Ympäristöystävällinen pietsosähköinen energiankeruu esineiden internetissä

Abstract

Esineiden internetiin (IoT) kytkettyjen laitteiden määrän kasvaessa räjähdysmäisesti ympäristönäkökulmien merkitys laitteiden virrantuotannossa korostuu entisestään. Pietsosähköinen energiankeruu nähdään vaihtoehtona perinteisille akuille ja paristoille, minkä seurauksena alaan liittyvä tutkimuskirjallisuus on merkittävässä nosteessa. Tulevaisuudessa pietsosähköiset materiaalit erottuvat toisistaan entistä enemmän ympäristövaikutustensa perusteella, mutta tästä huolimatta ympäristöystävällisiä pietsosähköisiä materiaaleja ja niiden ominaisuuksia ei ole kartoitettu kattavasti. Tässä tutkielmassa selvitettiin, mitä pietsosähköisiä materiaaleja alan tutkimuskirjallisuudessa pidetään ekologisina ja millaisia erityispiirteitä näillä materiaaleilla on IoT-laitteiden energiantuotannon kannalta. Tutkimus toteutettiin systemaattisena kirjallisuuskartoituksena, jonka aineistoon valikoitui tietokantahakujen myötä lopulta yhteensä 172 tutkimusartikkelia. Nämä artikkelit luokiteltiin ennalta määritellyn tiedonkeruukaavion mukaisesti julkaisutietojen, energiankeruuominaisuuksien ja ympäristöystävällisyyden perusteella. Tutkimuksessa havaittiin, että ympäristöystävällinen pietsosähköinen energiankeruu IoT:ssa sisältää laajan kirjon erilaisia materiaaleja, energiankeräysrakenteita ja mahdollisia energianlähteitä. Aineiston tutkimukset olivat pääsääntöisesti tieteellisissä aikakauslehdissä julkaistuja validointitutkimuksia. Tutkimusten julkaisumäärissä havaittiin merkittävää kasvua erityisesti vuodesta 2019 lähtien, mikä heijastelee kasvavaa kiinnostusta uudenlaisia pietsosähköisiä materiaaleja kohtaan. Tutkimuskentällä ympäristöystävällisinä pietsosähköisinä materiaaleina pidetään erityisesti niitä, jotka ovat yhteensopivia kansainvälisten lyijyttömyysdirektiivien kanssa, mikä luo erityisen haasteen alalle, jonka suosituin materiaali on lyijy-zirkonaatti-titanaatti (PZT).

As the number of devices connected to the Internet of Things (IoT) increases exponentially, the significance of environmental perspectives in the power generation of these devices becomes even more important. Piezoelectric energy harvesting is seen as an alternative to traditional primary and secondary batteries, resulting in a significant rise in related research literature. In the future piezoelectric materials will increasingly differ from each other based on their environmental impacts, yet environmentally friendly piezoelectric materials and their properties have not been comprehensively mapped. This thesis investigated which piezoelectric materials are considered ecological in the field's research literature and what special features these materials have in terms of energy production for IoT devices. The research was conducted as a systematic mapping study, in which a total of 172 research articles were finally selected as a result of database searches. These articles were classified according to a predefined data extraction form based on publication information, energy harvesting properties and eco-friendliness. The study found that environmentally friendly piezoelectric energy harvesting in IoT includes a wide range of materials, energy harvesting structures and potential energy sources. The majority of the studies in the dataset were validation research published in scientific journals. The study found a significant increase in the number of publications, especially since 2019, reflecting a growing interest in new types of piezoelectric materials. The research field mainly considers those piezoelectric materials environmentally friendly which are compatible with international lead-free directives. This poses a special challenge for the field, whose most popular material is lead zirconate titanate (PZT).