Świetnie brzmiące anglojęzyczne hasło „energy harvesting” nie znalazło sobie jeszcze polskiego odpowiednika („energetyczne żniwa”?), pomimo tego nowy sposób pozyskiwania energii elektrycznej„z niczego” dość szybko się rozpowszechnia.

W artykule przedstawiamy nowatorskie ogniwa piezoelektryczne, które umożliwiają łatwą konwersję energii mechanicznej (drgań) w energię elektryczną wystarczającą do zasilenia 32-bitowego mikrokontrolera z rdzeniem Cortex-M3…

W lutowej Elektronice dla Wszystkich pojawiła się pierwsza część interesującego artykułu poświęconego metodom uzyskiwania energii z różnych niestandardowych źródeł (termoelektrycznych, świetlnych, mechanicznych itp.), za pomocą wyspecjalizowanych przetworników. Zainspirowany tą publikacją rozpocząłem poszukiwania przetworników tego typu dostępnych na rynku i okazało się, że w kilku światowych sieciach handlowych są dostępne przetworniki piezoelektryczne pozwalające uzyskać energię elektryczną z drgań mechanicznych, których producentem jest amerykańska firma Mide Technology Corporation. Jedynym problemem podczas zakupu przetworników okazała się ich cena: najtańszy dostępny model kosztuje w USA 45 dolarów, co czyni z niego dość ekskluzywne źródło energii.

Do testów sprowadziłem przetwornik V21BL, którego parametry są dostosowane do współpracy z wyspecjalizowaną przetwornicą LTC3588 firmy Linear Technology. Ten duet jest naszą platformą testową.

Przetwornik drgań na energię elektryczną

Szczegóły budowy przetworników produkowanych przez Mide Technology jest owiana firmową tajemnicą, ale dla nas – jako ich użytkowników – najważniejsze są możliwości i parametry, a nie fizykochemiczne szczegóły ich budowy i technologii produkcji.

Fot. 1. Przetwornik V21BL (rodzina Volture) firmy Mide

Wygląd czujnika V21BL pokazano na fotografii 1, w rodzinie Volture (jak nazywa je producent) dostępnych jest sześć ich wersji różniących się między sobą wymiarami, częstotliwością rezonansową i parametrami elektrycznymi. Wszystkie przetworniki wyposażono w dwa generatory piezoelektryczne z niezależnie wyprowadzonymi złączami, dzięki czemu – w zależności od potrzeb – można je łączyć równolegle (zwiększając wydajność prądową i zmniejszając impedancję) lub szeregowo (zwiększając napięcie wyjściowe i zmniejszając pojemność wyjściową przetworników) – rysunek 2.

Rys. 2. Możliwe sposoby połączenia generatorów napięcia wbudowanych w czujniki Volture

Rys. 3. Przebiegi na wyjściu jednego z generatorów przetwornika V21BL przy dwukierunkowych wychyleniach płytki rezonansowej

Generatory piezoelektryczne są polaryzowane i w zależności od kierunku wychylenia wytwarzają napięcie o odpowiedniej polaryzacji, co pokazano na rysunku 3. Amplituda generowanego napięcia jest zależna od amplitudy odchylenia płytki od osi „0”, a kształt generowanego przebiegu jest scałkowaną krzywą ruchu płytki generatora. Jak widać, amplituda generowanego napięcia jest dość duża – może wynosić nawet 40 V (wartość międzyszczytowa 80 V), co wymaga zaledwie kilkumilimetrowego odchylenia płytki od poziomu.

Rys. 4. Przebieg napięcia generowanego podczas swobodnych drgań płytki napędowej

Na rysunku 4 pokazano przebieg napięcia generowanego podczas swobodnych drgań – wyraźnie widać „naciąganie” płytki generatora i gasnącą amplitudę drgań.
Jak każdy układ drgający, także płytka generacyjna przetwornika V21BL ma własną częstotliwość rezonansową, którą można dostrajać do spodziewanej częstotliwości drgań napędzających.

Rys. 5. Charakterystyki generatora dla różnych wartości przyspieszeń, rezonującego bez dodatkowych obciążników