压电材料发电

压电材料发电

压电材料的晶体结构使其具有正压电效应和逆压电效应,即将机械能转化成电能,和将电能转化为机械能。压电发电正是利用压电陶瓷的正压电效应。在压电发电领域中,电量储存的研究基本局限于以电容作为电量储存媒介的方法上,在国内,尚未发现以可充电电池为压电发电储能媒介的研究。

压电陶瓷发电装置的优点在于结构简单、无污染、能量密度大、易于加工等,尤其适用于各类传感器网络及监测系统。压电陶瓷换能器通过一定的工艺加工可以制成各种电子设备的供电能源,能够使电子设备适应环境进行自供电，提高设备的免维护性。由于这些特点，使得压电陶瓷发电技术的应用逐渐成为研究的热点[1]。

1.惯性自由振动式

曾平等人[2]在总结国外研究者的试验结果基础上，提出了利用小面积压电振子为电能源,给可充电电池充电的研究思想。在他的文章中所研究的压电发电装置中的压电振子由磷青铜基板和一个粘在其表面的矩形压电晶片构成,磷青铜板和压电晶片的厚度分别为0.3m m和0.3mm。

1.1压电发电装置的实验研究系统如下图所示。

压电陶瓷

图1压电发电实验装置

磷青铜板

将压电振子一端基板的露出部分作为固定支撑端,另一端自由,在自由端基板露出部分上端和激振器的激振头接触,形成悬臂梁激振系统。试验时,通过脉

冲信号发生器输出控制信号,激振器振子产生振动,并将振动传递给悬臂支撑的压电振子,使压电振子产生上下弯曲振动,则压电振子上的压电晶片在弯曲变形的作用下,将产生电量。通过示波器可观测到压电振子在上下弯曲振动时产生电信号的变化情况。

1.2充电电池储存电路设计

以充电电池为储存媒介的储存电路,其作用是将来自压电振子的电量,储存到一个镍氢钮扣电池中。为减少其他因素的干扰,电路的组成元件较少。图2为设计研制的以充电电池为储存媒介的储存电路。其基本结构为压电振子(电能发生源)、全桥校正器、储存电容元件、充电电池及连接线路等。

图2镍氢电池充电电路

试验研究时,压电振子在外加振动激励的作用下,产生交流变化的电荷信号,产生的电荷经全桥校正器,收集进入一个大容量的电容中,电容一般大于1 000µF,电池和电容并联,电容将收集来的电量储存入充电电池中。

2.冲击自由式振动[3]

冲击自由振动式，是利用自由振动金属球(或有一定势能的冲击头)撞击压电振子，使之产生弯曲振动，如图3所示。该发电方式能产生瞬间的大电流，产生的电量可以点亮数十个mW级的发光二极管。

图3冲击自由振动式

超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，同普通电容相比，超级电容的容量要比普通电容高出几个数量级，而且体积小。同充电电池相比，超级电容具有许多充电电池无法比拟的优点，如充电速度快、使用寿命长。超级电容充电原理图如下图。

3.PVDF发电系统

充分利用日常生活中普遍存在的运动压力和空气压力双作用于压电材料PVDF，由其压电效应便可快捷地产生电荷。一方面通过运动压力挤压压电材料PVDF，进行一次发电；另一方面利用活塞连杆装置压缩空气，作用于PVDF，产生的压力进行二次发电，大大地提高压电材料的发电效率。然后通过超低输入升压电路，可对外输出较高电压，再通过储能电路，形成稳定的电压对可充电电池充电，最后由密排电池组集中对外供电[4]。

压电元件在压力作用下，会产生形变。由于压电效应，压电材料上下表面产生电荷，此时，压电元件相当于一个电容，电容在两极产生电荷后就储存能量。

3.1能量存储

参考文献

[1]齐洪东,杨涛,岳高铭等.微型压电陶瓷振动发电技术研究综述.传感器与微系统，

2007(5):1-4.

[2]曾平,佟刚,程光明等.压电发电能量储存方法的初步研究.压电与声光,2008(4)：

230-233.

[3]王军龙.基于压电材料的振动发电装置的研究.江苏大学.

[4]胡柳，何元庭，吴婷.基于PVDF双发电系统的研究.现代电子技术，2011(5):207-210.

[5]毛芹，王涛，郝鹏飞.基于PVDF压电片发电的特性研究.北京理工大学学报，2012(11)：

1140-1144.