di
Saurav Sharma, Raj Kiran, Puneet Azad d. , Rahul Vaish
Viene presentata una panoramica completa dello stato dell’arte nel campo delle piastrelle per la raccolta di energia piezoelettrica .
Vengono discussi i fondamenti della piezoelettricità e le sue modalità di funzionamento. I progetti disponibili in letteratura sono stati esaminati in diverse categorie. Vengono discussi gli aspetti di fattibilità e le sfide nell’adattamento della raccolta di energia piezoelettrica nelle piastrelle per pavimenti.
La raccolta di energia piezoelettrica ha svolto un ruolo fondamentale nell’alimentazione di diversi dispositivi e sistemi di ingegneria, in cui l’alimentazione convenzionale non è possibile o non è desiderabile. Un’altra prospettiva per l’energia piezoelettrica è il suo utilizzo come fonte di energia pulita non convenzionale, sfruttando le vibrazioni meccaniche ambientali. Con l’aumento della popolazione globale e lo sviluppo delle infrastrutture, il carico dei passi umani può essere una fonte di una quantità significativa di energia di vibrazione meccanica disponibile gratuitamente. Le piastrelle piezoelettriche mirano a sfruttare questa energia altrimenti sprecata con la minima interferenza con le normali attività. Questo articolo mira a fornire una revisione completa delle tecnologie e delle metodologie che sono state implementate nella letteratura. Viene fornita una discussione completa sui vari progetti e meccanismi utilizzati nelle piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica. Vengono inoltre discussi in dettaglio i circuiti elettrici, che sono cruciali per estrarre con successo l’energia elettrica dai raccoglitori piezoelettrici in forma utilizzabile. Vengono inoltre presentati in modo critico gli aspetti di fattibilità, da prospettive economiche ed energetiche. Infine, vengono presentate le sfide nell’implementazione di successo delle piastrelle piezoelettriche e le loro possibili soluzioni.
Introduzione
Negli ultimi due decenni, la crisi energetica è emersa come una delle più grandi sfide globali, con un contributo significativo dall’esplosione nello sviluppo di dispositivi elettronici [1]. Sebbene disponiamo di fonti di generazione di energia elettrica ad alta capacità come centrali idroelettriche/termiche, è ora importante esplorare fonti di energia rinnovabili e sostenibili. L’ultimo decennio ha assistito a molte interessanti tecniche di raccolta di energia come l’energia triboelettrica [2], elettromagnetica [3], [4], piezoelettrica [5], termoelettrica [6], [7] e solare [8], [9]. Tutte queste fonti di energia suggerite sono ineguagliabili per le loro caratteristiche uniche. Tra queste, i materiali piezoelettrici sono molto noti per la loro vasta gamma di applicazioni di rilevamento e attuazione. È a causa del loro accoppiamento funzionale allo stato solido tra forze elettriche e meccaniche. Ci sono centinaia di nuovi materiali piezoelettrici esplorati per soddisfare la spinta della società. Questi materiali appartengono in genere alla famiglia ferroelettrica. Per lo più questi materiali sono ceramiche isolanti. In generale, sono classificati in base alle loro strutture, composizioni e fasi. Alcuni di questi materiali appartengono alla famiglia di BaTiO 3 , K 0,5 Na 0,5 NbO 3 , Bi 0,5 Na 0,5 TiO 3 , Pb(Zr,Ti)O 3 , ZnO e alcuni polimeri, come documentato nella letteratura in varie revisioni e libri [10], [11], [12], [13]. Nel contesto della raccolta di energia piezoelettrica, è stato esplorato per vari tipi di raccolta di energia meccanica dall’acustica [14], [15], dall’energia del flusso d’acqua [16], dall’energia eolica [17], dal movimento umano [18], dai binari ferroviari [19] e dalle autostrade [20]. In genere, le uscite di energia (da piezoelettrico) sono corrente alternata e tensione dove la corrente è dell’ordine dei microampere e la tensione è nell’intervallo di pochi volt [21]. Con circuiti di condizionamento della potenza appropriati, l’uscita elettrica può essere modulata. Di recente, è stato segnalato il recupero di energia piezoelettrica per applicazioni di depurazione dell’acqua mediante fenomeni piezocatalitici [22]. Esiste un ambito di scissione dell’acqua per la generazione di idrogeno mediante il recupero di energia piezoelettrica [23]. Tutti questi risultati indicano che esiste un potenziale inutilizzato di tecniche e dispositivi di recupero di energia piezoelettrica. In passato è stato segnalato che dispositivi di recupero di energia piezoelettrica come scarpe, piastrelle, marciapiedi, strade, piccoli dispositivi energetici di reti di sensori wireless e pacemaker sfruttano questo potenziale in una certa misura.
