Piezoelektrik Spor Ağları: Enerji Hasat Eden Atletik Ekipman

İçindekiler bölümü, piezoelektrik enerji hasadına ve giyilebilir teknolojideki önemine genel bir bakış sağlayan bir Giriş ile başlamaktadır. Bunu Piezoelektrik Malzemeler bölümü takip etmekte ve bu bölümde hem inorganik malzemeler, örneğin Çinko Oksit (ZnO) ve Kurşun Zirkonat Titanat (PZT), Poliviniliden Florür (PVDF) ve kopolimerleri gibi polimer malzemelerin yanı sıra biyo-piezoelektrik malzemeler. Ardından, belge şunları kapsamaktadır Spor Ağları Tasarım ve İmalatıDüz plaka tasarımları, kavisli yapılar ve hidrotermal sentez, elektrospinning ve baskı transfer teknikleri dahil olmak üzere çeşitli üretim yöntemlerini detaylandırmaktadır. Enerji Toplama Performansı bölümünde, kuvvet analizi ve enerji hesaplamaları yoluyla sporcular tarafından üretilen kinetik enerjinin yanı sıra fanlardan toplanan titreşim enerjisi incelenmekte, ayak vuruş hızları ve yürüme hızları vurgulanmaktadır. Uygulamalar bölümünde, piezoelektrik teknolojisinin arteriyel nabız izleme ve derin beyin stimülasyonu gibi tıbbi alanların yanı sıra kas izleme ve top hızı tespiti için spor performansında kullanımı özetlenmektedir. Ayrıca rüzgar enerjisi hasadı ve kendi kendine çalışan kalp pilleri gibi diğer yenilikçi uygulamalar da vurgulanmaktadır. Zorluklar ve Gelecekteki Çalışmalar bölümünde belge, cihaz performans sınırlamaları, güvenilirlik endişeleri, elektronik cihazlarla entegrasyon ve giyilebilirlik ve malzeme optimizasyonu ile ilgili konular gibi temel zorlukları ele almaktadır. Sonuç bölümünde kaydedilen ilerleme özetlenmekte ve araştırma ve geliştirme için gelecekteki yönelimlerin ana hatları çizilmektedir. Son olarak, SSS bölümü piezoelektrik, malzemeler, enerji hasat mekanizmaları, performans faktörleri, uygulamalar ve bu alanda devam eden zorluklar hakkında sıkça sorulan sorulara kısa cevaplar sunmaktadır.

Kompakt ve giyilebilir elektronik cihazların hızla gelişmesiyle birlikte, insan egzersizlerinden ve önemli hareketlerden çevreleyen enerjiyi elde etmek, bu cihazlara güç sağlamak için umut verici bir cevap olarak ortaya çıkmıştır. Piezoelektrik enerji toplayıcıları, mekanik titreşimleri ve gerilimleri doğrudan güce dönüştürme kapasiteleri nedeniyle özellikle öne çıkmaktadır. Bu araştırma, piezoelektrik enerji toplayıcılarında devam eden ilerlemeler ve bunların olası uygulamaları hakkında bilgi vermeyi planlamaktadır. İlk olarak, mekanik kaygıların belirli güçlü malzemelerde yük ürettiği piezoelektriğin işleyiş standardı sunulmuştur. Daha sonra PZT çömlek ve ZnO gibi inorganik malzemelerin yanı sıra doğal polimer PVDF de dahil olmak üzere normal olarak kullanılan birkaç piezoelektrik malzeme incelenmektedir. Bu malzemelerin enerji toplayıcı olarak üretilmesine yönelik metodolojiler de aynı şekilde incelenmiştir. Malzeme özellikleri, cihaz tasarımları ve etkinliği daha da geliştirmeye yönelik prosedürler gibi toplayıcı uygulamasını etkileyen faktörler araştırılmıştır. Sensörlerin ve giyilebilir cihazların çalıştırılmasından modern döngülerden enerji toplanmasına kadar farklı uygulamalar özetlenmiştir. Son olarak, piezoelektrik enerji toplama ile ilgili ilerleme ve yorumlama ile devam eden tavsiyelerde bulunmak için akış zorlukları ve gelecekteki rulmanlar çerçevelenmiştir. Piezoelektrik toplayıcıların temel parçalarını inceleyen bu araştırma, hızla ilerleyen bu alanda değerli bir sunum ve referans görevi görmeyi beklemektedir.

