基于mems的能量回收技術(shù)

基于mems的能量回收技術(shù)

0振動能量回收技術(shù)目前，大多數(shù)便攜式電子和無線傳感器都采用電池電源。電池壽命有限,需定期為電子設(shè)備更換電池或為電池充電。但在某些場合下更換電池或為電池充電是一項成本很高甚至不可能完成的工作。如在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中大量的節(jié)點被置于建筑物上,用于建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器,還有追蹤野生動物的定位節(jié)點,即全球定位系統(tǒng)(GPS)。當(dāng)電池的能量耗盡時,需取回傳感器,更換電池。因此,運行一個由數(shù)千個節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就需常更換大量的電池,一方面使無線傳感網(wǎng)絡(luò)的使用成本太高,影響了狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,另一方面大量的廢棄電池對環(huán)境也會造成一定的污染。所以,開展新的無線供能技術(shù)研究己成為當(dāng)務(wù)之急。自然環(huán)境中存在著太陽能、溫差能、振動能或噪聲能等多種形式的能量。如果能獲取周圍環(huán)境中的能量,就能用來替代電池或?qū)﹄姵剡M行充電。通常把利用一種系統(tǒng)從周圍環(huán)境中獲取能量并將其轉(zhuǎn)化為可利用能量的過程叫做能量回收。其中太陽能和溫差能的能量密度較高,但由于太陽能電池和溫差供能技術(shù)受到自然條件的限制而難以廣泛應(yīng)用。在自然環(huán)境中的機械振動卻幾乎處處存在,目前已開展的能量回收技術(shù)的研究結(jié)果表明,從機械振動中獲取能量是切實可行的。雖然用這種技術(shù)只能產(chǎn)生小級別的電力,一般在微瓦級到毫瓦級之間,但對于微功耗系統(tǒng)已足夠了。目前振動能量回收技術(shù)研究主要分為3種類型:1)利用電磁換能裝置將振動機械能轉(zhuǎn)換為電能的電磁式。2)利用靜電發(fā)生器將振動機械能轉(zhuǎn)換為電能的靜電式。3)利用壓電材料的壓電效應(yīng)將振動機械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電式。與靜電式和電磁式相比,壓電式可達到相對較高的功率密度。另外,壓電式能量回收裝置由于結(jié)構(gòu)簡單,易于系統(tǒng)集成和微型化,這一點在微機電系統(tǒng)(MEMS)中至關(guān)重要。過去十幾年中,得益于現(xiàn)代無線技術(shù)和低功耗電子學(xué)中MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展,基于壓電振動的能量回收技術(shù)越來越受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。利用壓電材料進行能量回收的研究主要集中于結(jié)構(gòu)和材料、接口電路和儲存元件、應(yīng)用3個方面。本文將分別從能量回收裝置(結(jié)構(gòu)和材料)、能量轉(zhuǎn)化(接口電路)及存儲技術(shù)、能量回收的應(yīng)用實例等方面,系統(tǒng)地介紹國內(nèi)外的主要研究成果和研究進展,這對我國壓電能量回收技術(shù)的研究具有較大的借鑒意義。1振動能量回收關(guān)鍵技術(shù)壓電能量回收系統(tǒng)的電能產(chǎn)生機理是基于壓電材料的正壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是材料中一種機械能與電能互換的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)有正、逆壓電效應(yīng)兩種。