（机械电子工程专业论文）基于谐振腔和簧片阀结构的风能回收装置.pdf

摘要 摘要 能量回收装置回收利用外界环境巾的能量，为便携式器件或传感器网络节点供 电，实现电子器件的自丰供能，可以有效的解决目前电池供电带来的系列问题， 有广泛的应用潜力和巨大的研究价值。风能作为环境叫j 普遍存在的一科一能量源，可 以采j 一| 电磁或压电的方式对其进行回收。本文主要采用压电式。压电能量回收利用 胝电效应，将机械能直接转化为电能。 压电风能回收装置利用某种装置首先把风能装换为振动能，再利用压电陶瓷把 振动能转换为电能。现有的一些研究主要是利用轴加凸轮机构来让风能转换为振动 能，他们有一些缺点：结构复杂、寿命比较短、能量转换效率不高。 本文介绍了一种新的类似于口琴腔结构的谐振腔结构风能回收装置。在谐振腔 的配合下，在根部贴有压电陶瓷片的簧片可以在腔体的出气口自由地振动，从而产 牛电能。进气口的尺寸大约是3 c m x 2 c m ，把该装置放在6 4 m p h 到2 2 m p h 的风速范围 内测试，并且使用一个0 4 6 m 的电阻做负载，可以输出0 5 m w - 4 5 m w 的电能。该装 置的能量转换效率可以达至- f j 2 4 。 关键词：压电陶瓷，能量回收，风能回收，谐振腔 摘要 _ h h _ _ h _ w h m * w * h _ * 十w h h w _ w * * p _ h h _ _ 十* h h w h * _ * w 十m _ ”_ w h - h _ _ h # h w h h w ”h # _ h w * m m w h w w “m h “h ”n “”“”。“”“_ ”+ w “”十“+ “十”m 4 ”“+ “”“一一 a b s t r a c t e n e r g yh a r v e s t i n gd e v i c e ss c a v e n g et h ea m b i e n te n e r g yt op o w e rp o r t a b l ee l e c t r o n i c s o rw i r e l e s ss e n s o rn o d e s ，w i t h o u tt h eu s eo ft r a d i t i o n a lb a t t e r i e s ，w h i c hh a v el i m i t e d l i f e s p a n h a r v e s t i n ge n e r g yf r o ma m b i e n tv i b r a t i o n sh a sw i d ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n ，a n d h a sr e c e n t l ya t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n t h e r ea r et w om a i na p p r o a c h e st h a tc a nb eu s e dt o s c a v e n g e w i n de n e r g y ：p i e z o e l e c t r i ca n de l e c t r o m a g n e t i c i nt h i s p a p e r u s et h e p i e z o e l e c t r i cg e n e r a t o r st oh a r v e s tt h ew i n de n e r g y p i e z o e l e c t r i cg e n e r a t o r se m p l o yt h e p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，c o n v e r t t oed i r e c t l y p i e z o e l e c t r i cw i n d - e n e r g y - h a r v e s t i n gd e v i c ef i r s t l yc o n v e r t st h ew i n de n e r g yt o v ib r a t i o ne n e r g yu s i n gam e c h a n i s m ，t h e nc o n v e at h em e c h a ni c a le n e r g yt oe l e c t r i c a l e n e r g yw i t ht h ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l m a n yw i n d e n e r g y h a r v e s t i n gd e v i c e sh a v eb e e n c r e a t e du t i l i z i n gt h er o t a t i o nm e c h a n i s m b u tt h e yh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ：c