推荐基于压电效应的环境能量收集与发电技术 精品Word文档下载推荐.docx

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上海交通大学物理系

博士、高工李红根

学校：

华东师范大学第二附属中学

日期：

20XX年12月

目录（TableofContents）

摘要（Abstract）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

一、引言（Introduction）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.1.课题的基本背景（项目的现实意义）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.2.国内外研究现状及我国的研究近况（项目可行性分析）．．．．．．．．．．．．．3

1.3.压电材料的发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

二、材料与结构选取方法（MaterialsandStructure．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.1.高性能压电材料的选取．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

2.2.器件结构和能量收集装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

三、器件设计与性能分析（DesignandAnalyze）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

3.1.压电双晶片发电模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

3.2.压电双晶片单元设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

3.2.1位移—电压输出关系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

3.2.2长度—电压输出关系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

3.2.3宽度—电压输出关系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

3.2.4厚度—电压输出关系．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

3.3.压电双晶片力学特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

3.4.压电振子的谐振特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

3.5.发电装置结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3.5.1模块设计的关键问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3.5.2模块的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3.6.发电器件的性能测试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

3.7.双晶片结构与铙钹结构的比较．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

3.7.1铙钹结构简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

3.7.2双晶片结构与铙钹结构比较．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

3.7.2.1输出功率．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

3.7.2.2安全耐用方面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

3.7.2.3位移量控制方面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

3.7.2.4加工方面．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

四、结论（Conclusion）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

五、课题的创新点（Theinnovationsoftheproject）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

六、致谢（Acknowledgements）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

七、参考文献（References）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

摘要（Abstract）

近年来，世界各国正在大力发展太阳能、风力、潮汐等各种可再生能源，环境能量回收技术越来越受到人们的广泛关注。

本课题主要研究通过人体踩踏在高性能的压电材料上，将人体踩踏中产生的机械能直接转换成电能来驱动外部电子装置或储存下来的一种系统，实现能量的回收，在煤炭、石油资源日益减少的今天有着巨大的现实意义。

本课题主要对压电材料的性能进行了分析，在学习和借鉴国内外有关科研机构和高校的研究成果的基础上，选用了PZT系压电陶瓷材料，设计制作了高压电常数和高机电耦合系数的压电振子。

本课题设计的能量收集装置，其核心部分是由33组对称的长条形压电双晶片结构组成，压电双晶片结构由中间的金属片和上下两面上各1片PZT压电陶瓷材料粘结而成，压电片电极在垂直于厚度方向的两主面上，并沿厚度方向极化。

当压电双晶片结构受到竖直方向的压力时，会发生弯曲形变，从而产生感应电荷。

将33组压电双晶片结构采用并联方式连接，当同时受到压力时，就可以大大提高装置的输出电流。

本课题的研究将促进绿色可再生能源的研究和应用，为经济的可持续发展服务。

一、引言

1.1.课题的基本背景（项目的现实意义）

能源和环境是21世纪所关注的最重要的2个主题。

在《国家中长期科技发展规划纲要》中将能源列为11个重点领域的第一个，并将能源材料技术列为前沿技术。

可持续发展要求人类建设资源节约型、环境友好型社会。

传统火力发电已不可能长久，欧美、日本等国家都在大力研制环保、绿色可再生的新型能源，为许多小功率电子设备实现无源供电。

目前最有发展前途的能量回收技术是采用压电效应和电磁效应原理实现自供发电。

所谓压电效应，指的是某些材料在受到外力而发生形变时，在它的某些表面上会出现与外力成线性比例的正负电荷积累。

具有压电效应的材料称为压电材料。

踩踏发电技术就是利用材料压电效应的一种能量回收（EnergyHarvesting）技术，即利用压电材料将人体踩踏中产生的机械能直接转换成电能来驱动外部电子装置或储存下来。

