壓電—電磁複合發電

壓電一電磁複合式振動俘能技術是一種新型複合發電技術。壓電一電磁複合式振動俘能技術較容易實現，其基本原理是將懸臂樑式壓電發電裝置振子末端的質量塊用永磁鐵代替，在合理的位置放置感應線圈，當永磁鐵跟隨懸臂樑振動時，切割感應線圈，閉合的線圈內部產生感應電流，從而實現了壓電和電磁兩種俘能方法的耦合。對壓電發電技術、電磁發電技術及壓電一電磁複合發電技術的研究現狀進行了介紹，並總結了目前研究中存在的不足。

基本介紹

• 中文名：壓電—電磁複合發電
• 外文名：Piezoelectric hybrid electricity
• 類型：複合發電
• 基本原理：壓電和電磁兩種俘能方法的耦合
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

近年來，現代微電子技術、微機電系統(MEMS)、片上系統((SoC)、無線通信技術、計算機技術等的迅猛發展，促使無線感測器網路技術成為國內外的研究熱點。它綜合了感測器技術、信息處理技術和網路通信技術，是信息技術中的一個新的領域，其在國民生產的許多重要領域都有潛在的實用價值，尤其是具有在難以接近甚至是特別危險的場合套用的潛質.

對於嵌入式系統和數量極大的無線感測器網路節點來說，採用傳統的化學能電池存在需要定期更換的缺點，無法發揮無線感測器的最大作用。因此，如何為無線感測器件提供可持續能源成為函待解決的問題，環境中的振動能無處不在，如果能夠有效加以利用，可以直接代替傳統的電池從而延長無線感測器的壽命。

最基本的振動式俘能方法有三種:靜電式、電磁式和壓電式。其中靜電式俘能方法的原理為機械振動使得電容兩極板發生相對運動，從而電容值改變，根據公式Q=CV，若通過外接電源保持電壓不變，則電容兩極板上的電荷量將發生變化，收集這些電荷即輸出電能。電磁式俘能的基本原理為電磁感應定律，穿過閉合導線的磁通量發生變化時，在導線中產生感應電流，從而輸出電能。壓電式俘能的基本原理為壓電材料的正壓電效應，機械振動使得壓電材料內部產生應力，發生正壓電效應產生電荷，輸出電能。其中，壓電式發電裝置具有能量密度大、無電磁干擾、易於加工，便於實現小型化和集成化等諸多優點，具有非常廣闊的套用前景，是當前的研究熱點[[9]

為了探索改善俘能裝置發電性能的新方法可以將兩種或兩種以上不同的發電技術複合在一起同時進行發電。其中，壓電一電磁複合式振動俘能技術較容易實現，其基本原理是將懸臂樑式壓電發電裝置振子末端的質量塊用永磁鐵代替，在合理的位置放置感應線圈，當永磁鐵跟隨懸臂樑振動時，切割感應線圈，閉合的線圈內部產生感應電流，從而實現了壓電和電磁兩種俘能方法的禍合。

隨著人們對振動式俘能技術研究的深入，解決了許多關鍵性技術問題，為提高俘能器輸出功率提供理論指導，也為振動俘能器進一步的實用化奠定了基礎。本章對壓電發電技術、電磁發電技術及壓電一電磁複合發電技術的研究現狀進行了介紹，並總結了目前研究中存在的不足，提出本課題的研究內容和意義所在。

基於人體運動能的壓電發電裝置

從人體運動捕獲能量為嵌入式設備和攜帶型電子產品供電的研究非常廣泛。人體運動的典型特點是大振幅和低頻率。根據經驗可知，體積越小的裝置其共振頻率越高，因此很難設計出用於捕獲人體運動能的微型共振式俘能器。

以往的研究指出，一個體重為68kg的人以2步/秒的速度行走時，所能產生的最大功率可達67W。但是，如果考慮發電裝置對行走步態的干擾作用，則能量的捕獲效率將大大降低。在上述情況下，考慮機械動力損失75%，機電轉換效率50%，電力損耗10%時，壓電俘能器的輸出功率的理論上限近似為1.265W.

美國麻省理工大學在麻薩諸塞州的媒體實驗室的研究人員首次製作出了基於人類行走的壓電式俘能器。研究人員採用聚偏二氟乙烯((PVDF)製作了一種運動鞋的鞋墊，鞋墊中的PVDF層的布局如圖1-1所示。它利用人行走時腳部的彎曲動作在PVDF的兩個電極上產生電荷。當頻率為0.9Hz時，PVDF薄片所能產生的平均功率約為1.3mW。

基於環境中振動能的壓電發電裝置

振動式俘能器最常用的結構是壓電懸臂樑，懸臂樑式壓電振子既可以採用單晶片形式，也可以採用雙晶片形式。懸臂樑式結構通常具有較低的共振頻率，並且通過在末端增加質量塊，可以使壓電片內部獲得很高的應力，從而獲得較高的輸出功率[7]。

Roundy等人設計製作了雙晶片壓電懸臂樑俘能器，並建立了相應的數學模型[。一種典型的雙晶片壓電俘能器的幾何模型如圖所示，PZT-SA陶瓷片粘接在中心金屬層的上下表面，末端質量塊材料為鎳鎢合金。激振源設定為120Hz,加速度為2.5m/s，當外接負載為250k時，該俘能器的最大輸出功率為80W。

