Ученые Института математики, механики и компьютерных наук ЮФУ разработали новую модель пьезоэлектрического генератора энергии и изучили его свойства. Устройство предназначено для преобразования энергии механических вибраций в электрическую. Разработчики построили численную 3D и экспериментальную натурную модели. Это позволило точно определить характеристики генератора в зависимости от его конфигурации и свойств материала.
В современном мире пьезокерамика имеет широкую область применения. Устройства на её основе используют в медицине, системах связи, контроле промышленных процессов, измерительных и бытовых электрических приборах. Мировой рынок пьезокерамики и сфера её применения постоянно растут.
В эпоху глобального развития устройств генерации и сбора энергии с использованием новых пьезоматериалов перед специалистами стоит задача повышения энергоэффективности всех процессов, включая сбор и использование окружающей вибрационной энергии. В частности, для механических вибраций преобразование в электричество происходит за счет использования пьезоэлектрических элементов в комплексе устройства генерации энергии.
Разработчики ЮФУ отмечают, что возможности подобной системы определяются не только емкостью и электромеханическими коэффициентами пьезоэлектрических материалов, но и другими показателями. Так, качество системы генерации энергии зависит от микроструктуры материала, геометрии и электрических цепей самого устройства.
«Наша команда провела конечно-элементное моделирование и экспериментальный анализ пьезоэлектрического генератора энергии осевого типа», – рассказал один из авторов разработки, научный сотрудник Института математики, механики и компьютерных наук ЮФУ Александр Черпаков.
По его словам, в результате исследования удалось проверить применение пьезоэлектрических материалов с различной пористостью с учетом их эффективных свойств.
«Экспериментальная апробация устройства показала удовлетворительный результат: теперь у нас есть оптимальная комбинация для устройства с максимальным выходным напряжением и мощностью – до 2,25 В и 5,1 мкВт, соответственно», – добавил ученый.
Генератор энергии, разработанный в ЮФУ, спроектирован с использованием пьезоэлементов двух типов: жесткие цилиндры и пьезоэлементы пластинчатого типа. Их комбинированное сочетание совместно с элементами генератора рассчитывалось с помощью численного моделирования.
По мнению ученых, разработка и модернизация комплексов устройств генерации энергии, ее сбора и хранения на основе применения пьезоматериалов нового поколения с улучшенными пьезоэлектрическими свойствами позволят повысить энергоэффективность в будущем.
Результаты исследований опубликованы в журнале «Applied Sciences» и других изданиях.
Работы проведены в рамках выполнения гранта Российского фонда фундаментальных исследований (№ 21-19-00423). Цикл исследований выполняется в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». ЮФУ является участником этого федерального проекта по треку «Исследовательское лидерство».
