壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)研究綜述

1、壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)的研究摘要：信息技術(shù)的飛速發(fā)展并沒有帶動(dòng)電源技術(shù)的快速發(fā)展，電源的能量密度沒 冇明顯的提高。雖然化學(xué)能屯池因使用方便而被廣泛使用，但環(huán)境污染、回收 困難、浪費(fèi)材料等問題也口益突出。壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電機(jī)是一種持久、清潔、免 維護(hù)的新型發(fā)電裝置，壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)的研究己得到廣泛重視，在無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)自供電方面具有較廣闊的應(yīng)用前景。abstract: the rapid development of informstion technology has not led to the progress of power source, and supply cnergy density

2、 is not significantly improved. although the chemical batteries are widely used, but the disadvantage that they waste materials, pollute environment and recycle difficulty. piezoelectric vibration generator is an innovative type of persistent, clean and maintenance-free power generation device. the

3、research of piczoclcctrie ceramic tcchnology for power generation has received wide attention, which has good prospect of applications in wireless sensor networks.1、壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電原理壓電材料具有壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)是由于晶體在機(jī)械力的作用下發(fā)生形變(伸t和壓縮)而引起帶電粒子的相對(duì)位移(偏離平衡位置)，從而使得晶體的總 電矩發(fā)生變化而造成的，分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩個(gè)方面,二者耦合在一 起的。如果在壓電陶瓷上加交變屯場(chǎng)，則其就

4、會(huì)交替出現(xiàn)伸長(zhǎng)和壓縮，即發(fā)生振 動(dòng)，反z,壓電陶瓷發(fā)生機(jī)械振動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。因此，可利用機(jī)械能使壓電 陶瓷振動(dòng)發(fā)電。圖1壓電效應(yīng)原理在1942年到1945年，美國(guó)、前蘇聯(lián)及日本的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)欽酸頓(bati03) 是鐵電體，極化后具有壓電性能。欽酸領(lǐng)陶瓷的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了壓電材料的發(fā)展，它 不但使壓電材料從一些單晶體材料發(fā)展到壓電陶瓷等多品體材料，而且在壓電性 能上也有了大幅度提高。但bat%的壓電性隨溫度和時(shí)間的變化比石英晶休大， 而壓電性又比羅息鹽弱，不能滿足廣泛的應(yīng)用需求。后來人們發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)鈦酸鉛 pbzro：-pbtio3(pzt)固溶體系統(tǒng)冇非常強(qiáng)及穩(wěn)定的壓電性能。到目前，pzt系陶 瓷幾乎

5、已完全取代了 batio3系陶瓷。2、壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)和理論的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀壓電陶瓷在外力的作用下可以產(chǎn)生電荷這一現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)幾十年了，但受壓電 材料發(fā)屯能力的限制，將這部分屯荷收集、儲(chǔ)存起來用作驅(qū)動(dòng)微功率電器的電源 的研究一直很少。近年來，高集成化、低能耗電了器件和無線電射頻技術(shù)(rf, radio- frequency)的使用，為壓電發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用捉供了前捉;另一方而，隨著 材料科學(xué)和制造技術(shù)的發(fā)展，高性能、高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的壓電材料不斷出現(xiàn)，壓 電薄膜的厚度可減小到0. 02mm,利用多壓電薄膜并、串聯(lián)的方法可獲得所需要 的屯流、屯壓。s. w. arms等人研制成功的溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，該傳

6、感器能夠通過無限發(fā) 射器將檢測(cè)到的信息傳輸出去。該傳感器最大的特點(diǎn)其內(nèi)部包含了小型壓電發(fā) 電裝置，該發(fā)電裝置能夠利用環(huán)境中的振動(dòng)能發(fā)電以維持整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的工 作，因此不需要定吋更換電池或充電，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域。該模塊是一 個(gè)由質(zhì)量塊和雙壓電片懸臂梁組成的錐形彈簧系統(tǒng)，錐形懸臂梁(長(zhǎng)50mm)的設(shè) 計(jì)使壓電材料上具有幾乎相等的應(yīng)力分布，設(shè)置在懸臂梁門由端的質(zhì)量塊(250g) 能夠確保該系統(tǒng)與環(huán)境振動(dòng)處于共振狀態(tài)。2003年，由nec t0kin與日本heardea聯(lián)合開發(fā)出采用壓電發(fā)電裝置的新 型道路標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)是直徑為13.5cm的圓形，外圍有受風(fēng)的羽狀物。內(nèi)部配置了壓電轉(zhuǎn)換元件和鋼

