Предложен метод производства энергии из низкочастотных вибраций

Исследователи из Массачусетского технологического института придумали способ, с помощью которого можно использовать естественные вибрации для обеспечения приборов электричеством. На помощь ученым пришли микроэлектромеханические системы (МЭМС) и пьезоэлектрический эффект.

Существует множество систем беспроводных датчиков, способных контролировать состояние путепроводов, железнодорожных путей, мостов и даже лесов в пожароопасный период, не требуя при этом постоянного присутствия человека. Но у всех таких систем есть существенный недостаток – они все нуждаются в энергии, а это значит, что необходимо либо регулярно обновлять в них аккумуляторы, либо тянуть километры проводов. Не выгодно ни то, ни другое.

В связи с этим ученые и направили свои усилия на разработку новой системы получения энергии. Созданное ими устройство, размером около 25 мм, может преобразовывать механическую энергию низкочастотных колебаний в электрический ток, обеспечивая датчики необходимой им энергией в течение неопределенного срока.

Чип состоит из пьезоэлектрического (PZT) материала, которые прикрепляется на поверхность тонкой консольной балки. При вибрации консоль движется, вызывая тем самым изгиб и нагрузку в слоях PZT, что приводит к возникновению электрического заряда, который отводится с помощью массива тонких электродов. Стоит сказать, что использование консольных балок имеет существенные ограничения — у самой балки есть резонансная частота, вне ее отклик устройства уменьшается, а одновременно — уменьшается количество выработанной энергии.

Такие устройства могли успешно применяться в лабораторных условиях, но при большом диапазоне частот механических колебаний они становились практически неэффективными. Эту проблему можно решить, применяя генераторы из нескольких слоев пьезоэлектрических материалов, способных воспринимать несколько частот. Но это выльется в значительное увеличение денежных средств, необходимых для создания системы из миллиона подобных датчиков.

Профессор Санг-Гук Ким совместно с коллегами разработал однослойное устройство, которое стоит менее одного доллара. В его основе лежит покрытый пьезоэлектриком небольшой мост с чипами на обоих концах. Опыты показали, что подобная структура воспринимает широкую частоту низкочастотных колебаний, а устройство с одним слоем пьезоэлектрика способно произвести 45 мкВт энергии – это в два раза больше существующих конструкций.

Сейчас ученые работают над усовершенствованием своей технологии до 100 мкВт. Этого будет достаточно для питания интеллектуальных датчиков.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.