ГБОУ Школа № 000
Использование пьезоэлектрического генератора в осветительных системах
Выполнили:
, 10Б
, 10Б
Руководитель:
,
к. ф.-м. н.
Москва
2017
Содержание
Введение ……………………………………………………….……………3
Обзор литературы……………………………………………….……….4 Открытие пьезоэффекта………………………………………….….4 Пьезокерамика………………………………..………………………5 Применение пьезокерамики…………………………………………6 Практическая часть……………………………………………………….8Заключение…………………………………………….……………………10
Список литературы………………………………………..………………..10
Введение
В настоящее время большое внимание уделяется возобновляемым источникам электроэнергии. Наиболее ярким примером таких источников являются ветрогенераторы и солнечные элементы. Ветрогенераторы строятся по всему миру, и в некоторых странах уже вытесняют традиционные источники энергии. Солнечные панели долгое время не могли похвастаться высоким КПД, однако в последнее время с развитием технологий их эффективность стремительно растёт.
Кроме таких широко известных возобновляемых источников энергии хотелось бы обратить внимание на пьезоэлектрические генераторы. Пьезоэлектрические преобразователи – это кристаллы на гранях которых при деформации появляется разность потенциалов. Эта разность потенциалов может быть использована для питания осветительных элементов, зарядки портативной техники и т. п. Долгое время их не рассматривали как достойную альтернативу. Однако с появлением весьма экономичных источников света на наш взгляд они могут стать достаточно эффективными источниками электроэнергии. Такие электрогенераторы можно, например, встроить в дорожное полотно. При движении автомобиля дорожное полотно будет деформироваться, в результате будет вырабатываться электроэнергия достаточная для освещения улицы по которой этот автомобиль движется. Другой вариант применения такого генератора – встроить такое устройство обувь, которую мы каждый день носим. При ходьбе будет вырабатываться электричество, которое будет накапливаться в аккумуляторах, а затем по мере необходимости использоваться.
Целью данной работы является создание лампы с источником питания на основе пьезоэлектрического преобразователя.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
Изучение пьезоэлектрического эффекта. Подбор доступных пьезоэлектрических преобразователей и экономичного источника света. Разработка схемы и сборка прототипа.Обзор литературы
1.1 Открытие пьезоэфекта
Пьезоэлектрический эффект был открыт Пьером и Жаком Кюри в 1880г. Эффект наблюдался в некоторых природных кристаллах, например, кварц, турмалин и др. Если из таких кристаллов определённым образом вырезать пластинки, то при сдавливании или растяжении на их поверхности появляется электрический заряд. Этот эффект получил название пьезоэлектрического от греческого слова «пьезо», означающего «давить».
По сути кристалл пьезоэлектрика представляет из себя диэлектрик, т. е. он не проводит электричество. Структура такого кристалла состоит из электрических диполей (рис. 1.), которые и исходном состоянии скомпенсированы. Если же деформировать такой кристалл, то происходит искажение его кристаллической структуры и появляются некомпенсированные заряды. Если на поверхность такого кристалла нанести электрические контакты, то на них появиться разность потенциалов. И эту разность потенциалов можно использовать для питания электрических схем.
Рис. 1. Пьезоэлектрический эффект в кварце.
Выделяют прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.
Прямой пьезоэлектрический эффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.
Обратный пьезоэлектрический эффект – это процесс деформации пьезоэлектрика под действием приложенного напряжения в зависимости от полярности.
Если на пьезоэлемент подать переменное напряжение, то, за счет обратного пьезоэффекта, он будет изгибаться, т. е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в механическую с соответствующей частотой. При этом частота таких колебаний будет максимальна на резонансной частоте пьезоэлемента (когда частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки).
ПьезокерамикаВпервые пьезокерамический материал был получен в 1944 г. советским учёным , который обнаружил сегнетоэлектрические свойства керамики на основе титаната бария. Практически в то же время похож ие свойства титаната бария были обнаружены исследователями из американски и япониии.
Пьезокераммика — материал, изготовленный в определённых условиях, имеющий поликристаллическую структуру и обладающий пьезоэлектрическими свойствами.
Пьезокерамические материалы изготавливают из оксидов некоторых металлов с последующим отжигом, применяемым при производстве керамики. По этой причине такие пьезокерамические материалы относят к семейству керамики.
