1、陕西理工学院毕业设计题 目 基于压电材料的振动能量 收集技术研究 学生姓名 井 创 学号 1116014113 所在学院 机 械 工 程 学 院 专业班级 测控技术与仪器 1104 班 指导教师 王楠 完成地点 陕西理工学院图书馆 2015 年 5 月 30 日陕西理工学院毕业设计基于压电材料的振动能量收集技术研究井创（陕西理工学院机械工程学院测控技术与仪器 11 级 04 班，陕西 汉中 723000）指导教师：王楠摘要伴随着无线传感器网络技术和可携带器件的发展，电池续航供能成为其发展的瓶颈之一。为了获得无线生命周期的自主供电系统，利用周围环境的振动能转换为电能为电子器件供电成为亟待解决的问
2、题。其中利用压电材料把振动能转换为电能越来越受到关注，成为能量领域的研究热点。然而目前存在的问题是，等效电路模型理论有待进一步完善；器件产生的输出电压较小，器件结构有待改进；手机电路及收集器件需进一步优化等。针对以上问题，本文对目前国内外压电振动能量收集的发展状况进行了研究，对压电材料的类型、振动模式以及收集电路和器件进行了比较分析，提出了压电振动能量收集器的研究内容。最后，对全文工作进行了总结，并且对下一步计划进行展望，提出新的研究思路。关键词 振动能；压电效应；压电材料；能量收集电路陕西理工学院毕业设计Research on Vibration Energy Harvesting Tech
3、nology Based on Piezoelectric materialJing Chuang（Grad 11，Class 04, Major Technique and instrumentation of Measurements, Mechanical Engineering Dept., Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi）Tutor: Wang NanAbstract: With the development of wireless sensor network technology and po
4、rtable devices, the power supply via the battery becomes one of the bottlenecks. In order to achieve finite lifetime of self-powered systems, the desiderating thing is to provide electric energy for such devices and networks by utilizing the vibration energy from the ambient environment.Converting v
5、ibration energy into electric energy into electric energy by piezoelectric materials attracts more and more attention and becomes the hot point in micropower field. However the problems are that the modeling theory harvester are ought to be further investgated, the structures of the piezoelectric en
6、ergy harvester are ought to be improved because of the small output voltage and optimizing the harvesting circuits and storage devices are much in demand.According to the above problems,this dissertation investgated the development trend of the piezoelectric vibration energy harvesting at home and a
7、broad, and compared the merits and shortcoming of the different parts of structures and harvesting circuits, finally,proposed the research content of piezoelectric vibration energy harvester.In the end,the work of this dissertation are sunnarized briefly,and next work is figured out, including the n
