能量收集用压电陶瓷材料研究进展

发布时间：2019-11-04 12:51

【摘要】：压电能量收集器件发展迅速,发电性能不断提高。然而,压电能量收集器受压电陶瓷材料本身低的机电转换性能限制,机电转换效率较低。制备具有高机电转换性能压电陶瓷材料具有重要的应用价值。评述了以获得高机电转换性能为目标所进行的压电陶瓷材料性能调控方面的研究成果,介绍了非谐振状态和谐振状态下,能量收集器件对压电陶瓷材料的性能要求,比较了能量收集用铅基、无铅压电陶瓷材料的机电转换性能,讨论了具有高机电转换性能压电陶瓷材料设计方法,为进一步开展能量收集用压电陶瓷材料的研究提供思路。总结了该领域存在的问题及对未来的展望。
【图文】：

电能转换器,振动能,能量密度

写嬖诨蚯炕蛉醯恼穸?源，如工厂内各种机器的运转引起机器、厂房的受迫振动，闹市区由于汽车跑动引起的振动等。将环境中的振动能量回收，使其转化为可再利用的电能，具有重要的应用价值和社会意义。目前，振动能电能的转换方式主要有3种：静电转换[3]、磁电转换[4 5]、压电转换[6 7]。图1为3种振动能电能转换器能量密度对比图[2]。从图1可以看到，在这3种转换方式中，压电转换具有较高的能量密度。此外，压电转换还具有结构简单、无电磁干扰、加工制作容易和结构上易于小型化、集成化等优点。图13种振动能电能转换器能量密度对比[2]Fig.1Comparisonofenergydensityforthreetypesofmechanicaltoelectricalenergyconverters[2]在过去的10年时间，研究人员对压电能量收集技术进行了大量研究，包括能量转换机制分析、机械结构设计与优化、微电子电路控制理论等诸方面[8 15]。常用的压电能量收集器结构通常分为悬臂梁和多层叠堆2种模式。图2为压电双晶片和压电单晶片悬臂梁结构示意图[16]。在这种悬臂梁结构中，悬臂梁一端固定，另一端随环境中的机械振动做周期运动。环境中的振动能首先转换成图2中质量块M的动能，然后质量块M的动能转变成悬臂梁结构的弹性势能，压电层中变化的应变产生交变电压，通过压电层的电极输出。图3为压电能量收集器的工作过程[16 17]，主要包含3部分：过程1为通过特殊的机械装置将环境中无序的机械振动转换成周期性振荡的机械能，在这个过程中，部分能量由于机械阻抗失配、能量衰减等因素而损失掉；过程2为利用压电材料的正压电效应将周期性振动的机械能转换为电能，在这个过程中，由于压电材料的机电转换效率等问题，部分能量损失掉；过程3为转换得到的电能

示意图,收集器,压电,基本结构

４油?可以看到，在这3种转换方式中，压电转换具有较高的能量密度。此外，压电转换还具有结构简单、无电磁干扰、加工制作容易和结构上易于小型化、集成化等优点。图13种振动能电能转换器能量密度对比[2]Fig.1Comparisonofenergydensityforthreetypesofmechanicaltoelectricalenergyconverters[2]在过去的10年时间，研究人员对压电能量收集技术进行了大量研究，包括能量转换机制分析、机械结构设计与优化、微电子电路控制理论等诸方面[8 15]。常用的压电能量收集器结构通常分为悬臂梁和多层叠堆2种模式。图2为压电双晶片和压电单晶片悬臂梁结构示意图[16]。在这种悬臂梁结构中，悬臂梁一端固定，另一端随环境中的机械振动做周期运动。环境中的振动能首先转换成图2中质量块M的动能，，然后质量块M的动能转变成悬臂梁结构的弹性势能，压电层中变化的应变产生交变电压，通过压电层的电极输出。图3为压电能量收集器的工作过程[16 17]，主要包含3部分：过程1为通过特殊的机械装置将环境中无序的机械振动转换成周期性振荡的机械能，在这个过程中，部分能量由于机械阻抗失配、能量衰减等因素而损失掉；过程2为利用压电材料的正压电效应将周期性振动的机械能转换为电能，在这个过程中，由于压电材料的机电转换效率等问题，部分能量损失掉；过程3为转换得到的电能经过整流、AC/DC和DC/DC转换为可以使用的电能，在这一过程中，由于电路损耗，导致部分能量损失掉。在上述压电能量收集器的工作过程中，过程1和过程3可以通过机械结构和电路设计加以解决，而过程2必须通过材料改性与优化加以解决。(a)Piezoelectricbimorphcantileverstructure(b)Piezoelectricunimorphcantileverstructure图2压电能量收集器基本结构示

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