Bilgi arayışı, dünya çapında "piezoelektrik enerji toplama" konusuna olan ilginin 2004 yılından itibaren önemli ölçüde arttığını ve bu alana ilişkin düşüncelerin genişlediğini göstermektedir. Ocak 2004'ten Kasım 2022'ye kadar bu terime yönelik aramalar 400%'den fazla artmıştır. Özellikle 2010'dan itibaren, uyarlanabilir araçlar ve giyilebilir cihazlardaki ilerlemelerin kendi kendini besleyen ilerlemelere olan ilgiyi artırdığı konusunda hemfikir olan önemli güç alanları vardı. İlgili "piezoelektrik malzemeler" sorgusu, tarihsel olarak sabit bir arama hacmi göstermekte ve bu da temellere yönelik tutarlı bir ilgiye işaret etmektedir. Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık, Almanya, Japonya ve Güney Kore gibi gelişmiş ülkelerden dünyanın diğer bölgelerine kıyasla daha fazla arama yapılmaktadır. Bu ülkeler piezoelektrik uygulamalar için inovasyon merkezleri olma eğilimindedir. Endüstriye göre analiz edildiğinde, piezoelektriğin sensörler, aktüatörler ve enerji cihazlarındaki kullanımıyla uyumlu olarak, aramaların orantısız bir şekilde mühendislik ve elektronik sektörlerinden geldiği görülmektedir. Akademi de aramaların kayda değer bir bölümünü oluşturuyor ve bu da önemli bir araştırma faaliyetine işaret ediyor. Özetle, arama verileri son yirmi yılda piezoelektrik enerji hasadı teknolojilerine yönelik önemli ve artan küresel ilgiyi yansıtmaktadır. Bu büyüme, bu alanın önemini ve gelecekteki potansiyelini destekleyen yeni uygulamalara olanak tanıyan gelişmelerle aynı zamana denk gelmiştir.

Piezoelektrik Malzemeler

Piezoelektrik malzemeler, sentetik organizasyonları ışığında genel olarak inorganik ve doğal malzemeler olarak düzenlenebilir. Araştırılan inorganik malzemeler genel olarak ZnO ve kurşun zirkonat titanat (PZT) çömleklerini içerirken, poliviniliden florür (PVDF) düzenli olarak kullanılan doğal bir piezoelektrik polimerdir.

İnorganik piezoelektrik malzemeler

ZnO

ZnO, mekanik gerilmeler ışığında elektrik yükleri üretmesine izin veren, düzgünlük odağında kısa çıkan bir wurtzite değerli taş yapısına sahiptir. Yüksek piezoelektrik katsayısı, minimum masrafı ve farklı nanoyapılara sentezinin basitliği nedeniyle genellikle okunan bir piezoelektrik malzemedir. Enerji toplama uygulamaları için nanoteller, nanopartiküller ve nanosheetler dahil olmak üzere çeşitli ZnO morfolojileri hesaba katılmıştır.

PZT

Kurşun zirkonat titanat (PZT), 500-600 pm/V civarında yüksek piezoelektrik katsayıları nedeniyle yaygın olarak kabul edilen bir başka ferroelektrik toprak malzemesidir. PZT, güçlü durum tepkisi sinterleme, sol-jel işleme, titreme ve benzeri yöntemlerle oluşturulabilen hem kütle hem de ince film yapılarında mevcuttur.

Diğer malzemeler

Perovskit yapıya sahip diğer birkaç piezoelektrik ateşlemeli malzeme BaTiO3 ve kurşun magnezyum niobat (PMN) güçlü düzenlemelerini içerir. Lityum niyobat (LiNbO3) ve lityum tantalat (LiTaO3) gibi diğer kristaller de mükemmel piezoelektrik karakteristik sergilemektedir. Aynı şey Çinko sülfür (ZnS) ve galyum arsenit (GaAs) için de söylenebilir.