8、ovel research ideas.Keywords: Vibration energy, Piezoelectric effect, Piezoelectric materials, Energy harvesting circuit陕西理工学院毕业设计目 录1 绪论 11.1 选题背景和意义 11.2 能量收集背景知识 21.2.1 常见的能源及其收集方法 21.2.2 振动能量收集方法 51.3 压电振动能量收集技术研究现状及发展趋势 71.4 能量收集电路与能量转换效率 92 压电发电技术机理研究 112.1 压电能量转换基本理论 112.1.1 压电效应 112.1.2 压电方程
9、 112.2 材料与结构的优化选择 132.3 本章小结 133 压电振动能量收集器等效电路设计 143.1 压电发电装置的电学等效模型 143.2 振动能量收集器等效电路模型的提出 163.3 AC-DC 负载电路条件下的等效电路建模分析 163.4 SSHI 负载电路条件下的等效电路建模分析 173.5 本章小结 184 总结与展望 204.1 总结 204.2 展望 20致谢 21参考文献 22陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 23 页1 绪论1.1 选题背景和意义无线系统的应用已经深入世界的每一个角落，例如基于 IEEE802.11 标准的无线网络和基于蓝牙标准的便携式电子设备，这些
10、已经在日常生活中得到了普遍的应用。无线系统与传统的有线系统相比较，具有很多优势，例如使用方便、操作灵活、并且可以随意配置。作为无线系统的一个重要应用，一种被称为无线传感网络（Wireless Sensor Network ） 1的技术已经得到了快速的发展。这项技术是将微型的无线传感器节点安放在机器或者建筑结构中，来实时监测它们的运行状态。这样对便携式电子设备和无线传感器的供电设备的需求也就与日俱增。目前，绝大部分无线传感器和便携式电子设备都是采用电池来提供电力的。尽管随着电池技术的逐渐发展，开发者可以通过增大电池容量来延长电池的使用年限，可是当前电池增容技术的发展速度还是远远落后于无线电子器件
11、。因为电池寿命的限制，在使用时会遇到一系列的问题，而且在某些场合下更换电池是一项成本很高甚至于不可能完成的工作。例如，在无线传感网络中在桥梁上放置大量的传感节点，用做结构健康监测传感器，还有追踪野生动物所用的定为节点，即全球定位系统（Global Positioning System,GPS ） 。如果电池能量耗尽，那么就需要定期将传感器上的电池更换。这样，要保证一个由上千个节点组成的无线传感器网络的运行就需要定期更换大量的电池，一方面就必然要增高无线传感网络的使用成本，对状态监测技术的应用和发展会带来不利的影响，另外一方面大量的废弃电池也会造成一定的环境污染。所以，开展新的无线供能技术研究已
12、经成为当务之急。近些年来，基于环境的能量收集技术引起了国内外专家学者的广泛关注。能量收集技术是一种将工业设备或周围环境中的其他能量通过某种物理或化学机制转换成电能，并将电能提供给其他电子设备的技术方法。目前，在工业环境中存在的可利用的潜在能源包括：太阳能( 光能) 、风能、热能、声能、电磁场能和机械振动能等，如 图 1 所示 2。如何收集和存储这些潜在的能量并将其合理地应用到无线传感器网络等电子设备中是近些年来众多科研人员研究的重点问题之一。图 0.1 工业环境中的潜在能量与回收虽然以现有的技术和方法，要通过环境能量收集来完全实现无线传感器网络的自供电问题还有一定的困难，但是随着现代化大规模集
13、成电路的不断发展，电子元器件的体积和功耗也越来越趋于微型化，微瓦级功耗的电子器件已经非常普遍，再加上能量收集技术的不断提高和优化，相信在不久的将来，实现自供电式无线传感器网络将不再是难题。本文主要研究基于压电材料的振动能量收集技术及其在无线传感器网络中的应用。对压电振动能量转化机理、电能预测模型、电能输出影响因素、功率调节与能量存储电路的设计以及相关理论分析和实验方法进行了深入的研究和讨论。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 23 页1.2 能量收集背景知识1.2.1 常见的能源及其收集方法如上所述，能量收集技术能够将其他形式的能量转换成电能。根据被收集能量形式的不同，可将能量收集技术分成不同
