BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Gép- és Terméktervezés Tanszék
TDK dolgozat AZ EMBERI MOZGÁS ENERGIAHASZNOSÍTÁSA PIEZOELEKTROMOS ELVEN
Készítette: Csortán Beáta (K3RDPE) Geiger Dávid (IG323B)
Konzulens: Varga András egy. tanársegéd
2010
TDK dolgozat 2010
2
TDK dolgozat 2010
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés ................................................................................................................................ 6 2. Az energia .............................................................................................................................. 8 2.1 Megújuló energiafajták ..................................................................................................... 8 2.1.1 Napenergia ................................................................................................................. 9 2.1.2 Szélenergia............................................................................................................... 10 2.1.3 Vízenergia................................................................................................................ 10 2.1.4 Geotermikus energia ................................................................................................ 11 2.1.5 Kinetikus energia ..................................................................................................... 11 2.2 Megújuló energiaforrások arányai .................................................................................. 12 2.3 Energiaaratás (Energy harvesting).................................................................................. 14 2.4 Piezoelektromosság ........................................................................................................ 14 2.4.1 Piezo kristály ........................................................................................................... 15 2.4.2 Polarizált műanyagok .............................................................................................. 16 3. Energiatermelő konstrukciók ............................................................................................ 18 3.1 Zebra koncepció ......................................................................................................... 18 3.2 Kapaszkodó koncepció ............................................................................................... 18 3.3 Pavegen Járólap .......................................................................................................... 19 3.4 Redmond padló ........................................................................................................... 19 3.5 Soundpower padló ...................................................................................................... 20 3.6 Energiatermelő Disco ................................................................................................. 20 3.7 Energiaellátó rendszer a metróállomáson ................................................................... 21 3.8 Piezoelektromos autópálya ......................................................................................... 21 3.9 200,000 járókelő melege ............................................................................................ 22 3.10 Zongora lépcső ......................................................................................................... 22 4. Energiatermelő konstrukció tervezéséhez szükséges háttér információk ..................... 24 4.1 Közterek.......................................................................................................................... 24 4.1.1 Közterület ................................................................................................................ 24 4.1.2 Tömegközlekedés .................................................................................................... 24 4.1.3 Középület ................................................................................................................. 24 4.1.4 Kollektív tér ............................................................................................................. 24 4.2 Ergonómia ...................................................................................................................... 25 4.2.1 Befolyásoló tényezők .............................................................................................. 25 4.2.2 Szükséges antropometriai adatok ............................................................................ 25 4.3 Világítás .......................................................................................................................... 26 4.3.1 LED ......................................................................................................................... 26 4.3.2 OLED ...................................................................................................................... 27 3
TDK dolgozat 2010 4.4 Legfontosabb fogalmak .................................................................................................. 28 5. Piezo korongokkal való mérés ........................................................................................... 30 5.1 Mérés ismertetése ........................................................................................................... 30 5.1.1 Mérés célja............................................................................................................... 30 5.1.2 Mérés leírása ............................................................................................................ 30 5.1.3 Mérés menete........................................................................................................... 30 5.1.4 Méréshez használt piezo lapka ................................................................................ 30 5.1.5 Mérő áramkör .......................................................................................................... 31 5.1.7 Terhelő test .............................................................................................................. 36 5.1.8 Alátámasztások ........................................................................................................ 37 5.2 Mérések kiértékelése ...................................................................................................... 40 5.2.1 Első mérési alkalom ................................................................................................ 40 5.2.2 Második mérési alkalom.......................................................................................... 43 5.2.3 Harmadik mérési alkalom........................................................................................ 43 5.2.4 Negyedik mérési alkalom ........................................................................................ 45 5.3 Mérési eredmények......................................................................................................... 48 6. Koncepció kidolgozása ....................................................................................................... 52 6.1 Szerkezet kialakítása....................................................................................................... 52 6.1.1 Szerkezeti változatok ............................................................................................... 52 6.1.2 Szerkezet bemutatása............................................................................................... 55 6.1.3 Alacsony áramfelvételű LED villogó áramkör........................................................ 63 6.2 Termékkörnyezet ............................................................................................................ 66 6.2.1 Pozícionálás ............................................................................................................. 66 6.2.2 Marketing koncepció ............................................................................................... 66 6.2.3 Lehetséges felhasználási területek ........................................................................... 67 7. Eredmények összefoglalása................................................................................................ 70 8. Felhasznált irodalom .......................................................................................................... 71 9. Melléklet .............................................................................................................................. 74 1. számú melléklet ................................................................................................................ 75 2. számú melléklet ................................................................................................................ 77 3. számú melléklet ................................................................................................................ 79
4
TDK dolgozat 2010
5
TDK dolgozat 2010
1. Bevezetés Az elmúlt évtizedekben egyre világosabbá vált az a tény, hogy az emberiség környezetszennyező és energia pazarló életvitele hosszú távon a természeti erőforrások kimerüléséhez, ökológiai katasztrófához vezethet. „A sok kicsi sokra megy” mondás, pozitív és negatív irányban is egyaránt igaz, ugyanis pazarolni és spórolni is sokat lehet éves, de akár havi szinten is, attól függően, hogy közvetve vagy közvetlenül mennyire nagyvonalúan fogyasztjuk a vizet, az áramot, a gázt, mennyire zsákmányoljuk ki a Föld energiatartalékait. Nem csak a környezettudatos gondolkodás elterjedése, a fosszilis energiaforrások korlátozott mennyisége és a kimerülőben lévő készletek teszik sürgetővé a probléma megoldását, hanem az egyre növekedő energiaárak is. A befektetések is egyre jobban a megújuló energiákat alkalmazó vállalkozások felé orientálódnak. Napjaink egyik kulcsfontosságú feladata, hogy újabb lehetőségeket találjunk az energia hatékony és ésszerű felhasználására. Egyetlen módon menthetjük meg környezetünket és válhatunk függetlenné a fosszilis energiahordozóktól, ha rendületlenül kutatjuk - keressük az energiaforrásokat. Bár felvilágosító programok, és egyre szigorodó szabályok sora próbálja a felnőtteket rávenni arra, hogy legalább a legalapvetőbb lépéseket tegyék meg a környezettudatos mindennapok megteremtése érdekében, a szakértők mégis egyetértenek abban, hogy igazi változás csak a mostani gyerekgeneráció felnövekedésével következhet be. A környezettudatos nevelés ma már az oktatás szerves része. Az ökoiskola cím az ENSZ „A fenntarthatóságra oktatás évtizede” nevű programjának része. A kritériumokat az OECD-ENSI (Iskolai Környezeti Kezdeményezések) alakította ki 1986-ban. Azóta az ökoiskolai hálózatnak több mint tíz országban több száz iskola lett a tagja, így kitűzve a képzeletbeli zöld zászlót, mely a környezettudatos életmódra és a természetszeretetre hívja fel a figyelmet. Az emberi mozgás, mint alternatív energia felhasználása már régebben is foglalkoztatta a tervezőket; lásd például a dinamót vagy az elem nélküli lámpát; melyekre manapság is nagy a kereslet az egyre fogyó energiaforrások miatt. A technológia azonban nem tart teljes mértékben lépést az igényekkel. Kétfős csapatunk célja; mely egy Ipari terméktervező mérnök (MSc) és egy Géptervező mérnök (MSc) hallgatóból áll; egy olyan szerkezet koncepcionális tervének létrehozása, melyet az ember hétköznapi mozgása hoz működésbe, így nem igényel külön erőráfordítást, és annak a menetét zavartalanul hagyva, energiát termel. A keletkező energiát piezoelektromos technológiával alakítjuk át. Méréseket végzünk, melyekből a következtetéseket levonva hozzuk létre a tervünket.
6
TDK dolgozat 2010
7
TDK dolgozat 2010
2. Az energia Az energia maga az éltető erő. A legparányibb élőlény sem lehet meg nélküle, de mi emberek is rendkívül változatos formában alkalmazzuk, és különféle célokra használjuk. Napjaink folyamatosan növekvő energiaigényét az energiaszektor egyre nehezebben tudja kielégíteni. Az emberiség rohamosan növekvő létszáma, a fejlődő országok egyre gyorsabb ütemű iparosodása és a fokozódó léptékű közlekedés egyre több energiát igényel. A felhasznált energia előállítása, felhasználása nagy mennyiségű szennyezőanyag-kibocsátással jár, veszélyeztetve az élő rendszereket és az emberi egészséget is. A népek közti kezdeti konfliktusok, melyek a termőföldért, erdőkért folytak, napjainkban egyre inkább az energiaforrásokért folyó versengéssé alakultak át. Mindezek a folyamatok, az egyéb környezetet károsító emberi tevékenységekkel együtt, olyan globális méretűvé szélesedő jelenségekhez vezetnek, mint a klímaváltozás, az élőhelyek pusztulása, ezzel párhuzamosan a biológiai sokféleség csökkenése, a népesség kétharmadának elszegényedése vagy a járványok. Jelenleg az energiatermelés és fogyasztás szennyezi legnagyobb mértékben a környezetet. A fenntartható élet előfeltétele többek között a fenntartható energia-gazdálkodás megvalósítása. Mostani tudásunk szerint ennek két fontos összetevője van: jelenlegi energiaforrásaink hatékony, takarékos használata, és a megújuló, környezetünket nem szennyező energiaforrások alkalmazására való fokozatos áttérés. Az energia megtakarításának egyik módja saját igényeink ésszerű határok közé szorítása, energia-felhasználási szokásaink megváltoztatása. A másik mód az energia hatékony technológiák alkalmazása lehet. Az alacsony energiaigényű, és az adott energiamennyiséget hatékonyan felhasználó technológiák és szerkezetek alkalmazásával jelentős mennyiségű energia és pénz takarítható meg. Az egyik leghétköznapibb példa erre az újonnan épülő lakások, épületek korszerű anyagokból, korszerű technológiával való megépítése. A már meglévő, régebbi konstrukciójú lakások megfelelő szigetelésével, a nyílászárók cseréjével, szigetelésével is tetemes mennyiségű energia takarítható meg. A korszerű fűtésrendszerek és kazánok alkalmazása, de akár egy hőfokszabályzó beszerelése is hozzájárulhat az energiaszámlák mérsékléséhez. Az ipai termelésben az átgondolt, takarékos technológia alkalmazásával, újrahasznosítható anyagok felhasználásával, az egyes munkafázisok jól megtervezett felépítésével egyaránt energia-megtakarítás érhető el. [1]
2.1 Megújuló energiafajták Az emberiség már a történelem kezdete óta használja a természet által kínált energiaforrásokat. A Nap energiája szárította a termést, a szelet fogták vitorlájukba hajózó őseink, a szél hajtotta a szélmalmok kerekeit, a hőforrások vizével fűtötték a római kori fürdőket stb. Az ipari civilizáció egyre nagyobb és fokozottabb ütemben használja fel a hagyományos energiaforrás fajtákat - mint a szén, a kőolaj, a földgáz. Az energiafogyasztás rohamos 8
TDK dolgozat 2010 növekedése 40 évvel ezelőtt rádöbbentette a világot, hogy a hagyományos energiaforrások hátrányai súlyos környezeti károsodásokat okoznak, mint amilyen az üvegházhatás, légszennyezés, egyéb környezeti szennyezések. Kimerülőben vannak a készletek, és ez az ipari fejlődést akadályozza. Ekkor kezdtek el kiemelt figyelmet fordítani az alternatív energia (vagy másképpen mondva megújuló energia) hasznosítási lehetőségeinek feltárására. Ezen energia korlátlanul rendelkezésünkre áll. Kihasználása csak egy alkalommal jelent nagyobb kiadást, ezt követően gyakorlatilag ingyenesen és korlátlanul a rendelkezésre áll, nem kell azon mérgelődni, hogy ebben az évben is már sokadik alkalommal emelték fel jelentősen a szén, a gáz, a kőolaj árát. A megújuló energia fajták közül a következőket részletesebben mutatjuk be: • a napenergia, • a szélenergia, • a vízenergia, • a geotermikus energia, • és a kinetikus energia.
2.1.1 Napenergia
2.1. ábra: Napenergia Földünk legfőbb energiaforrása a Nap. Előnye, hogy maga az energia ingyen van és környezetbarát, hátránya, hogy nem áll állandóan rendelkezésünkre és a hasznosításához szükséges berendezések és infrastruktúra kiépítése költséges. A Nap energiáját a Földön két féle módon tudjuk hasznosítani: passzív és aktív energiatermeléssel. Passzív energiatermelés esetén a befogott energiát nem alakítjuk át, illetve nem tároljuk más formában, hanem hőenergiaként hasznosítjuk. Ilyen jellegű energia felhasználáskor tulajdonképpen az üvegházhatást használjuk ki, így ezt az energiát minden olyan épület, ház ki tudja használni, amelyik adottságánál fogva képes a Napfényt beengedni falain belülre, majd az ott létrejövő hőenergiát tárolni. Mint nevéből is adódik, így működnek az üvegházak, de ma már több lakóház is, például a passzív házak nagy része. Aktív energiatermelés esetén a napenergiát általában befogjuk és tároljuk, átalakítjuk, szállítjuk. Lényege, hogy valamilyen berendezés, vagy eszköz segítségével változtatjuk felhasználható energiaformává. Az egyik lehetőség erre a hőenergia előállítása, leggyakrabban napkollektorok segítségével. Erre a technológiára ma már egész erőműtelepek is léteznek, amelyek fókuszált tükrök segítségével gyűjtik a napfényt, majd víz hevítésével gőzturbinákat működtetve elektromos áramot termelnek. A másik lehetőség a napsugárzás
9
TDK dolgozat 2010 úgynevezett fotovoltaikus hasznosítása, napelemek segítségével. Ezek a panelek a napsugárzást közvetlenül elektromos energiává alakítják.
