Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов

№ 9’2012
PDF версия
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 [67]. 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.

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).

Таблица 1. Сравнение источников извлечения энергии и источников фиксированной энергии

Источники извлечения энергии Плотность энергии (мкВт/см3) при годовом сроке службы Плотность энергии (мкВт/см3) при 10-летнем сроке службы
Солнечная энергия (внешняя среда) 15 000 — прямые солнечные лучи,
150 — пасмурный день
Солнечная энергия (внутренняя среда) 6
Вибрации (пьезоэлектрическое преобразование) 250
Вибрации (электростатическое преобразование) 50
Батареи (литиевые без перезарядки) 45 3,5
Батареи (литиевые с перезарядкой) 7 0

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.

Таблица 2. Информация об источниках вибрации

Источник вибраций Величина ускорения, м/с2 Частота основной моды колебаний, Гц
Отсек двигателя автомобиля 12 200
Основание трехосного станка 10 70
Корпус смесителя 6,4 121
Сушка белья 3,5 121
Приборная доска автомобиля 3 13
Небольшая СВЧ-печь 2,5 121
Компакт-диск портативного компьютера 0,6 75
Микровибрации зданий и сооружений 0,2 30–100

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.

Таблица 3. Сравнение особенностей механизмов преобразования

Механизм Достоинства Недостатки
Пьезоэлектрический Не требуется источник напряжения, выходное напряжение 3–8 В Затруднена интеграция в микросхемы
Электростатический Простота интегрирования в микросхемы Необходим отдельный источник напряжения
Электромагнитный Не требуется источник напряжения Выходное напряжение 0,1–0,2 В

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 [14].

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

Принципиальная конструкция микропреобразователя

Рис. 3. Принципиальная конструкция микропреобразователя на пьезобиморфе

В ряде работ [1214] были проведены расчеты и оптимизация основных параметров, приведенных в таблице 4, а также установлены предельные ограничения, обусловленные механической прочностью конструкции из пьезокерамического материала.

Таблица 4. Основные параметры

Переменная Описание Ограничения
Габариты статической массы М
lm Длина hm <5 мм
hm Высота (lm+lb)wm <1 см2
wm Ширина (lm+lb)wb <1 см2
Конструктивные параметры пьезобиморфа
lb Длина балки le–lm <0
wb Ширина балки  
le Длина электрода  
tp Толщина пьезослоя  
tsh Толщина стальной шайбы  
Rload Сопротивление нагрузки  

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.

Таблица 5. Оптимальные параметры конструкции для двух различных материалов

Параметры PZT PVDF
без прокладки с прокладкой без прокладки с прокладкой
lm, см 1,71 1,73 0,32 0,5
hm, см 0,5 0,5 0,5 0,5
wm, см 0,3 0,3 1,87 1,32
lb, см 1,62 1,6 0,21 0,25
wb, см 0,3 0,3 1,87 1,32
le, см 1,62 1,6 0,21 0,25
tp, мкм 365 267 75,6 42,9
tsh, мкм 0 182 0 135
Rload, кОм 355 264,5 6725 4825
Vr, В 13,1 12,1 50 50
Pout, мкВт 242 277 186 260

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).

Схема извлечения энергии

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.

Схема архитектуры автономной микросистемы

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.

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.

xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88
Литература
  1. Waanders J. W. Piezoelectric Ceramics, Properties and Applications // Philips Components Marketing Communications. Eindhoven. April, 1991.
  2. Жуков С. Н. Пьезоэлектрическая керамика: принципы и применение. Минск: «ФУАинформ». 2003.
  3. Сафронов А. Я., Климашин В. М., Никифоров В. Г., Парфенов Б. Г., Ярошевич В. А. Пьезо-керамические пакеты и многоблочные актюаторы // Компоненты и технологии. 2002. № 6.
  4. Никифоров В., Климашин В., Сафронов А. Биморфные пьезоэлектрические элементы: актюаторы и датчики // Компоненты и технологии. 2003. № 4.
  5. Разработка макетного образца автономного пьезоэлектрического источника питания. Научно-технический отчет. Москва. ОАО «НИИ «Элпа». 2007.
  6. Казаков В., Климашин В., Никифоров В., Сафронов А., Чернов В. Многослойные пьезоэлектрические пьезоактюаторы и особенности их применения // Компоненты и технологии. 2007. № 6.
  7. Казаков В. К., Никифоров В. Г., Сафронов А. Я, Чернов В. А. Актюаторы для оптических затворов и методы измерения их характеристик // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 10.
  8. Никифоров В. Г., Чернов B. A. Предельные параметры твердотельных многослойных пьезоэлектрических батарей // Материалы VI Международной научно-технической конференции «Инновационные процессы пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий». Анапа. 22–26 сентября 2008.
  9. http://www.innowattech.com
  10. Taylor C. W., Burns J. R., Kammann S. M., Powers W. B., Welsh T. R. The Energy Harvesting Eel: a small subsurface ocean/river power generator // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2001. V. 26. № 4.
  11. Акопьян В., Ларинов И., Истомин И. Пьезогенераторы — новое перспективное направление малой энергетики // Наука и техника. 2011. № 12.
  12. Ottemann G. K., Hofmann H. F., Lesieutre G. A. Optimized piezoelectric energy harvesting circuit using step-down converter in discontinuous conduction mode IEEE Trans // Power Electron. 2003. № 18.
  13. Roundy S., Wright P. K., Rabaey J. A Study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes // Computer Communications. 2003. № 26.
  14. Roundy S., Wright P. K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics // Smart materials and structures. 2004. № 15.
  15. Vibration Energy Scavenging. Project. http://www.vibes.ecs.soton.ac.uk
  16. German J. Vibration-powered sensor harvests structural shakes, stores data for later readout. http://www.sandia.gov/LabNews/LN04-19-02/key04-19-02_stores.html
  17. http://www.morganelectroceramics.com
  18. Kymissis J., Kendall C., Paradiso J. J., Gershenfeld N. Parasitic power harvesting in shoes // Proc. 2nd IEEE Int. Conf. Werable Computing. Los Alamitos. August, 1998.
  19. Shenck N. S., Paradiso J. A. Energy scavending with shoe-mounted piezoelectric // IEEE Micro. May-June. 2001. V. 21. № 3.
  20. http://www.kyocera.com
  21. http://www.nissanelectric.co.jp
  22. http://www.enocean.com
  23. Platt S. R., Farritor S., Haider H. IEE / AASME Transaction on mechatronics. April, 2005. V. 10. № 2.
  24. US Patent 6.143.035 Implanted Bone stimulator and prosthesis system and method of enhancing bone growth / C. S. McDowell. November, 2000.
  25. Platt S. R. Electric power generation within orthopedic implants using piezoelectric ceramics. Department of Mechanical Engineering, University of Nebraska, Lincoln, USA. 2003.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *