Пьезоэлектрдик–термоэлектрдик гибриддик энергия жыйноочу — бир эле физикалык түзүлүштө механикалык деформациядан пьезоэлектрдик электр энергиясын өндүрүүнү жана температура айырмасынан термоэлектрдик электр энергиясын өндүрүүнү чогуу пайдаланган энергияны өзгөртүү ыкмасы. Бул изилдөө мындай түзүлүштү ноутбуктун клавиатура баскычына интеграциялоого ылайык моделдейт жана PU-40%PZT пьезоэлектрдик композити менен PEDOT:PSS термоэлектрдик полимеринен турган көп катмарлуу системаны COMSOL Multiphysics 6.2 программасында үч өлчөмдүү акыркы элементтер ыкмасы менен изилдейт. Изилдөө физикалык прототип эксперименти эмес; бардык натыйжалар сандык симуляциядан алынган.

Сунушталган архитектурада борбордук PU-40%PZT пьезоэлектрдик катмар баскычты механикалык басуу күчүн электрдик жоопко айлантат, ал эми тышкы PEDOT:PSS катмарлары ноутбуктун жылуулук чыгарган компоненттери менен салкыныраак беттин ортосундагы температура айырмасынан Seebeck чыңалуусун жаратуу үчүн моделденген. Симуляциядагы клавиатура баскычынын аянты 10 mm × 10 mm. Пьезоэлектрдик катмар 1 mm, ал эми булактагы Figure 1де көрсөтүлгөн тышкы PEDOT:PSS термоэлектрдик катмарлары 0,5 mm калыңдык масштабында моделденген.

Механикалык бөлүктө 0,5, 1, 1,5, 8, 9, 10 жана 16 N күчтөр изилденген. Пьезоэлектрдик чыгыш кубаты жүк каршылыгына жараша өзгөрүп, булакта болжол менен 1,37 kΩ жүктө чоку маанилерине жеткен. 0,5, 1 жана 1,5 N төмөн басуу күчтөрү үчүн максималдуу эсептелген кубаттар тиешелүүлүгүнө жараша 7,3 µW, 14,3 µW жана 74,7 µW. Жогору 8, 9, 10 жана 16 N күчтөрдө болсо тиешелүүлүгүнө жараша 0,51, 0,65, 0,81 жана 2,07 mW чоку кубат эсептелген.

Термоэлектрдик бөлүктө 295, 296 жана 297 K жылуулук-булагы шарттары колдонулган. Булак Figure 10до тиешелүүлүгүнө жараша болжол менен 3,94, 5,91 жана 7,92 mV максималдуу термоэлектрдик чыңалуу маанилерин көрсөтөт; кубат натыйжалары болсо болжол менен 7,94, 31,86 жана 71,93 µW деп берилген. Булак Table 4 бул шарттарды болжол менен 2–4 K температура айырмасы катары жыйынтыктайт.

Пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик эң жогорку маанилер чогуу каралганда булак болжол менен 2,14 mW максималдуу гибриддик кубат жөнүндө сөз кылат. Бирок бул маани чыныгы клавиатурадан үзгүлтүксүз алынган орточо электр кубаты эмес. Изилдөөнүн өз түшүндүрмөсүнө ылайык, пьезоэлектрдик натыйжа бир баскычты кыска убакыт басуудагы чоку жооп; ал эми термоэлектрдик салым идеалдаштырылган туруктуу температура градиентинде жайыраак жана жарым-жартылай үзгүлтүксүз булак катары моделденген. Булак ошондой эле реалдуу колдонууда орточо жыйналган кубат төмөн болорун белгилейт.

Моделдин негизги чектөөлөрү — туруктуу жылуулук анализи, quasi-static механикалык жүктөө, пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик катмарлардын электрдик жактан бири-биринен көз карандысыз моделдениши, жалпы кубатты башкаруу схемасынын жоктугу, механикалык чарчоо жана сызыктуу эмес материалдык таасирлердин моделденбегени жана физикалык прототип менен текшерүү жүргүзүлбөгөнү. Ошондуктан изилдөө гибриддик клавиатура энергиясын жыйноо үчүн долбоордук/ишке ашуучулук көрсөткүчү болуп саналат; чыныгы ноутбук же зымсыз клавиатура бул кубаттар менен иштетилгенин эксперимент түрүндө көрсөтпөйт.

Гибриддик Энергия Жыйноочу Клавиатура Баскычында Кантип Иштейт?

