тел: (495) 600-40-84

Использование пьезопреобразователей серии DuraAct для аккумулирования энергии

Введение

Термин «аккумулирование энергии» используется в тех случаях, когда источником для выработки электричества является окружающая среда. К примеру, температура, вибрации, потоки воздуха. В настоящее время существуют электронные платы, чьё энергопотребление находится в диапазоне нескольких милливатт. Несмотря на то, что вырабатываемая энергия с использованием устройств на основе пьезоэффекта невелика, данное направление представляет интерес в тех случаях, когда электричество не может быть подведено с помощью кабелей или требуется исключить использование батарей, что связано с техническим обслуживанием.

photo1.JPG

Рис.1 Аккумулирование энергии может быть основано на ряде физических эффектов. Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для этой задачи 

Аккумулирование энергии (рис.1) может быть основано на ряде физических эффектов. Это могут быть фотоэлементы, а также термогенераторы, которые вырабатывают электрическую энергию при колебаниях температуры. Существует возможность получать и использовать энергию радиоволн с помощью антенн, что может использоваться, например, для питания идентификационных радиометок. Пьезоэлектрические кристаллы также идеально подходят для задач аккумулирования энергии. Они генерируют электрическое напряжение в результате приложения силы в форме давления или вибраций.

Генерация энергии посредством пьезоэффекта

 В случае механической деформации пьезоэлектрического кристалла при приложении усилия происходит возникновение электрического напряжения на электродах пьезоэлемента. Данное явление известно как прямой пьезоэлектрический эффект.

photo2.JPG

Рис.2 Генерация энергии при использовании пьезоэффекта

Генерируемый заряд может быть описан математическим соотношением Q = d ∙ ΔF

Постоянная d зависит от используемого материала. В связи с тем, что количество генерируемого заряда мало, накладываются высокие требования к механической системе и электронике для аккумулирования оптимального количества энергии.

Система аккумулирования энергии

Универсального решения для аккумулирования энергии не существует, так как существует множество приложений и параметры установки всегда различаются. На рис.3 показана общая схема установки.

photo3.JPG

Рис.3 Общая схема установки для аккумулирования энергии

Для правильного расчёта такой системы, все граничные условия должны быть известны и приняты во внимание. Возьмём, к примеру, источник энергии. Нужно понимать, какой тип воздействия будет оказываться: непрерывный или импульсный. Требования электропотребителя также должны быть приняты во внимание. Важными параметрами являются: требуемое напряжение, мощность и входное сопротивление. Затем можно использовать эти данные для проектирования пьезопреобразователя, включая механическую систему.

Типичные приложения для аккумулирования энергии с использованием пьезоэффекта

Существует множество приложений, где процесс аккумулирования энергии из окружающей среды оказывается эффективным и полезным. Хотя, в настоящее время, небольшие аккумуляторные элементы имеют длительный срок службы, имеет смысл отказываться от их использования, так как требуется много усилий, чтобы проверить или заменить их, если электропотребитель устанавливается в труднодоступном месте. Системы аккумулирования энергии могут являться решением в таких случаях. Типичным примером является контроль технического состояния лопаток ветровых турбин.

Другим интересным приложением является мониторинг и передача данных в системах отопления и кондиционирования воздуха. Вибрации транспортного средства могут быть использованы для выработки энергии и тем самым во время транспортировки можно контролировать продукцию, не используя датчики, оснащённые батареями. Это может быть полезно, если требуется, к примеру, отслеживать температуру в закрытых контейнерах. Датчики дождя могут получать необходимую электроэнергию с помощью систем сбора энергии. Беспроводные сети типа ZigBee могут также получать питание с использованием систем аккумулирования энергии.

Универсальные и надёжные пьезопреобразователи

В общем случае, каждый пьезокерамический элемент или пьезоактуатор может быть использован для аккумуляции энергии. Путем преобразования механических вибраций с частотой в несколько килогерц в электрическое напряжение, может быть получена мощность в диапазоне нескольких милливатт. Питание может подаваться на электрические компоненты, в том числе, на процессоры, датчики и миниатюрные передатчики. 

Характеристики

P-876.A11

P-876.A12

P-876.A15

Допуск

Длина

61 мм

61 мм

61 мм

±0.5 мм

Ширина

35 мм

35 мм

35 мм

±0.5 мм

Толщина

0.4 мм

0.5 мм

0.8 мм

±0.5 мм

Радиус изгиба

12 мм

20 мм

70 мм

макс

Толщина пьезокерамического слоя

100 мкм

200 мкм

50 мкм

Электрическая ёмкость

150 нФ

90 нФ

45 нФ

±20%

Масса

2.1 г

3.5 г

7.2 г

±5%

Диапазон рабочих температур

От -20 до 150 °С

От -20 до 150 °С

От -20 до 150 °С

Технические характеристики пьезопреобразователей, выпускаемых компанией Physik Instrumente (PI)


Компания PI предоставляет широкий ассортимент пьезопреобразователей (рис. 3), которые отличаются высокой надёжностью.

photo4.JPG

Рис.4 Пьезопреобразователи производства Physik Instrumente

Пьезопреобразователь состоит из пьезокерамического слоя, покрытого полимерной изоляцией, а также электрических контактов. Полимер выполняет функции электроизоляции и механической защиты хрупкой пьезокерамики. Таким образом, использование полимера повышает допустимые пределы по нагрузке на пьезопреобразователь и позволяет его прикреплять на изогнутые поверхности. Кроме того, компактная конструкция и изоляция позволяют пользователю легко интегрировать пьезопреобразователь в свою систему. К примеру, в композитные материалы. Пьезопреобразователь имеет симметричную структуру, т.е. когда он изогнут, на обоих электродах генерируется одинаковое количество заряда противоположного знака. Существует необходимость крепления пьезопреобразователя на подложку (например, из алюминия; пластика, армированного углеродным волокном или стекловолокном), таким образом, получая обычную биморфную структуру. В результате этого заряды генерируются путём фиксирования краевой части пластины и её деформации. Количество заряда оказывается пропорциональным величине деформации в первом приближении.

