压电能量收集概论.pdf

1 No．8，201 Tbchnology EquipmentManufactring 压电能量收集概论 何远钦 (厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门36l005) 摘要：介绍了压电能量收集的基础理论，对压电材料、方程、结构等进行说明和比较。 关键词：压电能量收集；压电效应；振子联接方式；理论 中图分类号：TM91O 文献标识码：A 文章编号：1 从20世纪50年代以来，伴随着各种新材料、电出现，形成电场；当外力消失时，材料又重新回复到 子技术的发展，各种无线电传感器设备大量出现。在 原来状态，这种现象称为正压电效应，如图1(a)所示。 能源供应上却始终采用传统的化学能电池，虽然新 相反，如果这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生 材料、新技术使电池的寿命更长，但由于其需要经常 变化，这种现象称为逆压电效应，如图l㈣所示。 更换或充电、环境恶劣、不易回收等，使得其应用受到 一定程度的限制。为此，各国研究者开始寻求用微型 主皇主主皇童童／ 发电机来替代电池，各种新型的微型发电机的研究， 成为国际能源研究的热点。 振动能是一种存在范围很广的能量形式，可以说 +}·+}++} 振动源无处不在，因而研究振动能量收集技术，具有 普遍意义。20世纪80年代以来，国外科研机构对基 释放电荷＼ 于振动的能量收集系统，进行了研究，结果表明从振 (a)正压电效应 ∞逆压电效应 动中获取能量是可行的，其产生的能量在微瓦到毫瓦 图1压电效应示意图 之间，但对于MEMS等一些微功耗系统已经足够。 压电材料极化前，是具有对称中心的立方体，表 将机械振动转化为电能所采用的方式主要有3 现为各向同性的结构。在各向同性的晶体内，由于它 种：静电式、电磁式和压电式。 是中心对称的结构，内部各电畴的自发极化方向是 压电式通过压电效应，把机械能转换为电能。这 无规则的，物理无穷小体积内(仍包含大量电畴)总电 种方式通常采用悬臂梁结构并在悬臂独立端上放置 矩为零，即极化强度为零，所以不具有压电性。 质量块来构成振荡系统。与上述其他两种能量转化 压电材料要获得压电效应，必须使其极化。通过 方式相比，可以达到更高的能量密度。压电式具有很 施加强电场的方法，使各向同性的多晶体压电陶瓷 多优点：不需要初始电压，不受电磁干扰，不发热，产 获得极性，变成了永久性压电体的过程称为“极化” 生电压较大无需变压器变压，并且易加工制作和实 过程。极化处理后，晶体的结构变为各向异性的结 现结构上的集成化、小型化等，所以尤其适用于各类 构，电偶极子的特性，取决于正负离子间的距离，当 传感以及监测系统。 有机械应力作用时，应力改变了正负电荷间的相对 位置，因此电偶极子的叠加和不为零，晶体表现出压 1 压电效应 电特性。 1880年法国物理学家皮埃尔·居里兄弟在研究2压电材料 一石英晶体的物理性质时发现：当其受到外力时，不 仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷 早期应用的压电材料，是单晶压电材料如石英、 收稿日期：2011-05—19 作者简介：何远钦(1988一)，男，安徽六安人，09级硕士研究生，主要从事压电能量收集研究。 56 万方数据