Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов создания автономных пьезоэлектрических генераторов тока

Общие сведения
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Название доклада
Разработка принципов создания автономных пьезоэлектрических генераторов тока
Название программы
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ ПО ПРИОРИТЕТНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ РАЗВИТИЯ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ НА 2014—2020 ГОДЫ
Исполнитель проекта
ЗАО "НПЦ СпецЭлектронСистемы"
Название проекта
Разработка и создание экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока для автономного источника питания для грузовых вагонов и платформ
Номер контракта
Соглашение о предоставлении субсидии от 21 ноября 2014 г. № 14.579.21.0086
Докладчик (участник)
Участник
Золотарёв Юрий Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка и создание экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока для автономного источника питания для грузовых вагонов и платформ.
Актуальность и новизна исследования
Наша страна располагает мощной транспортной системой, в состав которой входит несколько взаимодействующих видов современного транспорта. Основу транспортной системы России и СНГ составляет железнодорожный транспорт, обладающий огромным перевозочным потенциалом.
В настоящее время железнодорожный транспорт активно развивается, внедряются современные электронные технологии и т. д.
Одним из «прорывных» инновационных направлений развития железнодорожного транспорта является внедрение систем комплексного управления движением поездов, динамического мониторинга состояния инфраструктуры и подвижного состава с использованием спутниковых технологий.
На основе данных технологий достигается обеспечение безопасности перевозок пассажиров и грузов, повышение скорости их продвижения, увеличение доли отправок грузов, доставленных «точно в срок», ускоренная контейнеризация перевозок, внедрение технологии мультимодальных логистических систем.
Основной проблемой для внедрения современных электронных технологий на грузовых вагонах сегодня является отсутствие электропитания на самих вагонах.
К системам электропитания грузовых вагонов предъявляется ряд специфических требований, таких как:
- возможность длительной автономной работы;
- работа в различных климатических условиях;
- высокая надежность;
- вандалозащищеность;
- и пр.
Данным требованиям отвечают источники питания с применением материалов обладающих пьезоэлектрическими свойствами.
Описание исследования

 Проведены исследование параметров колебаний подвижного железнодорожного транспорта, в результате которого установлено, что частота колебаний грузового состава находится в диапазоне 1,5-18 Гц и нижний предел ускорений составляет 0,015g.

Для мембранного типа пьезогенераторов при изменении давления на величину порядка 1 атм. рассчитанная выходная мощность достигает 7 мВт при частоте колебания 1 Гц, что также удовлетворяет техническому заданию. Преимущества этой конструкции заключаются в отсутствии необходимости подстройки частоты, более высокой удельной мощности по сравнению с балочным типом и возможностью регистрации как поперечных, так и продольных колебаний. Основным недостатком является необходимость использования системы преобразования внешних вибраций в изменение давления, что значительно усложняет использование данных типов пьезогенераторов.

Разработка пьезоэлектрического генератора тока подразумевает под собой решение нескольких задач. В первую очередь, в зависимости от назначения и способа использования, необходимо определить наиболее оптимальный тип пьезоэлемента и способ передачи на него внешних воздействий. Исходя из типа пьезоэлемента, необходимо определить конструкцию пьезогенератора и его расположение на источнике вибраций для наиболее эффективного преобразования энергии. Следующим шагом является разработка схемы преобразования выходного сигнала с пьезоэлемента, параметры которой определяются конечным устройством потребления энергии.

Для увеличения выходной мощности импеданс пьезогенератора и нагрузки должны быть комплексно сопряженными величинами[14]. Для описания процесса передачи энергии от пьезогенератора к нагрузке пьезогенератор можно представить в виде источника тока  с внутренним сопротивлением.

Моделирование является одним из важнейших подходов для прогнозирования функциональных характеристик пьезоэлектрических генераторов тока. Также оно может быть использовано для оптимизации проектных параметров и достижения дальнейшего совершенствования. 

