Самодельный пьезоэлемент. Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение. Применения и особенности

Многим людям знакомы пьезоэлементы, называемые иногда пищалками. Они не предназначены для генерации электричества, но подходят в учебных целях для демонстрации эффекта. Простые и дешевые. Если припаять светодиод и тихонько постучать, то получается яркое свечение. А если поставить диодный мостик, то отбор электричества можно удвоить. Только у них мизерный, но для светодиодов в самый раз. Если поставить параллельно конденсатор с выключателем, электроэнергию можно накапливать и использовать в нужный момент. Получается генератор тока. Но главная проблема в том, где взять механическую энергию для деформации пьезокристалла, чтобы не стучать пальцем. И желательно с более высокой частотой.

Пьезоэлементы продаются можно приобрести в интернет-магазине и очень дешево, от 40 рублей за 10 штук. Для экспериментов самое то.

Сразу подумал о звуковых колебаниях. И даже собрал маленький термо звуковой генератор из пробирки. Но несмотря на громкий звук, напряжение на кристалле было крайне низким. Для хорошего эффекта нужна более сильная деформация, например можно наклеить пьезоэлемент на линейку. Заставить вибрировать. Вот это уже другое дело! Теперь бы еще найти дармовой источник энергии для таких колебаний. Но может быть ветер.

Однако потом пришла другая идея. Заламинировал пьезоэлемент скотчем с обеих сторон, припаял длинный провод, поставил мостик и четыре светодиода. А потом опустил в ванную под тонкую струю воды, которая разбивается на капли перед самым падением на пьезоэлементе. Получилось вполне неплохо, учитывая невысокую кинетическую энергию капель. Если разместить много таких элементов на крыше дома, то хороший дождь мог бы генерировать неплохое количество электроэнергии.

Но есть ещё один интересный способ получить механические колебания. В одном из роликов автор канала показывал самобеглый шарик. Если его разогреть и просто положить на сверх ровную поверхность, а лучше в небольшую канавку, то он начинает вибрировать или подпрыгивать. Причём с высокой частотой. Получается термогенератор, который вполне можно скрестить с пьезоэлементом. Хотя вертикальное расположение не самое удачное. Ведь шарик подпрыгивает не на одной точке, а перепрыгивает с одной на другую. А это уже горизонтальное движение.

Идеально было бы подвесить его между двумя свинцовыми конусами, направленными друг к другу своими вершинами. А уже в основании этих конусов поставить пьезоэлементы. И всё это на жестком основании. Шарик бьется между вершинами конусов и превращает механическую энергию в электрическую. Возможно, вы знаете какие-то другие источники механических колебаний, напишите в комментариях.

Видео канала “Игорь Белецкий”.

Прислал:

Самодельные стельки с пьезоэлементами, которые вырабатывают электричество для питания гаджетов.

Ценю в людях честность, открытость. Люблю мастерить разные самоделки. Нравится переводить статьи. Ведь, кроме того, что узнаешь, что то новое еще и даришь людям возможность, окунуться в мир самоделок.

Знаете ли вы, что можно производить электричество при ходьбе? В данной статье описывается научный эксперимент, который наглядно демонстрирует секрет обувных стелек , с помощью которых можно заряжать USB-устройства.

Задача состоит в том, чтобы сделать стельки, которые смогут производить достаточно электроэнергии для зарядки аккумуляторов.

Стельки , что генерируют электроэнергию – мой первый концептуальный проект. Первый прототип был построен более 5 лет назад. Он состоял из двух пластиковых прокладок, в которых было зажато два пьезоэлектрических диска. Система производила достаточное количество энергии для зарядки Nokia 3310.

Спустя 5 лет я вернулся к этой идее. Для усовершенствования решил интегрировать в систему контроллер заряда и батарейный блок. Кроме того увеличил число дисков на 2 пары. В конце концов, чем больше, тем лучше.

Концепция проекта.

Пьезоэлектричество было открыто в середине 18 века . Эффект заключается в следующем: электрический заряд накапливается в некоторых твердых материалах , таких как: кристаллы, некоторые виды керамики, в ответ на приложения механической нагрузки. Звучит невероятно!

