压电电源的关键技术及发展趋势.pdf

机械设计与制造
第7期
262
Machinery Design Manufacture
2014年7月
压电电源的关键技术及发展趋势
曾劲松2,史维龙,黄江2
(1.郑州大学机械工程学院,河南郑州45000;
2.重庆长安工业(集团)有限责任公司,重庆401122)
摘要:压电发电机是一种利用周围环境的能量发电,可向微功耗电路供电的能源装置。基于压电陶瓷的压电效应简
要地分析了压电发电的工作机理;针对提高压电电源的能量转换量及转换效率,论述了国内外在新型压电材料、压电
振子结构、共振频率调节方法及能量收集电路等方面的研究;指出了压电电源向能量来源的多样化、微型化和集成化
方向发展。压电电源是绿色可持续能源装置,在航空航天、军エ领域以及无线传感网络等方面有广阔的应用前景
关键词:压电发电机;微功耗电路;压电效应;能量收集
中图分类号:TH6:TN712.5:1M619文献标识码:A文章编号:1001-3997(2014)07-0262-03
The Key Technology and Research Progress of Piezoelectric Power Supply
ZENG Jin-song, SHI Wei-long, HUANG Jiang
(1. School of Mechanieal Engineering, Zhengzhou University, Ile'nan Zhengzhou 450001, China
2. Chongging Chang'an Industry(Group ) Limited Liability Company, Chongqing 401122, China
Abstract: Piezoelectric generator is an energy device which can suply poer for micropower cicuit making se o the energy
of ambient environment to generate electricity. The working principle of piezoelectric generator based on piezoelectric effect of
piezoelectric ceramic is briefly analyzed for improving amount of electrical energy and efficiency, the key technologies on
piezelectric mater ds, sauce of piezoelectric patches, methods of resonant frequency adjustment and circuit of energy
harvesting are introduced, ushich are researched at home and abroad; the developing directions are pointed out. Piezoelectric
power supply is a green and renewable energy device, and it will be widely used in aeronautics and astronautics, militar
field and wireless sensor networks
Key Words: Piezoelectric Generator; Micropower Circuit; iezoelectric Effect; Energy Harvesting
引言
2压电电源电能产生机理
近年来微功耗电路和无线传感网络的出现,使得越来越多
压电电源发电的机理主要是基于压电材料的机电耦合特
的智能传感器、嵌入式芯片及微机电系统等微执行器广泛的应用性。当压电陶瓷受到外力的作用,材料会发生弹性形变,引起内部
在T业系统中,从而实现对工业环境的监控和監测。由于工业环正负电荷中心发生相对位移,导致内部极化电荷的距离变小,极
境复杂多变,徽型系统一般都配备独立电源。许多关键微执行器化强度也随之减小,压电陶瓷表面的自由电荷得到释放,形成电
对电源能量密度要求较高,小型电池的能量密度难以提高,因而势差,在外部用导线连接后,则会产生放电现象;当外力撤去以
供能电源成为限制整个系统微型化的瓶颈。
后,压电晶体弹性形变消失,压电陶瓷又恢复到不帯电的状态。其
白188年居里兄弟发现压电材料的压电效应以来,压电材过程,如图1所八
料已广泛应用在传感器和制动器上。压电电源是利用压电材料的
由于压电效应产生的电荷量Q为
正压电效应将机械能转换成电能的装置,相比其他电源具有使用
Q=dxf
寿命长、能量密度高、体积小、工作可靠等优点。利用压电陶瓷发式中:と-压电系数;Fー压电陶瓷所受到的力。
电已成为当今新型电源研究的热点。针对压电电源电能产生机
式(1)表明压电陶瓷产生的电荷量与压电常数及外力成正比。
压电材料机电耦合产生的能量密度表达式为
理、关键技术进行详细阐述,并系统介绍国内外有关压电电源方
面的最新进展并展望了压电发电的发展趋势。
dw=4-(TS+DE)
来稿目期:2013-12-06
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50807048)
作者简介:曾劲松,(1977~),男,湖北应城人,博士,副教授,主要研究方向:压电振动、发电及其应用
史维龙,(1987-),男,河南新蔡人,硕士研究生,主要研究方向:压电发电及其应用