【正文】 217，其工作原理就是通過撞擊裝置來實現(xiàn)壓電振子產(chǎn)生彎曲變形而發(fā)電。根據(jù)轉(zhuǎn)換效率公式（ 2— 3）。 圖 214 壓電發(fā)電裝置簡易結(jié)構(gòu)圖 實驗測試該裝置在每次動作時所輸出的電壓（外接 100 KΩ）如圖 215 所示。因此，如何利用沖擊方式來使壓電振子變形發(fā)電成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主導(dǎo)思想 。在壓電復(fù)合懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)中，影響其發(fā)電能力的主要因素是壓電振子的固定位置以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此在壓電振子物理和結(jié)構(gòu)參數(shù)選定的情況下，如何設(shè)計壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)來提高其發(fā)電能力是要解決的一個比較關(guān)鍵問題。 PZT 施加 基板 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 懸臂支撐沖擊式壓電發(fā)電裝置由支撐 結(jié)構(gòu)、矩形壓電振子、撞擊裝置三部分組成。 U′ =2U （ 2— 2） 由上述分析可知，壓電振子并聯(lián)時輸出電荷多，而串聯(lián)時輸出電壓高。假定單片壓電振子輸出電壓為 U，電量為 q，雙片輸出電壓為 U，電量為 q′，則它們所對應(yīng)的關(guān)系如式 （ 2－ 1） [2 22]： q′ =2q U′ =U （ 2— 1） 兩壓電振子串聯(lián)，正電荷集中在上極板上 側(cè)，負電荷集中在下極板下側(cè)，而上基板下側(cè)產(chǎn)生的負電荷與下基板上側(cè)產(chǎn)生的正電荷相互抵消。 多片壓電振子聯(lián)接方式 為增強發(fā)電裝置的發(fā)電能力，可以采用多片壓電振子并聯(lián)或者串聯(lián)的方式。壓電發(fā)光扇、壓電發(fā)光顯示裝置等用到的都是這一方式。其關(guān)鍵因素是作用力的大小及作用時間，其產(chǎn)生的電能與施加振幅的強度同步。 圖 210 沖擊自由振動式 圖 211 沖擊自由振動輸出 3． 強制振動式 強制振動式，是通過施加振幅（如利用帶有突起圓盤的轉(zhuǎn)動或通過按鈕直接按壓） 迫使壓電振子產(chǎn)生交替的彎曲變形來獲得能量，如圖 212 所示。該發(fā)電方式能產(chǎn)生瞬間的高壓、大電流，其發(fā)電量可以點亮數(shù)十個 mW 級的發(fā)光二極管。在揚聲器、 公路隧道視線導(dǎo)航標識等方面都已有應(yīng)用。該發(fā)電方式發(fā)電能力較弱，但具有較長的振動持續(xù)時間，可以用來吸收環(huán)境振動能量，不需要人的參與便可實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，提供持續(xù)的電能，可與微電子器件集成一體，充當其電源。 1． 慣性自由振動式 慣性自由振動式，是在懸臂梁壓電振子的自由端附有集中質(zhì)量塊，二者構(gòu)成彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如圖 28 所示。圓片形壓電振子常采用簡支支撐方式。 圖 (c)自由邊界支撐：該方式結(jié)構(gòu)安裝不方便，實際上也很少采用。矩形壓電發(fā)電元件多采用此方式。這四種壓電振子的支撐方式（或邊界條件）， 如圖 27 所示。壓電振子支撐方式（或邊界條件）不同，其工作方式及能量輸出特點將有較大差異。壓電材料本身可以看作由一個電容和內(nèi)阻組成的封閉系統(tǒng)。的混合梁是依靠外界輸入力來使其振動，它可以看作是一個具有阻尼、有效質(zhì)量和剛度的彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)。 [19]在這個機電耦合電路里面，力和電壓是廣義的輸入和輸出變量，而速率和電流是廣義的中間變量。但對于壓電發(fā)電選擇合適的振動方式是非常關(guān)鍵的，通常情況下選取彎曲振動方式，因為彎曲振動下壓電振子可產(chǎn)生最大的撓度，有利于壓電發(fā)電。 通常將激發(fā)壓電陶瓷的振動分成以下四類，如圖 24 所示 (a)垂直于電場方向的伸縮振動（長度方向），用 LE 模表示； (b)平行于電場方向的伸縮振動（厚度方向），用 TE 模表示； (c)垂直于電場平面內(nèi)的剪切振動（表面），用FS 模表示； (d)平行于電場平面內(nèi)的剪切振動（厚度），用 TS 模表示。此外，各種振動模態(tài)之間還存在著相互影響或耦合作用。 圖 23 壓電振子基本結(jié)構(gòu) 1． 壓電振子的振動模式 壓電振子是壓電發(fā)電裝置的核心部件，起著將機械能轉(zhuǎn)換為電能的作用。另一部分是工作在自由受迫振動狀態(tài)，使壓電振子工作在非共振區(qū)，利用其靜態(tài)或動態(tài)變形進行工作。利用壓電振子可以做成各種壓電發(fā)電元件，如壓電打火器、壓電引爆器、壓電變壓器以及超聲波探測器等等。由于壓電陶瓷本身硬且脆，所產(chǎn)生的位移很小，因而一般不把壓電陶瓷本身作為壓電振子直接使用，通常是把壓電陶瓷與某種彈性體連接在一起共同構(gòu)成振動體，將這種振動體稱為 復(fù)合壓電振子，一般常用的壓電振子分為矩形和圓片形兩種。