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能量收集器的研究现状与发展
2013-06-27 12:56:32   来源:微迷   评论:0   点击:

在过去十年中,压电能量收集器备受关注。小型元件的功率下降推动了这一方面的研究。研究的目的在于利用环境中的振动为小型电子设备供电,替代或者减少外部电源及充电电池。

在过去十年中,压电能量收集器备受关注。小型元件的功率下降推动了这一方面的研究。研究的目的在于利用环境中的振动为小型电子设备供电,替代或者减少外部电源及充电电池。该技术吸引了来自不同学科和领域的研究者,包括材料、力学、电子、机械和土木等学科。目前对压电能量收集系统的研究主要分为两个部分,即开发优化的能量收集系统结构和开发存储产生电荷的高效电路。

1. 能量收集系统结构

压电能量收集系统的结构优化主要包括高性能的压电材料研究、高效机电耦合工作模式研究、双层或多层压电结构的研究、振动提取结构研究、系统共振频率调节方法研究等几个方面。本节将针对以上几个方面的研究现状进行简要的介绍。

1.1 压电材料

压电材料是将振动能转换为电能的核心功能材料,是制备高性能压电能量收集器的关键所在。存在两种能量密度极高的材料,PVDF压电聚合物和弛豫压电单晶,如PZN-7%PT,但是,合成大体积的单晶材料和聚合物材料较为困难,且成本较高。因此,对于体材料,目前关注的主要问题是如何提高多晶陶瓷的性能。

基于以上原因,压电多晶陶瓷目前仍作为振动能量收集器中使用最广泛的压电材料。MIT媒体实验室的研究人员曾利用PZT和PVDF制作了压电发电鞋;Stephen R.Platt将PZT材料置入骨科植入物中,在正常的生理活动下,压电陶瓷产生些许电能,研究表明总体积为1.2cm3的三片压电陶瓷在轴向力的作用下可产生4.8mW的输出电能。另外,在家用和医疗应用中无铅压电陶瓷材料的使用备受关注。在所有可供选择的无铅陶瓷中,基于(Na、K)NO3(KNN)的陶瓷格外引人注目,主要原因是:1、在较大的温度范围内存在压电特性;2、存在多种可能的替代物和补充物。目前,基于碱铌酸盐的压电陶瓷已经由欧洲和日本等几家公司实现商业化,并且有望在不久的将来被大量使用。然而,在选择压电能量收集器应用材料时不能忽视压电多晶陶瓷的易碎性,Lee等研究结果显示,在信号频率较高的载荷作用下,压电陶瓷易于出现疲劳裂纹,导致脆性断裂,严重影响压电能量收集器的使用寿命。

为了弥补压电陶瓷易碎的不足,另一种压电材料—聚偏氟乙稀引起了研究人员的广泛关注。作为一种压电聚合物,PVDF的柔韧性非常好。Lee等研究表明PVDF 更适合于频率较高的载荷作用下,有效提高能量收集器的使用寿命。Starner的研究表明,将PVDF能量收集器置于鞋底,一个52Kg的人以轻快的步伐,可产生5W的电能。

压电纤维因很好的柔韧性、轻便、成本低且易于形成各种形状植入结构控制中而受到研究人员的亲睐。压电纤维复合主要包括AFC、MFC、1-3复合等。Song对MFC复合材料基悬臂梁进行了理论模型的分析和推导,并通过实验证实正弦激励下输出功率、电压和电流的特性,并研究了d31模式和d33模式下几何参数与输出结果的关系和负载阻抗匹配问题。Sodano等分别利用PZT、压电纤维复合材料(MFC)和ACX公司的压电纤维双晶片(QP)制作了能量收集器件,研究表明PZT的能量转换效率最高,QP器件的能量转换效率其次,MFC最低。因此,要实现将MFC应用于能量收集器件,还有待于进一步研究。

压电单晶材料PZN-PT和PMN-PT具有卓越的压电性能。其特定的切割和极化方法可提高单晶的压电系数,这在双层换能器的结构设计中具有很高的应用价值,其中主要使用的压电系数是d31和d32。Ren Bo应用PMN-PT单晶制备了一种改进的铙钹结构的能量收集器件,并系统的分析了器件的振动模式和电学性能,在外部激励为0.55N,质量块为17g,频率为500Hz时,测得输出最大电压为45.7V,最大输出功率为14mW,此器件的功率密度为PZT的3倍。但由于大体积的压电单晶制备困难且价格较高,尚不能被广泛应用于压电能量收集器中。

1.2 机电耦合工作模式

压电能量收集器常用的两种模式为:33-模式(多层结构)和31-模式(双层结构),分别如图1-1(a)和(b)所示,在33-模式中,外加应力的方向和产生的电压方向一致,在31-模式中,外加应力为轴向,而产生的电压与其垂直。众所周知,压电材料的d33要比d31大的多,也就是说33-模式的机电耦合系数要高于31-模式的耦合系数,具有更高的能量密度,但是一般环境振动水平不能有效得使材料发生应变。所以,在能量收集系统中31-模式应用的更为广泛。然而在不同的应用场合,两种机电耦合模式各有优势。Baker等给出了具体的阐述,在外界激励较小和振动幅度较低的场合,典型31-模式的悬臂梁结构显示出了较高的效率;而在相对较强的激励下,33-模式的压电结构更为可靠,且输出更大的功率。

压电能量收集器常用的两种模式为:33-模式(多层结构)和31-模式(双层结构)

