Пьезоэлектрические спортивные сетки: оборудование для занятий спортом, аккумулирующее энергию

Оглавление начинается с введения, в котором дается обзор пьезоэлектрического сбора энергии и его значения для носимых технологий. Затем следует раздел "Пьезоэлектрические материалы", в котором рассматриваются как неорганические материалы, такие как Оксид цинка (ZnO) и Цирконат-титанат свинца (PZT), а также полимерные материалы, такие как поливинилиденфторид (PVDF) и его сополимеры, наряду с био-пьезоэлектрическими материалами. Далее в документе рассматриваются Проектирование и изготовление спортивных сетокВ нем подробно рассматриваются плоские пластины, изогнутые структуры и различные методы изготовления, включая гидротермальный синтез, электроспиннинг и технику переноса печати. В разделе "Сбор энергии" рассматривается кинетическая энергия, генерируемая спортсменами, с помощью анализа силы и расчетов энергии, а также вибрационная энергия, собираемая вентиляторами, с акцентом на скорость шага и скорость ходьбы. В разделе "Применение" описывается использование пьезоэлектрических технологий в медицине, например, для мониторинга артериального пульса и глубокой стимуляции мозга, а также в спорте для мониторинга мышц и определения скорости мяча. В статье также освещаются другие инновационные применения, такие как сбор энергии ветра и кардиостимуляторы с автономным питанием. В разделе "Задачи и будущая работа" рассматриваются такие ключевые проблемы, как ограничения производительности устройств, проблемы надежности, интеграция с электроникой, а также вопросы, связанные с износостойкостью и оптимизацией материалов. В Заключении подводится итог достигнутого прогресса и описываются будущие направления исследований и разработок. Наконец, в разделе FAQ содержатся краткие ответы на общие вопросы о пьезоэлектричестве, материалах, механизмах сбора энергии, факторах эффективности, приложениях и текущих задачах в этой области.

С быстрым совершенствованием компактных и носимых электронных гаджетов получение окружающей энергии от человеческих упражнений и существенных движений стало перспективным решением для питания этих гаджетов. Пьезоэлектрические коллекторы энергии особенно выделяются благодаря своей способности прямолинейно преобразовывать механические колебания и напряжения в энергию. В этом обзоре мы планируем дать знания о текущих достижениях в области пьезоэлектрических коллекторов энергии и их возможных применениях. Вначале представлен стандарт функционирования пьезоэлектричества, при котором механические колебания создают заряды в определенных прочных материалах. Затем рассматриваются несколько обычно используемых пьезоэлектрических материалов, включая неорганические материалы, такие как керамика PZT и ZnO, а также природный полимер PVDF. Также рассматриваются методики производства этих материалов в качестве энергетических жнецов. Исследуются факторы, влияющие на работу сборщиков, такие как свойства материалов, конструкции устройств и процедуры для дальнейшего повышения эффективности. Обобщены различные области применения, от управления датчиками и носимыми устройствами до сбора энергии из современных циклов. Наконец, описаны трудности и будущие перспективы, чтобы дать рекомендации по дальнейшему развитию и интерпретации пьезоэлектрического сбора энергии. Рассматривая ключевые детали пьезоэлектрических сборщиков, этот обзор может стать ценным источником информации и справочником в этой быстро развивающейся области.

Поиск информации показывает, что мировой интерес к "пьезоэлектрическому сбору энергии" значительно вырос, начиная примерно с 2004 года, что свидетельствует о расширенном внимании к этой области. С января 2004 года по ноябрь 2022 года число запросов на этот термин выросло более чем на 400%. Особенно сильное развитие этот запрос получил примерно с 2010 года, что связано с прогрессом в области адаптируемых гаджетов и носимых устройств, стимулирующих интерес к самозаряжающимся разработкам. Соответствующий запрос "пьезоэлектрические материалы" показывает стабильный объем поисковых запросов, что свидетельствует о постоянном интересе к этой теме. По сравнению с другими частями света, больше поисковых запросов поступает из развитых стран, таких как США, Великобритания, Германия, Япония и Южная Корея. Эти страны, как правило, являются центрами инноваций в области пьезоэлектрических приложений. Если анализировать по отраслям, то поиск ведется в основном в машиностроении и электронике, что соответствует применению пьезоэлектричества в датчиках, приводах и энергетических устройствах. На долю академических кругов также приходится значительная часть поисковых запросов, что свидетельствует о значительной исследовательской активности. В целом данные поиска отражают значительный и растущий глобальный интерес к пьезоэлектрическим технологиям сбора энергии за последние два десятилетия. Этот рост совпал с достижениями в области создания новых приложений, что подтверждает важность и будущий потенциал этой области.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы можно разделить на неорганические и природные в зависимости от их синтетической организации. Среди неорганических материалов широко изучаются керамика ZnO и цирконат-титанат свинца (PZT), а поливинилиденфторид (PVDF) является регулярно используемым природным пьезоэлектрическим полимером.