o m p l e x s t r u c t u r e s 、s h o r tl i f ea n dl o we n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y t h i sl e t t e rr e p o r t san e ww i n de n e r g yh a r v e s t i n gd e v i c eu s i n gap i e z o e l e c t r i c e l e m e n ta n dam e c h a n i c a lr e s o n a n tc a v i t yw h i c hi ss i m i l a rt ot h es t r u c t u r eu s e di n h a r m o n i c a u n d e rt h eh e l po ft h er e s o n a n tc a v i t y ，t h er e e dv i b r a t e se f f i c i e n t l ya n da p i e z o e l e c t r i ce l e m e n ts t u c ko nt h er e e dg e n e r a t e se l e c t r i c i t ya c c o r d i n g l y t h ed i m e n s i o n o ft h ew i n di n l e ti sa b o u t3 c mx 2 c m t h ed e v i c ew a si n v e s t i g a t e di nt h ew i n dw i t has p e e d r a n g i n gf r o m6 4m p h t o2 2m p h ，a n da no u t p u tp o w e ro f0 5 m wt o4 5m wc a nb eg o t w i t ham a t c h i n gl o a do f0 4 6 m f 2a r o u n dt h i sw i n ds p e e dr a n g e t h ee n e r g yc o n v e r s i o n e f f i ci e n c yo ft h ed e v i c ec a nr e a c hu pt o2 4 k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，e n e r g yh a r v e s t i n g ，w i n de n e r g yh a r v e s t i n g ， r e s o n a n tc a v i t y 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：埠 签字同期：j 生尘丛口( 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 a 么丌口保密( 年) 作者签名： 签字f 1 期： 盘蛰 矿卜。 导师签名： 签字同期：捌里! ! g 第一章绪论 第一章绪论 能源是人类活动的物质基础。从某利t 意义上讲，人类社会的发展离不开优质能 源的出现和先进能源技术的使用。在当今的世界上，能源的发展，环境的保护，是 全世界和全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展过程中需要注意的重要问 题。外界能源包括太阳能，风能，振动能等等，及其丰富，有很大的开发潜力，为 我们继续可持续的发展提供了很大的空间。这里能量回收不同于般意义上的宏观 能量回收。一般意义上的能量回收，比如，使用风力发电机组进行风力发电，以及 使j ：f 潮汐能进行潮汐发电等等。这样的能量回收主要是用来大功率的回收自然界中 的能量，为人们的生活尽可能的提供绿色动力源，这样的结构装置一般很大，比如 三峡水电站，提供的功率一般也很大，一般都能达到几百万千瓦乃至上千万千瓦。 而我们这里所讲的能量回收，主要是用在微型传感器网络领域，作为微型传感器和 传感器节点的动力源，其体积一般很小，尽管能量密度比较大，可回收的能量总量 并不是很大，其功率一般在几毫瓦到几十毫瓦左右。在此领域，能量回收装置回收 利刚外界环境中的能量，为便携式器件或传感器网络节点供电，实现电子器件的自 丰供能，可以有效解决目前电池供电带来的_ 一系列问题，清洁环保。由于环境能源 的多样性，以及根据不同的物理效应，很难有单一的能量回收方式适用于所有的能 量源。所以如何在有限的体积条件下，尽可能的回收最多的能量，以及在什么条件 下，使用什么能量源作为回收源，是能量回收这个研究领域的一个重要的课题。 1 。1 背景 随着微电子与微制造技术的不断发展，无线传感网络应运而生。无线传感网络 和微执行器等微系统广泛应用在环境监测，建筑物的结构监测，植物的生长环境的 监测，体内植入生物芯片，汽车，军事等重要领域。如我们所熟悉的室内温度和光 线监测，汽车的加速度及车胎气压监测，大厦的地震监测，设备故障监测，交通拥 挤地段有毒化学物质监测等等。