Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов

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 [1–4]. 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.

Рис. 1. Блок-схема модуля питания

В работах [1–4] 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).

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 С_н = 40 мкФ, R_н = 2×10⁷ Н/м²). Время одного цикла нагружения и сброса нагрузки не более 1 мин., общее количество циклов не менее 120.

Для многослойных пьезогенераторов наблюдается линейная зависимость напряжения и заряда от давления вплоть до предельных значений 2×10⁸ Па.

При давлении 10⁷ Н/м² пьезогенератор обеспечивает напряжение 7 В и величину заряда 70×10^–6 К, энергия 21×10^–5 Дж.

Для второго варианта конструкции напряжение 10 В, заряд 180×10^–6 К, энергия 75×10^–5 Дж. Результаты исследований показали, что такой пьезогенератор может обеспечить подзарядку аккумулятора радиопередатчика мощностью 10 Вт при увеличении площади сечения в 100 раз и увеличении цикла нагружения в течение 1 ч до 10 раз.

В работе [8] были рассмотрены предельные параметры конструкции многослойных пьезоэлектрических генераторов в качестве твердотельных батарей. Показано, что для аналогичных элементов толщиной до 100 мкм предельные значения давления составляют 5×10⁸ Н/м². Удельное предельное значение запасенной энергии в пьезогенераторе при давлении 10⁸ Н/м²: W/V = 0,25–0,3 Дж/см³, удельное значение величины заряда Q/S = 5–6×10^–2 К/м².

Проведенные исследования предельных параметров двух вариантов макетных образцов пьезогенераторов показали, что расчетные предельные соотношения с точностью ±10% совпадают с результатами эксперимента при давлении 10⁷ Н/м². Первый вариант конструкции обеспечивает заряд ~660×10⁶ К, второй — 1760×10^–6 К, электрическая энергия 21×10^–3 Дж и 77×10^–3 Дж соответственно.

Предельные параметры 10⁸ Н/м² для многослойных пьезоэлектрических конструкций соответствуют требованиям, обеспечивающим их надежную и долговечную работу (~цикл до 2×10⁹ импульсов), тогда как предел разрушения многослойной керамики достигает 10⁹ и более Н/м².

Несколько лет назад в Израиле были начаты разработки мощных пьезогенераторов, преобразующих механическое давление транспортных средств (автомашины, поезда, самолеты) в электрическую энергию. Созданная в 2008 г. израильская компания Innowattech (Energy Harvesting Systems) занимается исследованиями и разработками пьезоэлектрических генераторов с системой сбора энергии [9]. Разрабатываются варианты, преобразующие в электроэнергию энергию давления:

• автомобилей на полотно дороги (для автомобильных дорог);
• движущегося железнодорожного транспорта на полотно железной дороги (для железных дорог);
• самолета при взлете и посадке на взлетно-посадочную полосу (для аэродромов).

Производство электрической энергии при преобразовании давления транспортных средств имеет ряд преимуществ:

• не требует выделения дополнительных площадей;
• не наносит ущерба окружающей среде (экологически чистое производство);
• не зависит от погодных условий.

При применении для освещения дороги и электропитания светосигнальных дорожных транспортных устройств источник питания расположен непосредственно на трассе и не требует дополнительных электрических подводок.

Система позволяет передавать информацию в реальном масштабе времени о частоте и скорости потока автомобилей, грузоподъемности транспортных средств, а также расстоянии между ними.

В октябре 2009 г. с участием фирмы MAATZ (Israeli National Roads Company) были проведены испытания образцов пьезогенераторов, установленных на участках скоростной дороги № 4. Под асфальтом на глубине 3 см в участок полотна длиной 100 м было установлено 500 000 пьезоэлементов, на участке 400 м — до 2 000 000.