Неорганические пьезоэлектрические материалы

ZnO

ZnO имеет вюрцитовую структуру драгоценного камня, который не имеет фокуса ровности, что позволяет ему создавать электрические заряды под действием механических напряжений. Он является широко распространенным пьезоэлектрическим материалом благодаря высокому пьезоэлектрическому коэффициенту, минимальной стоимости и простоте синтеза различных наноструктур. Различные морфологии ZnO, включая нанопроволоки, наночастицы и нанолисты, были учтены в приложениях для сбора энергии.

PZT

Цирконат-титанат свинца (PZT) - еще один широко рассматриваемый ферроэлектрический фаянсовый материал благодаря своим высоким пьезоэлектрическим коэффициентам около 500-600 пм/В. PZT существует как в виде массы, так и в виде тонких пленочных структур, которые могут быть созданы путем спекания в сильной реакции, золь-гель обработки, фальцевания и так далее.

Другие материалы

Несколько других пьезоэлектрических материалов со структурой перовскита включают BaTiO3 и ниобат магния свинца (PMN) сильной формы. Другие кристаллы, такие как ниобат лития (LiNbO3) и танталат лития (LiTaO3), также демонстрируют отличные пьезоэлектрические характеристики. То же самое можно сказать о сульфиде цинка (ZnS) и арсениде галлия (GaAs).

Полимерные пьезоэлектрические материалы

ПВДФ

ПВДФ является наиболее распространенным пьезоэлектрическим полимером благодаря своей адаптивности, малой толщине, безвредности и отличным механическим свойствам. Были созданы различные структуры, включая пленки, порошки, нити и протяженные слои ПВДФ.

Сополимеры ПВДФ

Примерами сополимеров являются поли(винилиденфторид-трифторэтилен) P(VDF-TrFE) и поли(винилиденфторид-гексафторпропилен) P(VDF-HFP), полученные путем расширения мономеров TrFE или HFP. Они позволяют повысить содержание β-фазы и улучшить пьезоэлектрические свойства по сравнению с чистым ПВДФ.

Био-пьезоэлектрические материалы

Было обнаружено, что некоторые белковые структуры, такие как коллагеновые фибриллы в костях или сухожилиях и хитин в панцирях ракообразных, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Их наноструктуры и кристаллические структуры приводят к образованию пьезоэлектрических диполей.

Спортивные сетки Проектирование и изготовление

Плоская конструкция пластины

Типичной и простой конструкцией пьезоэлектрических формирователей энергии является конструкция с плоской пластиной. Она состоит из пьезоэлектрических материалов, например, пьезокерамических кругов или PVDF-пленок, соединенных с негибкой подложкой с металлическими катодами с двух сторон. При воздействии внешней механической силы пьезоэлектрический материал изгибается и вызывает деформацию поверхностей, генерируя поверхностные заряды. Несколько пьезоэлектрических пленок могут быть уложены параллельно для увеличения мощности.

Изогнутые конструкции

Изогнутые структуры с изгибом могут создавать большую деформацию по сравнению с плоскими структурами, что приводит к более высоким выходным характеристикам. К распространенным конструкциям относятся пьезоэлектрические ленты, структуры в форме тарелки и фузиформные структуры. Изогнутая подложка может усилить деформацию пьезоэлектрического слоя при приложении силы.

Методы изготовления

Гидротермальный синтез

Гидротермальный синтез - это метод создания различных одномерных наноструктур, например, нанопроволок и наностержней пьезоэлектрических полупроводников, основанный на минимальных затратах. Контролируя температуру, уровень pH и время разработки, можно управлять морфологией.

Электроспиннинг

Электроспиннинг позволяет получать длинные непрерывные ультратонкие волокна диаметром от микронов до нанометров. Он широко используется для синтеза 1D пьезоэлектрических полимерных волокон для энергетических комбайнов путем регулировки параметров синтеза.

Перенос печати

Сборка на основе печати и переноса обеспечивает точный и высокопроизводительный подход для создания плотных массивов и узорчатых структур. Пьезоэлектрик/подложка могут быть напечатаны и перенесены слой за слоем с контролируемой регистрацией.

Производительность сбора энергии

Кинетическая энергия спортсменов

Анализ силы

Для оценки кинетической энергии, генерируемой спортсменами, рассматриваются данные измерений силы, полученные в ходе различных исследований биомеханики спортсменов. Испытания на силовой пластине позволяют получить данные о силе реакции на грунт, которая быстро нарастает и спадает, образуя пик удара. Исследования показывают, что во время бега сила в 1,6-2,3 раза превышает вес тела. Сила зависит от таких переменных, как анатомия, сила мышц, скорость и тип движения.