无线传感器网络拓扑图如图1 1 所示，传感器网络 由很多传感器组成，包括他们的传输网络，以及他们的动力源。由于这样的传感器 网络一般使用在些比较特别的场合，所以，他们的动力源是一个热点问题。能量 回收装置主要用来对传感器节点进行供电，使其工作，同时还要提供能量让它和信 息处理t 巾心进行信号的传输。在这样的无线传感网络里，器件的微型化、集成化是 一个必然的趋势，而且随着工作寿命不断延长，这也要求能量回收系统必须尽可能 的提供足够的能量。而电池研究的进展速度相对于日新月异的电子器件显得过于缓 】 第一$ 堵论 慢，小型电池的能量密度投有相应的提高，从而限制了器件整体尺寸的微型化。同 时，电池对环境的污染也是很严重的，出于这样的原因，能量回收装置的出现也就 成了必然的趋势。如图12 所示，已经开发出来的几种能量回收装置。 * g * # 图3 1 典型的无线传感器网络拓扑图 9 ! 图1 2 能量回收装置 有以下几个原园限制了电池的使用。首先，现在全球对环境的要求是越来 越严格，化学电池对土壤和水资源的污染是致命的；其次，电池的能量密度不 高，限制其使用的寿命，现在应用比较广的是锂电池，目前每立方厘米锂电池 具有0 8 千瓦时的电能，如果使用一个i 立方厘米的锂电池来为个耗电量为 ol m w 的电子设备提供电量，它的可预期的寿命为8 0 0 0 个小时，也就是3 3 3 无，接近年。一年的使用寿命对于那些长期使用的传感设备显然是不够的。 如果把它用于功率更大的能量回收系统显然它的寿命更短。也许有些人会考 虑使用大点的电池来给系统供电，也许能量上没有问题，但是这样势必会让这 个系统的体积变得很大，这显然和微型化的趋势是矛盾的电池缺点日益突出， 急需其他供能方式。小型燃料电池是目前的一个研究热点，虽然相对于普通电 池它的使用寿命可以延长好几倍，但在某些场合还是不能长时间的工作。我们 希望找到一种理论上寿命趋于无限可能的一种能量提供方式。最后，就是我们 希望一些传感器放置后就不要在去对它进行操作，因为在很多的地方，我们是 操作不了的比如一些埋藏的温度湿度传感器，以及地基的监测器件，对它们 进行定期的电池更换或者充电都会耗费很大的人力物力。另外，在设备故障检 测时t 通常需安放大量的传感器节点虽然通过无线方式可以省去传感器节点 与处理器之间复杂的线路连接，但是普通电池寿命有限需要定期充电或者更换， 给多结点传感器阿络的应用带来了诸多不便。所卧，这才提出了能量回收这个 第一章鳍论 课题。 幽i3 中给出了手提电脑的各项性能参数，从1 9 9 0 年到2 0 0 3 年的对数变化 趋势，由图可以发现电池发展的速度明显低于其他的各项参数”，揭示了器件的 能量供给这难题。 圈13 手提电脑配件和电池能量密度的拄展趋势 通过研究发现解决这个问题最有效和也最实用的方法就是利用外界环境中的能 量，为充电电池充电，或者直接用来为电子器件供能，建立自发电的传感器节点。 这就是我们所说的能量回收系统，它有效的延长了电子器件的使用寿命，直至器件 的部件损坏，而不受制于电池寿命。外界环境能量的形式多种多样，没有一种回收 方式可以适用于所有外界能量形式，这就决定了能量回收研究的复杂性和多样性。 1 2 外界的能量源 我们把外界能量分为两种，一种是人体能量，一种是环境能量。人体能量主要 指人有日的地运动去所产生能量。比如去摇动手柄来为可发电的手电筒提供能量， 电动自行车在没有电的时候可以通过人的运动来给自行车的电源充电；还有一种是 被动能量，被动人体能量是指人体在平时运动中所伴随产生的可回收能量像我们 平时行走，胸腔的呼吸运动，手臂的运动，以及血压所提供的能量。除此之外人体 本身也存在着热能。环境能量包括振动能量、潮汐能、风能、热能、太阳能和电磁 波所携带的能量等。环境中的风能及其丰富它几乎存在于自然界的每个角落。 1 2 1 人体能量 据研究发现手指每敲击一次键盘时可以产生的能量大约在1 9 m w 左右，日常活 动中上肢运动所产生的能量为3 w ，每秒钟行走两步所产生的能量大约为6 7 w ，血 3 第章绪论 液流动可以产生0 3 9 w 的能量，胸腔的扩张可以产生0 8 3 w 的能量。由于微电子学 的发展，电子器件的“f l y 耗大致在m w 和l a w 量级。作为一个低能耗的实例p i c l 6 c 7 系列微处理器和外设，其工作在5 v 4 m h z 情况下，工作电流低于2 m a ；当其工作 在3 v 3 2 k h z 情况下，工作电流约为1 5 衅。因此，可以想象回收人体能量为低能耗 的电子设备供电具有很大的可行性。 1 2 2 环境能量 太阳能 太阳能( s o l a r ) ，是一种普遍存在的能量形式，广义上的太阳能是地球上许多 能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。这里所说的太阳能一般是指太阳光 的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生 存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼 等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能系统的产能从毫瓦 到兆瓦，被广泛应用在多个方面。