當(dāng)晶體受到某固定方向外力作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當(dāng)外力撤去后,晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài);當(dāng)外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng),其作用機理如圖1所示。由于壓電陶瓷硬而脆,通常在實際應(yīng)用時,將其黏貼在振動提取機械結(jié)構(gòu)上,如典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)。這樣,周圍振動的機械能首先通過振動提取結(jié)構(gòu)傳遞到壓電材料上,使其變形,利用正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能。為了提高能量轉(zhuǎn)化的效率,就需對振動提取結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,并選取機電耦合性能高的壓電材料或?qū)Χ哌M行整體優(yōu)化。同時由于壓電陶瓷輸出的電能是交流電,這就需要優(yōu)化設(shè)計一個接口電路來高效地回收電能。由此可見,基于壓電材料的振動能量回收技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、力學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域,包含許多關(guān)鍵技術(shù)。具體來說,主要包括高性能的壓電材料研究、高效機電耦合工作模式研究、雙層或多層壓電結(jié)構(gòu)的研究、振動提取結(jié)構(gòu)研究、系統(tǒng)共振頻率調(diào)節(jié)方法研究和能量轉(zhuǎn)換及存儲技術(shù)等幾個方面。2能源回收的關(guān)鍵技術(shù)2.1壓電纖維復(fù)合材料壓電材料的選擇對壓電能量回收系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。目前,最常用的壓電材料是鋯鈦酸鉛(PZT)。雖然PZT型的壓電材料應(yīng)用最為廣泛,但由于PZT陶瓷易碎的特性,使PZT壓電片在壓電能量回收系統(tǒng)的應(yīng)用受限,即不能承受大應(yīng)變。另外,Lee等研究表明,在高頻周期載荷作用下,壓電陶瓷極易產(chǎn)生疲勞裂紋,發(fā)生脆性斷裂。另一種常用的壓電材料為聚偏氟乙稀(PVDF)。PVDF是一種壓電聚合體,與PZT相比,其具有良好的柔韌性。Lee等研究表明PVDF更適合應(yīng)用于高頻周期載荷作用下的場合。由于PVDF的良好柔韌性,使其使用壽命更長,這樣回收能量必然更多。AdrienBadel等人比較了壓電單晶與壓電陶瓷在振動能量回收系統(tǒng)中的性能,研究發(fā)現(xiàn)在使用相同能量回收接口電路的條件下,壓電單晶的回收能量比壓電陶瓷高20倍以上。Mohammadi等研究了一種壓電纖維復(fù)合材料,它由不同直徑的壓電纖維和環(huán)氧樹脂構(gòu)成。對由40%的不同直徑的壓電纖維(?15μm,?45μm,?120μm和?250μm)和60%的環(huán)氧樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料矩形梁進行了實驗研究,研究結(jié)果表明,矩形梁越厚,承受變形能力越強;壓電纖維的直徑越小,壓電系數(shù)越大,介電常數(shù)越小,能量回收系統(tǒng)的回收功率越高,能量轉(zhuǎn)化效率越高。Churichil等也對包含直徑為?250μm的壓電纖維復(fù)合材料進行了實驗研究。Sodano等比較了3種壓電材料的性能,即PZT、壓電纖維復(fù)合材料(MFC)和ACX公司的壓電纖維雙晶片(QP)器件。研究表明QP器件的能量轉(zhuǎn)換效率比MFC要高,而PZT在3種壓電材料中能量轉(zhuǎn)換效率最高。2.2機結(jié)構(gòu)研究2.2.1對壓電能量回收系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化提高能量回收效率的另一種方法是采用更有效率的耦合工作模式,其中d31模式和d33模式是常用的兩種耦合工作模式。d31模式是作用力方向與極化方向垂直,其典型的結(jié)構(gòu)形式為懸臂梁結(jié)構(gòu),即由于梁的彎曲振動使黏貼在梁上的壓電片受拉伸或壓縮,從而產(chǎn)生電能;d33模式為作用力的方向與極化方向相同,其典型的結(jié)構(gòu)形式為由許多壓電元件疊加起來的堆棧結(jié)構(gòu)。雖然d33模式下的耦合系數(shù)比d31模式的高,但在不同的應(yīng)用場合,d31模式和d33模式各自有不同的優(yōu)勢。Baker等的研究表明,當(dāng)激勵力較小或低振動幅度的環(huán)境下,d31模式的懸臂梁結(jié)構(gòu)更有效率;而在強激勵環(huán)境中,如重型制造設(shè)備或大型工作機器,d33模式下的壓電疊堆更可靠,且可產(chǎn)生更多的能量。Roundy給出了相同的結(jié)論。Yang等對d33模式下壓電盤進行了數(shù)值分析研究。得出了壓電盤的輸出功率與機電耦合系數(shù)和介電常數(shù)成正比的結(jié)論。Richards等做了相似的研究,建立了壓電能量回收系統(tǒng)的機電耦合系數(shù)、機械品質(zhì)因數(shù)(Qm)和轉(zhuǎn)換效率間的數(shù)學(xué)模型。研究表明,若要提高能量回收效率,能量回收系統(tǒng)需要適當(dāng)?shù)臋C電耦合系數(shù)和大的Qm。這是因為在一個高Qm振動系統(tǒng)中,其以熱能流失的能量很少,即給能量回收系統(tǒng)提供的機械能量就多。這樣為了提高能量回收效率,系統(tǒng)的Qm是一個重要的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。Cho等對壓電能量回收系統(tǒng)的機電耦合系數(shù)進行了優(yōu)化研究。Cho等選取PZT壓電薄膜結(jié)構(gòu)能量回收系統(tǒng)建立一個分析模型,理論預(yù)測了電極面積與機電耦合系數(shù)關(guān)系,實驗研究了電極面積、壓電薄膜厚度對機電耦合系數(shù)的影響。2.2.2壓電制備的質(zhì)量對能量回收效率的影響雙層或多層壓電結(jié)構(gòu)可提高壓電體的有效容積,從而實現(xiàn)小體積高回收效率的壓電能量回收系統(tǒng)。Ng和Liao對一種壓電單晶片和兩種壓電雙晶片進行了研究。第一種壓電雙晶片是將2個壓電片電壓輸出串聯(lián)相連,而第二個壓電片是將2個壓電片電壓輸出并聯(lián)相連,其3種壓電結(jié)構(gòu)如圖2所示。研究結(jié)果表明,當(dāng)負(fù)載小和激振力頻率較低時,壓電單晶片產(chǎn)生的能量較高;當(dāng)負(fù)載阻抗和激振力頻率適中時,并聯(lián)壓電雙晶片輸出的能量較高;當(dāng)負(fù)載阻抗和激振力頻率較高時,串聯(lián)壓電雙晶片輸出的能量較高。Jiang等也對壓電雙晶片能量回收效率進行了研究。通過對壓電雙晶片(其懸臂梁末端增加質(zhì)量塊)結(jié)構(gòu)建立了一個數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上研究了壓電雙晶片物理和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與能量回收效率的關(guān)系。研究結(jié)果表明,如果同時減少彈性梁的厚度并增加質(zhì)量塊的質(zhì)量,壓電雙晶片的共振頻率將顯著降低,當(dāng)壓電雙晶片處于共振狀態(tài)時,輸出能量最大。Anderson等通過改變懸臂梁的長度、寬度和質(zhì)量塊的大小,得出質(zhì)量塊的質(zhì)量對能量回收效率的影響最大。