Расчет энергии

Используя средний вес игрока 248 фунтов из исследования Scripps Howard, соответствующая масса составляет 112,49 кг. При гравитационном ускорении 9,80 м/с2 масса игрока составляет 1 102,41 Н. Чтобы рассчитать кинетическую энергию, необходимо определить скорость ускорения. В нескольких исследованиях приводятся данные о скорости ускорения, с которой спортсмены достигают максимальной скорости. Используя максимальную скорость в 28 футов/секунду при достижении 27,34 ярда и времени ускорения в 3,28 секунды, скорость ускорения рассчитывается как 8,52 м/с2. Подставляя в уравнение кинетической энергии, сила на шаг оценивается в 6 990,87 Н.

Вибрационная энергия от вентиляторов

Скорость передвижения и скорость ходьбы

Чтобы оценить количество пешеходов-фанатов, были проанализированы исследования средней скорости ходьбы. По данным 7 123 обследованных пешеходов, средняя скорость ходьбы пожилых людей (51,45% от общего числа) составила 4,11 фута в секунду, в то время как остальные пешеходы шли со скоростью 4,95 фута в секунду. Для достижения средней скорости пожилым людям требуется 3,75 секунды, а остальным пешеходам - 3 секунды.

Сбор энергии от падения ног

Используя расчетную среднюю скорость ходьбы и время ускорения, можно вычислить скорость в 27,34 ярда, когда наступает максимальная скорость, - 28 футов в секунду. Время, необходимое для достижения этой скорости для среднего пешехода, составляет 3,28 секунды. Исходя из этого, скорость ускорения рассчитывается как 8,52 м/с2. Применив эту скорость ускорения к массе среднего человека, сила, действующая на шаг, оценивается в 6 990,87 Н. Используя силу, действующую на шаг, и скорость, определенную в ходе эксперимента Pavegen (7 ватт на шаг), оценивается энергия, вырабатываемая средним вентилятором на шаг.

Приложения

Применение в медицине

Мониторинг артериального пульса

Носимые пьезоэлектрические устройства были разработаны для неинвазивного мониторинга артериальных пульсовых волн, что дает важную информацию для диагностики и лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Гибкий композит из ПВДФ и ZnO NWs демонстрирует потенциал в качестве автономного датчика пульсового давления с выходным напряжением и током, достигающими 5 мВ и 1,8 мкА в радиальной артериальной позиции.

Глубокая стимуляция мозга

Пьезоэлектрические материалы, такие как PIN-PMN-PT, были использованы в устройствах для глубокой стимуляции мозга, чтобы вызвать сокращение мышц передних конечностей у мышей, демонстрируя их эффективность в неврологических приложениях, таких как контроль судорог и обезболивание.

Спортивные результаты

Мышечный мониторинг

Носимые пьезоэлектрические датчики могут использоваться для мониторинга мышечной активности и движений путем обнаружения сигналов электромиографии (ЭМГ). Датчик, изготовленный из микроволокон алюмооксида/ПДМС, обнаруживает активность мышц бицепса с высокой чувствительностью и долговечностью.

определение скорости вращения шарика

На спортивных площадках были проведены исследования по использованию пьезоэлектрических материалов, таких как PZT, для измерения силы удара ракетки/биты или скорости вращения мячей, например, теннисных подач, для анализа производительности. Полученные результаты хорошо коррелируют с данными, полученными с помощью высокоскоростных камер.

Другие приложения

Сбор энергии ветра

Композитные преобразователи из макроволокна, соединенные зубчатыми крыльями, были предложены в качестве пьезоэлектрических генераторов, устанавливаемых в центре вентиляторов/сопел ветряных турбин для сбора энергии воздушного потока в помещении в диапазоне 0-35 Гц при скорости до 10 м/с.

Кардиостимулятор с автономным питанием

Беспроводные кардиостимуляторы, питающиеся от пьезоэлектрических наногенераторов в виде гибких комбайнов, были имплантированы на животных моделях в качестве потенциальной замены устройствам на батарейках, исключающей хирургическую замену.

Проблемы и будущая работа

Несмотря на значительный прогресс в области пьезоэлектрического сбора энергии, до широкого применения остается еще несколько проблем. Одной из ключевых проблем является производительность устройства. Плотность энергии, достигаемая генераторами, все еще относительно низка, что ограничивает их применение небольшими сенсорными узлами, а не более энергоемкими устройствами. Повышение эффективности за счет оптимизации свойств материалов и использования нескольких источников энергии может помочь решить эту проблему. Однако синтез современных материалов и сложные конструкции устройств повышают стоимость. Надежность - еще одна проблема, поскольку необходимо обеспечить долгосрочную стабильность при циклических нагрузках и воздействии окружающей среды. Определение усталостного ресурса при различных условиях эксплуатации поможет разработать надежные изделия. Интеграция с электроникой затруднена из-за несоответствия импеданса. Эффективные схемы управления питанием имеют решающее значение, но повышают сложность системы. Адаптация сбора урожая к прямому хранению заряда без потерь на преобразование может упростить конструкцию. Для удобства ношения также требуются мягкие, растягивающиеся и биосовместимые подложки, которые сохраняют свои характеристики в течение циклов деформации. Многофункциональные композиты, объединяющие пьезоэлектрики с полимерами, являются перспективным решением, но их свойства необходимо оптимизировать. Стандартизация протоколов испытаний упростит сравнение результатов исследований. Включение реальных источников энергии и более длительные испытания позволят лучше оценить осуществимость. В дальнейшем решение этих проблем с помощью передовых материалов, механически оптимизированных конструкций, упрощенных цепей питания и стандартизированных контрольных показателей производительности может ускорить коммерциализацию. Полное использование пьезоэлектричества требует продолжения исследований на наноуровне для получения монокристаллических пленок с улучшенными свойствами.

Заключение

Пьезоэлектрическая энергетика с недавних пор считается перспективным решением для приведения в действие удобного оборудования за счет охватывающих его механических колебаний. Эта инновация использует преимущества пьезоэлектрического воздействия для прямолинейного преобразования механической деформации в энергию. Различные пьезоэлектрические материалы, включая керамику, полимеры и наноструктуры, были исследованы для использования в устройствах сбора энергии. Также был достигнут значительный прогресс в разработке устройств и подходов к улучшению характеристик. Тем не менее, чтобы полностью реализовать потенциал пьезоэлектрического сбора энергии, необходимо продолжать работу. Плотность выходной мощности остается относительно низкой для практического применения за пределами небольших беспроводных датчиков. Надежность также нуждается в улучшении за счет оптимизации свойств материалов и стабильности устройства при циклической работе. Интеграционные проблемы, такие как согласование импеданса и преобразование напряжения, также требуют внимания. В обзоре рассматриваются конструктивные решения, технологии изготовления, стратегии повышения производительности и области применения пьезоэлектрических сборщиков энергии. Особое внимание уделено гибким сборщикам энергии с использованием таких материалов, как PVDF и ZnO, которые могут найти применение в носимых устройствах нового поколения. Несмотря на значительные успехи, дальнейшие усилия по разработке высокоэффективных материалов, механически оптимизированных конструкций и более простых схем преобразования энергии помогут ускорить коммерциализацию пьезоэлектрического сбора энергии. Реализация всех его возможностей потребует решения текущих проблем путем проведения постоянных междисциплинарных исследований.

Вопросы и ответы

Вопрос: Что такое пьезоэлектричество?

О: Пьезоэлектричество означает, что внешняя сила, механическая или электрическая, приводит к появлению заряда в материале, к которому она приложена, или к изменению его размеров в определенном электрическом поле. Находится в материалах, требующих центра равновесия в атомном масштабе, таких как керамика, драгоценные камни и органика.

Вопрос: Перечислите несколько пьезоэлектрических материалов, какие из них являются типичными примерами?

О: К распространенным пьезоэлектрическим материалам относятся драгоценные камни, такие как кварц, и промышленные матрицы, включающие цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария, оксид цинка, нитрид алюминия, поливинилиденфторид (PVDF) и их сополимеры.

Вопрос: Что питает пьезоэлектрический сборщик энергии?

О: Пьезоэлектрические материалы, как правило, создают электрический заряд в ответ на механическую деформацию, пропорциональную приложенному давлению. В пьезоэлектрическом сборщике энергии этот заряд накапливается и передается в устройство MV. В обычных конструкциях материал используется в виде консолей или тарелок для преобразования охватывающих вибраций в растягивающую или сжимающую деформацию для создания заряда.

Вопрос: Какие переменные влияют на выполнение сборщика?

О: Исполнение зависит от свойств материала, таких как пьезоэлектрический коэффициент, конструкция терминала, аспекты, используемая предварительная нагрузка или проверочная масса. Уменьшение внутреннего/внешнего экранирующего воздействия путем разработки материала/интерфейса дополнительно улучшает исполнение.

В: Каковы несколько вариантов использования этих собирателей?

О: Области применения включают в себя заправляемые светодиоды, небольшое оборудование, удаленные концентраторы датчиков за счет шагов, развития тела, современных вибраций и это только начало. Они особенно перспективны для самозаряжающихся носимых устройств и IoT-гаджетов.

В: Какие основные проблемы остаются?

О: К ключевым трудностям относятся низкая плотность мощности, неизменность качества при циклическом использовании, проблемы согласования импеданса, ограниченные диапазоны повторных реакций. Сочетание свойств материалов, моделей устройств и схем питания может помочь в решении этих проблем и ускорить коммерциализацию.