Насколько это, возможно, в своих проектах я пытайтесь избегать использованию динамо. Динамо-машины вырабатывают гораздо больше электроэнергии, но от них много шума.

Хотя это и звучит смешно, но добыча электроэнергии из стелек – далеко не шуточное занятие. К примеру, обувная компания Nike, могла бы использовать стельки для обеспечения электроэнергией фитнес-чипы (внутри обуви), которые бы синхронизировались с телефоном по беспроводной сети.
Таким образом, отпала бы необходимость заряжать смарт-обувь.

Статья показывает, как сделать своими руками электрогенератор с использованием пьезоэлектрических элементов. Шаг 1: Научная часть проекта

Вопросы, которые меня беспокоили.

Почему бы не использовать традиционные возобновляемые источники энергии? Пьезоэлектрика развивается не так быстро, как солнечная энергетика. Но любой изобретатель трепещет перед мысль об открытии нового источник возобновляемой электроэнергии. Скрывать генераторы в обуви, на первый взгляд может показаться сумасшедшей идеей, но не все так просто, как кажется на первый взгляд. Эти тонкие стельки-генераторы вырабатывают достаточно энергии, для зарядки устройств, что потребляют низкую величину тока.

Проблемы.

Угольные электростанция являются наиболее распространёнными источниками электроэнергии на Филиппинах и во всем мире. Поэтому страны мира ищут альтернативные источники электроэнергии. Большинство неразвитых районов не имеют возможности подключится к электросети. Однако, люди нуждаются в возможности заряжать мобильные телефоны и другие устройства, что питаются от аккумуляторов.

Последние годы, мои научные эксперименты касались в основном возобновляемых источников электроэнергии. Первым экспериментом стал маленький автомобиль на солнечной батарее. На последующих научных ярмарках были представлены эксперименты, что были связаны с солнечной, ветро-, гидро- и химической энергией.

Моей целью было найти новый источник энергии, что не зависел бы от погодных явлений. Пройдя через сотни статей, что связаны с альтернативной энергетикой и выполнив десятки экспериментов, однажды, сказав себе, что просто скопировать или взять за основу чужую идею – это не мой путь. Я как настоящий изобретатель, должен придумать и построить все с самого нуля.

Вопросы для размышления .

• Хватит ли энергии для обеспечения питанием карманных устройств?


• Будет ли, производится достаточно энергии для зарядки USB устройств?


• Можно ли выйти на стандарт питания USB?


• Можно ли подключить светодиодную сборку?

• Установка в обувь и одежду модулей для зарядки устройств;


• Питание GPS модулей, что помогут отслеживать путешественников в отдаленных уголках планеты, в случае пропажи туристов в пустыне, лесу и т.д.;


• Отлично подходит для областей планеты, где электроэнергия в дефиците.

В проекте использовались пьезоэлектрические технологии. Некоторые материалы обладают способностью накапливать электрический заряд под воздействием механических сил. В качестве примера выступают несколько видов керамики, сегнетовой соли, а также другие различные виды твердых частиц. Для примера: PbO3 где, 0≤x≤1, также называется Цирконат-титанат-свинца (PZT ), генерирует измеряемое электричество, когда его структура деформируется примерно на 0,1% от первоначального размера.

В этом проекте величина генерируемой электроэнергия будет определяться и записываться, для того, чтобы в дальнейшем определить, возможно ли заряжать литий-ионный аккумулятор или конденсатор большой емкости.

Пьезоэлектрический эффект, с помощью которого материал генерирует электрический потенциал был изучен Карлом Линнем и Францом Эпинуса в средине 18 века. Опираясь на эти знания Рене Жюст Гаюи и Антуан Сезар Беккерель предложили зависимость между механическими нагрузками и электрическими зарядами. Однако их эксперименты потерпели неудачу.

Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была представлена в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они объединили свои знания пьезоэффекта с пониманием основ кристаллических структур. Синтез подобных знаний позволил предсказать поведение кристалла и продемонстрировать эффект возникновения электричества используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и сегнетовой соли (тартрат тетрагидрата калий натрия). Самый лучшей результат был получен при использовании кварца и сегнетовой соли.

Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации (изменение формы сильно преувеличено). Однако Кюри не стали прогнозировать обратный эффект. Обратный эффект был выведен математически из принципов термодинамики Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и отправились на получение количественного доказательства полной обратимости электро-упругой-механической деформации в пьезоэлектрических кристаллах.

В течении следующих нескольких десятилетий, пьезоэлектричество оставалось чем-то вроде лабораторного любопытства. Много роботы было проделано для определения и исследования кристаллических структур, которые накапливают электричество. Это привело к тому, что в 1910 году был опубликован труд, в котором описывались более 20 природных кристаллов, что способны генерировать электроэнергию, строго определены константы и т.д.

Метод/тестирование.

Описан в шагах 3 и 14.

Результаты.

Система была подключена к компьютеру через встроенный TTL , что использовался для создания последовательной связи между Arduino и ПК. Полученная связь использовалась для наблюдения за аналоговым входом, через который подключена стелька-генератор. Отдельная программа «processing 2.0 » использовалась для контроля пульсаций, что выходят из генератора.

Выводы/отчет.

Текущие результаты показали, что величина тока генерируемая пьезоэлементом, достаточна для зарядки литий-ионного аккумулятора. Хотя и присутствуют недостатки, текущие положительные результаты дают возможность развивать проект в дальнейшем. Генератор-стелька вырабатывает достаточно энергии, чтобы запитывать маломощные схемы, такие как микроконтроллеры и передатчики TTL Bluetooth. После всего этого, можно с гордостью сказать, что продукт готов к производству и монтажу в одежду/обувь.

Для зарядки USB устройства, одного генератора не будет достаточно.

Использование 3D печати и разработка стандартных чертежей устройства, позволят обществу повсеместно использовать описанное изобретение.

Глоссарий/ Термины с которыми Вы можете столкнутся.

• Пьезоэлектричество – это способность некоторых материалов генерировать переменный ток при
  воздействии механических нагрузок и вибрации или вибрации при
  воздействии переменного напряжения, или того и другого. Наиболее
  распространённым пьезоматериалом выступает кварц. Некоторые виды
  керамики, сегнетовой соли демонстрируют подобный эффект.


• Piezo – сокращение для пьеоэлектрики.


• Переменный ток – поток электрического заряда, периодически меняющее свое направление. Пьезоэлементы производят эти токи.


• Постоянный ток – поток электрического заряда одного направления.


• Диодный мост – состоит из 4 выпрямительных диодов, которые выпрямляют переменный ток в постоянный.


• Пьезо Диск/ Элемент/ Преобразователь – все элементы, относятся к дискретным компонентам.

Шаг 3: Материалы и инструменты

Необходимые материалы:

• батарейный блок с USB;


• Пьезоэлектрические преобразователи– 6 шт ;


• 1N4007 – выпрямительный диод – 4 шт ;


• Провод – 30 см ;


• Старая пара обуви;


• Клей.

Инструменты :

• Цифровой мультиметр;


• Мультитул (плоскогубцы, кусачки и т.д.);


• Фабричный гравер или гравер , что сделан своими руками .

Необязательно :

• Конденсатор емкостью 100 нФ (для тестирования);


• Липучка;


• Светодиодные индикаторы (для тестирования);


• Суперклей (для крепления проводов);


• Спортивная планка для смартфона;


• 5 В импульсный стабилизатор.

• Батарейный блок > старая батарея от телефона + восстановленный 5 В инвертор;


• Пьезоэлектрические преобразователи > пара старых/устаревших наушников;


• Мультитул > плоскогубцы.

Измерим размер и форму стельки. С помощью ножниц вырежем заготовку из пластика. Она будет основой будущей конструкции, на которой в дальнейшем монтируются пьезоэлектрические диски с дополнительными компонентами.

Толщина пластины должна быть в диапазоне 2-5 мм . Если толщина слишком большая пьезоэлемент сломается из-за большого прогиба. Если же материал будет слишком тонким, элемент не будет прогибаться в «полной мере» при этом преобразователь будет выдавать меньше энергии.

