Saya menulis post ini kerana dalam masa terdekat saya mungkin akan terlibat dengan projek dan ujikaji yang melibatkan benda yang dikenali sebagai " Piezo ". Apa yang saya kumpulkan di dalam post ini merupakan maklumat dari hasil kajian dan pembacaan saya terhadap beberapa perkara yang melibatkan Piezo-elektrik.
Tujuannya hanya sebagai catatan untuk rujukan sendiri dan juga sebagai perkongsian ilmu yang boleh dimanfaatkan oleh sesiapa yang sudi membaca. Tidak ada apa yang mahu di simpan atau dirahsiakan kerana ilmu dalam bidang berkaitan Piezo ini telah jauh berkembang di luar negara terutamanya sama ada dalam kajian mahupun aplikasi di lapangan.
Cuma di dalam bidang yang boleh memberikan impak yang sangat besar seperti " Piezo-generator " , setakat yang saya tahu, masih belum membuahkan hasil yang siknifikan, berkuasa tinggi atau berskala besar dan masih dalam kajian terperinci.
Nota di bawah mengandungi penerangan ringkas tentang apakah elemen Piezo, aplikasinya pada masa kini dan kajian yang dijalankan bagi aplikasi di masa akan datang.
Piezo, Piezo-elektrik ?, Piezo-Generator ? Apakah bendanya Piezo ni ???
PIEZO adalah sejenis bahan yang boleh menghasilkan Voltan ( tenaga elektrik ) apabila dikenakan tekanan mekanikal ( mechanical stress ). Sebaliknya apabila diberikan tenaga elektrik, bahan ini akan berubah bentuk.
Bahan yang paling biasa digunakan dalam mendapatkan kesan Piezo-elektrik ialah terdiri daripada kristal Kuarza ( Quartz ). Selain daripada itu, sesetengah Seramik, garam Rochelle dan beberapa bahan pepejal lain seperti tulang juga diketahui boleh memberikan kesan yang sama.
Aplikasi yang biasa digunakan tetapi mungkin tidak diketahui atau disedari ialah seperti pemetik api di mana percikan api yang dihasilkan adalah akibat tekanan yang diberikan kepada elemen Piezo. Percikan api yang terhasil itu sebenarnya ialah loncatan electron akibat beza voltan tinggi yang terhasil.
Anda pernah melihat alat di bawah ?
Disebabkan kebolehan elemen Piezo menghasilkan getaran ia juga banyak digunakan di dalam fon telinga, buzzer, beeper dan seumpamanya. Sifatnya yang boleh diaplikasikan sebagai pengesan getaran diaplikasikan pula di dalam mikrofon, box guitar pick-up, vaibration sensor dan pressure sensor.
Sudah pasti sifatnya yang boleh menghasilkan arus elektrik apabila diberikan tekanan turut digunakan di dalam Suis-Piezo.
Piezo - Actuator
Pada masa kini aplikasi yang menggunakan Peizo boleh dikatakan tersebar luas daripada aplikasi yang berteknologi rendah sehinggalah kepada aplikasi yang berteknologi tinggi. Salah satu aplikasi yang berteknologi tinggi ialah menggunakan Piezo sebagai 'Penggerak' (Actuator). Kajian mendalam telah banyak dijalankan terutamanya oleh peneraju bidang angkasa lepas seperti NASA dan ESA kerana kelebihan yang terdapat pada Piezo dalam aplikasi ini.
" The space industry's interest in amplified piezoelectric actuators is due to the high power density of these actuators, high positioning accuracy, high reliability, and low power losses when used in quasi-static operation.
Amplified piezoelectric actuators have no sliding parts due to the flexural hinges and do not require lubrication. Lubrication-free performance is important for cryogenic applications, where traditional lubricants may freeze, and for vacuum applications, where lubricants could outgas or trap atmospheric gasses."
Sumber :
http://en.wikipedia.org/wiki/Amplified_piezoelectric_actuator
Gambarajah di atas merupakan gambaran ringkas aplikasi Piezo sebagai penggerak.
Piezo "stack" digunakan bagi mendapatkan tambahan jarak sesuatu penggerak.
Gambarajah di atas menunjukkan contoh aplikasi Penggerak Piezo dalam bentuk "lever-arm action".
Walau bagaimanapun, masih terdapat kekangan dalam aplikasi ini kerana untuk memandu elemen Piezo ini voltan tinggi sekitar 70V sehingga 300+V diperlukan. Semakin besar saiz elemen Piezo yang digunakan, semakin tinggi pula voltan bekalan yang perlu ada.
