Нелинейные пьезоэлектрические устройства получения электроэнергии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-22-20014

НазваниеНелинейные пьезоэлектрические устройства получения электроэнергии

Руководитель Коновалов Роман Сергеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" , г Санкт-Петербург

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-404 - Физическая акустика

Ключевые слова электроакустический преобразователь, моды колебаний, акустическая волна, пьезоэлектрический генератор, нелинейный пьезомодуль, механические напряжения, измерительная система, информационные технологии, интеллектуальная система

Код ГРНТИ47.59.45

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка, исследование и создание микроминиатюрных пьезоэлектрических генераторов является весьма актуальной и важной проблемой, привлекающей большое число исследователей. Интерес к этой проблеме обусловлен перспективой создания малогабаритных независимых и практически неисчерпаемых источников питания различных автономных устройств радиоэлектроники. Такие источники преобразуют даровую энергию вибраций, присутствующих практически везде, в электрическую энергию и не требуют наличия внешних источников питания или необходимости постоянных расходов на периодическую замену батарей и на их химическую переработку. Анализ многочисленных работ по получению электрической энергии из вибраций для питания микроэлектронных устройств показывает существенное преимущество пьезоэлектрического способа по сравнению с электромагнитным или электростатическим. Основным достоинством пьезоэлектрического способа преобразования энергии является большая, по сравнению с остальными способами преобразования, удельная получаемая мощность, а также простота конструкции. Диапазон величин получаемых напряжений значительно шире, нежели у всех остальных типов генераторов. К недостаткам пьезоэлектрического способа получения энергии можно отнести большое выходное сопротивление источника, однако этот недостаток можно легко компенсировать путем правильного выбора количества элементов пьезогенератора и способом их включения  параллельным или последовательным. Более того, этот недостаток можно обратить в достоинство  путем подбора элементов и способа их включения можно получить практически любые требуемые значения выходного напряжения и внутреннего сопротивления. Удельная мощность, получаемая от пьезоэлектрических генераторов, несколько меньше, чем получаемая от солнечных батарей, однако наши оценки [Цаплев В.М., Аббакумов К.Е., Коновалов Р.С. Нелинейные пьезокерамические материалы и малогабаритные генераторы энергии. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2016. 215с. ISBN 978-5-7629-1869-5] показывают, что и по этому показателю пьезоэлектрические генераторы могут сравниться с ними, если использовать режим нелинейных колебаний. К тому же, производительность солнечных батарей сильно зависит от величины солнечной энергии в месте их расположения. Различные варианты пьезогенераторов могут быть реализованы с использованием как продольных, так и поперечных колебаний, однако в большинстве случаев они выполняются в форме консольной балки с пьезоэлементами, один конец которой зажат в опоре, а другой - свободен. Для снижения рабочего частотного диапазона пьезоэлектрической биморфной (триморфной) балки и для увеличения нагрузки на ее свободный конец помещается пассивный груз. Можно заключить, что пьезоэлектрический способ получения электрической энергии характеризуется большой гибкостью выбора конкретной конструкции. Анализ литературы [Цаплев В. М. Нелинейная акустоупругость пьезокерамических материалов; в 2 ч. Ч. I. Физическая акустика пьезокерамики. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2014 – 189 с.] показывает, что использование нелинейных свойств пьезоэлектрических преобразователей позволяет реализовать более высокие характеристики устройств, чем при использовании линейных свойств. Перспективными являются датчики сигналов на нелинейном пьезоэффекте и устройства извлечения тепловой энергии и энергии вибраций из окружающей среды. Такой подход предполагает, что пьезоэлемент может работать в нелинейной области, где пьезомодуль в несколько раз выше линейного, а соответственно и выходная мощность подобных устройств выше. Реализация данного подхода позволила бы решить задачу синтезирования отдельных элементов топологической схемы (круглых, прямоугольных, пластинчатых элементов и др.) в условиях неоднородного напряженно-деформированного состояния звукопровода, а также  пространственно-временных вариаций усилий. Помимо этого, остается слабо изученным вопрос, связанный с исследованиями переходных процессов в пьезокерамическом элементе при постоянных и переменных механических нагрузках. Данный вопрос, в целом, аналогичен анализу сигналов приемных электроакустических пьезопреобразователей, предназначенных для задач локации при подводном позиционировании, ультразвуковой интроскопии и др. Следует отметить, что системы пьезогенерации за рубежом в настоящий момент претерпевают бурное развитие. В России, данные работы находятся на начальном этапе исследований. Некоторые варианты реализации генераторов, предполагающих работу пьезоэлемента в нелинейной области, были предложены авторским коллективом: [Аббакумов К.Е., Цаплев В.М., Степаненко Н.В., Ахметшина А.И., Белякина А.О., Коновалов Р.С. Патент РФ на полезную модель №136937. Пьезоэлектрический генератор. Заявка № 2013137682 от 12.08.2013], [Аббакумов К.Е., Цаплев В.М., Степаненко Н.В., Коновалов Р.С. Патент РФ на полезную модель №136938. Нелинейный пьезоэлектрический генератор. Заявка № 2013137643 от 09.08.2013], [Патент РФ на полезную модель №154688. Аббакумов К.Е., Цаплев В.М., Коновалов С.И., Коновалов Р.С. Биморфный пьезоэлектрический генератор. Заявка № 2014150739 от 15.12.2014], [Аббакумов К.Е., Цаплев В.М., Коновалов С.И., Коновалов Р.С. Дисковый пьезоэлектрический генератор. Патент РФ на полезную модель № 155155. Заявка № 2014151265 от 17.12.2014 зарегистрирована 31.08.2015, опубликовано 20.09.2015 бюл. № 26], [Цаплев В.М., И Б.Ч., Коновалов С.И., Коновалов Р.С. Секционированный пьезоэлектрический генератор. Патент РФ на полезную модель № 183847. Заявка № 2018118666 от 21.05.2018 зарегистрирована 05.10.2018, опубликовано 05.10.2018 бюл. № 28], [Цаплев В.М., И Б.Ч., Коновалов С.И., Коновалов Р.С., Барсук Е.А. Балочный пьезоэлектрический генератор. Патент РФ на полезную модель №195757. Заявка № 2019134511 от 28.10.2019 зарегистрирована 05.02.2020, опубликовано 05.02.2020 бюл. № 4]. Пьезогенераторы энергии могут располагаться на некотором основании, которое может либо плотно прилегать, например, к элементу строительной конструкции, либо к полу, либо к дорожному полотну, либо к вибрирующей поверхности. В результате внешнего воздействия на пьезоэлемент на его выходе возникает электрическое напряжение, которое после выпрямления поступает на схему, управляющую зарядом аккумулятора, а затем энергия заряженного аккумулятора используется потребителем, т. е. используется даровая энергия внешнего воздействия, либо вибрации различных объектов. Таким образом, основными целями данного проекта являются: создание малогабаритных устройств генерации электроэнергии, основанных на нелинейном пьезоэффекте, получаемом при напряженно-деформированном состоянии пьезоэлемента, а также исследование переходных режимов работы пьезоэлементов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Цаплев В.М., Коновалов Р.С., Коновалов С.И. The Effect of Static Stress on the Anisotropy of Piezoceramics Materials, Materials, 2022, Vol. 15, Is. 15, 5186 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15155186

