圧電結晶からの発電

昔から人々は、最も信頼できるエネルギー生成源が絶滅の危機に瀕し、数十年後には不足し、地球は電気のない場所になることを発見しました.もしそうなったら、私たちが依存しているすべてのシステムやテクノロジーが動かなくなってしまうと想像してみてください。最も重要なのは、インターネットが永久に停止することです!そして、それは大きな打撃になるでしょう。そのため、インターネットの重要性に気付く前、インターネットが実際に存在するようになる前、またはインターネットがすべての技術開発の中心となる技術になる前でさえ、彼らはエネルギー生成の代替源のために働き始めました.

代替ソースの多くは、すでに本格的な発電プラントになっており、一部はまだ研究所にあり、その可能性と実際の応用を実験しています。これらの代替エネルギー源の中で、本格的な発電産業に参入していないものは、圧電または圧電結晶からの電気です。

圧電結晶とは

1880 年、フランスの 2 人の物理学者、ピエール キュリー兄弟とポール ジャック キュリー兄弟によって、水晶、トルマリン、ロシェル塩 (酒石酸カリウム ナトリウム) の結晶から圧電効果が発見されました。彼らはギリシャ語の「Piezein」から名前を取りました 」、つまり「プレスする」

圧縮したり、ねじったり、変形させたりすると電荷を獲得する結晶は、圧電性であると言われています。これにより、電気振動と機械振動の間で便利な変換効果が得られます。

Quartz はこの特性を示しており、非常に安定しています。水晶振動子に外力が加わると、表面に発生する電圧が変化します。この変化は、対応する音または振動の値によって測定されます。

圧電性とは

特定のクリスタル (クォーツなど) を絞ると、電気を流すことができます。通常はその逆も当てはまります。同じ水晶に電気を通すと、水晶は前後に振動して「自分自身を圧迫」します。

技術用語では:

「圧電性 (圧電効果とも呼ばれる) は、水晶の側面に発生する電位 (つまり電圧) のことです。あなたはそれを（絞ることによって）機械的ストレスにさらします。」

圧電効果はどのように発生しますか?

圧電効果を発生させるには、天然水晶を均一な厚さの長方形または楕円形の薄板の形にカットする必要があります。各結晶には、光軸、互いに 120 度の 3 つの電気軸 OX1、OX2、および OX3、および互いに 120 度の 3 つの機械軸 OY1、OY2、および OY3 の 3 組の軸があります。機械軸は電気軸に対して直角になります。アプリケーションのクリスタルの性質を決定するパラメーターの一部は次のとおりです。

1. 天然水晶からウェーハをカットする角度
2. プレートの厚さ
3. プレートの寸法
4. 取り付け方法

電気軸 (X 軸) の方向に電気的ストレスが加えられると、それに垂直な Y 軸の方向に機械的歪みが発生します。関連する X 軸。同様に、Y 軸に沿って機械的歪みが与えられると、Y 軸に直角な X 軸に垂直な結晶の面に電荷が生成されます。

また読む:IoT は天然資源を保護するスマートなソリューションですか?

逆圧電効果

圧電効果は逆にすることができ、逆圧電効果と呼ばれます。これは、圧電結晶を収縮または膨張させるために電圧を印加することによって作成されます。逆圧電効果を使用すると、音響音波を生成および生成するデバイスの開発に役立ちます。圧電音響デバイスの例は、スピーカー (ハンドヘルド デバイスでよく見られる) やブザーです。

圧電の利点

1. 高周波応答 – 非常に高い周波数応答を提供するため、非常に高速で変化するパラメータを簡単に感知できます。
2. 高い過渡応答 – 圧電トランスデューサは、マイクロ秒単位のイベントを検出し、線形出力も提供できます。
3. 高出力 – 電子回路で測定される高出力を提供します。
4. 小型 – 非常にコンパクトで小型で、丈夫で頑丈な構造です。
5. チタン酸バリウムと石英は、任意の形状と形態で作成できます。また、誘電率も大きい。結晶軸は配向方向を変えることで選択可能です。

圧電の欠点

1. 出力が低い – 圧電変換器から得られる出力が低いため、外部電子回路を接続する必要があります。
2. デバイスは小さな電荷で動作するため、電気的インターフェース用に高インピーダンス ケーブルが必要です。
3. 相対湿度が 85% を超えるか 35% を下回ると、その出力が影響を受けます。その場合は、ワックスまたはポリマー材料でコーティングする必要があります。
4. 成形 – 十分な強度を備えた結晶に目的の形状を与えることは非常に困難です。
5. 静止状態での測定には適していません。水晶の温度変化により、出力が変化する場合があります。

圧電トランスデューサの例

1. クォーツ
2. ロシェル・ソルト
3. 偏光チタン酸バリウム
4. 二水素アンモニウム
5. 硫酸リチウム
6. 酒石酸エチレンジアミン
7. 骨のコラーゲンも圧電体です
8. 普通の砂糖

機械エネルギー (圧力や何らかの動き) を電気信号に、またはその逆に変換する必要がある状況はさまざまです。圧電トランスデューサは、変換に使用するのに最適なデバイスです。これらの変換器は、以下に示すように、私たちの日常生活で多くの用途に使用されています:

1. 超音波装置では、圧電トランスデューサが電気エネルギーを非常に速い機械的振動に変換します。実際には非常に速いため、音を発しますが、ピッチが高すぎて私たちの耳には聞こえません。これらの超音波振動は、スキャン、クリーニング、その他あらゆる種類のものに使用できます。
2. その優れた周波数応答により、通常は加速度計として使用され、出力は加速度の重力あたり (1-30) mV 程度です。
3. 圧電トランスデューサは、動的測定、つまり高速で変化するパラメータに適しています。 This is because the potential developed under the static conditions is not held by the instrument. Thus piezoelectric crystals are primarily used measurement of quantities like surface roughness, and also in accelerometers and vibration pickups.
4. The automotive companies used piezoelectric transducers to detect detonations in the engine blocks.

To use this technology for power generation in full-fledged way the experiments are still going on. Well in the next blog we would discuss about some possible uses that we can have of the piezoelectric crystals to generate energy at our homes.