Рынок пьезоэлектрических систем сбора энергии — глобальный размер отрасли, доля, тенденции, возможности и прогноз, сегментированный по технологиям (световая энергия, энергия вибрации, тепловая энергия, другие), по компонентам (преобразователь, интегральная схема управления питанием, системы хранения), по регионам, по конкуренции 2018–2028 гг.

Обзор рынка

Глобальный рынок пьезоэлектрических систем сбора энергии оценивался в 597,93 млн долларов США в 2022 году и, как ожидается, будет прогнозировать устойчивый рост в прогнозируемый период со среднегодовым темпом роста 4,75% до 2028 года. Пьезоэлектрическое сбор энергии — это процесс, который преобразует механическую энергию в электрическую в зависимости от величины напряжения, приложенного при деформации или сжатии материала, типа и величины деформации кристалла материала, а также частоты или скорости вибрации или сжатия материала. Его эффект представляет собой обратимый процесс, в котором материал, демонстрирующий прямой пьезоэлектрический эффект, т. е. разделение зарядов из-за напряжения, также демонстрирует обратный пьезоэлектрический эффект, т. е. возникновение напряжения и деформации при приложении электрического поля.

Ключевые драйверы рынка

Растущий спрос на устойчивую энергию

Глобальный спрос на устойчивые источники энергии стал движущей силой роста рынка пьезоэлектрических систем сбора энергии. Поскольку мир борется с экологическими проблемами и необходимостью сокращения своего углеродного следа, пьезоэлектрические системы сбора энергии стали убедительным решением, предлагающим чистый, возобновляемый и экологически чистый источник энергии. Одним из основных факторов принятия пьезоэлектрических систем сбора энергии является растущая осведомленность об изменении климата и настоятельная необходимость отказа от ископаемого топлива. Поскольку страны и отрасли стремятся достичь амбициозных целей в области устойчивого развития и сократить выбросы парниковых газов, акцент сместился на технологии возобновляемой энергии, которые могут помочь смягчить воздействие производства энергии на окружающую среду. Сбор пьезоэлектрической энергии идеально соответствует этой повестке дня, поскольку он генерирует электроэнергию из механических вибраций и движений, не производя вредных выбросов.

Кроме того, потребность в устойчивых источниках энергии выходит за рамки простого решения проблемы изменения климата. Она также охватывает стремление к энергетической безопасности и устойчивости. Системы сбора пьезоэлектрической энергии могут обеспечить локализованную генерацию электроэнергии в различных приложениях, снижая зависимость от централизованных энергетических сетей и повышая устойчивость энергии, особенно в удаленных или не подключенных к сети местах. Параллельно растет признание экономических преимуществ устойчивой энергетики. Сбор пьезоэлектрической энергии может привести к экономии затрат за счет снижения зависимости от традиционных источников энергии и батарей. Эти системы могут быть особенно выгодны в приложениях, где затраты на замену и обслуживание батарей высоки, например, в устройствах удаленного мониторинга или датчиках инфраструктуры.

Более того, глобальная приверженность устойчивым практикам привела к нормативным стимулам и субсидиям для содействия принятию технологий возобновляемой энергии, включая сбор пьезоэлектрической энергии. Правительства и организации по всему миру предлагают финансовые стимулы и поддержку для поощрения интеграции этих систем в различные приложения. Поскольку спрос на устойчивые энергетические решения продолжает расти, мировой рынок пьезоэлектрических систем сбора энергии готов к существенному росту. Эти системы не только предлагают экологически чистую альтернативу, но и способствуют энергетической безопасности, экономии средств и устойчивости к энергозатратам. В мире, который все больше фокусируется на устойчивости, пьезоэлектрические системы сбора энергии хорошо позиционированы, чтобы играть ключевую роль в формировании будущего чистой и эффективной генерации энергии.

