悬臂梁式能量收集器的研究讲解

1、 本科学生毕业论文 论文题目： 悬臂梁式能量收集器的研究 学 院： 电子工程学院 年 级： 2009级 专 业： 电子科学与技术（微电子） 姓 名： 学 号： 20091779 指导教师： 刘红梅 2013年 5月 10日 摘要 现代科技对新能源开发重视程度提高，压电能量收集器件因具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工和结构的微小化、集成化等优点引起广泛的关注。 文本基于悬臂梁式压电片，研究压电能量转换及其收集理论，对压电材料、压电振子和储存介质进行了分析和选择，以悬臂梁压电片、整流电路和超级电容器为主体的能量收集器进行设计和分析。装置成功实现从机械能到电能的转换和收集。 论文旨在

2、通过研究和设计压电发电能量收集器，实现压电发电技术在生活中的应用和推广，达到开发新能源的目的。 关键词 悬臂梁；能量转换；能量收集；压电发电 Abstract Modern technology increased attention on the development of new energy, piezoelectric energy harvesting devices has caused widespread concern, because of its advantage such as no heat, no electromagnetic interference, no

3、n-polluting, ease of processing and structure of miniaturization, integration. The paper study piezoelectric theory of energy conversion and its energy harvesting, analysis and select the piezoelectric material, the piezoelectric transducer and the storage media based on the cantilever piezoelectric

4、 film. Then, design an energy collector which be composed by cantilever piezoelectric film, a rectifying circuit and a super-capacitor. The device successfully achieves the conversion from mechanical energy to electrical energy and the collection. The paper aims to increase the application and promo

5、tion of piezoelectric power generation technology in life, to achieve the purpose of the development of new energy, through design and analysis piezoelectric power generation energy collector. Key words Cantilever; Conversion of energy; Energy Harvesting; Piezoelectric generation II 目录 摘要I AbstractI

6、I 第一章 绪论1 1.1 压电发电技术发展1 1.2 国内外研究现状1 1.2.1 海浪压电发电系统1 1.2.2 压电发电鞋2 1.2.3 纳米发电机3 1.3 压电效应3 1.4 压电材料4 1.5 本章小结5 第二章 压电振子结构分析5 2.1 压电震动模式6 2.2 压电振子支撑方式6 2.3 压电振子谐振特性8 2.4 压电振子等效电路8 2.5 本章小结9 第三章 存储装置的研究与分析9 3.1 充电电池10 3.2 电解电容10 3.3 超级电容11 3.3.1 超级电容工作原理11 3.3.2 超级电容优缺点12 3.4 本章小结13 第四章 装置设计和制作14 4.1 压电

7、振子输出特性14 4.1.1 强制振动输出特性14 4.1.2 自由冲击激励输出特性16 4.2 电路设计和仿真17 4.2.1 整流电路分析17 4.2.2 整流电路仿真18 4.3 悬臂梁式能量收集装置调试19 4.3.1 倍数压整流电路调试19 4.3.2 桥式整流电路调试20 4.4 本章小结21 结论22 参考文献23 致谢25 悬臂梁式能量收集器的研究 第一章 绪论 在可预见的未来，人类能源需求习惯难以改变，石油和煤炭仍将是能源消费的主力。不过，伴随着科技发展，人类能源消费结构已开始发生明显变化，可再生能源将会逐渐减少化石燃料的使用。 压电发电技术就是利用压电材料的正压电效应将机械

8、振动能量转变为电能。压电能量转换系统由压电发电装置、存储与控制电路组成。将压电材料粘接在金属上构成压电振子，压电振子在外界冲击力作用下产生形变而输出电荷，其每次变形所产生的电荷经过存储与控制电路的调整，可输出稳定的电压，并可根据要求调整输出电压值的大小。压电材料产生的电信号具有高电压、低电流特性，电荷生成是瞬态和交替等特性。并且具有结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工制作和实现机构的微小化、集成化等优点。 本文研究基于悬臂梁式压电片能量收集器，并依此设计一种低功耗的能量收集器，验证悬臂梁式能量收集器使用的可能性。 1.1 压电发电技术发展 压电陶瓷在外力作用下能产生电荷这一现象已被发