Mateu和Moll研究了3種形式的壓電結(jié)構(gòu):1)同質(zhì)壓電雙晶片,即由2個壓電片互相貼在一起構(gòu)成的懸臂梁。2)通常的壓電雙晶片,即2個壓電片貼于1個非壓電材料的懸臂梁上、下表面。3)壓電單晶片,即1個壓電片貼于1個非壓電材料的懸臂梁上。研究表明,在壓電材料體積相同條件下,通常的壓電雙晶片輸出電能最大,這是由于在這種結(jié)構(gòu)中壓電材料與中性層最遠,由材料力學(xué)可知,這樣會使壓電材料上的應(yīng)變更大,最終提高了輸出電能。C.L.Zhang等研究了在壓電電磁復(fù)合材料梁上粘貼壓電材料,形成的壓電懸臂梁在低頻激勵時的能量轉(zhuǎn)換效率。另一個提高壓電能量回收效率的結(jié)構(gòu)是將許多壓電元件疊加,被稱為堆棧結(jié)構(gòu)。Platt等將約145個壓電陶瓷薄片疊堆起來,壓電片上電壓輸出采用并聯(lián)連接,壓電疊堆的上、下表面為邊長為1cm的正方形,疊堆高度為1.8cm。為了進行實驗比較,又制作了直徑為?1cm、高度為2cm的單層壓電圓柱體。實驗表明,當(dāng)負(fù)載阻抗與壓電發(fā)電裝置阻抗相匹配,相同體積下的壓電疊堆和單層壓電圓柱體產(chǎn)生的能量相等,但與壓電疊堆式相匹配的負(fù)載阻值約為幾千歐,而與單層壓電圓柱體相匹配的負(fù)載阻值約為幾吉歐。這樣,壓電疊堆結(jié)構(gòu)比單層壓電圓柱體結(jié)構(gòu)更實用。Thiago等研究了壓電疊堆在寬頻和隨機激勵條件下的能量回收效率,研究結(jié)果表明,壓電疊堆的平均輸出能量取決于激勵源的頻率變化速率、中小頻率和頻率范圍。闞君武等建立了單、雙晶壓電梁發(fā)電能力的仿真分析模型,研究了結(jié)構(gòu)尺寸、激勵方式及材料性能等對其發(fā)電能力的影響規(guī)律,分別得出了不同基板材料的最佳厚度比和材料彈性模量比對發(fā)電量的影響。袁江波等研究了對壓電晶體與磷青銅基板材料的厚度比對單晶壓電片輸出電能的影響。賀學(xué)鋒等研究了振動式壓電發(fā)電機的諧振頻率和輸出功率等參數(shù)的關(guān)系,改進了Roundy等以懸臂梁末端撓度為自由度的理論模型。李艷寧等的研究表明,在設(shè)計壓電振動能量采集裝置時,可采用適當(dāng)增加質(zhì)量塊質(zhì)量和減小梁長度的方式,來滿足整體結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中實現(xiàn)低頻諧振、獲得較大功率輸出的設(shè)計要求。魏雙會等提出了一種新的壓電發(fā)電器模型建立方法,運用該方法分別推導(dǎo)出2種結(jié)構(gòu)(壓電雙晶片和壓電堆棧)的性能參數(shù)表達式,實驗數(shù)據(jù)與表達式計算結(jié)果較吻合,證明表達式可用于壓電發(fā)電器的性能預(yù)測。2.2.3壓電能量回收裝置矩形壓電懸臂梁是能量回收裝置中最常用的振動提取結(jié)構(gòu)形式。同時國內(nèi)外很多研究者也對其他的結(jié)構(gòu)形式進行了研究,用來優(yōu)化傳統(tǒng)矩形結(jié)構(gòu)形式和提高能量回收效率。Mateu和Moll對矩形和三角形的壓電懸臂梁進行了比較研究,得到了三角形懸臂梁單位面積回收的能量比矩形懸臂梁多的結(jié)論。謝濤等對矩形、梯形和三角形的壓電懸臂梁電荷靈敏度進行了研究,分別建立矩形、梯形和三角形壓電懸臂梁電荷靈敏度的數(shù)學(xué)模型,研究表明,在相同激勵作用下,三角形壓電懸臂梁具有最高的電荷靈敏度,回收能量最大。胡洪平等提出了一種低頻螺旋狀壓電雙晶片能量回收裝置結(jié)構(gòu),與懸臂梁型結(jié)構(gòu)相比,螺旋狀能量回收結(jié)構(gòu)具有工作頻率低,便于微型化和使用壽命長等特點。Baker等分別制作了相同體積的矩形懸臂梁和梯形懸臂梁,如圖3所示。實驗表明,梯形壓電懸臂梁比矩形懸臂梁輸出能量提高了30%。上述研究主要是對矩形、梯形或三角形壓電懸臂梁進行研究。Ericka等對圓盤式壓電薄膜能量回收裝置進行了研究,研究表明,壓電薄膜能量回收系統(tǒng)的回收能量會隨著3個因素而增加,即工作在其共振頻率處、高加速度加載和負(fù)載匹配。Kim等人研究了一種四周固定的圓板結(jié)構(gòu)壓電能量回收裝置,其用于回收壓力產(chǎn)生的機械能。首先建立了一個包含壓電層的四周固定的圓板結(jié)構(gòu)模型,利用它來研究壓電電極配置和壓電層相對基底層厚度對回收功率的影響。在隨后的實驗研究中,驗證了理論模型的正確性。Kim等研制出了一種新型的Cymbal型壓電能量回收裝置,兩個相同的圓頂形金屬帽分別粘貼在壓電圓片兩側(cè)。這種結(jié)構(gòu)與疊堆結(jié)構(gòu)相比,圓頂形金屬帽能使壓電片上的應(yīng)力分布更均勻,從而有利于提高壓電能量回收裝置的回收效率。實驗結(jié)果表明,與其他形式的壓電能量回收裝置相比,Cymbal壓電能量回收裝置可承受較大負(fù)載的激勵,從而回收能量更高。曾平等研制了一種按壓式圓盤壓電發(fā)電裝置,其是基于壓力變化的觸發(fā)式壓電發(fā)電裝置,以按鍵方式工作。陳子光等理論研究了壓電陶瓷圓柱殼的扭轉(zhuǎn)振動問題,并且建立了輸出電壓、電流、能量、效率及輸出功率密度的解析表達式。結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)可用作壓電發(fā)電裝置,將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化成為電能。2.2.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計只有當(dāng)系統(tǒng)共振頻率與外界共振頻率一致時,壓電能量回收系統(tǒng)的回收效率才最高。Roundy開展了基于調(diào)節(jié)壓電能量回收裝置共振頻率來匹配環(huán)境振動能的方法研究。Roundy采用了兩個方法:1)主動調(diào)節(jié)頻率的方法,即通過外在的能量供給持續(xù)地對系統(tǒng)進行頻率調(diào)節(jié),使系統(tǒng)的諧振頻率與環(huán)境中的振動源頻率匹配。2)被動調(diào)節(jié),其只在開始時需要外界能量供給使系統(tǒng)頻率調(diào)整。通過對建立的數(shù)學(xué)模型進行分析,主動調(diào)節(jié)頻率方法(通過一個主動的執(zhí)行器來改變系統(tǒng)剛度或等效質(zhì)量)并不能提高系統(tǒng)回收能量。Williams通過實驗也驗證了上述結(jié)論,實驗結(jié)果表明,消耗在主動調(diào)節(jié)頻率方法上所付出的能量已超出了使用其所帶來的回收能量的增長,即得不償失。Wu等也對主動調(diào)節(jié)頻率法進行了研究。實驗表明,當(dāng)壓電雙晶片受隨機振動激勵時,平均回收功率提高了27.4%,但這一結(jié)果沒有考慮附加微控制器的功耗。為了得到完全被動的,無需外界能量就可調(diào)節(jié)系統(tǒng)共振頻率與振動源頻率相匹配的方法,Shahruz等提出了包含多根懸臂梁的壓電能量回收裝置,具體結(jié)構(gòu)形式為固定在一個振動基底上的多根不同長度和質(zhì)量塊大小的懸臂梁。這樣,多根懸臂梁的壓電結(jié)構(gòu)就有較寬的共振頻帶。Rastegar等提出了另一個思路,其有兩層結(jié)構(gòu):第一層彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)吸收低頻0.2～0.5Hz的振動,隨即傳遞到高頻的第二層懸臂梁結(jié)構(gòu)進行能量回收。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以不用調(diào)節(jié)頻率就可以吸收低頻的振動能量,但只是進行了理論分析,沒有進行實驗驗證。