Generator „czystej” energii elektrycznej oparty na elastomerze dielektrycznym - Energy Harvesting

           

Generator „czystej” energii elektrycznej oparty na elastomerze dielektrycznym

Przedstawiam kolejny artykuł związany z elastomerami dielektrycznymi, lecz teraz w kontekście zastosowaniu ich do generacji energii elektrycznej. W niniejszej publikacji skupiłem się na odzyskiwaniu energii z drgań i możliwe zrozumiałym opisie procesu generacji energii elektrycznej za pośrednictwem elastomerów dielektrycznych. Niniejszy artykuł również nawiązuje też do zagadnienia Energy Harvesting, którym w przyszłości będę się zajmował

Jak już wspomniałem nie ma podobnych polskich publikacji, a te anglojęzyczne nie wyjaśniają według mnie w prosty sposób tego zjawiska, więc przedstawiam tu materiał, który sam chciałbym kiedyś przeczytać. Składam szczególne podziękowania Profesorowi Andrzejowi Tylikowskiemu za  pomoc naukową.

WSTĘP

            Możliwości skutecznego odzyskiwania/pozyskiwania energii są niezwykle ważne dla rozwoju naszej cywilizacji. Istnieje wiele sposobów przetwarzania energii mechanicznej na energię elektryczną, lecz każde rozwiązanie niesie z sobą zalety i wady. Zgodnie z poprzednią publikacją skupiam się na drganiach, więc i tu się skupie na pozyskiwaniu energii elektrycznej z drgań. Poniżej pragnę przedstawić zalety i ograniczenia niektórych generatorów tak zwanej „czystej” lub alternatywnej energii elektrycznej:

         - Generatory oparte na popularnych już materiałach inteligentnych - piezoelektrykach, mogą one generować/odzyskiwać energię elektryczną z drgań mechanicznych szerokiego spectrum częstotliwości, również z wysokich częstotliwości rzędu kilku kHz, lecz generują napięcia rzędu mikrowoltów. Poprzez układanie piezoelektryków w stosy nie jesteśmy w stanie wytworzyć napięcia przekraczającego 1 wolt, przy czym ta technologia jest droga. Odkształcenia piezoelektryków są rzędu 0, 1 - 0, 3% i niosą ze sobą wiele ograniczeń np. chcąc zbudować generator energii w podeszwie buta gdzie odkształcenia są rzędu kilku milimetrów. Zgodnie z zależnością na pracę (praca=siła*przemieszczenie) konieczne byłoby zastosowanie odpowiedniego przetwornika, aby przy pracy podeszwy gdzie mamy „duże” przemieszczenie moglibyśmy uzyskać zwielokrotnioną sile nacisku na piezoelektryk przy ‘małym” przemieszczeniu. Dzięki temu otrzymalibyśmy zwielokrotnioną siłę wywierającego nacisk na piezoelektryki przy minimalnym przemieszczeniu. Oczywiście zastosowanie takiego układu niesie ze sobą kolejne ograniczenia i komplikuje układ,

- Generatory energii oparte na indukowaniu prądu przez zmienne pole magnetyczne są nieefektywne przy małej szybkość zmiana pola magnetycznego poniżej ok. 1Hz. Efektywność ich rośnie też z wzrostem wartości przemieszczenia. Układy te są tanie i popularne. Przy odzysku energii z drgań największym ograniczeniem jest przemieszczenie źródła pola magnetycznego i przewodnika. Istotnym również ograniczaniem może być waga, np. generator w podeszwie buta.

Celem publikacji jest przedstawienie metody wykorzystania mało znanych  materiałów inteligentnych a konkretnie elastomerów dielektrycznych do pozyskiwania energii elektrycznej z energii mechanicznej oraz wytłumaczenie procesu generacji energii elektrycznej. Kiedyś nie mogłem sobie uświadomić jak można uzyskać energię elektryczną z elastomeru pokrytego elastyczną elektrodą. Niemożliwe? Jednak rzeczywiście w pewnym sensie niemożliwe, bo jednak w rzeczywistości moglibyśmy to nazwać multiplikatorem energii, ponieważ do działania tego generatora potrzebne jest źródło energii wzbudzającej np. mała bateria o napięciu kilku/kilkunastu wolt lub inny poboczny układ wzbudzający z wykorzystaniem innego typu generatora. Przy zastosowaniu odpowiedniego układu samowzbudzającego generator może wytarzać energię elektryczna bez dopływu zewnętrznej energii.  W tym przypadku energia zewnętrzna potrzebna jest tylko w fazie „rozruchu”.