Шаг 5: Идеальный материал

Расположим 3 диска на стельке в местах, где пятка давит на подошву. После этого обведём места предполагаемой установки, чтобы зафиксировать их для дальнейшей работы.

Основываясь на концепцию проекта, необходимо было найти пластину в 2-5 мм толщиной, при этом она должна была быть легкой и жесткой, способной выдержать постоянные нагрузки на изгиб. Металлы слишком жесткие, а углеродное волокно слишком тонкое. После экспериментов с большим количеством материалов выбор пал на ПВХ .

ПВХ материалы вокруг нас. Их можно приобрести в ближайшем строительном магазине или попросить у соседа, что недавно делал ремонт и менял сантехнику. Мне повезло, в гараже было полно труб квадратного сечения.

Шаг 6: Вырезаем отверстия ПВХ колодок

На этом этапе следует сделать круглые отверстия в пластиковых стельках. Вырезаем отверстие с помощью гравера. Если же у вас есть сверло нужного диаметра, то задача упрощается. Также можно воспользоваться «старомодным способом», нагревать железный гвоздь и плавить пластик.

Шаг 7: Приклеиваем пьезоэлементы

Крепление дисков должно выдержать многократные изгибы, так как на них будут наступать неоднократно. Не используйте суперклей! При засыхании он твердеет и не проявляет гибкость соединения. Лучшим вариантом в данном случае выступает резиновый клей . Его особенность поддаваться воздействие будет идеальна для проекта.

Шаг 8: Спаиваем пьезоэлементы

Спаиваем элементы параллельно. Не припаивайте их последовательно, так как величина тока вырастит, а напряжения – упадет.

Шаг 9: Изготавливаем диодный мост

Следуем приведенной схеме . Переменный ток не имеет полярности, можно припаивать пьезоэлементы в любом варианте. Нагрузкой (на схеме резистор) будет выступать заряжаемое устройство.

Шаг 10: Добавляем пену

Приклеим небольшие куски пены в центр дисков, они будут выступать в качестве толкателей. С их помощью можно будет выжимать диски во время ходьбы.

Шаг 11: Наблюдение и тестирование

Наконец настало время проверить всю теории в практике. Подключим цифровой мультиметр в режиме амперметра, включив 2-значный диапазон измерения постоянного тока. Помните, что ток в элементах образуется в момент нажатия и держится короткий период времени. Поэтому для более читабельных показаний воспользуемся конденсатором на 100 нФ .

Показания вольтметра:

Нажатие рукой = 15.03 В (2 mA);

Прогулка = 18.53 В (5 mA);

Бег = 27.89 В (11 mA);

Шаг 12: Устанавливаем стельки

Устанавливаем генератор между колодкой и стелькой.

Шаг 13: Добавим батарейный блок

Генератор в пиковых значениях выдает до 28 В . Хотя значение тока и небольшое, но напряжение вполне в состоянии повредить устройство, питающееся от 5В.

Примечание : для безопасной работы устройства необходимо поставить понижающий блок до 5 В.

Шаг 14: Будущие прототипы

Вот такая получалась необычная самоделка . Приятной всем прогулки.

Тонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Пешеходы на тротуарах, эскалаторах метро, которые заряжают через пьезо преобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие мегаватты электроэнергии, которой хватает для целых городов и поселков.

Фантастика? К сожалению, пока да, и таковой может остаться. Есть большая вероятность, что скоро закончится ажиотаж вокруг сенсационных сообщений о чудесных перспективах генераторов энергии на пьезоэлементах . А мы будем опять мечтать о безопасной, возобновляемой и, что греха таить, дешевой электрической энергии, полученной с привлечением других явлений. Ведь список физических эффектов замечательно велик.

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году и с тех пор получило широкое распространение в радиотехнике и измерительной технике. Заключается оно в том, что усилие, приложенное к образцу пьезоэлектрического материала, приводит к появлению на электродах разности потенциалов. Эффект обратим, т.е. наблюдается и обратное явление: прикладывая к электродам напряжение, образец деформируется.

