【正文】 的電能輸出與并聯(lián)SSHI電路條件下的截然不同。Shu建立了串聯(lián)和并聯(lián)SSHI電路條件下的壓電振動(dòng)能量收集器模型，如圖 。然而，該團(tuán)隊(duì)在分析中假設(shè)壓電發(fā)電機(jī)的位移和輸出電壓是同相位的，這就導(dǎo)致其理論模型只適合于共振條件下的分析，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)，壓電振動(dòng)能量收集器并非總是工作于共振條件下。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(shí)現(xiàn)阻抗匹配。近年來，Guyomar提出了一種能夠大幅提高壓電振動(dòng)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)。Ottman設(shè)計(jì)了一種降壓開關(guān)電路，并實(shí)驗(yàn)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?dòng)能量收集器的輸出功率提高400%。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。然而，RAC型能量收集電路是以消耗壓電振動(dòng)能量收集器的輸出電能來評(píng)估其能量轉(zhuǎn)換效率的，而且其輸出為交流電壓。接著，Roundy設(shè)計(jì)并分析了兩種結(jié)構(gòu)的懸臂梁式壓電發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論轉(zhuǎn)換效率比實(shí)驗(yàn)結(jié)果高出了30%。Jiang發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)源頻率與能量收集器固有頻率的微小偏移會(huì)引起整個(gè)輸出功率的大幅下降，因而就出現(xiàn)了對(duì)調(diào)節(jié)壓電振動(dòng)能量收集器的固有頻率，從而使其與環(huán)境振動(dòng)源振動(dòng)頻率匹配的方法研究。由于RAC型能量收集電路最為簡(jiǎn)單，因而對(duì)壓電振動(dòng)能量收集器的最初研究都以此電路為主。又因?yàn)閴弘娬駝?dòng)能量收集器自身的阻抗較大，因而對(duì)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。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。在一些特殊的場(chǎng)合，需要設(shè)備自供電運(yùn)行，而自供電的關(guān)鍵技術(shù)是其能量捕獲。3) 實(shí)現(xiàn)設(shè)備自供電便攜式和無線式電子市場(chǎng)日趨壯大成熟，其中能量捕獲是其實(shí)現(xiàn)自供電的關(guān)鍵，未來的能量捕獲技術(shù)將會(huì)以能量的捕獲、存儲(chǔ)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。 三種振動(dòng)能量收集方式比較轉(zhuǎn)換類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)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(jì)復(fù)雜需要啟動(dòng)電源4電磁式技術(shù)成熟無需啟動(dòng)電源結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單難以由MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)體積大輸出電壓低壓電式易于由MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出能量密度大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需啟動(dòng)電源，無電磁干擾單個(gè)壓電發(fā)電機(jī)輸出電能有限轉(zhuǎn)換效率較低阻抗大，難于實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的阻抗匹配2) 與旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，為了控制機(jī)械振動(dòng)中的噪聲以及降低機(jī)械零件部件的疲勞損傷，設(shè)備的振動(dòng)都在盡力的抑制，這使得能量捕獲裝置從振動(dòng)能中獲取能更為困難，但是旋轉(zhuǎn)機(jī)械具有大量可轉(zhuǎn)換的動(dòng)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。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(dòng)微能源技術(shù)的發(fā)展。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(jí)的物件；微系統(tǒng)集成技術(shù)是將微組件集成在一起，并對(duì)其進(jìn)行信號(hào)的控制與處理，同時(shí)提供外部宏觀接口。1) 向微能源器件發(fā)展微能源器件是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，而微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）則是二十一世紀(jì)的研究領(lǐng)域之一。繆建等提出一種新型的對(duì)偶子式的壓電微懸臂雙梁，采用簡(jiǎn)化的等效器件建立數(shù)學(xué)分析模型，并利用ANSYS對(duì)這種對(duì)偶子微懸梁臂進(jìn)行了模擬仿真分析。王光慶提出一種利用壓電疊堆進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的壓電發(fā)電裝置，并采用壓電振動(dòng)理論和桿的波動(dòng)理論建立了發(fā)電裝置的機(jī)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。