压电陶瓷发电技术研究综述.doc

压电陶瓷发电技术的研究摘要：信息技术的飞速发展并没有带动电源技术的快速发展，电源的能量密度没有明显的提高1。虽然化学能电池因使用方便而被广泛使用，但环境污染、回收困难、浪费材料等问题也日益突出。压电陶瓷振动发电机是一种持久、清洁、免维护的新型发电装置，压电陶瓷发电技术的研究已得到广泛重视,在无线传感器网络自供电方面具有较广阔的应用前景。Abstract: The rapid development of information technology has not led to the progress of power source, and supply energy density is not significantly improved. Although the chemical batteries are widely used, but the disadvantage that they waste materials, pollute environment and recycle difficulty. Piezoelectric vibration generator is an innovative type of persistent, clean and maintenance-free power generation device. The research of piezoelectric ceramic technology for power generation has received wide attention, which has good prospect of applications in wireless sensor networks.1、压电陶瓷振动发电原理压电材料具有压电效应, 压电效应是由于晶体在机械力的作用下发生形变（伸长和压缩）而引起带电粒子的相对位移(偏离平衡位置)，从而使得晶体的总电矩发生变化而造成的，分为正压电效应和逆压电效应两个方面,二者耦合在一起的。如果在压电陶瓷上加交变电场，则其就会交替出现伸长和压缩，即发生振动，反之，压电陶瓷发生机械振动时也会产生电场。因此，可利用机械能使压电陶瓷振动发电。图1 压电效应原理在1942年到1945年，美国、前苏联及日本的科学家发现钦酸钡(BaTIO3)是铁电体，极化后具有压电性能。钦酸钡陶瓷的发现促进了压电材料的发展，它不但使压电材料从一些单晶体材料发展到压电陶瓷等多晶体材料，而且在压电性能上也有了大幅度提高。但BaTiO3的压电性随温度和时间的变化比石英晶体大，而压电性又比罗息盐弱，不能满足广泛的应用需求。后来人们发现了锆钛酸铅PbZrO3-PbTi03(PZT)固溶体系统有非常强及稳定的压电性能。到目前，PZT系陶瓷几乎已完全取代了BaTi03系陶瓷。2、压电陶瓷发电技术和理论的国内外研究现状压电陶瓷在外力的作用下可以产生电荷这一现象被发现几十年了，但受压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究一直很少。近年来，高集成化、低能耗电子器件和无线电射频技术(RF，Radio- frequency)的使用，为压电发电技术的应用提供了前提;另一方面，随着材料科学和制造技术的发展，高性能、高机电转换效率的压电材料不断出现，压电薄膜的厚度可减小到0.02mm，利用多压电薄膜并、串联的方法可获得所需要的电流、电压。 S. W. Arms等人研制成功的温湿度传感器节点，该传感器能够通过无限发射器将检测到的信息传输出去2。该传感器最大的特点其内部包含了小型压电发电装置，该发电装置能够利用环境中的振动能发电以维持整个传感器节点的工作，因此不需要定时更换电池或充电，可广泛应用于环境检测领域。该模块是一个由质量块和双压电片悬臂梁组成的锥形弹簧系统，锥形悬臂梁(长5Omm)的设计使压电材料上具有几乎相等的应力分布，设置在悬臂梁自由端的质量块(250g)能够确保该系统与环境振动处于共振状态。2003年，由NEC TOKIN与日本Heardea联合开发出采用压电发电装置的新型道路标识，该标识是直径为13.5cm的圆形，外围有受风的羽状物。内部配置了压电转换元件和钢球以及6个LED。其原理就是通过钢球下落时撞击压电转换元件来发电。可发电风速为3m/s-6m/s，每秒发光3次，每次发光时间3ms以上。 