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)，是由法國的兩位科學(xué)家 1880 年在研究石英晶體的物理性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力 F，如圖 22（ a） 所示 。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。電疇是子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。此外，若在 PZT 的組成中加入 Pb(MgNb)O3 后將形成三元系壓電 陶瓷，這類壓電陶瓷的性能更加優(yōu)越，可適于多種不同的應(yīng)用領(lǐng)域。當今廣泛應(yīng)用的壓電陶瓷是 PZT，即 Pb(Zr,Ti)O3 壓電陶瓷，其壓電效應(yīng)強，穩(wěn)定性好。 表 21 常用壓電材料性能參數(shù) 壓電材料 性能參數(shù) 石英 鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛 PZT － ４ 鋯鈦酸鉛 PZT － 5 鋯鈦酸鉛 PZT － 8 壓電系數(shù) /（ pC/N） 11d = 14d = 31d =78 33d =190 15d =260 15d ? 410 31d =100 33d =230 15d ? 670 31d =185 33d =600 15d =330 31d =90 33d =200 相對介電常數(shù) 1200 1050 2100 1000 居里點溫度 573 115 310 260 300 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 密度 彈性模量 80 110 117 123 機械品質(zhì)因數(shù) 5610 10 500? 80 800? 最大安全應(yīng)力 95 100 81 76 76 83 體積電阻率 〉 1210 1010 (25 )C? 〉 1010 1110 (25 )C? 最高允許溫度 550 80 250 250 最高允許濕度 100 100 100 100 目前已知的壓電材料有幾十種，早期發(fā)現(xiàn)的壓電材料主要是石英和電氣石等一些單晶材料，以后發(fā)現(xiàn)了羅息鹽等類鐵電體以及一些生物體也具有壓電性，不過這些早期的壓電材料很難滿 足工業(yè)應(yīng)用的要求，限制了壓電技術(shù)的發(fā)展。 5． 電阻 : 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 3． 介電常數(shù) : 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 壓電材料的主要特性參數(shù)有： 1． 壓電常數(shù) : 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。響壓電振子發(fā)電能力的因素有很多，如激振頻率、支撐方式、壓電振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)等，本節(jié)從理論上全面對壓電振子進行了分析，從而準確評價各因素對壓電振子發(fā)電能力的影響。并且用 L44組成的整流橋和 D475 濾波電路組成控制電路來收集壓電發(fā)電裝置發(fā)出的電，并把電應(yīng)用在溫度傳感器上，溫度傳感器采用 PN節(jié)溫度傳感器。通過對壓電振子的分析，采用了懸臂式支撐結(jié)構(gòu)和沖擊式激勵方式組成了壓電發(fā)電裝置。如圖 16所示。其內(nèi)部裝有壓電轉(zhuǎn)換元件、鋼球和 6 個 LED（發(fā)光二極管）。如圖 15所示。 圖 13壓電袖珍風車 圖 14 無源安全帶檢測裝置 5． 壓電發(fā)光扇 壓電發(fā)光扇，它包括扇把、扇面，其特征在于扇把是一中空的桿體，其中設(shè)有下端與扇把固定連接、上端相對扇把兩側(cè)可自由擺動的印刷電路板，印刷電路板的兩側(cè)面上分別縱向貼置壓電陶瓷片；扇面通過燈罩固設(shè)在印刷電路板的上端；印刷電 路板的上端焊接數(shù)只發(fā)光二極管。無線電路使用遙控車門系統(tǒng)所用的頻帶 315MHz 或 433MHz[9]。 4． 無源安全帶檢測裝置 阿爾卑斯電氣公司開發(fā)了一種無源安全帶檢測裝置，解決車內(nèi)布線難的問題。這相當于最好的大型風車的轉(zhuǎn)化效率 [8]。使用 10 厘米渦輪的常規(guī)發(fā)電機僅能將可利用風能的 1%直接轉(zhuǎn)化為電能。普里亞發(fā)現(xiàn)時速為 16 公里的微風便可以產(chǎn)生 毫瓦的持續(xù)電能，足以保證一個電子傳感器的運轉(zhuǎn)。普里亞為解決無線網(wǎng)絡(luò)電子“節(jié)點”供電問題發(fā)明了一種壓電袖珍風車，這種袖珍風車周長大約為 10 厘米，附在一個旋轉(zhuǎn)凸輪上，當凸輪旋轉(zhuǎn)時可使一系 列壓電晶體不斷伸縮。如圖 12 所示。并且得出壓電振子在諧振工作條件下給一個 40mAh 電池充電時間不到 1 小時，利用隨機頻率充電需要 1 個半小時的結(jié)果 [7]。研究人員分別利用兩種壓電材料收集了這部分損耗能量，第一種材料是 PVDF(一種高分子壓電復(fù)合材料 )來收集鞋前底彎曲變形時所損失的能量，第二種材料是用 PZT 來收集鞋跟底部損失的能量，如圖 11 實驗結(jié)果表明， PZT 的功率輸出能力要強于 PVDF， PZT 更適合用來制作壓電發(fā)電裝置 [4－ 6]。 