Миниатюризация и устройства IoT

Миниатюризация и растущий ландшафт Интернета вещей (IoT) готовы стать мощными драйверами, продвигающими глобальный рынок пьезоэлектрических систем сбора энергии на новые высоты. Конвергенция этих двух тенденций вызвала всплеск спроса на компактные, эффективные и устойчивые источники энергии, и пьезоэлектрические системы сбора энергии оказались идеальным вариантом. Быстрое распространение устройств Интернета вещей меняет способ нашего взаимодействия с окружающей средой и сбора данных. Эти устройства, от интеллектуальных термостатов до носимых фитнес-трекеров и промышленных датчиков, становятся неотъемлемой частью нашей повседневной жизни и отраслей. Однако ахиллесовой пятой многих устройств Интернета вещей является их зависимость от традиционных батарей, которые могут быть громоздкими, ограниченными и небезопасными для окружающей среды. Именно здесь в игру вступает пьезоэлектрический сбор энергии.

Системы сбора пьезоэлектрической энергии используют механические вибрации и движения, преобразуя их в электрическую энергию. В контексте миниатюрных устройств Интернета вещей это означает, что повседневные действия, такие как ходьба или даже легкие вибрации машин, могут быть использованы в качестве источника питания. Это не только продлевает срок службы устройств Интернета вещей, но и снижает необходимость частой замены батарей, снижая затраты на техническое обслуживание и минимизируя воздействие на окружающую среду. Более того, миниатюризация заключается не только в уменьшении размеров устройств; она также в том, чтобы сделать их более эффективными и самодостаточными. Пьезоэлектрические материалы могут быть интегрированы в саму структуру устройств IoT или включены в их компоненты, делая их более энергоэффективными и экологически чистыми. Такая интеграция может привести к созданию энергонезависимых устройств, которые могут работать неограниченно долго в правильных условиях.

Поскольку IoT продолжает проникать в различные отрасли, включая здравоохранение, производство, сельское хозяйство и умные города, спрос на пьезоэлектрические системы сбора энергии будет расти экспоненциально. Эти системы соответствуют основным принципам IoT — подключенности, устойчивости и эффективности, — что делает их незаменимыми для революции IoT. Благодаря достижениям в области материалов и технологий будущее миниатюрных устройств Интернета вещей, работающих на пьезоэлектрических системах сбора энергии, выглядит исключительно многообещающим, стимулируя рост на мировом рынке и способствуя более устойчивому и взаимосвязанному миру.

Основные проблемы рынка

Ограниченный выход энергии

Ограниченный выход энергии пьезоэлектрических систем сбора энергии является существенным препятствием на пути к глобальному рынку пьезоэлектрических систем сбора энергии. Хотя эти системы предлагают многообещающий источник возобновляемой энергии, их относительно низкая мощность производства энергии создает проблемы и ограничения, которые могут помешать их широкому внедрению. Одной из главных проблем является недостаточный выход энергии для определенных приложений. Пьезоэлектрические системы сбора энергии в первую очередь полагаются на механические вибрации и движения для выработки электроэнергии. Эти вибрации часто незначительны и могут не обеспечивать достаточно энергии для питания устройств или систем с более высокими энергетическими потребностями. В результате пьезоэлектрический сбор энергии больше подходит для маломощных и прерывистых приложений, таких как датчики, беспроводные устройства и некоторые приложения IoT.

Это ограничение становится особенно очевидным при сравнении с другими возобновляемыми источниками энергии, такими как солнечная или ветровая энергия, которые могут генерировать значительно больше энергии. Например, солнечные панели могут производить постоянную подачу электроэнергии при правильных условиях, что делает их более практичными для крупномасштабных или непрерывных потребностей в энергии. Помимо ограниченной выработки энергии, изменчивость источников вибрации представляет собой еще одну проблему. Эффективность пьезоэлектрического сбора энергии сильно зависит от частоты и амплитуды вибраций. В реальных сценариях эти факторы могут колебаться, влияя на последовательность и надежность выработки электроэнергии. Например, в городских условиях вибрации от пешеходного движения или транспортных средств не всегда могут соответствовать энергетическим потребностям устройств. Более того, экономическая эффективность пьезоэлектрических систем сбора энергии может быть поставлена под сомнение при рассмотрении выработки энергии. В некоторых случаях стоимость внедрения и обслуживания этих систем может перевешивать выгоды, особенно по сравнению с более устоявшимися и эффективными источниками энергии.

