Основные положения методики оценки эффективности пьезопреобразователей

Фаиз Муса Аль-Руфаи; Борис Анатольевич Якимович; Владимир Владиславович Кувшинов

doi:10.22213/2413-1172-2023-1-28-34

Авторы

Ф. М. Аль-Руфаи Севастопольский государственный университет
Б. А. Якимович Севастопольский государственный университет
В. В. Кувшинов Севастопольский государственный университет

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2023-1-28-34

Ключевые слова:

пьезоэлемент, перемещение, условия эксплуатации, многослойный пьезоактюатор, пьезоэлектрический эффект

Аннотация

Пьезоэлементы являются одним из источников альтернативной энергии, на производство которой не требуется использование ископаемых топлив, наносящих ущерб окружающей среде и климату планеты. В связи с этим расширение областей применения пьезоэлементов происходит с каждым годом все интенсивнее. Особенно востребованными являются конструкции пьезоэлементов, которые способны вырабатывать электроэнергию в результате внешних механических воздействий. Эта востребованность обусловлена возможностью работы от получаемой электроэнергии важнейших навигационных приборов, смартфонов, низковольтных зарядных устройств в условиях отсутствия внешних источников электроэнергии или высокой ее стоимостью при выработке другими методами. В связи с тем что пьезоэлементы обладают рядом специфических свойств, обусловленных кристаллической структурой, формой, размерами, электрическими характеристиками, необходимо разработать условия выбора этих устройств, руководствуясь наиболее рациональным подходом, основанным на экономической целесообразности, рыночной доступности и оптимальной технологичности. В настоящее время на российском рынке, несмотря на многочисленные экономические санкции, представлен широкий спектр моделей пьезоэлементов, способный удовлетворить любые запросы клиентов. Выбор наиболее эффективной модели является важнейшей задачей для компаний, которые используют пьезоэлементы как отдельный компонент в составе выпускаемых серийно электронных устройств. Методика выбора такой продукции отсутствует, однако может быть весьма востребована ввиду большого объема предложений поставщиков. Предлагаемая к реализации методика предусматривает моделирование пьезоэлемента в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, оценку свойств и разработку рекомендаций к применению на основании вариации основных размеров (длина, толщина), а также приложенного напряжения, заложенного в разработанную модель, и анализа влияния на перемещение конца пьезоэлемента, что является основной характеристикой пьезоэлемента в условиях рассмотренной схемы. По результатам моделирования выбираются наиболее приемлемые модели пьезоэлемента.

Биографии авторов

Ф. М. Аль-Руфаи, Севастопольский государственный университет

аспирант, Институт ядерной энергии и промышленности

Б. А. Якимович, Севастопольский государственный университет

доктор технических наук, профессор, Институт ядерной энергии и промышленности

В. В. Кувшинов, Севастопольский государственный университет

кандидат технических наук, доцент, Институт ядерной энергии и промышленности

Библиографические ссылки

Huet F. Vibration energy harvesting device using P(VDF-TrFE) hybrid fluid diaphragm.Sensors and Actuators A: Physical, 2016, vol. 247, pp. 12-23.

Woo M.S. Study on increasing output current of piezoelectric energy harvester by fabrication of multilayer thick film. Sensors and Actuators A: Physical, 2018, vol. 269, pp. 524-534.

Cui X., Teng M., Hu J. PSPICE-Based Analyses of the Vibration Energy Harvester System with Multiple Piezoelectric Units. IEEE Canadian J. of Electrical and Computer Engineering, 2015, vol. 38, pp. 246-250.

Rezaeisaray M. Low frequency piezoelectric energy harvesting at multi vibration mode shapes. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, vol. 228, pp. 104-111.

Zhang Z. Experimental investigation on piezoelectric energy harvesting from vehicle-bridge coupling vibration. Energy Convers. Manag., 2018, vol. 163, pp. 169-179.

Chen N. A piezoelectric impact-induced vibration cantilever energy harvester from speed bump with a low-power power management circuit. Sensors and Actuators A: Physical, 2017, vol. 254, pp. 134-144.

Голубев П. В., Дарьян Л. А., Образцов Р. М. Оценка технического состояния высоковольтного оборудования. Инновационные разработки АО "Техническая инспекция ЕЭС" // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Контроль технического состояния оборудования объектов электроэнергетики. 2017. Вып. 48. С. 18-30.

Нестеров А. А., Панич А. А. Современные проблемы материаловедения керамических пьезоэлектрических материалов. Ростов н/Дону: Изд-во ЮФУ, 2019. 226 с.

Khanbareh H., Topolov V.Yu., Bowen C.R. Piezo-particulate composites. Manufacturing, properties, applications. Cham: Springer Nature Publ., 2019 160 p.

Jabarov S.H.International J. of Modern Physics B, 2018, 32, 1850303.

Huseynov R.E., Mammadov A.I., Mehdiyeva R.Z. Infrared Spectroscopy, X-ray Diffraction and Neutron Diffraction Study of BaFe12-xAlxO19 Solid Solutions. J. Korean Phys. Soc., 2019, 74, 584-588. https://doi.org/10.3938/jkps.74.584

Zdenek Hadas, Saˇsa Zelenika, Vikram Pakrashi. Vibration Energy Harvesting for Wireless Sensors, MDPI, Basel, 2022, 242 p.

de Almeida B.V., Pavanello R. Topology Optimization of the Thickness Profile of Bimorph Piezoelectric Energy Harvesting Devices. J. of Applied and Computational Mechanics, 2019, vol. 5, pp. 113-127.

Zhou M. Modeling and Efficiency Analysis of a Piezoelectric Energy Harvester Based on the Flow Induced Vibration of a Piezoelectric.Composite Pipe. Sensors, 2018, vol. 18, p. 4277.

Berberyan A., Garakov V. Love's type waves in the system of the cubic symmetry piezoelectric layer and half-space // Вестник Российско-Армянского (Славянского) университета: физико-математические и естественные науки. 2020. № 1. С. 27-34.

Rafique S. Piezoelectric Vibration Energy Harvesting: Modeling & Experiments, Springer International Publishing, Berlin, 2018, 172 p.

Zhang Y.-H. A novel piezoelectric power generator integrated with a compliant energy storage mechanism. J. of Physics: Applied Physics, 2019, vol. 52 (45), pp. 455-501.

Landaluce H. Review of IoT Sensing Applications and Challenges Using RFID and Wireless Sensor Networks. Sensors, 2020, vol. 20 (9), p. 2495.

Zhang Y.L. Electrostatic Energy Harvesting Device with Dual Resonant Structure for Wideband Random Vibration Sources at Low Frequency. Review of Scientific Instruments, 2016, vol. 87: 125001, pp. 1-8.

Rjafallah A. Modeling of Polyurethane Lead Zirconate Titanate Composites for Vibration Energy Harvesting. J. of Composite Materials, 2018, vol. 53, pp. 613-623.