國外壓電發(fā)電的應(yīng)用 1． 利用壓電材料進行鞋中能量收集 美國麻省理工大學(xué)教授 Kymissis(1999)利用兩種不同的壓電材料去收集環(huán)境中損失的能量，特別是收集人行走時克服重力所損失的能量。無線發(fā)射器由電容收集的能量來供電，這個電容允許充電到 ,然后放電到 V 停止，充放電過程大約需要 1 秒鐘。 美國科學(xué)家 Elvin（ 2020）認為隨著電子產(chǎn)品功耗的不斷降低，利用能量收集裝置將環(huán)境中的能量收集起來用來充當無線發(fā)射器的電源 將成為可能。 結(jié)論得出：壓電陶瓷晶片與金屬基板的厚度比為 ，長度比為 的壓電振子是最適合制作壓電發(fā)電裝置的。所設(shè)計的微型發(fā)電裝置的核心器件是懸臂支撐的矩形壓 電振子，依靠對其施加周期的均勻載荷使其發(fā)生形變而產(chǎn)生電荷。 美國 Vanderbilt 大學(xué)教授 Goldfarb 和 Jones 分析了用多層壓電振子疊加這種結(jié)構(gòu)來發(fā)電時壓電材料轉(zhuǎn)化效率問題，研究結(jié)論得出壓電發(fā)電裝置工作在諧振區(qū)時轉(zhuǎn)化效率較高，同時還得出轉(zhuǎn)化效率和外界激勵力的振幅、外接負載與內(nèi)阻匹配程度有關(guān)。但是該研究人員還指出，在實際應(yīng)用中，壓電發(fā)電裝置很難達到理想狀態(tài)的 35%轉(zhuǎn)化效率，目前所能達到的轉(zhuǎn)換效 率在 25%30%之間。壓電發(fā)電的研究在日本及歐美等國家開始比較早，而國內(nèi)對壓電發(fā)電的研究尚處于起步階段。這個發(fā)現(xiàn)為壓電陶瓷在實際中的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)，于是許多研究人員加入了對壓電陶瓷性能及應(yīng)用的研究中。居里和 P 壓電陶瓷是一種常用的、具有壓電效應(yīng)的多晶體壓電材料，由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似（原料粉碎、成型、高溫燒結(jié)）而得名。 近年來利用壓電材料進行能量收集的研究越來越受到人們關(guān)注，其節(jié)能環(huán)保的特性也備受人們的青睞。平時所說的干電池與蓄電池沒有反應(yīng)物質(zhì)的輸入與生成物的排出，所以其壽命有一定限度；而燃料電池可以連續(xù)地對其供給反應(yīng)物 (燃料 )及不斷排出生成物 (水等 )，因而可以連續(xù)的輸出電力。 潮汐發(fā)電，就是利用海水漲落及其所造成的水位差來推動水輪機，再由水輪機帶動發(fā)電機來發(fā)電。海水中蘊藏著的這一巨大的動力資源的總稱就叫做海洋能。地球上廣大連續(xù)的水體叫做海洋，海洋的面積約為 億 km2，占地球表面積的 ％。 地熱發(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術(shù)，地熱發(fā)電和火力發(fā)電的基本原理是一樣的，都是將蒸汽的熱能經(jīng)過汽輪機轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。利用生物質(zhì)本身的能量，將其轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動發(fā)電機的能量形式，如燃氣、燃油、酒精等，再按照通用的發(fā)電技術(shù)發(fā)電，然后直接提供給用戶或并入電網(wǎng)提供給用戶。 3． 生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù) 生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)。由于風能是隨機性的，風力的大小時刻變 ， 必須根據(jù)風力大小及 電能需要量的變化及時通過控制裝置來實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的啟動、調(diào)節(jié) (轉(zhuǎn)速、電壓、頻率 )、停機、故障保護 (超速、振動、過負荷等 )以及對電能用戶所接負荷的接通、調(diào)整及斷開等操作。 太陽能熱發(fā)電基本工作原理是利用太陽能集熱器將太陽能收集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動熱動力裝置帶動發(fā)電機發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。 到處陽光到處電 是倡 導(dǎo)利用綠色能源的主題。巨大的太陽能是地球上萬物生長之源，充分利用太陽能具有持續(xù)供能和環(huán)保雙重偉大的意義。 第 1 章 緒論 ................................................................................................................ 1 課題背景 ........................................................................................................... 1