Сунушталган система бир көп катмарлуу түзүлүштө эки башка энергия булагын колдонот: баскыч басылганда пайда болгон механикалык кысылуу борбордук PU-40%PZT катмарында пьезоэлектрдик электр энергиясын өндүрөт, ал эми ноутбуктун ысыган компоненттери менен салкыныраак беттин ортосундагы температура айырмасы PEDOT:PSS катмарларында термоэлектрдик чыңалууну пайда кылат. Изилдөөнүн максаты — бул эки салымды бир эле физикалык геометрияда изилдөө, бирок азыркы моделде алардын электрдик чыгыштарын өз-өзүнчө эсептөө.

Эмне үчүн энергияны өзгөртүүнүн эки механизми чогуу колдонулат?

Пьезоэлектрдик өндүрүш баскычка механикалык күч колдонулган учурда гана пайда болгон кыска мөөнөттүү энергия булагы. Термоэлектрдик өндүрүш болсо жетиштүү температура айырмасы болгон кезде жайыраак жана үзгүлтүксүз энергия булагы катары каралышы мүмкүн. Изилдөөнүн гибриддик ыкмасы эки механизм бир убакта максималдуу чыгыш берерин кепилдөөгө эмес, убакыттык мүнөздөмөлөрү ар башка болгон эки айлана-чөйрөлүк энергия булагын бири-бирин толуктаган түрдө пайдаланууга багытталган.

PU-40%PZT деген эмне?

PU-40%PZT булакта полиуретан (PU) матрицасынын ичинде болжол менен %40 PZT пьезоэлектрдик керамика камтыган ийкемдүү композит катары аныкталат. Полиуретан матрицасы түзүмдүк ийкемдүүлүктү камсыз кылса, PZT бөлүкчөлөрү механикалык чыңалуу астында пьезоэлектрдик заряд түзүү милдетин аткарат.

PEDOT:PSS деген эмне?

PEDOT:PSS булакта төмөн жылуулук өткөрүмдүүлүгү жана ылайыктуу электр өткөрүмдүүлүгү себептүү орточо температура диапазонунда колдонууга мүмкүн болгон өткөргүч термоэлектрдик полимер катары тандалган. Бул изилдөөдөгү ролу механикалык энергия өндүрүү эмес, ысык жана муздак беттердин ортосундагы температура айырмасынан Seebeck чыңалуусун жаратуу.

Материалдык касиеттер

Пьезоэлектрдик Катмар Механикалык Күчтү Кантип Электрге Айлантат?

Изилдөө пьезоэлектрдик катмарды \(d_{33}\) кысуу режиминде карайт: баскычка берилген күч катмар бетине болжол менен тик багытта келет, механикалык кысылуу пьезоэлектрдик зарядды пайда кылат жана бул заряд катмардын сыйымдуулук мүнөзүндөгү электр түзүлүшүндө чыңалууга айланат.

Жалпы пьезоэлектрдик constitutive relation

Булак алгач:

\[ S=s\sigma+dE+\chi\Delta T \tag{1} \]

теңдемесин колдонот.

Бул теңдемеде булактын белгилөөсүнө ылайык:

• \(S\): деформация (strain),
• \(s\): механикалык compliance матрицасы,
• \(\sigma\): механикалык чыңалуу/stress,
• \(d\): пьезоэлектрдик коэффициент матрицасы,
• \(E\): электр талаасы,
• \(\chi\): жылуулук кеңейүү коэффициенти,
• \(\Delta T\): температуранын өзгөрүшү.

Бул теңдик механикалык, электрдик жана жылуулук деформациясынын салымдарын бир constitutive relation ичинде бириктирет. Изилдөөнүн клавиатура колдонмосунда негизги кызыгуу механикалык басым астында пайда болгон пьезоэлектрдик жоопко багытталган.

\(d_{31}\) жана \(d_{33}\) режими

Булак эки негизги пьезоэлектрдик режимди айырмалайт. \(d_{31}\) режими ийилүү деформациясы менен байланышса, азыркы клавиатура геометриясында материал горизонталдуу жайгаштырылып, күч бетке тик берилгендиктен кысууга негизделген \(d_{33}\) режими колдонулган.

Булак:

\[ Q=d_{33}F \tag{2} \]

байланышын колдонот.

Бул жерде \(Q\) пайда болгон электр заряды, \(F\) колдонулган механикалык күч жана \(d_{33}\) пьезоэлектрдик заряд коэффициенти. Булак Table 1де PU-40%PZT үчүн пьезоэлектрдик коэффициентти 21 pC/N катары колдонот.

Пьезоэлектрдик катмар эмне үчүн конденсатор сыяктуу моделденет?