7、球以及6個(gè)led。其原理就是通過鋼球下落時(shí)撞擊壓電轉(zhuǎn)換 元件來發(fā)電?？砂l(fā)電風(fēng)速為3m/s-6m/s,每秒發(fā)光3次，每次發(fā)光時(shí)間3ms以上。美國(guó)德克薩斯州大學(xué)的電子工程師priya發(fā)明了一種可以為無線網(wǎng)絡(luò)供電的 袖珍風(fēng)車。這種風(fēng)車周長(zhǎng)大約為10 cm,它附在一個(gè)旋轉(zhuǎn)凸輪上，當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)吋, 可使一系列壓電晶體不斷伸縮；當(dāng)壓屯材料被擠壓或伸展時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生電能。在理論研究方面，壓電發(fā)電器的理論模型對(duì)于研究壓電發(fā)電裝置的發(fā)電特 性、壓電發(fā)電裝置的性能預(yù)測(cè)以及壓電發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方而都具冇指導(dǎo)性 作用。我認(rèn)為目前構(gòu)建壓電發(fā)電裝置的兒種理論數(shù)學(xué)模型各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。主要 通過兩種方法構(gòu)建，一種是基于忽略內(nèi)

8、部電場(chǎng)的正壓電方程，推導(dǎo)壓電晶體開路 電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式。如newnham的復(fù)合陶瓷串并聯(lián)理論模型，方法簡(jiǎn)便，但是 由于模型忽略了壓電晶體內(nèi)部的電場(chǎng)對(duì)能量轉(zhuǎn)化效率的影響，導(dǎo)致得出的表達(dá)式 不能準(zhǔn)確的反應(yīng)壓電發(fā)電裝置的發(fā)電特性，另外，他的模型只能推導(dǎo)出發(fā)電裝置 開路電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式，不能討論輸出電壓、輸出電流、負(fù)載特性等重要的電源 特性參數(shù)，因此模型木身于壓電發(fā)電裝置的性能研a究和優(yōu)化設(shè)計(jì)所能發(fā)揮的作 用不大。另外一 種建模方法是用各種電學(xué)元件模擬壓電轉(zhuǎn)化及力學(xué)傳動(dòng)過程中的 各種阻尼，把壓電發(fā)電器的機(jī)械部分和電學(xué)部分分別等效成電路，用一個(gè)等效變 換器模擬壓電品體的機(jī)電藕合過程，從而把機(jī)械部分和電學(xué)

9、部分的等效電路聯(lián)系800070006000乍 5000d)總 4000 鏗盟 300020000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 結(jié)構(gòu)參數(shù)vl和扶tfu浜©(a)0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91結(jié)構(gòu)參數(shù)vl(c)匸實(shí)2值4.5x1°4(n/ofp抵糾£曰00.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.91結(jié)構(gòu)費(fèi)救vl(b)oo0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 結(jié)構(gòu)參數(shù)vl(d)"0.60.50.40.30.20.1圖2

10、j不變時(shí)，理論計(jì)算值與樣品測(cè)量值的比較（a）密度p隨v2變化的|11|線；（b）壓電簾數(shù)£ 33隨v2變化的|11|線（c）相對(duì)介電常數(shù)d33隨v 2變化的111線；（d）壓電電壓常數(shù)g隨v 2變化的曲線起來，建立模型。如roundy博士和archin c. bhatt的數(shù)學(xué)模型，是通過把 壓電發(fā)電器的機(jī)械部分和電學(xué)部分分別等效成電路、然后用一個(gè)等效變壓器將兩 部分等效電路聯(lián)系起來以模擬機(jī)電禍合的方法建立起來的。這種建模方法巧妙, 也比較準(zhǔn)確，但模擬參數(shù)在不同情況下是不同的，必須試驗(yàn)測(cè)定，給優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來了不便。國(guó)內(nèi)有研究者對(duì)國(guó)外的模型進(jìn)行了修正，比如北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的李 莉提出