Polimer piezoelektrik malzemeler

PVDF

PVDF, uyarlanabilirliği, düşük kalınlığı, zararsızlığı ve mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle en çok kullanılan piezoelektrik polimerdir. Filmler, tozlar, filamentler ve genişletilmiş PVDF katmanları dahil olmak üzere farklı yapılar oluşturulmuştur.

PVDF kopolimerleri

Kopolimerlere örnek olarak TrFE veya HFP monomerlerinin genleşmesi yoluyla hazırlanan poli (viniliden florür-trifloroetilen) P(VDF-TrFE) ve poli (viniliden florür hekzafloropropilen P(VDF-HFP) verilebilir. Saf PVDF'ye kıyasla β-faz içeriğini ve piezoelektrik özelliklerini artırabilirler.

Biyo-piezoelektrik malzemeler

Kemik veya tendondaki kolajen fibrilleri ve kabuklu deniz hayvanlarının kabuklarındaki kitin gibi bazı protein yapılarının piezoelektrik özelliği sergilediği bulunmuştur. Nanoyapıları ve kristal organizasyonları piezoelektrik dipollere yol açmaktadır.

Spor Fileleri Tasarım ve İmalat

Düz plaka tasarımı

Piezoelektrik enerji toplayıcılar için tipik ve basit bir tasarım düz plaka yapısıdır. Piezoelektrik malzemelerden, örneğin piezoseramik çemberlerden veya iki tarafında metal katotlar bulunan esnek olmayan bir alt tabakaya bağlanmış PVDF folyolardan oluşur. Harici mekanik kuvvete maruz kaldığında, piezoelektrik malzeme bükülür ve yüzey yükleri oluşturmak için yüzeylerde gerilmeye neden olur. Çıkışı artırmak için birden fazla piezoelektrik folyo paralel olarak istiflenebilir.

Kavisli yapılar

Eğilme hareketine sahip kavisli yapılar, düz yapılara kıyasla daha büyük gerinim üretebilir ve bu da daha yüksek çıkış performansı sağlar. Yaygın tasarımlar arasında piezoelektrik şeritler, zil şeklindeki yapılar ve fusiform yapılar bulunur. Kavisli alt tabaka, kuvvet uygulandığında piezoelektrik tabakanın gerinimini yoğunlaştırabilir.

İmalat yöntemleri

Hidrotermal sentez

Hidrotermal sentez, piezoelektrik yarı iletkenlerin nanotelleri ve nanorodları gibi farklı 1 boyutlu nanoyapılar oluşturmak için minimum maliyetli düzenlemeye dayalı bir tekniktir. Sıcaklık, pH değeri ve geliştirme süresi kontrol edilerek morfolojiler kontrol edilebilir.

Elektrospinning

Elektrospinning, mikrondan nanometreye kadar çaplara sahip uzun sürekli ultra ince lifler üretebilmektedir. Sentez parametrelerini ayarlayarak enerji hasat cihazları için 1D piezoelektrik polimer lifleri sentezlemek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Baskı transferi

Baskı-transfer tabanlı montaj, yoğun diziler ve desenli yapılar için doğru ve yüksek verimli bir yaklaşım sağlar. Piezoelektrik/alt tabaka, kontrollü kayıt ile katman katman basılabilir ve aktarılabilir.

Enerji Hasadı Performansı

Sporculardan gelen kinetik enerji

Kuvvet analizi

Sporcular tarafından üretilen kinetik enerjiyi tahmin etmek için, çeşitli sporcu biyomekaniği çalışmalarından elde edilen kuvvet ölçümlerine ilişkin literatür gözden geçirilmiştir. Kuvvet plakası testi, hızla yükselip alçalarak bir çarpma tepe noktası oluşturan yer tepki kuvveti hakkında veri sağlar. Çalışmalar, koşu sırasında vücut ağırlığının 1,6-2,3 katı arasında kuvvetler bulmaktadır. Kuvvetler anatomi, kas gücü, hız ve hareket türü gibi değişkenlere bağlıdır.

