【摘要】：壓電能量收集器件發(fā)展迅速,發(fā)電性能不斷提高。然而,壓電能量收集器受壓電陶瓷材料本身低的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能限制,機(jī)電轉(zhuǎn)換效率較低。制備具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能壓電陶瓷材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值。評(píng)述了以獲得高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能為目標(biāo)所進(jìn)行的壓電陶瓷材料性能調(diào)控方面的研究成果,介紹了非諧振狀態(tài)和諧振狀態(tài)下,能量收集器件對(duì)壓電陶瓷材料的性能要求,比較了能量收集用鉛基、無(wú)鉛壓電陶瓷材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能,討論了具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換性能壓電陶瓷材料設(shè)計(jì)方法,為進(jìn)一步開(kāi)展能量收集用壓電陶瓷材料的研究提供思路。總結(jié)了該領(lǐng)域存在的問(wèn)題及對(duì)未來(lái)的展望。
【圖文】：

寫(xiě)嬖諢蚯炕蛉醯惱穸?源，如工廠內(nèi)各種機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)引起機(jī)器、廠房的受迫振動(dòng)，鬧市區(qū)由于汽車跑動(dòng)引起的振動(dòng)等。將環(huán)境中的振動(dòng)能量回收，使其轉(zhuǎn)化為可再利用的電能，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。目前，振動(dòng)能 電能的轉(zhuǎn)換方式主要有3種：靜電轉(zhuǎn)換[3]、磁電轉(zhuǎn)換[4 5]、壓電轉(zhuǎn)換[6 7]。圖1為3種振動(dòng)能 電能轉(zhuǎn)換器能量密度對(duì)比圖[2]。從圖1可以看到，在這3種轉(zhuǎn)換方式中，壓電轉(zhuǎn)換具有較高的能量密度。此外，壓電轉(zhuǎn)換還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、加工制作容易和結(jié)構(gòu)上易于小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)。圖13種振動(dòng)能 電能轉(zhuǎn)換器能量密度對(duì)比[2]Fig.1Comparisonofenergydensityforthreetypesofmechanicaltoelectricalenergyconverters[2]在過(guò)去的10年時(shí)間，研究人員對(duì)壓電能量收集技術(shù)進(jìn)行了大量研究，包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)制分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、微電子電路控制理論等諸方面[8 15]。常用的壓電能量收集器結(jié)構(gòu)通常分為懸臂梁和多層疊堆2種模式。圖2為壓電雙晶片和壓電單晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖[16]。在這種懸臂梁結(jié)構(gòu)中，懸臂梁一端固定，另一端隨環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)做周期運(yùn)動(dòng)。環(huán)境中的振動(dòng)能首先轉(zhuǎn)換成圖2中質(zhì)量塊M的動(dòng)能，然后質(zhì)量塊M的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性勢(shì)能，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓，通過(guò)壓電層的電極輸出。圖3為壓電能量收集器的工作過(guò)程[16 17]，主要包含3部分：過(guò)程1為通過(guò)特殊的機(jī)械裝置將環(huán)境中無(wú)序的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成周期性振蕩的機(jī)械能，在這個(gè)過(guò)程中，部分能量由于機(jī)械阻抗失配、能量衰減等因素而損失掉；過(guò)程2為利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將周期性振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在這個(gè)過(guò)程中，由于壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，部分能量損失掉；過(guò)程3為轉(zhuǎn)換得到的電能

