Piezoelektrische Sportnetze: Energiegewinnende Sportgeräte

Das Inhaltsverzeichnis beginnt mit einer Einleitung, die einen Überblick über die piezoelektrische Energiegewinnung und ihre Bedeutung für die Wearable Technology gibt. Es folgt ein Abschnitt über piezoelektrische Materialien, in dem sowohl anorganische Materialien wie Zinkoxid (ZnO) und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) sowie polymere Materialien wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) und seine Copolymere sowie biopiezoelektrische Materialien. Weiter behandelt das Dokument Entwurf und Herstellung von SportnetzenDabei werden flache und gebogene Strukturen sowie verschiedene Herstellungsmethoden wie hydrothermale Synthese, Elektrospinnen und Drucktransfertechniken detailliert beschrieben. Der Abschnitt über Energy Harvesting Performance untersucht die von Sportlern durch Kraftanalyse und Energieberechnungen erzeugte kinetische Energie sowie die von Ventilatoren gewonnene Schwingungsenergie, wobei die Trittfrequenz und die Gehgeschwindigkeit im Vordergrund stehen. Der Abschnitt Anwendungen beschreibt den Einsatz der piezoelektrischen Technologie in der Medizin, z. B. bei der Überwachung des arteriellen Pulses und der Tiefenhirnstimulation, sowie im Sport bei der Überwachung der Muskeln und der Erfassung der Ballgeschwindigkeit. Darüber hinaus werden weitere innovative Anwendungen wie Windenergiegewinnung und selbstversorgte Herzschrittmacher vorgestellt. Im Abschnitt Herausforderungen und künftige Arbeiten geht das Dokument auf die wichtigsten Herausforderungen ein, wie z. B. Leistungseinschränkungen der Geräte, Zuverlässigkeitsprobleme, Integration in die Elektronik und Probleme im Zusammenhang mit der Tragbarkeit und Materialoptimierung. Die Schlussfolgerung fasst die erzielten Fortschritte zusammen und gibt einen Ausblick auf künftige Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. In einem Abschnitt mit häufig gestellten Fragen (FAQs) werden häufig gestellte Fragen zur Piezoelektrizität, zu Materialien, Energiegewinnungsmechanismen, Leistungsfaktoren, Anwendungen und aktuellen Herausforderungen auf diesem Gebiet kurz und knapp beantwortet.

Mit der raschen Entwicklung kompakter und tragbarer elektronischer Geräte hat sich die Nutzung der Umgebungsenergie aus menschlichen Bewegungen als vielversprechende Lösung für die Stromversorgung dieser Geräte erwiesen. Piezoelektrische Energiesammler zeichnen sich besonders durch ihre Fähigkeit aus, mechanische Schwingungen und Spannungen ohne großen Aufwand in Energie umzuwandeln. Die vorliegende Studie soll einen Einblick in die aktuellen Entwicklungen bei piezoelektrischen Energiesammlern und deren Einsatzmöglichkeiten geben. Zunächst wird die Funktionsweise der Piezoelektrizität vorgestellt, bei der mechanische Beanspruchungen in bestimmten festen Materialien Ladungen erzeugen. Anschließend werden einige normalerweise verwendete piezoelektrische Materialien untersucht, darunter anorganische Materialien wie PZT-Keramik und ZnO sowie das natürliche Polymer PVDF. Die Methoden zur Herstellung dieser Materialien als Energiesammler werden ebenfalls untersucht. Faktoren, die sich auf die Ausführung der Sammler auswirken, wie Materialeigenschaften, Gerätedesigns und Verfahren zur Weiterentwicklung der Effektivität werden untersucht. Es werden verschiedene Anwendungen zusammengefasst, vom Antrieb von Sensoren und Wearables bis hin zur Energiegewinnung aus modernen Kreisläufen. Schließlich werden Strömungsschwierigkeiten und künftige Orientierungen formuliert, um den Fortgeschrittenen bei der Entwicklung und Auslegung piezoelektrischer Energiespeicher zu beraten. Durch die Untersuchung von Schlüsselkomponenten piezoelektrischer Energiesammler soll diese Studie als wertvolle Präsentation und Referenz in diesem schnell wachsenden Bereich dienen.

Eine Verfolgung der Informationen zeigt, dass sich das weltweite Interesse an "piezoelektrischen Energiesammlern" ab etwa 2004 beträchtlich entwickelt hat, was ein erweitertes Nachdenken über diesen Bereich zeigt. Von Januar 2004 bis November 2022 stiegen die Suchanfragen nach diesem Begriff um mehr als 400%. Vor allem ab 2010 gab es große Zuwächse, was mit den Fortschritten bei anpassungsfähigen Gadgets und Wearables übereinstimmt, die das Interesse an selbstversorgten Fortschritten vorantreiben. Die verwandte Suchanfrage "piezoelektrische Materialien" zeigt in der Vergangenheit ein konstantes Suchvolumen, was auf ein beständiges Interesse an den Grundlagen hindeutet. In Industrieländern wie den Vereinigten Staaten, dem Vereinigten Königreich, Deutschland, Japan und Südkorea werden mehr Suchanfragen gestellt als in anderen Teilen der Welt. Diese Länder sind in der Regel die Innovationszentren für piezoelektrische Anwendungen. Bei einer Analyse nach Industriezweigen zeigt sich, dass die Suchanfragen überproportional häufig aus den Bereichen Maschinenbau und Elektronik stammen, was mit den Anwendungen der Piezoelektrik in Sensoren, Aktoren und Energiegeräten übereinstimmt. Ein beachtlicher Teil der Suchanfragen kommt auch aus dem akademischen Bereich, was auf erhebliche Forschungsaktivitäten hindeutet. Zusammenfassend spiegeln die Suchdaten ein beträchtliches und zunehmendes weltweites Interesse an piezoelektrischen Technologien zur Energiegewinnung in den letzten zwei Jahrzehnten wider. Dieses Wachstum ging mit Fortschritten einher, die neue Anwendungen ermöglichten, was die Bedeutung und das Zukunftspotenzial dieses Bereichs unterstreicht.

Piezoelektrische Materialien

Piezoelektrische Materialien können im Großen und Ganzen in anorganische und natürliche Materialien unterteilt werden, je nach ihrer synthetischen Organisation. Zu den anorganischen Materialien, die weitgehend erforscht werden, gehören ZnO und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Töpferware, während Polyvinylidenfluorid (PVDF) ein regelmäßig verwendetes natürliches piezoelektrisches Polymer ist.

Anorganische piezoelektrische Materialien

ZnO

ZnO hat eine Wurtzit-Edelstein-Konstruktion, die einen geringen Ebenheitsgrad aufweist und es ermöglicht, elektrische Ladungen bei mechanischer Beanspruchung zu erzeugen. Es ist ein allgemein bekanntes piezoelektrisches Material wegen seines hohen piezoelektrischen Koeffizienten, der minimalen Kosten und der einfachen Synthese zu verschiedenen Nanostrukturen. Verschiedene Morphologien von ZnO, einschließlich Nanodrähten, Nanopartikeln und Nanoblättern, wurden für energiesammelnde Anwendungen berücksichtigt.

PZT

Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) ist ein weiteres ferroelektrisches Material, das wegen seiner hohen piezoelektrischen Koeffizienten von etwa 500-600 pm/V weit verbreitet ist. PZT liegt sowohl in massiven als auch in zierlichen Filmstrukturen vor, die durch starkes Reaktionssintern, Sol-Gel-Behandlung, Falterung usw. hergestellt werden können.

Andere Materialien

Einige andere piezoelektrische gebrannte Materialien mit Perowskit-Struktur umfassen BaTiO3 und Blei-Magnesium-Niobat (PMN) starke Anordnungen. Auch andere Kristalle, wie Lithiumniobat (LiNbO3) und Lithiumtantalat (LiTaO3), weisen hervorragende piezoelektrische Eigenschaften auf. Das Gleiche gilt für Zinksulfid (ZnS) und Galliumarsenid (GaAs).