Marinkovic等提出一個全新的寬頻帶的壓電能量回收結(jié)構(gòu),如圖4所示。與傳統(tǒng)的懸臂梁很窄的共振頻帶相比,smarthand結(jié)構(gòu)可在160～400Hz頻率范圍內(nèi)工作,而不需調(diào)節(jié)頻率。薛歡等為了讓壓電能量回收裝置能從多頻環(huán)境振動中更有效地提取能量,提出了具有變頻功能的壓電能量回收結(jié)構(gòu)。該壓電能量回收結(jié)構(gòu)由多個不同厚度的壓電雙晶片組成,對各晶片序列進行串聯(lián)或并聯(lián),各并聯(lián)分支都設(shè)有控制開關(guān),通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)的開閉狀態(tài)進行頻率調(diào)節(jié)。數(shù)值分析結(jié)果表明,這種壓電結(jié)構(gòu)從易變環(huán)境振動中所提取的能量可達到?jīng)]有變頻功能壓電結(jié)構(gòu)所獲能量的數(shù)倍之多。2.3能量回收接口電路為了提高能量采集效率,除了對能量回收系統(tǒng)中壓電振動結(jié)構(gòu)和材料進行整體優(yōu)化外,還需對能量回收接口電路和能量存儲元件進行研究,以提高能量回收效率。2.3.1兩級接口電路的設(shè)計按Lefeuvere等的劃分,能量回收接口電路技術(shù)可分為3部分接口,如圖5所示。由于壓電回收裝置在振動下產(chǎn)生的電壓VP是交流的,這樣必須將其轉(zhuǎn)化為直流電以供后續(xù)負(fù)載使用。這個轉(zhuǎn)化就需要接口電路1,即一個整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)化為直流電,這也是標(biāo)準(zhǔn)接口,如圖6(a)所示。對回收電能的優(yōu)化可后接接口電路2,根據(jù)振動的幅度自動調(diào)節(jié)整流后的電壓VDC,即DC-DC電路。這樣接口電路1、2組成了兩級接口電路,前一級為整流電路(標(biāo)準(zhǔn)電路),后一級為負(fù)載匹配電路(DC-DC電路)。如果對壓電片兩端加上接口電路3,用來增大壓電片的電壓,即并聯(lián)SSHI接口(同步開關(guān)電感回收)和串聯(lián)SSHI接口,如圖6所示。這樣接口電路1～3組成了三級接口電路。Kim等用由一個標(biāo)準(zhǔn)接口(全橋整流器和充電電容)組成標(biāo)準(zhǔn)能量存儲電路對cymbal壓電能量回收裝置進行了實驗研究。Han等設(shè)計了一個高效的能量存儲電路,這個能量存儲電路包括兩部分:一個整流器和一個DC-DC控制電路,即由接口電路1、2組成的兩級接口電路。通過理論分析與實驗測試,采用此接口電路比標(biāo)準(zhǔn)接口電路的能量回收效率提高了400%。Ottman和Lesieutre等研究了基于降壓電壓轉(zhuǎn)換器兩級接口電路(接口電路1、2),根據(jù)激振力幅值的不同,能量自給的降壓接口電路的效率在0～70%變化,當(dāng)激振力作用在壓電能量回收裝置上并產(chǎn)生48V開路電壓時,能量自給的降壓接口電路的回收功率是標(biāo)準(zhǔn)接口電路回收功率的325%。Lefeuvre等研究了基于降-升壓電壓轉(zhuǎn)換器(Buck-Boostconverter)的兩級接口電路(接口電路1、2),實驗結(jié)果表明,這個基于Buck-Boostconverter的接口電路功耗很低,同時可對4.8V的充電電池進行高效充電,在1.6～5.5V間效率可達84%。Shenck和Paradiso等為了提高能量采集效率,研究了基于前向開關(guān)直流-直流轉(zhuǎn)換器的兩級接口電路(接口電路1和2),實驗結(jié)果表明,回收功率可達1.3mW,效率可達17.6%,為原先設(shè)計(線性開關(guān)轉(zhuǎn)換器)的兩倍。Ammar等在Ottman和Lesieutre等的研究基礎(chǔ)上,做了進一步的研究。