【文章內(nèi)容簡介】 理，英國科學(xué)家設(shè)計制造 出了 鼓膜式聲波接收器，他將能聚集聲能的共鳴器 和 接收器連接 起來 ，來自共鳴器的聲能作用于聲能轉(zhuǎn) 換器時， 即 可 以 發(fā)電。同樣，韓國研究人員仿照人耳鼓膜制造出了噪聲發(fā)電機，它內(nèi)部存儲有碳酸鹽、丙烯腈等化學(xué)物質(zhì)可以將噪聲沖擊波對仿生鼓膜的振動能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來 [11]。 但是，聲能的輸出功率密度太低，而且要達(dá)到理想的輸出功率，就要求聲音環(huán)境有足夠高的分貝值，這只有在一些特殊的場合才能實現(xiàn)，況且過高的分貝值對人耳來說是難以承受的。 3)溫差能收集 溫差發(fā)電技術(shù)是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來的一種能量收集技術(shù)。如 圖 ，將 P 型富空穴熱電材料和 N 型富電子熱電材 料的一端相連而形成一個 PN 結(jié) [12]，并將其一端置于高溫環(huán)境，而另一端置于低溫環(huán)境。由于熱激發(fā)作用， P 型材料高溫端的空穴濃度 要高于低溫端 的空穴濃度 ，或者說 N 型材料高溫端的電子濃度高于低溫 端 ，在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子就會 緩緩的 向低溫端擴散， 繼 而形成電動勢，這樣，熱電材 料就通過高低溫 兩 端之間的溫差補償 ， 完成了將高溫端的輸入熱能轉(zhuǎn)化成電能的過程。單獨的一個PN 結(jié) 只能生成很小的電動勢 ，但如果 串聯(lián)起 眾多的 PN 結(jié)， 那么久 可以得到足夠高的電壓，繼 而形成一個溫差發(fā)電機。 用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導(dǎo)體材料為主，如 Bi2Te PbTe2SnTe和 SiGe 與 MnTe等 [13]。利用這些熱電材料制成的溫差發(fā)電設(shè)備具有體積小、重量輕、無振動、運行無噪音、工作壽命長和在極端惡劣環(huán)境下可長時間工作的優(yōu)點，非常適合于各種無人監(jiān)視的傳感器、衛(wèi)星電源、燈塔和導(dǎo)航標(biāo)識以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究領(lǐng)域。例如 ， Maneewan 等 [14]利用置于屋頂?shù)匿摪逦仗柲?，太陽能輻射到鋼板?, 使熱電轉(zhuǎn)換器件的熱端溫度升高，與冷端形成溫差從而輸出電能。實驗證明，在環(huán)境溫度為 3035186。C，輻射強度為 800W/m2 時，能夠產(chǎn)生。在我國的探月二期工程中 , 已經(jīng)成功論證了將采用同位素溫差發(fā)電器提供動力給常值負(fù)載和 CPU 提供電力 [15]。 但是，低效率一直是限制溫差發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的最主要原因。自 1947 年第一臺溫差 第 4 頁 共 23 頁 發(fā)電機以僅 %的能量轉(zhuǎn)換效率問世以來 [16]，為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，人們從熱電材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個角度對溫差發(fā)電機進(jìn)行了研究，但是目前溫差發(fā)電機的效率也只介于 5%～7%之間。因此，為了發(fā)揮溫差發(fā)電機的最佳性能，還應(yīng)從高性能熱電材料、最佳匹配工作條件以及數(shù)值仿真模擬與實驗等方面進(jìn)行深入研究。 圖 溫 差發(fā)電機原理 振動能量收集方法 機械振動普遍存在于人們的日常生活和工業(yè)環(huán)境中，例如手機、裝配車間、機床、火車、空調(diào)等。表 列舉了一些常見的振動源以及它們的加速度和頻率特性 [17]?？梢钥闯?，這些常見的振動源頻率都介于 60 到 120Hz 之間，所產(chǎn)生的峰值加速度大概處于 1 到 10m/s2。 由于振動能量在任何工業(yè)領(lǐng)域都很容易得到，因此，近些年來對基于振動環(huán)境的能量收集技術(shù)的研究越來越多?