9、现几十年，但由于以往压电材料的机电转换效率较低，压电陶瓷的每次发电量很小，是一种微功率的交流电。而电子器件的功耗相对较大，因此，压电发电装置不能取代传统的电池，作为能量源为电子器件提供电能。近年来，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，利用多压电薄膜的串联和并联的方法可获得所需要的电压和电流，为压电发电技术的实际应用提供了技术保障。此外，废旧电池含有重金属，处理不当会造成严重的环境污染。因此，压电发电与能量转换存储技术的研究越来越值得的关注。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 海浪压电发电系统 海浪压电发电是把压电聚合物

10、安装在海上的一个巨大的浮体和海底的锚之间的锚链体内，当浮体随海浪上下浮动时，压电聚合物发生形变，产生低频率的高压电，通过电子元件变成为高压电流。美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司也在研究从海洋获得洁净能源的方法，即把一种压电聚合物置于海浪和海流中，利用海浪和海流产生的压力和应力使压电聚合物发电。 1.2.2 压电发电鞋 目前，国外的大量压电发电研究集中于人力发电机，尤以“压电发电鞋”的报道最多，这种发电装置可满足野外军事行动中无线电跟踪电子装置和通讯的需求，展示了压电发电与能量存储技术在国防军事领域的应用前景。如图1-1所示，其工作原理是把发电装置植入鞋底，通过走路时脚对鞋底的冲击使压电陶瓷

11、变形而产生电荷，研究表明一般情况下能产生250mw的能量4。 图1-1 压电发电鞋 Umeda等5,6研制出一种能在便携式设备使用中给其充电的装置，即用5mm的钢球撞击一个直径27mm、厚0.25mm的铜圆盘，使其产生弯曲振动，附粘在圆盘上的压电片将圆盘的振动能转换为电能，并将电荷存储在电容器内。虽然其效率仅为35%，但比太阳能电池能提供的功率要大3倍以上。MIT的Kymissis7等、Shenck8-10等、Paradiso11,12等的研究集中于从人的日常活动中提取能量给便携式电子器件供电。采用多层压电薄膜(PVDF)做成薄窄板装在鞋底可提取鞋底弯曲能，加固的PZT压电陶瓷双晶片装在鞋跟，

12、可提取鞋跟撞击能。人行走时，压电俘能器的平均输出功率可达1.8mW，足够给无线发报机供电，亦可驱动一个无电池的射频发射器。此外还研制一种按钮式压电俘能器，只要一按按钮，就可提供足够的能量发射一个ID射频。 1.2.3 纳米发电机 科学杂志报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机纳米发电机。他们利用竖直的氧化锌纳米线的独特性质，研制出将机械能转化为电能的纳米发电机。氧化锌纳米线有容易弯曲的特性，可以在纳米线内外部分别造成压缩和拉伸；竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应。氧化锌纳米线的

13、这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷，他们用导电原子力显微镜的探针弯曲单个氧化锌纳米线，输入机械能，再利用氧化锌的半导体性质将其纳米线的压电特性耦合起来，从而将电能暂时储存在纳米线内，然后再用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，向外界输电，从而完美地实现了纳米尺度的发电功能。该纳米发电机的能量转换效率高达 17%30%，为开发自发电的纳米器件奠定了较好的物理基础1。 图1-2纳米发电机 1.3 压电效应 1880年皮埃尔居里和雅克居里兄弟发现电气石具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电常数。压电效应反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的祸合，可分为

14、逆压电效应和正压电效应两种。 当石英晶体在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。电极化率与应力关系如式（2-1）： （2-1） 其中，P为晶体的电极化率，单位是C/m2，d为压电常数，单位是C/N，为应力，单位是N/m2。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。杨氏模量与电场强度关系如式（2-2）： （2-2） 其中，S为晶

15、体的杨氏模量，dt为压电常数，单位是m/V，E为电场强度适量，单位是V/m。 晶体的压电效应用图1-3来说明。图1-3(a)为压电晶体中的质点在某方向上的投影的等效正六边形排列。晶体正、负电荷的中心重合，并且晶体不受外力。图1-3(b)为晶体沿某一方向受到外力压缩，晶体发生形变而导致正负电荷中心分离，从而引起了晶体表面带有荷电。同理，如图1-3(c)的拉伸情况。 (a)质点在某方向投影 (b)压缩时的荷电 (c)拉伸时的荷电 图1-3 压电晶体正压电效应 相反，对于逆压电效应是指如果将一块压电晶体置于外电场中，就会引起晶体正负电荷中心的位移，这一极化位移将导致晶体发生形变。 1.4 压电材料

