基於壓電效應的能量收集及陣列研究

《基於壓電效應的能量收集及陣列研究》是依託同濟大學，由楊同青擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於壓電效應的能量收集及陣列研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊同青
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

低碳經濟對可再生能源的需求和無線感測網對能量自給的迫切需求都對振動能量收集和存儲的研究和發展提出了更高要求。以壓電材料為關鍵部件的壓電振動能量收集可將環境中的振動能通過壓電效應轉化為電能，為低耗能微電子產品提供攜帶型電能。目前對壓電振動能量收集研究的關鍵是如何有效地增大電能功率輸出。在壓電能量收集中真正起著核心作用、完成機電耦合轉換的是壓電陶瓷材料，因此壓電材料本身各方面性能的高低、匹配、結構的形式對機電轉換效率有著至關重要的影響。本項目以壓電材料研究為核心，以提高功率輸出為目的，通過研究壓電材料能量轉換機理，測試和分析材料各種性能參數變化對能量轉化效率的影響，建立起壓電材料性能參數與能量轉換效率之間的相互關係，為材料的製備、選取和能量收集器件的設計、最佳化提供科學依據；在此基礎，通過壓電膜的多層結構和器件的鼓狀設計，以及陣列的串並聯結構的設計，增大振動能量收集的功率輸出。

結題摘要

本課題的研究主要以提高壓電能量收集器的輸出功率為目標，圍繞著壓電能量收集器件的結構設計和最佳化、器件的陣列化、輸出功率與壓電材料性能參數的關係，以及壓電材料的選取等，取得了以下幾方面研究成果：搭建和完善了壓電能量收集測試表征系統、壓電材料製備和壓電器件及陣列製作平台，為基於壓電效應的能量收集及陣列的研究奠定了基礎；研究了壓電能量收集陣列及其性能，所製備的四元陣列可在120~250Hz的頻率範圍進行能量收集，拓寬了能量收集的頻率範圍，增大了輸出功率，表明通過多元陣列形式可解決單元器件由於結構諧振所導致的能量收集頻率過窄的問題；通過外接超級儲能電容器的研究發現，這時的儲能電容器即可用於能量收集的存儲，又可顯著平滑多個諧振峰的波動幅度，提高輸出功率的平穩度。通過系統的對比測試和擬合研究發現，壓電材料性能參數與機-電耦合轉換輸出功率密切相關，即壓電能量收集的輸出功率與壓電係數的平方成正比，與介電常數成反比；通過篩選發現PZT-51系壓電材料最適合能量收集的套用，在此基礎上經過最佳化後，單元器件的輸出功率可達11mW。最佳化了壓電能量收集單元器件的結構設計，將預應力施加部位的粘接面由平面改為弧面，減少粘接面所導致的壓電轉換區域無效部分，顯著提高了機-電耦合的輸出功率；而進一步將質量塊的形狀設計為環形，將預應力施加部位轉移到邊緣上，進而改變壓電材料的受力狀態，最佳化了機-電耦合效率，在相同質量塊重量下可將單元壓電能量收集器的輸出功率大幅提高到20mW左右。將壓電材料的金電極表面分割成直徑不同、寬度相等的同心電極圓環，對直徑不同圓環區域的輸出進行表征，發現在不同壓電能量收集區域，由於受力的不同，所導致的電壓輸出相位角和幅值的變化是不一致的，這種不同區域輸出的不均勻性以及實際的並聯結構降低了壓電能量總的輸出功率，也意味著單元器件的最佳化和輸出功率的提高還有進一步發掘的潛力。