Di recente, la ricerca incentrata sulla raccolta di energia dai movimenti e dai movimenti umani utilizzando piastrelle, pavimenti e pavimentazioni piezoelettrici ha guadagnato slancio e sono stati condotti vari studi [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]. In generale, le piastrelle piezoelettriche possono essere percepite come normali piastrelle in ceramica e granito dotate di materiali piezoelettrici che facilitano la raccolta dell’energia di scarto risultante dai movimenti umani. Queste piastrelle possono essere piantate su un’area più ampia, fungendo così da fonti di macro-energia. Sebbene esistano una pletora di articoli di revisione che discutono le direzioni attuali e future della raccolta di energia piezoelettrica [37], [38], [39], [40], [41], [42], non riescono a presentare la progettazione e l’implementazione attuali delle piastrelle piezoelettriche e le sfide associate in modo più dettagliato. Ciò ha motivato gli autori a consolidare i progetti meccanici all’avanguardia, gli output, le potenziali applicazioni e le sfide associate alle piastrelle e alle pavimentazioni piezoelettriche. Sono state esaminate in totale 120 pubblicazioni per fornire questa revisione completa sulle piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica. La raccolta di energia piezoelettrica tramite piastrelle ha guadagnato molta popolarità dopo il 2014 e il numero di pubblicazioni ha visto una tendenza crescente da allora, come si può vedere nella Fig. 1, con il numero massimo di pubblicazioni nell’anno 2019.
Il presente documento di revisione è stato organizzato come segue: la Sezione 2 fornisce una panoramica delle basi dell’effetto piezoelettrico principalmente in termini di equazioni di governo e modalità operative primarie. La Sezione 3 è dedicata ai vari tipi di progettazione di piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica e prototipi realizzati. La Sezione 4 descrive in dettaglio i circuiti elettrici interfacciati con le piastrelle piezoelettriche per l’accumulo e l’ottimizzazione dell’energia. Nella Sezione 5 sono presentati diversi casi di studio sull’installazione delle piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica e la loro valutazione di fattibilità. La Sezione 6 propone le prospettive future, diverse sfide e soluzioni fattibili associate all’implementazione della tecnologia. Infine, le osservazioni conclusive sono presentate nella Sezione 7.
Effetto piezoelettrico
L’effetto piezoelettrico diretto, dimostrato per la prima volta dai fratelli Curie nel 1880 su monocristalli di quarzo (SiO 2 ) [43], è la capacità di un materiale di convertire un carico meccanico in una risposta elettrica, come un campo elettrico, uno spostamento elettrico o una polarizzazione. Dopo la scoperta iniziale, i fratelli Curie hanno anche dimostrato la piezoelettricità indiretta, ovvero un campo elettrico applicato potrebbe anche indurre una risposta meccanica di alcuni cristalli. Sebbene inizialmente si pensasse che
Progettazione di piastrelle per la raccolta di energia piezoelettrica
A causa della crescita crescente della popolazione e delle maggiori richieste di energia per il comfort e i servizi di costruzione, il consumo energetico degli spazi chiusi è aumentato in modo esponenziale negli ultimi due decenni [66]. Tuttavia, un aumento della popolazione e del tempo trascorso dalle persone al chiuso offre la possibilità di sfruttare l’energia meccanica dovuta al movimento umano nel settore edile. Le piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica sono un’opzione praticabile per la raccolta di energia dalle vibrazioni dai movimenti degli occupanti all’interno di un
Circuiti elettrici: tipologie e ottimizzazione
Le piastrelle piezoelettriche sono progettate per produrre energia elettrica convertendo la pressione applicata in segnali elettrici utilizzando trasduttori adatti. Questi segnali vengono convertiti in segnali desiderati utilizzando raddrizzatori o circuiti di ottimizzazione della potenza e immagazzinati in batterie ricaricabili o utilizzati direttamente per far funzionare sensori o dispositivi elettronici a bassa potenza. Pertanto, i circuiti elettronici hanno un significato speciale per l’utilizzo dell’energia generata dalle piastrelle piezoelettriche e possono essere classificati in
Prodotti disponibili e aspetti di fattibilità
Oltre alla notevole quantità di ricerca accademica, le piastrelle per pavimenti basate sulla raccolta di energia piezoelettrica vengono anche commercializzate come fonte di energia per dispositivi a basso consumo e sensori per spazi interni.