16、压电材料是压电振动能量转换的核心功能材料，是制造高性能的各种能量收集器的关键。从发现压电效应到现在，压电材料的发展十份迅速，种类日益繁多，应用领域相当广阔。主要类型有以下几种： (1)晶体：晶体按对称性分为32种类型即32个点群，在其中的无对称中心的21种类型中有20种有压电效应。石英是研究最早的压电晶体，属于三方晶系，压电效应出现在x、y轴，它的压电性稳定，内耗小。压电晶体还包括酒石酸钾钠类和铌酸盐类。 (2)陶瓷多晶压电材料：陶瓷多晶压电材料比晶体便宜但易老化。典型的有： 1）锆钛酸钡陶瓷：是第一个被发现可以制成陶瓷的铁电体，它在弱场下Xx-Ex有线性关系，在强电场下Xx-Ex有滞后现象。

17、它可以通过改变其化学组成或离子置换以形成固溶体的方法来改性。 2) 锆钛酸铅陶瓷：它是PbTiO3和PbZrO3的二元固溶体。其改性主要是离子置换形成固溶体或添加少量杂质，以获得所要求的电学性能和压电性能。它在压电陶瓷领域应用很广。 (3)半导体：常用的有第六主族第二副族族化合物如CdS，CdSe，ZnO等;还有第四第五主族化合物如GaAs，GaSb等。最常用的是CdS，CdSe，ZnO。 (4)高分子材料：几乎所有的高分子材料都具有一定的压电性，但实用价值的却不大。通常把具有实用价值的压电高分子材料分为天然高分子压电材料、合成高分子压电材料和复合压电材料。 本论文中使用的是市场上常见的PZT

18、压电陶瓷片。PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷材料具有居里点高、机电耦合系数K和机械品质因素Qm大、温度稳定性及耐久性好、形状可以任意选择，便于大量生产等特点。 最近科学家发现一种新的制备能够大幅提升电能转换的效率。科学家将 PZT材料以约为头发五万分之一宽度的纳米等级所编织而成的新材料，根据实验结果动能转电能的效率高达 80% 之多。由于这材料相当轻薄，因此相当容易放入衣物当中，将人类活动所产生的动作通通转换成电能供给母体使用。这项技术目前尚停留在实验室里头，希望不久就会来到你我的身边。 1.5 本章小结 本章主要通过已有文献，了解压电发电的背景，现在阶段的发展情况和国内外应用情况。同时，从固体物理

19、学角度简单介绍了压电材料机电转换原理，介绍了压电材料的种类及其特点。内容概括如下： (1)介绍压电效应，压电发电原理和电荷与电压的计算公式。 (2)简单介绍压电材料的种类及其特点。并依此分析得出本文所需要的压电材料。 旨为悬臂梁能量收集器的核心器件选择和使用打下理论基础。 第二章 压电振子结构分析 压电振子是压电发电装置的功能核心部件，具有将机械能转化为电能的功能。压电振子在不同外界影响下，表面极化现象不同。为了本文选择的PZT陶瓷压电片工作在最佳状态下，本文分别对振动模式、支撑方式、谐振特性和等效电路进行分析。 2.1 压电震动模式 某一定尺寸的振子在特定条件下，能够实现机械能转换为电能的振

20、动方式多种多样，通常把这种振动方式称为振动模态。另外，各振动模态之间还存在着相互影响或者耦合关系。所以在设计发电装置时，除了要选择合适的陶瓷材料，还要选择合适的振子及其振动模态，让压电片能够在同样外界环境下更高效的转换电能。 (a) (b) (c) (d) 图2-1 四种压电振动模式 对于一个弹性体，理论上有无数个振动模式，而对于我们要使用的压电振子其振动模式是有限的，这些模式有单一的也有复合的，对于单一的振动模式，可以分为四类压电振动模式。 通常将压电陶瓷激发的振动分成以下四类，如图2-1所示。 (a) 垂直于电场方向的伸缩振动模态（长度方向），用LE模表示； (b) 平行于电场方向的伸缩振

21、动模态（厚度方向），用TE模表示； (c) 垂直于电场平面内的剪切振动模态（表面），用FS模表示； (d) 平行于电场平面内的剪切振动模态（厚度），用TS模表示。 当这些振动模式作用到压电振子上时，将使压电振子产生弯曲振动、伸缩振动和扭转振动。压电发电机构一般采用弯曲振动形式，其变形方向与极化方向和电场方向垂直，即 LE 振动模式。 2.2 压电振子支撑方式 压电振子的支撑方式（即边界条件）是影响压电振子发电能力的重要因素之一。压电振子的结构和支撑方式差异，对动态特性及能量转换效率将会有非常大的影响。 通常，压电振子有四种不同的边界条件，如图2-2所示。 (a)自由边界支撑 (b)刚性支撑 (

