. По-третє, і найголовніше, п’єзоелектрика не виробляє достатньо енергії, щоб конкурувати з іншими формами створення енергії.

Однак область п’єзоелектрики швидко рухається вперед, створюючи кращі матеріали та конфігурації. Наприклад, ВМС США щойно інвестували кілька мільйонів доларів у розробку “п’єзоелектричних монокристалічних матеріалів наступного покоління”, що, ймовірно, призведе до створення п’єзоелектричних матеріалів з набагато більшою продуктивністю та довговічністю. Завдяки таким дослідженням, як це та інші, про які йшлося вище, лише за останні кілька років ми стали свідками численних досягнень, які зробили цю форму виробництва енергії все більш привабливою. Мембрани, які можуть живити внутрішні медичні прилади, дороги, які самі освітлюються, та більш ефективні вітрові турбіни. це лише кілька прикладів у зростаючому списку застосувань.

Підтримайте The Happy Neuron, натиснувши на посилання нижче:

Залишити відповідь