帶有由四個(gè)二極管和一個(gè)電容器組成的整流電路，并對(duì)圓形和方形兩種界面的裝置做了發(fā)電性能測(cè)試。圖 壓電式振動(dòng)能量收集器的三種常用結(jié)構(gòu) 壓電振動(dòng)能量收集技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)元件，因此在電子、航空航天、機(jī)械制造、生物工程和機(jī)器人等技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。為此，本文的研究主要圍繞壓電式振動(dòng)能量收集器而展開。相比較而言，壓電式振動(dòng)能量收集器具有許多優(yōu)勢(shì)。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(dú)立電源的支持才能工作。此外，Kim和中南大學(xué)的陳子光等[22]分別設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析了鐃鈸型和柱筒扭轉(zhuǎn)型壓電振動(dòng)能量收集器。Mateu對(duì)比了矩形和三角形壓電懸臂梁振動(dòng)能量收集器，結(jié)果表明，在三角形壓電懸臂梁的長(zhǎng)度、厚度及其固定端寬度與矩形懸臂梁的長(zhǎng)度、厚度和寬度都分別相等的情況下，受到相同載荷作用時(shí)三角形懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變更大，輸出的電能也更多。由于懸臂梁式壓電振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在實(shí)際中易于實(shí)現(xiàn)，因而對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振動(dòng)能量收集器進(jìn)行分析的研究者也居多。若干個(gè)壓電柱相互黏合構(gòu)成壓電筒，壓電筒在旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)環(huán)境下發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷。懸臂梁結(jié)構(gòu)是最常用的壓電式振動(dòng)能量收集器結(jié)構(gòu)，也是最簡(jiǎn)單的一種結(jié)構(gòu)。理想情況下，壓電元件的變形越大，其產(chǎn)生的電能也越大。顧名思義，磁極運(yùn)動(dòng)型是線圈保持不動(dòng)，磁極運(yùn)動(dòng)引起線圈相對(duì)切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生電能；而磁極固定型是磁極保持不動(dòng)，線圈運(yùn)動(dòng)切割磁場(chǎng)而產(chǎn)生電能。當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)線內(nèi)將產(chǎn)生電流，其輸出電能的大小由磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈的匝數(shù)和其相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度決定。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(dòng)極板在環(huán)境振動(dòng)的帶動(dòng)下發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器的容量將發(fā)生變化，則根據(jù)可得電極板上的電荷將向外流動(dòng)形成電流，從而將外部的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。1) 靜電(電容)式靜電式振動(dòng)能量收集器也稱為電容式振動(dòng)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(gè)固定電極和一個(gè)附有慣性質(zhì)量塊的可動(dòng)電極構(gòu)成。由于振動(dòng)能量在任何工業(yè)領(lǐng)域都很容易得到，因此，近些年來對(duì)基于振動(dòng)環(huán)境的能量收集技術(shù)的研究越來越多。[17]。因此，為了發(fā)揮溫差發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行深入研究。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。C，輻射強(qiáng)度為800W/m2時(shí)。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。用于溫差發(fā)電的熱電材料主要以半導(dǎo)體材料為主，如Bi2TePbTe2SnTe和SiGe與MnTe等[13]。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(dòng)下，空穴和電子就會(huì)緩緩的向低溫端擴(kuò)散，繼而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣，熱電材料就通過高低溫兩端之間的溫差補(bǔ)償，完成了將高溫端的輸入熱能轉(zhuǎn)化成電能的過程。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)。同樣，韓國(guó)研究人員仿照人耳鼓膜制造出了噪聲發(fā)電機(jī)，它內(nèi)部存儲(chǔ)有碳酸鹽、丙烯腈等化學(xué)物質(zhì)可以將噪聲沖擊波對(duì)仿生鼓膜的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來[11]。當(dāng)高頻聲波信號(hào)遇到鈮酸鋰時(shí)，這種材料的特殊功能使其能夠在高溫條件下將聲能轉(zhuǎn)化為電能。那么可以想象，在一個(gè)體育場(chǎng)，幾萬人一起吶喊鼓掌產(chǎn)生的能量也是相當(dāng)巨大的。