22、c)简支支撑 (d)悬臂梁支撑 图2-2 压电振子支撑方式 (a)自由边界支撑：该方式结构安装不方便，实际上很少采用。 (b)刚性支撑：对于压电陶瓷晶片自身，其周边固定的机电耦合系数极低，不适合用于压电发电。 (c)简支支撑：该方式压电弯曲元件支撑在振动的波节上（即波节支撑），支撑的结构轻便、结实，而且装置的损耗也降到最低程度。圆片形压电振子常采用简支支撑方式。 (d)悬臂梁支撑：这种方式可产生最大的挠度，同时具有较低的谐振频率。矩形压电发电元件多采用此方式。 当外界作用力一定时，当压电振子采用悬臂支撑时，压电振子的发电量最大，说明悬臂支撑的压电振子对外力较为敏感，适用于频率较低、外力较小的情

23、况。所以，本文采用悬臂梁支撑作为压电振子的支撑方式，建立悬臂梁式压电能量转换装置。悬臂梁式压电能量转换装置是一种使用比较普遍的压电转换装置，尤其适用于人力发电。另外，悬臂支撑的压电振子最大应力出在悬臂梁的根部，应该考虑压电材料的极限应力来保护器件。 2.3 压电振子谐振特性 PZT压电陶瓷工作在谐振频率区域时，工作状态达到最佳。谐振频率等于物体的固有频率，由压电振子尺寸结构与频率常数决定。这些由生产中的工艺参数，例如晶粒的尺寸、极化电压大小、成型压力及密实度等决定。压电陶瓷的谐振状态出现在电源回路的表现为阻抗最小，电流最大。与其相对应的是反谐振频率。此时电源回路表现为电阻抗最大，电流最小，压电

24、振子的阻抗与频率特性如图2-3所示，其中，fm为谐振频率，fn为反谐振频率，Z为阻抗的绝对值。 图2-3 压电振子的阻抗-频率特性 外界激励频率接近压电振子的频率时会发生谐振，这时压电振子能较好地吸收外界的动能，使压电发电装置产生较高电能。若将压电发电结构应用于低频坏境时，主要考虑压电振子的低频关系，高阶固有频率对其影响较小。 悬臂梁结构，其质量块可以降低器件的谐振频率，并提高输出电功率。 2.4 压电振子等效电路 悬臂梁式压电能量收集器的外部电路的设计和外部储能器件规格确定，是以压电振子等效电路为基础。图2-4为表示压电陶瓷的压电振子在正压电效应下的等效电路。C为压电陶瓷等效电容，内部电阻在

25、1091014之间，视为电路处于开路状态。电荷Q对电容C充电，充电电压为Vt=Q/C。图2-4(a)和图2-4(b)在满足Vt=Q/C时，电压等效电路与电荷等效电路。 压电振子发生形变时，其内部等效L、R、C的参数相应变化，所以在设计相应的外部电路进行匹配。 C V + - Q C (a)电压等效电路 (b)电荷等效电路 图2-4 压电振子等效电路 2.5 本章小结 本章主要分析和研究了压电振子的工作原理和工作特性。分别从振动模式，支撑模式，谐振特性和等效电路四个方面进行分析。得出如下结果： （1）压电振子采用弯曲振动形式，其变形方向与极化方向和电场方向垂直，即 LE 振动模式。本文使用的PZ

26、T压电片是这种振动模式。 （2）悬臂支撑方式具有压电振子对外力较为敏感，适用于频率较低、外力较小的情况的特点。 （3）外界激励频率接近压电振子的频率时会发生谐振，这时压电振子能较好地吸收外界的动能。所以，要根据工作频率来选择合适的压电片。 （4）等效电路作为外部电路设计基础。 （5）悬臂梁结构，其质量块可以降低器件的谐振频率，并提高输出电功率。所以，悬臂梁结构最适合作为压电发电的转换结构。 第三章 存储装置的研究与分析 根据现有文献，虽然压电振子能产生比较大的电压，但其所输出的电流相对较小，它的输出功率大小只能是毫瓦数量级，对于目前的一些正常工作的电子器件的功率来讲，压电陶瓷的压电振子发电能力

