July 13th, 2015

купец

Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов

В последние годы получило новое развитие направление пьезоэлектрического приборостроения, связанное с созданием пьезоэлектрических преобразователей для генерации электрической энергии за счет использования механической энергии деформации, перемещения конструкций и движения транспортных средств и человека.

Внедрение новой технологии изготовления пленочных пьезоэлектрических элементов с толщиной от 5 до 100 мкм и реализация технологии их автоматической сборки в многослойные конструкции позволяют изготовить пьезоэлектрические генераторы с оптимальными параметрами, обеспечивающими согласование их импеданса с импедансом нагрузки и выходными напряжениями от 2–10 до 240–300 В [14]. Конструкция пьезогенератора определяется конструкцией пьезоэлемента.

Пьезоэлементы, в которых направление поляризации совпадает с направлением механического усилия, используются при создании мощных пьезоэлектрических генераторов на напряжения 100–300 В. Пьезоэлементы изгибного типа (биморфы), в которых направление поляризации перпендикулярно направлению деформации при вибрации, используются при создании мини-пьезоэлектрических генераторов на напряжения 2–10 В.

Как правило, мощные пьезоэлектрические пьезогенераторы являются преобразователями механической энергии (с давлением не менее 1–2 кН) в электрическую при циклическом нагружении, при этом переменное напряжение преобразуется с помощью мостовых выпрямителей в постоянное. Поскольку пьезопреобразователь работает в течение продолжительного времени с относительно малой электрической энергией, производимой за один цикл, как правило, используется система накопления и хранения энергии (рис. 1). Для стабилизации выходного напряжения пьезогенератора на заданном уровне используется система с обратной связью, специальный контроллер. Контроллер также обеспечивает согласование импеданса пьезогенератора с выходным импедансом потребителя энергии.

Блок-схема модуля питания
Рис. 1. Блок-схема модуля питания

В работах [14] показана принципиальная возможность создания двух вариантов конструкции пьезоэлектрических генераторов в основном как источника зарядки аккумуляторных батарей на напряжение 2–10 В.

В последние годы начаты работы по созданию на основе многослойных монолитных конструкций пьезоэлементов мощных источников питания.

В работе [5] были проведены исследования и определены предельные параметры многослойных пьезоэлектрических генераторов на основе многослойных пьезоэлементов с габаритами 6×6×2,7 мм (количество слоев 50, толщина слоя 50 мкм). Основные конструктивные и электрические их параметры приведены в работах [6, 7]. Целью исследования являлась разработка макетного образца автономного пьезоэлектрического источника питания на основе преобразования механической энергии движения поезда (количество вагонов 10) в постоянное напряжение для подзарядки устройств питания радиомодуля, обеспечивающего его непрерывную работу в течение двух часов, выходное напряжение 3–5 В, максимально развиваемое усилие 5×107 Н/м2, цикличность движения — один состав в час со средней скоростью 20 км/ч.

Было разработано два варианта конструкции макетных образцов многослойных пьезогенераторов:


  • первый — из 13 многослойных элементов, соединенных механически последовательно, а электрически параллельно;

  • второй — из одного слоя многослойных элементов, расположенных попарно на ситалловых подложках 48×48×0,5 мм и соединенных электрически параллельно (сверху слой закрыт такой же ситалловой подложкой, в слое шесть линеек по шесть элементов).

Были проведены исследования электрофизических параметров пьезогенераторов на устройствах, позволяющих воспроизводить циклические нагружения пьезогенераторов, аналогичные воздействию движущегося поезда на рельсы.

Следует отметить, что проведенный расчет деформации рельсов от давления основного вагона поезда массой 60 т показал, что их величина менее 0,001 мкм, и при расчете преобразования механической энергии в электрическую этот параметр можно не учитывать.

Исследования проводились в электрической схеме включения (рис. 2).

Принципиальная электрическая схема источника питания

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема источника питания

Диод VD1 в этой схеме предотвращает утечки заряда обратно к пьезогенератору (ПГ), когда давление снижается. Диод VD2 обеспечивает разряд обратного напряжения, которое возникает на пьезогенераторе, когда давление спадает до нуля после переклички с генерированной энергией в накопителе (в данном случае в качестве накопителя использована емкость Сн = 40 мкФ, Rн = 2×107 Н/м2). Время одного цикла нагружения и сброса нагрузки не более 1 мин., общее количество циклов не менее 120.

