基于压电材料的振动能量回收技术现状综述

  力频率适中时, 并联压电双晶片输出的能量较高; 当 负载阻抗和激振力频率较高时, 串联压电双晶片输 出的能量较高。 Jiang 等 也对压电双晶片能量回收效率进行 了研究。通过对压电双晶片( 其悬臂梁末端增加质 量块) 结构建立了一个数学模型, 在此基础上研究了 压电双晶片物理和结构参数的变化与能量回收效率 的关系。研究根据结果得出, 如果同时减少弹性梁的厚 度并增加质量块的质量, 压电双晶片的共振频率将 明显降低, 当压电双晶片处于共振状态时, 输出能量 最大。Ander son 等 通过 改变悬臂 梁的长度、 宽 度和质量块的大小, 得出质量块的质量对能量回收 效率的影响最大。M at eu 和 M oll[ 22] 研究了 3 种形 式的压电结构: 1) 同质压电双晶片, 即由 2 个压电片互相贴在 一起构成的悬臂梁。 2) 通常的压电双晶片, 即 2 个压电片贴于 1 个 非压电材料的悬臂梁上、 下表面。 3) 压电单晶片, 即 1 个压电片贴于 1 个非压电 材料的悬臂梁上。研究表明, 在压电材料体积相同 条件下, 通常的压电双晶片输出电能最大, 这是由于 在这种结构中压电材料与中性层最远, 由材料力学 可知, 这样会使压电材料上的应变更大, 最终提高了 输出电能。C. L. Zhang 等 [ 23] 研究了在压电电磁复 合材料梁上粘贴压电材料, 形成的压电悬臂梁在低 频激励时的能量转换效率。 另一个提高压电能量回收效率的结构是将许多 压电元件叠加, 被称为堆栈结构。P latt 等 [ 24] 将约 145 个压电陶瓷薄片叠堆起来, 压电片上电压输出 采用 并联 连 接, 压电 叠 堆的 上、 表 面为 边 长为 下 1 cm 的正方形, 叠堆高度为 1. 8 cm。为了进行实 验比较, 又制作了直径为 1 cm、 高度为 2 cm 的单 层压电圆柱体。实验表明, 当负载阻抗与压电发电 装置阻抗相匹配, 一样体积下的压电叠堆和单层压 电圆柱体产生的能量相等, 但与压电叠堆式相匹配 的负载阻值约为几千欧, 而与单层压电圆柱体相匹 配的负载阻值约为几吉欧。这样, 压电叠堆结构比 单层压电圆柱体结构更实用。T hiag o 等[ 25] 研究了 压电叠堆在宽 频和随机激励条件下的 能量回收效 率, 研究根据结果得出, 压电叠堆的平均输出能量取决于 激励源的频率变化速率、 中小频率和频率范围。

  由于压电陶瓷硬而脆, 通常在实际应用时, 将其 黏贴在振动提取机械结构上, 如典型的悬臂梁结构。 这样, 周围振动的机械能首先通过振动提取结构传 递到压电材料上, 使其变形, 利用正压电效应产生电 能。为了更好的提高能量转化的效率, 就需对振动提取结 构来优化设计, 并选取机电耦合性能高的压电材 料或对二者进行整体优化。同时由于压电陶瓷输出 的电能是交流电, 这就需要优化设计一个接口电路 来高效地回收电能。由此可见, 基于压电材料的振 动能量回收技术涉及结构设计、 材料、 力学、 电学等

  摘 要: 随着微机电系统( M EM S) 技术的迅 猛发展, 基 于压电 振动的 能量回收 技术可 以为 M EM S 提 供电能, 受到 国内外众多学者的关注。该文介绍了压电式振动能量回收装置的工作机理; 分别从能 量回收装 置的结构和 材 料、 能量转化的接口电路、 能量的存储技术、 能量回收的应用实例等 方面系统的介绍国内外 的主要研 究成果和研 究 进展; 并对压电振动能量回收技术的发展趋势进 行了预测。 关键词: 微机电系统( M EM S) ; 能量回收; 压电材料; 振动 中图分类号: T M 619 文献标识码: A

  的静电式。 3) 利用压电材料的压电效应将振动机械能转 换为电能的压电式。与静电式和电磁式相比, 压电 式可达到相比来说较高的功率密度。另外, 压电式能量 回收装置由于结构相对比较简单, 易于系统集成和微型化, 这 一点在微机电系统( MEM S) 中至关重要。 过去十几年中, 得益于现代无线技术和低功耗 电子学中 MEM S 技术的迅猛发展, 基于压电振动的 能量回收技术慢慢的受到国内外众多学者的关注。 利用压电材料来能量回收的研究大多分布在于结构 和材料、 接口电路和储存元件、 应用 3 个方面 。本 文将分别从能量回收装置( 结构和材料) 、 能量转化 ( 接口电路) 及存储技术、 能量回收的应用实例等方 面, 系统地介绍国内外的主要研究成果和研究进展, 这对我国压电能量回收技术的研究具有较大的借鉴 意义。