Operating VoltageTwo types of piezo actuators have become established:
Monolithic-sintered PICMA® multilayer actuators (low-voltage actuators) operate at voltages up to about 130 V and are made of ceramic layers from 20 to 100 μm in thickness.
Classical high-voltage actuators (PICA high-power actuators) are made from ceramic layers of 0.5 to 1 mm thickness and operate at voltages of up to 1000 V. PICA actuators can be manufactured with larger cross-sections, making them suitable for larger loads than the more compact monolithic multilayer piezo actuators.
Sumber :
http://piceramic.com/piezo-technology/properties-piezo-actuators.html
Di bawah adalah contoh peralatan yang perlu ada di dalam satu sistem penggerak piezo ;
Selain daripada itu, bahan Piezo itu sendiri adalah dari jenis yang mudah retak/pecah, oleh itu rekabentuk tertentu diperlukan untuk mengelakkan kerosakan daripada kerap berlaku pada alat-alat yang digunakan dilapangan terutamanya yang memerlukan 'blocking force' yang tinggi.
Stiffness, Load Capacity, Force GenerationTo a first approximation, a piezo actuator is a spring-and-mass system. The stiffness of the actuator depends on the elasticity module of the ceramic (approx. 25% of that of steel), the cross-section and length of the active material and other nonlinear parameters. Typical actuators have stiffnesses between 1 and 2,000 N/μm and compressive limits between 10 and 100,000 N. For tensile stresses, a casing with integrated preload or an external preload spring is required. Adequate measures must be taken to protect the piezo ceramic from shear and bending forces and from torque.
Sumber :
http://piceramic.com/piezo-technology/properties-piezo-actuators.html
Sedikit tambahan berkenaan kelebihan piezo yang boleh digunakan sebagai penggerak dan juga kaitannya dengan sumber tenaga voltan tinggi yang diperlukan. Di Universiti Harvard, telah dijalankan kajian bagi pembangunan Microrobotic. Robot mikro ini bersaiz sangat kecil sebesar serangga mampu bergerak menggunakan elemen-elemen piezo. Selari dengan pembangunan ini sudah pastinya juga perlu dibangunkan sumber tenaga iaitu modulator dan driver bagi Piezo dalam skala mikro. Bacaan lanjut boleh di buat di link di bawah ;
https://micro.seas.harvard.edu/papers/SA11_Karpelson.pdf
Piezo juga turut dimanipulasikan sifatnya bagi penghasilan motor bersaiz kecil. Beberapa rekabentuk sudahpun berada di pasaran antaranya dikenali sebagai PCB-Motor dan Ultrasonic Motor.
Foto di atas menunjukkan salah satu rekabentuk Ultrasonic Motor yang menggunakan konsep 'Surface Acoustic Wave' di mana elemen Piezo dihidupkan berturutan dan menghasilkan gelombang geseran pada rotor lantas menggerakkannya.
Piezo - Generator
Mutakhir ini manusia mula risau serta memikirkan tentang penjagaan alam sekitar, maka atas dasar itu kita mula membuat kajian dalam bidang Penuaian Tenaga Hijau ( Green Energy Harvesting ) iaitu penjanaan tenaga tanpa melibatkan pembakaran bahan api atau apa-apa kaedah yang boleh memberikan kesan buruk kepada alam sekitar. Antara kaedah Penuaian Tenaga Hijau yang sudahpun dipraktikkan ialah Solar, Turbin-angin dan WEC (Wave Energy Converter). Termasuk yang masih di dalam kajian di bidang ini ialah penjanaan tenaga dengan elemen Piezo.
Daripada sifat Piezo yang boleh menghasilkan tenaga elektrik apabila dikenakan tekanan mekanikal, banyak kajian telah dijalankan bagi memanfaatkan kebolehan ini. Secara umum, bolehlah dikategorikan kepada 3 ;
1. Menggunakan keluaran Piezo secara terus untuk sesuatu aplikasi. Sebagai contoh, lampu LED
pada kasut yang menyala apabila berjalan.
2. Menggunakan keluaran Piezo secara terus sebagai masukan kepada satu litar kawalan. Contoh
ialah seperti Suis Piezo, Sensor Getaran ( Vibration Sensor ) dan Sensor Tekanan ( Pressure
Sensor ).