Polymere piezoelektrische Materialien

PVDF

PVDF ist das am häufigsten verwendete piezoelektrische Polymer aufgrund seiner Anpassungsfähigkeit, geringen Dicke, Unschädlichkeit und großartigen mechanischen Eigenschaften. Es wurden verschiedene Strukturen wie Filme, Pulver, Fäden und ausgedehnte PVDF-Schichten entwickelt.

PVDF-Copolymere

Beispiele für Copolymere sind Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen) P(VDF-TrFE) und Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen) P(VDF-HFP), die durch die Expansion von TrFE- oder HFP-Monomeren hergestellt werden. Sie können den β-Phasengehalt und die piezoelektrischen Eigenschaften im Vergleich zu reinem PVDF verbessern.

Bio-piezoelektrische Materialien

Es wurde festgestellt, dass einige Proteinstrukturen wie Kollagenfibrillen in Knochen oder Sehnen und Chitin in Krustentierschalen piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Ihre Nanostrukturen und kristalline Organisation führen zu piezoelektrischen Dipolen.

Sportnetze Entwurf und Herstellung

Flache Plattenkonstruktion

Ein typisches und einfaches Design für piezoelektrische Energiewandler ist die flache Plattenstruktur. Sie besteht aus piezoelektrischen Materialien, z. B. piezokeramischen Kreisen oder PVDF-Folien, die mit einem starren Substrat mit Metallkathoden an den beiden Seiten verbunden sind. Wenn das piezoelektrische Material einer äußeren mechanischen Kraft ausgesetzt wird, verbiegt es sich und erzeugt an den Oberflächen eine Spannung, die Oberflächenladungen erzeugt. Mehrere piezoelektrische Folien können parallel gestapelt werden, um die Leistung zu erhöhen.

Gebogene Strukturen

Gekrümmte Strukturen mit Biegebewegungen können im Vergleich zu flachen Strukturen größere Dehnungen erzeugen, was zu einer höheren Ausgangsleistung führt. Zu den gängigen Designs gehören piezoelektrische Bänder, zylinderförmige Strukturen und fusiforme Strukturen. Das gekrümmte Substrat kann die Dehnung der piezoelektrischen Schicht bei Krafteinwirkung verstärken.

Fabrikationsmethoden

Hydrothermale Synthese

Die hydrothermale Synthese ist eine auf minimalen Kosten basierende Technik zur Herstellung verschiedener 1D-Nanostrukturen, z. B. Nanodrähte und Nanostäbchen aus piezoelektrischen Halbleitern. Durch die Steuerung von Temperatur, pH-Wert und Entwicklungszeit kann die Morphologie kontrolliert werden.

Elektrospinnen

Durch Elektrospinnen lassen sich lange, kontinuierliche, ultrafeine Fasern mit Durchmessern von Mikrometern bis Nanometern herstellen. Es wurde bereits häufig zur Synthese von 1D-Polymerfasern für Energiegewinnungsanlagen verwendet, indem die Syntheseparameter angepasst wurden.

Druckübertragung

Die Montage auf Druck-Transfer-Basis bietet einen genauen und ertragreichen Ansatz für dichte Arrays und strukturierte Strukturen. Das Piezoelement/Substrat kann Schicht für Schicht mit kontrollierter Registrierung gedruckt und übertragen werden.

Leistung des Energy Harvesting

Kinetische Energie von Sportlern

Kraftanalyse

Um die von Sportlern erzeugte kinetische Energie zu schätzen, wird die Literatur über Kraftmessungen aus verschiedenen Studien zur Biomechanik von Sportlern ausgewertet. Kraftplattentests liefern Daten zur Bodenreaktionskraft, die schnell ansteigt und abfällt und eine Aufprallspitze bildet. In Studien wurden Kräfte zwischen dem 1,6- und 2,3-fachen des Körpergewichts beim Laufen ermittelt. Die Kräfte hängen von Variablen wie Anatomie, Muskelkraft, Geschwindigkeit und Bewegungsart ab.