；诃h(huán)境的振動能量收集是一種將周圍環(huán)境中的振動能量通過某種機制而轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機制的不同，英國學(xué)者 Williams 和 Yate[18]將振動能量收集方法分成三類：靜電式 (Electrostatic) 、 電 磁式 (Electromagic) 和壓電式(Piezoelectric)，這三種振動能量收集方式各有其優(yōu)缺點和適用范圍。 1) 靜電 (電容 )式 靜電式振動能量收集器也稱為電容式振動能量收集器，其基本結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：可變電容和恒定電壓源，其中可變電容由一個固定電極和一個附有慣性質(zhì)量塊的可動電極構(gòu)成。靜電式能量收集器將振動能量轉(zhuǎn)換成電能的原理是：在周圍振動環(huán)境的影響下，慣性質(zhì)量塊帶動可變電容器的可動電 極板，從而改變電容的大小。如果事先給電容器極板上加上了恒定的電壓，那么當(dāng)可動極板在環(huán)境振動的帶動下發(fā)生往復(fù)運動時，電容器的容量將發(fā)生變化，則根據(jù) Q CU? 可得電極板上的電荷將向外流動形成電流，從而將外部的振動能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。 2） 電磁 (電感 )式 電磁式振動能量收集器也稱為電感式振動能量收集器，其轉(zhuǎn)換原理與法拉第發(fā)電機的電磁感應(yīng)原理相同。當(dāng)線圈在磁場中做切割磁力線運動時，在導(dǎo)線內(nèi)將產(chǎn)生電流，其輸出電能的大小由磁場強度、線圈的匝數(shù)和其相對于磁場的運動速度決定。根據(jù)線圈 切割磁力線的不同方式可將電磁式振動能量收集器分成磁極運動型和磁極固定型。顧名思義，磁極運動型是線圈保持不動，磁極運動引起線圈相對切割磁場而產(chǎn)生電能；而磁極固定型是磁極保持不動， 第 5 頁 共 23 頁 線圈運動切割磁場而產(chǎn)生電能。 表 常見振動源及其特性 振動源 峰值加速度 (m/s2) 頻率 (Hz) 三軸機床基座 10 70 廚房用攪拌機外殼 121 干衣機 121 關(guān)門時的門框 3 125 微波爐 121 空調(diào) 60 行走時的木質(zhì)板 385 面包機 121 靠街窗戶外側(cè) 100 運行光驅(qū)時的電腦 75 洗衣機 109 木結(jié)構(gòu)建筑的二層樓表面 100 冰箱 240 3）壓電式 壓電式振動能量收集器 (也稱為壓電發(fā)電機 )的原理是利用環(huán)境中的振動能量使壓電元件發(fā)生變形，并通過壓電效應(yīng)使得因壓電元件變形而產(chǎn)生的應(yīng)變能轉(zhuǎn)換成電能輸出。理想情況下，壓電元件的變形越大，其產(chǎn)生的電能也越大。目前壓電振動能量收集器主要通過三種結(jié)構(gòu)形 式實現(xiàn)環(huán)境振動能量的收集，它們分別是懸臂梁結(jié)構(gòu)、鐃鈸結(jié)構(gòu)和柱筒結(jié)構(gòu) [19,20]，如圖 。懸臂梁結(jié)構(gòu)是最常用的壓電式振動能量收集器結(jié)構(gòu)，也是最簡單的一種結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，壓電元件黏貼于懸臂梁表面，周圍環(huán)境的機械振動使懸臂梁發(fā)生彎曲變形而帶動壓電元件發(fā)生形變，從而將振動能量轉(zhuǎn)化成電能；鐃鈸結(jié)構(gòu)的壓電振動能量收集器主要由壓電片和兩個金屬帽黏合而成，當(dāng)鐃鈸豎直方向受力時，金屬帽會將豎直方向力的一部分轉(zhuǎn)變成水平分力并傳遞給壓電片，壓電片在受到拉伸作用后發(fā) 生形變，從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓；柱筒式壓電振動能量收集器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如 圖 0.(c)所示。若干個壓電柱相互黏合構(gòu)成壓電筒，壓電筒在旋轉(zhuǎn)的振動環(huán)境下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷。由于工業(yè)環(huán)境中一定角度的扭轉(zhuǎn)振動并非普遍存在，因而這種柱筒式結(jié)構(gòu)很少用于振動能量的收集中，反而在壓電制動器中應(yīng)用較多。 