Эки электроддун ортосундагы диэлектрик пьезоэлектрдик катмар электрдик жактан сыйымдуулук мүнөзүндө боло алгандыктан булак:

\[ Q=CV_{\mathrm{piezo}} \tag{3} \]

жана:

\[ C= \frac{\epsilon_0\epsilon_rS}{e} \tag{4} \]

байланыштарын колдонот.

Бул жерде \(C\) сыйымдуулук, \(\epsilon_0\) вакуумдун permitivite-си, \(\epsilon_r\) салыштырма permitivite, \(S\) бет аянты жана \(e\) пьезоэлектрдик катмардын калыңдыгы.

Белги боюнча эскертүү: Булак Equation (1)де \(S\) тамгасын деформация үчүн колдонсо, Equation (4) жана (5)те ошол эле \(S\) тамгасын бет аянты үчүн кайра колдонот. Бул экөө бир физикалык чоңдук эмес.

Equation (3) жана (4) колдонулганда булак:

\[ V_{\mathrm{piezo}} = \frac{Qe}{\epsilon_0\epsilon_rS} \tag{5} \]

туюнтмасын берет.

Бул формуланын физикалык мааниси — бирдей өндүрүлгөн заряд үчүн калыңдык көбөйгөн сайын чыңалуу өсүшү мүмкүн; бет аянты же permitivite көбөйгөндө сыйымдуулук жогорулагандыктан чыңалуу азайышы мүмкүн. Бул теңдеменин математикалык түзүлүшүнүн түшүндүрмөсү; азыркы булакта катмар калыңдыгы же аянты параметрдик түрдө скан кылынган эмес.

Булакта берилген пьезоэлектрдик кубат теңдемеси

Булак Equation (6)ны:

\[ P_{e,\mathrm{piezo}} = \frac{ e\,d_{33}F^2 }{ R_L\epsilon_0\epsilon_r } \tag{6} \]

түрүндө берет.

Бул жерде \(R_L\) тышкы электр жүк каршылыгы. Басылган формулада кубат \(F^2\) менен өзгөрөт; ошондуктан булак модели баскыч басуу күчү жогорулаганда электрдик чыгыш да жогору болот деп күтөт.

Булак ичиндеги теңдеме эскертүүсү: Equation (6)нын басылган формасы Equation (2)–(5)тен кандай аралык алгебралык кадамдар менен алынганы көрсөтүлбөстөн берилген жана мурунку формулалардан түздөн-түз ачык түрдө келип чыкпайт. Ошондуктан бул жерде булактагы формула ошол бойдон сакталды, үнсүз кайра чыгарылган же өзгөртүлгөн жок.

Пьезоэлектрдик эквиваленттик схема

Булак пьезоэлектрдик материалды электрдик эквиваленттик схемада механикалык чыңалуудан пайда болгон \(V_{\mathrm{piezo}}\) чыңалуу булагы, пьезоэлектрдик сыйымдуулукту көрсөткөн \(C_p\) жана ички жоготуу/damping жүрүм-турумун көрсөткөн \(R_p\) менен түшүндүрөт. Энергияны тышка берүү үчүн кошумча тышкы жүк каршылыгы \(R_L\) колдонулат.

Термоэлектрдик Катмар Температура Айырмасын Кантип Электрге Айлантат?

PEDOT:PSS катмарында ысык жана муздак беттердин ортосундагы температура айырмасы Seebeck эффекти аркылуу ачык-схема чыңалуусун жаратат; булак бул чыңалууну ички каршылык \(R_G\) жана тышкы жүк каршылыгы \(R_L\) бар термоэлектрдик генератордун эквиваленттик схемасына байланыштырып, жүктө пайда боло турган электр кубатын эсептейт.

Seebeck чыңалуусу

Булак:

\[ V_{\mathrm{TEG}} = \alpha_{\mathrm{Seeb}} \Delta T_{\mathrm{TEG}} \tag{7} \]

байланышын колдонот.

Бул жерде:

• \(V_{\mathrm{TEG}}\): термоэлектрдик генератор жараткан чыңалуу,
• \(\alpha_{\mathrm{Seeb}}\): Seebeck коэффициенти,
• \(\Delta T_{\mathrm{TEG}}\): TEGдин эки бетинин ортосундагы температура айырмасы,
• \(T_H\): ысык тараптын температурасы,
• \(T_C\): муздак тараптын температурасы.

Булак Table 1де PEDOT:PSS үчүн:

\[ \alpha_{\mathrm{Seeb}} = 70~\mu\mathrm{V/K} \]

маанисин колдонот.