美国德克萨斯州大学的电子工程师Priya发明了一种可以为无线网络供电的袖珍风车3 。这种风车周长大约为10 cm,它附在一个旋转凸轮上,当凸轮旋转时,可使一系列压电晶体不断伸缩;当压电材料被挤压或伸展时,便会产生电能。在理论研究方面，压电发电器的理论模型对于研究压电发电装置的发电特性、压电发电装置的性能预测以及压电发电装置的优化设计等方面都具有指导性作用。我认为目前构建压电发电装置的几种理论数学模型各有各的优缺点。主要通过两种方法构建，一种是基于忽略内部电场的正压电方程，推导压电晶体开路电压的数学表达式4。如Newnham的复合陶瓷串并联理论模型，方法简便，但是由于模型忽略了压电晶体内部的电场对能量转化效率的影响，导致得出的表达式不能准确的反应压电发电装置的发电特性，另外，他的模型只能推导出发电装置开路电压的数学表达式，不能讨论输出电压、输出电流、负载特性等重要的电源特性参数，因此模型本身于压电发电装置的性能研A究和优化设计所能发挥的作用不大。另外一种建模方法是用各种电学元件模拟压电转化及力学传动过程中的各种阻尼，把压电发电器的机械部分和电学部分分别等效成电路，用一个等效变换器模拟压电晶体的机电藕合过程，从而把机械部分和电学部分的等效电路联系图2 2不变时，理论计算值与样品测量值的比较（a）密度 随2变化的曲线； （b）压电常数33随2变化的曲线（c）相对介电常数d33随2变化的曲线； （d）压电电压常数g随2变化的曲线起来，建立模型5。如Roundy博士和Archin C. Bhatt的数学模型，是通过把压电发电器的机械部分和电学部分分别等效成电路、然后用一个等效变压器将两部分等效电路联系起来以模拟机电祸合的方法建立起来的。这种建模方法巧妙，也比较准确，但模拟参数在不同情况下是不同的，必须试验测定，给优化设计带来了不便。国内有研究者对国外的模型进行了修正，比如北京邮电大学自动化学院的李莉6提出了一种用于计算新型1-3-2型压电陶瓷介电常数和压电常数的理论模型，推导出了复合材料的介电常数d33和压电常数33，的计算公式，实验结果与计算值符合较好，误差也较小，见图2。但是她的模型对其他的压电参数都没有涉及到，并且公式对其他类型压电陶瓷无通用性。个人认为大连理工大学褚金奎教授等人提出的压电陶瓷数学模型7更有通用性。他们在经典压电理论的基础上，提出了一种新的压电发电器建模方法，该方法借助等效电路建立输出电流的微分方程，求解该微分方程，再根据各性能参数之间的关系推导各性能参数数学表达式。在运用该方法推导发电器性能参数表达式中，充分考虑了内部电场对压电发电器的性能的影响，能够准确反映压电发电器的基本特性。应用该方法推导了压电梁结构和压电叠堆结构输出电能参数表达式，并通过实验数据验证了表达式可以较准确地预测压电发电器的输出参数。通过对表达式分析和讨论，得出压电发电器的负载特性和材料参数、结构尺寸、外部作用参数与压电发电器性能参数之间的关系，可指导压电发电器的优化设计。具体推导过程不一一赘述，在此仅给出输出参数的数学表达式：输出电流：输出电压：输出功率：最大功率：为了证明此数学模型的可信度，将其数学公式计算的结果与Roundy等人制作的电极串联的双压电片悬臂梁振动发电装置（该装置梁长为6.5mm、宽度3.2mm、压电晶体厚度0.14mm、垫片厚度0.lmm，装置的压电晶体为PZT一5H，极间电容为9.2nF。发电器在频率为12OHz、自由端振幅为0.173mm状态下工作）的试验测量数据进行了比对。下面所有图中的曲线为模型计算结果，点位位试验测得数据。从两个图中可以看出表达式的计算结果与试验数据基本吻合，证明模型推导的输出表达式可以较准确预测压电发电装置的性能，可以用作压电发电装置的优化设计。而且随着负载电阻的增大，压电发电振子的输出电压开始不断增大，当负载电阻较小时，压电晶体的输出电压增大较快;随着负载电阻的不断增大，输出电压的增大速度不断减小，最后几乎不再增大；压电发电振子的输出功率也相图3 压电振动发电装置输出功率随负载的变化关系图4 压电振动发电装置输出电压随负载的变化关系应先增大后减小，有峰值出现，这与模型推导的有最大输出功率也是一致的。 虽然这个模型在数值推导上相较其他的理论模型有优势，但是其公式所含因变量过多，这就意味着可变因素太多，以至于在具体应用时要针对每一个具体的产品单独设计一套适合的操作参数以达到理想的效果。3、微型压电陶瓷振动发电储能分析及收集电路的匹配压电陶瓷发电装置产生的电能相对较小,还不能直接为大部分电路提供驱动能量,因此,必须进行电量的积累,才能使压电换能器产生的电量能够为电子设备提供能量。