Применение пьезоэлектрического эффекта

Технология основанная на принципе, называемом пьезоэффектом, при котором определенные материалы обладают способностью накапливать электрический заряд от приложенных к ним давления и деформации может  использоваться для производства электроэнергии.

Пьезоэлектричество относится к способности некоторых материалов генерировать электрический потенциал в ответ на приложенное давление. Встроенный пьезоэлектрический материал может обеспечить магию преобразования давления, оказываемого движущимися людьми или машинами, в электрический ток из-за давления, приложенного к пьезоэлектрическому материалу.

Исследование пьезоэлектрического материала

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году, которые наблюдали, что некоторые материалы  генерируют электрический ток, когда они деформируются. Материал, который преобразует механическую деформацию или силу в электрический ток или напряжение, известен как пьезоэлектрический эффект.

Повседневными примерами силы или напряжения являются человеческие движения, а вибрации-различные виды механических напряжений. При определенном расположении молекулы прижимаются друг к другу, близость одного атома к другому изменяется настолько, что происходит изменение конфигурации электронов валентности. Когда давление ослабляется, электроны возвращаются на свои прежние места. Если к пьезоэлектрическому материалу  соединить провода, то электроны могут быть использованы для создания тока. Пьезоэлектрический материал чаще всего состоит из цирконата титаната свинца.

Пьезоэффект существует в двух свойствах:

  •  во-первых, пьезоэффект является обратимым процессом в том смысле, что материалы, проявляющие прямой пьезоэффект (внутренняя генерация электрического заряда в результате приложенной силы)
  • во-вторых, он также проявляет обратный пьезоэлектрический эффект (внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля).

Пьезоматериалы в напольной плитке

В этих типах применения используется специальные напольные плитки, которые могут ощущать вибрацию, под которыми помещаются пьезоэлектрические материалы. Когда любое движение ощущается этим пьезо, они генерируют электричество. Эти типы напольных покрытий устанавливаются в местах, где ожидаются большие движения толпы людей, таких как железнодорожный вокзал, автовокзалы, аэропорты, торговые центры, пешеходные дорожки и т. д..  Когда люди наступают на такую напольную плитку, то за счет пьезоэлектрического эффекта накапливается небольшой заряд и генерируется энергия. Сгенерированная энергия на одного человека мала, но если количество шагов на таких плитках разных людей большое, то энергия, производимая ею, увеличивается.пьезоэлектрический эффект

Когда человек ступает по таким плиткам, пьезоэлектрический кристалл под плитками ощущает некоторое механическое напряжение, и это заставляет электрический заряд накапливаться на поверхности кристалла, который может быть собран с помощью электродов. Генерируемая энергия может храниться конденсатором, и эта энергия может быть передана в соответствии с требованиями.

Япония уже начала экспериментировать с использованием эффекта пьезоэлектрика  для выработки энергии. Они установили специальные напольные плитки на двух самых загруженных станциях столицы. Плитка была установлена перед билетными турникетами. Таким образом, каждый раз, когда пассажир ступает на определенное место, то он вызывают небольшую вибрацию, которая может быть сохранена в виде энергии.

Дорога для питания уличных фонарей

Строительство специальных типов дорог, которые вырабатывают электричество, просто проезжая по ним. С помощью трафика по существующим  дорогам можно генерировать электрическую энергию с помощью пьезоэлектрического эффекта. дорога генерирует энергию План строительства специальных типов дорог, генерирующих электроэнергию, является уникальным приложением в методологии сбора электроэнергии. Эта система работает путем встраивания небольших пьезоэлектрических кристаллов в дорогу. Хотя небольшой заряд генерируется одним автомобилем, но 1-километровый участок такой дороги может генерировать около 400 Вт – достаточно для питания уличных фонарей. Если бы такая система была установлена на одном очень длинном участке автострады, она бы вырабатывала достаточно энергии для автозаправки.