Berechnung der Energie

Legt man das durchschnittliche Spielergewicht von 248 lbs aus einer Scripps Howard-Studie zugrunde, ergibt sich eine Masse von 112,49 kg. Bei einer Erdbeschleunigung von 9,80 m/s2 beträgt die Masse des Spielers 1.102,41 N. Um die erzeugte kinetische Energie zu berechnen, muss die Beschleunigungsrate bestimmt werden. In mehreren Studien wird die Beschleunigungsrate, mit der Sportler ihre Höchstgeschwindigkeit erreichen, aufgeschlüsselt. Unter Verwendung einer maximalen Geschwindigkeit von 28 Fuß/Sekunde bei 27,34 Yards und einer Beschleunigungszeit von 3,28 Sekunden wird die Beschleunigungsrate mit 8,52 m/s2 berechnet. Durch Einsetzen in die Gleichung der kinetischen Energie wird die Kraft pro Schritt auf 6.990,87 N geschätzt.

Schwingungsenergie von Ventilatoren

Trittfrequenz und Gehgeschwindigkeit

Zur Schätzung des Fußgängeraufkommens wurden Studien zur durchschnittlichen Gehgeschwindigkeit herangezogen. Auf der Grundlage von 7.123 untersuchten Fußgängern betrug die durchschnittliche Gehgeschwindigkeit für ältere Menschen (51,45% der Gesamtheit) 4,11 Fuß/Sekunde, während die übrigen Fußgänger mit 4,95 Fuß/Sekunde gingen. Ältere Menschen brauchen 3,75 Sekunden, um die Durchschnittsgeschwindigkeit zu erreichen, die übrigen Fußgänger 3 Sekunden.

Energiegewinnung aus Trittschall

Unter Verwendung der geschätzten durchschnittlichen Gehgeschwindigkeit und der Beschleunigungszeit kann die Geschwindigkeit bei 27,34 Metern, wenn die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird, mit 28 Fuß/Sekunde berechnet werden. Die Zeit, die ein durchschnittlicher Fußgänger benötigt, um diese Geschwindigkeit zu erreichen, beträgt 3,28 Sekunden. Daraus errechnet sich die Beschleunigungsrate von 8,52 m/s2. Wendet man diese Beschleunigungsrate auf die Masse eines durchschnittlichen Menschen an, wird die Kraft pro Schritt auf 6.990,87 N geschätzt. Unter Verwendung der Kraft pro Schritt und der aus dem Pavegen-Experiment ermittelten Rate von 7 Watt pro Schritt wird die von einem durchschnittlichen Ventilator pro Schritt erzeugte Energie geschätzt.

Anwendungen

Medizinische Anwendungen

Arterielle Pulsüberwachung

Es wurden tragbare piezoelektrische Geräte zur nichtinvasiven Überwachung der arteriellen Pulswellen entwickelt, die wichtige Informationen für die kardiovaskuläre Diagnose und Behandlung liefern. Ein flexibler Verbundwerkstoff aus PVDF und ZnO-NWs hat das Potenzial eines selbstversorgten Pulsdrucksensors mit einer Ausgangsspannung und einem Ausgangsstrom von 5 mV und 1,8 μA an der radialen arteriellen Position.

Tiefe Hirnstimulation

Piezoelektrische Materialien wie PIN-PMN-PT wurden in Geräten zur Tiefenhirnstimulation eingesetzt, um bei Mäusen eine Kontraktion der Muskeln der Vorderextremitäten auszulösen, was ihre Wirksamkeit bei neurologischen Anwendungen wie Anfallskontrolle und Schmerzlinderung belegt.

Sportliche Leistung

Überwachung der Muskeln

Am Körper zu tragende piezoelektrische Sensoren können zur Überwachung von Muskelaktivität und Bewegung eingesetzt werden, indem sie elektromyografische (EMG) Signale erfassen. Ein Sensor aus Aluminiumoxid-Mikrofasern/PDMS erfasst die Aktivität des Bizepsmuskels mit hoher Empfindlichkeit und Haltbarkeit.

Erkennung der Ballgeschwindigkeit

Sportstätten haben die Verwendung piezoelektrischer Materialien wie PZT zur Messung der Aufprallkräfte auf Schläger/Schläger oder der Rotationsgeschwindigkeit von Bällen (z. B. Tennisaufschläge) untersucht, um die Leistung zu analysieren. Die Ergebnisse korrelierten gut mit den Messungen von Hochgeschwindigkeitskameras.