为了保证压电换能器产生的电能高效地传输给外设,还需对输出端电路进行负载匹配。如图5所示,通过合理的电路匹配设计,电量最终存储在电容C3中8 。D3为稳压二极管,其作用是稳定C1和C2的并联电压,防止过高电压损坏DC /DC转换器。图5 压电振动发电装置的等效电路图收集压电陶瓷产生的电量的方法主要有2种：一是通过电容收集并储存产生的能量；二是利用可重复充电的电池收集储存电量 9 。一般电容不能长时间储存电量，因此，用电容方法来给电路供电时，需要压电体不断地产生电量。利用此电路为电子产品供电，将有一个脉冲式的能量输出，因此，该方法适合应用到需要短暂突发式能量供应的设备。为了能够尽量延长电量的存储时间,可以采用超级电容作为压电发电的储能方式，其具体参数要根据实际需求来计算。可充电电池包括Ni-H和L i离子等电池。Ni-H电池的具有高电荷密度、记忆性小、不需要典型的充电控制器和电压校正器来组成电路等优点； L i离子电池具有重量轻、寿命长、无污染等优点。电池的选择可以根据具体应用的需求采用相应的电池。 目前，匹配电路实现方法主要有静态匹配和动态匹配2种(包括有源和无源网络) 10 。但是我认为为了实现电路的输出能量最大化，还需考虑电路的自适应调谐。压电振动发电装置作为电源，应当以净输出功率最大为目标。而且，最好能采用低功耗的调谐技术。调谐的功耗主要包括两部分：一部分是改变结构参数所消耗的功率；另一部分是信号检测和处理器执行控制算法所消耗的功率。压电陶瓷振动发电设备不同于一般的电源，因为压电材料更多的表现为容性阻抗，在优化电路设计时，应分别分析纯电阻负载和电容性负载时的最佳匹配电阻和端电压，进而进行最大功率跟踪。通过分析文献资料可知，使用DC /DC转换器的电路设计要比用AC /DC转换器的电路的功率高300 % 11 。4、结论压电陶瓷发电技术能够满足环境自适应供电的要求，具有长寿命、无污染、免维护等优点，有广阔的应用前景。利用压电陶瓷发电,要根据不同的应用环境，采用不同类型的压电陶瓷和发电方式，适应环境条件，产生最大的能量输出。通过对压电陶瓷分析,建立最佳的机电耦合模型，实现机械电气参数的最优匹配，设计具有自适应调谐能力的收集电路，制作出应用于无线传感节点的压电自适应电源，将大大拓展无线传感网络节点的适用范围。无线传感器网络的研究在国内外已得到广泛重视,环境能量收集技术的无线传感器网络的自供电的研究是一个较新的研究领域，而基于压电陶瓷的振动发电技术是其中的一个研究热点。国内外压电陶瓷发电技术的研究对机械电气模型和收集技术研究还不够深入，其换能器和收集电路的优化设计还需进一步解决。参考文献：1 Roundy S. Leland, E S. Baker J, et al. Imp roving power output for vibration-based energy scavengers J . IEEE Pervasive Computing, 20052 S W. Arms, C P. Townsend, D L. Churchill，J H. Galbreath，S W. Mundell. Power Management for Energy Harvesting Wireless Sensors，Smart Structures and Materials 2005: Smart Electronics，MEMS，BioMEMS， and Nanotechnology，Proceedings of SPIEVol.5763 0277-786X/053 Priya S, Chan Chih-ta, Fye Darren, et al. Piezoelectric windmill: a novel solution to remote sensing J . Japanese Journal of Applied Physics, 20054 孙宝元等.现代执行器技术.长春:吉林大学出版社 2003年4月5 S.ROUNDYS，P.K.WRIGHT， A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes J. Computer Communications，20036李莉、秦雷等.功能材料与器件学报.2007/13/047魏双会、褚金奎等.传感器与微系统.2008/27/078