４油?可以看到，在這3種轉(zhuǎn)換方式中，壓電轉(zhuǎn)換具有較高的能量密度。此外，壓電轉(zhuǎn)換還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、加工制作容易和結(jié)構(gòu)上易于小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)。圖13種振動(dòng)能 電能轉(zhuǎn)換器能量密度對(duì)比[2]Fig.1Comparisonofenergydensityforthreetypesofmechanicaltoelectricalenergyconverters[2]在過(guò)去的10年時(shí)間，研究人員對(duì)壓電能量收集技術(shù)進(jìn)行了大量研究，包括能量轉(zhuǎn)換機(jī)制分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、微電子電路控制理論等諸方面[8 15]。常用的壓電能量收集器結(jié)構(gòu)通常分為懸臂梁和多層疊堆2種模式。圖2為壓電雙晶片和壓電單晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖[16]。在這種懸臂梁結(jié)構(gòu)中，懸臂梁一端固定，另一端隨環(huán)境中的機(jī)械振動(dòng)做周期運(yùn)動(dòng)。環(huán)境中的振動(dòng)能首先轉(zhuǎn)換成圖2中質(zhì)量塊M的動(dòng)能，，然后質(zhì)量塊M的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈性勢(shì)能，壓電層中變化的應(yīng)變產(chǎn)生交變電壓，通過(guò)壓電層的電極輸出。圖3為壓電能量收集器的工作過(guò)程[16 17]，主要包含3部分：過(guò)程1為通過(guò)特殊的機(jī)械裝置將環(huán)境中無(wú)序的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成周期性振蕩的機(jī)械能，在這個(gè)過(guò)程中，部分能量由于機(jī)械阻抗失配、能量衰減等因素而損失掉；過(guò)程2為利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將周期性振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在這個(gè)過(guò)程中，由于壓電材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題，部分能量損失掉；過(guò)程3為轉(zhuǎn)換得到的電能經(jīng)過(guò)整流、AC/DC和DC/DC轉(zhuǎn)換為可以使用的電能，在這一過(guò)程中，由于電路損耗，導(dǎo)致部分能量損失掉。在上述壓電能量收集器的工作過(guò)程中，過(guò)程1和過(guò)程3可以通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)加以解決，而過(guò)程2必須通過(guò)材料改性與優(yōu)化加以解決。(a)Piezoelectricbimorphcantileverstructure(b)Piezoelectricunimorphcantileverstructure圖2壓電能量收集器基本結(jié)構(gòu)示

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 潘家偉;黃衛(wèi)清;周鳳拯;冒俊;;基于壓電效應(yīng)的能量收集[J];壓電與聲光;2009年03期

2 Donald E.Paulus;;能量收集:在商業(yè)可行性上取得突破[J];電子與電腦;2010年07期

3 Tony Armstrong;;“無(wú)中生有”的免費(fèi)能源[J];今日電子;2012年10期

4 羅麗;;EnOcean的能量收集技術(shù)帶來(lái)熱能應(yīng)用新突破[J];電腦與電信;2011年07期

5 錢程;;腳踏能源“點(diǎn)亮生活”不是夢(mèng)[J];創(chuàng)新科技;2011年05期

6 曾東鑫;;能量收集技術(shù)在電氣中的應(yīng)用研究[J];電氣開(kāi)關(guān);2014年03期

7 姚夢(mèng);武慶東;;一種人體能量收集系統(tǒng)的研制[J];河南機(jī)電高等�？茖W(xué)校學(xué)報(bào);2011年03期

8 秦利鋒;韓超然;楊磊;周偉;馬盛林;;一種基于碰撞的壓電寬頻能量收集裝置[J];廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年04期

9 王其軍;郭昭學(xué);彭本虎;;能量收集電源在石油工業(yè)中的應(yīng)用[J];儀器儀表用戶;2011年03期

10 張愷;王德石;周德鑫;;壓電疊堆式能量收集系統(tǒng)輸出特性研究[J];電源技術(shù);2013年11期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 單慶曉;章明沛;陳權(quán)偉;羅超;;基于慣性的人體行走能量收集與移動(dòng)電子供電技術(shù)研究[A];2006中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2006年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 四川 張一帆;新型微能量收集技術(shù)突現(xiàn) 無(wú)電池應(yīng)用或加速現(xiàn)實(shí)[N];電子報(bào);2013年

2 本報(bào)記者 張巍巍;電子硬件技術(shù)更上一層樓[N];科技日?qǐng)?bào);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前6條

1 潘家偉;基于壓電效應(yīng)的能量收集[D];南京航空航天大學(xué);2008年

2 郜學(xué)敏;無(wú)線通信系統(tǒng)中能量收集及管理技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2015年

3 謝丹彭;無(wú)線能量收集系統(tǒng)及其測(cè)試平臺(tái)[D];蘇州大學(xué);2015年

4 楊沛;飛機(jī)無(wú)線傳感器熱能與振動(dòng)能綜合能量收集自供電技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

5 劉超;振動(dòng)微能量收集管理系統(tǒng)的研究[D];電子科技大學(xué);2014年

6 張明;具有能量收集功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)傳輸策略研究[D];南京郵電大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2555640