Усилия по преодолению этих проблем включают исследования передовых материалов и инженерных методов для повышения эффективности преобразования энергии, а также разработку решений по хранению собранной энергии для использования в периоды низкой вибрации. Однако решение проблемы ограниченного выхода энергии остается постоянной проблемой в расширении применимости пьезоэлектрического сбора энергии для более широкого спектра энергоемких приложений. Подводя итог, можно сказать, что хотя пьезоэлектрические системы сбора энергии предлагают неоспоримые преимущества с точки зрения устойчивости и экологичности, их ограниченный выход энергии остается значительной проблемой. Преодоление этого ограничения имеет решающее значение для раскрытия полного потенциала пьезоэлектрического сбора энергии и расширения его рыночного охвата за пределы маломощных прерывистых приложений.

Изменчивость источника вибрации

Изменчивость источников вибрации представляет собой заметное препятствие для роста мирового рынка пьезоэлектрических систем сбора энергии. Пьезоэлектрические системы сбора энергии, которые основаны на преобразовании механических колебаний и движений в электрическую энергию, в значительной степени зависят от характеристик этих колебаний. Непостоянство и непредсказуемость источников колебаний могут значительно снизить надежность и эффективность этих систем. Одной из основных проблем является нерегулярный характер колебаний в реальных условиях. Эти колебания могут различаться по частоте, амплитуде и направлению, что затрудняет проектирование пьезоэлектрических систем сбора энергии, которые последовательно захватывают и преобразуют эту энергию в электричество. Например, в городских условиях пешеходное движение, движение транспортных средств и другие источники колебаний могут возникать с нерегулярными интервалами и интенсивностью, что затрудняет прогнозирование того, когда и сколько энергии может быть собрано.

Изменчивость источников колебаний усугубляется тем фактом, что различные приложения и отрасли могут иметь уникальные профили колебаний. Например, вибрации, возникающие в промышленном оборудовании, отличаются от тех, которые встречаются в транспортных системах или бытовой электронике. Такое разнообразие источников требует индивидуальных решений и проектирования, что увеличивает сложность и стоимость внедрения пьезоэлектрических систем сбора энергии. Более того, эффективность пьезоэлектрического преобразования энергии сильно зависит от резонансных частот. Если вибрации не совпадают с резонансной частотой используемых пьезоэлектрических материалов, эффективность преобразования энергии может быть неоптимальной, что приводит к потерям энергии. Достижение резонанса с изменяющимися и непредсказуемыми источниками вибрации может быть сложной задачей.

Надежность является еще одной важной проблемой. В приложениях, где требуется постоянная и надежная мощность, например, в устройствах удаленного мониторинга или определенных приложениях IoT, изменчивость источников вибрации может привести к перебоям в питании или недостаточной генерации энергии. Эта ненадежность может подорвать доверие к пьезоэлектрическим системам сбора энергии для критически важных приложений.

Решение проблемы изменчивости источника вибрации требует инновационных инженерных решений, адаптивных алгоритмов и разработки материалов и конструкций, которые могут эффективно работать в различных условиях вибрации. Более того, предиктивное моделирование и анализ данных могут сыграть свою роль в лучшем понимании и использовании различных источников вибрации. В заключение следует отметить, что непоследовательность и непредсказуемость источников вибрации представляют собой существенную проблему для более широкого внедрения пьезоэлектрических систем сбора энергии. Разработка универсальных и адаптируемых решений, которые могут справиться с этими изменениями, имеет важное значение для повышения надежности и эффективности этих систем в широком спектре приложений и отраслей.

