Пьезоэлектрические дороги метод сбора энергии с использованием пьезоэлектрической технологии

Дата поступления: Дек 31, 2015 Принята Дата: 22 марта 2016 г. Дата статьи: 25 марта 2016 г

Аннотация

Цель этой статьи — оценить функциональность пьезоэлектричества на дорогах для утилизации энергии, получаемой от двигающихся ТС. Энергия превращается в электроэнергию при помощи пьезоэлектрической технологии для замены ископаемого топлива в уличных фонарях. Способность к жизни такой технологии появляется, поскольку ископаемое топливо потребляется в избытке, что делает сложным обеспечение необходимого количества энергии в следующую эру в связи с увеличением населения. Зависимость от возобновляемых источников энергии для обеспечения более большого уровня глобального использования нужна для преодоления рисков, которые связаны с ископаемым топливом. Пьезоэлектрическая дорога — это новая энергетическая развитие, обеспечивающая устойчивое решение с точки зрения внешней среды, экономики и социальных потребностей.

Ключевые слова: Пьезоэлектрические дороги; технология пьезоэлектрическая; дороги, собирающие энергию; возобновляемая энергия

Введение

Поэтапный отказ от ископаемого топлива

Поскольку интерес на ископаемое топливо со временем чрезвычайно возрастает, будущее генерации энергии с применением невозобновляемых источников энергии остановится. Такое очень большое потребление и связанные с ним опасности давят на внешнюю среду и экономику. В 2004 году уровень мирового использования невозобновляемой энергии вырос до 80% и будет продолжать расти в ближайшие 20-30 лет в связи с увеличением населения как решающего фактора.

Этот уровень приводит к резкому увеличению выбросов СО и тепличных газов в атмосферу, что вызывает боязни по поводу увеличения морского уровня, роста средней температуры и сложных атмосферных условий. Повышения спроса на энергию вызовет увеличение цен на ископаемое топливо, помогая проведению налоговой политики и, поэтому, повышению счётов за электрическую энергию для конечных потребителей. Главная и довольно важная проблема заключается в том, что ископаемое топливо, применяемое для обеспечения энергетикой последних поколений, проще говоря, исчерпаемо [1]. С другой стороны, если потребление энергии продолжает расти, то удовлетворение будущего спроса на энергию считается неразрешимой задачей. Филлипс и Мигал [2] уверяют, что энергия, извлекаемая из ископаемого топлива, расходуется в 100 000 раз быстрее, чем оно образуется. Он также говорит про то, что ресурсы ископаемого топлива, прежде всего нефти и газа, будут исчерпаны к концу 21 века [2].

Как отмечено в отчете IISD, страны "Большой семерки", группа министров финансов и управляющих центральных банков, договорились о постепенном отказе от применения нефти, газа и угля к концу 2100 года [3]. Такая форма соглашения, направленная на поиск устойчивых решений, достигнутая ведущими странами, даёт зеленый свет большим инвестиционным возможностям по всему миру. Устойчивое развитие — это просто очень короткий путь к долговременным доходам и стимул к привлечению "зеленых" для увеличения и производства продукции с чистой энергетикой [4].

Козьмин Александр — Преобразователи энергии: нанохарвестеры

Технология пьезоэлектрическая

Перенаправление маршрутов для интеграции принципа пьезоэлектрических устройств в дороги в городе немаловажна, на этом этапе. Фокусировка на переходе энергии на пьезоэлектрические объединенные дороги, метод сбора возобновляемой энергии, приводит к тому, что новое поколение энергии станет настоящим и намного надежным энергетическим источником.

Термин сбор энергии или возобновляемые источники энергии, например фотоэлектрические панели или ветряные турбины, собой представляет метод получения электроэнергии путем применения энергии внешней среды, к примеру, от солнечных лучей и ветра [5]. Однако энергия, образующаяся от самых разных вибрационных машин, объектов в движении или любых остальных источников механической энергии, не улавливается. Таким образом, данный источник энергии рассеивается и, поэтому, расходуется напрасно. В качестве хорошего способа утилизации таких потерь применяется пьезоэлектрический материал, который поглощает растраченную энергию механического типа и видоизменяет ее в электрическую [6].