2. Коновалов С.И., Коновалов Р.С., Цаплев В.М., Юлдашев З.М., Нефедьев Д.И. Синтез и коррекция акустических сигналов в системах излучения-приема. Алгоритм расчета и проектирования. Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль., Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2022. № 3. С. 39–46 (год публикации - 2022)
10.21685/2307-5538-2022-3-4

3. Коновалов С.И., Коновалов Р.С., Коновалова В.С., Цаплев В.М. Управление выходным сигналом пьезопреобразователя для подводных исследований Всероссийские открытые Армандовские чтения [Электронный ресурс]: Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн / Материалы Всероссийской открытой научной конференции., Материалы Всероссийской открытой научной конференции. Муром: МИ ВлГУ, 2022. C. 447–452 (586 с.) (год публикации - 2022)
10.24412/2304-0297-2022-1-447-452

4. Коновалов С.И., Коновалов Р.С., Цаплев В.М., Нефедьев Д.И. Моделирование переходных процессов в пьезопреобразователях Материалы XIV Междунар. научно-технич. конф. «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (“Шляндинские чтения – 2022”)», Материалы XIV Междунар. научно-технич. конф. «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (“Шляндинские чтения – 2022”)». Пенза, 24–26 октября 2022 г. Пенза: Изд-во ПГУ, 2022, С. 37–43 (год публикации - 2022)

5. С.И. Коновалов, Р.С. Коновалов, В.М. Цаплев, Ю.И. Гольнев Control of Parameters of Probing Signals of an Underwater Piezoelectric Transducer Proceedings of the 2023 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 2023, Proceedings of the 2023 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), 2023, January 24-27. St. Petersburg, Russia, pp. 103-106. (год публикации - 2023)

6. Соловьева А.Д., Цаплев В.М., Коновалов Р.С., Коновалов С.И., И Б.Ч. Моделирование распространения изгибных колебаний в пластинах с постепенно уменьшающейся толщиной Защита от повышенного шума и вибрации: сборник трудов конф. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Защита от повышенного шума и вибрации: сборник трудов конф. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, 26-28 апреля 2023 г., СПб/ Под ред. Н.И. Иванова. (C. 199-206)– СПб., 2023. – 342 с. (год публикации - 2023)

7. С.И. Коновалов, Р.С. Коновалов, В.М. Цаплев, З.М. Юлдашев, А.Д. Соловьева Управление длительностью зондирующего сигнала преобразователя в ультразвуковых диагностических аппаратах // Медицинская техника №5, 2023, с. 30-32 Медицинская техника №5, 2023, с. 30-32, Медицинская техника №5, 2023, с. 30-32 (год публикации - 2023)

8. Вечёра М.С., Коновалов С.И., Коновалов Р.С., I B., Цаплев В.М., Соловьева А.Д. Влияние геометрической формы демпфера на эффективность работы ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя Известия СПбГЭТУ"ЛЭТИ", Известия СПбГЭТУ"ЛЭТИ", №2, 2024 (год публикации - 2024)

9. Коновалов С.И., Юлдашев З.М. Формирование зондирующих сигналов пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля Известия вузов России. Радиоэлектроника, 2023, Т. 26, № 1, с. 87–98 (год публикации - 2023)
10.32603/1993-8985-2023-26-1-87-98

10. М.С. Вечёра, С.И. Коновалов, Р.С. Коновалов, Б.Ч. И, В.М. Цаплев, А.Д. Соловьева, Дж. Ли Assessment of the Influence of the Geometrical Shape of the Damper on the Efficiency of an Ultrasonic Operation Piezoelectric Transducer Sensors, Sensors, 2023, 23(24), 9662 (год публикации - 2023)
10.3390/s23249662

11. С.И. Коновалов, Р.С. Коновалов, В.М. Цаплев, З.М. Юлдашев, А.Д. Соловьева Control of the duration of the transducer probe signal in diagnostic ultrasound devices Biomedical Engineering, Biomedical Engineering (2024) 57:336–339 (год публикации - 2024)
10.1007/s10527-023-10328-1

12. М.С. Вечёра, С.И. Коновалов, Р.С. Коновалов, Б.И, В.М. Цаплев, А.Д. Соловьева Влияние геометрической формы демпфера на эффективность работы ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2024. Т. 17, № 2. С. 5-14 (год публикации - 2024)
10.32603/2071-8985-2024-17-2-5-14

13. Соловьева А.Д., Коновалов Р.С. Моделирование процесса распространения изгибных колебаний в пластинах со степенным уменьшением толщины Лучшая исследовательская работа 2022: сборник статей VII Международного научно-исследовательского конкурса., Лучшая исследовательская работа 2022: сборник статей VII Международного научно-исследовательского конкурса. – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». 2022. С. 19–23. (год публикации - 2022)

Публикации