УДК 620.9

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЬЕЗОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАЛОЙ ГЕНЕРАЦИИ

Яковлева Эмилия Владимировна1, Лаврик Александр Юрьевич2
1Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики
2Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», студент III курса кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики энергетического факультета, группа ЭРС-11-2

Аннотация
Данная статья посвящена вопросу повышения энергоотдачи фотоэлектрических элементов с помощью применения пьезоматериалов. Совместное использование фотоэлемента и пьезоматериала позволит повысить КПД установок, обеспечит некоторую электроэенергии в ночное время, во время осадков. В статье рассмотрен энергетический потенциал капель различного диаметра.

Ключевые слова: пьезоматериал, пьезоэлектрик, фотоэлемент, энергия воды, энергоэффективность


USE OF PIEZOELECTRIC MATERIAL FOR THE EFFICIENCY UPGRADING FOR SMALL GENERATION

Iakovleva Emiliia Vladimirovna1, Lavrik Alexander Urievich2
1National mineral resources university (University of Mines), PhD in technical science, assistant of the Electric Engineering, Electrical Energetics and Electromechanics Department
2National mineral resources university (University of Mines), student of III year at the Electric Engineering, Electrical Energetics and Electromechanics Department, group ERS-11-2

Abstract
This article is devoted to the question of efficiency upgrading energy efficiency of PV cells through the use of piezomaterials. Sharing photocell and piezomaterial will allow to increase the efficiency of the systems, will ensure the generation of electricity at night time, during precipitation. The article considers the energy potential drops of different diameter.

Keywords: energy efficiency, photocell, piezoelectric, piezomaterial, water energy


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Яковлева Э.В., Лаврик А.Ю. Использование пьезоматериалов для повышения эффективности малой генерации // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/05/34910 (дата обращения: 01.10.2017).

Одним из основных направлений развития науки в области использования возобновляемых источников энергии – поиск новых технологических решений, которые бы позволили увеличить эксплуатационные свойства ВИЭ-установок. Если говорить о солнечных панелях, то работа над усовершенствованием непосредственно модулей может производиться только в специализированных оснащенных лабораториях. Однако есть и другой путь, предполагающий работу с теми солнечными панелями, которые имеются на оптовом рынке. Он основан на применении новых конструкторских решений, изменении условий эксплуатации, что может повысить общий КПД установки.
Одним из направлений увеличения КПД солнечного модуля является работа по созданию максимально эффективной системы охлаждения. Это обусловлено тем, что нагрев негативно сказывается на КПД установки. Значение максимальной мощности может снижаться до 25% с увеличением температуры солнечного модуля с 0 до 90 градусов Цельсия. В некоторых модулях установлен слой «MicroVentilationTubes», служащий для охлаждения фотоэлемента.
Технологическое решение, позволяющее увеличить КПД солнечной панели – изготовление многослойных фотоэлементов. Такие элементы представляют собой конструкцию, состоящую из тонких слоёв различных материалов. Каждый слой поглощает энергию определённой длины волны – от инфракрасного до ультрафиолетового излучения [1, с.190]. Таким образом, слои подбираются с расчётом материалов, улавливающие кванты разной энергии. Теоретические подсчёты показывают, что при текущем уровне развития материаловедения как науки и производящей промышленности, реализующей её идеи, различные комбинации слоев солнечной панели могут показать КПД, доходящий до 87%. Но добиться такой энергоотдачи на практике, даже в лабораторных условиях, в настоящее время не представляется возможным; главным образом это объясняется технологической трудностью спайки слоёв, а также другими проблемами, встающими перед инженерами при работе с многослойными элементами. 
В настоящей статье рассматривается использование уникальных свойств материалов, принадлежащих классу пьезоэлектриков. 
Пьезоэлектриками называются материалы, относящиеся к классу диэлектриков, которые при действии на них деформаций индуцируют на своей поверхности электрический заряд (прямой пьезоэффект). Явление, именуемое обратным пьезоэффектом, при котором материал деформируется при помещении его в электрическое поле, также присущ пьезоэлектрикам. 
В 2007 г. группа французских учёных из Гренобля провела научный эксперимент [2, с.24]. В основе идеи было использование энергии падающих дождевых капель для выработки электричества.
Энергия воды используется в электроснабжении повсеместно, однако до сих пор попыток использования энергии дождя не предпринималось.
Рассчитать энергию дождевой капли у поверхности Земли можно следующим образом.
При мелкой мороси диаметр капель составляет около 0,5 мм. Скорость капли у земной поверхности составляет 2-6 м/с. Принимая за расчётное значение  м/с, используем формулы (1) для вычисления объёма, (2) для вычисления массы, (3) для вычисления объёма.
(1)
(2)
(3)
Аналогичный расчёт был произведён для дождевых капель среднего и большого размеров (соответствует небольшому дождю и ливню). Результаты приведены в Таблице 1.