Dalej będziemy stosowali skrót DEG(Dielectric Elastomer Generator) oznaczający generator energii elektrycznej oparty na elastomerze dielektrycznym. Skrót ten jest stosowany w innych nielicznych publikacja i zachowam tą konwencje.

Energy harvesting - DEG daje nam nowe możliwości pozyskiwania energii z zasobów naturalnych taki jak wiatr, fale oceaniczne, a nawet uzyskanie energii z ludzkiego ruchu. Możliwe jest tez odzyskiwanie energii z drgań jak i z ruchu maszyn i ich elementów. Prowadzone są komercyjne i wojskowe pracę nad DEG wykorzystujące odkształcenia szelek plecaków i podeszew butów, co ma na celu stworzenie przenośnego źródła energii wykorzystujące ruch człowieka. Niski koszt DEG daje możliwość wykorzystania tego źródła energii na szeroką skalę.

W przypadku DEG teoretycznie nie mamy do czynienia wpływu prędkości ruchu na uzyskiwaną energię. Lecz w rzeczywistości DEG mają dodatkowy układ elektroniczny oparty na diodach i kondensatorach jak i sam dielektryczny elastomer jest swoistym kondensatorem. Jak wiadomo efektywność ładowania kondensatorów jest uzależniona od czasu. Rejestrowana gęstość energii przy konwersji w odpowiednich warunkach może sięgać do 1J/g, lecz zazwyczaj gęstość energii ma wartość ok. 400mJ/g, przez to DEG jest najefektywniejszymi pojemnościowymi generatorami.

Elastomer Dielektryczny to kondensator gdzie warstwa dielektryka i elektrody są odkształcalne, a odpowiednio uformowany taki elastomer dielektryczny lub ich cały zespół zachowuje się jak polimery elektrostrykcyjny.

Elastomery dielektryczne(polimery elektrostrykcyjne) pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego wykazują mechaniczne odkształcenie. Zatem elastomery dielektryczne mogą służyć jako aktuatory. O tym zastosowaniu elastomerów dielektrycznych opisane są szczegółowo w poprzednim artykule o aktywnej wibroizolacji/eliminacji drgań.

Elastomery dielektryczne zazwyczaj powleka się z obydwu stron polimerem zawierającym drobiny przewodzącego węgla lub innego przewodzącego materiału. Do polimeru przewodzącego podłączane jest przewodami zasilanie. Warstwy zewnętrzne służą za elastyczne elektrody, odkształcające się wraz ze znajdującym się między nimi materiałem.

 

Rys. Elastomer dielektryczny w stanie spoczynku

    

Podstawy fizyczne działania generatora

 Pojemność kondensatora płaskiego:

Rys. 3.1 Kondensator płaski o powierzchni okładek A i odległości  między nimi

Zależność pomiędzy zgromadzonym ładunkiem, pojemnością i napięciem w kondensatorze wyraża się zależnością

Q=CV

Zasada działania generacji energii elektryczne przez dielektryczny elastomer

        Przez samowzbudny DEG rozumiemy generator, który przy zastosowaniu odpowiedniego układu elektryczno–elektronicznego, produkuje więcej energii niż potrzeba jest do dostarczania napięcia wstępnego.

      Rys. Schemat opisujący istotę zwiększania napięcia (zagęszczenia ładunku) przez odkształcany elastomer dielektryczny, proces ten opisany szczegółowo w poniższych etapach.

Rys. Schemat pomagający zrozumieć istotę zjawiska zwiększania napięcia (w konsekwencji multiplikacji energii), kolejne etapy w procesie przetwarzania energii mechanicznej na energie elektryczną

1.      Elastomer Dielektryczny jest w stanie spoczynku („nieodkształcony”) lub jest „rozciągnięty”, w tym etapie elektrody mają najmniejszą powierzchnie (A) a odległość między elektrodami jest największa, przez co pojemność (C) zgodnie z zależnością na pojemność kondensatora jest najmniejsza.

2.      Odkształcenie elastomeru powoduje z zbliżenie i zwiększenie powierzchni elektrod proporcjonalnie do odkształcenia wzdłużnego, co powoduje zwiększenie pojemności (C)

3.      Przyłożenie napięcia wstępnego U do elektrod z zewnętrznego źródła energii, powoduje naładowanie kondensatora ładunkiem q.

4.      Elastomer powraca do swojego początkowego kształtu(etap I) , pole powierzchni elektrod (A) maleje a odległość rośnie(z), przez co pojemność (C) się zmniejsza, co zgodnie z zależnością na pojemność kondensatora powoduje zwiększenie napięcia U gdyż ilość ładunku jest stała. Zgodnie z wzorem na energie elektryczną energia rośnie, kiedy wzrasta napięcie elektryczne przy stałym ładunku. Przy zastosowaniu odpowiedniego układu elektrycznego opartego na diodach(przewodzenie w jednym kierunku) i kondensatorach, w których magazynowana jest energia elektryczna pomiędzy etapem 4 i 1.

      Po etapie 4 energia elektryczna może być zmagazynowana lub zużyta przez odbiornik i częściowo wykorzystana do ponownego cyklu generatora (dla generatorów samowzbudnych) Energia zgromadzona może w całości zostać wykorzystana do wstępnego naładowania generatora w celu podwyższania napięcia w każdym cyklu generatora. Według przeprowadzonych eksperymentów dostępnych w literaturze napięcie generowane przez DEG dochodzi do kilku kV.

 
   Energia elektryczna wytworzona przez generator w pojedynczym cyklu

E_wygenerowana  = 0,5*(C₃(V₃²) -C₃(V₄²))

Gdzie:
C_x - Pojemność DEG w danym etapie pracy(1;2;3;4) 

V_x - Napięcie DEG w danym etapie pracy(1;2;3;4) 

Zatem energia użyteczna wytworzona przez DEG jest równa

E_użyteczna = E_wygenerowana – E_{strat elektrycznych}

E_{strat elektrycznych} –„wycieki energii z elastomeru dielektrycznego, straty związane z magazynowaniem energii pomiędzy kolejnymi etapami. 

Podsumowanie właściwości samowzbudnych dielektrycznych generatorów.

Zalety:

- niski koszt,

- proste i łatwe w utrzymaniu, wytrzymałość zależna od materiału, przeważnie znacznie większa niż 100 000 cykli,

- wykorzystuje znaczne odkształcenia,

- możliwość zastosowania na szeroką skale- wykorzystanie energii fal morskich, wiatru lub innych, np. generator w podeszwie buta,
- potencjalnie prosty i tani proces wymiany i recyklingu zużytych elementów generatora 

- możliwość pracy w niskich zakresach częstotliwości nawet poniżej 1 Hz,

- możliwość wytworzenia napięć rzędu nawet kilku kV

Wady:

- dostarczanie energii(napięcia wstępnego),

- mała sprawność przy napięciach poniżej 500V,

- duża efektywność podczas pracy na wysokich napięciach,

- spadek sprawności wraz ze wzrostem częstotliwości cykli,

- z uwagi na straty(wycieki) energii w całym układzie elektrycznym i ze względu na konieczność przyłożenia wstępnego napięcia samowzbudne DEG przez początkowy okres pracy muszą być doładowywane, z tego względu muszą pracować przy znacznych poziomach energii(napięcia) 

Elastomery dielektryczne jako generatory energii i aktuatory w aktywnej eliminacji lub wibroizolacji drgań

Witam serdecznie wszystkich.

Mam nadzieję, że przedstawiony artykuł będzie dla Ciebie drogi czytelniku bardzo wartościowy, niegdyś w czasie moich poszukiwań materiałów zajmujących się tym tematem sam chciałbym przeczytać podobny artykuł i mieć kontakt do kogoś, kto się tym w Polsce zajmował. Do tej pory nie znalazłem szczegółowych polskich publikacji na ten temat a tym bardziej publikacji, która pomogłaby inżynierskie zrozumienie istoty działania prezentowanych przeze mnie rozwiązań. W moich wywodach będę się podpierał opracowanymi w czasie studiów materiałami jak i swoją praca dyplomową, która jest chroniona prawami autorskimi, lecz chętnie pomogę swoim doświadczeniem i wiedzą wszystkim zainteresowanym, oczywiście po wcześniejszym kontakcie.

Na wstępie chce podziękować mojemu mentorowi: Prof. dr hab. inż. Andrzej Tylikowski wybitny Polski mechanik, specjalista od konstrukcji Inteligentnych i mechaniki kompozytów. Podziękowania za pomoc opracowaniu symulatora składam dr inż. Michałowi Makowskiemu.

           

Summary:

     This thesis presents a project of an active vibration eliminator together with results from a simulating program running in different conditions.

  The most important parts of the eliminator are actuators which are dielectric elastomers that work like synthetic muscles when a voltage is applied to them. Dielectric materials used to build an actuator are commonly applied in standard vibroisolation and can be used for passive vibration reduction. The purpose of the eliminator is a reduction of acceleration of the stabilizing element.

   Using a program built in Matlab Simulink it was possible to view values of acceleration, displacement of construction and parameter values responsible for the actuator work, such as: voltage applied, force generated and electric power used.

    The eliminator is very effective within the resonant frequencies of the model, although noticeably less so over other frequencies. Actuator effectiveness is limited by the controlling method that was used here. Results of simulations and considerations in this thesis show legitimacy for further work using dielectric elastomers in active vibration control.

1. Wprowadzenie

Początkowo zajmowałem się zrozumieniem i opisem procesu przekształcania energii mechanicznej w energie elektryczną, w dalszym etapie miałem zamiar zaprojektować i zasymulować prace aktywnego eliminatora drgań gdzie w efekcie skupiłem się na zaprojektowaniu i stworzeniu programu symulującego prace hybrydowej wibroizolacji( wibroizolacja pasywna + wibroizolacja siłowa aktywna)  

Czy to wszystko ma sens? Czy generowane siły przez elastomery dielektryczne mogą zapewnić skuteczność układu eliminacji drgań  przy rozsądnych wartościach napięć? Też stawiałem sobie takie pytanie i nie znalazłem w literaturze publikacji, które by satysfakcjonująca odpowiedziały na to pytanie i prezentował podobne rozwiązanie do mojej koncepcji. Dlatego też podjąłem się tego zadania i przeanalizowałem według mnie najważniejsze aspekty tego zadania i zbudowaniu program symulacyjny w bardzo wydajnym środowisku inżynierskim Matlab Simulink w ramach mojej pracy inżynierskiej. Teraz dzielę się nieco spreparowanymi fragmentami mojej wielomiesięcznej wytężonej pracy naukowej. 

W redukcji drgań największym problemem jest uzyskanie zadowalających wyników w zakresie niskich i rezonansowych częstotliwości, gdyż wtedy metody pasywne są zazwyczaj związane tarciem wiskotycznym i oddziaływaniami o zbliżonym charakterze. Dyssypacja energii może nie być wystarczając a przy stosunkowo „wolnych” prędkościach układu drgającego. Aktywna redukcja drgań nie jest nowym zagadnieniem. Do aktywnej lub semiaktywnej redukcji drgań coraz częściej wykorzystuje się inteligentne materiały takie jak piezoelektryki, ciecze megnetreologiczne i elektroleogiczne oraz materiały z pamięcią kształtu. Jednym z założeń rozważań i symulacji było uzupełnienie pasywnego wibroizolatora drgań o możliwości aktywnego aktywnego wibroizolatora drgań.

Możliwości skutecznego odzyskiwania/pozyskiwania energii są niezwykle ważne dla rozwoju naszej cywilizacji. Istnieje wiele sposobów przetwarzania energii mechanicznej na energię elektryczną, lecz każde rozwiązanie niesie z sobą zalety i wady w punkcie 3 opisany jest proces pozyskiwania energii elektrycznej za pomocą elastomeru dielektrycznego.

Zatem co czym jest elastomer dielektryczny? Teoretycznie budowa jest banalna, czyli jest to kondensator płaski gdzie warstwa dielektryka i elektrody są odkształcalne, a odpowiednio uformowany taki elastomer dielektryczny lub ich cały zespół zachowuje się jak polimery elektrostrykcyjny.

Elastomery dielektryczne(polimery elektrostrykcyjne) pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego wykazują mechaniczne odkształcenie. Zdolność do odkształceń ED jest znacznie wyższa od zdolności do odkształceń piezoelektryków (10-30% w stosunku do 0,1-0,3%). Pod tym względem parametry elastomerów mogą być nawet zbliżone do mięśni.

