Investigation of power output and efficiency of piezoelectric energy harvesters
Authors: Σταματέλλου Αντιόπη-Μαλβίνα 
Published: November 2021

Η πιεζοηλεκτρική συγκομιδή ενέργειας αφορά στην εκμετάλλευση μικροποσοτήτων ενέργειας από το περιβάλλον στην κλίμακα των mW, με βάση την αρχή του πιεζο-ηλεκτρικού φαινομένου. Ερευνάται εντατικά την τελευταία 20-ετία με στόχο να τροφοδοτηθούν απομακρυσμένα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, μικροηλεκτρονικές και βιοϊατρικές συσκευές στα πλαίσια της ευρείας διάδοσης του IoT, αποφεύγοντας τη χρήση συσσωρευτών και καλωδιώσεων. Παρά την σημαντική ερευνητική προσπάθεια οι τεχνολογίες της πιεζοηλεκτρικής συγκομιδής ενέργειας (PEH) ευρίσκονται ακόμη σε χαμηλό επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας και υπάρχουν λίγες μόνο ολοκληρωμένες εφαρμογές. Έχοντας διαπιστώσει σχετική έλλειψη σε πειραματικές διερευνήσεις έναντι των καθαρά θεωρητικών, επιλέχθηκε ως κύριος αντικειμενικός στόχος της εργασίας η υποστήριξη της διαδικασίας σχεδιασμού των PEH μέσω πειραματικής διερεύνησης των χαρακτηριστικών λειτουργίας εμπορικά διαθέσιμων πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και ορισμού κατάλληλων δεικτών αξιολόγησης του βαθμού απόδοσης και της ειδικής ισχύος τους. Με τον τρόπο αυτό γίνεται εφικτή η δίκαια αξιολόγηση της πραγματικής απόδοσης των PEH κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες ροϊκά επαγόμενης και μηχανικής ταλάντωσης. Οι εργαστηριακές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε καινοτόμα σχεδιασμένες πειραματικές διατάξεις που κατασκευάστηκαν ειδικά για τις ανάγκες της διατριβής. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε τόσο με συμβατικές όσο και με καινοτόμες μεθόδους. Οι συγκεκριμένες διατάξεις επιτρέπουν την συστηματική αξιολόγηση της απόδοσης σε συνδυασμό ευρείας περιοχής συχνοτήτων ταλάντωσης βάσης και συνθηκών ροής, ώστε να γίνεται εφικτή η χαρτογράφηση σε δύο διαστάσεις της ειδικής ισχύος και του βαθμού απόδοσης. Αντίθετα με την επικρατούσα πρακτική του ορισμού βαθμού απόδοσης με βάση θεωρητικό γραμμικό μοντέλο της ταλάντωσης, διατυπώθηκε καινοτόμος ορισμός με βάση το ρυθμό μεταβολής της ελαστικής ενέργειας του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου. Ο προτεινόμενος ορισμός είναι πιο ρεαλιστικός, αφού η ελαστική ενέργεια παραμόρφωσης κατέστη δυνατόν να μετρηθεί με βάση μεθοδολογία ψηφιοποίησης της ελαστικής γραμμής με χρήση γραμμικού laser που επιτρέπει την οπτικοποίηση με φωτογράφηση, αλλά και με βάση βιντεοσκόπηση σε 960 fps της ταλάντωσης. Έχει δε το πρόσθετο πλεονέκτημα ότι μπορεί να εφαρμοστεί και σε συνδυασμένη ροϊκή και μηχανική διέγερση. Η εργασία έλαβε υπόψη τον λεπτομερή σχεδιασμό των εξεταζόμενων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, ως σύνθετης πλάκας σε καμπτική ταλάντωση, στους υπολογισμούς ελαστικής ενέργειας παραμόρφωσης, ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε συγκριτική αξιολόγηση, με βάση την αναπτυχθείσα μεθοδολογία, δύο αντιπροσωπευτικών αισθητήρων με διαφορετικό πιεζοηλεκτρικό υλικό (PZT και PVDF), με επιπλέον χρήση υπερ-πυκνωτών (super capacitors) στο κύκλωμα αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η συγκριτική αξιολόγηση των αισθητήρων αυτών οδήγησε σε χρήσιμα συμπεράσματα για περαιτέρω βελτιώσεις στο λεπτομερή σχεδιασμό τους, με στόχο την αύξηση της ειδικής ισχύος και βαθμού απόδοσης. Έγινε δε εφικτό να διεγερθεί ροϊκά ο μετατροπέας από PZT, υψηλής καμπτικής στιβαρότητας, με τοποθέτηση στο ελεύθερο άκρο του ειδικά σχεδιασμένης υπερκατασκευής, οπότε και επιβεβαιώθηκε ότι η συνδυασμένη διέγερση του συγκεκριμένου τύπου μετατροπέα ικανοποιεί την αρχή της επαλληλίας. Η νέα αυτή οπτική επιτρέπει την ορθολογική πλέον αξιολόγηση της απόδοσης διαφορετικού τύπου και σχεδιασμού αισθητήρων και παρέχει εξηγήσεις σχετικά με τις μεγάλες διακυμάνσεις των μεγεθών αυτών στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία. Επιπλέον συνεισφέρει στην ορθολογική βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των μετατροπέων ως σύνθετων πλακών, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες συγκεκριμένων εφαρμογών, με λήψη υπόψη των επιπέδων διέγερσης των πηγών και τις διαθέσιμες θέσεις ταλάντωσης.