2.1.2 Szélenergia
2.2. ábra: Szélenergia A szélenergia a napsugárzás hatására, különböző helyi felmelegedések hatására jön létre, így közvetve a Nap energiájának köszönhető. A szél mozgási energiáját a szélturbina mechanikai munkává alakítja, mely gépek, villamos generátorok stb. hajtására alkalmas. Ennél hagyományosabb felhasználási területei is vannak, például a még fellelhető szélmalmok, vagy szélenergiával hajtott szivattyúk. A szélenergia megfelelő technológiával kinyerve egy gazdaságos áramtermelési eljárás, ennek ellenére még nem olcsóbb, mint az átlagos megoldások. Természetesen gazdaságosságát nagyban növeli, hogy a környezetre nem ártalmas, és a Földön szinte bárhol elegendő szél áll rendelkezésre a működtetéséhez. A Föld teljes villamos energia szükségletének körülbelül nyolcvanszorosát is képes lenne fedezni.
2.1.3 Vízenergia
2.3. ábra: Vízenergia A víz mozgási energiáját nagy esésű vagy mesterséges felduzzasztott folyókra épített vízi erőművekben, a tengerpartok közelében létesített árapály- és a hullám-erőművekben hasznosítják elektromos energia termelésére. Jelentős lehet a vízben tárolt hőenergia is. A víz hőenergiáját óceáni hőerőművekben hasznosítják, a tropikus óceánok megfelelő talapzataira telepített, a termikus gradienst kihasználó teljesítményekkel. A sós vizű naptavakban a napsugárzás következtében a vízben, és részben a párolgó víz miatt egyre töményebbé váló só rétegekben felgyülemlő hőenergiával, turbinákat hajtva termelnek elektromos áramot. Az édesvízi naptavak felmelegedő vizét közvetlenül fűtésre használják.
10
TDK dolgozat 2010
2.1.4 Geotermikus energia
2.4. ábra: Geotermikus energia A Föld belső hőjéből származó geotermikus energia nemcsak a földkéreg kőzeteit, hanem a kőzetek repedéseiben lévő vizet is felmelegíti. Az ilyen energiát alkalmazó berendezéseknek, tulajdonképpen csak két különböző hőmérsékletű hőforrásra van szükségük, és azokat összekötve, a létrejövő hőáramlás egy részét hasznosítják, a termodinamika második főtétele alapján. Ilyen alapelven működnek például a hőszivattyúk, de leegyszerűsítve ez mondható el a termálvíz hasznosításáról is. A gazdaságosságot ebben az esetben a hő közvetítő közeg szállításának költsége jelenti, az azonban elmondható, hogy ez az energiaág is egyre jobban fejlődik az utóbbi időben. A beruházási költségek folyamatosan csökkennek, a rendszerek pedig egyre megbízhatóbbak. [2]
2.1.5 Kinetikus energia
2.5. ábra: Kinetikus energia: övre csatolható és hintaszékbe épített akkutöltő[3] A kinetikus energiát alapvetően nem szokás megemlíteni a megújuló energiaforrások között. Itt nem beszélhetünk ugyanis konkrét közegről, módszerről, vagy energiaforrásról. Ebben az esetben az energia egy formáját igyekszünk hasznosítani, nevezetesen a mozgási energiát. Ez az energia bármitől származhat: emberi lépésből, gépek rezgéséből, autók kerekének összenyomódásából, stb. Mindezekben a közös, hogy termelődik olyan energia, amely normál esetben veszteségként, kihasználatlanul vész el hő formájában. Az ilyen jellegű energia befogására és hasznosítására készülnek a kinetikus energiával működő berendezések, amellyel mi is fogunk foglalkozni a továbbiakban. Az ilyen jellegű energiatermelés sok esetben az energia „lopásával” jár, vagyis a mozgási energia kinyerése esetlegesen plusz munkát jelent a „meglopottnak”. Ilyen eset például a gyalogosok lépési energiájának kinyerése, amikor is például egy néhány millimétert besüllyedő járdalap nyeli el a mozgási energiát. Ez elhanyagolható, de plusz munkával jár, hiszen a gyalogosnak az ébredő magasságkülönbséget le kell küzdenie minden lépésnél. [4] 11
TDK dolgozat 2010
2.2 Megújuló energiaforrások arányai A megújuló energiák szükségessége és terjedése Globálisan elmondható, hogy a fosszilis energiahordozók tartalékainak kimerülésével felértékelődnek az megújuló energiaforrások. Vállalkozási és lakossági szinten pedig az energia költségek csökkentésére irányuló törekvés teszi szükségessé a megújuló energiák hasznosítását. Ezzel szemben az igen magas beruházási költségek, az egyes fosszilis energiahordozók alacsony ára - akár támogatások révén - valamint a szemléletváltozás a fogyasztói szinten hátrányosan befolyásolja a terjedés folyamatát. A megújuló természeti erőforrásokat hasznosító technológiák elterjedése a fenti tényezők miatt csak állami támogatással valósítható meg, ezért az elmúlt években az energiapolitika szerves részévé vált a különböző támogatásokkal a megújuló energiaforrások használatának elősegítése. A megújuló energiaforrások bemutatása látható a következő ábrákon, a külföldi viszonylatban, illetve a hazai vonatkozásokban.
2.1. diagram: Megújuló energiaforrások a világon (2005) [5]
2.2. diagram: Megújuló energiaforrások az EU-ban [6]
12
TDK dolgozat 2010 Az Európai Unió vezetői 2008 decemberében átfogó intézkedéscsomagot fogadtak el azzal a céllal, hogy csökkentsék az Unió hozzájárulását a globális felmelegedéshez, és kellő mennyiségű megbízható energiaforrásról gondoskodjanak. Az európai energiapolitika eddigi legnagyobb horderejű reformjaként a csomag azt hivatott elérni, hogy Európa világelsővé váljon a megújuló energia és a kis szén-dioxid-kibocsátású technológiák terén. Az Unió azt a célt tűzte ki, hogy 2020-ra 20%-kal csökkenti (az 1990-es értékekhez képest) az üvegházhatású gáz kibocsátást. Ezt szakpolitikai eszközökkel, főként a megújuló energiaforrások használatának ösztönzésével és az energiafogyasztás megfékezésével kívánja megvalósítani. Az intézkedések emellett csökkentik majd a gáz- és olajimporttól való függőséget is, és segítenek a gazdaságot megvédeni az energia árak változékonyságával és az energiaellátás bizonytalanságával szemben. [7]
2.3. diagram: Az összenergia felhasználás [8] Hazai viszonylatban az összes megújuló energiafelhasználás nagy részét: 36%-át a tűzifa teszi ki. A geotermikus 6%-ot, a vízenergia 1%-ot, a növényi és egyéb szilárd hulladékok 56%-ot, a hasznosított napenergia 1%.
2.4. diagram: A megújuló energia felhasználás eloszlása Magyarországon (2008) [9]
13
TDK dolgozat 2010
2.3 Energiaaratás (Energy harvesting)
2.6. ábra: Energiaaratás: telefontöltő t jojó, világító kulacs és mini szélerőmű széler [10] Az energiaaratás fogalma külső energiaforrásokból származó energia kinyerését, megszerzését és annak tárolását jelenti. Ilyen energiák lehetnek például a napenergia, szélenergia, hőenergia, energia, kinetikus energia, stb. Erről Err l a technológiáról általában kisméretű, kisméret vezeték nélküli, önműködő dő vagy önellátó berendezések esetén beszélhetünk. Az elektromos áramot hagyományosan nagy mennyiségben, és nagyméretű nagyméret termelő egységekben állítják elő. ő.. Az energiaaratás nagyobb léptékekben azonban nem feltétlenül kifizetődő,, bár ellenpéldákkal is találkozhatunk, találkozhatunk, leginkább a szélenergia és a hőenergia h terén. Az energiaaratáshoz felhasznált energia alapvetően alapvet nem előállított, állított, hanem meglévő, meglév ingyenes energia, amelyet csak megfelelő megfelel eszközökkel be kell fogni, és tárolni kell. Az így kinyerhető kinyerhet energia mennyisége ége rendszerint nem túl nagy, ezért főként f ként energiatakarékos, kis teljesítményű teljesítmény berendezések működtetésére ködtetésére alkalmas. Az energiaaratás fogalomkörébe tartozik továbbá az energia olyan módszerrel való kinyerése, amely az energia előállítója állítója számára nem jelent érezhető mértékű többletmunkát. Ilyen módon kinyerhető energia például gépek üzemszerű üzemszer rezgéséből, l, emberi lépésből, lépésbő autó mozgásából. [11]
2.4 Piezoelektromosság A piezoelektromosság elektromos jelenség, amely bizonyos anyagok, például kristályok, kerámiák, egyes polimerek esetében jön létre. A jelenség során az anyag összenyomásának hatására elektromos feszültség keletkezik. Piezoelektromos tulajdonságot mutat minden min olyan kristályos szigetelőanyag, anyag, amelynek elemi cellája szimmetria-középponttal szimmetria középponttal nem rendelkezik, vagy a szimmetria mechanikai terhelés hatására megszűnik. megsz nik. A rugalmas mechanikai terhelés hatására a dipólusok relatív helyzete megváltozik, és egyes kristálytani kristálytani síkokon villamos töltések jelennek meg. A létrejött polarizáció arányos a mechanikai feszültséggel: ∙ ahol: P - a polarizáció c - a piezoelektromos állandó σ - a mechanikai feszültség. 14
TDK dolgozat 2010 Az alábbi ábra a kvarc (SiO2) kristály (A) piezoelektromos viselkedését mutatja be, nyomó (B), illetve húzó (C) erőő hatására.
2.7. ábra: Piezoelektromos viselkedés A megjelenő töltéskülönbség függ a deformáció irányától, ezért a kristály polaritása nem egyforma a nyomó, illetve a húzó terhelés esetében. A piezo a töltést nem tartja, így a feszültség növekedésének megállásával a töltéskülönbségek megszűnnek, megszűnnek, majd a feszültség fe ellentétes irányú növekedésével, vagyis csökkenésével ellentétes töltések jelennek meg a kristályon. A polarizáció inverz jelensége az elektrosztrikció, ami a villamos tér hatására bekövetkező bekövetkez rugalmas alakváltozás. [12]]
2.4.1 Piezo kristály
2.8. ábra: Piezo korong, -lap A piezoelektromosságot leggyakrabban kvarc kristályból készült lapkákból nyerik ki, illetve ilyenek esetében alkalmazzák. A legelterjedtebb felhasználása a kvarcóra, hangkibocsátó lapka, mikrofonok rezgés érzékelői. érzékel i. Nagyon pontos beállítást igénylő műszerek m esetében is alkalmazható, a piezora adott feszültséggel ugyanis akár atomi léptékben is befolyásolható a kristály deformációja. Alkalmazzák továbbá orvostudományban, ultrahangok keltésére, de a hétköznapi öngyújtók jtók és gázgyújtók legtöbbje is ilyen technológiával működik. m mű A piezo alkalmazásának előnyei, el nyei, hogy a technológia viszonylag egyszerű egyszer és nem különösebben költséges, mindemellett pedig karbantartást nem igényel, és hosszú élettartamú. Továbbá nagy feszültségg előállítására előállítására képes, ami például a gázgyújtók, öngyújtók esetében igen előnyös. Hátránya, hogy mivel maga a piezo kristály leggyakrabban kvarc, amely természeténél fogva törékeny és sérülékeny, nem képes túl nagy igénybevételt elviselni. Ily módon deformációja mindkét működési ködési módban igen minimális. Bár nagy feszültség előállítására el elő alkalmas, a
15
TDK dolgozat 2010 létrejövő áramerősség ennek megfelelően igen kicsiny, amelynek átalakítása, illetve felhasználása problémát jelenthet. [13]
2.4.2 Polarizált műanyagok
2.9. ábra: Polarizált műanyagok Egyes műanyagok, mint például a PVDF (Polyvinylidene Fluoride), megfelelő kezelés esetén piezoelektromos tulajdonságokat mutatnak. A polimert vékony lap formában megnyújtva a molekuláris láncok egy irányba orientálódnak, majd elektromos térben polarizálhatóak. Így hasonlóan a piezo kristályokhoz, deformáció hatására elektromos töltéskülönbség jön létre a kristályok oldalán, illetve ennek fordítottja esetében, feszültség hatására deformáció jön létre. A polarizált műanyagok nagy előnye a hagyományos piezo kristályokkal szemben, hogy sokkal nagyobb deformációt képesek elviselni, ennél fogva kevésbé sérülékenyek. A belőlük kinyerhető teljesítmény azonban kisebb, mint a kristályok esetében. [14]
16
TDK dolgozat 2010
17
TDK dolgozat 2010
3. Energiatermelő konstrukciók Az előbbiekben is bemutatott környezetkímélő mozgalmak hatása az, hogy manapság a tervezések középpontjába került, hogy olyan rendszereket hozzunk létre, melyekkel az amúgy felhasználatlan cselekvésekből energiát tudunk hasznosítani. Tervezésünket információgyűjtéssel kezdtük. Arra kerestünk ötleteket, hogy milyen módon hasznosítják az emberi mozgásokat, pontosabban a lépést, illetve a piezoelektromosságot, mint technológiát. A példák nagy részénél ezt a két dolgot párosították. Ezekből készítettünk egy gyűjtést. A talált termékek egy része még csak koncepció, de akadtak külföldön olyan prototípus fázisában lévő szerkezetek is, ahol energiát termeltek emberi cselekvésekkel.