太阳能的利用有被动式利用( 光热转换) 和光电 转换两利- 方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。家用热水器就是光热装换的 例子。太阳能现在研究比较热的还是光电转换，主要产品是太阳能芯片和太阳能电 池。硅太阳能芯片技术相对成熟，单晶硅片效率可以达到1 2 到2 5 。多晶硅太阳 能芯片价格比单晶硅来得便宜，在市场上很容易购买到，但它的能量转化效率比单 晶硅片略低。白天的户外太阳能很充足，在正午阳光直射的情况下，太阳能辐射的 能量密度大约为1 0 0 m w c m 。安放在室外并且主要在白天工作的一些器件采用太阳 能供电就很方便。但是办公室内部的光线一般比较暗，其能量密度一般只有几 l a w c m ，而且与距室内光源距离的平方成反比。 太阳能电池可以对安放在室外工作的无线传感器节点或航空航天设备上的微型 传感器实现长期供电，但其受制于天气，应用场合限制，对于植入式检测传感器， 心脏起搏器，以及深海传感器等系统，存在的光线非常有限，所以不能实现有效供 能。 热能 热能可以分为人体热能和环境热能，现在用得比较广泛的是环境热能，其利用 的关键是必须热能体要存在热量梯度。热能到电能的转换基本上采用热电偶，这种 方式产能量有限。如果在l c m 中有1 0c 的温度梯度，就能够获得超过1 5 9 w c m 。 的能量，但是这样的温度梯度一般是比较少见的。另外从能量梯度中获取能量的解 决方案不太适用于微型器件，因为在微小体积内获得较大的热梯度是比较困难的。 热能的这种热电偶形式的能量回收主要用在传感器领域，作为传感器使用，而不是 4 第一章绪论 作为能量回收，主要用来感应材料的热能变化。另外种方式是利用温度随时间的 变化米产牛电能，这是- 7 1 正在研究的能量回收方式。例如一种空气钟，它包含一 种密封的液体，经历大约2 0 。c 的温度变化。液体在温度变化的过程巾由液态变为气 态，因此密= 于体内的压力变大，从而推动一个小弹簧带动钟表运动，这是一个很有 意思的设计，但其输出的能量比其他的方式可能要略低。 机械振动能量 机械振动能量广泛的存在于我们生活的空间中。比如工厂大型设备的振动、雨 滴落到地面的能量、人体行走的能量、汽车行进中的振动等等。他们主要使用电磁 和压电等方式来进行能量回收，装置可以做得很小，并且其效率可以达到很高。所 以，回收机械振动能量现在是很热的研究课题，国内外有很多的学者都在对振动的 能量回收进行研究。各种利用振动能量的自发电系统被广泛的研究。 日常生活中各种家用电器和其他器物都会有微小振动，它们固有频率大概在 1 0 0 h z 左右，他们的最大加速度大致在0 5 5 m s 。s r o u n d ye t a l 给出了一些轻微的 振动源的频率特性，如图1 4 所示【2 j ，左侧振源为微波炉，右侧振源为靠近繁忙马路 的一扇窗。上面的图为振动的振幅频率曲线，下面的图为振动加速度频率曲线。当 频率低于2 0 0 h z 时，振幅有最大值，振幅盐线有逐渐下降趋势；加速度曲线相对比 较平稳，高阶谐振状态下的加速度值低于低阶谐振状态的加速度，输出能量与a 硒 成正比，因此低频谐振模态的能量回收成为研究的重点。 m | c r o m v ec a s i n g i i 钮1 4 怕肿n tv s f r e q m 曲巾* a 坩o 坤 兰 口 1e + 0 1 1e , , 0 0 垒1e 0 1 d ，e - 0 2 等1 哪 e - e 4 w i n d o w sn e x tt o _ b u s ys t r e a l l l ，p l a r e m e n t 一f r e q w i n d o w s 图1 4 正常振动源举例 风能 风能是种广泛存在于我们周围的能量形式，在自然界中，风是一种可再生、 无污染而且储量巨大的能源。随着全球气候变暖和能源危机，各国都在加紧对风 5 第一章绪论 力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地 球。风能( w i n de n e r g y ) 是；t g 球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处 受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差 异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度 和可利用的风能年累积小时数。风能密度是单位迎风面积可获得的风的功率，与 风速的三次方和空气密度成正比关系。风能的利用主要是以风能作动力和风力发 电两利，形式，其中又以风力发电为主。以风能作动力，就是利用风来直接带动各 利一机械装置，如带动水泵提水等这种风力发动机，在很多风力资源丰富的国家， 科学家们还利用风力发动机铡草、磨面和加工饲料等。现代利用风能的主要方式 是风力发电，它的核心是风轮机，通过风轮机把风能转换为电能。不过风能有以 下几个缺点：风速不稳定、产生的能量大小不稳定、风能利用受地理位置限制严 重、风能的转换效率低、风能是新型能源，相应的使用设备也不是很成熟等。