Жүктө өндүрүлгөн термоэлектрдик кубат

Булак:

\[ P_{e,\mathrm{TEG}} = R_L \frac{ \left( \alpha_{\mathrm{Seeb}} \Delta T_{\mathrm{TEG}} \right)^2 }{ (R_G+R_L)^2 } \tag{8} \]

жана эквиваленттүү түрдө:

\[ P_{e,\mathrm{TEG}} = R_L \frac{ \left[ \alpha_{\mathrm{Seeb}} (T_H-T_C) \right]^2 }{ (R_G+R_L)^2 } \]

туюнтмасын колдонот.

Бул теңдеме жүк каршылыгы “канчалык жогору болсо, кубат ошончолук көп” дегендей жөнөкөй жүрүм-турумга ээ эмес экенин көрсөтөт. \(R_L\) алымда да, бөлүмдүн квадратындагы жалпы каршылыктын ичинде да болгондуктан белгилүү оптималдуу жүк аймагы пайда болот. Пьезоэлектрдик натыйжаларда болжол менен 1,37 kΩ тегерегинде байкалган кубат максимумунун электрдик мааниси да ушул импедансты шайкеш келтирүү логикасы менен байланыштырылат.

Булак ичиндеги жазуу эскертүүсү: Equation (8)ден кийинки булак сүйлөмүндө ысык тарап үчүн \(T_H\), ал эми муздак тарап үчүн жаңылыштык менен кайрадан \(T_H\) белгиси жазылган. Equation жана мурунку аныктама муздак тарапты \(T_C\) деп берет. Verianla теңдемедеги \(T_H-T_C\) көрсөтүлүшүн сактап, тексттеги кайталоону булактагы жазуу көйгөйү катары белгилейт.

Seebeck коэффициенти менен Figure 10 чыңалууларынын булак ичиндеги айырмасы

Булак Table 4 термоэлектрдик симуляцияны \(\Delta T=2\)–4 K деп жыйынтыктайт жана Table 1 PEDOT:PSS үчүн 70 µV/K Seebeck коэффициентин берет. Equation (7)ни ушул эки булак мааниси менен түз арифметикалык текшерүү 0,14–0,28 mV чыңалуу диапазонун берет. Бирок булак Figure 10 295, 296 жана 297 K жылуулук-булагы учурлары үчүн болжол менен 3,94, 5,91 жана 7,92 mV маанилерин белгилейт.

Булак бул айырманы кошумча геометрия коэффициенти, тизмектүү термоэлектрдик элементтердин саны же башка эффективдүү параметр менен түшүндүрбөйт. Ошондуктан Verianla Figure 10 маанилерин булактагы симуляция чыгышы катары бергенде Equation (7) менен Table 1/4 ортосундагы бул сандык айырманы жашырбайт.

Симуляция геометриясы жана чектик шарттар

Акыркы элементтер тору кантип түзүлгөн?

Булак пьезоэлектрдик катмарда fine mesh менен extra-fine mesh ортосунда натыйжалар өзгөрбөгөнүн жана ошондуктан fine mesh жетиштүү экенин билдирет. Термоэлектрдик катмар жука болгондуктан extra-fine mesh колдонулган. Булак mesh көз карандысыздыгы үчүн өзүнчө жакындашуу графигин же пайыздык ката таблицасын бербейт; mesh жетиштүүлүгү авторлордун симуляциялык байкоосуна таянып маалымдалат.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Симуляциянын иштөө тартиби

1. 10 mm × 10 mm клавиатура баскычына ылайыктуу көп катмарлуу геометрия түзүлдү.
2. Борборго 1 mm PU-40%PZT пьезоэлектрдик катмар, тышкы аймактарга PEDOT:PSS термоэлектрдик катмарлар жайгаштырылды.
3. Булак Table 1деги механикалык, электрдик жана жылуулук материалдык касиеттер моделге киргизилди.
4. Пьезоэлектрдик катмар fine, термоэлектрдик катмарлар extra-fine FEM тору менен дискреттештирилди.
5. Үстүңкү бетке 0,5–16 N аралыгында ар башка механикалык күч амплитудалары берилди.
6. Каршы бет механикалык жактан бекитилди.
7. 295, 296 жана 297 K жылуулук-булагы шарттары менен туруктуу жылуулук талаасы түзүлдү.
8. Электр жүгү 0–16 kΩ аралыгында скан кылынды.
9. Пьезоэлектрдик механизм үчүн stress, жылыш, чыңалуу жана жүктөгү кубат эсептелди.
10. Термоэлектрдик механизм үчүн температура бөлүштүрүүсү, Seebeck чыңалуусу жана жүктөгү кубат эсептелди.
11. Эки механизмдин чыгыштары өз-өзүнчө бааланды; электрдик жактан бири-бирине туташтырылган жок.