14、的种类， Error! Reference source not found.描述了不同能量收集技术的对比结果 3-8，表中同时包含了普通电池和其他能量存储电源的对比信息。从 Error! Reference source not found.中可以看出，表格的上半部分表示单独通过能量收集而形成的电源，因而这部分的功率密度与使用寿命无关。表格的下半部分是单独通过能量存储技术得到的电源，它们的初始电能是一定的，因而它们的输出功率随着寿命的增加而不断减小。表 0.1 不同能量收集技术的对比电源类型功率密度(W/cm3)1 年寿命功率密度(W/cm3)10 年寿命能量源数据的来源信息太阳能(户外)
15、15000(太阳直射)150(阴天) 15000(太阳直射)150(阴天) 通常易获取太阳能(户内) 6 (办公桌旁) 6 (办公桌旁) 来自文献 13振动能量 200 200 来自文献 14噪声能 0.003(75Db)0.96(100Db) 0.003(75Db)0.96(100Db) 理论计算每日温度变化能 10 10 理论计算温度梯度能 15 (10C 梯度) 15 (10C 梯度) 来自文献 15能量收集电源穿鞋释放的能量 330 330 来自文献 16,17不可充电锂电池 45 3.5 通常易获取可充电锂电池 7 0 通常易获取碳氢燃料 333 33 来自文献 18燃料电池 280
16、 28 通常易获取能量存储电源核燃料铀 6106 6105 通常易获取同样从 Error! Reference source not found.我们可以发现，从用电设备的长远工作来看，通过能量收集技术提供电能要明显优于电池供电，而且不同环境能量所能提供的电能有明显的差别，接下来我们就对常见的能量收集技术进行简要的说明。1）太阳（光）能收集光电材料的不断发展，使太阳光伏能量收集成为了无线传感器网络电能来源的一个重要组成部分。太阳能光伏收集的能量资源来自太阳，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的巨型可再生能源。太阳能在地球上分布很广，只要有光照的场所和地理位置适合的地区，就可使用太阳能发电系统来发电
17、。而且，现在的光伏发电技术已经相当成熟，对应的光伏发电设备也非常便利，基本上能够实现即装即发电，不用使用任何类型的变压器 9。光伏发电的全过程是利用太阳的光辐射能通过光电池作用转换为电能，能量转换过程简单，它是直接将光能转换为电能，没有中间环节，因而光伏发电不但无噪音，而且无能耗、无有毒污染气体排放、无水源冷却系统与设备，节省了资金投入。此外，太阳能发电组件结构具有体积小、重量轻、便于运输和安装、发电系统建设周期短、电负荷容量大、方便灵活、极易组合扩容等特点，可随人之需而定。光伏发电系统具有稳定可靠的性能，使用寿命长（30 年以上） ，一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件发电，有自动化控制陕西
18、理工学院毕业设计第 2 页 共 23 页系统来进行控制，基本上可以实现无人值守。因此光伏发电是一种最具有可持续发展的、最具特殊性能的可再生能源的发电技术。虽然太阳能所能提供的电能密度很大，在户外太阳直射的条件下，在地球表面通过太阳能收集技术所能提供的最大功率密度能够达到 100mW/cm3，但是，现有的硅太阳能电池或太阳能薄膜晶体电池对太阳能的利用率较低，只能达到 12%-25%。而且，太阳能收集技术的电能输出与光照大小有很大的关系。从 1.2 中可以看出，在户外太阳直射和阴天的条件下太阳能转换成电能的功率输出密度相差 100 倍。尽管在户内可收集发光源散发的光能，但通过这种方法收集到的电能与
19、和光源之间距离的平方成反比 3， Error! Not a valid bookmark self-reference.给出了在不同光照情况下所能收集到的电能密度。表 0.2 不同光照时的输出电能对比光照条件 户外中午 距离 60W 的白炽灯 0.1m 距离 60W 的白炽灯 0.4m 办公室照明输出功率(W/cm 3) 14000 5000 567 6.52）声能的收集声能也是一种非常可观的能量。据测定，当一架喷气式飞机的噪声达到 160dB 时，在20m 之内的噪声功率可达到 10kW，这意味着每小时可以发电 10kWh，噪声达到 140dB 的大型鼓风机，其噪声功率为 100W10。那么
20、可以想象，在一个体育场，几万人一起呐喊鼓掌产生的能量也是相当巨大的。对声能的收集一般通过人造铌酸锂来实现。当高频声波信号遇到铌酸锂时，这种材料的特殊功能使其能够在高温条件下将声能转化为电能。基于此转换原理，英国科学家设计制造出了鼓膜式声波接收器，他将能聚集声能的共鸣器和接收器连接起来，来自共鸣器的声能作用于声能转换器时，即可以发电。同样，韩国研究人员仿照人耳鼓膜制造出了噪声发电机，它内部存储有碳酸盐、丙烯腈等化学物质可以将噪声冲击波对仿生鼓膜的振动能转化为化学能储存起来 11。但是，声能的输出功率密度太低，而且要达到理想的输出功率，就要求声音环境有足够高的分贝值，这只有在一些特殊的场合才能实现