В зависимости от направления преобразования энергии пьезоэлектрики делятся на генераторы (прямое преобразование) и двигатели (обратное) . Термин “пьезогенераторы” характеризует не эффективность превращения, а только направление преобразования энергии.

Именно первым явлением, связанным с генерацией электричества при механическом воздействии , заинтересовались в последние годы инженера и изобретатели. Как из рога изобилия, посыпались сообщения о возможностях получения электрической энергии, утилизируя уличный шум, движение волн и ветра, нагрузки от перемещения людей и машин.

Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов. Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.

В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и...продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».

Сравнительно недавно взорвало мировую общественность сообщение об испытаниях систем получения энергии от движущегося автотранспорта. Израильские ученые из небольшой фирмы Innowattech подсчитали, что 1 километр автобана может генерировать электрическую мощность до 5 МВт. Они не только выполнили расчеты, но и вскрыли несколько десятков метров полотна автострады и смонтировали под ним свои пьезогенераторы. Казалось, что наконец наступил прорыв в области альтернативной энергетики. Но в этом возникают серьезные сомнения.

Рассмотрим подробней физику процессов, происходящих в пьезоэлектрике. Для знакомства с принципами генерации энергии пьезоэлектрическими материалами достаточно понимания нескольких базовых механизмов. При механическом воздействии на пьезоэлемент происходит смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Это смещение приводит к возникновению электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на электродах пьезоэлемента.

В отличие от обычного конденсатора, обкладки которого могут сохранять заряды достаточно долго, индуцированные заряды пьезоэлемента сохраняются только до тех пор, пока действует механическая нагрузка. Именно в это время можно получить от элемента энергию. После снятия нагрузки индуцированные заряды исчезают. По сути, пьезоэлемент является источником тока ничтожной величины, с очень высоким внутренним сопротивлением.

Из обилия технических характеристик пьезоматериалов нам понадобятся всего несколько. Это значение пьезоэлектрического модуля, которое для распространенных (а иных пока промышленность не выпускает) пьезоэлектриков составляет от 200 до 500 пикокулон (10 в минус 12 степени) на ньютон, и характеризует эффективность генерации заряда под воздействием силы.

Эта характеристика не зависит от размеров пьезоэлемента, а полностью определяется свойствами материала. Поэтому пытаться делать более мощные преобразователи за счет увеличения геометрических размеров бессмысленно. Емкость обкладок пьезоэлемента зажигалок известна и составляет около 40 пикофарад.

Рычажная система передачи усилия на пьезоэлемент создает нагрузку приблизительно 1000 ньютонов. Зазор, в котором проскакивает искра - 5 мм. Диэлектрическую прочность воздуха принимаем 1 кВ/мм. При таких исходных данных зажигалка генерирует искры мощностью от 0,9 до 2,2 мегаватта!

Но не стоит пугаться. Длительность разряда составляет всего 0,08 наносекунды, отсюда такие огромные значения мощности. Подсчет же суммарной энергии, генерируемой зажигалкой, дает значение всего 600 микроджоулей. При этом КПД зажигалки, с учетом того, что механическое усилие через рычажную систему полностью передается пьезоэлектрику, составляет всего... 0,12%.

Предлагаемые в разных проектах схемы извлечения энергии близки к режимам работы зажигалок. Отдельные пьезоэлементы генерируют высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, и ток поступает на выпрямитель, а затем в накопительное устройство, например, ионистор. Дальнейшее преобразование энергии стандартно и интереса не представляет.

От зажигалок перейдем к задаче получения энергии в промышленных масштабах. Пусть будут использованы наиболее эффективные элементы, генерирующие 10 милливатт на элемент. Собранные в кластеры (группы) по 100-200 элементов, они помещаются под полотно дороги. Тогда для получения заявленной величины мощности порядка 1 МВт на километр дороги потребуется всего... 100 миллионов отдельных элементов с индивидуальными схемами съема энергии. Остается еще задача ее суммирования, преобразования и передачи потребителю. При этом токи элементов, учитывая изменяющуюся нагрузку на дорожное полотно, будут лежать в диапазоне нано или даже пикоампер.