Таблица 1 – Результаты расчета
, мм , м/с E, мкДж
Морось 0.5 2 0.5
Небольшой дождь 2 3 19
Ливень 4.5 20 1000

Из результатов расчёта видно, что при мелкой мороси каждая капля при ударе обладает энергией порядка 0.5 мкДж. Расчёт энергии дождевой капли небольшого дождя и ливня даёт многократно большие значения энергии, что обусловлено кубической зависимостью массы капли от ее радиуса и квадратичной зависимостью энергии от скорости падения (для расчётов взята среднестатистическая скорость падения дождевых капель) – это 19 мкДж при небольшом дожде и около 1 мДж при сильно ливне. 
Применив компьютерное моделирование, французские исследователи выяснили, что при диапазоне диаметров дождевых капель наиболее эффективно применять пластину пьезоматериала толщиной 25 мкм. Для опыта применили тонкую узкую пластину длиной 10 см, изготовленную из поливинилиденфторида (ПВДФ, или фторопласт), над которой разместили специальные капельницы, которые могли регулироваться таким образом, чтобы смоделировать реальные размеры и скорости падения капель. Каждая дождевая капля при соударении с пьезоэлектриком произвела от 1 нДж до 25 мкДж энергии. Это соответствует приблизительно 1 мкВт энергии для самых маленьких капель, что достаточно для передачи 1 бит информации на расстояние 10 м по воздуху [2, с.31]. 
Выход энергии много меньше аналогичного показателя солнечного элемента. Однако установка, вырабатывающая энергию с помощью дождя, обладает следующим преимуществом – она может работать ночью. При этом следует иметь в виду, что и эффективность солнечной панели резко падает при пасмурной погоде, когда идёт дождь. Эти зависимости легли в основу исследований о возможности совместного использования фотоэлектрических элементов и пьезогенераторов.
Пьезоустановка для получения электричества состоит из пьезоэлектрического материала, с двух сторон плотно прижатого электродами. При деформировании пластины, например, дождевыми каплями, на поверхности пьезоматериала индуцируется заряд, снимаемый с двух проводящих пластин. 
При использовании её совместно с солнечными модулями необходимым условием является то, что проводящий материал, плотно прилегающий к плёнке с обеих сторон, также был прозрачным. Такие материалы существуют и используются в электронике (например, в сенсорных экранах). К таким материалам относится оксид индия (I) InO2, оксид олова (IV) SnO2. В электронике часто используется оксид индия-олова, в котором индий и олово содержатся в соотношении 9 к 1. 
Кроме того, науке известен еще один материал– графен. Углеродная плёнка из него прозрачна, имеет толщину всего в один атом, а также обладает очень большой теплопроводностью. Полученный только в 2004 г, графен еще мало изучен и представляет собой большой интерес. В перспективе он тоже может быть использован в качестве прозрачного проводника для пьезогенератора. 
Таким образом, совместное использование пьезоплёнки и солнечной панели, при котором панель будет покрыта пьезоматериалом с электродами, позволит повысить КПД установки во время пасмурной погоды с осадками. Наименее эффективны в таких погодных условиях монокристаллические фотоэлектрические панели, и испытания с пьезоплёнкой необходимо начинать производить именно с ними.


Библиографический список
  1. Яковлева Э.В. Эффективность применения электротехнического комплекса с фотоэлектрической станцией прямого преобразования солнечной энергии на территории республики Татарстан / Э.В. Яковлева // Естественные и технические науки / М. Изд-во «Спутник +». №1. 2013. С. 189-192.
  2. Gomm H. Making every shower an electric storm. / H.Gomm // New Scientist. – 2008 – 23.01.


Все статьи автора «Яковлева Эмилия Владимировна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: