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)