27、非常有限。而且，压电能量收集装置，需要将压电振子每次的产生的电能进行存储。所以，压电能量收集装置的能量存储介质的分析和研究是必不可少的。 3.1 充电电池 充电电池是充电次数有限的可充电的电池。充电电池的优点是经济、环保、电量足、适合大功率，并且适合长时间使用的电器。目前只有五种充电电池：镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、铅蓄电池、铁锂电池。充电次数能达到1000左右。 目前，主要使用的可充电电池主要是镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。因为，镍镉电池具有很强的记忆效应，循环使用次数少等特点。最关键的是，镉是有毒物质，极易易污染环境。这些缺点使镍镉电池基本退出电器充电电池使用范围。镍氢电池与镍镉电池

28、相比，不含有毒物质，充放次数可达到 1000 次，没有明显的记忆效应。它是目前使用最为广泛的一种可充电电池。 压电振子通过外部电路可以为充电电池充电，但是还不能被广泛应用于现在的电器元件中。可充电电池需要有过充电保护电路，而且镍氢电池的最佳充电方式还是恒流加涓流充电，而压电发电的特点却是高电压、低电流。实际应用之前，还需要添加相应的控制电路和保护电路，而这些电路将会损耗一部分能量。这些情况使得低功率的压电转换技术实际利用率大大降低。 镍氢电池充电时只需限制电流，锂离子电池充电需要同时限制电压和电流。因而，可充电电池作为存储元件，不是最佳的方案。 3.2 电解电容 电解电容含有极性，使用时要注意

29、正负极的接法，容量大的电解电容可以作为电源来使用。目前，常用的电解电容主要是铝电解电容和钽电解电容。 钽电解电容和铝电解电容相比具有的优点包括： 体积小。使用湿度范围宽。寿命长、绝缘电阻高、漏电流小。阻抗频率特性好。可靠性高等优点。 钽电解电容相比铝电解电容，有很多优点，但其也有自身的缺点。 钽电容内部没有电解液，很适合在高温工作，使用金属钽做介质，适用于电压、电流不大的场合。钽电解电容不像普通电解电容那样使用镀了铝膜的电容纸烧制，所以本身几乎没有电感，但同时也限制了它的容量，目前，市场上所能买到的钽电解电容，最大容量也只是 100 微法，其价格也比普通的铝电解电容贵很多，而且钽电解电容的耐电

30、压及电流能力相对较弱，并不是压电发电能量存储的最理想元件。相比起来，铝电解电容的价格便宜，且其容量较大。为了更好的了解电解电容的存储特性。 可是，普通电解电容只能作为一种短期的储能元件使用，能满足脉冲供电的需求，还不能作为一个稳定的电源为各种设备供电。对某些要求电能存储时间长、耗电量大的电器元件，可以采用可充电电池和超级电容来实现能量的存储。 3.3 超级电容 超级电容在新能源产业、交通运输、工业生产、军事装备、家用电器等领域均具有较好的应用前景。从小容量的特殊应用到大规模的电力储能应用，从单独作为储能装置到与蓄电池或燃料电池组成的混合储能装置，从传统的工业到新能源产业，超级电容器都展示了其独

31、有的优势。在一些发达国家如美、欧、日等的相关企业对超级电容器的应用已经取得了不错的成果。 3.3.1 超级电容工作原理 超级电容器（super-capacitor)又可称为双电层电容器（Electrical Double-Layer Capacitor)。法拉电容、黄金电容等。超级电容器是上个世纪50年代发展起来的一种新型的储能元件，它不仅像蓄电池具有很大的电荷存储能力，而且又像静电电容一样具有瞬时大功率特点，这样使得它具有静电电容和电池这两种元件的特点。根据电荷存储机理，超级电容器一般分为两大类： （1）双电层电容器，是利用电极和电解液界面上电荷分离形成的双电层电容来存储能量，其电极材料主要

32、是碳基材料； （2）赝电容器，也称为法拉第准电容器，是利用活性物质发生表面为过渡金属氧化物和导电聚合物。超级电容器是利用双电层原理的电容器。在内部结构上有两个极板即正极和负极，当外部电压加到正负极板上时，负极板存储负电荷而正极板存储正电荷，两个极板间有电势差而形成一个电场，由于电场的作用，电极间和电解液的界面上形成相反的电荷，这种负电荷和正电荷在不同极之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层。当正负极板间电势低于电解液的氧化还原电位时，电解液内的电荷就不会脱开电解液，此时，超级电容器处于正常工作状态，如果超级电容器内部电容端电压超过电解液的氧化还原电极