由于懸臂梁式壓電振動能量收集器結(jié)構(gòu)簡單、在實際中易于實現(xiàn)，因而對懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振動能量收集器進(jìn)行分析的研究者也居多。例如， Roundy 建立了矩形壓電懸臂梁振動能量收 集器模型，并實驗證明，在 120Hz、 產(chǎn)生 375μW 的功率。 Mateu 對比了矩形和三角形壓電懸臂梁振動能量收集器，結(jié)果表明，在三角形壓電懸臂梁的長度、厚度及其固定端寬度與矩形懸臂梁的長度、厚度和寬度都分別相等的情況下，受到相同載荷作用時三角形懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變更大，輸出的電能也更多。華中科技大學(xué)的胡洪平等 [21]提出了螺旋狀壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，同時對其結(jié)構(gòu)性能、阻抗和外加質(zhì)量對發(fā)電裝置的影響規(guī)律進(jìn)行了深入分析。此外， Kim 和中南大學(xué)的陳子光等 [22]分別設(shè)計和實驗分析了鐃鈸型和柱筒扭轉(zhuǎn)型壓電振動能量收集器。 對比上述靜電式、電磁式和壓電式振動能量收集器可以發(fā)現(xiàn)，靜電式振動能量收集器可以通過硅微加工技術(shù)制造，并進(jìn)行批量生產(chǎn)，因而這種能量收集方式有利于與其它 IC 工藝兼容。但是，由于需要事先給電極板加上一定的電壓，所以其必須有獨立電源的支持才能工作。對于電磁式振動能量收集器而言，雖然它不需要額外的電源，但由于它是通過線圈切割磁力線而產(chǎn)生電能的，所以它的結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，體積也較大，而且對用電設(shè)備 會產(chǎn)生電 第 6 頁 共 23 頁 磁干擾。相比較而言，壓電式振動能量收集器具有許多優(yōu)勢。首先，它不需要額外的電源支持，也不會對電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；其次，壓電材料易于加工成各種厚度、大小和形狀，其各項材料性能受溫度的影響較小，這樣制作成的壓電元件性能穩(wěn)定，而且便于與環(huán)境振動頻率相匹配；第三，壓電振動能量收集器的能量密度大、結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微型化。為此，本文的研究主要圍繞壓電式振動能量收集器而展開。 錯誤 !未找到引用源。 直觀地描述了上述三種振動能量收集方式的優(yōu)缺點。 圖 壓電式振動能量收集器的三種常用結(jié)構(gòu) 壓電振動能量收集技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 壓電材料既有正壓電效應(yīng)，可作為傳感元件，又有逆壓電效應(yīng)，可作為驅(qū)動元件，因此在電子、航空航天、機械制造、生物工程和機器人等技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 英國的 Stephen Roberts 等于 20xx 年提出一種新型可調(diào)諧的電磁振動微發(fā)電機，并對尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計來達(dá)到輸出電壓和功率的最大化。美國的 等提了一種結(jié)構(gòu)緊湊的壓電能量收集裝置，帶有由四個二極管和一個電容器組成的整流電 路，并對圓形和方形兩種界面的裝置做了發(fā)電性能測試。闞君武，唐可洪等利用歐拉 伯努利方法建立了發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換模型，研究了結(jié)構(gòu)及參數(shù)等對壓電發(fā)電機能量轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電能力的影響規(guī)律并建立了簡寫激勵條件下兩種能量轉(zhuǎn)換電路功率計算模型，并進(jìn)行了模擬分析與實驗驗證。王光慶提出一種利用壓電疊堆進(jìn)行機電能量轉(zhuǎn)換的壓 電發(fā)電裝置，并采用壓電振動理論和桿的波動理論建立了發(fā)電裝置的機電耦合分析模型以及輸出電壓，電流與壓電疊堆受力之間的關(guān)系表達(dá)式。