В качестве усовершенствованного подхода к моделированию позднее была разработана модель балочного пьезоэлектрического генератора энергии. Кроме того, для получения аналитических выражений были использованы формы мод вибрации, полученные из балочной теории Эйлера-Бернулли, вместе с пьезоэлектрическим уравнением состояния, из которого получено электрическое смещение, связывающее электрические выходы с формами мод вибрации . 

Дальнейшее развитие в моделировании пьезоэлектрических генераторов энергии включает в себя аналитические решения, основанные на распределенных параметрах электромеханического моделирования, которые были экспериментально проверенные , и другие . Линейные электромеханические модели были впоследствии изменены для учета механической нелинейности в устройствах сбора энергии на основе вибрации . В последнее время большой интерес представляет проблема моделирования стохастических возбуждений в устройствах сбора энергии на основе вибрации, потому что некоторые виды энергии из-за вибрации часто проявляются в недетерминированных формах .

На основе данных, полученных в ходе выполнения работ на предыдущих этапах ПНИЭР, по экспериментальным измерениям подвижного состава и моделированию различных конструкций пьезогенераторов, было установлено, что мембранный и балочный тип пьезоэлектрического генератора являются наиболее подходящими для применения на грузовых вагонах железнодорожного транспорта. Для их использования требуется провести разработку конструкционного решения предложенных принципов и экспериментальные исследования соответствующих типов пьезогенераторов.

Методы разработки пьезоэлектрических генераторов тока заключаются в определении типа колебаний в месте наибольшей вибрации, исходя из которых определяется конструкция чувствительного элемента. Далее определяется наиболее подходящий режим работы для выбранного исполнения в зависимости от поляризации деформированного слоя. Для преобразования полученной с помощью пьезоэлектрического генератора тока электроэнергии используются различные электронные схемы обработки сигнала, которые преобразуют исходный переменный сигнал в постоянный для его дальнейшего накопления.

Основным средством разработки пьезоэлектрического генератора тока является математическое моделирование. 

Результаты исследования

Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец пьезоэлектрического генератора тока. Разработана маршрутная карта изготовления экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока. Разработана программа и методика проведения экспериментальных исследований экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока. Проведены экспериментальные исследования экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока. Изготовлен экспериментальный образец пьезоэлектрического генератора тока. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд для исследований экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока. Изготовлен экспериментальный стенд для исследований экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока. Полученные в ходе выполнения проекта результаты представлены на выставках "Новая электроника-2016" и "Электро-2016".

1. Полученные результаты позволяют сравнить эффективность предложенных конструкций пьезоэлектрических генераторов тока и оценить величину выходной мощности пьезогенератора при использовании его на ж/д транспорте.

2.  При решении поставленных задач использовались последние разработки в области пьезоэлектрических материалов, пьезоэлектрических генераторов тока, а также способов хранения и обработки собранной энергии. Для проведения экспериментальных исследований макетных образцов пьезоэлектрических генераторов тока использовались уникальные научные установки и научное оборудование ЦКП.

3. На основе полученных результатов можно приступить к изготовлению экспериментального образца пьезоэлектрического генератора тока. Параметры макетных образцов пьезоэлектрических генераторов тока удовлетворяют требованиям ТЗ.

4. На данный момент характеристики пьезоэлектрического генератора тока соответствуют параметрам устройств подобного типа зарубежного производства. Разрабатываемое устройство может являться конкурентоспособным продуктом на международном уровне.

Практическая значимость исследования
Внедрение и коммерциализация результатов проекта позволят повысить обеспечение безопасности на железной дороге при эксплуатации грузовых вагонов и платформ, а именно, ввести ныне несуществующий контроль состояния тормозной системы каждого вагона, что обеспечит надёжную без аварийную работу любого поезда из грузовых вагонов. Обеспечить постоянное позиционирование каждого вагона в режиме онлайн, что позволит максимально обеспечить сохранность перевозимых грузов. Ввиду того, что выше перечисленные системы никогда не использовались РЖД, оценить в цифрах эффект от их внедрения не представляется возможным.