The numerical modeling results of the full-scale experiment with low-frequency pulse excitation of the stack-type piezoelectric generator (PEG) for the energy storage device are described. PEG is a multilayer axisymmetric piezoceramic package. The dependence of the output voltage on the active load rate under the harmonic and non-stationary mechanical action of the PEG is studied. A finite element device model is developed in ANSYS, and a simplified one-dimensional analytical model is analyzed. The experimental results-to-numerical calculation correlation has shown their good convergence which allows using the analyzed numerical models to optimize the PEG design at the given external action frequency and active resistance value of the external electric circuit. In addition, it is found that the frequency dependence of the output voltage of the axial-type PEG is of a complex nature depending both on the compressive pulse loading level and the piezoelectric modulus value of the PEG sensitive element, and on the electrical load resistance.
multilayered piezoelectric generator, output characteristics, physical experiment, finite element calculation, simplified model.
В последние годы получили развитие исследования, посвященные разработке пьезоэлектрических преобразователей механической энергии колебаний объектов в электрическую. Наиболее известны пьезоэлектрические преобразователи энергии двух конфигураций: осевого (стекового) и кантилеверного типа, которые имеют неограниченный срок эксплуатации, если внешние механические и температурные воздействия не приводят к необратимому уменьшению поляризации их активных элементов или их разрушению [1–3]. Большинство из этих работ посвящены изучению характеристик пьезоэлектрических генераторов (ПЭГ) кантилеверного типа («мода колебаний d31»). ПЭГ осевого типа исследованы в меньшей степени. В частности, известны работы, в которых приведены результаты теоретических исследований характеристик ПЭГ, работающих на «продольной моде d33 колебаний» [3, 4]. Работы [4–7] посвящены построению моделей ПЭГ на основе колебаний механической системы с сосредоточенными параметрами. Использование таких систем является удобным модельным подходом, так как позволяет получить аналитические зависимости между выходными параметрами ПЭГ (потенциалом, мощностью и т.п.) и электрическими, механическими характеристиками и сопротивлением внешней электрической цепи, однако, как показано в [8] диапазон их применения весьма ограничен. Более полные результаты исследований многослойных ПЭГ осевого типа приведены также в других работах [10, 11]. В них описаны результаты исследований характеристик ПЭГ, как осевого, так и кантилеверного типов. В [10] приведены интересные результаты температурных зависимостей параметров ПЭГ с чувствительным элементом (ЧЭ) из сегнетомягкой пьезокерамики ПКР–46. К сожалению, константы этого состава пьезокерамики не приведены, а это не позволяет провести сравнительный анализ достоверности измеренных параметров ПЭГ с известными, описанными, например, в [9]. В обзоре [11], опубликованном позднее, описаны области применения маломощных ПЭГ в основном кантилеверного типа с присоединенной массой. Также приведены только общие данные о разработанных за рубежом ПЭГ осевого типа, в которых используется механическая энергия при движении человека, т.е. в режиме циклических нагрузок. Более подробных данных о результатах исследований таких ПЭГ, к сожалению, не приведено. Выбор импульсного режима нагружения обусловлен областью применения ПЭГ осевого типа в качестве перспективных автономных источников энергии, преобразующих механическую энергию периодических воздействий из внешней среды, в том числе не гармонических, в электрическую. В частности, эти ПЭГ могут быть использованы для преобразования механической энергии колебаний рельсов железнодорожного транспорта или дорожного полотна автодороги в электрическую энергию.
Приведенный выше краткий анализ известных работ показал, что задача создания ПЭГ осевого типа большой мощности с эффективными выходными параметрами при действии импульсных нагрузок в полном объеме пока не решена, хотя и достаточно актуальна. Авторами получены экспериментальные и численные результаты исследований временных зависимостей выходных характеристик многослойного пьезоэлектрического генератора осевого типа от величины импульсных механических сжимающих напряжений при различных значениях электрического сопротивления нагрузки.
1. Erturk, A., Inman, D.J. Piezoelectric energy harvesting. N. Y.: John Willey and Sons, Ltd., 2011, 402 p.
2. Anton, S. R. Multifunctional Piezoelectric Energy Harvesting Concepts. PhD diss. to Virginia Polytechnic Institute and State University. Blacksburg: Virginia, 201, 215 p.
3. Golovin, V.A., et al. Sravnitel´nye kharakteristiki p´yezokeramicheskikh mekhanoelektricheskikh preobrazovateley dlya generatsii elektrichestva. [Comparative characteristics of piezoceramic mechanoelectric transducers for generation of electricity.] Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya “Fizika”, 2010, no. 11, pp. 33-46 (in Russian).
4. DuToit, N.E., Wardle, B.L., Kim S.G. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters. Integrated Ferroelectrics, 2005, vol. 71, no. 1, pp. 121-160.
5. DuToit, N. E., Wardle, B.L. Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters. AIAA journal, 2007, vol. 45, no. 5, pp. 1126-1137.
6. Adhikari, S., Friswell, M.I., Inman, D.J. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations. Smart Materials and Structures, 2009, vol. 18, no. 11, pp. 115005.
7. Roundy, S., Wright, P. K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Materials and Structures, 2004, vol. 13, no. 5, pp. 1131.
8. Duong, Le V. Konechno-elementnyy analiz primenimosti prikladnykh teoriy rascheta p´yezoelektricheskogo ustroystva nakopleniya energii stekovoy konfiguratsii. [Finite element analysis of the applicability of the applied theories of calculation of piezoelectric device of energy storage of stack configuration.] Engineering Journal of Don, 2014, no. 2, pp. 1-13 (in Russian).
9. Akopyan, V.A., et al. Analiz stabil´nosti elektrofizicheskikh kharakteristik p´yezokeramik razlichnykh sostavov, ispol´zuemykh dlya p´yezoelektricheskikh generatorov kantilevernogo tipa povyshennoy moshchnosti. [Analysis of the Electro-Physical Characteristics Piezoceramics Different Composition Used for High Power Piezoelectric Generators.] Journal of Nano and Microsystem Technique, 2012, no. 1, pp. 37-41 (in Russian).
10. Kazakov, V.K., et al. Mnogosloynye p´yezoelektricheskie aktuatory i osobennosti ikh primeneniya. [Multilayer pi-ezoelectric actuators and features of their application.] Components and Technologies, 2007, no. 6, pp. 62-65 (in Russian).
11. Gritsenko, А., Nikiforov, V., Shchegoleva, T. Sostoyanie i perspektivy razvitiya p´yezoelektricheskikh generatorov. [State and prospects of piezoelectric generators.] Components and Technologies, 2012, no. 9, pp. 63-68 (in Russian).
12. Morozov, А.G. Elektrotekhnika, elektronika i impul´snaya tekhnika. [Electrotechnics, Electronics and pulse Engi-neering.] Moscow: Vysshaya shkola, 1987, 448 p. (in Russian).
13. Akopyan, V.A., et al. Vliyanie vida mekhanicheskogo nagruzheniya na energoeffektivnost´ p´yezoelektricheskikh generatorov. [Influence of the type of mechanical loading on the energy efficiency of the piezoelectric generators.] Journal of Nano and Microsystem Technique, 2015, no. 2, pp.С. 33-44 (in Russian).
14. Zhao, S., Erturk, A. Deterministic and band-limited stochastic energy harvesting from uniaxial excitation of a multilayer piezoelectric stack. Sensors and Actuators A: Physical, 2014, vol. 214, pp. 58-65.