3. Menggunakan keluaran Piezo sebagai sumber tenaga yang boleh di simpan untuk digunakan
di masa hadapan. Contohnya ialah peranti yang dinamakan sebagai Piezo Generator.
Daripada ke tiga-tiga kategori ini, yang pertama dan kedua sudah mencapai tahap penghasilan produk yang kini sudah digunakan di lapangan dalam pelbagai aplikasi. Namun bagi kategori ke tiga pada masa ini masih belum nampak hasil yang signifikan ataupun yang benar-benar mencapai tahap penghasilan produk yang praktikal.
Foto di atas adalah Piezo Sensor yang biasa diguanakan dalam pengesanan bengkokkan (flex), sentuhan, getaran dan kejutan (shock). Sensor ini ialah keluaran Sparkfun, maklumat lanjut di link ini ;
https://www.sparkfun.com/products/9196
Setakat maklumat yang saya dapat cuma ada satu kejayaan yang diumumkan pada tahun 2002 oleh NEC/Tokin Corporation yang mengatakan kejayaan mereka mencipta produk yang dikenali sebagai Piezo Delineators. Delineators digunakan untuk meningkatkan visual pemandu terhadap belokan jalan dan pembahagi jalan di kawasan yang kurang pencahayaan seperti di dalam terowong ataupun di waktu malam. Dikatakan yang produk ini telah dilancarkan pada Oktober 2002, namun saya tidak dapat menemukan maklumat yang mengatakan tentang kewujudan produk ini pada masa kini ataupun sama ada ia telah digunakan secara meluas. Bacaan lanjut boleh di buat di link di bawah ;
http://www.nec-tokin.com/english/top/news.cgi?mode=body&id=8
Kebanyakkan maklumat tentang Piezo-Generator hanya boleh didapati di dalam bentuk kertas kerja ataupun kajian. Memang banyak idea-idea yang diutarakan namun secara umumnya dikatakan walaupun Piezo mampu menghasilkan tenaga, ianya adalah dalam kuantiti yang sangat kecil.
Berapa kecil ? Bergantung juga kepada saiz elemen Piezo yang digunakan. Di bawah ini saya tunjukkan satu eksperimen ringkas yang saya jalankan dan kiraan yang menunjukkan jumlah tenaga yang dihasilkan.
Komponen ;
1. Elemen Piezo ( dikeluarkan daripada Piezo Buzzer )
2. Diode
3. Electrolitic Capasitor
4. LED
5. Multimeter digital
Gambarajah litar seperti di bawah ;
Keterangan litar : Apabila tekanan berulang diberikan kepada elemen Piezo, tenaga elektrik yang dihasilkan di kumpul dan di simpan di dalam kapasitor elektrolitik. Sebaik sahaja voltan mencukupi untuk menyalakan LED, litar keluaran di tutup dan LED akan menyala sehingga cas di dalam kapasitor habis.
Di bawah ini pula ialah foto sebenar sambungan litar. Pada voltan setinggi yang ditunjukkan di multi-meter, LED dapat dinyalakan selama kurang dari satu saat.
Satu lagi berkenaan elemen Piezo yang digunakan, lapisan bahan Piezonya sangat nipis dan mudah rosak. Solder yang terlalu lama atau terlalu panas juga boleh merosakkannya. Solder sangat mudah tertanggal dan lapisan ini juga mudah pecah dan retak. Ini satu cabaran bagi aplikasi yang memerlukan ianya diberikan tekanan mekanikal.
Baiklah sekarang kita lihat bagaimana kiraan untuk jumlah tenaga yang dihasilkan. Dari foto di atas, saya mengukur voltan yang terkumpul di dalam kapasitor kerana dua tujuan. Pertama untuk memastikan yang litar asas Piezo-Harvester ini boleh berfungsi. Jadi pada setiap tekanan yang diberikan pada elemen Piezo, jelas didapati peningkatan voltan yang tersimpan di dalam kapasitor.
Yang kedua ialah untuk mengira tenaga yang di simpan di dalam kapasitor menggunakan formula ini ;
E = 1/2CVV.......lihat foto di bawah ;
0.000359 joules ini ialah selepas mengenakan tekanan berulang sebanyak hampir seratus kali ke atas elemen Piezo. Mari kita bandingkan pula dengan tenaga yang di simpan di dalam Smartphone Nokia Lumia 625 saya ;
26,000 Joules !
