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.

Разработка проекта.

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!

Почему не использовать динамо-машины.

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

Практическое применение.

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?

Будущие применение полученной технологии.

• 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.

Исследования.

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.

Дальнейшие планы.

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.

Альтернатива (для тех,кто не может все купить):

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


• Пьезоэлектрические преобразователи > пара старых/устаревших наушников;


• Мультитул > плоскогубцы.

Шаг 4: Измеряем подошву

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.

Помните:

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.

Какие материалы использовались в проекте.

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 .

Где можно заполучить ПВХ материал.

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.

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”.

16 февраля 2016 в 20:06

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности

• Компьютерное железо

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.

За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.

Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.

По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.

По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.

То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.

Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.

При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.