基于压电效应的能量收集(3页).pdf

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1、第31卷第3期压电与声光Vo1．31No．32009年6月PIEZOELECTECTRICS&ACOUSTOOPTICSJun．2009文章编号：1004—2474(20O9)03—0347—03基于压电效应的能量收集潘家伟，黄卫清，周凤拯，冒俊(南京航空航天大学精密驱动研究所，江苏南京210016)摘要：介绍了利用压电陶瓷元素进行能量收集，并对其进行了理论分析。为能对负载进行供电，使用DC-DC变换器对电压进行变换，同时增加了输出功率。最后实验结果对前面的模型理论分析进行了验证。关键词：能量收集；振动；DC-DC变换器；压电陶瓷中图分类号：TP303文献标识码

2、：APiezoelectricEnergyHarvestingBasedonthePiezoelectricEffectPANJia-wei，HUANGWei—qing，ZHOUFeng-zheng，MAOJun(Lab．ofPrecisionDriving，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China)Abstract：Theenergyharvestingusingthepiezoelectricceramicelementswaspresentedandthetheore

3、ticanalysiswasperformedinthispaper．ADC—DCvoltageconverterwasusedtOchangethevoltageSOastosupplythepowertotheloadingandincreasetheharvestpower．Furthermore，theexperimentalresultswereusedtOverifythetheoreticmodelanalysis．Keywords：energyharvesting；vibration；DC—DCconverter；piezoelectric随着无

4、线设备的广泛应用，其供电问题受到人们的广泛关注。在许多使用电池供电的场合，电池的频繁更换会增加费用和污染环境，特别在一些人类无法到达、无法接触的特殊场合，其电池更换难。另外在结构健康监测的应用中，电池电量用完且又短开无法及时更换会造成严重的后果。为解决这些问图1弹簧一质量模型路路题，人们开始考虑把周围环境中的能量转换成电能对于粘贴在悬臂梁上的压电陶瓷元素，随着结弹弹性性收集并存储起来。这些环境中的能量有很多形式，构的振动自身作横向伸缩振动，得出压电方程口参参如化学能、光能及机械能等。数数f一fS1一e3lE3⋯我们利用压电陶瓷的正压电效应，把机械振动【D2=e3

5、1S1+￡3S3E3能转换成电能并存储，为能满足负载使用要求，本文式中为应力矢量；D为电位移矢量；s为应变采用电压变换电路对其进行变换。实验中在悬臂梁矢量；E3为电场矢量；其余参数如表1所示。的端部放置激振器，用激振器对悬臂梁进行激励来表1压电陶瓷参数定义模拟环境中的振动。1能量收集装置机电耦合模型建立机电耦合模型的目的是联系机械参数与电学参数，以便分析与计算。基于振动能量的收集设备很多，以压电陶瓷能量收集设备为例，其变形最大时产生最大的能量，这就要求在设计过程中，使其工假设质量块的位移为“，压电陶瓷的表面积和作频率在共振点时，压电陶瓷振幅很小，近似认为其厚度分

6、别为A和L，压电陶瓷输出的电压和电流分运动是线性的。在图l系统的机械损耗用一个粘性别为和，可得。阻尼器C来等效，质量块M受到施加到系统上的外(E一一VfL力F与系统的内力的同时作用。而内力可以分解为j

7、数；Co为受夹电容；aP—2⋯R=。uh(1。)为应力因子。把式(2)、(3)代入式(1)可得{lJ=a一CodV／dt㈤根据式(4)，M在压电陶瓷上的作用力F可分解为一个弹性系数为KPE的弹簧弹性力和一个电压控制的力aV，故系统的全局弹性系数K是系统的结构弹性系数KPE与压电陶瓷的弹性系数Ks之和，即图3标准能量收集电路：振幅，电压和电流波形KE=：=KPE+Ks(5)由于收集到的能量小，相对于系统输入的机械系统的全局动力方程为能可忽略，所以负载的消耗对机械振动的振幅的影．M+C+K+aV—F(6)响也可忽略。所以可直接推导出最大功率PM处的式中C为压电陶瓷的

8、受夹电容；F为压电陶瓷所