Aumentare la quantità di energia prodotta dai materiali piezoelettrici comporta diversi approcci volti a ottimizzarne l’efficienza e il rendimento. Un metodo consiste nel migliorare lo stress meccanico applicato al materiale piezoelettrico. Ciò può essere ottenuto aumentando l’ampiezza o la frequenza delle vibrazioni o della deformazione meccanica che agisce sul materiale. Anche l’utilizzo di materiali con coefficienti piezoelettrici più elevati e l’ottimizzazione della progettazione del dispositivo piezoelettrico per massimizzare la superficie sottoposta a stress meccanico possono aumentare la produzione di energia. Inoltre, l’integrazione di più elementi piezoelettrici in array o stack può aumentare la produzione energetica complessiva combinando le singole uscite in un effetto cumulativo più ampio.
Per aumentare la potenza erogata dai materiali piezoelettrici, è essenziale considerare sia la forza meccanica applicata che il carico elettrico collegato al materiale. L’aumento della forza meccanica, ad esempio attraverso vibrazioni più forti o applicazioni a pressione più elevata, può generare potenziali elettrici più elevati attraverso il materiale piezoelettrico. Garantire che il carico elettrico corrisponda alle caratteristiche del materiale piezoelettrico può massimizzare l’efficienza del trasferimento di potenza. L’utilizzo di tecniche di adattamento dell’impedenza e l’ottimizzazione dei circuiti elettrici collegati al materiale piezoelettrico possono ridurre al minimo le perdite e migliorare l’estrazione di potenza.
La quantità di energia che la piezoelettricità può produrre varia ampiamente a seconda di diversi fattori, tra cui la dimensione e il tipo di materiale piezoelettrico, l’entità dello stress meccanico applicato e l’efficienza dei meccanismi di conversione dell’energia. Nelle applicazioni pratiche, i dispositivi piezoelettrici possono generare da microwatt a milliwatt di potenza elettrica in condizioni operative tipiche. Tuttavia, i progressi nella scienza e nell’ingegneria dei materiali hanno portato allo sviluppo di materiali piezoelettrici ad alte prestazioni in grado di produrre emissioni di energia significativamente più elevate, soprattutto in applicazioni specializzate come la raccolta di energia da vibrazioni ambientali o movimenti meccanici.
L’immagazzinamento dell’energia generata da materiali piezoelettrici comporta in genere l’utilizzo di dispositivi di accumulo dell’energia come condensatori o batterie. Poiché l’uscita elettrica dei dispositivi piezoelettrici può essere intermittente e variabile, soprattutto in ambienti dinamici, le soluzioni di accumulo dell’energia aiutano ad attenuare le fluttuazioni e a fornire un’alimentazione continua quando necessario. I condensatori vengono spesso utilizzati per l’immagazzinamento di energia a breve termine grazie alla loro capacità di caricarsi e scaricarsi rapidamente, mentre le batterie offrono una maggiore densità di energia per l’immagazzinamento a lungo termine. La scelta del dispositivo di accumulo dipende da fattori quali fabbisogno energetico, durata dell’applicazione e considerazioni sulla ricaricabilità.
La generazione di elettricità da materiali piezoelettrici comporta la conversione dell’energia meccanica direttamente in energia elettrica utilizzando l’effetto piezoelettrico. I materiali piezoelettrici generano cariche elettriche quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche o vibrazioni. Per sfruttare questo effetto per la generazione di elettricità, i materiali piezoelettrici vengono generalmente incorporati in dispositivi o sistemi che convertono movimenti meccanici o vibrazioni in segnali elettrici. Questi dispositivi possono variare da raccoglitori di energia su piccola scala nell’elettronica indossabile a sistemi più grandi in applicazioni industriali. L’ottimizzazione della progettazione e dell’integrazione dei materiali piezoelettrici con trasduttori e circuiti elettrici appropriati garantisce un’efficiente conversione dell’energia meccanica in energia elettrica utilizzabile per varie applicazioni.