压电叠堆联接方式及低频发电特点的研究

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1、第4期电源学报No.42011年7月JournalofPowerSupplyJuly.2011党永袁董维杰袁白凤仙袁喻言渊大连理工大学电子科学与技术学院辽宁大连116024冤摘要院压电发电是一种新型的振动能量收集技术遥论文推导并给出了压电叠堆在33模式低频振动时输出电压和功率的数学表达式袁并分析指出了输出电压和功率与压电系数尧压电片个数尧压电片厚度尧激振力尧激振频率正相关袁与电极面积和介电常数负相关曰电学串联的压电叠堆可以输出较高的开路电压曰电学并联的压电叠堆可以输出较高的输出电流和功率遥文中设计了压电叠堆夹持装置和振动发电实验装置袁在振

2、动频率5Hz尧激振力26N的情况下得到两片电学串联叠堆和并联叠堆的最大功率分别为0.14滋W和0.4滋W曰实测输出电压随振动频率尧电阻尧压电片个数尧振子厚度和电极面积的变化趋势与理论预测相符遥关键词院振动能量收集曰压电叠堆曰电学并联曰电学串联中图分类号院TN384;TM619;TN712+.5文献标志码院A文章编号院CN12-1420渊2011冤04-0056-07分析袁并仿真得出在其谐振频率1650Hz时最大效率为12%遥实际环境中的振动频率一般几赫兹至几振动能比较持久且不受气候限制袁是继太阳能十赫兹袁因此研究压电叠堆在低频振动时的发电

3、特发电之后备受关注的能量来源遥压电振动发电结构性会更有实际意义遥文献[9]采用电流源等效模型和简单尧易于微型化尧能量密度大且清洁环保袁已经成第一类压电方程推导了压电叠堆非谐振时的发电为振动式发电机研究的热点[1-3]遥单压电振子所产生特性袁该方法适于分析负载电阻较小情况袁不适于的功率有限袁一般通过大面积或大体积压电材料发分析负载开路情况遥文献[10]提出利用路基压电发电来提高功率袁这些压电发电单元必然要通过一定电装置为路灯系统供电袁由多个压电片并联发电袁的联接后再向负载供电遥本文分析了压电叠堆发电介绍了能量处理步骤袁但未说明压电叠堆的发电

4、特输出电压和功率与负载尧压电振子数目的关系袁希性以及压电片的数量配置遥文献[11]设计了安装在望为阵列压电发电的联接提供参考方法遥背包系带中的压电叠堆发电装置袁但文中没有提及压电叠堆发电采用33模式压缩振动振子[4,5]袁与叠堆联接方式尧几何尺寸和压电片数量等对发电特[11]31模式压电振子相比袁33模式压电振子压电系数性的影响遥本文采用第三类压电方程和电压源等大袁能承受较大的应力袁适于多层发电结构渊叠堆冤袁效模型推导了压电叠堆低频振动发电公式袁从中易应用潜力很大[6,7]遥而对33模式压电发电的研究却比于分析压电叠堆开路和小负载时的发电

5、特性袁并利31模式少得多袁对于33模式压电叠堆发电的理论用推导的压电叠堆输出电压和功率的数学表达式袁预测更少遥文献[8]对所设计的压电叠堆进行了建模深入分析了影响其发电性能的因素袁尤其是压电片个数对压电叠堆发电性能的影响袁在此基础上设计了压电叠堆夹持装置和振动发电实验装置袁验证了收稿日期院2010-12-08电学串联和并联压电叠堆发电的规律袁并阐明了作者简介院党永渊1984-冤袁男袁硕士研究生袁主要从事压电陶瓷发电串尧并联叠堆分别适用的场合遥技术的研究遥董维杰渊1968-冤袁女袁教授袁博士袁主要研究方向为微机电系统尧压电传感器与执行器遥E

6、-mail:dongwj@dlut.edu.cn.第4期党永袁等院压电叠堆联接方式及低频发电特点的研究57u0渊t冤=i0渊t冤窑R袁得到uo(t)和D3(t)之间的关系为院渊4冤把式(4)代入到式(3)可得院压电方程是研究压电发电技术的理论基础遥若采用电边界条件为电学短路的第一类压电方程描渊5冤述发电性能袁则只适用于分析负载电阻较小的情将式渊5冤改写为相量形式院况遥为了分析在打火装置等开路状态下的输出电渊6冤压袁本文把压电振子等效为电压源袁此时宜采用第三类压电方程进行分析遥33模式下第三类压电方程从式渊6冤中解出U觶O袁并对其取模可得输

7、出电压为院的幅值为院渊1冤渊7冤渊2冤式中:T3为应力曰D3为电位移曰E3为电场强度曰S3因为g=d/着T袁所以式渊7冤等价为院333333DT为应变曰S33为弹性顺度常数曰茁33为介质隔离率曰g33渊8冤[4]为电压常数遥33模式压电发电是利用压缩力袁为了使分析更具有一般性袁设压缩力为有规律的正弦F=式中d33为压电常数遥由式渊8冤可得输出功率Fm(1+sin棕t)遥若激振力F=Fm(1+sin棕t)袁则D3袁T3袁E3和为院S3与F一样都是时间t的正弦函数且同频率遥而脉渊9冤冲式间歇压缩力可分解为一系列正弦谐波之和遥设压电振子的厚度为

8、h曰电极面积为A曰沿厚度由式渊8冤可见袁低频振动的单压电振子向负载R方向受到正弦激振力袁幅度为Fm尧角频率为棕袁棕远提供的电压与压电系数d33尧激振力幅值Fm成正比曰小于压电振子的固有频率遥压