Elastomery dielektryczne zazwyczaj powleka się z obydwu stron polimerem zawierającym drobiny przewodzącego węgla lub innego przewodzącego materiału. Do polimeru przewodzącego podłączane jest przewodami zasilanie. Warstwy zewnętrzne służą za elastyczne elektrody, odkształcające się wraz ze znajdującym się między nimi materiałem.

Rys.1  Elastomer dielektryczny w stanie spoczynku.

Rys.2 Elastomer dielektryczny po przyłożeniu napięcia do elektrod.

2. Aktywna wibroizolacja siłowa, aktywny eliminator drgań

         Poniżej przedstawiono  bardzo uproszczony schemat układu do redukcji drgań (tutaj do wibroizolacji siłowej), gdzie elementem wykonawczym jest aktuator oparty na dielektrycznych elastomerach.

Rys. 1.1 Podglądowy schemat aktywnego eliminatora drgań

W dalszych rozważaniach rozpatrywana będzie redukcja drgań pionowych w osi z. Podłoże uznajemy za nieruchome. Omawiany układ sprowadza się do platformy o pewnej masie odpowiadającą na siłę wymuszającą z(t) i minimalizującą przyspieszenia układu poprzez działanie aktywne aktuatora* który generuję siłę sterującą Fs.

*Elastomer dielektryczny jest aktuatorem jednostronnego działania, gdzie po przyłożeniu napięcia siła aktuatora działa na skrócenie/ ściskanie aktuatora. Z tego faktu siła Fs(t) realizowana jest przez 2 aktuatory działających w jednym kierunku, lecz o przeciwnych zwrotach. Przeciwny zwrot siły aktuatora można uzyskać, przez przekładnie mechaniczna lub inne rozwiązanie np. na drodze hydraulicznej.

            Siła wymuszająca z(t)  może odpowiadać sile działającej na platformę pochodzącej od drgającej konstrukcji lub maszyny. Celem eliminatora jest ustabilizowanie drgań konstrukcji lub maszyny.

Elastomer dielektryczny jako aktuator:

      
  

           Główną wadą aktuatorów opartych na elastomerach dielektrycznych jest konieczność stosowanie wysokich napięć zasilania, nawet rzędu kilku kV. Wysokie napięcie wymaga odpowiedniego źródła energii elektrycznej. Kolejną wadą jest ograniczona wytrzymałość elektryczna izolacji, przez co może dojść do niekorzystnego zjawiska przebicia. Przebicie jest to pojawienie się łuku elektrycznego między elektrodami na wskutek zbyt dużego napięcia na elektrodach. Przebicie również może być spowodowane przez materiał, który nie utrzymuje jednorodnych właściwości dielektrycznych. Powietrze występujące w pęcherzykach w materiale dielektryka jest wysoce niepożądane, ponieważ pod wpływem pola elektrycznego warstwy powietrza będą tyle razy mocniej naprężane od równej, co do grubości warstwy dielektryka, ile razy większą jest stała dielektryczna gumy od stałej powietrza, równej 1. Wskutek silnego naprężenia pola elektrycznego w bańce powietrznej może wystąpić zjawisko jonizacji, jarzenia, a nawet przebicia dielektryka. Przebicia nie tylko ograniczają teoretyczną maksymalną siłę do uzyskania, ale również mogą działać niszcząco na aktuator poprzez wypalanie elektrod i materiału dielektryka.

Wybrane  najważniejsze dane projektu i wyniki z programu symulacyjnego

Przyspieszenie i przemieszczenie układu w odpowiedź na wymuszenie sinusoidalne o częstotliwości drgań własnych i amplitudzie siły 500 N 

       

                                                                                                                                                                                                                                                                           

   

    

 Po rozważaniach na temat wielu innych trudnych zagadnieniem, związanych z moim projektem oraz wiele różnych symulacjach dla różnych wariantów mogę powiedzieć, że to wszystko ma sens jak widać, z wyników możemy uzyskać siłę o wartości ponad 600N przy napięciu 2,5 kV przy znikomy poborze mocy. Haczyk jest w napięciu, które uzyskujemy przez źródło prądu stałego, oczywiście zgodnie z wzorem na siłę aktuatora, zmiana parametrów układu pomoże znacznie zmniejszyć napięcia sterujące do kilkuset wolt.

CDN.