33、电位时，电解液中的电荷将脱离，超级电容器处于非正常状态，随着超级电容器充放电，正、负极板上的电荷越来越少，相应的电解液的界面上的电荷相应减少，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。 如下图3-1所示为双电层超级电容器的结构，由图分析易知当外部施加电压时两个电极就有电势差，为了平衡电场作用，电极与电解液的接触面会产生稳定而极性相反的电荷层，即形成了电容器的两个正负电极。活性炭多孔化电极和电解液接触后会使实际有效电极表面积增大，通常可达到200m2/g，因此超级电容器从结构机制理论分析上可以储存大量的静电能量。 引出电极 隔膜 电解液 电解液界面 电解液 多孔化电极 V 图3-1 双

34、电层超级电容器结构 3.3.2 超级电容优缺点 与传统电化学蓄电池的原理不同，超级电容的工作原理是物理过程，它同时具有静电电容和电池的优点，有如下几方面： (1)功率密度高。超级电容器的功率密度可达几十kW/g，是传统电池的几十倍。 (2)充放电速度快。超级电容的充电放电是快速并且可逆的物理过程，几十秒至几分钟内，就可以完成大电流充放电过程。 (3)充放电效率高。一般情况下超级电容的内阻非常小，充放电过程中，损耗在内阻的能量比较小，大电流能量循环效率大于百分之九十。 (4)充放电电流大。超级电容的电容值都比较大，目前超级电容的电容值可达到上万法拉级别，所以可以进行大电流的充放电工作，特别适合在

35、一些需求大电流的场合里应用。 (5)充放电线路简单、可靠性高。超级电容器无需充电电池那样的充电电路，长期使用无需维护，因此可靠性高。 (6)温度范围宽。超级电容绝大部分的电荷转移都是进行在电极活性炭物质的表面上，因此温度对其正常工作影响较小，一般超级电容器的工作温度为-4080。 (7)无污染、。超级电容器生产所需的材料都是无污染的，超级电容工作的过程中对环境也无影响。 (8)循环使用寿命长。因为超级电容在原理上充放电只是物理过程且具有可逆性，所以深度充放电循环使用次数可以达到十万次以上。没有记忆效应。 两点不足之处： (1)能量密度小，不适合应用在需求大能量储存的场合，还不能作为一个稳定的电

36、源为各种设备供电； (2)成本高，受其材料和制备工艺的限制，一个单体电容的成本都比较高。 3.4 本章小结 第三章是能量收集介质选择的分析，介绍了充电电池、电解电容和超级电容器的原理和特点，重点描述了超级电容部分。 综合三种储存方式，可充电电池具有寿命短、易受环境影响的缺点，同时，其对充电电路的电压和电流有一定要求，充电外部电路需要控制电路和过充保护电路，还不能被广泛应用。普通电解电容具有充电速率快和充电电路简单的优点，但由于储存容量小，自由状态下易漏电的缺点，无法长时间对电能收集和储存。电解电容可以用于即充即用的情况。超级电容具有容量大、寿命长、过电压不击穿和自由状态下不漏电等优点，可以代替

37、电池作为一种连续的、稳定的电源。 第四章 装置设计和制作 压电振子 产生电能 整流 稳压 存储 图4-1 设计思路 本文中悬臂梁式能量收集装置结构如图4-1所示，由于压电振子采用常见的压电片，存储使用超级电容，因此，中间电路只需要整流和稳压。 4.1 压电振子输出特性 图4-2 压电片 如图4-2圆形压电片被加工成悬臂梁式，平均宽度为8.585mm。平均长度为21.98mm 压电片在不同的外界激励条件下，输出电压、电流和功率有很大区别。 压电片振动激励有三种模式： （1）惯性自由振动模式，即悬臂梁压电片大部分工作状态，在悬臂梁一端添加质量块，受到外界振动压电片发生振动。不过现有条件无法模拟。