不 过这并不妨碍科学人员继续对风能的开发利用，毕竟这是一种无污染的新型能源。 1 2 3 各种能源的比较 图1 5 给出了各种类型的能量源输出功率随其使用时间的变化情况。各种电池都 有定的使用寿命，输出功率随着使用时间的增长而逐渐下降最终归为零。太阳能 和振动的能量输出量并不受使用时间的影响，在图中分别用阴影部分表示出来。太 阳能位于振动能上方的部分表示区域在户外所接收到的每平方厘米能量，而位于下 方的部分则表示在室内光照情况下所接收到的能量。由图中可知，如果所需要的器 件的使削寿命短于一年则使用电池来供电是完全可以满足要求的，但需要其寿命超 过5 年时，电池所能提供的能量小于太阳能和振动能量，因此，当其寿命要求比较 长时需要考虑采用其他供能方式。 c o n t i n o u sp o w e ric m av s l i f ef o rs e v e r a lp o w e fs o u r c 喜s 图1 5 几种能量源对比 6 1 3 几种振动能量回收方式 第一章绪论 本文的研究内容主要是研究风能回收的可行性，风能回收主要是通过把风的动 能转换为系统的某个构件的振动能，再遁过压电陶瓷的压电效应，把振动能转换为 电能，本质上还是回收振动能，只是在原有的基础上增加了把风能转换为振动能的 部分。下面就集中介绍一下几种常见的振动能量回收方式。 目前回收振动能量的方式主要有电磁式，静电式，和压电式，下面分别对这几 种方式进行介绍。 1 3 1 电磁式 电磁式能量回收系统的原理如图1 6 所示，它的原理是通过改变线圈和磁铁的 相对运动，来改变线圈内部的磁通量的太小，从而在线圈的输出端产生电压，用来 驱动外部负载。器件所生成的能量在整个结构谐振时有最大值，并且与磁铁振子振 动幅值的平方成正比。电磁式产生的感应电压量很小，必须使用变压器，提高线圈 嚼数或提高磁场强度可虬提高感应电压但是系统体积受到弹簧和系统应用场合的 限制。 圈1 6 电磁式擐动能量回收模型 典型的电磁式结构采用永磁体，线圈和谐振粱。理论上讲电磁线圈或者磁体其 中任何一个放置在粱上，另外一个固定都可以获得线圈和磁体的相对运动，从而输 出电压。但是由于磁体的质量明显太于线圈，所以其更适合用来作谐振粱的振子， 磁体放置在谐振梁上的结构更优。me l - h a m ie t 讲设计了类似结构的电磁发电装置 。如酗i7 所示，一对磁铁放置在一个c 形状的壳内处于粱的自由端，线圈由多圈 滚包铜线构成，放置在两个磁体中间。实验证明在振动频率为3 2 0 h z 的情况下， 2 4 0 m m 的体积产生了高于l m w 的能量。 翌17 悬臂粱型电磁式振动能量回收 璇大家都把电磁式能量回收系统用在大_ - ，点的系统一lr ，而不刷在微型系统巾， 比如m e m s 。不过i b r a h i ms a r ie ta l 设计了一种可咀在m e m s 中使用的悬臂粱电磁 式能量回收结构n 它的尺寸只有9 5x8x6 m m 3 。如图i8 所示。 + 一 = 、v 一 i i ：篇崩 图1 8 微型悬臂粱电磁式能晕回收系统示意图 此电磁发电装置使用的足多悬臂梁阵列来进行能量回收材料为聚对二甲苯。 线圈由多圈漆包线构成，均匀的分布在悬臂粱的上表面，在悬臂粱的右端是一个磁 铁。由磁铁米提供一个准均匀磁场。通过外部的机械振动来使悬臂粱振动从而回 收能量。此结构有以下几个特点：首先是它采用的悬臂粱阵列，可以明显提高回收 能量的太小；其次，可毗根据使崩的场合进行悬臂粱数量的调整，同时调整线圈的 圈数也是一种办法。最后，可以通过调整悬臂梁的厚度来进行调整悬臂粱的频率， 使其适朋于使用的场合。作者通过实验得到了，在撮优化的情况下，单根悬臂粱可 出得到的最大电压为0 6 7 m y ，可以得到的最大能量为$ 6 p w ，在振动频率为3 4 k h z 的情况下， 1 3 2 静电式 静电式能量回收利用外界振动克服电容极板间的静电力做功，将机械能转化成 电能。根据在工作过程中电容极板问的电压恒定或是电量恒定可以分为两类。静电 式机构的运动方式般有三种，如图19 所示，分别为改变叉指交叠面积，改变叉指 问距，和改变两片大扳之间的间距。 sr o u n d y d3 通过研究发现改变叉指间距的方式可以产生最多的能量，改变太片 间距次之，改变叉指变叠面积再次，同时产能最大值出现在极板间距极小时。因此 可以通过采用极小的极板间距增大设备的能量密度。静电式能量回收与m e m s 工艺 第一 镕诒 有很好的兼容性，微型化容易实现。所以静电式更适合于微型设备中，但是需要额 外的初始极化电压或者电荷。 髓一i 峨h 1 3 3 压电式 图1 9 静电式能量回收结构 i 丽 压电式能量回收是利用压电材料特有的压电效应，通过把机械能转换为电能的 方式来回收振动能。压电效应现象最早是1 8 8 0 年由皮埃尔居里( p i e r r e c u r i e ) 和雅 克居里( j a c q u e s c u r i e ) 兄弟发现。在不具有对称中心的晶体中，由于内部存在自发 极化，正负电荷中心不重合而产生偶极距，这样晶体内部就产生一个电场，为平衡 内部电场，晶体表面就产生空间电荷使整个晶体对外显示电中性，当外力变化时， 晶体内部的偶极距改变而使得内部电场发生变化，这样晶体表面的空间电荷也就得 以释放，表现出压电效应。