Күч көбөйгөндө механикалык stress жана жылыш кантип өзгөрөт?

Булактагы FEM contour натыйжалары күч жогорулаган сайын пьезоэлектрдик катмардагы von Mises stress жана деформация өсөрүн көрсөтөт. 16 N шартында натыйжа тексти максималдуу stress болжол менен 22 Pa деп билдирет; булак Figure 6нын түс/чоку энбелгиси 22,8 Pa көрсөтөт. Бул айырма тегеректөөгө шайкеш келет.

16 N максималдуу жылыш үчүн булакта үч башка көрүнүш бар:

• Натыйжа тексти: \(14\times10^{-4}\) mm = \(1,4\times10^{-3}\) mm.
• Модель чектөөлөрү бөлүмү: болжол менен \(1,52\times10^{-3}\) mm.
• Булак Figure 7нин 16 N (g) панелинде жылыш бирдигинин ордуна “Pa” жана 22,8 энбелгиси көрүнөт.

Ошондуктан Verianla 16 N үчүн бир гана “оңдолгон так displacement” маанисин чыгарбайт. Эки тексттик маани тең булакта берилген түрүндө сакталат.

Пьезоэлектрдик чыңалуу натыйжалары

Булак бул натыйжаларды изилденген диапазондо күч менен пьезоэлектрдик жооптун ортосунда болжолдуу пропорционалдуу тенденция катары чечмелейт. 16 Nде чыңалуу бөлүштүрүүсү азыраак бир тектүү болуп, stress/деформация топтолуштары көрүнүшү мүмкүн экени белгиленет. Бирок модель механикалык чарчоону түз симуляциялабагандыктан узак мөөнөттүү бузулуу же кызмат мөөнөтү боюнча натыйжа эсептелген эмес.

Пьезоэлектрдик чыгыш кубаты

Булак күч–кубат ийри сызыктары болжол менен 1,37 kΩ тышкы жүк каршылыгында максимумга жетерин билдирет. \(R_L\) өтө төмөн болгондо же оптимумдан кыйла жогорулаганда жүктө алынган кубат азаят. Бул жүрүм-турум булак тарабынан максималдуу кубат берүү жана импедансты шайкеш келтирүү логикасы менен түшүндүрүлөт.

Table 4 бирдик эскертүүсү: Булактын салыштыруу таблицасы бул изилдөөнүн пьезоэлектрдик диапазонун “7.3–2.07 mW” деп жазат. Бирок деталдуу натыйжа бөлүмү 0,5 N үчүн 7,3 µW деп ачык берет. Жогорудагы таблица деталдуу күч-негизделген натыйжаларды сактап, Table 4төгү бирдик айырмасын үнсүз натыйжа маалыматына көчүрбөйт.

Термоэлектрдик чыңалуу натыйжалары

Булак температура жогорулаган сайын катмар ичиндеги температура градиенти жана термоэлектрдик чыңалуу жогорулайт деп чечмелейт. Бирок модель steady-state температура чектик шарттарына негизделген. Чыныгы ноутбукта процессор жүгү, желдеткичтин иштеши, тышкы чөйрө жана материалдын жылуулук массасы себептүү температура градиенттери убакыт менен өзгөрөт.

Термоэлектрдик кубат натыйжалары

Пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик салым эмне үчүн түздөн-түз бир схема натыйжасы эмес?

Булак пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик электр өндүрүшүн бир геометриялык системада симуляцияласа да, эки электр булагын бир кубатты башкаруу схемасына туташтырбайт. Пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик чыгыштар өз алдынча эсептелген. Ошондуктан болжол менен 2,14 mW максималдуу маани эки өзүнчө идеалдаштырылган максималдуу салымдын суммасы катары бааланышы керек; чыныгы түзөткүч, DC–DC өзгөрткүч, энергия сактоочу элемент жана жалпы кубатты башкаруу схемасындагы жоготуулар бул изилдөөдө моделденген эмес.

Болжол Менен 2,14 mW Чыныгы Клавиатуранын Үзгүлтүксүз Чыгыш Кубатыбы?

Жок. Булак болжол менен 2,14 mW маанисин идеалдаштырылган симуляция шарттарындагы максималдуу пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик салымдардын суммасы катары талкуулайт; пьезоэлектрдик маани бир баскыч басуудагы кыска мөөнөттүү чоку жооп, ал эми реалдуу колдонууда орточо жыйналган кубат терүү жыштыгына, колдонуучунун күчүнө жана жылуулук шарттарына жараша төмөн болот.