38、（2）强制振动模式。通过施加振幅迫使压电振子产生交替的弯曲变形来获取能量。 （3）自由冲击振动模式，利用自由振动的金属球撞击压电振子，使之产生弯曲振动。该发电方式能产生瞬间的高压、大电流，但时间较短。 在实验室里，惯性自由振动模式难以模拟，所以，本章分别采用强制振动模式和自由冲击振动模式进行试验。 4.1.1 强制振动输出特性 本文使用的激励源为SINOCERA YE1311，示波器为Tekronix TDS3032，如图4-3。 激励源 激励源控制装置 压电片 示波器 图4-3 激励装置 激励源控制器调制为3V、80Hz，对压电片输出进行测试。示波器显示类正弦交流波形，如图4-4。 图4-4

39、 压电片输出波形 根据第二章第三节测量悬臂梁压电片的谐振关系波峰和波谷，得图4-5。 图4-5 谐振关系 由图4-5和表4-1可知，悬臂梁式压电片适合工作在频率fm1和fm2附近，分别为53Hz和103Hz，此时压电振子输出电压最大。 表4-1 压电片输出特性与频率关系 激励电压 激励频率 波峰电压 波形周期 波形频率 图形位置 3V 53Hz 945mv 19.06ms 52.4Hz fm1 3V 70Hz 640mv 13.94ms 71.1Hz fn1 3V 103Hz 740mv 9.700ms 103.1Hz fm2 3V 134Hz 425mv 7.448ms 134.3Hz fn

40、2 3V 210Hz 640mv 4.700ms 212.8Hz - 3V 430Hz 1270mv 2.324ms 430.3Hz fm3 激励频率为103Hz时，振幅与输出电压关系如表4-2。 表4-2 压电片输出电压与振幅关系 激励电压(V) 1 2 3 4 5 6 7 波峰值（V） 0.24 0.505 0.76 0.97 1.11 1.20 1.36 测试结果表明，压电振子振幅越大输出电压越大，在谐振频率附近输出电压大。 4.1.2 自由冲击激励输出特性 自由冲击振动模式，利用自由振动的金属球撞击压电振子，使之产生弯曲振动。该发电方式能产生瞬间的高压、大电流，但时间较短。表4-3是1

41、00g在5.6cm高度自由下落产生冲击的电压。 表4-3 100g砝码冲击电压 电压（V） 0.60 0.48 0.90 0.82 0.50 0.85 0.80 0.50 0.70 0.80 平均波峰电压V 1为695mV。 表4-4是手动激振产生冲击的电压。 表4-4 手动冲击电压 电压（V） 1.45 1.38 1.10 1.20 1.65 平均波峰电压V2为1.356V。 4.2 电路设计和仿真 4.2.1 整流电路分析 （1）桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D1、负载电阻RL、D3构成一个回路（图4-6中虚线所示），输出电压Vo=vi-

42、VD1-VD3。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D2、负载电阻RL、D4构成一个回路，输出电压Vo=vi-VD2-VD4。图中滤波电容的工作状态。 图4-6 二极管桥式整流电路 （2）在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流电路，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，整流出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少若干倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路，如图4-7。 1倍 3倍 5倍 2倍 4倍 图4-7 倍压整流电路 由于0V到5.5V电压为超级电容为充电范围，桥式整流电路和倍压整流电路均可以作为充电电路。 4.2.2 整流电

43、路仿真 本文使用Multisim12仿真，800mv、103Hz交流电源代替压电片。 （1）桥式整流电路如图4-8，电压电流关系如图4-9。 图4-8 桥式整流仿真电路 电流 电压 图4-9 桥式整流下电容两端电压与输入电流关系 （2）倍压整流电路如图4-10，电压电流关系如图4-11。 （4-1） 由式4-1计算得出六倍压整流电路峰值接近5.5V超级电容最高工作电压。 图4-10 六倍压仿真电路 电流 电压 图4-11 六倍压整流下电容两端电压与输入电流关系 桥式整流电路充电特点是电压小、电流大，充电速率高。倍压整流电路特点与其相反，电压大、电流小、可以充满超级电容，但是充电速率很低。本文优

44、先选用倍压整流电路，期望将超级电容充满。 4.3 悬臂梁式能量收集装置调试 4.3.1 倍数压整流电路调试 图4-12 倍压整流式能量收集器 如图4-12为悬臂梁式能量收集器，图中电路为六倍压整流电路。 先测量超级电容两端电压为17.4mV，经过14分钟压电片手动激励，超级电容两端电压提升至17.7mV如图4-13。 图4-13 手动激励充电 根据公式： （4-2） 计算得出电容器充入0.045J。功率53.57pW。 使用图4-3仪器进行强制振动测试。此次采用3V电压、300Hz振动频率模式激励悬臂梁式压电片。十分钟，5.5V、0.047F的超级电容两端电压上升2.5mV。如图4-14。 图