反之，在一定的电场作用下，晶体会产生外形尺寸的变 化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现象叫做逆压电效应或者称为电致伸 缩效应。简单的讲就是在压电材料上施加机械应力，就会产生电荷这就是压电效应： 同样如果给压电材料籀加电场，就会产生机械形变这是逆压电效应。压电效应在现 代科学技术中有着广泛的应用。利用压电效应可虬做出各种各样的压电材料，压电 材料的应用领域可以粗略分为两大类：即压电驱动器和换能器应用，包括电声换能 器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。换能器是将机械 振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。压电驱动器 用逆压电效 应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础， 包括利_ e | j 横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究 包括显示器件控制、微位移产生系统等。近年来利用压电效应的能量回收和振动控 制成为国内外研究的热点_ 。 现在般研究的能量回收，都是在知道了振动能量的信号形式后，设计的能量 回收系统，丈部分信号的形式为正弦信号，压电体产生的电信号就为正弦信号。如 果此时在压电陶瓷的两个输出端接一个匹配电阻负载，则电阻两端出现正弦信号， 镕一章堵诧 消耗的电能也就是我们从压电体内取出的电能。但是在应用中，后面还有很多的处 ：电路。 臌要把压电体产生的交流信号经过整流桥进行整流滤波和直流电压变换 电路。如图11 0 所示。回收模块基本上分为三部分，第一部分为外界振动源将变变 麻力施加在压电体上，压电体将机械能转化成电能：第二部分为压电产生的电能通 过整流桥把交流的电信号进行平滑处理，使其转化为直流信号：最后一部分为电能 的储存部分，平滑后的直流电压进过电压变换，在储存在电容或者充电的电池里面。 1 3 4 回收方式对比 - s 。# h u v j 图1l o 压电能量回收框图 上面介绍了几种有效的振动能量回收的方式，每一种能量回收方式都会在其特 定的环境下表现出与众不同的优势，电磁式能量回收系统产能稍微有点低，一般情 况下- 很难做得很小，受制于其体积，一般根难适用于微型系统，所以一般将其应 用在大型系统中。静电式能量回收结构与微系统制造工艺具有良好的兼容性，所以 易于集成在微系统当中，但是由于需要在电容掇板和微小间隙间产生电场，因此对 t 艺的要求比较高，每次工作前都需要对电容进行充电，同时能量回收的密度比较 低。压电方式可以直接将负载施加的应变能转化成电能，适用在各种尺度，不但结 构相对简单，不需要额外的电源，而且易于集成。广泛的研究表明：压电回收系统 单位体科所能回收的能量高于单位体积的静电回收系统。压电回收方式咀其适用性 广，结构相对简单等优势，受到了广泛的关注。 1 _ 4 压电能量回收的应用 压电能量回收应用的前提是外界存在可供利用的可靠能量源。压电能量回收系 统正常工作时t 可为负载提供长期而稳定的电能。能量回收系统为无线传感网络节 点提供工作电能，减少了的电池的使用，降低了为数量众多的传感器节点定期更换 电池或充电所带来的巨大人力物力需要。能量回收系统的应用有以下几种： 1 ：一些重要建筑物的结构检测，他们会用到无线传感网络，而这些无线传感网 络又必须得通过回收周围的能量来提供动力源。比如，桥梁、大型水坝、年龄久远 的建筑物、道路、大型的输油管道以及铁路等等如图1 儿。在这些建筑物中，必 须得时刻检测他们的状态。可能对他们造成损害的因素有以下几点：首先，由于现 在的地震越来越频繁的发生，为了在震后第时间把物资运往灾区，就必须得知道 ， 灾区的道路以及铁路的状况，通过预先在建筑物中掩埋的无线传感器网络，可以根 简单的知道各条道路了的状况：还有，可蚍震后需要查看一些重要的建筑物的状况， 埘其进行评估，对损坏严重的一些建筑物必须进行雏修。不单单在地震的情况下， 才对建筑物进行评估。比如，故宫这样的很重的博物馆，由于成年累月的雨水的冲 刷，有些建筑物必定存在一定程度的损毁，通过传感嚣网络可以很容易韵检测出其 巾的问题所在，大大提高了效率。大型的输油管道也是这样。一些大型的桥梁由 于水质的原因，其受到水流的冲刷和化学物质的腐蚀，必定对桥梁的根基产生一些 损毁，此时，就必须使用这样的传感器，而在这种特殊的条件下，根本不可能使用 人工去给传脯器更换电池，所以，能量回啦存这些领域具有广泛的用途。 f t 帛唷”吖 图11 1 一些建筑物在环境的作用下受到的损坏 2 ：农业以及食物产业的一些检测，比如，环境、精细农业、温室控制以及动物 的饲养等等。由于现在环境的进一步恶劣，全世界范围内的对于环境的关注也越来 越重视，环境已经成为新一轮的科技创新的出发点，甚至会带来新的科技革命，它 将对我们的掌活环境和习惯产生深渊的影响。现在在自然界的很多地方，人类都使 用了传感器来收集环境中的数据，特别是在南极和北极等一些非常恶劣的环境中进 行数据的收集。