11、了一種用于計(jì)算新型1-3-2型壓電陶瓷介電常數(shù)和壓電常數(shù)的理論模 型，推導(dǎo)出了復(fù)合材料的介電常數(shù)氐和壓電常數(shù)53,的計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 計(jì)算值符合較好，誤差也較小，見圖2。但是她的模型對(duì)其他的壓屯參數(shù)都沒冇 涉及到，并且公式對(duì)其他類型壓電陶瓷無通用性。個(gè)人認(rèn)為大連理工大學(xué)褚金奎教授等人捉出的壓電陶瓷數(shù)學(xué)模型更冇通 用性。他們?cè)诮?jīng)典壓電理論的基礎(chǔ)上，提出了一種新的壓電發(fā)電器建模方法，該 方法借助等效電路建立輸出電流的微分方程，求解該微分方程，再根據(jù)各性能參 數(shù)之間的關(guān)系推導(dǎo)各性能參數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式。在運(yùn)用該方法推導(dǎo)發(fā)電器性能參數(shù)表 達(dá)式中，充分考慮了內(nèi)部電場(chǎng)對(duì)壓電發(fā)電器的性能的影響，能夠準(zhǔn)確反映壓

12、電發(fā) 電器的基本特性。應(yīng)用該方法推導(dǎo)了壓電梁結(jié)構(gòu)和壓電疊堆結(jié)構(gòu)輸出電能參數(shù)表 達(dá)式，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了表達(dá)式可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壓電發(fā)電器的輸出參數(shù)。 通過對(duì)表達(dá)式分析和討論，得出壓電發(fā)電器的負(fù)載特性和材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、 外部作用參數(shù)與壓屯發(fā)屯器性能參數(shù)之間的關(guān)系，可指導(dǎo)壓屯發(fā)屯器的優(yōu)化設(shè) 計(jì)。具體推導(dǎo)過程不一一贅述，在此僅給出輸出參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：輸出電流：nd33fcotc&+2總沁訪2輸出電壓:nd33fajtcr/；+為才汎魏$sin© + (p)輸出功率：2( + 2n2a2co2ej3r2)最大功率:為了證明此數(shù)學(xué)模型的可信度，將其數(shù)學(xué)公式計(jì)算的結(jié)果與roundy

13、等人制作 的電極串聯(lián)的雙壓電片懸臂梁振動(dòng)發(fā)電裝置（該裝置梁長(zhǎng)為6.5mm、寬度3.2mm、壓電品體厚度0. 14mm、墊片厚度0.1mm,裝置的壓電品體為pzt5h,極間電容為 9. 2nfo發(fā)電器在頻率為120hz、自由端振幅為0. 173mm狀態(tài)下工作）的試驗(yàn)測(cè)量 數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)。下面所有圖屮的曲線為模型計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)位位試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)。從兩個(gè)圖中可以看出表達(dá)式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，證明模型推導(dǎo) 的輸出表達(dá)式可以較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)壓電發(fā)電裝置的性能，可以用作壓電發(fā)電裝置的優(yōu) 化設(shè)計(jì)。而r隨著負(fù)載電阻的增大，壓電發(fā)電振子的輸出電壓開始不斷增大，當(dāng) 負(fù)載電阻較小時(shí)，壓電品體的輸出電壓增大較快;隨著

14、負(fù)載電阻的不斷增大，輸 岀電壓的增大速度不斷減小，最后兒乎不再增大；壓電發(fā)電振子的輸出功率也相:x10"1411.522.53電磋r/q壓屯振動(dòng)發(fā)屯裝置輸出功率隨負(fù)載的變化關(guān)系圖4壓電振動(dòng)發(fā)電裝置輸出電壓隨負(fù)載的變化關(guān)系應(yīng)先增大后減小，有峰值出現(xiàn)，這與模型推導(dǎo)的有最大輸出功率也是一致的。雖然這個(gè)模型在數(shù)值推導(dǎo)上相較其他的理論模型冇優(yōu)勢(shì)，但是其公式所含因 變量過多，這就意味著可變因素太多，以至于在具體應(yīng)用時(shí)要針對(duì)每一個(gè)具體的 產(chǎn)甜單獨(dú)設(shè)計(jì)一套適合的操作參數(shù)以達(dá)到理想的效果。3、微型壓電陶瓷振動(dòng)發(fā)電儲(chǔ)能分析及收集電路的匹配壓電陶瓷發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能相對(duì)較小,還不能直接為大部分電路提供驅(qū)動(dòng)