Свойства материалов

Свойства материалов выделяются как существенная проблема в контексте глобального рынка пьезоэлектрических систем сбора энергии. Пьезоэлектрические системы сбора энергии основаны на специализированных материалах, которые могут преобразовывать механические вибрации в электрическую энергию. Хотя эти материалы обладают уникальными свойствами, которые делают их подходящими для этой цели, необходимо решить несколько проблем, связанных со свойствами материалов, чтобы способствовать широкому внедрению этих систем. Одной из основных проблем является поиск материалов, которые обеспечивают правильный баланс между эффективностью, долговечностью и экономической эффективностью. Пьезоэлектрические материалы должны обладать высоким пьезоэлектрическим коэффициентом, который определяет их способность эффективно преобразовывать механическую энергию в электрическую. Достижение высокой эффективности имеет решающее значение для максимизации энергии, собираемой из вибраций. Однако материалы с превосходными пьезоэлектрическими свойствами могут быть дорогими и сложными для производства в больших количествах.

Долговечность является еще одним решающим фактором. Пьезоэлектрические системы сбора энергии часто используются в приложениях, где они подвергаются воздействию факторов окружающей среды, включая колебания температуры, влажность и механическое напряжение. Используемые материалы должны выдерживать эти условия без значительной деградации с течением времени. Разработка материалов, которые одновременно являются высокопьезоэлектрическими и долговечными, остается проблемой, особенно для долгосрочного применения в суровых условиях. Другим аспектом свойств материалов является выбор подходящих материалов для конкретных приложений. Различные материалы могут лучше подходить для определенных частот или амплитуд вибрации. Проблема заключается в согласовании свойств материала с характеристиками источника вибрации для обеспечения оптимальной эффективности преобразования энергии. Это требует глубокого понимания ландшафта пьезоэлектрических материалов и способности адаптировать материалы к конкретным требованиям приложения. Кроме того, доступность и поставка этих материалов могут быть проблемой. Спрос на рынке на высококачественные пьезоэлектрические материалы растет с ростом приложений по сбору энергии, что может привести к ограничениям в цепочке поставок и колебаниям цен. Кроме того, в то время как исследования продолжают совершенствовать пьезоэлектрические материалы, поиск устойчивых и экологически чистых материалов становится все более важным, учитывая всеобъемлющую цель снижения воздействия на окружающую среду при производстве энергии.

Основные тенденции рынка

Рост IoT и беспроводных сенсорных сетей

Рост IoT (Интернет вещей) и беспроводных сенсорных сетей является убедительной движущей силой, продвигающей глобальный рынок пьезоэлектрических систем сбора энергии на новые высоты. Эта тенденция трансформирует ландшафт подключенных устройств и датчиков в различных отраслях, и пьезоэлектрические системы сбора энергии играют ключевую роль в удовлетворении потребностей этих устройств в питании. Вот как распространение IoT и беспроводных сенсорных сетей движет рынком, Распространение маломощных устройствустройства IoT и беспроводные датчики, как правило, проектируются с учетом низкого энергопотребления и энергоэффективности для продления срока их службы. Пьезоэлектрические системы сбора энергии идеально дополняют это требование, предоставляя устойчивый и надежный источник энергии для этих устройств.

Сокращение замены и обслуживания батарейво многих приложениях IoT и датчиков частая замена батарей может быть логистически сложной и дорогостоящей, особенно для удаленных или недоступных устройств. Пьезоэлектрическое накопление энергии снижает или устраняет необходимость замены батарей, сокращая эксплуатационные расходы и усилия по техническому обслуживанию. Увеличенный срок службы устройствустройства IoT и датчики, работающие от пьезоэлектрических систем сбора энергии, могут работать в течение длительных периодов времени без перерыва. Эта долговечность особенно ценна в приложениях, где критически важны постоянный сбор данных и связь.

Экологическое зондированиеIoT и беспроводные сенсорные сети активно участвуют в мониторинге окружающей среды, например, в измерении качества воздуха, метеорологических станциях и контроле загрязнения. Сбор пьезоэлектрической энергии позволяет этим устройствам работать автономно в удаленных или экологически чувствительных районах, повышая качество и точность сбора данных. Умные здания и инфраструктурав приложениях для умных зданий сбор пьезоэлектрической энергии может быть интегрирован в конструкции для питания датчиков IoT для обнаружения присутствия, мониторинга температуры и управления энергопотреблением. Аналогичным образом, в инфраструктурных приложениях пьезоэлектрические материалы могут улавливать энергию от структурных колебаний мостов и дорог, повышая эффективность инициатив умных городов. Носимые устройстварынок носимых технологий процветает, и многие носимые устройства включают возможности IoT. Сбор пьезоэлектрической энергии может использоваться для питания этих носимых устройств путем использования энергии от движений владельца, что снижает необходимость в частой зарядке.