Enerji hesaplaması

Scripps Howard'ın bir çalışmasındaki ortalama oyuncu ağırlığı olan 248 lbs'yi kullanırsak, buna karşılık gelen kütle 112,49 kg'dır. Yerçekimi ivmesi 9,80 m/s2 ile oyuncu kütlesi 1.102,41 N'dur. Üretilen kinetik enerjiyi hesaplamak için ivme oranının belirlenmesi gerekir. Çeşitli çalışmalar sporcuların maksimum hıza ulaşma hızlarını ayrıştırmaktadır. Maksimum hız 27,34 yardaya ulaşan 28 feet/saniye ve 3,28 saniyelik hızlanma süresi kullanılarak hızlanma oranı 8,52 m/s2 olarak hesaplanır. Kinetik enerji denklemine girildiğinde, adım başına kuvvet 6.990,87 N olarak tahmin edilir.

Fanlardan gelen titreşim enerjisi

Ayak basma oranı ve yürüme hızı

Taraftarların yürüme hızını tahmin etmek için ortalama yürüme hızları üzerine yapılan çalışmalar incelenmiştir. İncelenen 7.123 yayaya göre, yaşlıların (toplamın 51,45%'si) ortalama yürüme hızı 4,11 feet/saniye iken, geri kalan yayalar 4,95 feet/saniye hızında yürümüştür. Yaşlıların ortalama hıza ulaşması 3,75 saniye, diğer yayaların ise 3 saniye sürmektedir.

Ayak sesinden enerji elde etme

Tahmini ortalama yürüme hızı ve hızlanma süresi kullanılarak, maksimum hızın gerçekleştiği 27,34 yardadaki hız 28 feet/saniye olarak hesaplanabilir. Ortalama bir yayanın bu hıza ulaşması için geçen süre 3,28 saniyedir. Buna dayanarak ivme oranı 8,52 m/s2 olarak hesaplanır. Bu hızlanma oranı ortalama bir insanın kütlesine uygulandığında, adım başına kuvvet 6.990,87 N olarak tahmin edilir. Adım başına kuvvet ve adım başına 7 watt üreten Pavegen deneyinden belirlenen oran kullanılarak, ortalama bir fanın adım başına ürettiği enerji tahmin edilir.

Uygulamalar

Tıbbi uygulamalar

Arteriyel nabız izleme

Kardiyovasküler tanı ve tedavi için önemli bilgiler sağlayan arteriyel nabız dalgalarını non-invaziv olarak izlemek için giyilebilir piezoelektrik cihazlar geliştirilmiştir. PVDF ve ZnO NW'lerden oluşan esnek bir kompozit, radyal arter pozisyonunda 5 mV ve 1,8 μA'ya ulaşan çıkış voltajı ve akımı ile kendi kendine çalışan bir nabız basıncı sensörü olarak potansiyel göstermektedir.

Derin beyin stimülasyonu

PIN-PMN-PT gibi piezoelektrik malzemeler, farelerde ön bacak kaslarının kasılmasını sağlamak için derin beyin stimülasyon cihazlarında kullanılmış ve nöbet kontrolü ve ağrı kesici gibi nörolojik uygulamalardaki etkinliklerini göstermiştir.

Spor performansı

Kas izleme

Giyilebilir piezoelektrik sensörler, elektromiyografi (EMG) sinyallerini tespit ederek kas aktivitesini ve hareketini izlemek için potansiyel uygulamalara sahiptir. Alümina mikrofiberler/PDMS'den yapılmış bir sensör, biseps kas aktivitesini yüksek hassasiyet ve dayanıklılıkla algılar.

top hızı algılama

Spor salonları, performansı analiz etmek amacıyla raketler/vuruşlar üzerindeki darbe kuvvetlerini veya tenis servisleri gibi topların dönüş hızını ölçmek için PZT gibi piezoelektrik malzemeler kullanmayı araştırmıştır. Çıktı, yüksek hızlı kameralardan alınan ölçümlerle iyi korelasyon gösterdi.