在这样的环境中，势必会用到大量的能量回收装置，来给传感网络 提供能量，因为要想使片j 人工去更换是不可能的。类似的一些地域还有深海探测等。 除了环境的需求在一些精细农业中也广泛的使用到使用能量回收装置来提供能量 的无线传礴器网络，如图2 所示。这些传感器是用来帮助农民了解植物生长环境对 植物比较重要的环境参数，以利于农民做出相应的调整，帮助植物更好的成长。在 温室太棚蔬菜的种植中也会大量的使用。 图1n 农业中使用的无线传感器网络 3 ：建筑物自动化、智能房屋等未来的生活场所。在这些建筑物里面，将会使用 能量回收系统来给房屋供能，而不再是使用一些现在使用的能源。他们将综合使用 各种各样的能源，包括风能，太阳能，白天和黑夜的温差能等等。现在能源的减少， 第一章绪论 以及对环境的污染等问题，催生了新型能源的研究，他们不会污染环境，对环境非 常的友好，非常适合可持续发展的要求。 小结 本节介绍了能量回收必要性以及可行性。由于无线传感器网络在一些建筑物和 环境检测中的广泛应用，能量回收也变成了一个很热f - t 的研究课题，通过回收的能 量来给网络提供能量。自然界中的能量源很多，通过介绍各种能量源并且比较能量 源的回收条件以及他们的优劣。由于风能回收主要还是先把分能转换为振动能，再 把振动能转换为电能，所以介绍了几种振动能量回收方式，并比较了各种回收方式 的特点。最后介绍了能量回收的应用领域。 = $ 电n 自丧 第二章压电风能回收 压电甩能回收主要刹刷席电材料的压电效应来回收风能。王要想法是先把风能 转换为胜电陶瓷的振动能，冉把振动能转换为电能输出。压电材料的瓜电特性o f 以 定量的由压电方程采反映，它具有三个参数：肚电系数、介电系数、弹性系数，而 雎电系数是压电方程q 一个非常重要的参数。根据不同的压电系数类型能量回收 可以分为两种典型的乃式，3 - 1 模式干几3 * 3 模式。f i 前压电材料有四种尼电单晶体、 _ i i 电陶瓷、压电高分子聚台物和j 三电复合材料，各种类型的压电材料都有并自不同 的特点，使川比较多的是压电陶既，帽比于其他的艇电材料它具有更好的材料性 能。 2 1 压电能量回收基础 2 1 1 压电陶瓷的压电效应 胜电效应可分为正h 电效应和逆压电效应。 “对压电陶瓷施加压力( 拉力) 时压电陶瓷会收缩( 伸长) 变形，陶瓷体 婀端产生电荷，见图21 ( a ) 。这种由“压”而产牛“电”的效应叫正压电效 麻。1 埘肌电陶瓷施加与极化方向相同( 相反) 的电场时，极化强度增加( 减少) ， 压电陶瓷沿极化方向伸长( 收缩) ，见图2l ( b ) 这种由“电”产生“伸缩” 的效应叫做逆压电效应。逆压电效应被广泛应用在微型制动器上；正压电效应被广 泛应h 为传感器，也就是平时所说的压电传感器能量回收正是利用压电陶瓷的正 挂电效应，把环境巾的振动能转换为电能来进行回收。 i 雪西：胃 t fh m a ) 正压电效应外力使晶体产生电荷 强画窗 b ) 逆压电效应一外加电场使晶体产生变形 幽21 压电散应与逆压电效虎 1 3 第二章压电风能叵【收 晶体内部的晶体结构决定了晶体是否具有压电性，有对称中心的晶体没有压电 性，而无对称中心的晶体通常都具有压电性。压电材料是利，各向异性材料，因此 在力、极化和外电极方向不同的情况下，材料就会表现出不同的特性。压电晶体的 独立弹性，介电常数和压电的数日与晶体的对称性有很大的关系。随着压电晶体越 对称，其独立的弹性，介电常数和压电的数目就会越来越少。 压电效应的状态方程反应了弹性变量( 应力、应变) 和电学变量( 电场、电位 移) 之间的关系。对于不同的边界条件和不同的自变量，就能得到不同的压电方程 组。当边界条件为机械自由和电学短路时，选应力7 和电场强度e 为白变量，应变 5 和电位移d 为因变量，就得到了第一类型压电方程组；机械夹紧和电学短路时， 应变s 和电场强度e 为自变量，应力7 - 和电位移d 为因变量，就得到了第二类型压 电方程组；机械自由和电学开路时，应力7 _ 和电位移d 为自变量，应变s 和电场强 度e 因自变量，就得到了第三类型压电方程组；机械夹紧和电学开路时，应变5 和 电位移d 为自变量，应力7 - 和电场强度e 为因变量，就得到了第四类型压电方程组【7 】。 1 图2 2 薄长条片 ( 1 ) 第一类型压电方程组 压电方程就是同时考虑力学和电学作用以及它们相互间的影响，并确定这些参 数之间的关系。以薄长条为例讨论第一类型压电方程组。 取一一压电陶瓷的薄长条片，设长度沿1 方向，宽度厶沿2 方向，厚度厶沿3 方向， 而口7 2 和厶，压电陶瓷的电极面与3 方向垂直，极化方向沿3 方向。只考虑沿l 方向的应力正的作用，其他应力分量正、正瓦忽略不计。只考虑电场如的作用， 其他电场分量e l 和岛忽略不计，见图2 2 。在应力墨和电场毛的作用下，压电陶瓷 就发生彤变。当电场b = 0 而应力正0 时，陶瓷片在互的作用下，产生弹性应变， 即 g ”= s 矗五 ( 2 1 ) 式中，弹性柔顺常数s 轰的上标e 表示霸口r 外，在电极面上无电荷积累，电压 保持不变，e = 0 或者e = 常数。 