表 不同光照時(shí)的輸出電能對(duì)比光照條件戶外中午距離60W的距離60W的辦公室照明輸出功率(μW/cm3)1400050005672） 聲能的收集聲能也是一種非?？捎^的能量。在戶外太陽直射和陰天的條件下太陽能轉(zhuǎn)換成電能的功率輸出密度相差100倍。雖然太陽能所能提供的電能密度很大，在戶外太陽直射的條件下，在地球表面通過太陽能收集技術(shù)所能提供的最大功率密度能夠達(dá)到100mW/cm3，但是，現(xiàn)有的硅太陽能電池或太陽能薄膜晶體電池對(duì)太陽能的利用率較低，只能達(dá)到12%25%。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的性能，使用壽命長(zhǎng)（30年以上），一套光伏發(fā)電系統(tǒng)只要有太陽能電池組件發(fā)電，有自動(dòng)化控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制，基本上可以實(shí)現(xiàn)無人值守。光伏發(fā)電的全過程是利用太陽的光輻射能通過光電池作用轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換過程簡(jiǎn)單，它是直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，沒有中間環(huán)節(jié)，因而光伏發(fā)電不但無噪音，而且無能耗、無有毒污染氣體排放、無水源冷卻系統(tǒng)與設(shè)備，節(jié)省了資金投入。太陽能在地球上分布很廣，只要有光照的場(chǎng)所和地理位置適合的地區(qū)，就可使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)來發(fā)電。1） 太陽（光）能收集光電材料的不斷發(fā)展，使太陽光伏能量收集成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電能來源的一個(gè)重要組成部分。1066180。C梯度)15 (10186。表格的下半部分是單獨(dú)通過能量存儲(chǔ)技術(shù)得到的電源，它們的初始電能是一定的，因而它們的輸出功率隨著壽命的增加而不斷減小。根據(jù)被收集能量形式的不同，可將能量收集技術(shù)分成不同的種類，Error! Reference source not [38]，表中同時(shí)包含了普通電池和其他能量存儲(chǔ)電源的對(duì)比信息。對(duì)壓電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化機(jī)理、電能預(yù)測(cè)模型、電能輸出影響因素、功率調(diào)節(jié)與能量存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)理論分析和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了深入的研究和討論。圖 工業(yè)環(huán)境中的潛在能量與回收雖然以現(xiàn)有的技術(shù)和方法，要通過環(huán)境能量收集來完全實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自供電問題還有一定的困難，但是隨著現(xiàn)代化大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，電子元器件的體積和功耗也越來越趨于微型化，微瓦級(jí)功耗的電子器件已經(jīng)非常普遍，再加上能量收集技術(shù)的不斷提高和優(yōu)化，相信在不久的將來，實(shí)現(xiàn)自供電式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將不再是難題。目前，在工業(yè)環(huán)境中存在的可利用的潛在能源包括：太陽能(光能)、風(fēng)能、熱能、聲能、電磁場(chǎng)能和機(jī)械振動(dòng)能等，如圖 1所示[2]。近些年來，基于環(huán)境的能量收集技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。這樣，要保證一個(gè)由上千個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行就需要定期更換大量的電池，一方面就必然要增高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的使用成本，對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展會(huì)帶來不利的影響，另外一方面大量的廢棄電池也會(huì)造成一定的環(huán)境污染。例如，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中在橋梁上放置大量的傳感節(jié)點(diǎn)，用做結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器，還有追蹤野生動(dòng)物所用的定為節(jié)點(diǎn)，即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System,GPS）。盡管隨著電池技術(shù)的逐漸發(fā)展，開發(fā)者可以通過增大電池容量來延長(zhǎng)電池的使用年限，可是當(dāng)前電池增容技術(shù)的發(fā)展速度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于無線電子器件。這樣對(duì)便攜式電子設(shè)備和無線傳感器的供電設(shè)備的需求也就與日俱增。作為無線系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用，一種被稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）[1]的技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展。[關(guān)鍵詞]振動(dòng)能；壓電效應(yīng)；壓電材料；能量收集電路Research on Vibration Energy Harvesting Technology Based on Pi