[科普中国]-压电—电磁复合发电

简介

近年来，现代微电子技术、微机电系统(MEMS)、片上系统((SoC)、无线通信技术、计算机技术等的迅猛发展，促使无线传感器网络技术成为国内外的研究热点。它综合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术，是信息技术中的一个新的领域，其在国民生产的许多重要领域都有潜在的实用价值，尤其是具有在难以接近甚至是特别危险的场合应用的潜质.

对于嵌入式系统和数量极大的无线传感器网络节点来说，采用传统的化学能电池存在需要定期更换的缺点，无法发挥无线传感器的最大作用。因此，如何为无线传感器件提供可持续能源成为函待解决的问题，环境中的振动能无处不在，如果能够有效加以利用，可以直接代替传统的电池从而延长无线传感器的寿命2。

最基本的振动式俘能方法有三种:静电式、电磁式和压电式。其中静电式俘能方法的原理为机械振动使得电容两极板发生相对运动，从而电容值改变，根据公式Q=CV，若通过外接电源保持电压不变，则电容两极板上的电荷量将发生变化，收集这些电荷即输出电能。电磁式俘能的基本原理为电磁感应定律，穿过闭合导线的磁通量发生变化时，在导线中产生感应电流，从而输出电能。压电式俘能的基本原理为压电材料的正压电效应，机械振动使得压电材料内部产生应力，发生正压电效应产生电荷，输出电能。其中，压电式发电装置具有能量密度大、无电磁干扰、易于加工，便于实现小型化和集成化等诸多优点，具有非常广阔的应用前景，是当前的研究热点[[9]

为了探索改善俘能装置发电性能的新方法可以将两种或两种以上不同的发电技术复合在一起同时进行发电。其中，压电一电磁复合式振动俘能技术较容易实现，其基本原理是将悬臂梁式压电发电装置振子末端的质量块用永磁铁代替，在合理的位置放置感应线圈，当永磁铁跟随悬臂梁振动时，切割感应线圈，闭合的线圈内部产生感应电流，从而实现了压电和电磁两种俘能方法的祸合。

随着人们对振动式俘能技术研究的深入，解决了许多关键性技术问题，为提高俘能器输出功率提供理论指导，也为振动俘能器进一步的实用化奠定了基础。本章对压电发电技术、电磁发电技术及压电一电磁复合发电技术的研究现状进行了介绍，并总结了目前研究中存在的不足，提出本课题的研究内容和意义所在。

基于人体运动能的压电发电装置从人体运动捕获能量为嵌入式设备和便携式电子产品供电的研究非常广泛。人体运动的典型特点是大振幅和低频率。根据经验可知，体积越小的装置其共振频率越高，因此很难设计出用于捕获人体运动能的微型共振式俘能器1。

以往的研究指出，一个体重为68kg的人以2步/秒的速度行走时，所能产生的最大功率可达67W。但是，如果考虑发电装置对行走步态的干扰作用，则能量的捕获效率将大大降低。在上述情况下，考虑机械动力损失75%，机电转换效率50%，电力损耗10%时，压电俘能器的输出功率的理论上限近似为1.265W.

美国麻省理工大学在马萨诸塞州的媒体实验室的研究人员首次制作出了基于人类行走的压电式俘能器。研究人员采用聚偏二氟乙烯((PVDF)制作了一种运动鞋的鞋垫，鞋垫中的PVDF层的布局如图1-1所示。它利用人行走时脚部的弯曲动作在PVDF的两个电极上产生电荷。当频率为0.9Hz时，PVDF薄片所能产生的平均功率约为1.3mW。

基于环境中振动能的压电发电装置振动式俘能器最常用的结构是压电悬臂梁，悬臂梁式压电振子既可以采用单晶片形式，也可以采用双晶片形式。悬臂梁式结构通常具有较低的共振频率，并且通过在末端增加质量块，可以使压电片内部获得很高的应力，从而获得较高的输出功率[7]。

Roundy等人设计制作了双晶片压电悬臂梁俘能器，并建立了相应的数学模型[。一种典型的双晶片压电俘能器的几何模型如图所示，PZT-SA陶瓷片粘接在中心金属层的上下表面，末端质量块材料为镍钨合金。激振源设定为120Hz,加速度为2.5m/s，当外接负载为250k时，该俘能器的最大输出功率为80W。

电磁发电技术的研究现状不论是用于日常生活用电的火力发电、水力发电、风力发电，还是为低耗能电子器件供能的微型电磁式俘能器，其本原理均是法拉第电磁感应定律。当穿过闭合电路的磁通量发电改变时，就会在导线内部产生感应电流，回路中感应电动势的大小，等于穿过该闭合电路的磁通变化率。