Знакомясь с подобными проектами получения энергии от пьезоэффекта, невольно напрашивается аналогия с гидроэлектростанцией, в которой турбины работают от влаги утренней росы, бережно собранной с окрестных полей.

А как же с экспериментом израильской компании? Отчет о результатах «вредительства» на полотне автострады так и не появился. А ведь впереди выполнение контракта на получении энергии с автострады Венеция - Триест, который заключила фирма Innowattech.

По этому поводу есть одна версия: это компания типа «стартап», т.е. с высоким риском инвестиционного капитала. Получив более чем скромные предварительные результаты исследователей, ее основатели решили оправдать затраченные деньги инвесторов и провернули великолепный маркетинговый ход - провели эффектное испытание с участием прессы. И весь мир заговорил о маленькой компании. И в этом шуме потерялся основной вопрос: где же мегаватты дешевой энергии?

Подводя итоги, можно сделать только один вывод: пьезоэлементы никогда не станут в промышленных масштабах. Круг их применений ограничится маломощными (микромощными) источниками питания и датчиками. А жаль, такая красивая была идея!

2 года назад

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных .

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).

Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает:

• Устройство инициирования:
• Генератор ударной волны:
• Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно:
• Электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны:
• Блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны:
• Генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.

Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:

• При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
• Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы.

Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:

• Движение волн и ветра.
• Воздействие уличного шума.
• Нагрузки от перемещения машин и людей.
• Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности

На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов в:

• Пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
• Качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
• Контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
• Датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.

Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться в:

• Пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
• Системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
• Излучателях гидролокаторов (сонарах).
• Ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
• Пьезоэлектрических двигателях.
• Струйных принтерах для подачи чернил.
• Адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются в:

• Датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
• Ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
• Приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
• Пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
• Кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Достоинства и недостатки

Среди преимуществ пьезогенераторов можно выделить:

• Длительный срок службы.
• Небольшие габариты.
• Мобильность.
• Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды.
• Независимость от погодных и природных условий.
• Не требует выделения дополнительных площадей.
• Широкая применяемость пьезогенераторов в самых разных устройствах.
• Отличное решение в качестве источника электрических зарядов, контроля изоляции, источника высокого напряжения с целью воспламенения и многих других. В некоторых случаях применение пьезогенераторов целесообразно в качестве микромощных источников питания. Максимальное напряжение, которое могут выдавать пьезогенераторы, в большинстве случаев не превышает 1,6 В, чего вполне хватает для небольших источников света, мобильных плееров или мобильных коммуникационных аппаратов.

Среди недостатков пьезогенераторов можно выделить:

• Небольшой ток. Пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии.
• Выработка электрического заряда только в момент механического воздействие. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов. В результате конструкция усложняется, а значит, утрачивает свою надежность.
• На текущий момент времени пьезогенераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.

Перспективы

• Развитие технологий в ближайшем будущем позволит использовать пьезогенераторы мощности в случае невозможности применения солнечных батарей. Они смогут эффективно заменить их, для этого потребуется энергия ветра, моря или мускул. Вырабатываемой энергии вполне будет хватать для зарядки аккумуляторов планшетов, ноутбуков и возможно для питания целого дома.
• Сегодня проводятся опыты по созданию систем с пьезогенераторами, которые могли бы получать энергию от движущегося автотранспорта. По подсчетам ученых километр автобана способен генерировать электрическую мощность, равную 5 МВт. Однако на текущий момент прорыв в этой области альтернативной энергетики останавливает недостаточное развитие технологий.
• В обозримом будущем будет возможно подзаряжать плеер, мобильный телефон или иное устройство, просто положив его в карман. А сердцебиение человека сможет стать источником тока, к примеру, для портативного датчика артериального давления. Подобные революционные перспективы открываются благодаря созданию плоских миниатюрных «наногенераторов», которые могут при тряске, сгибании или сжатии вырабатывать то же напряжение, что и стандартная батарейка АА.