Рабочий принцип пьезоэлектриков

Рабочий принцип пьезоэлектричества лежит в основе кристаллов. Как показано на рисунке 1, электрическое напряжение индуцируется, когда кристаллические материалы подвержены влиянию внешней силы, давления или деформации. Есть несколько типов природных кристаллов, найденных на поверхности или глубоко в земля, которые сегодня могут быть применены для использования эффекта пьезоэлектричества, к примеру, прозрачный кварц и амазонит. Многообразные искусственные кристаллы также появляются из химических соединений. К ним можно отнести титанат бария, титанат свинца, цирконат-титанат свинца и др. [7].

Рисунок 1: Принцип пьезоэлектрического эффекта [7].

Результативность пьезоэлектрических устройств зависит от типа кристаллов из-за многообразия их свойств. Но для достижения высокого пьезоэлектрического эффекта часто применяются кристаллы цирконата-титаната свинца (PZT). Легкость изготовления любой криволинейной формы, большая прочность материала и большой служебный срок, стойкость к влаге и температуре нагрева более 100°C — все это отличительные факторы PZT [8]. Кроме предложенного кристаллического материала, в таблице 1 приведены другие параметры, которые играют одну из важных ролей для определения самых лучших результатов пьезоэлектричества [6].

ГеометрияСамая эффективная форма для изготовления большего количества энергии — конусообразная форма
ТолщинаБольше энергии вырабатывается при применении более тонкого материала
Режим нагруженияБольше энергии вырабатывается при увеличении массы или силы
ФиксацияКрепление на одном конце приводит к большему прогибу и, поэтому, к большей энергии при влиянии внешней силы, чем при крепеже на 2-ух концах
СтруктураБиморфные структуры делают вдвое больше энергии, чем униморфные структуры

Таблица 1: Параметры пьезоэлектричества.

Главная схема, показанная на рисунке 2, иллюстрирует, что пьезоэлектричество проходит определенный процесс перед энерговыделением. При влиянии давления или силы на пьезоэлектрическое устройство создается переменое напряжение. Генерируемое напряжение потом регулируется, превращается в стабильное напряжение и скапливается в аккумуляторных батареях или конденсаторах для применения в электрических целях [9].

�� ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ ЗВУКА И МИКРОКОЛЕБАНИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ХАЛЯВНОЙ ЭНЕРГИИ Electric Generator

Рисунок 2: Блок-схема.

Освещение улиц с применением пьезоэлектрических дорог

Пьезоэлектрические кристаллы могут быть установлены под слой асфальта для применения энергии, генерируемой в результате движения транспорта, как показано на рисунках 3 и 4. Во время движения ТС по слою асфальта колеса оказывают силу или давление на кристаллы и таким образом изменяются. Эта дефармация поглощает силу и подвергается процессу выработки энергии, как показано выше, для хранения в аккумуляторных батареях [10]. Применение накопителей на этом этапе крайне важно, поскольку освещение на улице работает 12 часов в день. Таким образом, энергия может быть распределена, когда это нужно.

Рисунок 3: Пьезоэлектрическое поперечное сечение дороги.

Рисунок 4: Диаграмма поперечного сечения полотна дороги [12].

Генерируемая энергия: На перекрестке Хефер, Израиль, было проведено испытание силовых асфальтов, применяемых для подачи электрической энергии на фонари для улицы. Установка включала пьезоэлектрические устройства, проложенные под дорогами из асфальта на расстоянии всего 10 м. Установка выработала электрическую энергию в объеме 2-ух киловатт-часов (КВтч) [11]. Другое испытание, проведенное компанией POWERleap, производителем лицензированной технологии, предоставило данные, которые доказывают надежность силовых асфальтов. В эксперименте принимал участие асфальт протяженностью 1 км с интенсивностью движения 200-400 автомобилей за 16 часов. На основании этого эксперимента общая выработанная электроэнергия находится в диапазоне 400 — 600 кВт/ч [12]. Выявлено, что асфальт является основным энергетическим источником, поскольку он экономит затраты и уменьшает потребление ископаемого топлива.

Таблица 2 сравнивает стоимость освещения улиц в Англии, при условиях, что классическая стоимость электрической энергии в Соединенном Королевстве составляет 0.15 GBPKWh в 2014 году [13], с данными POWERleap, Мощность обычного ртутного светильника стоящего на улице достигает максимум 500 Вт [10]. Например, что есть 10 отдельных фонарей для улиц.

