П’єзоелектричні матеріали – найпоширеніше невідоме джерело енергії. Сонячний п’єзоелектрик чистий

П’єзоелектричні матеріали. найпоширеніше невідоме джерело енергії

єзоелектричні, найпоширеніше, невідоме, джерело, енергії, сонячний

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

Що таке п’єзоелектричні матеріали?

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

П’єзоелектрика. це здатність речовини виробляти електричний заряд під дією механічної напруги. Цей електричний заряд створюється вимушеною асиметрією. У п’єзоелектричних матеріалах позитивні та негативні заряди відокремлюються один від одного, залишаючись при цьому вирівняними в симетричному порядку. Коли до речовини прикладається механічна напруга, 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 застосування.

Виробники та інноватори

Перш ніж ми зануримось у приклади реальних кейсів використання п’єзоелектричних матеріалів, наведемо трійку провідних компаній, які використовують п’єзоелектричні матеріали у різноманітних продуктах, що є невід’ємною частиною сучасної електроніки.

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

Stoneridge (SRI)

Компанія Stoneridge (SRI), акції якої котируються на Нью-Йоркській фондовій біржі, збільшила свою вартість за останній рік більш ніж на 30% на момент написання статті. Хоча дохід Stoneridge зазнав удару під час розпалу COVID, у 2021 році він зріс майже на 20% до 770 мільйонів доларів США

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

Methode Electronics (MEI)

Компанія Methode Electronics Inc, акції якої котируються на Нью-Йоркській фондовій біржі. за останній рік збільшила вартість своїх акцій майже на 15% на момент написання цього звіту. За останні 4 роки компанії Methode Electronics вдалося продовжити зростання доходу в межах 2.36% і 10.13% щороку. За 2022 рік дохід перевищив 1.16B.

У компанії Methode Electronics працює понад 7 000 співробітників, і вона веде свою діяльність в штаті Іллінойс.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Компанія Kimball Electronics Inc, що котирується на біржі Nasdaq. акції якої за останній рік зросли в ціні більш ніж на 32% на момент написання статті. У той час як перелічені вище компанії зазнали труднощів у 2019-2020 роках, Kimball Electronics вдавалося постійно збільшувати свої доходи. У загальній складності 1.35B на 2022 рік, це означає 4.47% зростання за 2021 рік.

Kimball Electronics налічує понад 7 000 співробітників і працює в штаті Індіана.

Сучасні досягнення

Традиційно для демонстрації ефекту використовували п’єзоелектричні речовини природного походження. Найчастіше матеріалом вибору був кварц. Коли межі природних речовин були досягнуті, 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 питома вага, 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 штучний полімер усунув багато недоліків PZT, він мав свої власні. п’єзоелектричні пробої при високих температурах і деградація. З нещодавнім 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 більш високих температурах, амоні структури створюють набагато міцніший полімер.

Ці амоні полімери розробляються, оскільки вони пропонують більш високі рівні деформації, значне зменшення ваги та 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 відбудеться приблизно при 400°C. Хоча це може обмежити їх використання в екстремальних умовах, переважна більшість застосувань підпадає під відповідний діапазон.

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

Використовуючи амону структуру, необхідно провести широке тестування на оптимальні температури скловидного переходу. Ця величина безпосередньо пов’язана з силою п’єзоелектричних властивостей, якими буде володіти матеріал. Амона структура демонструє і покладається на ближній порядок для створення 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 термічним властивостям, причому полііміди забезпечують полірування молекул незалежно від їх розташування.

Варіанти використання

Минулі та сучасні застосування п’єзоелектричних матеріалів включають багато непомітних предметів, таких як запальнички, кварцові годинники та навіть системи управління двигуном. Наразі найпоширенішим застосуванням для них є використання в сенсорах та приводах. Хоча для цих випадків використання застосовуються відповідні п’єзоелектричні матеріали, для майбутніх застосувань потрібні більш універсальні матеріали. На щастя, п’єзоелектричні полімери, що розробляються, є саме такими. універсальними. З постійним прогресом у 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, як ми сподіваємось, одного дня зможуть створювати достатньо енергії, необхідної для використання телефону. Хоча малоймовірно, що ця концепція в найближчому майбутньому повністю усуне потребу в акумуляторі, вона створює можливість продовжити термін служби батареї в розумних пристроях, що носяться, з низьким рівнем розряду.