Конструкция и технология изготовления пьезоэлектрических генераторов типа I PEG с системой сбора С. С. защищены четырьмя международными патентами, данные в открытой печати не опубликованы. Результаты проведенных исследований позволили фирме Innowattech приступить к разработке и реализации следующих проектов:

• С участием национальной компании IRC (Israel Railways Company) на опытном участке близ станции Лод устанавливаются рельсы с вмонтированными в них пьезогенераторами. Проведенные предварительные расчеты показывают, что при интенсивном движении 10–20 поездов (с числом вагонов не менее 10) в час возможно получить до 200 кВт/ч, способных обеспечить электроснабжением до 300 индивидуальных домов.
• Заключен контракт Start Road на проведение работ в период 2010–2013 гг. по установке пьезоэлектрических генераторов типа I PEG с аккумуляторной системой сбора на трассе Венеция–Триест. Пьезогенераторы закладываются на глубину до 3 см, через каждые 500 м осуществляется сбор и накопление электроэнергии с последующей ее передачей потребителям. Предварительные расчеты показывают, что при частоте движения 600 автомобилей в час на 1 км четырехполосного шоссе полотно с установленными под ним пьезогенераторами позволяет выработать до 1 МВт/ч, на двухполосном шоссе длиной 10 км — до 5 МВт/ч, что позволяет полностью обеспечить энергопитанием системы освещения дороги, электронные системы управления движением (светофоры, табло и т. д.). Сумма инвестиций итальянской компанией Impregilo составляет 225 млн евро.

В [13] приведены предварительные расчеты по созданию волновых электростанций с использованием преобразования механической энергии набегающих прибрежных волн в электрическую. Предварительные расчетно-экспериментальные данные показали низкую эффективность преобразования пьезогенератора: линейка многослойных пьезогенераторов шириной 10 см и толщиной 5 см обеспечивает получение 8–10 Вт с одного метра при воздействии волны с частотой 0,2–0,25 Гц и высотой до 1 м.

Перспективным направлением является создание пьезоконвертера на основе применения многослойных пьезоэлементов для бытовых устройств, которые преобразуют усилие нажатия человека на кнопку в электрическую энергию. При давлении 1 Н/см² многослойный пьезоэлемент площадью 1 см² и толщиной 2–3 мм генерирует напряжение 3–12 В, что достаточно для:

• передачи сигнала с пульта дистанционного управления для измерения и индикации результатов;
• передачи сигнала автомобильного брелока на охранную систему и систему сигнализации;
• работы дистанционного радиозвонка для коттеджа (один из производителей таких бытовых звонков фирма Carradon Fredland отмечает, что выигрыш от применения пьезоконвертеров состоит даже не в снижении стоимости батареек, а прежде всего в возможности герметизации всего устройства);
• работы безбатарейного устройства, настенного или мобильного, для включения и выключения освещения, которое может быть установлено в стену и не требует прокладки сетевой проводки, что создает дополнительные удобства для пользователей, повышает пожарную безопасность и позволяет экономить на строительно-монтажных работах по прокладке сетевых кабелей;
• электромеханической блокировки электронного замка (с помощью пластиковой карточки при ее движении осуществляется передача энергии на микропроцессор, опознающий код карточки).

Мини-пьезогенераторы

В одном из последних обзоров [11] приведены различные варианты создания пьезо-электрических генераторов и наносистем для различных областей применения. Показана перспективность и применение изгибных пьезогенераторов в малогабаритных устройствах беспроводной электроники и устройствах коммуникации (телефоны сотовой связи, смартфоны), бытовой электромеханике и электротехнике.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по созданию информационно-измерительных и управляющих систем, способных принимать и идентифицировать электромагнитные сигналы от беспроводных микромощных датчиков, встроенных в различные конструкции сетей передачи информации, расположенные в любых, в том числе и труднодоступных, местах, где возможности централизованного питания ограничены. Большое число элементов в таких информационных беспроводных сетях практически исключает возможность длительного, многолетнего поддержания их работоспособности путем регулярной или выборочной замены источника питания. Достижения в области создания маломощных СБИС наряду с низкими коэффициентами заполнения беспроводных датчиков уменьшают требования к питанию до диапазона десятков и сотен микроватт. Связанная с этим низкая потребляемая мощность открывает возможность обеспечения питанием сенсорных узлов посредством извлечения энергии из окружающей среды, устраняя необходимость в батареях и увеличивая срок службы до бесконечности. В таблице 1 приведено сравнение источников извлечения энергии и источников фиксированной энергии (батарей).

Данные таблицы показывают, что батареи являются приемлемым вариантом при коротких сроках службы. Для длительных сроков службы требуется другое решение. Солнечные элементы обеспечивают превосходную плотность энергии при прямом солнечном свете. Однако практически исключают выработку энергии в закрытых помещениях и зависят от погодных условий. Решение данного вопроса возможно при генерации электрической энергии непосредственно на месте расположения электронного маломощного устройства из энергии окружающей среды.

