基于压电效应的能量收集及阵列研究

With concerns of renewable and green energy resources, the wasted energy has been proposed to be harvested from ambient environment utilizing the photovoltaic thermoelectric, or piezoelectric effect for portable electronics. Piezoelectric effect is one of the attractive techniques for energy harvesting applications. Because of the nature of directly converting mechanical energy into electric energy, the piezoelectric materials have attracted considerable interest to become an ideal source of energy harvesting. Besides, compared to other similar or different types of materials, the piezoelectric materials can more readily be integrated into a system. In this suty, the piezoelectric materials and the circular diaphragm erergy harvesting device will be fabricated and developed, different factorss on improving the electromechnical coupling efficiency will be considered and optimized. Array of energy harvesting device will also be developed for increasing the output of power. The relation between the parameters of piezoelectric materials and energy harvesting decives will be given.

低碳经济对可再生能源的需求和无线传感网对能量自给的迫切需求都对振动能量收集和存储的研究和发展提出了更高要求。以压电材料为关键部件的压电振动能量收集可将环境中的振动能通过压电效应转化为电能，为低耗能微电子产品提供便携式电能。目前对压电振动能量收集研究的关键是如何有效地增大电能功率输出。在压电能量收集中真正起着核心作用、完成机电耦合转换的是压电陶瓷材料，因此压电材料本身各方面性能的高低、匹配、结构的形式对机电转换效率有着至关重要的影响。本项目以压电材料研究为核心，以提高功率输出为目的，通过研究压电材料能量转换机理，测试和分析材料各种性能参数变化对能量转化效率的影响，建立起压电材料性能参数与能量转换效率之间的相互关系，为材料的制备、选取和能量收集器件的设计、优化提供科学依据；在此基础，通过压电膜的多层结构和器件的鼓状设计，以及阵列的串并联结构的设计，增大振动能量收集的功率输出。

本课题的研究主要以提高压电能量收集器的输出功率为目标，围绕着压电能量收集器件的结构设计和优化、器件的阵列化、输出功率与压电材料性能参数的关系，以及压电材料的选取等，取得了以下几方面研究成果：搭建和完善了压电能量收集测试表征系统、压电材料制备和压电器件及阵列制作平台，为基于压电效应的能量收集及阵列的研究奠定了基础；研究了压电能量收集阵列及其性能，所制备的四元阵列可在120~250Hz的频率范围进行能量收集，拓宽了能量收集的频率范围，增大了输出功率，表明通过多元阵列形式可解决单元器件由于结构谐振所导致的能量收集频率过窄的问题；通过外接超级储能电容器的研究发现，这时的储能电容器即可用于能量收集的存储，又可显著平滑多个谐振峰的波动幅度，提高输出功率的平稳度。通过系统的对比测试和拟合研究发现，压电材料性能参数与机-电耦合转换输出功率密切相关，即压电能量收集的输出功率与压电系数的平方成正比，与介电常数成反比；通过筛选发现PZT-51系压电材料最适合能量收集的应用，在此基础上经过优化后，单元器件的输出功率可达11mW。优化了压电能量收集单元器件的结构设计，将预应力施加部位的粘接面由平面改为弧面，减少粘接面所导致的压电转换区域无效部分，显著提高了机-电耦合的输出功率；而进一步将质量块的形状设计为环形，将预应力施加部位转移到边缘上，进而改变压电材料的受力状态，优化了机-电耦合效率，在相同质量块重量下可将单元压电能量收集器的输出功率大幅提高到20mW左右。将压电材料的金电极表面分割成直径不同、宽度相等的同心电极圆环，对直径不同圆环区域的输出进行表征，发现在不同压电能量收集区域，由于受力的不同，所导致的电压输出相位角和幅值的变化是不一致的，这种不同区域输出的不均匀性以及实际的并联结构降低了压电能量总的输出功率，也意味着单元器件的优化和输出功率的提高还有进一步发掘的潜力。