  自然环境中存在着太阳能、 温差能、 振动能或噪 声能等多种形式的能量。如果能获取周围环境中的 能量, 就能用来替代电池或对电池进行充电。通常 把利用一种系统从周围环境中获取能量并将其转化 为可利用能量的过程叫做能量回收。其中太阳能和 温差能的单位体积内的包含的能量较高 , 但由于太阳能电池和温 差供能技术受到自然条件的限制而难以大范围的应用。 在自然环境中的机械振动却几乎处处存在, 目前已 开展的能量回收技术的研究根据结果得出, 从机械振动 中获取能量是切实可行的。虽然用这种技术只能产 生小级别的电力, 一般在微瓦级到毫瓦级之间, 但对 于微功耗系统已足够了 [ 3] 。目前振动能量回收技术 研究大致上可以分为 3 种类型 : 1) 利用电磁换能装置将振动机械能转换为电 能的电磁式。 2) 利用静电发生器将振动机械能转换为电能

  采用电池供电。电池使用寿命有限, 需定期为电子设备 更换电池或为电池充电。但在某一些场合下更换电池 或为电池充电是一项成本很高甚至不可能完成的工 作。如在无线传感网络中大量的节点被置于建筑物 上, 用于建筑物的结构健康监测传感器, 还有追踪野 生动物的定位节点, 即全球定位系统( GPS ) 。当电 池的能量耗尽时, 需取回传感器, 更换电池。因此, 运行一个由数千个节点组成的无线传感器网络就需 常更换大量的电池, 一方面使无线传感网络的使用 成本过高, 影响了状态监测技术的应用和发展, 另一 方面大量的废弃电池对环境也会造成一定的污染。 所以, 开展新 的无线 供能 技术 研究己 成为 当务 之 急[ 1] 。

  材料的正压电效应。压电效应是材料中一种机械能 与电能互换的现象。压电效应有正、 逆压电效应两 种。当晶体受到某固定方向外界的力的作用时, 内部就产 生电极化现象, 同时在某两个表面上产生符号相反 的电荷; 当外力撤销后, 晶体又 恢复到不带电 的状 态; 当外界的力的作用方向改 变时, 电 荷的极性也随 之改 变; 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 这种现象称为正压电效应, 其作用机理如图 1 所示。

  的两种耦合工作模式。d 31 模式是作用力方向与极 化方向垂直, 其典型的结构及形式为悬臂梁结构, 即由 于梁的弯曲振动使黏贴在梁上的压电片受拉伸或压 缩, 由此产生电能; d 33 模式为作用力的方向与极化 方向相同, 其典型的结构及形式为由许多压电元件叠 加起来的堆栈结构。虽然 d 33 模式下的耦合系数比 d 31 模式的高, 但在不同的应 用场合, d 31 模式和 d 33 模式各自有不同的优势。Baker 等

  领域, 包含许多关键技术。具体来说, 最重要的包含高性 能的压电材料研究、 高效机电耦合工作模式研究、 双 层或多层压电结构的研究、 振动提取结构研究、 系统 共振频率调节方法研究和能量转换及存储技术等几 个方面。

  2. 1 高性能的压电材料研究 压电材料的选择对压电能量回收系统的性能有 至关重要的影响。目前, 最常用的压电材料是锆钛 酸铅( P ZT ) 。虽然 P ZT 型的压电材料应用最为广 泛, 但由于 PZ T 陶瓷易碎的特性, 使 PZT 压电片在 压电能量回收系统的应用受限, 即不能承受大应变。 另外, L ee 等[ 5] 研究表明, 在高 频周期载荷作用下, 压电陶瓷极易产生疲劳裂纹, 发生脆性断裂。 另一 种 常 用 的 压 电 材 料 为 聚 偏 氟 乙 稀 ( P VDF ) [ 6- 7] 。PVDF 是一种压电聚合体, 与 PZT 相 比, 其 具 有 良 好 的 柔 韧 性。L ee 等[ 8- 9] 研 究 表 明 P VDF 更适合应用于高频周期载荷作用下的场合。 由于 PV DF 的良好柔韧性, 使其常规使用的寿命更长, 这 样回收能量必然更多。 Adrien Badel[ 10] 等人比较了压电单晶与压电陶 瓷在振动能量回收系统中的性能, 研究之后发现在使用 相同能量回收接口电路的条件下, 压电单晶的回收 能量比压电陶瓷高 20 倍以上。 M oham madi 等 研究了一种压电纤维复合材 料, 它由不同直径的压电纤维和环氧树脂构成。对 由 40% 的 不 同 直 径 的 压 电 纤 维 ( 15 m, 45 m, 120 m 和 250 m) 和 60% 的环氧树 脂构成的复合材料矩形梁进行了实验研究, 研究结 果表明, 矩形梁越厚, 承受变形力越强; 压电纤维 的直径越小, 压电系数越大, 介电常数越小, 能量回 收系统的回收功率越高, 能量转化效率越高。Chu richil 等[ 12] 也对包含直径为 250 m 的压电纤维 复合材料进行 了实验研究。Sodano 等 比较 了 3 种压电 材料 的性 能, 即 P ZT 、 电纤 维 复 合材 料 压 ( M FC) 和 A CX 公司的压电纤维双晶片( QP ) 器件。 研究表明 Q P 器件的能量转换效率比 M F C 要高, 而 P ZT 在 3 种压电材料中能量转换效率最高。 2. 2 机械结构研究 2. 2. 1 高效机电耦合工作模式研究 提高能量回收效率的另一种方法是采用更有效 率的耦合工作模式, 其中 d 31 模式和 d 33 模式是常用

  收稿日期: 2010 -24 -08 基金项目: 江苏省科技型中小企业创新资金资助项目( BC2009232) 作者简介: 边义祥( 1973 ) , 男, 江苏沭阳人, 讲师, 博士, 主要是做能量回收、 智能传感器及智能驱动器的研究。