3.1 Zebra koncepció
3.1. ábra: 'ergo crosswalk' koncepció Jae Min Lim-től Amikor az emberek átkelnek a zebrán, azt próbálják a legrövidebb útvonalon megtenni, sokszor nem is tudatosan, de letérnek a zebra területéről. Ez megsérti a közlekedési szabályokat, és néha veszélyezteti a gyalogosok biztonságát. Az "Ergo crosswalk" egy koncepció, amely az embereket a közlekedési szabályok betartására készteti, illetve a szokásaikra és a tudattalan akcióikra hívja fel a figyelmet. Ösztönzi a gyalogosokat, hogy kövessék a járda csíkjait, így megvédve azokat a potenciális veszélyektől. Ha a szabályozás nem kényszeríti az embereket eléggé, hogy kövessék az előírásokat, nem volna ésszerűbb olyanná változtatni a törvényt, hogy az meg tudja óvni a gyalogosok biztonságát? [15]
3.2 Kapaszkodó koncepció
3.2. ábra: Piezoelektromos kapaszkodó koncepciója Junjie Zhang-tól Junjie Zhang egy a tömegközlekedési eszközökön gyakorta használatos tárgyat, a kapaszkodót és a piezoelektromos kerámiát párosította. Amikor a fogantyúk mozgásba kerülnek azok így a piezoelektromos készüléket működtetik, amely az addig kárba ment
18
TDK dolgozat 2010 energiát összegyűjti. Ezen energiát pedig az utasok fel tudják használni arra, hogy feltölthetik a lemerült eszközeiket. [16]
3.3 Pavegen Járólap
3.3. ábra: Pavegen járólap Egy brit találmány azt teszi lehetővé, hogy egy forgalmas utcán a járókelők lépési energiáját befogja, majd azt hasznosítja a közvilágítás vagy a jelzőlámpák működtetésére. Valahányszor rálépnek egy Pavegen járdaburkoló lapra, annak gumirétege fél centiméternyire összenyomódik, elnyeli a mozdulat mozgási energiáját, és villamos árammá alakítja. A burkolólap egyúttal fényjelzéssel hívja fel magára a gyalogosok figyelmét, így tudatja velük, hogy egy fenntartható energiagazdálkodási program tevékeny részei. A módszer kidolgozó szerint egy nagy forgalmú köztér egyetlen járdalapja akár 2,1 ℎ áramot is fejleszthet, így öt lap egész éjszakára kivilágíthatja a buszmegálló jelzőtábláját. Az új burkolólap ráadásul környezetbarát is, ugyanis 100%-ig újrahasznosított autógumiból készül. [17]
3.4 Redmond padló
3.4. ábra: Piezo padló Elizabeth Redmond úttörő a piezoelektromos járdák terén szülővárosában, Chicagóban valamint külföldön is. A kísérleti panel adatokat szolgáltat neki arról, hogy miként működik a rendszer az energia aratás révén, majd ezt követően a keletkező energiát világító és más
19
TDK dolgozat 2010 alacsony energiafelhasználású készülék ellátására használhatja fel. A Redmond cég reménye, hogy egy tartósan elhelyezett járdát létesítsen Chicagóban. [18]
3.5 Soundpower padló
3.5. ábra: Soundpower járólap A Soundpower cég arra törekszik, hogy hangok és más rezgések által generált energiával lásson el különböző világítási rendszereket. Legismertebb terméke egy energiatermelő padló, mely egy interaktív világítási rendszert lát el. A cég azon is dolgozik, hogy hanggal működtesse a mobiltelefonokat, vagyis olyan eszközt hozzon létre, mely, míg a felhasználó beszél, a hangok által folyamatosan tölti a telefont. [19]
3.6 Energiatermelő Disco
3.6. ábra: Energiatermelő táncparkett Egy átlagos éjszakai klub, mely heti három alkalommal üzemel, a speciális hangtechnika és a fényhatások használata miatt 150-szer több energiát fogyaszt egész évben, mint egy négyfős család. Többek között ennek leküzdése érdekében is új, az éghajlatváltozás elleni program indult el, melyet a Club4Climate szervezet hozott létre. A lelkes vállalkozó több környezetvédelmi klubbot szeretne nyitni. Mottója: „Csak annyit kell tenned, hogy táncolsz, és ezzel megmented a világot”. A táncparkett képes az épület villamos energiájának a 60%-át ellátni. Az épület technológiája magában foglalja a rugózó padlót és a villamos energiát termelő blokkot. A blokkok piezo kristályokból készülnek, melyek nyomás hatására jönnek működésbe. A táncosok táncolnak, 20
TDK dolgozat 2010 így a blokkok akár 20
-t is benyomódhatnak, mellyel akkumulátorokat töltenek fel, amik a szórakozóhely elektromos rendszerét táplálják. [20]
3.7 Energiaellátó rendszer a metróállomáson
3.7. ábra: Energiatermelő metró átjáró kapu Az egyik japán közlekedési vállalat (East Japan Railway Company – JR East) megkezdte egy olyan alternatív energiaellátó rendszer tesztüzemét két metróállomáson Tokióban, mely egy már régóta ismert megoldáson alapul: a metró utasai (e helyeken naponta 400 ezer ember halad át) a lépteikkel generálnak áramot az állomás elektromossággal működő készülékei, berendezései számára. A technológia alapja a piezoelektromosság: a peronokon, a kapukon átvezető részre helyeztek el olyan elemeket, melyek a rájuk nehezedő nyomás következtében termelnek energiát. Az „energiatermelő padlónak” nevezett megoldással már 2006 óta kísérleteznek sikeresen, mivel a kezdetekhez képest megtízszerezték a leadott teljesítményt, köszönhetően annak, hogy aprólékos munkával mind az egyes elemek elhelyezésén, mind az energiaátvitelen, mind pedig az alkalmazott áramkörökön javítottak. A számítás alapja, hogy egy átlagosnak (60 kg) tekintett ember az áthaladáskor 0,1 energiát termel másodpercenként két lépés következtében. [21]
3.8 Piezoelektromos autópálya
3.8. ábra: IPEG Egy izraeli cég az Innowattech, piezoelektromos generátorokat (IPEG: Innowattech Piezo Electric Generator) telepített a közúti, vasúti és kifutópályákhoz, ahol az elhaladó járművek és gyalogosok ”zöld energiát” termelnek. Azt állítják, hogy az 1km-nyi úttest vagy a kifutópálya, képes egy óra alatt akár 0,5 -ot fejleszteni (500 ). A rendszer energiát hasznosít a súly mozgásából, a rezgésekből és a hőmérsékletváltozásból, anélkül, hogy bármilyen kihatása lenne ezen hétköznapi tevékenységekre. [22] 21
TDK dolgozat 2010
3.9 200,000 járókelő melege A Stockholmi központi földalatti alagút maga az emberi csúcsforgalom, ahol a metró platformjain mindkét irányban nagyszámú ember halad át állandóan. A Kungsbrohusetben dolgozó mérnökök úgy döntöttek, hogy az emberek által termelt hőenergiát hasznosítják. A rendelkezésre álló technológiát, beleértve egy hőszivattyút, két hőcserélőt és egy sor csövet felhasználva a mérnökök a hőt elvezetik a megállóból a közeli épületbe, ami az ottani fűtés 510%-át adja ki. [23]
3.10 Zongora lépcső
3.9. ábra: Zongora lépcső Hihetetlen, hogy egy aprócska kis ötlettel hogy fel lehet dobni a legunalmasabb aluljárót is, amin az emberek amúgy csak túl akarnak jutni. A Volkswagen néhány nyomásérzékelő és pár méter fekete, illetve fehér műanyag segítségével a stockholmi Odenplan metróállomás egyik aluljáróját alakította át egy hatalmas, működő zongorává. A lépcső, amely rálépéskor hangokat ad ki egyből elnyerte a járókelők tetszését, akik 66%-a választotta ezt a mozgólépcső helyett. Mindezt a Volkswagen a http://rolighetsteorin.se oldalon szervezett "Theory of Fun" elnevezésű kampánya részeként készítette, ahol azt akarják bebizonyítani, hogy egy kis öröm, játék vagy humor meg tudja változtatni az emberek viselkedését. [24]
22
TDK dolgozat 2010
23
TDK dolgozat 2010
4. Energiatermelő konstrukció tervezéséhez szükséges háttér információk Az előző fejezeteket kiegészítve ezen fejezet tartalmazza mindazon egyéb adatokat, amik a tervezésünkhöz szükségesek. Az információ halmazból kiindulva végeztük el a méréseinket és fogalmaztuk meg a koncepciónkat.
4.1 Közterek Elképzelésünket forgalmas területekre szánjuk, ahol sok ember lépési energiáját tudjuk hasznosítani. Ezen forgalmas területek a következők lehetnek. A felsorolásokat a külső terekkel kezdjük, majd fokozatosan haladva a belsők felé
4.1.1 Közterület A közterület jogi (elsősorban közigazgatási jogi) fogalom. Minden olyan állami vagy önkormányzati tulajdonban álló földterületet jelent, amelyet – rendeltetésének megfelelően – bárki használhat (tehát közhasználatú) és amely ekként van bejegyezve az ingatlannyilvántartásba. [25]
4.1.2 Tömegközlekedés A tömegközlekedés (vagy közösségi közlekedés, közforgalmú közlekedés, kollektív közlekedés) – az általános értelmezés szerint – magában foglal minden közlekedési rendszert, amelyben az utasok nem saját járművekkel közlekednek. [26]
4.1.3 Középület Az építészet funkcionális felosztásába tartoznak a középületek, melyek funkcionális felosztásának alaprendszere jogilag definiált (a mindenkori építési törvény alapján). [27]
4.1.4 Kollektív tér A privát terek és a közterek mellé manapság felsorakozott egy harmadik fogalom is, ez a kollektív tér fogalma, mely funkciójában közösségi célokat szolgál, ám az magántulajdonban van. Ilyen terek tipikusan a bevásárlóközpontok, és a stádiumok.
24
TDK dolgozat 2010
4.2 Ergonómia 4.2.1 Befolyásoló tényezők Az, hogy a szerkezet működéséhez mi az a minimális erő, ami már működésbe hozza illetve, mekkora az a maximális erő, amit még ki kell, hogy tudjon bírni károsodás nélkül, sok tényezőtől illetve azok együttes hatásaitól is függ. Ezen erő nagyban függ attól, hogy milyen fizikai adottságokkal rendelkezik a felhasználó. Ugyanis különbség van a férfiak és a nők között és még nagyobb a felnőttek és a gyermekek által létrehozott lépési energia között. Személyi változók • • • • • •
nem kor antropometriai változók (lábméret, testsúly, …) pszichológiai tényezők (sietség, kedv, …) fizikai tényezők (motiváltság) egyéb személyi változók
Interakciós változók • •
Testhelyzet ízületek szögei a szerkezet pozíciója az érintkezésnél Erő szükséges minimális erő nagysága erő iránya lépés sebessége
4.2.2 Szükséges antropometriai adatok Testtömeg adatok A maximális testtömeg a férfi felnőtt embereknél: 92 kg. A minimális testtömeg a 7 éves fiú gyermekeknél: 30 kg. Felnőtt lábméret A szerkezet minimális mérete 112
× 302
kell, hogy legyen. [28]
25
TDK dolgozat 2010
4.3 Világítás A szerkezettel megvilágított egységnek a LED-et LED et választottuk, az alábbiakban is olvasható pozitív tulajdonságai miatt.