45、4-14 强制振动充电 根据（4-2）计算得0.147J，功率为0.245nW。倍压整流式的能量收集器充电功率非常低。同时，倍压整流电路中电容参数对电源稳定性要求很高，压电片在工作时产生电能的电压、频率不确定，倍压整流电路很难实现全部功能。因此，我们使用桥式整流方法。 4.3.2 桥式整流电路调试 图4-15 桥式整流式能量收集器 如图4-15为桥式整流式能量收集器，同样，使用图4-3中的仪器对压电片进行激振。固定激振频率103Hz，测量得表4-5振幅与充电功率关系，固定激振电压4V，测量得频率与充电功率关系如图4-16。 表4-5 充电功率与激振振幅关系 激振电压 1V 3V 4V 5V 充

46、电功率 19.583pW 94.783pW 6.343nW 0.36W 充电功率与激振电压成正比关系，得到表4-6和图4-16。比较图4-5与图4-16可以看出，充电功率与激振频率关系与电压激振频率关系类似，在fm附近输出功率高，在fn附近输出功率低。 桥式整流电路与倍压整流电路后功率很小，很难直接应用于生活中。 图4-16 激振频率与充电功率关系 4.4 本章小结 本章主要对悬臂梁式能量收集器的设计和分析。首先，明确输出输入关系。其次，借助Multisim12.0软件比较和分析各种整流电路的特点。最终在万能版上焊接电路，实现压电收集的功能。 经实验测量和计算，整流后的压电片输出功率非常小，这

47、种悬臂梁式能量收集装置难以普及。同时，不同频率下能量收集装置转换效率不同，在固定振动频率的情况下，装置才能达到最好的工作状态。 本文希望，将来能够制作出新型结构的压电片或者新型材料的压电材料，增加压电转换效率和压电片输出功率，规避谐振频率负面效应，使悬臂梁式压电能量收集装置能够实用于生活当中。 结论 压电发电技术是一个新兴的研究领域，它涉及机械、材料、电子等诸多压电发电技术是一个新兴的研究领域，它涉及机械、材料、电子等诸多学科，关于压电发电的基础研究以及实际应用方面也都有相关的研究报告。本文致力于用简单、低功耗的方法，将压电发电实际应用于生活。文章主要工作如下： （1）根据半导体学和材料学得相

48、关知识，分析压电片高效率工作状态的条件。结果表明：在低频激励的情况下，带有质量块的悬臂梁式压电片，工作在谐振频率附近转换效率最高。 （2）通过分析三种存储介质得出：超级电容最适合作为压电能量收集装置长期存储装置，电解电容适合作为即充即用的微型电器存储装置。 （3）根据Multisim12.0分析结果表明：悬臂梁式压电片输出电压，通过六倍压整流或者桥式整流后，均可以输入到5.5V-1F的超级电容中。 （4）制作出悬臂梁式能量收集装置，证明现阶段普通压电片输出功率难以满足生活使用。 由于作者水平有限，本文难以找到能够提升这种装置功率的方法，希望新材料或新结构的出现，能够打破这种压电片输出功率低的困

49、境。 参考文献 1 贾杰. 压电发电装置的能量转换及存储特性研究D.吉林大学.2008. 1-44. 2 王青萍. 基于压电悬臂梁的振动能量收集器的研究 D.华中科技大学.2010. 3 袁秋洁. 基于压电材料的振动能量收集理论及其结构分析D.华北电力大学.2009. 4 Nathan S.Shenek, JosePh A. Paradiso. Energy Seavenging with Shoe-Mounted Piezoeleetries. IEEE Micro.2001,21(3):30-42 5 M.Umeda，K.Nakamura,S. Ueha. Analysis of the

50、Transformation of Meehanieal Impact Energy to Eleetric Energy Using Piezoelectrie Vibrator.JaPanese Journa lof Applied Physies,Part1: Regular PaPers and Short Notes and Review PaPers.1996,35(5):3267-3273. 6 M.Umeda,K. Nakamura, S. Ueha. Energy Storage Characteristics of a Piezo-Generator Using Impact Induced Vibration. JaPanese Journal of Applied Physies.1997,36(5B):3147-3151. 7 C.Kendall. Parastie Power Colleetion in Shoes Mounted Devices. MIT.1998. 8 N.shenek. A Demonstration of Userul Electric Energy Generation