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

Демпферні системи

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, що створюється, на протилежний матеріал, який створює протидіючу силу. Це призводить до ефективної системи демпфування.

Ця ж концепція застосовується для зменшення шуму і вібрації в автомобілях, будинках і в небезпечних робочих умовах. Одним з прикладів 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 відбуваються 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.

Розчини для чищення

Щоб продемонструвати, наскільки універсальними є випадки використання п’єзоелектричних матеріалів, розглянемо роботу, яку виконують такі компанії, як Solar PiezoClean. У цьому випадку компанія покриває п’єзоелектричною плівкою сонячні панелі. Мета полягає в тому, щоб запропонувати засіб для підтримки чистоти сонячних панелей, що не вимагає великих витрат на обслуговування, що є ключовим фактором для 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 при одночасному збільшенні довговічності та ефективності панелей з покриттям. Просте, але геніальне рішення проблеми, яка тільки зростає в міру того, як сонячні установки стають все більш поширеними.

поширені застосування п’єзоелектричних матеріалів таким чином включають ультразвукові пристрої для очищення, такі як ювелірні очищувачі.

Аерокосмічна промисловість

Раніше ми вже згадували про використання п’єзоелектричних матеріалів в аерокосмічній галузі. 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 тільки підвищену безпеку, але й більшу ефективність, дозволяючи інженерам одночасно зменшити вагу і 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 мікроприводів, здатних правильно позиціонувати супутники.

Діагностичні інструменти в охороні здоров’я

Оскільки наша здатність створювати все менші і менші пристрої покращується, зараз ми 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 відбувається завдяки використанню ультразвукових перетворювачів, побудованих на основі п’єзоелектричних монокристалів.

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

Сонар

Сонар (звукова навігація і визначення дальності) може використовуватися для отримання зображень або для зв’язку. Приклади візуалізації включають топографічне картографування дна океану або повсякденне використання ехолотів для пошуку риби. Тим часом зв’язок може бути досягнутий 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 широко розповсюдженим прикладом цього є його застосування в 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 виробляють цю електроенергію, існує потенціал для використання величезних обсягів електроенергії, яка виробляється щодня, що значно підвищує ефективність і знижує витрати на електроенергію для будівлі.

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

У поєднанні майбутні технології, такі як бездротова автомобільна зарядка, яку розробляє Electreon, і поверхні з електроживленням від таких компаній, як Pavegen, одного дня, сподіваємося, дозволять зменшити розміри акумуляторів у транспортних засобах і знайти набагато ефективніший і чистіший спосіб підтримувати заряд електромобілів.

Заключне слово

Загалом, 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 в міру того, як тривають дослідження і розробки цих матеріалів, підвищується їх ефективність і довговічність. Сучасні наукові досягнення лише зараз дозволяють нам реалізувати або, принаймні, зрозуміти весь потенціал цього джерела енергії, причому перелічені тут випадки використання (виробництво електроенергії, звукоізоляція, сонар, датчики, загострювачі тощо) є лише деякими з незліченних можливостей.

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

єзоелектричні, найпоширеніше, невідоме, джерело, енергії, сонячний

Вперше відкритий П’єром Кюрі, чоловіком Марії Кюрі, та його старшим братом Жаком у 1880 році, п’єзоелектрика працює, беручи електрично нейтральну речовину, таку як певні кристали, кераміка і навіть біологічні матеріали, і застосовуючи 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 вищу концентрацію позитивно заряджених атомів з одного боку і негативно заряджених атомів з іншого.

єзоелектричні, найпоширеніше, невідоме, джерело, енергії, сонячний

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

Тож якщо будь-який вид руху має потенціал стати джерелом електроенергії, чому ми не використовуємо його частіше?? Останні кілька років дослідники працюють над впровадженням п’єзоелектричних матеріалів у людське тіло, дороги, велосипедні доріжки, тротуари, сонячні панелі тощо. 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 Газіт та ін. розробили наноматеріал, який імітує колаген, найпоширеніший білок в організмі. Завдяки розумному використанню пептидів, що самоорганізуються, їхній новий матеріал виробляє електричний струм, який конкурує з комерційними матеріалами або, можливо, навіть перевершує їх. Вони сказали, що “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, які отримують за допомогою наногенераторів, що складаються з неорганічних матеріалів або органічних полімерів”.”