Изилдөө кийинки талкуусунда болжол менен 2–3 баскыч басуу/секунда өкүлчүлүктүү терүү жыштыгын сөз кылат. Бирок бул маалыматты колдонуп жылдык энергия, батареянын иштөө мөөнөтү же чыныгы орточо watt мааниси эсептелген эмес. Мындай эсеп үчүн убакытка көз каранды электрдик толкун формалары, кубатты башкаруу жоготуулары, бош туруу убактысы жана чыныгы жылуулук циклдери керек.

Энергия өзгөртүү эффективдүүлүктөрү

Булак пьезоэлектрдик катмар үчүн болжол менен:

\[ \eta_{\mathrm{piezo}} \approx 8.4\% \]

жана термоэлектрдик катмар үчүн:

\[ \eta_{\mathrm{TEG}} \approx 2.3\% \]

энергия өзгөртүү эффективдүүлүгүн билдирет.

Бирок булак натыйжа бөлүмүндө бул эки эффективдүүлүк кайсы жалпы механикалык/жылуулук кириш энергиясынын эсебинен алынганын көрсөткөн өзүнчө эффективдүүлүк теңдемесин, интеграция убактысын же деталдуу энергия бюджетин бербейт. Ошондуктан Verianla катыштарды булактагы натыйжа катары сактайт, өз алдынча кайра эсептебейт.

Булак адабияты менен салыштыруу

Бул салыштыруу түздөн-түз өндүрүмдүүлүк жарышы эмес. Булактардагы түзмөк геометриялары, күчтөр, энергия өзгөртүү механизмдери, жүк шарттары жана эксперимент/симуляция ыкмалары ар башка. Ошондуктан, мисалы, 30 mW билдирген башка изилдөө менен бул моделдеги 2,07 mW маани бир эле таблицада турганы үчүн эквиваленттүү эксперимент шарттары катары чечмеленбеши керек.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• PU-40%PZT жана PEDOT:PSS катмарларын клавиатура баскычынын геометриясында бириктирген көп катмарлуу түзүлүштүн FEM модели түзүлгөн.
• Колдонулган механикалык күч көбөйгөн сайын булак симуляциясында пьезоэлектрдик чыгыш жогорулайт.
• 0,5 Nден 16 Nге чейинки күчтөрдө булак FEMи болжол менен 7,3 µWден 2,07 mWге чейин чоку пьезоэлектрдик кубаттарды берет.
• Пьезоэлектрдик кубат ийри сызыктарында болжол менен 1,37 kΩ тегерегинде оптималдуу жүк аймагы бар.
• PEDOT:PSS термоэлектрдик симуляциясында изилденген температура шарттары жогорулаган сайын жогору чыңалуу жана кубат алынат.
• Булак 297 K шартында болжол менен 71,93 µW термоэлектрдик кубат билдирет.
• Булак пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик салымдарды бири-бирин толуктаган энергия булактары катары бирге колдонуу мүмкүн экенин көрсөтүүнү көздөйт.
• Булак баалоосуна ылайык, пьезоэлектрдик механизмдин электр чыгышы термоэлектрдик механизмден кыйла чоң.
• Симуляция гибриддик клавиатура энергиясын жыйноо концепциясы мындан аркы прототип жана өткөөл-убакыт анализи үчүн изилдөөгө татыктуу болушу мүмкүн экенин көрсөтөт.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

• Чыныгы клавиатура прототипинен 2,07 mW же 2,14 mW өлчөнгөн эмес.
• Чыныгы ноутбуктун батареясы бул система менен заряддалганы көрсөтүлгөн эмес.
• Чыныгы зымсыз клавиатура толугу менен өз энергиясы менен иштегени көрсөтүлгөн эмес.
• 2,14 mW үзгүлтүксүз орточо чыгыш кубаты эмес.
• Пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик булактар чогуу туташтырылган чыныгы кубатты башкаруу схемасы моделденген эмес.
• Түзөткүч, DC–DC өзгөрткүч, энергия сактоо жана электрондук кубатты башкаруу жоготуулары эсептелген эмес.
• Механикалык чарчоо же миллиондогон баскыч басуудан кийинки туруктуулук изилденген эмес.
• Чыныгы процессор температурасынын убакыт катарлары жана желдеткич/муздатуу циклдери колдонулган эмес.
• Булакта чыныгы прототип жасоо, лабораториялык өлчөө же талаалык текшерүү жок.
• Булак маалыматтары белгилүү бир коммерциялык ноутбук моделинин реалдуу энергия үнөмдөөсүн далилдебейт.