По своим физическим свойствам пьезокерамика — это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение в виде порошка. Размер частиц в таком порошке обычно от 2 до 100 мкм. Каждое отдельное зерно представляет из себя сегнетоэлектрический кристалл. По своему химическому составу пьезокерамика — сложный оксид, обычно включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырёхвалентного титана или циркония. Изменяя соотношение компонентов и внося различные добавки, получают пьезокерамики с заданными физическими и пьезоэлектрическими свойствами.
Основу большинства современных пьезокерамических материалов составляют смеси титаната — цирконата свинца, модифицированные различными примесями. Выпускаются также пьезокерамические материалы и на основе титаната бария, титаната свинца, метаниобата свинца, титаната висмута и др.
По сравнению с монокристаллическими пьезоэлектриками (кварц, сегнетовая соль), Пьезоэлектрики из керамики сравнительно проще в изготовлении, дешевле и есть возможность получить более выраженные пьезоэлектрические свойства. Из пьезокерамики изготавливают элементы различной геометрии — диски, плоские платины, цилиндры, трубки, сферы и многие другие, которые невозможно сделать из монокристаллов. Пьезокерамика широко используется для создания различных датчиков (ускорения, давлений) пьезотрансформаторов, пьезорезонансных фильтров, мощных излучателей ультразвука и прецизионных двигателей. Пьезокерамики устойчивы к механическим нагрузкам и работают в широком интервале температур и влажности.
Применение пьезокерамики.Пьезоэлектрические материалы применяются во многих областях, таких как медицинские инструменты, для контроля промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, измерительных приборах и др. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т. д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. Область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлементов обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.
Сенсоры представляют из себя пьезоэлектрические материалы преобразуют физические величины (ускорение, давление, вибрация) в электрический сигнал.
В силовых приводах (пьезодвигатели), пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение с прецизионной точность. Пьезодвигатели широко используются в системах автофокусировки оптики, и различных микромеханических устройствах. Отдельно хочется отметить применение пьезокерамических двигателей в современных зондовых микроскопах для высокоточного позиционирования зондов, что позволяет получать изображение о топографии и свойствах поверхности с атомарным разрешением.
Пьезоэлектрические преобразователи могут, генерировать звуковой сигнал из электрического, а также выполнять обратные преобразования и конвертировать приходящий механический сигнал в электрический. Существуют пьезоэлектрические приборы для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики.
Генераторы на основе пьезоэлектриков могут выдавать напряжение достаточное для возникновения искры между электродами, что используется для воспламенения топлива (например, в газовых плитах, всарочных аппаратах или двигателях автомобилей). Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Кроме того, такие генераторы могут быть использованы в качестве возобновляемых источников питания, преобразующих механическую энергию в электрическую.
В данной работе нами предлагается использовать элементы из пьезокерамики в качестве генераторов в осветительных устройствах.
Практическая часть
Одним из наиболее эффективного пьезокерамического материала на сегодняшний день является ЦТС (керамика на основе цирконата свинца). Этот материал получил наибольшее распространение вразличных областях технике, например, в качестве пьезоизлучателей.
Изучив различные пьезоэлементы, мы пришли к выводу что наилучшим будет пьезокерамический звонок, применяющийся для воспроизведения звука. Один такой пьезоэлемент выдаёт сравнительно небольшой ток – десятые доли миллиампера, и напряжение порядка 10-15 В. Для питания же одного светодиода требуется ток в 5-10 миллиампер.
Для того, чтобы получить больший ток было решено использовать сборку из нескольких пьезоэлементов. Чтобы все звонки деформировались одновременно, мы решил расположить их на обычном CD-диске.
При деформировании такой системы с пьезокерамическими элементами, светодиод начинает периодически загораться.
Заключение
В работа мы показали возможность создания источника света на основе пьезоэлектрического преобразователя.
В дальнейшем мы планируем доработать схему путём установки выпрямляющего элемента, который позволит более эффективно использовать вырабатываемую энергию. А также накопитель в виде конденсатора или ионизатора, который будет непрерывно накапливать энергию или отдавать на питание светодиода, что позволит получить более равномерное свечение.
Список литературы
ьезоэлектрическая керамика, пер. с англ., М., 1974 Сергей Жуков «О пьезокерамике и перспективах её применения» http://pitech. ru/html. cgi/arhiv/01_01/stat-48.htm http://engineering-solutions. ru/ultrasound/piezomaterials/#piezoceramic Пьезокерамическое материаловедение. Учебное пособие. — Ростов-на-Дону, Южный федеральный университет, 2009. — 82 с.