Collapse )

Другие возможные применения генератора для извлечения энергии касаются бытовых электронных изделий, таких как мобильные телефоны, mp3-проигрыватели, цифровые камеры, которые могут получать энергию от движения человека.

В таблице 6 приведены данные ожидаемого уровня электрической энергии от движения человеческого тела за счет преобразования механической энергии в электрическую.

Таблица 6. Данные ожидаемого уровня электрической энергии от движения человеческого тела

Активное действие Генерируемая механическая энергия Электрическая энергия Электрическая энергия, затрачиваемая на движение
Дыхание 0,83 Вт 0,091–0,42 Вт 0,5–2,5 Дж
Движения верхних конечностей 3 Вт 0,33–1,5 Вт 1,5–6,7 Дж
Движение пальцев 6,9–19 мВт 0,76–2,1 мВт 143–266 мкДж
Ходьба 67 Вт 5 Вт 8,3–14 Дж


Как видно из приведенной таблицы, наибольшие значения электрической энергии связаны с ходьбой. Из сравнения генерируемой и потребляемой энергии понятно, что источники питания, связанные с ходьбой или дыханием, могут быть использованы в любом носимом приборе. Пьезоэлектрические генераторы, основанные на движении верхних конечностей, в перспективе в состоянии обеспечивать питание GSM- и Bluetooth-устройств с низким энергопотреблением.

Некоторые примеры пьезоэлектрических генераторов, связанных с движением человека

В Массачусетском технологическом институте был проведен эксперимент с размещением пьезоэлектрических элементов под стандартной съемной стелькой спортивной обуви [1819]. Энергия от давления пятки извлекается посредством расплющивания двух элементов, изготовленных из двух униморфов Thunder PZT/пружинная сталь, а энергия от сжатия/разжатия пальцев ног — посредством изгиба биморфной пластины, изготовленной из 16 пьезоэлектрических слоев. Ввиду ограниченной эффективности электромеханического преобразования среднее значение извлекаемой энергии оказалось небольшим (8,3 мВт на пятке и 1,3 мВт на пальцах во время ходьбы в среднем темпе). Тем не менее этого достаточно для транспорта 12-разрядного ID-кода в локальную сеть с помощью портативного передатчика.

Перспективные исследования и разработки проводит фирма Kyocera (Япония) в области создания альтернативного источника энергии — пьезогенератора для заряда встроенного аккумулятора перспективного мобильного телефона Eos при движении человека [20].

Фирма Nissan Electric (Япония) разработала и выпускает [21] модуль питания на основе пьезобиморфа, который вырабатывает энергию при ходьбе человека (мощность ≥20 мВт).

Фирма EnOcean сообщает о разработке безбатарейного радиовыключателя освещения [22].

В [23] приведены результаты исследований мини-пьезогенератора для питания имплантируемого протеза TKR при давлении с мощностью до 225 мкВт (мощность потребления системы питания микроконтроллера протеза TKP PIC161E872 — 50 мкВт).

В [2425] приведены результаты исследований пьезогенератора, имплантируемого в протез колена человека для стимуляции роста костной ткани (мощность до 250 мкВт).

В Англии фирма Facility Architects совместно со Scott Wilson Group реализует проект Pacesetters по преобразованию механической энергии движения пассажиров на вокзале Виктория (за 60 мин. проходит 34 тыс человек) в источник электрической энергии. Авторы проекта полагают, что система может получить от каждого проходящего человека 3–4 Вт. Аналогичной разработкой занимаются специалисты японской железнодорожной компании JR-East совместно с учеными университета Keio. Созданная ими система может использоваться для подсчета пассажиров и одновременно для генерации электричества от прохождения людей через турникет. Эксперимент показал, что на вокзале в Сибуя в течение 6 часов работы система вырабатывает 1 Вт/ч.

Английская компания Pavegen Systems разработала пьезогенератор Pavegen, который преобразует энергию от давления шагов человека в электрическую (при деформации на 5 мм получается 2,1 Вт). Плата-генератор изготовлена из нержавеющей стали, покрытой резиной. Внешний корпус изготовлен из литого алюминия. Получаемая энергия накапливается в литьевых полимерных аккумуляторных батареях и может быть использована для питания осветительных приборов. Пять таких генераторов, установленных на оживленном участке тротуара, могут снабдить энергией освещения автобусную остановку на всю ночь. По подсчетам экономистов, срок окупаемости этого устройства — около года, в то время как заявленный ресурс составляет пять лет или 20 млн шагов.

Гриценко Анатолий, Никифоров Виктор, Щёголева Татьяна


Литература (в источнике):
Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов