压电叠堆联接方式及低频发电特点的研究 performance of piezoelectric stack for energy harvesting from low frequency vibration.pdfVIP

第 4期 电 源 学 报 No．4 2011年 7月 JournalofPowerSupply July．2011 压电叠堆联接方式及低频发电特点的研究 党 永 ，董维杰，白凤仙，喻 言 (大连理工大学电子科学与技术学院 辽宁大连 116024) 摘要 ：压 电发电是一种新型的振动能量收集技术。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，并分析指 出了输 出电压和功率与压电系数、压 电片个数、压 电片厚度 、激振力、激振频率正相 关，与 电极面积和介 电常数负相关；电学串联的压 电叠堆可以输 出较高的开路 电压 ；电学并联 的压 电叠堆可以输 出 较高的输 出电流和功率。文 中设计 了压电叠堆夹持装置和振动发 电实验装置 ，在振动频率 5Hz、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 W 和 O．4xIW ；实测输 出电压随振动频率、电阻、压 电片个数 、振子厚度和 电极面积 的变化趋势与理论预测相符 关键词 ：振动能量收集 ；压电叠堆 ；电学并联 ；电学串联 中圈分类号 ：TN384；TM619；TN712~．5 文献标志码 ：A 文章编号 ：CN12—1420(2011)04—0056—07 引言 分析 ．并仿真得 出在其谐振频率 1650Hz时最大效 率为 l2％。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 ．是继太 阳能 十赫兹 ，因此研究压电叠堆在低频振动时的发 电特 发电之后备受关注的能量来源。压电振动发电结构 性会更有实际意义。文献[9】采用电流源等效模型和 简单、易于微型化、能量密度大且清洁环保，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l1-3]。单压 电振子所产生 特性 ．该方法适于分析负载 电阻较小情况 ，不适于 的功率有限，一般通过大面积或大体积压 电材料发 分析负载开路情况 。文献 l『O]提 出利用路基压电发 电来提高功率 ．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．由多个压电片并联发电， 的联接后再向负载供电。本文分析了压电叠堆发电 介绍 了能量处理步骤 ．但未说明压电叠堆的发电特 输 出电压和功率与负载 、压 电振子数 目的关系 ，希 性 以及压 电片的数量配置 。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。 背包系带中的压电叠堆发电装置，但文 中没有提及 压电叠堆发电采用 33模式压缩振动振子 ]．与 叠堆联接方式 、几何尺寸和压电片数量等对发 电特 31模式压 电振子相 比，33模式压 电振子压 电系数 性的影响[11]。本文采用第三类压电方程和电压源等 大 ，能承受较大的应力 ，适于多层发 电结构 (叠堆)， 效模型推导 了压电叠堆低频振动发 电公式 ，从 中易 应用潜力很大[6,71。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特性 ，并利 31模式少得多，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 ． 预测更少。文献f8】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 ，尤其是压 电片 个数对压 电叠堆发 电性能的