1.3 压电结构研究

在不同的应用场合,可以使用不同种类的压电发电器件进行能量收集,主要包括:压电单晶片结构,压电双晶片结构,叠层结构,膜结构和螺旋弹簧结构等。每种结构都有其各自的优点和设计的局限性。因此,根据不同的应用场合,选择不同的压电振子结构。通常,利用谐振实现机械能向电能的转换,系统一般工作在几百赫兹以下。Cho等制作了压电单晶片能量收集器,研究结果表明,机电耦合系数与残余应力、基板和压电片厚度及电机覆盖面积等有关,且机电耦合系数最大时,电极覆盖面积为42%。Roundy和Wright分析并开发了一种基于双层弯曲结构的压电发电器,并将其作为发电器优化设计的基础。Kim等设计了一种新型的Cymbal型压电能量收集器,在压电圆片两侧黏结两个相同的金属帽,金属帽的作用是使得压电片上的受力分布更为均匀,实验结果证明,Cymbal压电能量收集器可承受较大负载的激励,使得收集能量更高。

1.4 共振频率调节

当器件频率和驱动信号的频率一致的时候,压电能量收集器的输出能量达到最大。然而,如果驱动信号的频率偏离谐振频率5%以上,收集能量迅速减小。由于器件制造的误差以及振源频率的改变,频率匹配很难实现。因此,使单个器件在一段振动频率范围内有限工作是有利的。Roundy等建议使用多质量块以及多模式的谐振器拓展压电能量收集器的带宽。此外,Challa等使用磁力调节技术开发了一种谐振频率可调的能量收集器件。Wu等开发了一种谐振频率可调的悬臂梁式能量收集器,该器件利用可变电容调节悬臂梁的增益曲线,使其与外加振动信号保持频率的实时匹配。Twiefel等也提出了一种模型,用于实现与外部激励信号的频率匹配。

2. 能量收集电路优化

在大多数情况下,由于电信号的输出过小,这些器件不能直接为电子元件供电。因此,能量收集和存储是开发自供电系统的关键。压电振动能量收集器的输出为交流电压,因此首先要考虑AC-DC整流器的设计。最基本的是利用PN结二极管作为桥式整流器件,这种结构比较简单。但是,在开始导电前,所有的硅二极管都需要克服0.6V-0.7V的直流电压差。这种正向压降在导电过程中会引起功耗的损失,因此这种整流器件的效率相对较低。锗二极管压降较低,为0.3V,但是当压电悬臂梁结构的输出功率仅为几百微瓦的数量级时,这个数值仍然比较大。为了提高效率,可以用同步整流器来代替肖特基二级管。这里,用MOSFET的体二极管来代替分离的PN结二极管。当体二极管开始导电时,晶体管就开始导电了。由于在导电过程中体二极管的压降可以忽略,因此功耗损失较低,效率较高。Sodano等研究了不同的压电能量收集器以及利用电容或者充电电池进行能量存储的方法。Ottman等开发了一种高效电路,用于存储电荷以及为负载供电,结果表明在强信号激励下,功率输出可以上升400%。Badel等开发了一种新型功率流优化方法,用于提高转换能量,即电感式同步开关收集技术,相比于标准技术,这种方法使得收集的电能提高到900%。

3. 提高能量收集器性能的方法

提高能量收集器的方法除了前文介绍的优化能量收集系统结构和开发存储产生电荷的高效电路外,还可以从多模式能量收集、磁电复合、自调谐、频率泵浦、宽带换能器等方面进行优化,下面将分别给出具体的阐述。

为了从环境中有效的收集能量,提出多模式能量收集的概念。提高系统的性能可从下面几方面入手:1、选择两种或者多种能量源收集能量,如振动能、风能、太阳能等;2、在同一系统中,集成两种不同的能量收集方式起到相互补充的作用。比如说将电磁和压电能量收集器相结合,则在恒定的加速度下,低频时,电磁输出功率较高;高频时,压电输出功率要高很多,这样可以在宽频工作条件下,从同一器件获得很大的输出功率。

磁电复合物在同一材料中包含两相物质,可以将磁能转化成应力,同时提高振动能量收集系统的效率。近期,研究的焦点集中在利用压电和磁致伸缩材料制备的叠层磁电复合材料。其中,Ryu等由弛豫型压电晶体PMN-PT和巨磁致伸缩材料制备的叠层复合物,具有较高的磁电耦合系数。

衡量收集效率的因素之一是,当输入信号频率和压电能量收集器谐振频率不一致时收集功率的大小。实现自协调的能量收集器,可在任意实际振动环境下实现输出功率的优化。一种常用的方法是使用并联元件,比如通过并联电容改变梁的谐振频率;另一种方法是改变其级联方式,即通过有源开关改变串联或者并联换能器的数量,开关通过比较某一频率段内的功率大小而调节其连接方式;还有一种方法是利用非线性压电材料,外加电压通过改变非线性压电材料的硬度进而影响谐振频率。在压电能量收集器中,通过改变偏压和应力实现改变工作频率。

提高压电能量收集器的收集功率的另一种方法是在相同的时间内产生更多的振动。即在输出信号到达压电能量收集器之前,通过放大振源的频率来提高器件的收集效率。

提高压电能量收集器效率的一种有效办法是使收集器从多个振动信号收集功率。当前,提高带宽是一种行之有效的办法。传统的压电能量收集器由单个压电陶瓷悬臂梁构成,当工作频率稍微偏离梁的谐振点时,工作频率显著下降,一些简单的结构可用于实现宽带,但是是以降低输出功率为代价的。目前研究的焦点是开发谐振频率相互接近的的多谐换能结构。

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