在煤和石油资源日益减少的今天，世界各国正在大力发展太阳能、风力、潮汐等各种可再生能源，能量回收技术越来越受到人们的广泛关注。

去年上海世博会的日本馆所展示的能量回收技术，向参观者生动地演示了如何利用环境振动产生电能的自助供电系统，引起了参观者的高度兴趣。

这种利用压电效应将环境振动能转换成电能的能量收集系统，很好地为人们展示了可以有效利用周围环境中存在的各种免费资源，产生绿色可再生能源。

这种能量回收技术代表了未来的发展方向。

利用环境振动来建立自助供电系统，需要设计一种有效的能量回收装置，直接将外界环境中存在的各种振动，通过压电效应转变成可以直接利用的电能。

本课题主要是把压电效应运用于环境能量的收集，研究能量回收系统的关键技术——能量收集装置和压电发电技术。

压电效应能量回收系统的关键技术，主要包括选择压电材料、设计压电振子及支撑方式、设计和优化能量收集装置、设计高效的电能收集和储存电路等。

研究目标为：

设计一种能量收集装置，把踩踏产生的振动能转换为电能，通过外部电路储存或直接为LED供电。

1.2.国内外研究现状及我国的研究近况（项目可行性分析）

压电式振动能量采集方法由于其机电转换系数高，不需要外界电源，比较适合MEMS技术，目前，已经成为振动能量收集领域最重要的研究重点之一。

MideTechnologyCorporation研究的QuickPark（刚性）PowerAct（弹性）压电换能元件将双晶片集成在预留电极的外壳内，有点像换能元件上没有焊接的导线，目前已经广泛应用于压电振动能量收集。

NASALangleyResearchCenter研究的RFD（RadialFieldDiaphragm）压电换能元件由一个圆形压电陶瓷薄片夹在两片聚酰亚胺介电薄膜中间形成。

压电换能元件按构造形式可分为单晶片（Unimorph）、双晶片（Bimorph）、虹型（Rainbow）、钹型（Cymbal）等，都比较适合用于激励幅值较低的能量采集环境。

实验室研究方面，20XX年，宾州大学报道了用尺寸为Φ29mm×

1mm的压电陶瓷片制作的铙钹结构用作能量收集器的研究结果。

这是第一次将铙钹结构用作能量收集器中，其结构原理图参见文献[4]。

100Hz频率时，器件可以在7.8N的推动力作用下输出39mW的功率。

20XX年，加州大学的LelandES等人用2片31.7mm×

12.7mm×

0.191mm的压电片制作了一种轴向压缩的能量收集器，其结构原理图参见文献[6]。

在7.1g质量负载下，器件可在200~250Hz时产生0.3~0.4mW的功率，质量负载增加到12.2g时器件输出可提高到0.36~0.65mW，频率范围160~195Hz。

20XX年，香港理工大学WangS等人利用2片Φ15mm×

0.2mm的压电陶瓷片制作了一种压电鼓的结构，其结构原理图参见文献[8]。

该结构在0.15N预应力0.7N推动力作用下590Hz谐振频率时通过18kΩ的外接电阻可输出11mW的功率。

20XX年，匹斯堡大学SunCL等人用尺寸为25mm×

12.45mm×

0.5mm的（1-x）Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-xPbTiO3单晶和铝片制作了悬臂梁结构，其结构原理图参见文献[11]。

在1.25g质量负载下，器件可在174Hz谐振频率时输出0.586mW的功率。

另外，欧美、日本等发达国家对于自助供电系统进行了多年的研究积累，已经取得了一些实际应用的例子。

诺基亚公司研制的一种手机，能够利用周边的无线局域网、手机、电视等发出的电磁波（500MHz~10GHz频率的电磁波）为手机自动充电。

惠普公司开发了一种灵敏度超过现有产品1000倍的MEMS加速传感器。

它通过利用周边震动、电磁波及温差进行能量收集，实现自助供电，为5mm×

2mm大小的传感器提供驱动电源，耗电量仅为50mW。

惠普公司设想把1兆个传感器和自助供电系统敷设到地球的每个角落，就可以对地球进行实时监听。

美国和英国军队正在开发一种士兵一边行军一边发电的装置，即士兵在步行的同时，回收步行、太阳能以及人体散热产生的多种能量，对所携带的电子设备进行自助供电，从而使士兵不必携带重达10kg的电池设备，大幅度减少了士兵的行军负重。

从实际应用情况看，日本、欧美等发达国家是目前世界上进行能量回收技术研究和应用最多的国家，引领着这一领域的进步和发展。

我国也在积极地开展能量回收的研究工作。

中国科学院上海硅酸盐研究所对压电单晶材料的研究，已经达到国际领先水平，所研制的产品已经可以在实验室进行原理性的演示示范；

北京大学、清华大学等也在开展一些相关的基础研究，在部分关键技术上也取得了不少进展，但仍存在不少