Kesimpulannya litar Piezo-Energy Harvester dengan elemen Piezo yang digunakan dalam eksperimen ini memang sangat-sangat tidak efisyen.
Walaupun mungkin boleh diperbaiki dengan elemen Piezo yang lebih besar mahupun litar yang lebih baik, sememangnya apa yang mampu dicapai setakat hari ini masih belum cukup baik untuk penghasilan satu produk yang berguna. Jadi di dalam aplikasi Piezo-generator ini, jurutera-jurutera di luar sana masih cuba memperbaiki kelemahan ini dengan cara memperbaiki bahan Piezoelektrik itu sendiri ataupun meletakkan elemen Piezo pada persekitaran yang boleh memberikan tekanan dengan kadar ulangan yang tinggi.
Pada pendapat saya, setelah saya melihat produk-produk elemen Piezo terutamanya jenis Bimorph yang mampu menghasilkan keluaran yang tinggi, bersama-sama dengan litar Energy Harvester yang ada di pasaran, kemungkinan untuk menghasilkan suatu produk yang berfungsi itu ada. Mungkin cabarannya ialah bagaimana untuk merekabentuk satu apparatus mekanikal yang boleh menyampaikan kesan pergerakkan ataupun getaran daripada persekitaran kepada elemen Piezo.
Pendapat anda bagaimana ?
23 Julai 2015..
Eksperimen terbaru saya menggunakan Piezo Bimorph dan litar 'full-bridge rectifier' - 'filter' - 'storage' sebagai harvesternya memberikan hasil yang jauh lebih baik daripada eksperimen di atas. Sesuatu yang harus di beri perhatian ialah di mana cara tekanan diberikan dan tempat tekanan diberikan juga boleh menentukan nilai keluaran daripada elemen piezo. Oleh itu, rekabentuk 'stress-receiver' dan 'stress-collector' serta 'stress-source' yang sesuai dan tepat boleh mengoptimumkan lagi keluaran sesebuah elemen piezo.
Selain daripada elemen piezo itu sendiri, saya dapati teknik kejuruteraan mekanikal seperti 'free-wheel', 'fly-wheel' dan 'compound-gear' boleh digunakan bagi mengoptimumkan 'stress-cycle' yang di perolehi daripada 'stress-source'.
Pada 18 Ogos 2015 yang lalu di Ainex 2015 anjuran Universiti Malaysia Pahang, saya dan team dari Politeknik Ungku Omar telah membawa Konsep Rekabentuk dan Alat Prototaip Eksperimen yang menunjukkan bagaimana Piezo berpotensi untuk dijadikan satu sumber kuasa yang berguna.
Alhamdulillah, kami berjaya memperolehi pingat gangsa walaupun tidak membawa satu produk yang telah siap sepenuhnya. Di masa hadapan, kami akan cuba merealisasikan konsep yang ada ini kepada satu produk yang lengkap, Inshaa Allah.
Pada hari ini iaitu 19 Mei 2016, saya dan team sekali lagi masuk bertanding dalam pertandingan inovasi kali ini anjuran UPSI. Di 2ieC16 ini, kami membawa projek inovasi yang berkonsepkan Vibration Energy Harvesting With Piezoelectric. Menekankan bahawa salah satu potensi penjanaan Tenaga Hijau ialah dengan menggunakan Piezoelektrik untuk menjana tenaga elektrik daripada sumber Renewable Energy dalam bentuk getaran. Alhamdulillah, kami mendapat pingat emas.
Foto di atas saya dan team sedang menerangkan tentang projek inovasi kami kepada juri.
Berasaskan kepada renewable energy harvesting dan idea untuk menghasilkan satu produk yang boleh diaplikasikan sebagai alat bantu mengajar untuk mencetuskan idea dan kesedaran kepada golongan pelajar tentang potensi dan kepentingan tenaga hijau, rakan penyelidik yang juga seorang pensyarah senior telah berjaya membawa projek ini kepada satu lagi kejayaan iaitu Science Education Award 2016 daripada Malaysia Toray Science Foundation.
Cabaran seterusnya ;
1. Membangunkan alat untuk menuai tenaga kinetik daripada pergerakkan, getaran dan lain-lain.
2. Membangunkan alat mekanikal yang boleh menambah kekuatan amplitud dan memanjangkan ulangan frekuensi tenaga kinetik yang telah di tuai.
3. Membangunkan litar regulator/amplifier/converter yang boleh beroperasi dengan arus "quiescent"
.jpg)