В последние годы появились публикации, посвященные генерации электрической энергии из неиспользованной энергии окружающей среды. Этот метод получил название «энергетическая очистка». Это одно из перспективных направлений, конечная задача которого — обеспечение практически неограниченной продолжительности работы маломощного электронного устройства.

В таблице 2 приведена информация об источниках вибрации.

Механизмы преобразования

Существуют три основных механизма преобразования вибраций в электрическую энергию: электромагнитный, электростатический и пьезоэлектрический. В первом случае относительное перемещение между катушкой и магнитным полем вызывает протекание тока в катушке. Электростатический генератор состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком, которые перемещаются относительно друг друга. При перемещении проводников энергия, хранящаяся в конденсаторе, меняется, обеспечивая, таким образом, механизм преобразования механической энергии в электрическую. В третьтем варианте преобразование механической энергии в электрическую происходит на основе пьезоэффекта в пьезокерамическом материале.

В таблице 3 приведено качественное сравнение особенностей указанных трех механизмов преобразования.

Из анализа данных, приведенных в таблице 3, следует, что наиболее перспективным является прямое преобразование механической энергии колебаний в электрическую, осуществляемое пьезокерамическим преобразователем. В качестве основного элемента преобразователя используются пьезоэлектрические датчики. Прямое преобразование механических колебаний конструкции в электрическую энергию будет наиболее эффективно при использовании гибких пьезоэлектрических датчиков — пьезобиморфов [1–4].

Принципиальная конструкция пьезоэлектрического микропреобразователя на основе пьезобиморфа показана на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная конструкция микропреобразователя на пьезобиморфе

В ряде работ [12–14] были проведены расчеты и оптимизация основных параметров, приведенных в таблице 4, а также установлены предельные ограничения, обусловленные механической прочностью конструкции из пьезокерамического материала.

В работе [19] приведена оптимизация конструкций, изготовленных из пьезоэлектрических материалов: PZT, который является керамикой, и PVDF, который является полимером. Оптимальные параметры конструкции для двух различных материалов (с прокладкой и без) представлены в таблице 5.

Значения входной вибрации были получены в малой СВЧ-печи на частоте 120 Гц. При моделировании для PZT использовался коэффициент пьезоэлектрической связи (k₃₁), равный 0,12, основанный на измерениях биморфа со стальной центральной прокладкой. Для PVDF использовался коэффициент связи 0,08. Следует отметить, что использование оптимальных параметров PZT-биморфа привело к реализации очень длинного тонкого прибора. В зависимости от применения дополнительные индивидуальные ограничения могут быть внесены по общей длине и ширине прибора. Моделирование и эксперимент выявили наилучшее значение выходной мощности, равное приблизительно 250 мкВт. Выполненный анализ показал, что пьезоэлектрические преобразователи способны обеспечивать бóльшую мощность на единицу объема, чем емкостные. Также пьезоэлектрические преобразователи предпочтительнее еще и потому, что не требуют отдельного источника питания, и выходное напряжение рассматриваемых источников вибрации было в диапазоне 3–10 В.

В настоящее время реализуется Европейский исследовательский проект VIBES (Vibration Energy Scavenging, «Сбор вибрационной энергии»). Координатором является University of Southampton (School of Electronics and Computer Science), в состав команды входят также государственные исследовательские лаборатории EPFL, Tima, Tyndall, University of Southampton, Femto-st, фирмы Philips, MEMSCAP и METRAVIB [15]. Цель проекта — разработка и демонстрация микромощного генератора, способного использовать энергию от вибраций и движений окружающего пространства (зданий, машин, человека). Этот прибор будет производить электрическую энергию (в диапазоне мкВт) для обеспечения питанием автономных микросистем. В устройство должны входить маломощные контроллер и модуль ВЧ-связи, несколько MEMS-датчиков и микробатарея для хранения энергии (рис. 4).