4.3.1 LED
4.1. ábra: Különböző tokozású LED-ek A két tokozási forma DIP LED A DIP LED-ek ek felépítése egyszerű, egyszer , az anód kivezetés arany elektródával csatlakozik a katód lábba ültetett chiphez. A hagyományos kialakítású LED katódja az áttetsző áttetsz műanyag burán belül láthatóan egy „tálcát” tart, amelybe az anódtól egy vékonyabb vezeték érkezik be. A LED chipje egy fényvisszaverő fényvisszaver tölcsérben helyezkedik el, mely a katód lábba van integrálva. Itt nincs hőelvezetést elvezetést szolgáló elem, az egész LED egy epoxy házba van beöntve, mely epoxy lencsét formáz. A lencse gyújtópontjában a LED chipje található. Gyári Gyári állapotában az anód kivezetés hosszabb, innen ismerhetjük fel.
4.2. ábra: DIP LED felépítése
26
TDK dolgozat 2010 Teljesítmény LED A teljesítmény LED-ek felépítése már jóval kifinomultabb. Külön figyelmet szentelnek a hőelvezetésre, speciálisan kialakított hő elvezető hűtőfelületet alkalmazva. A tokozás hűtőfelülete alkalmassá teszi a teljesítmény LED-eket hűtőbordára való szerelésre is. Jó minőségű és megfelelő méretű hűtőbordával alacsonyan tartható a mag hőmérséklete, ezáltal növelhető az élettartam. Az előbb említett hűtőfelületen foglal helyet a LED chipje, mely szintén arany elektródával kapcsolódik a kivezetésekhez. A chip felett találjuk a lencsét, mely itt már nem epoxyból, hanem különböző Si vegyületekből készül. [29]
4.3. ábra: Teljesítmény LED felépítése
4.3.2 OLED Az OLED (Organic Light-Emitting Diode) azaz szerves fénykibocsátó dióda, mint annyi más találmány a természetből származik. A Szent János bogarak köztudomásúan világítanak, mégpedig meglepően nagy fényerővel küldenek egymásnak jeleket, ha „felvillanyozza” őket a párosodás lehetősége. Innen származik a felfedezés, hogy bizonyos szerves anyagok feszültség hatására fényt bocsátanak ki. Ez a jelenség az elektro-lumineszcencia.
4.4. ábra: OLED kijelző hajlékonysága Videó képmegjelenítők esetén az aktív mátrix vezérlés az alkalmasabb megoldás, melynél minden egyes pixelhez tartozik egy kapcsolótranzisztor és tárolókapacitás. A megoldást az LCD kijelzőknél már elterjedten alkalmazott alacsonyhőmérsékletű poliszilícium (Low Temperature PolySi) technológiájú vékonyréteg tranzisztorok (TFT) kínálják, melyek nagyáramú és gyors kapcsolást tesznek lehetővé. Az aktívmátrix OLED kijelzőn mindenegyes pixel függetlenül címezhető a hozzá tartozó TFT-vel és kapacitással. Elvileg minden kiválasztott pixel bekapcsolva tartható a teljes képfrissítési időtartama alatt. [30]
27
TDK dolgozat 2010
4.4 Legfontosabb fogalmak A fizikusok szerint az energia az anyag alapvető tulajdonsága, összes mennyisége zárt rendszerben időben állandó. Ezt mondja ki az energia-megmaradás törvénye. Egy másik megfogalmazás szerint az energia munkavégző képesség, segítségével megváltoztatható az anyag formája, helyzete, mozgásállapota vagy minősége. Az energiát, mint fizikai mennyiséget joule-ban *+, mérjük. Ezen mértékegység fizikai tartalma a következő: 1 joule-nyi energiamennyiséget kell befektetnünk akkor, ha 1 newton nagyságú erővel mozgatunk egy testet 1 méter hosszú úton. Ebben a mértékegységben kifejezhetünk hőenergiát (hőmennyiséget), mechanikai energiát (munkát), kémiai energiát (kötési energiát), villamos energiát stb. Ugyanezt a J jelölést láthatjuk különböző ételek és italok dobozán, ami azt jelenti, hogy az adott termék elfogyasztásakor ennyi energiamennyiséget viszünk be a szervezetünkbe. Sokszor nemcsak az energia mennyiségére vagyunk kíváncsiak, hanem arra is, hogy ezt a mennyiséget mennyi idő alatt állítottuk elő vagy használtuk fel. Ennek mérésére a teljesítmény szolgál, melynek mértékegysége a watt * ,. Akkor beszélünk 1 teljesítményről, ha 1 + energiamennyiséget 1 másodperc alatt használunk fel. Ha a lámpánkban 40 -os izzó van, akkor az 1 -. alatt 40 + elektromos energiát használ el. A vasaló, ami pl. 800 teljesítményű, 1 -. alatt 800 + hőenergiát termel, de ugyanennyi elektromos áramot el is fogyaszt. A termodinamika I. főtétele az energia-megmaradás tétele. Köznapi nyelvre lefordítva ez azt jelenti: „Az energia nem vész el, csak átalakul”. Az energia három megjelenési formája: • mechanikai energia: közvetlen munkavégzésre képes, jele , • hőenergia: amivel melegíthetünk, jele 0, • belső energia: mértéke az anyag részecskéinek mozgási intenzitásától függ, jele 1. A termodinamika II. főtételének több megfogalmazása is van: 1. Hő hidegebb helyről melegebb helyre (külső segítség nélkül) nem áramolhat. 2. A hőenergia teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává, viszont a mechanikai munka 100 %-ban hőenergiává alakítható. A termodinamika kimondja az energia-megmaradás elvét, de egyben meghatározza az egyes energiafajták egymásba alakításának korlátait is. Mint szinte minden dolognak a világon, így az energiának is van mennyisége és minősége is. Az univerzálisan használható, jó minőségű energia mennyisége minden rendszerben idővel csökken. Egy rendszer rendelkezésére álló minőségi energia-mennyisége csak más rendszerek rovására növelhető. [31]
28
TDK dolgozat 2010
29
TDK dolgozat 2010
5. Piezo korongokkal való mérés 5.1 Mérés ismertetése A TDK-nk célja, hogy mérésekkel támasszuk alá a piezoelektromos technológia felhasználhatóságát. Az információgyűjtés során túl sok olyan ellentmondásos adatot találtunk, amelyek a kinyerhető teljesítményre vonatkoznak, ezért döntöttünk úgy, hogy a tervezési paramétereket mérési eredményekkel egészítjük ki. Szerettük volna kézzelfoghatóvá tenni a magunk számára is azt a rendszert, melyet a későbbiekben felhasználunk.
5.1.1 Mérés célja A mérések célja a piezoelektromos elv és a felhasználási lehetőségek megismerése. A bemenő és kimenő munka közti arány, illetve kapcsolat megállapítása, a legnagyobb teljesítmény kinyerési módszerének megállapítása.
5.1.2 Mérés leírása A mérés során a piezo lapkákat különböző alátámasztások mellett terheltük meg, miközben folyamatosan mértük a terhelő erőt az elmozdulás függvényében, valamint az áramkörből kinyerhető feszültséget. A terhelő erőből és a deformációból a befektetett munka meghatározható, az áramkörben lévő kondenzátoron eső feszültségből pedig a kimenő munka.
5.1.3 Mérés menete A mérések minden alkalmával legelőször azt vizsgáltuk, hogy az adott alátámasztás mellett a lapka mekkora terhelő erőnek képes ellenállni. Ehhez egy az áramkörbe nem bekötött lapkát helyeztünk a mérő rendszerbe, majd azt a tönkremeneteléig terheltük, rögzítve a terhelő erőt és az elmozdulást. Ezzel minden alátámasztás esetén meg tudtunk határozni egy olyan biztonságos terhelő erő maximumot, amely esetén a kristály még nem kezd el repedezni. A maximális érték meghatározása után, a már áramkörbe kötött lapkák következtek. Ezeket a maximális értéknél kisebb erővel terheltük meg, miközben folyamatosan regisztráltuk a terhelő erőt és az elmozdulást, valamint a kondenzátoron létrejövő feszültséget. A létrejövő feszültség folyamatos mérésekor a kapott feszültség értékeket közvetlenül nem lehet felhasználni a lapka által termelt energia meghatározására, mivel mind a bekötött kondenzátor, mind a mérőrendszer ellenállása jelentősen befolyásolta az eredményt. Ennek ellenére a feszültség értékek időbeni lefolyása és jellege sok információval szolgál.
5.1.4 Méréshez használt piezo lapka A méréshez nem kimondottan energiatermelésre készült 30
átmérőjű és 0,5
magasságú lapkákat alkalmaztunk, mivel ezeknek a beszerzésére volt lehetőség a korlátozott anyagi keretünkből kifolyólag. Ezen típusú lapkák eredetileg hangsugárzók, melyeket kisebb készülékekben, háztartási gépekben, telefonokban alkalmaznak. A piezoelektromosság jelenségének reverzibilitása azonban lehetővé tette az energiatermelést.
30
TDK dolgozat 2010
5.1. ábra: Piezo lapka A lapka felépítését tekintve egy réz lemezből, valamint az azon lévő vékony piezo kristályból áll. A lemez a kristály egyik oldalának elektromos összekötését valósítja meg, a kristály másik oldala pedig fémgőzöléssel van ellátva, hogy a teljes felület egybefüggő vezető rétegként működjön. A kristály maga ugyanis szigetelő, így a két oldal teljes felületén meg kell oldani az elektromos összeköttetést.
5.1.5 Mérő áramkör
5.2. ábra: Az áramkör vázlata Az áramkör működésének alapja, hogy a piezo lapka, a deformáció által létrejött árammal feltölti a kondenzátort, melyet ezután egy nyomógomb segítségével kisütve, mérhető a feltöltés által létrehozott feszültség. A piezo lapka természeténél fogva a deformáció hatására váltóáramot állít elő, mivel a deformáció irányának megfordulásával a létrejövő feszültség polaritása is megváltozik. Ennek kiküszöbölésére az áramkör minden lapkája egy négydiódás egyenirányítón, úgynevezett Graetz – kapcsoláson keresztül volt bekötve. Ez lehetővé tette azt is, hogy egyszerre ne csak egy lapka legyen az áramkörbe kötve, mivel másképp fenn állt volna annak a lehetősége, hogy az egyik lapkán létrehozott deformáció hatására létrejött feszültség elvesszen egy másik lapkán, azt deformálva. A kondenzátor kisütése egy nyomógombbal történt, amely az áramkörbe kötött feszültségmérő elé volt bekötve. Az áramkör része volt továbbá egy LED, amely egy nyomógombbal, illetve egy ellenállással volt sorba kötve. Ez csupán a feltöltés szemléltetésére szolgált. Ellenállásra azért volt szükség, mert a kondenzátor kisütése esetén, annak gyors lefolyása miatt a LED-en akár akkora áram is eshetett volna, amely azt tönkretenné. 31
TDK dolgozat 2010
5.3. ábra: A felhasznált áramköri elemek (1: lapkák, 2: kondenzátorok, 3: egyenirányító, 4: nyomógomb, 5: kábel, 6: LED, 7: ellenállás)
5.4. ábra: A mérő áramkör készítése és a végleges kialakítás
32
TDK dolgozat 2010
5.5. ábra: A teljes mérő áramkör kapcsolási rajza A mérési alkalmak során szükségessé vált az áramkör átépítése. Ez azért volt fontos, mivel az eredetileg beépített kondenzátor kapacitása túl nagynak bizonyult a termelt energiához. Ugyanazt a töltést a kisebb kapacitású kondenzátor nagyobb feszültségen tárolja, amely a mi esetünkben azért előnyös, mert így a feltöltés jelleggörbéjéből adódóan a kisebb kapacitású kondenzátor nagyobb hatásfokkal képes tárolni a töltést.
33
TDK dolgozat 2010
5.1. diagram: Kondenzátor feltöltése és kisütése A lapkák a termelt feszültséget rövid idő alatt adják le, ezért célszerű olyan kapacitást illeszteni az áramkörbe, amely ez alatt az idő alatt épp a maximális töltési feszültségére képes feltöltődni. Amennyiben ezt a feszültséget nem éri el a töltési idő alatt, úgy a hatásfoka nem lesz a lehetőségek szerint a legnagyobb, ha pedig idő előtt eléri el, a kondenzátor nem töltődik tovább, ami meghibásodáshoz vezethet, illetve töltés vesztéshez. A kondenzátort tökéletesen a rendszerhez igazítani természetesen nem lehet, de az áramkör átépítése után lehetőség volt egy kapcsolóval váltani a beépített két kondenzátor között.
5.6. ábra: Az átépített mérő áramkör
34
TDK dolgozat 2010
5.7. ábra: Az átépített mérő áramkör kapcsolási rajza Feszültség mérése Az áramkörön a létrejövő feszültséget kétféle módon mértük, folyamatosan, illetve a kondenzátor kisütésével. A folyamatos mérés során a feszültség értékeket közvetlenül sajnos nem lehet felhasználni, mivel ezek az értékek egyrészt a beépített kondenzátor, másrészt a mérő rendszer saját ellenállása miatt nem felelnek meg a valóságnak. Ezeket az adatokat a feszültség alakulás jellegének figyelemmel kíséréséhez lehet alkalmazni, ami azonban szintén nagyon fontos információ. Konkrét számításokhoz a kondenzátor kisütésekor mért feszültség értékeket lehet alkalmazni. Ezeket az első alkalmakkor az összeállított számítógépes rendszerrel, majd későbbiekben a biztonság kedvéért hagyományos multiméterrel is mértük.