電磁發電技術的研究現狀

不論是用於日常生活用電的火力發電、水力發電、風力發電，還是為低耗能電子器件供能的微型電磁式俘能器，其本原理均是法拉第電磁感應定律。當穿過閉合電路的磁通量發電改變時，就會在導線內部產生感應電流，迴路中感應電動勢的大小，等於穿過該閉合電路的磁通變化率。

基於環境中振動能的電磁式發電裝置

通常情況下，電磁式發電機可以分為三類:諧振型、旋轉式和混合式如圖1-4所示。諧振型結構的俘能器工作于振盪狀態，它們通常利用永磁體進而線圈之間較小的相對位移從環境中的振動源獲取能量。相比之下，旋轉式俘能器與諧振型的工作模式相同，但是體積較大，通常用於從小型渦輪機或熱引擎的振動中獲取能量。混合式俘能器利用不平衡轉子將旋轉運動轉換成直線運動。由於工作模式不同，不同類型的俘能器所產生的能量可能是連續的，諧振敏感的或雜亂的。

壓電一電磁複合發電技術的研究現狀

為了提高能量轉換效率，將壓電、電磁、熱電、光伏等多種能量轉換方法集成在一起同時進行俘能是微能源技術發展的新趨勢。在常用的三種基於振動的俘能方法中，靜電式俘能器需要外接電源導致其套用受到限制，電磁俘能和壓電俘能則以其各自的優點表現出了潛在的套用價值，關於微型電磁發電機和微型壓電發電機的研究受到國內外眾多學者的關注並取得了很大的進步。

有學者在壓電俘能器中禍合電磁力進行研究，結果表明加入電磁力可以改變懸臂樑的剛度，從而實現對共振頻率的調節[[22]。同時，反過來在電磁俘能器中，利用壓電材料的逆壓電效應，也實現了共振頻率的調節。

上述研究中將壓電與電磁禍合在一起，是用以實現頻率的調節。而將壓電和電磁兩種俘能方法禍合在一起進行複合發電的研究也在進行中。

美國哥倫比亞大學的T. Wacharasindhu等人研製了一個用於捕獲手指敲擊鍵盤時的機械能的微型發電機，該發電裝置同時通過壓電轉換原理和電磁轉換原理將機械能轉變為電能。將一個微型發電機集成到計算機的鍵盤上進行了實驗，其結果顯示，壓電機制的最大輸出功率為40.8W，電磁俘能機制的最大輸出功率為1.15W。他們的研究表明，收集手指敲擊鍵盤或者按壓按鈕的能量為遙控設備、無線鍵盤和無線滑鼠等供電是可行的。

複合發電技術數學建模方法

彈簧質量阻尼振動模型複合發電技術是一種採用兩種(或以上)能量轉化技術進行同時發電的裝置。通常情況下，一個振動俘能器都可以等效為一個彈簧一質量一阻尼系統如圖，包括一個機械阻尼(代表由於結構原理和粘滯摩擦而產生的能量損失)和至少一個電氣阻尼(代表通過能量轉換機制獲得的能量)。

目前研究中存在的不足

基於環境中動能的俘能技術在解決傳統化學能電池能量有限、溫度敏感等諸多問題上，表現出了良好的套用前景。其中，壓電一電磁複合發電技術由於能夠綜合利用兩種俘能方法的優點而成為新的研究課題。

目前，壓電一電磁複合發電技術的研究剛剛起步，仍有大量的工作需要進一步的研究:

(1)複合發電技術輸出功率的最佳化分析。以往對複合發電技術的研究要么集中於結構設計和實驗研究，要么集中於數學建模方法的研究。而關於數學模型的驗證及建立數學模型後的性能分析和參數最佳化分析鮮有報導。

(2)複合發電裝置多物理場禍合仿真。有限元仿真是一種高效可靠的多物理場禍合的計算方法，己經廣泛套用於多個工程領域。對複合發電裝置進行有限元仿真分析，一方面可以驗證理論模型的正確性，一方面可以為參數最佳化提供幫助。

(3)非線性複合發電技術。傳統方式的振動俘能技術通常只有在共振情況下才獲得較高的輸出功率，而非共振狀態的發電性能非常差，這也是振動俘能器難以大規模實用化的一個重要原因。而非線性複合發電系統，對環境中振動源的頻率較不敏感，當環境中振動頻率具有多樣性時，表現出良好的俘能性能。

通過大量閱讀文獻資料得知懸臂樑式微型發電裝置結構簡單，在低頻環境下易於發生共振而輸出相對更多的能量[[29]。對比壓電式發電裝置和電磁式發電裝置可知，壓電發電裝置往往有較高的輸出電壓和較小的電流，電磁發電裝置通常輸出較小的電壓[[30];壓電發電裝置能量密度大，電磁發電裝置能量密度小。另外己經有學者設計並製作了壓電和電磁相結合的複合式俘能裝置，實驗結果表明複合發電裝置與單一方式的發電裝置相比可以獲得更高的輸出功率[[32]。但是以往的研究通常是製作發電裝置模型，然後進行實驗驗證，而缺少複合俘能技術發電性能的最佳化方法分析，並且對複合發電裝置的發電性能的仿真研究也較少。

複合發電裝置結構設計

振動俘能器的發電性能與振子的結構形式密切相關，合理的設計俘能器的結構不僅可以提高能量轉換效率，還可以達到寬頻降頻的目的。常用的壓電俘能器的結構形式分類如圖2-1所示，有懸臂樑結構(d3 i模式)、圓盤結構(d3:模式)和螺旋形結構等。其中各種形式的懸臂樑結構又分別包括不帶質量塊的和帶末端質量塊的結構形式。