Таким чином, завдяки п’єзоелектриці нові медичні пристрої матимуть власне безпечне джерело живлення, що дозволить створювати довговічніші та досконаліші кардіостимулятори, дефібрилятори, датчики крові, системи доставки ліків та все інше, що з’явиться з медичними пристроями наступного покоління.

Знову в дорозі

Враховуючи кількість автомобілів та автобусів на світових автомагістралях та 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 на електрику. 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, перетворить цю механічну енергію в електричну для живлення таких речей, як вуличні ліхтарі, світлофори та пункти зарядки електромобілів. Вона також може бути використана для надання інших переваг “розумних вулиць”, таких як моніторинг інтенсивності руху в реальному часі.”

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

Крім того, дослідники просуваються вперед з мощенням 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 дорожнє полотно, вимощене сонячними батареями, було б чудово, але дорожнє полотно, вимощене п’єзо-сонячними батареями, було б набагато ефективнішим, причому чим більше навантаження, тим краще.

Звичайно, все це збільшує витрати на обслуговування та встановлення, але дослідники впевнені, що нові матеріали та конфігурації можуть приносити достатньо прибутку, щоб це було того варте.

Здуття вітром

Використовувати вітер найкраще за допомогою повітряних турбін, але навіть з найкращими конструкціями енергія все одно залишається на столі. Всі структури демонструють Коли повітря обтікає структуру, 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 структури. Коли це відбувається не симетрично, структура вібрує. Коли коливання збігаються з резонансною частотою конструкції, конструкція сильно коливається. Аналогічно, 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 сильні коливання.

єзоелектричні, найпоширеніше, невідоме, джерело, енергії, сонячний

Дослідники вважають, що енергію як від VIV, так і від ефекту галопуючого вітру можна використовувати. 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: “Варто зазначити, що як вихрові коливання, так і галопування структури квадратного перерізу можуть бути використані в одному і тому ж п’єзоелектричному обладнанні для збору вітрової енергії, оскільки обидва ці явища можуть викликати велику амплітуду коливань, що може бути хорошим джерелом енергії 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 інакше залишилася б невикористаною.

Чи варта п’єзоелектрика того?

П’єзоелектрика зіткнулася з важкою битвою з широкомасштабним впровадженням. 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 це найважливіше, п’єзоелектрика не виробляє достатньо енергії, щоб конкурувати з іншими формами створення енергії.

Однак галузь п’єзоелектрики швидко розвивається, 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 створення енергії все більш привабливою. Мембрани, які можуть живити внутрішні медичні пристрої, дороги, які самі освітлюються, і більш ефективні вітрові турбіни. це лише кілька прикладів у зростаючому списку застосувань.

Підтримайте Happy Neuron, натиснувши на посилання нижче:

П’єзоелектрика: використання кроків громадян для виробництва електроенергії

П’єзоелектрика, разом з фотоелектрикою, розглядається як один з варіантів з найбільшим потенціалом у виробництві міської енергії. Розподілена, чиста, вона використовує механічну енергію громадян під час ходьби для живлення всіх типів міських елементів, від освітлення до периферійних обчислювальних пристроїв або IoT. Зі зростанням споживання енергії, Це ще один спосіб задовольнити попит на електронні компоненти з низьким споживанням.

Що таке п’єзоелектрика і з чого вона складається?

П’єзоелектрика. це фізичне явище, завдяки якому механічно напружені кристали генерують різницю потенціалів. Кварц. один з таких п’єзоелектричних кристалів. При стисканні та розтягуванні він створює невелику різницю електричних потенціалів між своїми кінцями, переставляючи свої заряди. Якщо між ними з’єднати кабель, між ними може утворитися корисний мікрострум.

Хто відкрив п’єзоелектрику?

Той факт, що п’єзоелектрика все ще залишається дещо недослідженим явищем, може наштовхнути на думку, що це сучасне відкриття, і ніщо не може бути більш далеким від істини. П’єзоелектрика була теоретично обґрунтована близько двох століть тому Рене Жюстом Гаюї та Антуаном Сезаром Беккерелем після дослідження піроелектричного ефекту, за допомогою якого матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури.