Ottman和Lesieutre等的研究表明降壓電壓轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)占空比與激振力幅值有關(guān)。而Ammar等采用了自適應(yīng)算法,這種算法能主動改變電壓轉(zhuǎn)換器的占空比,使其最優(yōu),最終提高能量采集電路的效率。Lefeuvre等設(shè)計了一種自適應(yīng)電路,這種自適應(yīng)電路回收電能與壓電能量回收裝置的振動同步,稱為同步電荷提取(SECE)技術(shù),如圖6所示。經(jīng)過理論分析和實驗驗證,SECE接口電路輸出功率與后續(xù)電路負(fù)載無關(guān),即對任意負(fù)載的輸出功率都是最優(yōu)的,且這種方法與標(biāo)準(zhǔn)接口電路最大回收功率相比,回收功率提高400%。Djordje等設(shè)計了一種新的整流器和觸發(fā)電路,可以使整個電路在低振幅下有效工作。T.Hehn等設(shè)計的主動非線性電路能提高9%的回收效率。以上都是基于接口電路1、2的兩級接口電路對能量采集效率進行優(yōu)化設(shè)計,Lefeuvre和Guyomar等提出了并聯(lián)SSHI接口電路,即包含接口電路1、3的兩級接口電路,如圖6所示。其基本原理是在壓電元件兩端并聯(lián)同步開關(guān)電感,同步開關(guān)電感在此處的作用是增大壓電片的開路輸出電壓,壓電片上的能量仍通過整流電橋和濾波電容等進行回收。在隨后的研究中,Taylor等及Lefeuvre和Guyomar等將控制開關(guān)與壓電單元串聯(lián)連接,稱為串聯(lián)SSHI技術(shù)。其基本原理是在壓電元件兩端串聯(lián)同步開關(guān)電感,同步開關(guān)電感在此處的作用是增大壓電片的開路輸出電壓,壓電片上的能量仍通過整流電橋和濾波電容等進行回收。Lefeuvre和Guyomar等在兩種激勵條件下將這兩種電路與標(biāo)準(zhǔn)接口電路和SECE接口電路進行比較。一種激勵條件是系統(tǒng)輸入的激振力大小固定不變,另一種激勵條件是能量回收裝置的激勵振幅保持不變。理論和實驗研究表明,當(dāng)激振力的大小不變時,這4種電路的最大輸出功率相等。在激勵振幅不變的條件下,其中標(biāo)準(zhǔn)接口輸出功率最低,且與后續(xù)電路等效負(fù)載有關(guān),即只有在最優(yōu)負(fù)載時輸出功率才能達到最大。而SECE接口技術(shù)回收功率不受負(fù)載阻抗的影響,是標(biāo)準(zhǔn)接口電路最大回收功率的4倍。在最優(yōu)負(fù)載條件下兩種SSHI電路回收功率是標(biāo)準(zhǔn)接口電路最大回收功率的15倍,雖然兩種SSHI技術(shù)接口電路回收的最大功率相等,但串聯(lián)SSHI電路的最優(yōu)負(fù)載比并聯(lián)SSHI電路的最優(yōu)負(fù)載要小4個數(shù)量級,同時這也表明兩種SSHI技術(shù)接口電路與后續(xù)電路等效負(fù)載有關(guān),即只有在最優(yōu)負(fù)載時輸出功率才能達到最大。Lallart等基于接口電路1、2和3的三級接口電路對能量采集效率進行優(yōu)化設(shè)計,提出了兩次同步開關(guān)能量回收(DSSH)技術(shù)接口電路。經(jīng)理論分析和實驗驗證,DSSH技術(shù)接口電路輸出功率與后續(xù)電路負(fù)載無關(guān),即對任意負(fù)載的輸出功率都是最優(yōu)的,且這種方法與標(biāo)準(zhǔn)接口電路最大回收功率相比,回收功率提高500%。同樣,Lefeuvere等也基于接口電路1、2和3的三級接口電路提出了Ericsson接口電路。Jamil等也提出了基于電感和電阻的優(yōu)化接口電路。胡元太和薛歡等在儲能電路中引入DC-DC轉(zhuǎn)換器和能量回收結(jié)構(gòu)并聯(lián)一個SSHI,大大優(yōu)化了能量回收系統(tǒng)的性能,提高了電池的充電效率。