Andere Anwendungen

Ernte von Windenergie

Makrofaserverbundstoff-Wandler, die mit gezackten Flügeln verbunden sind, wurden als piezoelektrische Generatoren vorgeschlagen, die in der Mitte von Windturbinenlüftern/-düsen installiert werden, um die Energie des Luftstroms in Innenräumen von 0-35 Hz bei Geschwindigkeiten bis zu 10 m/s zu ernten.

Selbstversorgter Herzschrittmacher

Leitungslose Herzschrittmacher, die von piezoelektrischen Nanogeneratoren in Form von flexiblen Harvestern angetrieben werden, wurden in Tiermodellen als potenzieller Ersatz für batteriebetriebene Geräte implantiert, wodurch eine Ersatzoperation entfällt.

Herausforderungen und künftige Arbeiten

Obwohl bei der piezoelektrischen Energiegewinnung erhebliche Fortschritte erzielt wurden, gibt es noch einige Herausforderungen, bevor weit verbreitete Anwendungen realisiert werden können. Eine zentrale Herausforderung ist die Leistungsfähigkeit der Geräte. Die von den Generatoren erreichten Leistungsdichten sind immer noch relativ gering, was die Anwendung auf kleine Sensorknoten und nicht auf Geräte mit höherem Leistungsbedarf beschränkt. Eine Verbesserung der Effizienz durch Optimierung der Materialeigenschaften und Nutzung mehrerer Energiequellen könnte hier Abhilfe schaffen. Die fortschrittliche Materialsynthese und die komplexen Gerätekonstruktionen erhöhen jedoch die Kosten. Ein weiteres Problem ist die Zuverlässigkeit, da die langfristige Stabilität unter zyklischer Belastung und Umwelteinflüssen gewährleistet sein muss. Die Charakterisierung der Ermüdungslebensdauer unter verschiedenen Betriebsbedingungen würde ein zuverlässiges Produktdesign unterstützen. Die Integration mit Elektronik ist aufgrund von Impedanzfehlanpassungen eine Herausforderung. Effiziente Stromversorgungsschaltungen sind von entscheidender Bedeutung, erhöhen jedoch die Systemkomplexität. Die Anpassung des Harvesting an die direkte Ladungsspeicherung ohne Umwandlungsverluste könnte das Design vereinfachen. Die Tragbarkeit erfordert auch weiche, dehnbare und biokompatible Substrate, die ihre Leistung über Verformungszyklen hinweg beibehalten. Multifunktionale Verbundwerkstoffe, die Piezoelektrika und Polymere integrieren, bieten eine vielversprechende Lösung, doch müssen die Eigenschaften optimiert werden. Die Standardisierung von Testprotokollen würde den Vergleich zwischen den Forschungsarbeiten vereinfachen. Die Einbeziehung realer Energiequellen und längerfristige Tests würden eine bessere Bewertung der Machbarkeit ermöglichen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen durch fortschrittliche Materialien, mechanisch optimierte Konstruktionen, vereinfachte Stromkreise und standardisierte Leistungsmaßstäbe könnte die Kommerzialisierung beschleunigen. Die vollständige Nutzung der Piezoelektrizität erfordert die weitere Erforschung der Nanoskala in Richtung einkristalliner Filme mit verbesserten Eigenschaften.