Проте перша демонстрація п’єзоелектрики відбулася лише в 1880 році, коли брати П’єр і Жак Кюрі виявили, що тиск на такі кристали, як кварц, топаз, турмалін і навіть тростинний цукор, генерує електричні заряди на їхній поверхні.

Протягом багатьох років п’єзоелектрика залишалася дивиною, аж поки не розпочалася Перша світова війна, яка підштовхнула різноманітні технології до їхніх меж. Розробка гідролокаційних пристроїв, побудованих з кристалів кварцу, була одним з перших практичних застосувань для нього.

Як працює п’єзоелектрика?

Як і будь-яка інша форма електричного струму, енергія, що генерується за допомогою п’єзоелектрики, може бути використана, але її кількість дещо обмежена: вона становить близько 20 Вт (для порівняння, мобільний телефон заряджається при 15 Вт). Щоб використовувати цю електроенергію, електрогенератори повинні бути встановлені в людних місцях, наприклад, у вестибюлі будівлі, на платформі метро або в залі з тренажерами в спортзалі.

Щоб уникнути втрат на значних відстанях, енергія, що передається системою, споживається дуже близько до точки, в якій вона генерується. Часто в межах лише кількох метрів. Наприклад, він може живити сусідні телефонні пристрої.

Чи є ця технологія ефективною, оскільки вона виробляє так мало?

Правда полягає в тому, що п’єзоелектричні системи досить надійні і досить прості, щоб забезпечити високу довговічність. Крім того, енергетичні витрати на виробництво цих панелей, порівняно з більш поширеними елементами, такими як кераміка, (11).1 МДж/кг). не є високою.

Уявіть, що одна з цих панелей має звичайне бетонне покриття (1.3 МДж/кг) і важить близько 5 кг. Ці 6.5 МДж (6 500 000 Дж) здаються великими, але навіть при генерації 10 Вт (10 Дж/с) знадобиться лише 650 000 секунд, щоб амортизувати інвестиції в енергію. Це 180 годин кроків, що смішно мало в порівнянні з роками або десятиліттями, які вони можуть прослужити.

Так, цей розрахунок повинен включати механічні та металеві частини, що, можливо, подвоїть або потроїть кількість годин амортизації. Але вони все ще набагато нижчі за термін служби генератора. Це варіант розумного міста.

Для чого можна використовувати п’єзоелектричну енергію?

Важливо думати про застосування з низьким споживанням. Крім того, що п’єзоелектрика використовується для запалювання запальничок, вона вже застосовується в пілотних проектах, в яких дорожнє покриття генерує достатню кількість енергії для увімкненого освітлення (Pavegen).

Інші бренди, такі як ізраїльська Innowattech і каліфорнійська Pyro-e, видобувають енергію з руху транспортних засобів на дорозі. Система та сама, але енергію генерує автомобіль.

Роль п’єзоелектрики в сенсоризації розумних міст

Сільське середовище з невеликою кількістю населення не здається ідеальним місцем для п’єзоелектрики (в цьому випадку більше підходить сонячна підлога), на відміну від густонаселених міст.

Саме в містах, де великі дані, які пов’язують пересування громадян зі своїми послугами, особливо актуальні, де споживається найбільше даних або де існують послуги периферійних обчислень. Ці послуги, як і віртуалізовані мережі операторів, “приносять” інтернет-послуги користувачам, споживаючи їх ближче до них, а не на серверах на іншому кінці світу. І їм потрібно давати енергію.

Тонкоплівковий гнучкий п’єзоелектричний фотоелектричний елемент на основі селену

Японські вчені розробили п’єзоелектричний фотоелектричний елемент з потенційним застосуванням у приміщеннях. Вони виготовили його на гнучкій поліетилентерефталатній плівці з тонкою плівкою ZnMgO, нанесеною методом розпилення, і фотопоглинаючим селеном в якості віконного шару n-типу і шару p-типу відповідно.

Пристрій на основі гетеропереходу ZnMgO/Se має напругу відкритого контуру 0.75 V.

Image: Ritsumeikan University,

Поділитися

Дослідники з Університету Ріцумейкан в Японії створили гетероперехідний сонячний елемент на основі оксиду цинку-магнію (ZnMgO) і селену (Se).