21、，况且过高的分贝值对人耳来说是难以承受的。3)温差能收集温差发电技术是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种能量收集技术。如 图 1.2，将 P 型富空穴热电材料和 N 型富电子热电材料的一端相连而形成一个 PN 结 12，并将其一端置于高温环境，而另一端置于低温环境。由于热激发作用，P 型材料高温端的空穴浓度要高于低温端的空穴浓度，或者说 N 型材料高温端的电子浓度高于低温端，在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就会缓缓的向低温端扩散，继而形成电动势，这样，热电材料就通过高低温两端之间的温差补偿，完成了将高温端的输入热能转化成电能的过程。单独的一个 PN 结只能生成很小的电动势，但如果串联起众
22、多的 PN 结，那么久可以得到足够高的电压，继而形成一个温差发电机。用于温差发电的热电材料主要以半导体材料为主，如 Bi2Te3、PbTe 2SnTe 和 SiGe 与MnTe 等 13。利用这些热电材料制成的温差发电设备具有体积小、重量轻、无振动、运行无噪音、工作寿命长和在极端恶劣环境下可长时间工作的优点，非常适合于各种无人监视的传感器、卫星电源、灯塔和导航标识以及医学和生理学研究领域。例如，Maneewan 等 14利用置于屋顶的钢板吸收太阳能，太阳能辐射到钢板上, 使热电转换器件的热端温度升高，与冷端形成温差从而输出电能。实验证明，在环境温度为 30-35C，辐射强度为 800W/m2时
23、，能够产生 1.2W/m2 的电力。在我国的探月二期工程中, 已经成功论证了将采用同位素温差发电器提供动力给常值负载和 CPU 提供电力 15。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 23 页但是，低效率一直是限制温差发电技术产业应用的最主要原因。自 1947 年第一台温差发电机以仅 1.5%的能量转换效率问世以来 16，为了提高能量转换效率，人们从热电材料、结构优化等各个角度对温差发电机进行了研究，但是目前温差发电机的效率也只介于5%7%之间。因此，为了发挥温差发电机的最佳性能，还应从高性能热电材料、最佳匹配工作条件以及数值仿真模拟与实验等方面进行深入研究。图 0.2 温差发电机原理1.2.2
24、振动能量收集方法机械振动普遍存在于人们的日常生活和工业环境中，例如手机、装配车间、机床、火车、空调等。表 1.3 列举了一些常见的振动源以及它们的加速度和频率特性 17。可以看出，这些常见的振动源频率都介于 60 到 120Hz 之间，所产生的峰值加速度大概处于 1 到10m/s2。由于振动能量在任何工业领域都很容易得到，因此，近些年来对基于振动环境的能量收集技术的研究越来越多。基于环境的振动能量收集是一种将周围环境中的振动能量通过某种机制而转换成电能的技术，根据能量转换机制的不同，英国学者 Williams 和 Yate18将振动能量收集方法分成三类：静电式(Electrostatic)、电
25、磁式 (Electromagnetic)和压电式(Piezoelectric)，这三种振动能量收集方式各有其优缺点和适用范围。1) 静电( 电容)式静电式振动能量收集器也称为电容式振动能量收集器，其基本结构主要由两部分组成：可变电容和恒定电压源，其中可变电容由一个固定电极和一个附有惯性质量块的可动电极构成。静电式能量收集器将振动能量转换成电能的原理是：在周围振动环境的影响下，惯性质量块带动可变电容器的可动电极板，从而改变电容的大小。如果事先给电容器极板上加上了恒定的电压，那么当可动极板在环境振动的带动下发生往复运动时，电容器的容量将发生变化，则根据 可得电极板上的电荷将向外流动形成电流，从而将
26、外部的振动QCU能量转换成电能输出。2）电磁(电感)式电磁式振动能量收集器也称为电感式振动能量收集器，其转换原理与法拉第发电机的电磁感应原理相同。当线圈在磁场中做切割磁力线运动时，在导线内将产生电流，其输出电能的大小由磁场强度、线圈的匝数和其相对于磁场的运动速度决定。根据线圈切割磁力陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 23 页线的不同方式可将电磁式振动能量收集器分成磁极运动型和磁极固定型。顾名思义，磁极运动型是线圈保持不动，磁极运动引起线圈相对切割磁场而产生电能；而磁极固定型是磁极保持不动，线圈运动切割磁场而产生电能。表 0.3 常见振动源及其特性振动源 峰值加速度(m/s 2) 频率(Hz)