35
TDK dolgozat 2010 5.1.6 Mérő rendszer
5.8. ábra: Mérőrendszer A mérőrendszer elemei: 1. Adatgyűjtő (National Instruments, serial no: 1265B1B) 2. Erő- és elmozdulás regisztráló számítógép 3. Feszültségértéket regisztráló számítógép 4. Elmozdulás mérő (ASM GmbH, serial no: 20061902177) 5. Áramforrás (FESTO, serial no: 091052) 6. Piezo lapka alátámasztással 7. Erőmérő cella (HBM, serial no: 548484A) 8. Mérő áramkör 9. EasyPort interfész (FESTO, serial no: 548687), SysLink univerzális csatlakozó egység (FESTO, serial no: 000649, 001430)
5.1.7 Terhelő test A lapkák deformálásához a leginkább bevált terhelő test egy 18
átmérőjű henger volt, amely a lapkát közvetlenül érintkezve deformálta. Mindössze egy vékony szigetelő réteg közbeiktatására volt szükség, hogy a létrejövő töltésmennyiség ne vesszen el a mérő berendezés egyéb részein. A mérések során domború fejű terhelő testtel is próbálkoztunk, ez azonban nagyon hamar tönkretette a lapkát, így ennek használatát elvetettük. 36
TDK dolgozat 2010
5.1.8 Alátámasztások A lapka alátámasztásakor alapvetően azt vizsgáltuk, mely esetekben hogyan változik az elérhető maximális deformáció, illetve, hogy emellett mekkora terhelésnek képes a lapka ellenállni, tönkremenetel nélkül. Alátámasztásként először egy síkra esztergált acél cső darabot alkalmaztunk, melyre ráfektettük a lapkát, majd azt középpontosan megterheltük. Ebben az esetben a lapka deformációja igen nagy volt, és szilárdságából adódóan az alátámasztás nem emésztett fel mérhető energia mennyiséget.
5.9. ábra: Acélcsöves alátámasztás A tönkremenetel megakadályozására az acél cső után gumi alátámasztással is kísérletet tettünk. Ebben az esetben azt vártuk, hogy a gumi egy határig engedi majd deformálódni a lapkát, majd felkeményedve megakadályozza a további deformációt, és viszonylag homogén alátámasztást tart fenn. Ebből a szempontból ez az alátámasztás meg is felelt az elvárásoknak, a lapka figyelemreméltóan jobban terhelhető volt tönkremenetel előtt, azonban a gumilap nagy mennyiségű energiát felemésztett.
5.10. ábra: Gumilapos alátámasztás A lapka teherbírását szilárd, sík alátámasztáson is próbára tettük. A legnagyobb terhet természetesen ebben az esetben tudta elviselni, a deformáció azonban olyan minimális volt, hogy feszültséget gyakorlatilag nem lehetett mérni rajta.
5.11. ábra: Síklapos alátámasztás
37
TDK dolgozat 2010 Hasonló elgondolásból, olyan alátámasztást alakítottunk ki, mely a lapkával érintkező felületnél egy 5
széles peremmel rendelkezik, amit esztergálással alakítottunk ki a tömbből, majd alatta 1,5
-el tömör anyag van. Így igyekeztünk kiküszöbölni, hogy a lapka, egy biztonságos határon túl tovább deformálódhasson. Ez az alátámasztás polimerből készült, amely azonban jelentős befektetett energiát nyelt el. A kialakítás nem hozta a várt eredményt, a lapka tönkremenetele nem volt elkerülhető.
5.12. ábra: Műanyag alátámasztás paraméterei
5.13. ábra: Műanyag alátámasztás Háromlapkás mérés is végeztünk, ehhez azonban már kizárólag a leghatékonyabbnak bizonyuló alátámasztást, nevezetesen az acélcsövet alkalmaztuk. Ehhez készítettünk egy készüléket, mely azt hivatott biztosítani, hogy egyszerre három lapka legyen egyformán, egy síkban alátámasztva, és azokat egyszerre, középpontosan tudjuk megterhelni. A készülék lényege az, hogy három egyforma magasságú 34
külső és 28
belső átmérőjű acél csövet összefogjunk, majd ehhez olyan nyomó szerszámot is készítsünk, mely a három csőhöz éppen középpontosan illeszkedik. Ehhez a csöveket egyforma hosszúságúra kellett esztergálni, majd azokat egyenlő osztásban elhelyezni egy körben. Ezek után szintén egyformára esztergált, a korábbi tapasztalatok alapján bevált átmérővel rendelkező hengereket kellett összehegeszteni, hogy azok a lehetőségekhez mérten egyformán terhelhessék meg a három lapkát egyszerre.
38
TDK dolgozat 2010
5.14. ábra: Háromlapkás mérés készülékének gyártása
5.15. ábra: Háromlapkás mérés törésig maximális erővel
5.16. ábra: Háromlapkás mérés
39
TDK dolgozat 2010
5.2 Mérések kiértékelése 5.2.1 Első mérési alkalom Első alkalommal leginkább az alátámasztások tesztelése volt a cél, ezért megvizsgáltunk több féle anyagot, melyekre a lapkát ráhelyezve mértük a terhelő erőt. Ezeket a terheléseket először mindig a lapka tönkremeneteléig végeztük, hogy ebből meg tudjuk állapítani a maximális terhelő erőket, majd ezek után már a feszültség mérés közben a lapkákat csak a biztonságos határon belül terheltük. A mérési eredményekből egyértelműen látszott, hogy a maximális terhelés, melyet a lapka még elvisel úgy, hogy visszaáll az eredeti állapotába; és semmilyen szemmel megállapítható roncsolódás nem keletkezik az anyagban; a különböző alátámasztásokkal jelentősen növelhető. Ez azonban nincs arányban a kimenő feszültség értékével, mivel az elsősorban a deformáció mértékétől függ. Acél csöves alátámasztás A lapkán lévő kristály széle 45 2 – os terhelés körül elkezdett lepattogni, de mint az később kiderült, ez csak egy bizonyos szakaszon fordul elő és nem okoz tönkremenetelt. Mindösszesen a fémgőzölésből kimaradt részek váltak el a kristály többi részétől, ám ezek a részek a feszültség átadásában egyébként sem vennének részt. A tönkremenetel 92 2 – os terhelésnél következett be, körülbelül 1,3
– es deformáció után.
5.2. diagram: Teherbírás acél csöves alátámasztás esetén
40
TDK dolgozat 2010 Teljes alátámasztás Sík alátámasztás esetén a lapka teherbírása jelentősen megnövekedett a korábbiakhoz képest. Ebben az esetben a terhelést egészen 270 2 – ig növeltük, úgy hogy általunk észrevehető kár nem keletkezett a lapkában. A deformáció megközelítőleg 0,3
volt.
5.3. diagram: Teherbírás teljes alátámasztás esetén Gumilapos alátámasztás A lapkát gumi alátámasztással is teszteltük. Ebben az esetben azt vártuk, hogy a gumi bizonyos mértékben engedi majd deformálódni a lapkát, majd a folyamatos felkeményedéssel az egy mérték után jelentősen lecsökken, viszont a lapkának teljes felületén alátámasztást biztosít. Az eredmények ezt igazolták is, mivel ebben az esetben a lapka 220 2 – os terhelésnél repedt meg, több mint 1
– es deformáció mellett.
5.4. diagram: Teherbírás gumilapos alátámasztás esetén
41
TDK dolgozat 2010 A mérést az áramkörbe bekötött lapkákkal folytattuk, melyek esetében minden alkalommal mértük a létrejövő feszültséget. Az eredmények azt bizonyították, hogy a kerámia a deformáció mértékének növelésével képes nagyobb feszültséget létrehozni, és hogy a feszültség értékének alakulásában a kerámiára jutó erő nem játszik jelentős szerepet. A következtetés abból adódott, hogy míg a teljes alátámasztás mellett alig volt mérhető kimenő feszültség, a gumilapos és az acélcsöves alátámasztás esetén már jelentős értéket lehetett kimutatni. A legjobb eredményt az acélcső hozta, így ezt az alátámasztást igyekeztünk később fejleszteni.
5.5. diagram: Acélcsöves alátámasztás jellemző erő-elmozdulás diagramja 0,8 0,7
Feszültség [V]
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
Idő [s]
5.6. diagram: Acélcsöves alátámasztás jellemző feszültség diagramja
42
TDK dolgozat 2010
5.2.2 Második mérési alkalom
5.7. diagram: Teherbírás műanyag alátámasztás esetén A már említett műanyag alátámasztás erre az alkalomra készült, mely nem váltotta azonban be a hozzá fűzött reményeket, és 140 2 – os terhelésnél eltört. A mért feszültség értékek sajnos elmaradtak az acél csövön mértektől, mivel a polimer a befektetett energia jelentős részét felemésztette a rugalmas alakváltozásával.
5.2.3 Harmadik mérési alkalom Ez alkalommal azt szerettük volna vizsgálni, hogy több lapka együttes megterhelése milyen irányban változtat a kimenő feszültségen. Ehhez elkészítettük a korábban már bemutatott alátámasztást, mellyel egyszerre tudtunk három lapkát megterhelni. Az alátámasztás pontatlanságaiból adódóan természetesen nem lehetett háromszoros terhelést ráadni így a három lapkára, mivel valamelyik lapka mindig nagyobb mértékben deformálódott, mint a többi. Emiatt ebben az esetben is végeztünk maximális terhelés vizsgálatot. A három laka együttesen mintegy 240 2 – os terhelést viselt el.
5.8. diagram: Teherbírás háromlapkás mérés estén 43
TDK dolgozat 2010 A mérést ezután újra az áramkörbe bekötött lapkákkal folytattuk. Természetesen a korábban már használt lapkákat minden mérési alkalom után kicseréltük, hogy mindenképp hibátlan kristályokkal mérhessünk. Ez alkalommal olyan eredményt is kaptunk, melyet nem vártunk. A korábbiakkal ellentétben, a kondenzátor kisütése után a feszültség érték nem csökkent le nullára, hanem egy minimális értéken állandósult. Először ezt a mérőrendszer hibájának véltük, attól tartottunk, hogy valahol zárlat folytán plusz feszültség jelent meg a kondenzátoron. Az ok azonban nem ez volt. Mint kiderült, a lapkákra helyezett, hozzájuk képest jelentős tömegű megnyomó készülék az asztal és az állvány rezgéseit közvetítette oly mértékben, hogy az már mérhető feszültséget eredményezett a lapkákon. Ennek az eredménynek azért van nagy jelentősége, mivel ily módon az is bebizonyosodott, hogy a piezo korong a környezet rezgéseit is képes hasznosítani, tehát például egy forgalmas út mellett elhelyezett rendszer pusztán a kocsik által keltett rezgések következtében is képes áramot termelni.
5.9. diagram: Három lapka együttes erő-elmozdulás diagramja 2 1,8
Feszültség [V]
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 Idő [s]
5.10. diagram: Három lapka együttes feszültség diagramja 44
TDK dolgozat 2010 A mérési alkalommal teszteltünk egy polarizált műanyag lapkát is, úgynevezett piezo filmet, amely eredetileg szenzor funkcióját betöltő egységnek vásárolnak meg. Ezeket energiatermelésre nem igen használják, rossz hatásfokuk miatt, de szükségesnek éreztük a technológia megismerését. A mérés során a deformáció hatására sajnos mérhető feszültséget csak multiméterrel sikerült kimutatni, azonban az is 0,01 5 alatt maradt. A LED felvillantásához is igen hosszú ideig kellett folyamatos deformálásnak kitenni a filmet. A befektetett munka sem volt sajnos kimutatható, mivel a mérő rendszer ilyen kis deformációs és erő értékek kimutatására nem alkalmas.
5.17. ábra: Piezo film
5.2.4 Negyedik mérési alkalom Erre az alkalomra végeztük el az áramkör átépítését, amely a nagyobb hatásfok elérése érdekében volt fontos. Törés tesztre már nem volt szükség, hiszen ezek az adatok a korábbi mérések alapján már adottak voltak. Újdonság volt azonban a mérésben, hogy a hagyományos lassú megterhelés mellett ütésszerű terhelésre adott reakciókat is vizsgáltunk. Minden esetben egy és három lapkán együttesen is végeztünk mérést, 1 és 10 67 – os kondenzátor kapacitás mellett. Az alábbi diagramok egy lapka lassú illetve ütésszerű megterhelését mutatják be, megközelítőleg azonos terhelő erő mellett. A lassú megterhelés megközelítőleg 1 -. alatti, az ütésszerű pedig kevesebb, mint 0,5 -. alatti felterhelést jelentett. Érdemes megjegyezni, hogy ütésszerű megterhelés esetén a kimenő feszültség jelentősen nagyobb volt: lassú terhelésnél 4,23 5, míg ütésszerű terhelésnél 5,75 5. A feszültséget multiméterrel mértük.