程光明等設(shè)計制作了數(shù)據(jù)采集軟件，可以對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，為研究壓電陶瓷發(fā)電能力的影響提供了測試分析平臺?？娊ǖ忍岢鲆环N新型的對偶子式的壓電微懸臂雙梁，采用簡化的等效器件建立數(shù)學(xué)分析模型，并利用 ANSYS 對這種對偶子微懸梁臂進(jìn)行了模擬仿真分析。 壓電發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展和成果，但同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)，壓電發(fā)電技術(shù)的發(fā)展主要圍繞以下幾個方面展開。 1) 向微能源器件 發(fā)展 第 7 頁 共 23 頁 微能源器件是微機電系統(tǒng)的一個重要分支，而微機電系統(tǒng)（ MEMS）則是二十一世紀(jì)的研究領(lǐng)域之一。微機電系統(tǒng)主要包括兩個方面，微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)及微系統(tǒng)集成技術(shù)。微結(jié)構(gòu)單元加工技術(shù)是用于制造為組件中的微米級的物件；微系統(tǒng)集成技術(shù)是將微組件集成在一起，并對其進(jìn)行信號的控制與處理，同時提供外部宏觀接口。壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力一般在微瓦到毫瓦之間，雖然電力比較小，但足以滿足對微功耗系統(tǒng)的供電。目前，壓電技術(shù)在濾波器、變壓器及加速度傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著研究的不斷深入，必定將進(jìn)一步推動微能源技術(shù)的發(fā)展。近十 多年來，隨著壓電變壓器的設(shè)計、制作以及應(yīng)用等方面的迅速發(fā)展，已成功應(yīng)用于筆記本電腦中。 表 三種振動能量收集方式比較 2) 與旋轉(zhuǎn)機械相結(jié)合 目前的研究中，能量捕獲裝置基本上都是將周圍環(huán)境中的機械振動能量轉(zhuǎn)換成電能，為了控制機械振動中的噪聲以及降低機械零件部件的疲勞損傷，設(shè)備的振動都在盡力的抑制，這使得能量捕獲裝置從振動能中獲取能更為困難，但是旋轉(zhuǎn)機械具有大量可轉(zhuǎn)換的動能，即使是效率比較低的壓電發(fā)電裝置也可以為大部分電子設(shè)備提供電量。當(dāng)前，已經(jīng)研究出的通過旋轉(zhuǎn)機 械獲取能量的研究裝置主要有高速公路隧道中的視線導(dǎo)航標(biāo)識等，但這類研究依然很少，因此，將壓電發(fā)電技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機械相結(jié)合的研究將成為下一步的研究重點。 3) 實現(xiàn)設(shè)備自供電 便攜式和無線式電子市場日趨壯大成熟，其中能量捕獲是其實現(xiàn)自供電的關(guān)鍵，未來的能量捕獲技術(shù)將會以能量的捕獲、存儲以及應(yīng)用電路為主要研究方向，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器等供電問題。若將能量捕獲裝置和狀態(tài)檢測設(shè)備集成，構(gòu)成獨立自供電、自感應(yīng)單元，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控，將進(jìn)一步推動能量捕獲方法從實驗室向?qū)嵱冒l(fā)展。 在一些特殊的場合，需要設(shè)備自供電運行 ，而自供電的關(guān)鍵技術(shù)是其能量捕獲。而壓電發(fā)電材料在這方面有著顯著地優(yōu)良特性，利用壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)可以設(shè)計制作出各類檢測裝置與控制傳感器，已滿足不同場合的需求。壓電材料這一突出性能使其消除了工作環(huán)境的限制，受到越來越多的關(guān)注。 能量收集電路與能量轉(zhuǎn)換效率 由于壓電振動能量收集器本身輸出的電能有限，因而在對壓電發(fā)電機進(jìn)行理論建模和仿真分析的同時，一些研究人員也對如何提高其機械能 電能的轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了研究。