2.3.2電容和可充電電池的儲存負(fù)荷能力能除了對能量回收接口電路進行研究外,還需對電荷存儲元件進行研究以提高存儲效率。Sodano等對電容和鎳氫電池的儲存電荷能力進行了比較。研究表明,電容可迅速的存儲回收電能,與之相反,對電池充電時速度較慢,不能立即使用回收電能,但由于其放電時間長,電池供電電壓較穩(wěn)定。Guan和Liao等也對電容和可充電電池的儲存電荷能力進行了比較。研究結(jié)果表明,超級電容的充電效率最高,能達到95%;鋰離子電池的最大充電效率是92%;鎳氫電池充電效率最低,最大可達到69%。同時比較了3種能量存儲元件的使用壽命,兩種充電電池的使用壽命僅為300～1000次,而超級電容的可充電次數(shù)理論上可達無窮。但與充電電池相比,超級電容的自放電率最高。另外,超級電容的能量密度也比充電電池的低。這樣,由于超級電容的充放電率高、使用壽命長,特別是常充電的情況下,即可忽略其自放電,超級電容作為能量存儲元件具有明顯優(yōu)勢。3屋頂技術(shù)的應(yīng)用3.1壓電能量回收裝置為了設(shè)計回收人體活動能量的壓電能量回收裝置,必須首先研究各種潛在的人體活動能量。Gonzalez等全面的研究了人體活動中潛在的機械能,將其大致劃分為兩類:1)持續(xù)的運動,如呼吸和血液流動。2)間歇的運動,如行走和上肢運動。Niu等也研究了幾種人體運動的潛在機械能。研究表明,踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀部、肘部和肩膀運動各自可產(chǎn)生69.8W、49.5W、39.2W、2.1W和2.2W能量。Renaud等重點研究了人體行走時手腕和手臂的運動能。除了研究潛在的人體運動能,已有不少研究人員理論分析和研制了回收人體活動能量的壓電能量回收裝置。Platt等研制出了一種應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)假體的壓電能量回收裝置和壓電傳感器。通過模擬人體行走時膝關(guān)節(jié)的受力情況,對該裝置進行實驗研究,回收功率可達0.85mW,這個回收功率完全可以滿足膝關(guān)節(jié)假體內(nèi)部微處理器(向外界傳輸傳感信息)的供能需要。陳虹等研究了壓電陶瓷在植入人工關(guān)節(jié)內(nèi)能量產(chǎn)生特性,首先從理論上分析了壓電陶瓷的能量產(chǎn)生特性和等效電路,并基于實驗結(jié)果利用非線性擬和算法得到其等效電路的參數(shù)擬和值。Shenck和Paradiso將壓電能量回收裝置安裝于鞋中,如圖7所示。在保證鞋的舒適性的前提下,將偏氟乙烯(PVDF)壓電材料鋪埋在鞋的前部,將預(yù)壓的PZT壓電單晶片安裝在鞋的根部。與PVDF相連的負(fù)載阻值為250kΩ,當(dāng)行走頻率為0.9Hz時,PVDF輸出的平均功率為1.3mW?；?根PZT壓電單晶片的壓電結(jié)構(gòu),平均回收的功率為8.4mW。為了進一步說明壓電發(fā)電鞋的可行性和實際意義,將RF節(jié)點(其能夠發(fā)射可識別代碼即ID)安裝在鞋后部,在行走時利用上述的壓電回收裝置為RF節(jié)點供能,這樣穿著壓電鞋就可滿足通信聯(lián)絡(luò)需求。Feenstra等在Rome等的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計了“懸掛式負(fù)重”的背包,如圖8所示。通過將20～38kg負(fù)重垂直運動時的機械能轉(zhuǎn)換成電能,正常行走時可產(chǎn)生7.4W,相當(dāng)于壓電鞋裝置(20mW)的300倍。這個發(fā)電設(shè)備可有助于科學(xué)工作者、探險者和救災(zāi)人員擺脫沉重的設(shè)備電源及電池,因此提高了他們在偏遠地區(qū)使用便攜式電子設(shè)備的能力。3.2外風(fēng)風(fēng)速下,壓電Priya等發(fā)明了一種壓電袖珍風(fēng)車,其可回收外界風(fēng)能。實驗