5.11. diagram: Lassú megterhelés 45
TDK dolgozat 2010
5.12. diagram: Ütésszerű megterhelés Ezen alkalommal még egy kiegészítő mérést is elvégeztünk a lapkákon. Az általunk felhasznált lapka ugyanis nem volt a legmegfelelőbb az energiatermelésre, amely leginkább kialakításából adódott. Mivel az egész kristály egy kör alakú réz lapra volt rögzítve, megterheléskor úgy tapasztaltuk, hogy a réz lap a befektetett munka jelentős részét felemészti. Mivel későbbi terveinkben nem ilyen lapkák szerepelnek, hanem kimondottan energiatermelésre tervezett, rézlap nélküli kristály lemez, ezért szerettük volna meghatározni, hogy a réz lemez a befektetett munka hány százalékát emészti fel. Ehhez egy nem bekötött lapkát igyekeztünk úgy megterhelni, hogy a deformáció értéke 1
körüli legyen, majd egy olyan lapkát is megterheltünk hasonlóan, ahol a rézlemezről korábban eltávolítottuk a piezo kristályt. Az eredmény szembetűnő volt, bebizonyosodott, hogy a réz lemez a befektetett munkának mintegy 40% - át felemészti. Ez nagyon fontos eredmény a későbbi tervezés szempontjából, hiszen ezt a munkamennyiséget a terveinkben szereplő lapkák esetén nem szükséges befektetni, mivel azok két oldalról fémgőzölt kristályok, és nem tartalmaznak fém alátét lemezt. Az alábbi ábrák az eredeti lapka, majd a kristálytól megtisztított, üres réz lapka erő – elmozdulás diagramjai.
46
TDK dolgozat 2010
5.13. diagram: Piezo lapka
5.14. diagram: Réz lap a kristály nélkül
5.18. ábra: Kristály nélküli és eredeti lapka 47
TDK dolgozat 2010
5.3 Mérési eredmények A későbbi tervezés szempontjából minden mérési alkalom nagyon fontos eredményt hozott, valamint több olyan dologra is fény derült, melyeket a tapasztalatok nélkül nem vettünk volna figyelembe. Számszerűsített adatokat első sorban az utolsó mérési alkalom eredményei alapján hoztunk létre, ez volt az a mérési sorozat ugyanis, amely már kiforrott technológiával és körülmények között mehetett végbe. Elsődleges célunk a bemenő munka számítása volt minden lehetséges esetre, illetve az ennek következtében létrejött kimenő munka meghatározása. Az egyes mérések közti különbséget a terhelés lassú illetve ütésszerű alkalmazása, a különböző kapacitású kondenzátor felhasználása, illetve az egy és három lapka együttes megterhelése jelentette. Az eredményeket az alábbi táblázatok tartalmazzák. A bemenő munka meghatározása grafikus úton történt, az erő – elmozdulás diagramból. sorsz. feszültség terhelő erő elmozdulás bemenő munka kapacitás megjegyzés kimenő munka hatásfok 2
+
67
1
11,35
110
0,85
36,41
2
12,05
104
0,74
29,19
3
14,16
110
0,95
35,32
4
13,43
0,09018245
5
11,4
0,06498
6
16,46
7
17,48
8
12,41
9
15,77
74
0,68
27,79
10
14,7
62
0,37
9,8
11
14,76
71
0,38
11,77
12
13,98
0,0977202
13
13,74
0,0943938
14
1,51
115
0,75
35,42
15
1,41
130
0,84
43,25
16
1,48
114
0,74
33,82
17
1,79
0,0160205
18
2,17
0,0235445
19
2,09
0,0218405
20
1,77
21
1,76
22
1,98
23
2,04
47
0,26
5,62
24
2,02
44
0,38
25
1,9
55
0,36
26
2,25
lassú
5
+
%
0,06441125
0,176905
0,07260125
0,24872
0,1002528
0,283841
0,1354658
1
10
0,07700405 0,12434645
0,44745
0,108045
1,1025
0,1089288
0,925478
0,0114005
0,032187
0,0099405
0,022984
0,010952
0,032383
három korong
lassú
gyors
0,1527752
gyors
0,0156645 0,015488 0,019602 0,020808
0,370249
3,46
0,020402
0,589653
8,62
0,01805
0,209397
0,0253125
5.1. táblázat: Három koronggal történt mérés eredményei 48
TDK dolgozat 2010
sorsz. feszültség terhelő erő elmozdulás bemenő munka kapacitás megjegyzés kimenő munka hatásfok 2
+
27
4,47
62
0,55
12,66
28
4,23
82
0,67
19,82
29
4,1
81
0,65
18,9
30
3,98
31
4,88
61
0,54
14,18
32
5,08
64
0,78
23,6
33
5,75
34
5,03
35
7
0,0245
36
0,9
0,00405
37
0,62
68
0,57
12,87
38
0,6
78
0,67
21,56
39
0,8
78
0,82
25,87
40
0,72
41
0,81
67
0,65
20
42
0,85
70
0,8
27,39
43
0,77
56
0,66
17,07
44
0,7
48 49 50 51 52 53
%
0,00999045
0,078914
0,00894645
0,045138
0,008405
0,044471
0,0079202
22,92
10
0,0119072
0,083972
0,0129032
0,054675
0,01653125 0,01265045
0,055194
0,001922
0,014934
0,0018
0,008349
0,0032
0,01237
egy korong
gyors
0,66
lassú
68
1
gyors
0,002592 0,0032805
0,016403
0,0036125
0,013189
0,0029645
0,017367
84
0,956
26,87
91
0,868
22,21
94
0,78
21,04
94
0,752
21,34
40
0,802
11,53
43
0,873
17,09
51
1,056
22,86
51
0,748
12,53
piezoval
0,00245
csak réz lap
47
+
nem volt bekötve
46
nem volt mérve
45
67
lassú
5
5.2. táblázat: Egy koronggal történt mérés eredményei A fenti adatokból a 10-es sorszámú mérés hozta a legnagyobb hatásfokú eredményt, ezért a későbbi tervezés során ezekkel az értékkel igyekeztünk meghatározni a szükséges terhelési paramétereket. Konklúzió, mérések értékelése A mérések során sikerült megtalálni a rendelkezésre álló lapkák felhasználásának általunk megítélt lehető legjobb módszerét, valamint tanulmányozni a különböző terhelések hatására adott válaszreakciókat, mely a feszültség értékeiben és alakulásának jellegében mutatkozott meg. Fontos tapasztalat volt a környezet által keltett rezgések hatásának megismerése, amely a leendő termék áramtermelését nagyban elősegítheti a telepítési helytől függően. Nagy jelentősége volt továbbá annak meghatározása is, hogy a piezo lapka hatásfokát milyen mértékben befolyásolja a befoglaló szerkezet, esetünkben a réz lemez. 49
TDK dolgozat 2010 A rendszer hatásfoka kétség kívül igen alacsony. Tény, hogy az általunk alkalmazott lapkák nem erre a célra lettek tervezve, azonban a piezoelektromos elv reverzibilitása alapján az eredmények mégis mérvadóak. A technológia természetesen nem szándékszik kiváltani más energiatermelő rendszereket, értéke sokkal inkább abban rejlik, hogy az általa felhasznált energia mondhatni nem igényel külön erőfeszítést. Vagyis egy normál esetben elvesző energiamennyiségről beszélünk, melynek hasznosítás még ilyen kis hatásfokkal is figyelemre méltó.
50
TDK dolgozat 2010
51
TDK dolgozat 2010
6. Koncepció kidolgozása 6.1 Szerkezet kialakítása 6.1.1 Szerkezeti változatok Ahhoz, hogy a lehető legnagyobb energiát lehessen kinyerni egy lépésből, annyi lapkát volna optimális felhasználni, melyek deformációjához éppen a lépés által keltett erő és elmozdulás szükséges. Ez azonban csak egy adott terhelés mellett optimális megoldás, ugyanis az ez alatti terhelő erők a lapkákat nem deformálják kellő mértékben, így ezekből a lépésekből kevesebb energia nyerhető ki. Mindemellett anyagi korlátai is vannak a nagyszámú lapka beépítésének. Az energiatermelésre tervezett lapkák ugyanis nagyságrendekkel drágábbak a mérésekhez általunk is alkalmazott lapkáknál. A szerkezet működésének alap elgondolása abból adódik, hogy a piezo lapkák nagyobb frekvencián való deformációja a mérések alapján jobb hatásfokú üzemet tesz lehetővé. Emellett az egy lépésből kinyerhető deformációk számának sem kell feltétlenül egynek lenni, hiszen kevesebb lapka többszöri deformációja feltételezhetően akár jobb hatásfokú is lehet, mint több lapka egyszeri deformációja. A befektetett energia kinyerésének módja tehát kulcskérdés a jobb hatásfok elérésének érdekében. A 6.3. és 6.4. ábrán különböző szerkezeti vázlatok láthatóak, melyek a berendezés lehetséges belső elrendezését mutatják be. Mindegyik közös jellemzője, hogy a lépés által létrehozott erő és elmozdulás rugókban tárolódik, mely a panelről való lelépés után a potenciális energiáját átadja a lapkáknak. Ily módon egyrészt kevesebb lapkára van szükség az adott energia hasznosításához, másrészt a deformációk száma is növekszik, hiszen a rugóban tárolt energia lengések által adódik át. A 6.3. ábrán a vázlatok olyan szerkezeti elrendezéseket mutatnak, melyek mindegyikénél a rugó, a felső panel, valamint a piezo lapkák közvetlen kapcsolatban vannak, és együtt mozdulnak el a lépés hatására. Az 1-4 változatok esetében ez húzó-, az 5-8 változatok esetében pedig nyomórugókkal valósul meg. Különbség van továbbá abban, hogy a lapka fixen befogott része mozog (2, 4, 6, 8), vagy áll (1, 3, 5, 7). Ennek a kialakításnak előnye az egyszerűsége, azonban mivel a lapkákat csak kis mértékben lehet deformálni (±2,6 mm), nem feltétlenül valósulna meg a lépés után lengés, rezgés, melyből hatékonyan ki lehetne nyerni az eltárolt energiát. A 6.4. ábrán a szerkezet tartalmaz egy himba rendszert is, mely karjainak hosszúságkülönbségének köszönhetően lehetővé teszi, hogy a kismértékű panel besüllyedés ellenére a rugókat nagyobb mértékben deformálja. Ezen kialakításoknál a felső panel, a lapkák, valamint a himbák rövidebb karjai vannak közvetlen kapcsolatban, a rugók pedig az áttételen keresztül kapcsolódnak. Ily módon a lapkák deformációjának korlátozása nem hat ki közvetlenül a rugókra. Az 1-4 változatok esetében húzó, az 5-8 változatok esetében pedig nyomó rugók találhatóak a szerkezetben. Mint korábban, itt is különbség van a lapkák rögzítésében, a befogott rész fix (1, 3, 5, 7), illetve mozog (2, 4, 6, 8). A kiválasztott szerkezeti elrendezés a 6.4. ábra 1-es és 3-as változatát ötvözi a 6.1. ábrán látható módon.
52
TDK dolgozat 2010
6.1. ábra: Kiválasztott szerkezet vázlata
6.2. ábra: A rajzokban használt jelölések (1: rugó, 2: himba, 3: piezo lapka, 4: lapkavéget deformáló megfogás)
6.3. ábra: Himba nélküli kialakítások
53
TDK dolgozat 2010
6.4. ábra: Himbás kialakítások
54
TDK dolgozat 2010
6.1.2 Szerkezet bemutatása
6.5. ábra: Teljes robbantott ábra
55
TDK dolgozat 2010
6.6. ábra: Felső egység robbantott ábrája
6.7. ábra: Középső egység robbantott ábrája
56
TDK dolgozat 2010
6.8. ábra: Alsó egység robbantott ábrája A szerkezet főbb elemei: 1. Felső burkolat 2. LED foncsorok 3. LED-ek 4. Foncsortartó 5. Távtartó 6. Technológiai panel 7. Piezo mozgató villa 8. Piezo mozgató hengerek 9. Piezo leszorító alátét 10. Piezo lapkák 11. Himba egység 12. Rugó befogó 13. Magasságállító anyák 14. Alsó panel 15. Polimer sikló felület 16. Talpak
57
TDK dolgozat 2010
6.9. ábra: Himba és Rugó befogó A himba (6.7 ábra/11.) és a rugó befogó (6.7 ábra/12.) részletezése: 1. Csap 2. Láb 3. Polimer siklócsapágy 4. Polimer sikló alátét 5. Tengely 6. Biztosító gyűrű 7. Himba kar 8. Rugó 9. Rugó csap 10. Rugó befogó 11. Tolórúd
58
TDK dolgozat 2010
6.10. ábra: Metszet A szerkezet működése közben a járókelő közvetlenül a felső burkolatra lép rá, amely így a terhelést átadja a foncsortartóra, illetve ezen keresztül a technológiai panelre. A technológiai panel feladata a himbákkal, valamint a lapkamozgató villával való kapcsolat biztosítása. A panel lesüllyedésének hatására a lapkák deformálósnak, a himbákon keresztül pedig a rugók megnyúlnak. Az alsó határhelyzet elérésekor az egész panel felütközik a magasságállító anyákban lévő csavarokon, melyeknek pontos helyzetét szereléskor szükséges beállítani. Ezzel elérhető, hogy a lapkák csak a szükséges mértékben deformálódjanak egy lépés alkalmával, valamint biztosítható, hogy túlterhelés esetén se menjenek tönkre. Főként a panel szállításakor, elhelyezésekor szükséges, hogy a felfelé elmozdulást is gátoljuk bizonyos mérték után, hogy a felső burkolat emelésekor a lapkák ne törhessenek el. Ezt az alsó panel oldalán található fülek biztosítják, melyek a technológiai panelt nem engedik nagymértékben elmozdulni felfelé. A felső burkolat, valamint az oldalsó polimer sikló felületek ragasztással szereltek. Utóbbiak a panel megvezetésének biztosításáról gondoskodnak, esetleges oldal irányú elmozdulás esetén.