又因為壓電振動能量收集器自身的阻抗較大，因而對其能量轉(zhuǎn)換效率的研究主要集中在其后續(xù)能量收集電路的研究上。最早的能量收集電路被稱為 RAC 型 (或消耗型 )電路，這種電路中只有一個電阻負(fù)載，壓電振動能量收集器與電阻負(fù)載直接相連，如 (a)所示。由于 RAC 型能量收轉(zhuǎn)換類型 優(yōu)點 缺點 能量密度(mJ/cm3) 靜電式 電壓輸出高 較好的 MEMS 兼容性 結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜 需要啟動電源 4 電磁式 技術(shù)成熟 無需啟動電源 結(jié)構(gòu)較為簡單 難以由 MEMS 技術(shù)實現(xiàn) 體積大 輸出電壓低 壓電式 易 于由 MEMS 技術(shù)實現(xiàn) 輸出能量密度大 結(jié)構(gòu)簡單，無需啟動電源，無電磁干擾 單個壓電發(fā)電機輸出電能有限 轉(zhuǎn)換效率較低 阻抗大，難于實現(xiàn)與負(fù)載的阻抗匹配 第 8 頁 共 23 頁 集電路最為簡單，因而對壓電振動能量收集器的最初研究都以此電路為主。 以上文獻(xiàn)中大部分都將振動源等效成一個單一的簡諧信號，而且為了得到最大的電能輸出功率，要求整個能量收集器工作于其固有振動模式下。 Jiang 發(fā)現(xiàn)，振動源頻率與能量收集器固有頻率的微小偏移會引起整個輸出功率的大幅下降，因 而就出現(xiàn)了對調(diào)節(jié)壓電振動能量收集器的固有頻率，從而使其與環(huán)境振動源振動頻率匹配的方法研究。在此基礎(chǔ)上， Umeda通過理論和仿真分析得出，在沖擊振動的激勵下，壓電振動能量收集器的能量轉(zhuǎn)換效率最大可以達(dá)到 52%。接著， Roundy 設(shè)計并分析了兩種結(jié)構(gòu)的懸臂梁式壓電發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換效率，通過對比發(fā)現(xiàn)理論轉(zhuǎn)換效率比實驗結(jié)果高出了 30%。 Cho 對比分析了懸臂梁型、堆棧型和薄膜型的壓電能量收集器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換效率主要由壓電材料的品質(zhì)因數(shù)和機電耦合系數(shù)決定。然而， RAC 型能量收集電路是以消耗壓電振動能量收集器的輸 出電能來評估其能量轉(zhuǎn)換效率的，而且其輸出為交流電壓。但是，幾乎所有的電子設(shè)備都需要直流電壓才能正常工作，這就促使另一種 ACDC 型能量收集電路的產(chǎn)生。 圖 兩種能量收集電路 ACDC 型能量收集電路由整流器、濾波電容和負(fù)載電阻組成，如 (b)所示。由于壓電振動能量收集器經(jīng)過 ACDC 之后能直接輸出直流電壓，因此對以 ACDC 負(fù)載電路為基礎(chǔ)的能量收集電路的研究較為廣泛。 Ottman 設(shè)計了一種降壓開關(guān)電路， 并實驗證明 了在線性負(fù)載和弱耦合的情況下，這種開關(guān)電路能夠?qū)弘娬駝幽芰渴占鞯妮敵龉β侍岣?00%。 Shu 對比分析了強耦合和弱耦合下壓電發(fā)電機功率輸出的影響因素，并指出，最 優(yōu)輸出功率的條件因耦合強度的不同而發(fā)生變化。 近年來， Guyomar 提出了一種能夠大幅提高壓電振動能量收集器輸出功率的新的能量 收集電路，這種同步切換能量收集電路 (synchronized switch harvesting on inductor, SSHI)來源于一種被稱為同步開關(guān)阻尼 (synchronized switch damping, SSD)的非線性技術(shù)。 SSD 非線性技術(shù)首先由 Richard 提出來，他指出，為了提高壓電設(shè)備的能量傳輸效率，一般都在傳輸電路上添加一個電感來調(diào)節(jié)負(fù)載電路的阻抗從而實現(xiàn)輸入輸出的阻抗匹配，但是這種匹配電路在頻率較低時無法發(fā)揮作用。為此，接著他提出了另一種半阻尼的匹配電路，這種電路雖然需要消耗極少的電能來工作，但它能夠在較寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配。 Richard 的團(tuán)隊以此SSD 技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出了適合于提高壓電振動能量收集器輸出功率的 SSHI 電路，并從理論上