基于环境中振动能的电磁式发电装置

通常情况下，电磁式发电机可以分为三类:谐振型、旋转式和混合式如图1-4所示。谐振型结构的俘能器工作于振荡状态，它们通常利用永磁体进而线圈之间较小的相对位移从环境中的振动源获取能量。相比之下，旋转式俘能器与谐振型的工作模式相同，但是体积较大，通常用于从小型涡轮机或热引擎的振动中获取能量。混合式俘能器利用不平衡转子将旋转运动转换成直线运动。由于工作模式不同，不同类型的俘能器所产生的能量可能是连续的，谐振敏感的或杂乱的。

压电一电磁复合发电技术的研究现状为了提高能量转换效率，将压电、电磁、热电、光伏等多种能量转换方法集成在一起同时进行俘能是微能源技术发展的新趋势。在常用的三种基于振动的俘能方法中，静电式俘能器需要外接电源导致其应用受到限制，电磁俘能和压电俘能则以其各自的优点表现出了潜在的应用价值，关于微型电磁发电机和微型压电发电机的研究受到国内外众多学者的关注并取得了很大的进步。

有学者在压电俘能器中祸合电磁力进行研究，结果表明加入电磁力可以改变悬臂梁的刚度，从而实现对共振频率的调节[[22]。同时，反过来在电磁俘能器中，利用压电材料的逆压电效应，也实现了共振频率的调节。

上述研究中将压电与电磁祸合在一起，是用以实现频率的调节。而将压电和电磁两种俘能方法祸合在一起进行复合发电的研究也在进行中。

美国哥伦比亚大学的T. Wacharasindhu等人研制了一个用于捕获手指敲击键盘时的机械能的微型发电机1，该发电装置同时通过压电转换原理和电磁转换原理将机械能转变为电能。将一个微型发电机集成到计算机的键盘上进行了实验，其结果显示，压电机制的最大输出功率为40.8W，电磁俘能机制的最大输出功率为1.15W。他们的研究表明，收集手指敲击键盘或者按压按钮的能量为遥控设备、无线键盘和无线鼠标等供电是可行的。

复合发电技术数学建模方法弹簧质量阻尼振动模型复合发电技术是一种采用两种(或以上)能量转化技术进行同时发电的装置。通常情况下，一个振动俘能器都可以等效为一个弹簧一质量一阻尼系统如图，包括一个机械阻尼(代表由于结构原理和粘滞摩擦而产生的能量损失)和至少一个电气阻尼(代表通过能量转换机制获得的能量)。

目前研究中存在的不足基于环境中动能的俘能技术在解决传统化学能电池能量有限、温度敏感等诸多问题上，表现出了良好的应用前景。其中，压电一电磁复合发电技术由于能够综合利用两种俘能方法的优点而成为新的研究课题。

目前，压电一电磁复合发电技术的研究刚刚起步，仍有大量的工作需要进一步的研究2:

(1)复合发电技术输出功率的优化分析。以往对复合发电技术的研究要么集中于结构设计和实验研究，要么集中于数学建模方法的研究。而关于数学模型的验证及建立数学模型后的性能分析和参数优化分析鲜有报道。

(2)复合发电装置多物理场祸合仿真。有限元仿真是一种高效可靠的多物理场祸合的计算方法，己经广泛应用于多个工程领域。对复合发电装置进行有限元仿真分析，一方面可以验证理论模型的正确性，一方面可以为参数优化提供帮助。

(3)非线性复合发电技术。传统方式的振动俘能技术通常只有在共振情况下才获得较高的输出功率，而非共振状态的发电性能非常差，这也是振动俘能器难以大规模实用化的一个重要原因。而非线性复合发电系统，对环境中振动源的频率较不敏感，当环境中振动频率具有多样性时，表现出良好的俘能性能。

通过大量阅读文献资料得知悬臂梁式微型发电装置结构简单，在低频环境下易于发生共振而输出相对更多的能量[[29]。对比压电式发电装置和电磁式发电装置可知，压电发电装置往往有较高的输出电压和较小的电流，电磁发电装置通常输出较小的电压[[30];压电发电装置能量密度大，电磁发电装置能量密度小。另外己经有学者设计并制作了压电和电磁相结合的复合式俘能装置，实验结果表明复合发电装置与单一方式的发电装置相比可以获得更高的输出功率[[32]。但是以往的研究通常是制作发电装置模型，然后进行实验验证，而缺少复合俘能技术发电性能的优化方法分析，并且对复合发电装置的发电性能的仿真研究也较少。

复合发电装置结构设计振动俘能器的发电性能与振子的结构形式密切相关，合理的设计俘能器的结构不仅可以提高能量转换效率，还可以达到宽频降频的目的。常用的压电俘能器的结构形式分类如图2-1所示，有悬臂梁结构(d3 i模式)、圆盘结构(d3:模式)和螺旋形结构等。其中各种形式的悬臂梁结构又分别包括不带质量块的和带末端质量块的结构形式2。