6.11. ábra: Nyugalmi és összenyomott állapot
59
TDK dolgozat 2010
6.12. ábra: Magasságállító anya és csavar A himba feladata a kismértékű elmozdulás áttételezése, hogy a rugók minél nagyobb mértékben megnyúlhassanak, ezzel elősegítve a lépés utáni rezgőmozgást. Az elhelyezés miatt feltétlenül szükséges, hogy a nyomó rúd függőleges irányban egyenes vonalban mozogjon, hiszen másképp a az egymással szembe fordított himbák mozgása nem jönne létre. Ezért a himbák henger alakú csapokon és polimer csapágyakon fordulnak el, de ovális furatban, mely így lehetővé teszi az elcsúszást is. Ily módon a himba rövidebbik karja nem körpályán, hanem egyenes vonalon mozog.
6.13. ábra: Himba mozgása A tolórúd 1
-es függőleges mozgásának hatására a rugó hossza 6,65
- rel változik.
60
TDK dolgozat 2010
6.14. ábra: Szerkezet belső kialakítása
6.15. ábra: Lapkák befogása és az alsó panel
6.16. ábra: A teljes berendezés
61
TDK dolgozat 2010
6.17. ábra: A berendezés, a LED-ekkel és foncsorokkal
6.18. ábra: Befoglaló méretek
62
TDK dolgozat 2010
6.1.3 Alacsony áramfelvételű LED villogó áramkör A piezok által termelt energia kis értéke miatt a felhasználó áramkörnek is különösen kis energia felvételűnek kell lennie. Az alábbi elrendezés ennek eleget tesz, habár ebben az összeállításban csupán egy LED, 2 -.-onkénti, 10 -.-ra való felvillanása megoldott. A tápfeszültség értéke 3 5, az áramerősség pedig 66;. Ebből adódóan a rendszer teljesítményfelvétele az alábbiak szerint alakul: 1 ∙ < = 3 ∙ 6 ∙ 10=> = 18 6
(1)
A 2 -. alatti egy villanáshoz szükséges befektetett munka ez esetben:
= ∙ ? = 18 6 ∙ 2 = 36 6+
(2)
Az áramkör áttervezésével megoldható lenne, hogy a 2 -.-onkénti egy villanás helyett 1 -. alatt 4 villanás jöjjön létre. A fenti értékekből átszámolva, a befektetett munka szükséges mennyisége ehhez: 36 6+ ∙ 4 = 144 6+ Több LED, esetünkben 25 darab fent leírtak szerinti működtetéséhez szükséges befektetett munka: 144 6+ ∙ 25 = 3600 6+ = 3,6 +
6.19. ábra: Alacsony áramfelvételű LED villogó áramkör kapcsolási rajza
63
TDK dolgozat 2010 Beépítésre tervezett piezo lapka és áramkör A mérési eredmények alapján konkrét termék esetén nem tanácsos az általunk alkalmazott lapkákat felhasználni, ellenben léteznek kifejezetten energiatermelésre kifejlesztett lapkák is, melyeket akár hozzájuk tartozó áramkörrel együtt is be lehet szerezni. Ilyet sajnos anyagi korlátok miatt nekünk nem volt lehetőségünk a mérésekhez megvásárolni. A gyártó által megadott adatok nem foglalnak magukba minden lehetséges paramétert, ám a mérési eredményeink alapján ezek korrigálhatók. Az általunk mért befektetett munka durva felülbecslése az alábbi képletet eredményezi:
@A
7∙B 2
(3)
ahol: 7 a terhelő erő B a deformáció A lapka gyártója által megadott merevség: C = 1,9 ∙ 10D 2/ A gyártó által javasol maximális deformáció: B = ±2,6
A javasolt deformáció eléréséhez szükséges terhelő erő: 7 = C ∙ B = 1,9 ∙ 10D ∙ 10=F ∙ 2,6 = 0,494 2
(4)
Az egy deformációhoz szükséges befektetett munka felső becslése:
@A =
7 ∙ B 0,494 ∙ 2,6 ∙ 10=F = = 6,442 ∙ 10=G + = 0,6442 + 2 2
A megadott frekvencián való deformációhoz szükséges munka felső becslése:
@A @52IJ = @A ∙ 52 = 0,6442 ∙ 52 = 33,49 + A lapka a megadott frekvencián való maximális deformálás esetére az alábbi kimenő teljesítményt produkálja: KL = 7,1
Ennek egy másodpercen keresztüli közvetítésekor a kimenő munka:
KL = KL ∙ ? = 7,1 ∙ 1 = 7,1 +
(5)
Fentiek alapján a megadott frekvencián való deformáción a lapka hatásfoka: M=
KL = 0,212 → 21,2%
@A @52IJ
(6)
64
TDK dolgozat 2010 A lapka hatásfoka a mérési eredmények alapján feltételezhetően kis frekvenciás gerjesztés esetén sem fog 10% alá csökkenni, ezért a beépített lapkák számából az alábbi módon becsüljük a kinyerhető teljesítményt. Hatásfok: M 10% Egy lapka egy deformálásához szükséges munka:
@A 0,6442 + Beépített lapkák száma: O 24 Összes bemenő munka egy deformáció esetén:
@A öQQR @A ∙ O = 0,6442 ∙ 24 = 15,46 +
(7)
A lépés utáni rezgés lecsengése alatt szintén a mérési tapasztalatok alapján úgy becsüljük, hogy, megközelítőleg a befektetett munka nyerhető ki még egyszer. Ezért a lapkák által kinyerhető munka mennyiségét az alábbi módon becsüljük.
KL = @A öQQR ∙ 2 ∙ M = 15,46 ∙ 2 ∙ 0,1 = 3,09 +
(8)
Figyelembe kell venni továbbá a beépítési környezet rezgéseit is, mely a korábban említett módon jelentős energiatermelést jelent. Ezt a rugós, himbás kialakítás feltételezhetően még tovább fokozza. Elmondható, hogy a tapasztalatok és számítások alapján a beépítendő lapkák a bemutatott áramkört elegendő mennyiségű árammal lesznek képesek ellátni. A bemutatott piezo lapka gyártó által ajánlott saját áramkörrel is rendelkezik, melynek elvi alapja megegyezik az általunk használt készített mérő áramkörével. A különbség első sorban egy plusz áramköri elemben mutatkozik meg, mely a feszültséget folyamatos áramtermelés esetén meghatározott értékek között tartja.
6.20. ábra: Beépítésre szánt piezo lapka [32] Természetesen lehetőség szerint a számításokat újabb mérésekkel lenne szükséges alátámasztani, illetve ajánlatos volna kimondottan a 24 lapkához tervezett egyedi áramkörrel felszerelni a rendszert. 65
TDK dolgozat 2010
6.2 Termékkörnyezet A környezettudatos gondolkodás a tervezésünket végigkísérte, és igyekeztünk egy olyan koncepciót létrehozni, mely ezen jegyeket magával hordozza. Megjelenésével egy eszmét szimbolizál, azon irány felé, hogy óvjuk a környezetet, ami végkimerüléseinek határait fogja elérni, ha ilyen tempóban szipolyozzuk ki és szennyezzük az Anyaföldünket. Európa fejlett országaiban már évtizedek óta folynak a megújuló energiával kapcsolatos kutatások, melyek célja a hagyományos fosszilis erőforrások hosszú tavon történő kiváltása. Magyarországon némi késéssel ugyan, de szintén megindultak az ilyen irányú vizsgálatok, melyek már nemcsak kutatások, hanem konkrét beruházások formájában is láthatóak. Megjelenésükkel arra bíztatják az embereket, hogy óvják a környezetet. Az ökoiskolák a felnövekvő társadalomba próbálják belenevelni a gondolkodásmódot, hogy azt később kövessék és adják tovább. Az önkormányzatok is egyre több pályázatot írnak ki arra, hogy a településeiket környezetkímélőbbé változtathassák. A szelektív hulladék gyűjtése egy globális kezdeményezés. A közmű szolgáltatók is próbálják kivenni a részüket azzal, hogy olyan összegyűjtött információ csomagokat közvetítenek, melyek segítenek az embereknek, hogy hogyan lehet áramot spórolni az otthonokban azzal, hogy kikapcsoljuk a nem használt készülékeinket, elzárjuk a csöpögő csapokat, stb. Tapasztalataink szerint a mostani magyar társadalom nem érzi a közösségi művészetek fontosságát, szerepét az emberek életében. Nem volt még ennyire szüksége a hétköznapi embernek az amatőr művészetek adta örömökre, készség- és képességfejlesztésre, mint éppen napjainkban.
6.2.1 Pozícionálás Maga a szerkezet jelen állapotában nem hasznosít annyi energiát ahhoz, hogy felváltson kisebb áramellátó egységeket. Egyelőre még csak egy kezdeményezés ezen irány felé. A technológia még ehhez nincs kiforrva, de folyamatosan fejlődik, így könnyen elképzelhető, hogy éveken belül megjelenik egy olyan fejlesztés, melyet beépítve már jelentős áramfejlesztés jön létre, és kisebb termékek, akár laptopok töltésére is alkalmas lesz. A koncepciót nem a hagyományosan vett vásárlói polcokra szánjuk; már csak a magas előállítási költségek miatt is; hanem önkormányzatoknak városfejlesztési célból vagy nagyobb cégek hirdető felületének, melyek környezettudatosan gondolkodnak, és szeretnék ezen értékeiket ily módon hirdetni. A szerkezettel kialakítható felület kommunikál az arra járó emberekkel, akik a lépéseikkel hozzák működésbe azt.
6.2.2 Marketing koncepció Az emberekkel való megismertetése egy lassú folyamat, mert még nincsen hazánkban egy ehhez hasonló termék, amihez kapcsolni tudnák a kapott információt. Amikor először találkoznak a szerkezettel, rá kell, hogy jöjjenek, hogy a lépéseikkel indítják be, amely fényekkel reagál erre. Miután már bekerült a köztudatba elkezdődhet a kommunikáció, hogy olyan fényjelzéseket kommunikál, melyeknek jelentése van, pl. honlapcímeket írnak ki a LED-ek. Ebben a fázisában, kezdi el visszahozni a befektetett költségeket.
66
TDK dolgozat 2010
6.2.3 Lehetséges felhasználási területek Környezet A termék legfőbb tulajdonsága, hogy független az elektromos hálózattól, így rengeteg olyan felhasználási terület nyílik meg előtte, ahová telepíteni lehet. Az általunk létrehozott koncepciót belső terekbe helyeznénk el, mint például a bevásárló központok, metró aluljárók. Továbbfejlesztési javaslatunk annak megoldása, hogy kültérre is egyaránt ki lehessen helyezni, csak abban az esetben meg kell oldani az időjárás elleni védelmét a belső szerkezetnek, illetve a vandálbiztonságot. Társadalmi hasznosság Amint már említettük az innováció egy nagyon fontos szempontja a terméktervezésnek. Ennek egy eszköze, ha a termék a társadalmi hasznosság terén értéket képvisel. A beruházási projektek gazdaságossági vizsgálata a hagyományos módszerekkel; mint például a nettó jelenértek vagy a belső megtérülési ráta; elvégezhető, ugyanakkor egyre erősebb igényként jelenik meg a projektek társadalmi hasznosságának merése. A társadalmi hasznosság értelmezése igen problémás feladat. Egy beruházás társadalmi hasznossága alatt általában munkahelyteremtésre, technológiai es infrastrukturális fejlődésre, szemléletváltozásra, vagy a környezettudatos gondolkodás előtérbe kerülésére gondolunk. E kategóriák egy része többé-kevésbe merhető (például a keletkező új munkahelyek száma), más részük viszont számokkal nem megfogható.
6.21. ábra: Lehetséges felhasználási terület (irodaház)
67
TDK dolgozat 2010 Katasztrófavédelem Vészhelyzetekkor lehetne alkalmazni, amikor az embereknek segít fényjelzésekkel, hogy merre lehet menekülni.
6.22. ábra: Lehetséges felhasználási terület (vészkijárat) Oktatás A szerkezetet a hulladékgyűjtők köré elhelyezve, az arrafelé járó emberek figyelmét fel lehetne különböző fényjelzésekkel hívni arra, hogy használják azokat és ne szemeteljenek. Irányjelzés A tömegközlekedési csomópontokban elhelyezett szerkezetek a járművek megállóihoz való könnyebb eljutást segítenék azzal, hogy nyilakkal jeleznék, hogy merre találhatóak azok. Fényszennyezés A közvilágítás felváltását út tudjuk elképzelni bizonyos erre a célra megfelelő területeken, hogy a szerkezet fénycsíkokat lát el, melyek elegendőek az embernek este ahhoz, hogy kényelmesen és biztonságosan tudjon közlekedni. Ezzel kiváltanánk részlegesen az állandó fényforrást; ami esténként a fényszennyezést okozza; amit így nem kell olyan sűrűn kitelepíteni. Csak abban az esetben kellene így világítani, ha van arra járó ember.
68
TDK dolgozat 2010
69
TDK dolgozat 2010
7. Eredmények összefoglalása A célunk az volt, hogy a piezoelektromossággal való áramtermelés kérdéskörét körbejárjuk, és mérésekkel meghatározzuk, hogy mire képes egy ezzel felépített rendszer, majd olyan koncepciójavaslattal álljunk elő, melyet a mérési eredményeink alapoznak meg. A mérések során kísérleteztünk a megfelelő terhelés és alátámasztásokkal, melyek a kiválasztott piezo koronggal optimálisabb eredményeket adtak. A magunknak kitűzött célokat és követelményeket igyekeztünk lelkiismeretesen a lehető legteljesebb mértékben teljesíteni. Természetesen a szerkezet nem teljesen egyedülálló a piacon, néhány hasonló elven és célzattal működő berendezésről már akadnak hírek világszinten, köszönhetően a környezetvédelmi mozgalmaknak. A felhasznált technológia azonban még nem egészen kiforrott, így további lehetőségek rejlenek benne. Különlegessége, hogy a rugózó belső szerkezettel egy lépés által gerjesztett hatást sokszorozni tudja. Ez a megoldás mindenképpen egyedivé teszi a hasonló célú termékekhez képest. A tervezés során fő szempontként magunk előtt tartottuk, hogy egy olyan koncepciót hozzunk létre, mely innovatív. Ezen innováció mindenképp kell ahhoz, hogy megállja a helyét a piacon. Magyarországon egyelőre még nem található ilyen termék, így ebből a szempontból úttörő. Köszönetnyilvánítás Ezúton is szeretnénk megköszönni konzulensünk Varga András egyetemi tanársegéd segítségét, Dr. Huba Antal egyetemi docens konzultációját és Máté László tudományos segédmunkatársnak a mérések lehetővé tételét. Köszönjük továbbá Geiger Márk támogatását a mérő áramkörök összeszerelésében és Bolla Dániel segítségét a számítógépes mérőrendszer összeállításában.
70
TDK dolgozat 2010
8. Felhasznált irodalom [1] Az energia http://europa.eu/pol/ener/index_hu.htm http://www.ecolinst.hu/letoltok/kiadvanyok/energia_energiahatekonysag.pdf [2] Megújuló energiafajták http://www.alternativ-energia.eu/alternativ_energia.html http://www.muszakiak.com/energia/megujulo-energiaforrasok.html [3] Kinetikus energia Övre csatolható http://instring.com/2009/05/21/etive-kinetic-energy-charger-gadgets-product/ Hintaszékbe épített http://reubenmiller.typepad.com/my_weblog/2007/09/kinetic-energy-.html [4] Kinetikus energia http://hu.wikipedia.org/wiki/Mozg%C3%A1si_energia [5] Megújuló energiaforrások a világon (2005) http://hu.wikipedia.org/wiki/F%C3%A1jl:Megujuloenergia_vilagon_2005.jpg [6] Megújuló energiaforrások az EU-ban https://teir.vati.hu/Energiaterkep/main http://www.trendlines.hu/genesis/wp-content/uploads/2008/02/megujulo2020.jpg [7] A megújuló energiák szükségessége és terjedése http://hu.wikipedia.org/wiki/Meg%C3%BAjul%C3%B3_energiaforr%C3%A1sok http://www.origo.hu/tudomany/20091127-rengeteg-kihasznalatlan-alternativ-energia-allrendelkezesre.html http://alternativ-energia.blogspot.com/search/label/alternat%C3%ADv%20energia [8] Az összenergia felhasználás http://www.energiakozpont.hu/index.php?p=230 [9] A megújuló energia felhasználás eloszlása Magyarországon (2008) http://www.energiaklub.hu/hu/megujulok/alapinfo/resmagyaradat/#pot [10] Energiaaratás Telefontöltő jojó http://www.green-blog.org/2009/03/12/iyo-yoyo-the-yo-yo-charger-for-your-iphone-andipod/ Világító kulacs http://www.diytrade.com/china/4/products/6167699/Solar_Camping_Water_Bottle_Light_Lig htCap_Solar_LED_Light_Water_Bottle_2288.html
71
TDK dolgozat 2010 Mini szélerőmű http://trendwatching.com/trends/ecoiconic.htm [11] Energiaaratás http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_harvesting [12] Piezo elektromosság http://hu.wikipedia.org/wiki/Piezoelektromoss%C3%A1g [13] Piezo kristály http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity [14] Polarizált műanyagok http://ktech.com/featured_products/piezoelectric_polymers.cfm [15] Zebra koncepció http://www.designboom.com/weblog/cat/8/view/11387/ergo-crosswalk-by-jae-min-limdesign-for-all-competition[16] Kapaszkodó koncepció http://www.ubergizmo.com/15/archives/2010/04/more_bus_handle_helps_to_generate_energ y.html http://www.yankodesign.com/2010/04/23/bus-handles-as-fine-music-power/ [17] Pavegen Járólap http://www.zdnet.co.uk/news/emerging-tech/2009/11/03/paving-slabs-harness-energy-ofpedestrians-39854659/#story http://www.pavegensystems.com/about.php [18] Redmond padló http://changents.com/powerleaper http://www.youtube.com/watch?v=-gb66Pm4-V8&feature=related [19] Soundpower padló http://www.treehugger.com/files/2010/02/six-sidewalks-that-work-while-you-walk.php [20] Energiatermelő Disco http://www.inhabitat.com/2008/07/16/green-a-go-go-at-londons-first-eco-disco/ http://www.popularmechanics.com/science/4224574 http://www.treehugger.com/files/2008/06/eco-nightclub-dancefloor-power.php http://sustainabledanceclub.com/?t=products&p=1 [21] Energiaellátó rendszer a metróállomáson http://itcafe.hu/hir/piezo_energia_metro.html http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20081204/162357/ [22] Piezoelektromos autópálya http://www.treehugger.com/files/2008/12/highway-robbery-generators.php http://www.innowattech.co.il/index.aspx http://www.hughesresearch.co.uk/
72
TDK dolgozat 2010 [23] 200,000 járókelő melege http://ozonenetwork.hu/ozonenetwork/20100909-energiatakarekos-metro-futes-lakasokatfutenek-a-metrozok-parizsban.html [24] Zongora lépcső http://mcself.wordpress.com/2009/10/23/the-fun-theory-changing-stairs-into-a-piano/ [25] Közterület http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6zter%C3%BClet [26] Tömegközlekedés http://hu.wikipedia.org/wiki/T%C3%B6megk%C3%B6zleked%C3%A9s [27] Középület http://hu.wikipedia.org/wiki/%C3%89p%C3%ADt%C3%A9szet [28] Ergonómia Laura Peebles and Beverley Norris (1998). Adultdata. 2nd ed. Nottingham: Crovn Copyright. 243, 246. [29] DIP LED, Teljesítmény LED http://www.anrodiszlec.hu/article_info.php/articles_id/125 [30] OLED http://www.hazi-mozi.hu/cikkshow.php?cid=253 http://en.wikipedia.org/wiki/Organic_light-emitting_diode [31] Legfontosabb fogalmak http://web.inc.bme.hu/fpf/kemszam/szarmegzs.html http://www.energiakaland.hu/energiavilag/energialexikon [32] Piezo lapka http://www.piezo.com/ Egyéb felhasznált irodalom [33] Piezo e-book G.M.L. GLADWELL (2006). SOLID MECHANICS AND ITS APPLICATIONS. Dordrecht: Springer. 106-215.
73
TDK dolgozat 2010
9. Melléklet 1. számú melléklet: Beépítésre szánt piezo lapka katalógus adatai 2. számú melléklet: Szükséges antropometriai adatok 3. számú melléklet: Mérés pontosítása
74
TDK dolgozat 2010
1. számú melléklet Beépítésre szánt piezo lapka katalógus adatai
75
TDK dolgozat 2010
76
TDK dolgozat 2010
2. számú melléklet Szükséges antropometriai adatok Testtömeg adatok felnőtteknél
Testtömeg adatok gyermekeknél
A maximális testtömeg a férfi felnőtt embereknél: 92 kg. A minimális testtömeg a 7 éves fiúgyermekeknél: 30 kg.
77
TDK dolgozat 2010 Felnőtt lábméret
Ahogyan az a táblázatokból is látszik, a szerkezet minimális mérete 112
× 302
kell, hogy legyen. [28]
78
TDK dolgozat 2010
3. számú melléklet Mérések pontosítása 1. mérési alkalom (2010. szeptember 24.) Egy lapka, acélcsövön, hengerrel megterhelve törésig_01 – 02: a lapka széle elkezdett lepattogni törésig_04: a lapka eldeformálódott, eltört a kristály Egy lapka, teljes alátámasztással, hengerrel megterhelve törésig_síklapon_01 – 02: nincs tönkremenetel Egy lapka, gumilapos alátámasztással, hengerrel megterhelve törésig_gumilapon_01: nincs tönkremenetel törésig_gumilapon_02: megrepedt Egy lapka, acélcsövön, egy terhelés, folyamatos feszültségméréssel 01 – 04: lassú fel-, és leterhelés 05 – 07: gyors fel-, és leterhelés Egy lapka, acélcsövön, egy terhelés, kisütéses feszültségméréssel 08 – 10: lassú fel-, és leterhelés 11 – 13: gyors fel-, és leterhelés Egy lapka, gumilapos alátámasztással, folyamatos feszültségméréssel 14 – 16: lassú fel-, és leterhelés 17 – 19: gyors fel-, és leterhelés Egy lapka, gumilapos alátámasztással, kisütéses feszültségméréssel 20 – 22: lassú fel-, és leterhelés 23 – 25: gyors fel-, és leterhelés Egy lapka, acélcsövön, 8 terhelés, gyors egymásutánban 26 – 30: folyamatos feszültségméréssel 31 – 33: kisütéses feszültségméréssel Egy lapka, gumilapos alátámasztással, 8 terhelés, gyors egymásutánban 34 – 36: folyamatos feszültségméréssel 37 – 39: kisütéses feszültségméréssel 2. mérési alkalom (2010. szeptember 27.) Egy lapka, műanyag szerszámon megterhelve, hengerrel törésig_01 – 03: repedezett, roppanó hanggal Egy lapka, műanyagokkal alátámasztva, folyamatos feszültségméréssel 01 – 05: műanyag szerszámmal 06: műanyag lap 07: fémcső (kontroll, megfelelt)
79
TDK dolgozat 2010 08 – 09: műanyag szerszámmal, kapupánt csavarral megnyomva, széttört 3. mérési alkalom (2010. október 1.) Három lapka egyszerre terhelve, acél csöves szerszámmal alátámasztva és megterhelve törésig_01 – 04: repedezésig, törésig terhelve 01 – 03: folyamatos feszültségméréssel 04 – 08: kisütéses feszültségméréssel 4. mérési alkalom (2010. október 8.) Három lapka egyszerre terhelve, acél csöves szerszámmal alátámasztva és megterhelve, kisütéses feszültségméréssel, kapacitás: 1 67 01 – 04: lassú megterhelés 05 – 13: ütésszerű megterhelés Három lapka egyszerre terhelve, acél csöves szerszámmal alátámasztva és megterhelve, kisütéses feszültségméréssel, kapacitás: 10 67 14 – 17: lassú megterhelés 18 – 26: ütésszerű megterhelés Egy lapka terhelve, acél csővel alátámasztva és megterhelve, kisütéses feszültségméréssel, kapacitás: 1 67 27 – 30: lassú megterhelés 31 – 35: ütésszerű megterhelés Egy lapka terhelve, acél csővel alátámasztva és megterhelve, kisütéses feszültségméréssel, kapacitás: 10 67 36 – 39: lassú megterhelés 40 – 44: ütésszerű megterhelés Egy lapka megterhelve, 1 mm-es elmozdulást közelítve, feszültségmérés nélkül 45 – 48: piezoval együtt 49 – 53: tisztán a réz lapka
80