На шоссейных дорогах трафик постоянен в течении 24 часов в сутки. Общую силу, оказываемую движением автомобилей по дорожному покрытию можно рассчитать, рассматривая среднее количество транспортных средств, проходящих через определенную точку, за период времени. В ходе обследования в стране  Израиль установлено, что транспортное средство весом около 5 тонн может генерировать 2000 Вт, а 1-километровый кластер таких генераторов может генерировать энергию 400 кВт * ч. Если по этой дороге в течение часа проезжает 600 автомобилей, то она может питать до 600-800 домов.

Танцполы

Пьезоэлектрический эффект также можно использовать на танцплощадках, как и на дорогах и железнодорожных станциях. Когда пол сжимается ногами танцоров, пьезоэлектрический материал вступает в контакт и генерирует электричество около 2-20 Вт. Выработка электричества зависит от силы ног. Постоянное сжатие пьезокристаллов вызывает выработку небольшого количества энергии, которая может запитать размещенные маломощные устройства.

Пьезоэлектрогенерация внутри каблука обуви

Точно так же, как плитка, дороги, танцполы, предпринимаются попытки производить энергию из наших ежедневных движений, устанавливая пьезоэлектрические кристаллы  в обувь. У этих ботинок пьезоэлектрические кристаллы размещаются с задней стороны обуви около пятки. пьезоэлектрический эффект Таким образом, с каждым шагом пьезоэлектрический кристалл будет проходить через давление, которая, в свою очередь, может генерировать достаточно энергии для питания сотовых телефонов.

Если эти ботинки будут проходить через движения ежедневно, то они смогут генерировать достаточно электричества, чтобы зарядить небольшие электронные устройства или гаджеты.

Выработка энергии с пешеходных дорожек

Пешеходная дорожка – это самое распространенное место, где мы вставляем пьезоэлектрические плитки, чтобы произвести небольшое количество энергии, используя человеческий шаг по ней. Произведенный заряд хранится в батарее, а затем этот накопленный заряд можно использовать для зарядки маломощных электронных устройств.

Железнодорожные пути

Железнодорожные пути являются важным местом, которое отвечает за выработку большой энергии, так как огромное количество давления оказывают поезда на железнодорожные пути. Встроенные пьезоэлектрические кристаллы на железнодорожных путях, где колеса соприкасаются с рельсами получают избыточное давление за счет массы составов, из-за этого накапливается большее количество энергии.

Энергогенерирующая взлетно-посадочная полоса аэропорта

В большом количестве давление оказывается на взлетно-посадочные полосы, когда самолет взлетает или садится. Если мы поместим здесь пьезоэлектрические устройства, то сможем преобразовать эту механическую энергию. Эффективность системы может быть повышена путем размещения штабелированной структуры, которая состоит из нескольких слоев пьезоэлектрических кластеров и обладает способностью выдерживать огромное количество давления. Максимальная взлетная масса для самолета Аirbus (A380) это 560 тонн, которые могут вырабатывать 224 КВт, так что если учесть общее количество посадок на взлетно-посадочную полосу, то можно было бы произвести большое количество энергии. Можно было бы произвести почти 8138 кВт * ч энергии, которая может питать до 12207-16276 домов.

Школы, колледжи, торговые центры и спортивные залы

Наличие пола из пьезоэлектрического материала заставит производить больше энергии в торговых центрах и школах. Мы можем встроить пьезоэлектрик в торговые центры и школы. Идея использования вибраций, вызванных машинами в тренажерном зале и на рабочих местах, а также сидя на стуле, эта энергия может быть сохранена в батареях, поместив пьезоэлектрические кристаллы в кресло.

Заключение

Это утверждение Альберта Эйнштейна верно: “Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, она может быть передана из одной формы в другую.” Этот метод получения электроэнергии с использованием пьезоэлектрического материала уже запущен во многих странах, а именно в Японии, Израиле, Нидерландах.

Использование пьезоэлектрического материала является экологически чистым и не вызывает загрязнения окружающей среды. Это недорогой способ получения электроэнергии  прост в установке.

В будущем этот метод станет перспективным для получения экологически чистой электроэнергии.