La fattibilità delle piastrelle di raccolta di energia basate su piezoelettrici in termini di costi e generazione di energia è stata valutata in vari ambienti operativi in passato. Questi studi sono solitamente condotti in luoghi pubblici con elevata mobilità pedonale. Uno di questi studi è stato condotto per
Sfide e prospettive future
Le piastrelle piezoelettriche per la raccolta di energia possono essere una fonte di energia rinnovabile praticabile, sfruttando l’energia cinetica dei passi umani, con un’interferenza minima con le normali attività. La bassa densità di potenza rispetto ad altri candidati in questa categoria, come i raccoglitori di energia basati sul flusso solare ed eolico, è talvolta citata come una carenza delle piastrelle piezoelettriche. Per le aree esterne, l’integrazione delle piastrelle piezoelettriche all’interno dei moduli solari è stata implementata in passato per aggirare questo-
Conclusioni
Le piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica sono un modo plausibile per supportare la generazione di energia pulita e rispettosa dell’ambiente e ridurre la dipendenza dai combustibili fossili per alimentare gli elettrodomestici da interno. Questa revisione ha affrontato vari aspetti delle piastrelle di raccolta di energia piezoelettrica, dagli aspetti materiali alla fattibilità dell’implementazione. Le diverse modalità di raccolta di energia piezoelettrica vengono prima discusse brevemente, poiché è fondamentale comprendere il meccanismo di conversione dell’energia meccanica in elettrica.
Riferimenti:
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Strategie di progettazione e confronti degli effetti verso un sistema piezocatalitico efficiente, 2023, Nanoenergia
Raccolta di energia dalle vibrazioni basata sul pendolo: meccanismi, integrazione del trasduttore e applicazioni, 2023, Conversione e gestione dell’energia
Incorporazione di MoS<inf>2</inf> incapsulato in ZnO per fabbricare un nanogeneratore piezoelettrico flessibile e un sensore, 2022, Nanoenergia
Un metamateriale graduato per la raccolta di energia piezoelettrica a banda larga e ad alta capacità, 2022, Conversione e gestione dell’energia
Nuovo raccoglitore piezoelettrico di energia eolica basato su fenomeni di galoppo accoppiati con caratterizzazione e quantificazione del suo comportamento dinamico, 2022, Conversione e gestione dell’energia
Una revisione delle ceramiche e dei film a base di Bi<inf>0,5</inf>Na<inf>0,5</inf>TiO<inf>3</inf> senza piombo: prestazioni dielettriche, piezoelettriche, ferroelettriche e di accumulo di energia, 2022, Rivista di polimeri e materiali inorganici e organometallici
Articoli consigliati:
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Extreme Mechanics Letters, Volume 42, 2021, Articolo 101138, Saurav Sharma, Rahul Vaish;
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Energia Applicata, Volume 269, 2020, Articolo 115073, Cheng Chen , Jian-Qiao Sun;
Revisione del sistema di raccolta dell’energia piezoelettrica e applicazione di tecniche di ottimizzazione per migliorare le prestazioni del sistema di raccolta
Sensori e attuatori A: Fisico, Volume 300, 2019, Articolo 111634, Mahidur R. Sarker , Muhammad Tahir;
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890422000681