Працює за рахунок так званого п’єзоелектричного ефекту. П’єзоелектричні матеріали широко використовуються в техніці, головним чином як приводи і датчики, що генерують і сприймають механічні деформації в матеріалах.

” Вплив п’єзоелектричних матеріалів, поляризованих механічною деформацією або вібрацією, на фотоелектричні або фотокаталітичні характеристики називається п’єзо-фототронним ефектом. кажуть вчені. “П’єзо-фототронний ефект привернув увагу для поліпшення характеристик фотоелектричних пристроїв і світлодіодів за рахунок перестановки енергетичних зон на p-n переході.”

Дослідник Тайзо Кобаяші (Taizo Kobayashi) каже, що ці елементи можна виробляти з меншими витратами, ніж тонкоплівкові сонячні елементи на основі міді, індію, галію та селену (CIGS) або перовскіту, оскільки селен p-типу, що використовується в пристроях, є недорогим елементом.

“Потенційні застосування. це тонкоплівкові гнучкі п’єзоелектричні фотоелектричні пристрої, які можуть генерувати електроенергію просто від внутрішнього освітлення, виробленого світлодіодами і компактними флуоресцентними лампами, або автономні тензометричні пристрої”. сказав Кобаяші в інтерв’ю журналу pv.

Група виготовила сонячний елемент на гнучкій плівці поліетилентерефталату (ПЕТ) з напиленням тонкої плівки ZnMgO і фотопоглинаючого селену в якості віконного шару n-типу і шару p-типу відповідно.

“Коли на шар ZnMgO, який є п’єзоелектриком, вюрцитом і напівпровідником, накладається стискаюча деформація, поблизу шару Se утворюється негативно поляризована область ZnMgO”. зазначають вчені.

Популярний контент

Поляризація зменшує зсув зони провідності (CBO) на межі розділу ZnMgO і шару Se. CBO. це енергетична різниця між зонами матеріалів при розгляді напівпровідникової гетероструктури.

“ZnO має нецентросиметричну кристалографічну структуру вюрцитового типу, яка може індукувати п’єзоелектричні поляризаційні заряди на його поверхні під дією деформації”. зазначають вчені.

Вюрцит оксид цинку (ZnO). це чудовий багатофункціональний мінерал сульфіду цинку з гексагональною структурою, відмінним набором властивостей і величезним спектром існуючих і перспективних застосувань. П’єзоелектричний шар ZnMgO деформується для негативної поляризації інтеейсу ZnMgO/Se. Як результат, позитивні п’єзоелектричні поляризаційні заряди можуть генеруватися на межі розділу між шарами ZnMgO та оксиду індію-олова (ITO). Це, в свою чергу, формує бар’єр, який полегшує збір носіїв з обох шарів через надмірну негативну поляризацію.

Вчені застосували різні рівні деформації до інтеейсу ZnMgO/Se і виміряли продуктивність комірки, щоб оцінити вплив цієї варіації. При збільшенні деформації від 0.41% до 0.На 40%, змінюючи кут вигину, напруга холостого ходу пристрою збільшилася з 0.59 В до 0.75 V. Вчені стверджують, що це відкриває шлях до значного підвищення ефективності гетеропереходів ZnMgO/Se для фотоелектричних пристроїв на основі п’єзо-фототронних ефектів.

Вони представили нову концепцію комірки в статті “Вплив п’єзо-фототронного ефекту на гетероперехідні фотоелектричні пристрої ZnMgO/Se”, яка нещодавно була опублікована в журналі Nano Energy.

“Оскільки гетероперехід ZnMgO/Se можна виготовити лише за допомогою звичайної системи розпилення та випаровування, вважається, що не важко виготовити запропонований пристрій комерційно”. сказав Кобаяші.

Цей контент захищений авторським правом і не може бути використаний повторно. Якщо ви хочете співпрацювати з нами і хотіли б повторно використовувати частину нашого контенту, будь ласка, зв’яжіться з нами за адресою: editors@pv-magazine.com.

Еміліано Белліні

єзоелектричні, найпоширеніше, невідоме, джерело, енергії, сонячний

Еміліано приєднався до pv magazine у березні 2017 року. Висвітлює теми сонячної та відновлюваної енергетики з 2009 року.

Залишити відповідь