Стоимость (GBP)кВт/чКиловатт (кВт) уличного фонаряВремя в часах ДеньФонарь для улицы Нет.
0.15 КВтч0.5 КВТ12 часов день10
Стоимость дня работы 10 ламп=0.15 КВт?0.5КВт?12часов в день?10 ламп=9 GBP в день
Данные сценария скачка мощности
Произведенный КВтчСтоимость (GBP)кВтч
400 КВтч0.15 кВтч
Свободная стоимость произведенной электрической энергии =400 КВтч?0.15 КВтч=60GBP

Таблица 2: Сравнение электропотребления фонарями для улиц.

Абсорбция энергии для электропитания автономных сенсоров / Андрей Дюсмикеев (МедиуМ)

По данным, рассчитанным выше, для питания одного уличного фонаря с применением ископаемого топлива в течение одного дня, или 12 рабочих часов, требуется приблизительно 90 пенни. Цена взмывает вверх до 9 фунтов при применении 10 фонарей. При одинаковой цене электрической энергии, предоставляемой правительством Англии, асфальтобетонщики сэкономят 60 GBP, что достаточно для питания 10 фонарей для улиц в течение 6 дней, или 12 часов в день. А при применении стандартизированной единицы изменения энергии, приведенной в приложении D, 400 кВт/ч при бесплатном счёте в 60 фунтов эквивалентны экономии 8.598 тонн нефтяного эквивалента [14].

Другие данные разных поставщиков, приведенные в таблице 3, были воссоединены в отчете "Оценка пьезоэлектрических материалов для сбора энергии на дорогах", где обсуждаются результаты выработки электрической энергии. Поставщики включают Genziko, ODOT, Innowattech, Berkeley и Virginia Tech [12].

ПараметрГензикоODOTInnowattechБеркли и Вирджиния Тек
Мощность на км

(одна полоса)

13-51 МВТ486 кВт100-200 кВт0.0018-0.5 кВт
ТС в час

(одна полоса)

600-2250600600600
кВт на км на автомобиль в час21.6-22.60.810.16-0.3.000003-0.00083

Таблица 3: Параметры мощности по производителям [12].

Производители разделяют разную получившуюся мощность. Метрика, применяемая для описания мощности асфальта — Powerkm. Как показано на рисунке, полученная мощность весьма сильно отличается. Мощность, выполненная Гензико, составляет 13 МВт — 51 МВт в общем, при скорости проезжающих автомобилей 600-2250 в час, что делает огромную разницу с POWERleap и остальными поставщиками. Этой мощности, получившейся за короткий промежуток в 1 км, вполне хватит, чтобы вырабатывать свет в течение многих лет.

Все поставщики учитывали несколько параметров. К ним можно отнести вес автотранспортного средства, скорость автотранспортного средства и пропускная способность потока ТС. Но их невозможно контролировать в настоящих условиях. Отличительным параметром, применяемым Genziko, считается ширина импульса мощности. Единственный параметр, управляемый технологией, дающий возможность количественно оценить мощность на выходе пьезоэлементов. Этими обычными, но максимально эффективными параметрами пренебрегли ODOT, Innowattech, Berkeley и Virginia Tech [12].

Ширина импульса мощности: Из данных, наблюдаемых Беркли в таблице 3, делаем вывод, что силовые асфальты считаются довольно сложной технологией в качестве сборщика энергии. Но отсутствие внедрения технологии последних инженерных инноваций не дало возможность максимизировать плотность мощности [12]. Выходная плотность мощности связана с частотой (Гц), и было проверено, что пьезоэлектрические устройства могут работать на самых высоких частотах [15]. Наличие высоких частот позволяет пьезоэлектрическим устройствам изолироваться в намного большом диапазоне, генерируя большую общую мощность на выходе. Иначе говоря продолжительные по частоте или затухающие колебания продолжают вырабатывать мощность в результате первоначального воздействия. Гензико применил аналогичный принцип к балкам микроконсольных массивов, как показано на рисунках 5 и 6. Настеленные массивы приводят к с большой мощностью сначала при одиночной вибрации, но очень низкой если сравнивать с затухающими массивами [12].

Рисунок 5: Разница в рабочих свойствах одиночных комбайнов на основе сжатия и консольных комбайнов.