Рис. 4. Схема извлечения энергии

Прибор состоит из сейсмической массы, изготовленной из кремния, подсоединенного к подложке посредством гибкого кантилевера. Во время движения кантилевер испытывает нагрузку при сжатии и растяжении на верхней и нижней поверхностях. Пьезоэлектрический слой, расположенный в верхней части кантилевера, подвергается нагрузке, и, как следствие, некоторый электрический заряд появляется на поверхности. Этот заряд собирается металлическими электродами и подается на электрическую нагрузку или схему накопления энергии. Прибор изготовлен с использованием MEMS-технологии в кооперации с фирмой MEMSCAP. В процессе используется глубокое реактивное ионное травление обеих сторон со структурой «кремний-на-изоляторе» (SOI). Пьезоэлектрический слой был изготовлен из нитрида алюминия и в ближайшем будущем будет заменен на более толстый слой PZT (цирконат–титанат свинца). Модуль управления питанием предназначен для передачи энергии, производимой микромощным генератором, в модуль хранения энергии, например микробатарею. Для зарядки батареи требуется стабильный источник напряжения на постоянном токе со специфичным напряжением, зависящим от характеристик батареи. Также требуются операции по некоторому выпрямлению и повышению напряжения. Более того, эти операции должны выполняться с наивысшей эффективностью, а схема должна иметь очень малую потребляемую мощность. На рис. 5 приведена блок-схема модуля управления питанием. Схема извлечения энергии состоит из AC/DC-схемы для выпрямления напряжения и DC/DC-схемы для повышения напряжения. DC/DC-схема управляется цифровым контроллером, так как она является активной и адаптируется в зависимости от поступающего электрического сигнала и его частоты в целях обеспечения максимальной передачи энергии и зарядки батареи с наивысшей эффективностью. Как и ожидалось, генерируемая мощность является функцией амплитуды перемещения. Было установлено оптимальное значение нагрузочного сопротивления — 333 кОм, необходимое для выделения максимальной мощности с вибрирующей балки. Максимальная генерируемая мощность для амплитуды перемещения в 0,9 мм составила около 2 мкВт. Максимальное генерируемое напряжение составляет около 1,2 В.

Рис. 5. Схема архитектуры автономной микросистемы

В Sandia National Laboratories (США) [16] ведутся работы по созданию ключевых компонентов безбатарейной микросенсорной системы, в которой осуществляется преобразование механической энергии от незначительных вибраций структур в электрическую энергию, которая приводит в действие систему. Пьезоэлектрический материал крепится к балке (кантилеверу). Всякий раз под воздействием нагрузки (например, когда высокое здание раскачивается от ветра или грузовик проходит по мосту) пьезоэлектрическая керамика генерирует небольшой заряд, всего 100 мкКл, который временно хранится в накопительном банке системы. Этого хранимого заряда достаточно для питания микросенсорной системы на долю секунды, что достаточно для осуществления простого считывания. Далее, если механическое напряжение в пьезоэлектрике превысит установленный порог, в результате может произойти сбой в структуре, например, маломощный микропроцессор может включиться. Сенсор выполнит измерение, передаст результат считывания на ВЧ-тэг flash-памяти, и будет осуществлен быстрый перевод микропроцессора в спящий режим.

Специалисты Sandia создали систему, которая обеспечивает питание микропроцессора, генерируемое от вибраций, и продемонстрировали метод хранения и поиска данных. Был показан только метод мониторинга критической инфраструктуры. Законченный прибор должен обеспечивать тепловые измерения, измерения механической нагрузки и отклонения растяжения, а также получение другой информации, которая может храниться в базе данных и считываться немедленно — например, в случае организации эвакуации из высокого здания. Это позволило бы решить задачу мониторинга высоких зданий, мостов, дамб, туннелей и других инфраструктур.

В [14] приведены результаты исследования по созданию микро-пьезоэлектрического генератора мощностью 375 мкВт, обеспечивающего работу радиопередатчика на частоте 1,9 ГГц при рабочем цикле 1,6%. В беспроводных системах прием/передача сигнала осуществляется в короткий период времени, затем устройство переходит в режим ожидания, с практически отсутствующим энергопотреблением. Типичный рабочий цикл передачи 1–2%, режим ожидания 98–99%.

Массовое применение микро-пьезогенераторов в настоящее время нашло в системах питания TPMS (система измерения давления в автомобильных шинах). Эта разработка [17] выполнена на фирме Morgan Electro Ceramics (Англия).

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.

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 [18–19]. 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 [24–25] 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.