Diğer uygulamalar

Rüzgar enerjisi hasadı

Tırtıklı kanatlarla bağlanmış makrofiber kompozit dönüştürücüler, 10 m/s'ye kadar hızlarda 0-35 Hz arasında iç mekanlarda hava akışı enerjisi toplamak için rüzgar türbini fanlarının / nozullarının merkezine monte edilen piezoelektrik jeneratörler olarak önerilmiştir.

Kendi kendine çalışan kalp pili

Esnek toplayıcılar şeklindeki piezoelektrik nanojeneratörlerle çalışan kurşunsuz kalp pilleri, değiştirme ameliyatını ortadan kaldıran pille çalışan cihazların potansiyel bir alternatifi olarak hayvan modellerine implante edilmiştir.

Zorluklar ve Gelecek Çalışmalar

Piezoelektrik enerji hasadında önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, yaygın uygulamaların gerçekleştirilebilmesi için hala çeşitli zorluklar devam etmektedir. Cihaz performansı önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Jeneratörler tarafından elde edilen güç yoğunlukları hala nispeten düşüktür ve bu da uygulamayı daha fazla güç tüketen cihazlar yerine küçük ölçekli sensör düğümleriyle sınırlamaktadır. Malzeme özelliklerinin optimizasyonu ve birden fazla enerji kaynağından yararlanma yoluyla verimliliğin artırılması bu sorunu çözmeye yardımcı olabilir. Ancak, gelişmiş malzeme sentezi ve karmaşık cihaz tasarımları maliyetleri artırmaktadır. Döngüsel yükleme ve çevresel maruziyet altında uzun vadeli kararlılığın sağlanması gerektiğinden güvenilirlik başka bir endişe kaynağıdır. Farklı çalışma koşulları altında yorulma ömürlerinin karakterizasyonu güvenilir ürün tasarımını destekleyecektir. Elektronik cihazlarla entegrasyon, empedans uyumsuzlukları nedeniyle zordur. Verimli güç yönetimi devresi kritiktir ancak sistem karmaşıklığını artırır. Dönüştürme kayıpları olmadan hasadın doğrudan şarj depolamaya uyarlanması tasarımları basitleştirebilir. Giyilebilirlik ayrıca deformasyon döngüleri boyunca performansı koruyan yumuşak, gerilebilir ve biyouyumlu alt tabakalar gerektirir. Piezoelektrikleri polimerlerle entegre eden çok işlevli kompozitler umut verici bir çözüm sunmaktadır ancak özelliklerin optimize edilmesi gerekmektedir. Test protokollerinin standartlaştırılması, araştırmalar arasında karşılaştırma yapılmasını kolaylaştıracaktır. Gerçek dünya enerji kaynaklarının dahil edilmesi ve daha uzun vadeli testler fizibiliteyi daha iyi değerlendirecektir. İleriye dönük olarak, gelişmiş malzemeler, mekanik olarak optimize edilmiş tasarımlar, basitleştirilmiş güç devreleri ve standartlaştırılmış performans ölçütleri aracılığıyla bu zorlukların ele alınması ticarileştirmeyi hızlandırabilir. Piezoelektrikten tam olarak faydalanmak için nano ölçekte gelişmiş özelliklere sahip tek kristalli filmlere yönelik araştırmaların sürdürülmesi gerekmektedir.

Sonuç

Piezoelektrik enerji toplama, mekanik titreşimi kapsayarak uygun donanımı çalıştırmak için umut verici bir cevap olarak son zamanlarda büyük bir ilerleme kaydetti. Bu yenilik, mekanik gerilimi doğrudan güce dönüştürmek için piezoelektrik etkiden yararlanır. Çanak çömlek, polimerler ve nano yapılar da dahil olmak üzere farklı piezoelektrik malzemeler enerji toplayıcılarda kullanılmak üzere araştırılmıştır. Cihaz tasarımlarında ve performansı artırmaya yönelik yaklaşımlarda da çok ilerleme kaydedilmiştir. Bununla birlikte, piezoelektrik enerji hasadının potansiyelini tam olarak gerçekleştirmek için hala daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır. Çıkış gücü yoğunlukları, küçük kablosuz sensörlerin ötesindeki pratik uygulamalar için nispeten düşük kalmaktadır. Malzeme özelliklerinin optimizasyonu ve döngüsel çalışma boyunca cihaz kararlılığı yoluyla güvenilirliğin de iyileştirilmesi gerekmektedir. Empedans uyumu ve voltaj dönüşümü gibi entegrasyon zorlukları da dikkat gerektirmektedir. Bu derlemede piezoelektrik enerji hasat cihazlarının yapısal tasarımları, üretim teknikleri, performans iyileştirme stratejileri ve uygulamaları incelenmektedir. Yeni nesil giyilebilir cihazlarda potansiyeli olan PVDF ve ZnO gibi malzemeler kullanan esnek enerji toplayıcılara özel olarak odaklanılmaktadır. Önemli ilerlemeler kaydedilmiş olsa da, yüksek performanslı malzemeler, mekanik olarak optimize edilmiş tasarımlar ve daha basit güç dönüşüm devreleri konusundaki çabaların devam etmesi, piezoelektrik enerji hasadının ticarileştirilmesini hızlandırmaya yardımcı olacaktır. Bu teknolojinin tüm olanaklarını hayata geçirmek için, devam eden çok disiplinli araştırmalar yoluyla mevcut zorlukların ele alınması gerekecektir.

SSS

S: Piezoelektrik nedir?

C: Piezoelektrik, mekanik veya elektriksel bir dış kuvvetin, uygulandığı malzemede yük oluşumuna yol açması veya belirli bir elektrik alanında boyut değiştirmesi anlamına gelir. Seramik, taş ve organik gibi nükleer ölçekte denge merkezi gerektiren malzemelerde bulunur.

S: Birkaç piezoelektrik malzeme listeleyiniz, tipik örnekleri nelerdir?

C: Yaygın piezoelektrik malzemeler arasında kuvars gibi taşlar ve kurşun zirkonat titanat (PZT) çömlek, baryum titanat, çinko oksit, alüminyum nitrür, poliviniliden florür (PVDF) ve bunların kopolimerlerini içeren imal edilmiş matrisler bulunur.

S: Piezoelektrik enerji toplayıcısına ne güç verir?

C: Piezoelektrik malzemeler, genel olarak, uygulanan basınçla orantılı olarak mekanik gerilmeye yanıt olarak bir elektrik yüküne yol açar. Bir piezoelektrik enerji toplayıcısında bu yük biriktirilir ve birMV cihazına alınır. Normal tasarımlar, malzemeyi bir konsol ya da zil düzeneğinde kullanarak kapsayıcı titreşimleri gerilme ya da basınç gerilmesine dönüştürerek yükleri harekete geçirir.

S: Toplayıcı uygulamasını etkileyen değişkenler nelerdir?

C: Yürütme, piezoelektrik katsayısı, terminal tasarımı, yönler, ön yük veya kullanılan doğrulama kütlesi gibi malzeme özelliklerine bağlıdır. Malzeme/arayüz tasarımı yoluyla iç/dış perdeleme etkilerinin azaltılması uygulamayı daha da geliştirir.

S: Bu toplayıcıların birkaç kullanım alanı nedir?

C: Uygulamalar, adımlardan, vücut gelişmelerinden, modern titreşimlerden yararlanarak yakıt LED'leri, küçük donanımlar, uzaktan sensör hub'ları içerir ve bu sadece başlangıçtır. Özellikle kendinden yakıtlı giyilebilir cihazlar ve IoT aygıtları için cesaret vericidirler.

S: Geriye kalan başlıca zorluklar nelerdir?

C: Temel zorluklar arasında düşük sonuç güç yoğunlukları, döngüsel kullanımda değişmeyen kalite, empedans eşleştirme sorunları, kısıtlı tekrarlama reaksiyon aralıkları yer almaktadır. Malzeme özelliklerinin, cihaz modellerinin ve güç devrelerinin harmanlanması, ticarileştirmeyi hızlandırmak için zorlukların ele alınmasına yardımcı olabilir.