27、三轴机床基座 10 70厨房用搅拌机外壳 6.4 121干衣机 3.5 121关门时的门框 3 125微波炉 2.25 121空调 0.2-1.5 60行走时的木质板 1.3 385面包机 1.03 121靠街窗户外侧 0.7 100运行光驱时的电脑 0.6 75洗衣机 0.5 109木结构建筑的二层楼表面 0.2 100冰箱 0.1 2403）压电式压电式振动能量收集器(也称为压电发电机 )的原理是利用环境中的振动能量使压电元件发生变形，并通过压电效应使得因压电元件变形而产生的应变能转换成电能输出。理想情况下，压电元件的变形越大，其产生的电能也越大。目前压电振动能量收集器主要通过三种结构形式
28、实现环境振动能量的收集，它们分别是悬臂梁结构、铙钹结构和柱筒结构19,20，如 图 1.所示。悬臂梁结构是最常用的压电式振动能量收集器结构，也是最简单的一种结构。在这种结构中，压电元件黏贴于悬臂梁表面，周围环境的机械振动使悬臂梁发生弯曲变形而带动压电元件发生形变，从而将振动能量转化成电能；铙钹结构的压电振动能量收集器主要由压电片和两个金属帽黏合而成，当铙钹竖直方向受力时，金属帽会将竖直方向力的一部分转变成水平分力并传递给压电片，压电片在受到拉伸作用后发生形变，从而产生感应电压；柱筒式压电振动能量收集器的结构较为复杂，如 图 1.(c)所示。若干个压电柱相互黏合构成压电筒，压电筒在旋转的振动环境
29、下发生扭转变形从而产生感应电荷。由于工业环境中一定角度的扭转振动并非普遍存在，因而这种柱筒式结构很少用于振动能量的收集中，反而在压电制动器中应用较多。由于悬臂梁式压电振动能量收集器结构简单、在实际中易于实现，因而对悬臂梁结构的压电振动能量收集器进行分析的研究者也居多。例如，Roundy 建立了矩形压电悬臂梁振动能量收集器模型，并实验证明，在 120Hz、2.5m/s 2 的振动环境下这种矩形压电悬臂梁能够产生 375W 的功率。Mateu 对比了矩形和三角形压电悬臂梁振动能量收集器，结果表明，在三角形压电悬臂梁的长度、厚度及其固定端宽度与矩形悬臂梁的长度、厚度和宽度都分别相等的情况下，受到相同
30、载荷作用时三角形悬臂梁产生的应变更大，输出的电能也更多。华中科技大学的胡洪平等 21提出了螺旋状压电发电结构，同时对其结构性能、阻抗和外加质量对发电装置的影响规律进行了深入分析。此外，Kim 和中南大学的陈子光等 22分别设计和实验分析了铙钹型和柱筒扭转型压电振动能量收集器。对比上述静电式、电磁式和压电式振动能量收集器可以发现，静电式振动能量收集器可以通过硅微加工技术制造，并进行批量生产，因而这种能量收集方式有利于与其它 IC 工艺兼容。但是，由于需要事先给电极板加上一定的电压，所以其必须有独立电源的支持才陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 23 页能工作。对于电磁式振动能量收集器而言，虽然它
31、不需要额外的电源，但由于它是通过线圈切割磁力线而产生电能的，所以它的结构一般较为复杂，体积也较大，而且对用电设备会产生电磁干扰。相比较而言，压电式振动能量收集器具有许多优势。首先，它不需要额外的电源支持，也不会对电子设备产生电磁干扰；其次，压电材料易于加工成各种厚度、大小和形状，其各项材料性能受温度的影响较小，这样制作成的压电元件性能稳定，而且便于与环境振动频率相匹配；第三，压电振动能量收集器的能量密度大、结构简单，便于实现结构上的微型化。为此，本文的研究主要围绕压电式振动能量收集器而展开。 Error! Reference source not found.直观地描述了上述三种振动能量收集方
32、式的优缺点。图 0.3 压电式振动能量收集器的三种常用结构1.3 压电振动能量收集技术研究现状及发展趋势压电材料既有正压电效应，可作为传感元件，又有逆压电效应，可作为驱动元件，因此在电子、航空航天、机械制造、生物工程和机器人等技术领域有着广阔的应用前景。英国的 Stephen Roberts 等于 2009 年提出一种新型可调谐的电磁振动微发电机，并对尺寸进行了优化设计来达到输出电压和功率的最大化。美国的 S.Korla 等提了一种结构紧凑的压电能量收集装置，带有由四个二极管和一个电容器组成的整流电路，并对圆形和方形两种界面的装置做了发电性能测试。阚君武，唐可洪等利用欧拉-伯努利方法建立了发电
33、装置的能量转换模型，研究了结构及参数等对压电发电机能量转换效率及发电能力的影响规律并建立了简写激励条件下两种能量转换电路功率计算模型，并进行了模拟分析与实验验证。王光庆提出一种利用压电叠堆进行机电能量转换的压电发电装置，并采用压电振动理论和杆的波动理论建立了发电装置的机电耦合分析模型以及输出电压，电流与压电叠堆受力之间的关系表达式。程光明等设计制作了数据采集软件，可以对测试数据进行处理和显示，为研究压电陶瓷发电能力的影响提供了测试分析平台。缪建等提出一种新型的对偶子式的压电微悬臂双梁，采用简化的等效器件建立数学分析模型，并利用 ANSYS 对这种对偶子微悬梁臂进行了模拟仿真分析。压电发电技术的研究已经取得了很大的进展和成果，但同时也面临着更大的挑战，压