Schlussfolgerung

Die piezoelektrische Energiegewinnung hat sich in letzter Zeit als vielversprechende Lösung für den Antrieb komfortabler Hardware durch mechanische Schwingungen erwiesen. Diese Innovation macht sich den piezoelektrischen Einfluss zunutze, um mechanische Belastung auf einfache Weise in Energie umzuwandeln. Verschiedene piezoelektrische Materialien wie Keramik, Polymere und Nanostrukturen wurden für den Einsatz in Energiesammlern untersucht. Auch bei der Entwicklung von Geräten und Ansätzen zur Verbesserung der Leistung wurden große Fortschritte erzielt. Um das Potenzial der piezoelektrischen Energiegewinnung voll auszuschöpfen, sind jedoch noch weitere Arbeiten erforderlich. Die Ausgangsleistungsdichten sind für praktische Anwendungen jenseits kleiner drahtloser Sensoren nach wie vor relativ gering. Auch die Zuverlässigkeit muss noch verbessert werden, indem die Materialeigenschaften und die Stabilität der Geräte bei zyklischem Betrieb optimiert werden. Auch Integrationsprobleme wie Impedanzanpassung und Spannungsumwandlung erfordern Aufmerksamkeit. Die Übersichtsarbeit befasst sich mit strukturellen Designs, Herstellungstechniken, Strategien zur Leistungsverbesserung und Anwendungen von piezoelektrischen Energy Harvestern. Besonderes Augenmerk wird auf flexible Energiegewinnungssysteme gelegt, die Materialien wie PVDF und ZnO verwenden und für tragbare Geräte der nächsten Generation geeignet sind. Obwohl bereits bedeutende Fortschritte erzielt wurden, werden weitere Bemühungen um Hochleistungsmaterialien, mechanisch optimierte Konstruktionen und einfachere Energieumwandlungsschaltungen dazu beitragen, die Kommerzialisierung der piezoelektrischen Energiegewinnung zu beschleunigen. Um die Möglichkeiten voll auszuschöpfen, müssen die aktuellen Herausforderungen durch laufende multidisziplinäre Forschung angegangen werden.

FAQs

F: Was ist Piezoelektrizität?

A: Piezoelektrizität bedeutet, dass eine äußere - mechanische oder elektrische - Kraft zu einer Ladungsentwicklung in dem Material führt, auf das sie einwirkt, oder dass es seine Abmessungen in einem bestimmten elektrischen Feld ändert. Sie kommt in Materialien vor, die ein Gleichgewicht im Kernbereich erfordern, wie Keramik, Edelsteine und organische Materialien.

F: Nennen Sie einige piezoelektrische Materialien, was sind typische Beispiele?

A: Zu den gebräuchlichen piezoelektrischen Materialien gehören Edelsteine wie Quarz und hergestellte Matrizen wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Töpferware, Barium-Titanat, Zinkoxid, Aluminiumnitrid, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und deren Copolymere.

F: Was treibt einen piezoelektrischen Energiesammler an?

A: Piezoelektrische Materialien geben im Allgemeinen als Reaktion auf eine mechanische Belastung eine elektrische Ladung ab, die proportional zum ausgeübten Druck ist. In einem piezoelektrischen Energiesammler wird diese Ladung akkumuliert und an einMV -Gerät weitergeleitet. Bei den üblichen Konstruktionen wird das Material in einer Ausleger- oder Beckenanordnung verwendet, um umfassende Schwingungen in eine Zug- oder Druckbelastung umzuwandeln und so Ladungen zu erzeugen.

F: Welche Variablen beeinflussen die Ausführung von Sammlern?

A: Die Ausführung hängt von den Materialeigenschaften wie dem piezoelektrischen Koeffizienten, dem Anschlussdesign, den Aspekten, der Vorbelastung oder der verwendeten Prüfmasse ab. Die Verringerung der Auswirkungen der Innen-/Außenabschirmung durch die Material- und Oberflächengestaltung verbessert die Ausführung weiter.

F: Was sind einige der Verwendungszwecke dieser Sammler?

A: Die Anwendungen umfassen LEDs zum Betanken, kleine Hardware, Fernsensor-Hubs, die von Schritten, Körperentwicklungen und modernen Vibrationen profitieren, und das ist erst der Anfang. Sie sind besonders ermutigend für selbstbetriebene Wearables und IoT-Gadgets.

F: Welches sind die wichtigsten verbleibenden Herausforderungen?

A: Zu den Hauptschwierigkeiten gehören niedrige Leistungsdichten, gleichbleibende Qualität bei zyklischer Nutzung, Probleme bei der Impedanzanpassung und eingeschränkte Reaktionsbereiche bei Wiederholungen. Die Kombination von Materialeigenschaften, Gerätemodellen und Stromkreisen könnte dazu beitragen, diese Probleme zu lösen und die Vermarktung zu beschleunigen.