Промышленный Интернет вещей (IIoT)в промышленных условиях беспроводные сенсорные сети используются для мониторинга состояния, профилактического обслуживания и оптимизации процессов. Сбор пьезоэлектрической энергии может обеспечить автономный источник питания для этих датчиков, обеспечивая непрерывный сбор данных без простоев. Экологическая устойчивостьустройства Интернета вещей, работающие на основе сбора пьезоэлектрической энергии, способствуют экологической устойчивости, снижая зависимость от одноразовых батареек и минимизируя электронные отходы. Исследования и разработкиусилия по исследованиям и разработкам в области технологии сбора пьезоэлектрической энергии обусловлены растущим спросом со стороны секторов Интернета вещей и сенсорных сетей. Это приводит к инновациям в материалах и конструкции систем, которые еще больше повышают эффективность сбора энергии. Подводя итог, можно сказать, что рост Интернета вещей и беспроводных сенсорных сетей производит революцию в различных отраслях, и пьезоэлектрические системы сбора энергии находятся на переднем крае этой трансформации. Эти системы предлагают надежное и устойчивое решение для питания обширной сети маломощных устройств, делая их более эффективными, экономичными и экологически чистыми. Поскольку Интернет вещей продолжает расширяться, глобальный рынок пьезоэлектрических систем сбора энергии готов к существенному росту.

Достижения в области пьезоэлектрических материалов

Достижения в области пьезоэлектрических материалов готовы стать основной движущей силой роста глобального рынка пьезоэлектрических систем сбора энергии. Эти материалы лежат в основе пьезоэлектрического сбора энергии, и текущие исследования и разработки постоянно повышают их эффективность, долговечность и универсальность. Вот как достижения в области пьезоэлектрических материалов формируют рынок, Повышенная эффективностьОдним из основных преимуществ усовершенствованных пьезоэлектрических материалов является их улучшенная эффективность преобразования энергии. Исследователи разрабатывают материалы с более высокими пьезоэлектрическими коэффициентами, что означает, что они могут эффективно преобразовывать механические колебания и движения в электрическую энергию. Эта более высокая эффективность позволяет пьезоэлектрическим системам сбора энергии генерировать больше мощности из того же самого входа, что делает их более практичными и экономически эффективными.

Расширенный диапазон частотусовершенствованные пьезоэлектрические материалы могут работать в более широком диапазоне частот, что позволяет им захватывать энергию из более широкого спектра источников вибрации. Эта адаптивность имеет важное значение для различных приложений, от низкочастотных вибраций в промышленном оборудовании до высокочастотных вибраций в бытовой электронике. Долговечность и надежностьдолговечность является критическим фактором, особенно в приложениях, где пьезоэлектрические системы сбора энергии подвергаются воздействию суровых условий. Достижения в области материалов привели к появлению более надежных и долговечных вариантов, которые могут выдерживать перепады температур, влажность и механическое напряжение без существенного ухудшения. Это повышает надежность и долговечность этих систем.

Миниатюризацияпо мере того, как тенденция к созданию более мелких и компактных устройств продолжается, пьезоэлектрические материалы также развиваются, чтобы соответствовать этим требованиям. Современные материалы могут быть адаптированы для миниатюрных приложений, что позволяет интегрировать возможности сбора энергии в более мелкие и эффективные устройства, такие как носимые устройства и датчики IoT. Настройка и адаптацияисследователи разрабатывают пьезоэлектрические материалы, которые можно настраивать и адаптировать для конкретных приложений. Эта гибкость позволяет оптимизировать материалы для соответствия характеристикам вибрации и требованиям различных отраслей и вариантов использования.