Модель чектөөлөрү

• Туруктуу жылуулук анализи: Ноутбуктун ичиндеги температуранын убакыт менен өзгөрүшүнүн ордуна туруктуу температура чектик шарттары колдонулган.
• Quasi-static механикалык жүк: Чыныгы баскыч басуунун импульстук жана убакытка көз каранды динамикасы толук моделденген эмес.
• Жогорку-чек ыкмасы: Булак бул божомолдор идеалдаштырылган өндүрүмдүүлүк баасын түзөрүн белгилейт.
• Электрдик гибриддик туташуу жок: Пьезоэлектрдик жана термоэлектрдик салымдар өз-өзүнчө эсептелген.
• Кубатты башкаруу схемасы жок: Эки энергия булагынын чыңалуу, ички каршылык жана убакыттык жооп айырмачылыктарын шайкеш келтирген электрондук схема моделденген эмес.
• Чарчоо жок: Механикалык fatigue моделденген эмес.
• Сызыктуу материалдык ыкма: Nonlinear материалдык таасирлер моделге киргизилген эмес.
• Эксперименттик текшерүү жок: FEM болжолдоолору физикалык прототип менен салыштырылган эмес.
• Жылуулук transient жок: Процессор активдүүлүгүнө жана муздатууга байланыштуу реалдуу убакыттагы температура өзгөрүүлөрү келечектеги иш катары калтырылган.

Булак ичиндеги сандык жана белгилөө көйгөйлөрү

• Equation (1)де \(S\) деформация, Equation (4)–(5)те \(S\) бет аянты катары колдонулат.
• Equation (6)нын басылган формасы Equation (2)–(5)тен кантип алынганы көрсөтүлгөн эмес жана формула тизмеги түздөн-түз ачык эмес.
• Equation (8)ден кийинки түшүндүрмөдө муздак тарап \(T_C\) ордуна экинчи жолу \(T_H\) деп жазылган.
• Булак Table 4тө пьезоэлектрдик кубат диапазонунун төмөнкү чеги “7.3 mW” сыяктуу көрүнөт, бирок деталдуу натыйжа бөлүмү 0,5 N үчүн 7,3 µW берет.
• 16 N максималдуу жылыш натыйжа текстинде \(1,4\times10^{-3}\) mm, чектөөлөр бөлүмүндө болжол менен \(1,52\times10^{-3}\) mm деп берилет.
• Булак Figure 7нин 16 N (g) displacement панелинде mm ордуна Pa жана 22,8 энбелгиси көрсөтүлөт.
• Table 1деги 70 µV/K Seebeck коэффициенти жана Table 4төгү 2–4 K температура айырмасы менен Equation (7)нин түз мааниси Figure 10до көрсөтүлгөн 3,94–7,92 mV диапазонуна шайкеш келбейт; булак айырманы түшүндүрбөйт.
• Пьезоэлектрдик үчүн болжол менен %8,4 жана термоэлектрдик үчүн болжол менен %2,3 эффективдүүлүк билдирилет, бирок бул катыштар үчүн деталдуу энергия бюджети/эсептөө теңдемеси берилген эмес.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска аталышы: Piezoelectric and Thermoelectric Analysis of a Multilayer Structure for a Hybrid Energy-Harvesting Application

Авторлор: Imane Salhi, Yassine Tabbai, Abdelhadi Mortadi, Hajar Rejdali, Fouad Belhora, Abdelowahed Hajjaji.

Авторлордун тартиби: Imane Salhi → Yassine Tabbai → Abdelhadi Mortadi → Hajar Rejdali → Fouad Belhora → Abdelowahed Hajjaji.

Жооптуу автор: Imane Salhi; булакта salhi.i@ucd.ac.ma дареги менен Correspondence катары белгиленген.

Бирдей салым: Булакта бирдей биринчи авторлук же бирдей салым тууралуу билдирүү жок.

Мекемелер: National School of Applied Sciences, Chouaib Doukkali University, El Jadida, Morocco; Faculty of Sciences, Chouaib Doukkali University, El Jadida, Morocco; National Institute of Applied Sciences of Lyon, France.

Журнал: Physics.

Журнал бөлүмү: Applied Physics.

Басмакана: MDPI.

Том / номер / макала номери: 8(3), 56.

DOI: 10.3390/physics8030056.

Жөнөтүлгөн: 12 Апрель 2026.

Кайра каралган: 9 Июнь 2026.

Кабыл алынган: 18 Июнь 2026.

Жарыяланган: 3 Июль 2026.

Булак түрү: Рецензияланган сандык/симуляцияга негизделген колдонмо физика жана энергия жыйноо боюнча изилдөө макаласы.

Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0, CC BY 4.0.

Негизги ыкма: COMSOL Multiphysics 6.2де үч өлчөмдүү акыркы элементтер ыкмасы; structural mechanics, electrostatics, heat transfer жана thermoelectric coupling.

Негизги материалдар: PU-40%PZT пьезоэлектрдик композити жана PEDOT:PSS термоэлектрдик өткөргүч полимери.

Симуляция масштабы: 10 mm × 10 mm бир клавиатура баскычы; 1 mm PU-40%PZT ортоңку катмар жана 0,5 mm масштабдагы PEDOT:PSS тышкы термоэлектрдик катмарлар.

Механикалык шарттар: 0,5, 1, 1,5, 8, 9, 10 жана 16 N жүктөр; каршы бет бекитилген; quasi-static ыкма.

Жылуулук шарттары: 295, 296 жана 297 K туруктуу жылуулук-булагы шарттары; steady-state thermal analysis.

Электр жүгү: 0–16 kΩ; пьезоэлектрдик максималдуу кубат үчүн булак болжол менен 1,37 kΩ оптималдуу жүк билдирет.

Модель убактысы: Булак типтүү баскыч басуу үчүн 100 ms симуляция убакыт масштабын колдонгонун билдирет.

Өкүлчүлүктүү терүү жыштыгы: Талкуу бөлүмүндө болжол менен 2–3 баскыч басуу/секунда мааниси адабиятка негизделген өкүлчүлүктүү колдонуу катары көрсөтүлгөн.

Каржылоо: Булак “This research received no external funding” билдирүүсүн берет.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөнүн түпнуска салымдары макалада камтылганы айтылган; өзүнчө ачык чийки FEM маалымат репозиторийи билдирилген эмес.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришкен.

Ыраазычылык: Макала изилдөөгө олуттуу салым кошкону белгиленген маркум Jacques Jayге арналган.

Авторлордун салымы: Концептуалдаштыруу I.S. жана Y.T.; ыкма I.S. жана Y.T.; программалык камсыздоо A.M. жана H.R.; текшерүү F.B.; формалдык анализ I.S., Y.T. жана A.M.; изилдөө жана маалымат курациясы I.S. жана Y.T.; алгачкы долбоор I.S.; карап чыгуу/редакциялоо I.S. жана Y.T.; визуалдаштыруу A.M.; көзөмөл A.H. деп билдирилген.

Негизги натыйжа: Булак FEM симуляциясында PU-40%PZT үчүн 16 Nде 2,07 mW чоку пьезоэлектрдик кубат жана PEDOT:PSS үчүн изилденген эң жогорку жылуулук шартында 71,93 µW термоэлектрдик кубат билдирет.

Негизги чечмелөө чеги: Бул натыйжалар физикалык прототип өлчөөлөрү эмес. Болжол менен 2,14 mW бириккен максималдуу маани үзгүлтүксүз орточо клавиатура кубаты эмес жана азыркы модель чыныгы жалпы кубатты башкаруу схемасын камтыбайт.

Булак ичиндеги математикалык чек: Equation (6)нын мурунку пьезоэлектрдик теңдемелерден чыгарылуу кадамдары берилген эмес; Verianla теңдемени булакта басылган түрүндө сактаган.

Булак ичиндеги термоэлектрдик шайкештик чеги: \(\alpha_{\mathrm{Seeb}}=70~\mu\mathrm{V/K}\), булак Table 4тө \(\Delta T=2\)–4 K жана Figure 10до 3,94–7,92 mV маанилери ошол эле жөнөкөй Seebeck байланышында түздөн-түз шайкеш келбейт; булак бул айырманы түшүндүрбөйт.

Булак ичиндеги жылыш чеги: 16 N максималдуу displacement үчүн натыйжа тексти \(1,4\times10^{-3}\) mm, модель чектөөсү болжол менен \(1,52\times10^{-3}\) mm берет; Figure 7(g) болсо displacement ордуна Pa масштабын көрсөтөт.

Булак ичиндеги кубат бирдигинин чеги: Table 4 төмөнкү пьезоэлектрдик чек үчүн “7.3–2.07 mW” деп жазса, деталдуу натыйжа тексти 0,5 Nде 7,3 µW берет.

Кайра өндүрүмдүүлүк чеги: COMSOL физика модулдары жана негизги геометриялык/чектик шарттар берилсе да, толук solver жөндөөлөрү, убакыт кадамы/толеранттуулук деталдары, бардык материалдык тензорлор, чийки FEM модель файлы жана толук кубатты башкаруу схемасы берилген эмес.