1 4 第二章压电风能回收 1 电场易0 ，应力五= 0 时，陶瓷片在电场毛的作用下，通过反向压电效应 产牛的压电应变为 辞2 = 毛1 邑 ( 2 2 ) 肖应力互0 ，电场e 3 0 时，陶瓷片在墨和e ，的同时作用下，产生的应变应 为j 币性应变与压电应变之和，即 s l = s l ( 1 ) + s ：2 = 5 # 五十吃l 马 ( 2 3 ) 在电场岛和应力五的作用下，陶瓷片产生电位移。 当电场局0 ，应力互= 0 时，陶瓷片在互作用下产生的介电位移为 硝”= 毛 ( 2 4 ) 式中，介电常数g 五的上标丁表示应力丁= o 或丁= 常数。当电场毛= 0 ，应力互0 时，陶瓷片在应力z 的作用下，通过正压电效应产生的压电位移为 叫2 = d 3 1 互 ( 2 5 ) 当电场e ，0 ，应力五0 时，陶瓷片e 3 和互的同时作用下，产生的电位移应 为介电位移和压电位移之和，即 b = 叫”+ 趔2 = 弓+ 以。五 ( 2 6 ) 最后，我们可以得出极化方向为3 方向、电极面与3 方向垂直、仅受应力五和电场巨 作刖的薄长条片的压电方程组为 s = s 轰互+ 吃， ( 2 7 ) d 3 = 以。互+ 司，马j 式中是以t 、为自变量，s 、d 为因变量的第一类压电方程组，5 、d 的变化是 由t 、e 引起的。上式是讨论互和岛的作用及口，2 的特殊情况。通常，我们把第一 类压电方程组简写成如下形式 d ：d r + s7 e 1 s ：s e 丁+ z e 2 8 5 为材料的应变，7 - 为应力，e 为外加电场，d 为电位移。当外部电场e 不存在 时，公式( 2 8 ) 的一式就是材料力学里的胡克公式，同样如果应力7 - 不存在时，公式 ( 2 8 ) 的二式就是简单的电介质公式。正是压电耦合提供了机械能到电能的转化媒介， 材料两端电场影响了它的机械特性，而机械应变又影响着材料的电性能。其中，f ， d ，s 分别为短路弹性柔顺常数，压电应变常数和自由介电常数矩阵，d 为d 的转置。 除了第一类压电方程组，可以以其它的变量为自变量得到其他的三类压电方程组。 ( 2 ) 第二类捱电方程组 第二章压电风能巨l 收 将陶瓷片的长条方向用刚性夹具同定，在边界上应变s = 0 ，应力t 0 ， 口尺外，电极面上无电荷积累，电压保持不变，e = 0 或e = 常数，d 0 ，在此 边界条件下，选应变s 和场强e 为自变量，应力r 和电位移d 为因变量这样得到第 二类压电方程组 t = c 6 s e e i d ：p s e q 9 式( 2 9 ) 中c e 为短路弹性刚度常数，s s 为夹紧介电常数，e 为压电应力系数。 ( 3 ) 第三类压电方程组 在压电陶瓷片的边界上，应力t = 0 ，应变s 0 ，陶瓷片的r 外口，d = 0 ， e 0 ，应力丁和电位移d 为自变量，应变s 和场强e 为因变量，得到第三类压电 方程组 s = s d 丁+ 唑i ( 2 1 0 ) e = 一g t + p 。d j 式中，s d 为开路弹性柔顺常数，g 为压电电压系数，7 1 为自由倒介电常数，是 占7 的倒数。 ( 4 ) 第四类压电方程组 在压电陶瓷片的边界上，应力t 0 、应变s = 0 ，陶瓷片的片的r 外口，选s 和 电位移d 为自变量，应力丁和电场强度e 为因变量，这样就得到第四类压电方程组 丁= c d s 一办d1 e ：一向s + s d ， 2 j 1 式中，c d 为开路弹性刚度常数，3 为夹紧倒介电常数，是是占7 的倒数，乃为 压电系数。 在幽2 3 所示的压电材料特性分析坐标系中，压电陶瓷是一种各向异性的材料， 它的单个方向1 、2 、3 分别与坐标轴的x 、y 、z 轴相对应，所以压电材料的参数 也就是矩阵形式的参数，其中，d ，e 的三个独立分量分别对应于1 ，2 ，3 方向，s ， r 的六个独立分量分别对应于图中的1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 方向。所以，s 为6 x6 的 矩阵，d 为3 6 的矩阵。 1 6 第二章压电风能同收 图2 3 压电材料特性分析坐标系 这种情况下胝电方程中的部分关键参数矩阵为： s 1 1 2 & 3 置2s 1 1s 1 3 3s 1 3 $ 3 3 000 o0o 占=0詈。00 0 c 3 3 占= l 毛l l l f 0000 吐s0 1 d = 0 00 d j5 00 鸸，以。吃3 00 o 在压电系数的脚标中，第一个数字是指电极面的垂直方向或电场方向，第二个 数字是指应力或应变的编号，例如d 3 ，就是表示在1 方向的应力乃的作用下，垂直 于3 方向电极面的压电系数，或表示电场为3 方向所产生的应变岛的压电系数。又 如矾；是表示在乃的作用下，电极面垂直于1 方向的压电系数，或者说电场为1 方 向时产生应变s 5 的压电系数。一般规定3 方向为极化方向，拉升和伸长应变为正， 所以d 。3 为正值，d 3 j 为负值。 2 1 2 压电材料 由于压电材料是压电式能量回收的关键部件，也由于压电陶瓷在相关领域的应 川越来越广，因此有关压电材料的研究很多，其发展也较为迅速。从最早的天然压 电晶体到人工合成的多压电晶体及压电复合材料，压电材料的性能也得到了很大的 改善，其利- 类也越来越多。目前，应用较多的压电材料主要有四大类，即压电单晶 体、压电多晶体( 压电陶瓷) 、压电高分子聚合物、压电复合材料等。 压电单晶体 石英晶体是人类所