15、 能量，因此，必須進(jìn)行電量的積累，才能使壓電換能器產(chǎn)生的電量能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備 提供能量。為了保證壓電換能器產(chǎn)牛的電能高效地傳輸給外設(shè)，還需對(duì)輸出端電 路進(jìn)行負(fù)載匹配。如圖5所示,通過合理的電路匹配設(shè)計(jì)，電量最終存儲(chǔ)在電容c3 中。d3為穩(wěn)壓二極管，其作用是穩(wěn)定c1和c2的并聯(lián)電壓，防止過高電壓損壞dc /dc轉(zhuǎn)換器。機(jī)械部分電氣部分圖5壓電振動(dòng)發(fā)電裝置的等效電路圖收集壓電陶瓷產(chǎn)生的電量的方法主要有2種：一是通過電容收集并儲(chǔ)存產(chǎn)生 的能量；二是利用可重復(fù)充電的電池收集儲(chǔ)存電量m o 一般電容不能長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ) 存電量，因此，用電容方法來給電路供電時(shí)，需耍壓電體不斷地產(chǎn)生電量。利用此電路為電子產(chǎn)品供電，將

16、有一個(gè)脈沖式的能量輸出，因此，該方法適 合應(yīng)用到需要短暫突發(fā)式能量供應(yīng)的設(shè)備。為了能夠盡量延長(zhǎng)電量的存儲(chǔ)吋間， 可以采用超級(jí)屯容作為壓屯發(fā)屯的儲(chǔ)能方式，其具體參數(shù)要根據(jù)實(shí)際需求來計(jì) 算?？沙潆婋姵匕╪ih和li離子等電池。nih電池的具有高電荷密度、記憶 性小、不需要典型的充電控制器和電壓校正器來組成電路等優(yōu)點(diǎn)；li離子電池 具有重量輕、壽命長(zhǎng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)。電池的選擇可以根據(jù)具體應(yīng)用的需求采用 相應(yīng)的電池?？谇?，匹配電路實(shí)現(xiàn)方法主要有靜態(tài)匹配和動(dòng)態(tài)匹配2種（包括有源和無源網(wǎng) 絡(luò)a心o但是我認(rèn)為為了實(shí)現(xiàn)電路的輸出能量最大化，還需考慮電路的自適應(yīng) 調(diào)諧。壓電振動(dòng)發(fā)電裝置作為電源，應(yīng)當(dāng)以凈輸出功

17、率最大為目標(biāo)。而且，最好 能采用低功耗的調(diào)諧技術(shù)。調(diào)諧的功耗主要包括兩部分：一部分是改變結(jié)構(gòu)參數(shù) 所消耗的功率；另一部分是信號(hào)檢測(cè)和處理器執(zhí)行控制算法所消耗的功率。壓電 陶瓷振動(dòng)發(fā)電設(shè)備不同于一般的電源，因?yàn)閴弘姴牧细嗟谋憩F(xiàn)為容性阻抗，在 優(yōu)化電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別分析純電阻負(fù)載和電容性負(fù)載時(shí)的最住匹配電阻和端電 壓，進(jìn)而進(jìn)行最大功率跟蹤。通過分析文獻(xiàn)資料可知，使用dc/dc轉(zhuǎn)換器的電 路設(shè)計(jì)要比用ac/dc轉(zhuǎn)換器的電路的功率高300%11o4、結(jié)論壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)能夠滿足環(huán)境自適應(yīng)供電的要求，具冇長(zhǎng)壽命、無污染、 免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。利用壓電陶瓷發(fā)電，要根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境, 采用不

18、同類型的壓電陶瓷和發(fā)電方式，適應(yīng)環(huán)境條件，產(chǎn)生最大的能量輸出。通過對(duì)壓電陶瓷分析，建立最佳的機(jī)電耦合模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)械電氣參數(shù)的最優(yōu) 匹配，設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)調(diào)諧能力的收集電路，制作出應(yīng)用于無線傳感節(jié)點(diǎn)的壓電 自適應(yīng)電源，將大大拓展無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的適用范圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究 在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛重視，環(huán)境能量收集技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自供電的研究 是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，而基于壓電陶瓷的振動(dòng)發(fā)電技術(shù)是其中的一個(gè)研究熱 點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外壓電陶瓷發(fā)電技術(shù)的研究對(duì)機(jī)械電氣模型和收集技術(shù)研究述不夠深 入，其換能器和收集電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步解決。參考文獻(xiàn)：1 roundy s. leland, e s. bak

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