Устойчивостьдостижения в области материалов также сосредоточены на устойчивости. Экологичные и не содержащие свинца пьезоэлектрические материалы разрабатываются для соответствия экологическим нормам и целям устойчивости. Экономически эффективные решенияхотя высокопроизводительные материалы имеют важное значение, исследователи также изучают экономически эффективные решения, чтобы сделать пьезоэлектрические системы сбора энергии более доступными. Это включает в себя поиск правильного баланса между производительностью и доступностью. Интеграциясовременные пьезоэлектрические материалы можно более бесшовно интегрировать в различные структуры и устройства, повышая их практичность и универсальность. Эта возможность интеграции открывает новые возможности для сбора энергии в инфраструктуре, зданиях и даже одежде.

В заключение следует отметить, что достижения в области пьезоэлектрических материалов находятся на переднем крае инноваций на мировом рынке систем сбора пьезоэлектрической энергии. Эти материалы являются ключом к повышению эффективности, надежности и устойчивости систем сбора энергии, расширяя их применимость в различных отраслях и стимулируя рост рынка. По мере продолжения исследований в этой области мы можем ожидать еще более захватывающих разработок и приложений в будущем.

Сегментарные идеи

Технологические идеи

Сбор световой энергии будет доминировать на рынке, рынок систем сбора пьезоэлектрической энергии разделен на сбор световой энергии и сбор электромагнитной энергии. В 2019 году технология сбора световой энергии занимала наибольшую долю рынка систем сбора энергии. Рост сбора световой энергии также объясняется увеличением числа компаний, занимающихся производством солнечных продуктов для автоматизации зданий, бытовой электроники и приложений безопасности. В то время как электромагнитный сбор энергии преобразует энергию потока в электрическую энергию с помощью потока жидкости и электромагнитной индукции. Разработана модель конечных элементов для оценки генерируемого напряжения сборщика энергии.

Региональные данные

Ожидается, что Северная Америка будет доминировать на рынке в течение прогнозируемого периода. Благодаря постоянному и быстрому техническому прогрессу в регионе, Северная Америка стала самым важным рынком для инвестиций в автоматизацию зданий и домов, которые используют возобновляемые источники энергии и стимулируют спрос на системы сбора энергии.

Большая часть доходов региона поступила из Соединенных Штатов. Благодаря намерению администрации сделать страну энергонезависимым государством и процветающим промышленным и транспортным секторам, ожидается, что отрасль испытает значительное расширение.

По сравнению с другими рынками, на североамериканском рынке наблюдается высокий уровень внедрения промышленного Интернета вещей, что повышает потребность в системах сбора энергии.

Правительственные программы по сокращению выбросов энергии устаревшими и общественными зданиями также способствовали этому росту. Например, в 50 самых энергоемких зданиях федерального правительства будут установлены сложные и интеллектуальные строительные технологии благодаря соглашению, подписанному Управлением общих служб США с IBM.

Кроме того, запуск проекта «Умные города» изменил местную рыночную среду. Помимо проведения мероприятий по содействию сотрудничеству и обмену знаниями между городами, предприятиями и колледжами, участвующими в создании умных городов по всей стране, эти усилия также включают различные гранты и пакеты финансирования.

Последние разработки

• В сентябре 2022 года E-Peas SA и Energous Corporation объявили о запуске нового оценочного комплекта для беспроводного сбора энергии, разработанного для приложений сбора энергии для умных зданий/умных домов, промышленного IoT, медицины и трекеров активов для розничной торговли и складов. В комплект входит передатчик WattUp PowerBridge мощностью 1 Вт, обеспечивающий беспроводное решение, позволяющее производителям устройств реализовывать беспроводную передачу энергии и питания на ряде подключенных устройств, а также две оценочные платы от e-peasоценочная плата AEM30940 RF и оценочная плата оптимизированной антенны для сбора энергии EP112.

Ключевые игроки рынка

• Powercast Corporation
• Texas Instruments Incorporated
• Fujitsu Limited
• ABB Ltd.
• Honeywell International Inc.
• STMicroelectronics NV
• EnOcean GmbH
• Voltree Power Inc.
• Bionic Power Inc.
• Energy Partners.