Проведение испытаний позволяет получить информацию о том, как толщина пьезокерамического слоя влияет на характеристики, связанные с аккумулированием энергии. С этой целью, пьезопреобразователи серии DuraAct были закреплены на пластину из пластика, армированного углеродным волокном. Сама пластина была зафиксирована с одного конца. Вращающийся эксцентриковый диск создавал смещение биморфного пьезопреобразователя. С помощью этой установки удалось реализовать воспроизводимые условия воздействия на пьезопреобразователи, необходимые для их сравнения (варьирование частоты и величины смещения).

Зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки

В ходе эксперимента было проведено сравнение различных пьезопреобразователей серии DuraAct (P-876.A11, P-876.A12, P-876.A15), закреплённых на пластину из пластика, армированного углеродным волокном, на предмет зависимости выходной мощности от сопротивления нагрузки при одинаковых условиях воздействия (частота 1 Гц, смещение 5 мм). Переменное напряжение от генератора было выпрямлено с помощью двухполупериодного мостового выпрямителя и сглажено посредством конденсатора (10 мкФ). Выходную мощность для каждого пьезопреобразователя определяли при различных сопротивлениях нагрузки.

photo5.JPG

Рис. 5 Зависимость выходной мощности от сопротивления нагрузки

График показывает, что каждый пьезопреобразователь при определённой нагрузке имеет максимальную выходную мощность. Из протестированных пьезопреобразователей модель P-876.A12 показала наибольшую выходную мощность.  Таким образом, для достижения максимальной выходной мощности требуется оптимизированная конструкция пьезопреобразователя с соответствующей регулировкой параметров нагрузки.

Зависимость выходной мощности от параметров воздействия на пьезопреобразователь

Другие результаты исследования ограничены рассмотрением биморфной структуры на основе пьезопреобразователя P-876.A12.

photo6.JPG

Рис.6 Зависимость выходной мощности от смещения пьезопреобразователя P-876.A12.

На рис.6 показана зависимость выходной мощности от смещения пьезопреобразователя. Из графика следует, что мощность существенно изменяется в зависимости от смещения. Чем больше смещение, тем больше величина генерируемого заряда и соответственно выходной мощности. Следовательно, требуется уделять внимание анализу доступных источников энергии и разрабатывать механическую конструкцию, которая позволит оптимальным образом конвертировать механическую энергию в электрическую. Частота механического воздействия на пьезопреобразователь имеет прямое влияние на выходную мощность. На рис. 7 показано, что зависимость выходной мощности от частоты механического воздействия на пьезопреобразователь носит практически линейный характер. Кроме того, можно заметить небольшой сдвиг пика выходной мощности влево при повышении частоты.

photo7.JPG

Рис.7 Зависимость выходной мощности от частоты механического воздействия на пьезопреобразователь P-876.A12.

Электроника для задач аккумулирования энергии

Доступная электроника для задач аккумулирования энергии посредством использования пьезоэффекта включает выпрямитель с накопительным конденсатором и переключатель нагрузки. Данная схема позволяет преобразовывать переменное и постоянное входное напряжение. Электронная схема позволяет разъединять нагрузку (т.е. потребитель) от генератора, и, таким образом, энергия может собираться и храниться в течение длительного времени.  

Для процесса зарядки накопительного конденсатора напряжение генератора в разомкнутой цепи должно быть выше чем уровень Vhigh.

После того, как уровень напряжения Vhigh достигнут в течение временного интервала t1+t2, следует процесс разрядки (передача электрической энергии нагрузке) в течение времени t3. В случае, если напряжение падает до уровня Vlow, дальнейшая передача энергии нагрузке прекращается и накопительный конденсатор должен быть снова заряжен (рис. 8)

photo8.JPG

Рис. 8 Схема работы электронного модуля, контролирующего процесс передачи энергии нагрузке.

Таким образом, энергия может передаваться только между уровнями Vhigh и Vlow:

photo9.JPG

Существует возможность подбирать ёмкость конденсатора в соответствии с требованиями по мощности для конкретного потребителя энергии. Выходное напряжение электронного модуля для тестирования может изменяться до 1.8 В или 5 В. Вследствие следующего цикла: «накопление заряда», «хранение», «передача электроэнергии потребителю», «накопление заряда» это решение может применяться для приложений, где не требуется постоянная передача энергии потребителю. К примеру, в случае с беспроводными датчиками, где заряд может генерироваться, накапливаться и храниться в течение периода между измерениями и извлекаться для измерения и передачи данных. Если пьезоэлектрический преобразователь, механическая система и электронный модуль согласованы в соответствии с конкретным приложением, метод аккумулирования энергии на основе пьезоэффекта может иметь широкое практическое применение.

Выводы

Приведённые выше данные показывают примеры того, как энергия из окружающей среды может быть преобразована в электрическую энергию, которая затем используется соответствующим потребителем.

Не существует единого решения по аккумулированию энергии, которое удовлетворяет всем требованиям. Конструкция пьезоэлектрического преобразователя, модуль электроники и условия воздействия на пьезокерамику определяют выходные параметры и должны подбираться исходя из конкретной задачи.

Более подробную информацию о пьезопреобразователях серии DuraAct Вы можете найти по следующим ссылкам:

http://www.eurotek-general.ru/products/systems_pi/piezoactuators/r-876-/#ad-image-0

https://www.piceramic.com/en/products/piezoceramic-actuators/patch-transducers/