压电发电装置的设计.docx

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压电发电装置的设计

压电发电装置的设计

作者姓名：

XXXX

专业名称：

通信工程

指导教师：

XXXXX

摘要

人们自1880年发现天然石英具有压电效应以来，相继又发现并人工制造了一系列的压电材料。

如某些木材、钛酸钡、铌酸锂、人造石英、高分子聚合物等。

尤其近半个世纪里，压电材

料的发展极为迅速，应用日益广泛。

从日常生活用的压电式电子打火和厨房里的天然气炉灶压电式点火器到无线电用的压电式扬声器、耳机、乃至飞机、宇宙飞船、导弹中的振动测量传感器，都用到压电材料。

但这些压电材料的机械性能比较脆，若机械

加工质量不高，在装配或应用中很易破碎。

而近二、三十年来在人们发现并制造出来的新型压电材料中，最引人注目的就要算高

分子压电材料，如聚二氟乙烯、聚氟乙烯、锆钛酸铅、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯、尼龙等，这些材料不像石英及压电陶瓷材料那么脆，在装配和应用中不易破碎。

尤其是聚偏二氟乙烯这一类的压电材料，非常柔软,又可做得很薄，而且它具有大的动态范围，高绝缘性、高机械强度和耐冲击、抗辐射、低噪声阻抗、压电系数大等特性。

因此，近年来受到人们的特别关注，应用越来越广泛。

压电效应分为正压电效应和逆压电效应，本文所要研究的就是利用正压电效应制成的利用聚偏氟乙烯（PVDF）作为

压电薄膜的压电发电装置，这种压电发电装置相对于其他微型发电装置，具有结构简单、不发热、无电磁干扰和易于实现微小化等优点，越来越受到各国研究人员的关注。

本文通过对压电发电装置电学等效模型的建立与分析，利用Multisim软件对

压电发电的特性（包括压电电流输出特性和电荷输出特性）、能量传输效率、提高电能的产生方法进行分析。

并对功率调理电路、能量存储媒介、稳压充电电路进行了相关理论和仿真研究。

具体工作如下：

首先，建立并分析压电发电的电学等效模型。

其次，借助电路仿真软件进行电路分析。

研究压电振子电能不同存储媒介的可行性，利用超级电容容量大，充放电效率高的特点作为电荷的初级存储。

当积累到一定量的电荷即通

过稳压充电电路为可充电电池进行充电，电池的输出能量稳定。

最后，最后针对能量传输效率及存储问题，比较了各整流电路的特点。

设计了三倍压整流电路以提高能量的传输效率。

设计了稳压充电电路以实现电能的最终存储和利用。

并利用仿真软件对整个系统进行了仿真。

结果表明整个电路设计能够为可充电电池充电，从而实现振动能到电能的转换和利用。

关键词：

PVDF压电膜压电发电装置能量存储

Abstract

Since1880foundinnaturalquartzpiezoelectriceffect,thepeople,havediscoveredaseriesofpiezoelectricmaterialsandartifacts.Assomesyntheticquartz,bariumtitanate,lithiumniobate,wood,polymer,etc.Nearlyhalfacentury,inparticular,theextremelyrapiddevelopmentofpiezoelectricmaterials,anincreasinglybroadapplication.Fromdailylifewithpiezoelectricelectronicsparkandpiezoelectricignitionongasstovesinthekitchentoapiezoelectricspeaker,radioheadphones,vibrationmeasuringsensorsinaircraft,spacecraft,missiles,usingPiezoelectricmaterials.Comparisonofthemechanicalpropertiesofpiezoelectricmaterialsbrittle,ifthemachineisnotofhighquality,areeasilybrokenintheAssemblyorapplication.Andnear20or30yearstoinpeoplefoundandmanufacturingoutofnewpressureelectricmaterialinthe,moststrikingofisispolymerpressureelectricmaterial,aspolyIIfluoridevinyl,andpolyfluoridevinyl,andzirconiumtitaniumacidlead,andPVC,andpolycarbonateester,andpolypartialIIfluoridevinyl,andnylon,,thesematerialdoesnotlikequartzandthepressureelectricceramicmaterialsocrisp,inAssemblyandapplicationinthenotbroken.Particularlypolyvinylidenefluoridewhichkindofpiezoelectricmaterial,verysoft,andcanbemadeverythin,andithasalargedynamicrange,highinsulation,highmechanicalstrength

andimpactresistanee,resistaneetoradiationimpedaneeofpiezoelectriceoeffieient,lownoisecharacteristics.So,areofspecialconcerninrecentyears,moreandmorewidely.Piezoelectriceffectsaredividedintodirectpiezoelectriceffectandtheinversepiezoelectriceffect,tostudyinthisarticleistheusebeingmadeofthepiezoelectriceffectofpolyvinylidenefluoride（PVDF）aspiezoelectricthin-filmpiezoelectricgenerators,thispiezoelectricpowerrelativetoothermicro-powergenerationplant,hasasimplestructure,heat,electromagneticinterference-freeandeasytorealizetheadvantagesofminiaturized,concernofresearchersfrommoreandmorecountries.ThisarticlethroughtheelectricalequivalentmodelofpiezoelectricgeneratorsandanalysisonpressurecharacteristicsofelectricpowergenerationusingMultisimsoftware（includingelectriccurrentoutputandpointsandoutputcharacteristics）,energyefficiency,andincreasepowergenerationmethodforanalysis.Powereonditioningcircuits,energystorageandmedia,regulatedchargingcircuitfortherelatedtheoreticalandsimulationstudies.Theworkareasfollows:

First,theequivalentmodelestablishmentandanalysisofpiezoelectricpowergeneratingelectricity.

Secondly,withthehelpofcircuitsimulationsoftwareforcircuitanalysis.Studythefeasibilityofpiezoelectricvibratordifferentstoragemedia,power,superlargecapacitanee,chargeoncharginganddischargingcharacteristicsofhighefficiencyasprimarystorage.Whenaccumulatedtoacertainamountofchargetochargingbyeonstantvoltagechargecircuitforrechargeablebatteries,batteryoutputenergystability.

Finally,thelastforenergyefficiencyandstorageissues,comparedthecharacteristicsofrectifiercircuit.Designthreetimesvoltagemultiplyingrectifiercircuittoimprovetheefficiencyofenergytransfer.Regulatedchargingcircuitwasdesignedtoachievefinalstorageandutilizationofelectricenergy.Andsimulationuse

simulationsoftwaretothesystemasawhole.Resultsshowthatthewholecircuitdesignedtochargetherechargeablebattery,thusachievingvibrationalenergytoelectricenergyconversionanduse.

Keywords：

PVDFpiezoelectricfilm,Piezoelectricgenerator,energystorage

摘要I

AbstractLI.

目录V.

前言6

1绪论7

1.1研究背景及意义7

1.2国内外研究现状与水平8

1.3本文主要研究内容13

1.4本文的整体结构及章节安排13

2压电发电装置的建模和能量传输效率分析15

2.1压电电学等效模型分析15

2.2压电发电特性分析16

2.3能量传输效率分析23

2.4提高电能产生的方法25

3功率调理及存储电路设计29

3.1功率调理电路的分析与设计29

3.1.1单相半波整流电路29

3.1.2全波整流电路31

3.1.3倍压整流电路32

3.1.4二倍压整流电路仿真及结论分析38

3.2存储电路设计与分析42

3.2.1储能元件的选择42

3.2.1整流方式的选择45

3.3压电发电能量转换及存储总体设计及仿真46

3.3.1三倍压整流电路设计46

3.3.2功率调理电路和存储电路总体设计47

总结51

致谢52

参考文献53

、八、，

刖言

目前,大多数的微功率电子产品仍采用电池供电，如各种随身听、

MP3、儿童玩具以及家用电器的遥控器等，它们的能量来源都是电池。

众所周知，电池里包含汞、铅、镉等多种有害物质。

所以，研究新型、环保的能源装置来代替传统的电池势在必行。

如压电发电装置，与其他发电装置相比，压电发电装置有很多优点：

结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等，尤其适用于各类传感器、监测系统和其它低功耗电子设备。

压电发电由于其自身的优点，越来越受到人们的广泛关注，在医疗、军事等领域已经开展了相关的研究工作，并成为目前新型发电方式中的一个研究热点。

研究压电发电，一个很重要的问题是压电材料的研究制造和选取，因为高性能的压电发电材料是压电发电技术实际应用的基本保证。

近二、三十年来在人们发现并制造出来的新型压电材料中，最引人

注目的就要算高分子压电材料，尤其是聚偏二氟乙烯这一类的压电材料，非常柔软，又可做得很薄，而且它具有大的动态范围，高绝缘性、高机械强度和耐冲击、抗辐射、低噪声阻抗、压电系数大等特性。

因此，近

年来受到人们的特别关注，应用越来越广泛。

同时，随着各种微小型便携式电子产品高集成度化和低功耗电子器件的发展，以及各种高性能压电材料的出现。

传统的化学电池因其寿命短、经常需要充电和更换而逐渐不能满足瘁用场合的要求。

因此，有关PVDF（聚偏氟乙烯）

压电膜能量转换和电荷的存储技术的研究和应用受到越来越多的关注。

这正是论文选题的主要依据和动机。

1绪论

1.1研究背景及意义

在严冬季节，许多人经常出现动手动脚的情况。

因此，人们非常希望在室外时能够与室内一样的温暖。

而且，身体各个部位的耐寒程度不同，通常情况下，脚部耐寒程度较低，就算人们在室外穿着很多时，手脚也经常会感觉冰凉，所以，脚部取暖对人体在寒冷季节时身体保暖非常重要，因此，很久以前人们就设想过制造出一双能够发热的保暖鞋，以解决上述问题。

但以前人们想到的都是用电池来提供电能，把电能转化为内能来发热保暖。

由于电池的电能是有限的，电能消耗完毕，就失去了效用，就算是充电电池，也会遇到充电不方便等情况，所以这种想法一直没有实现。

近半个世纪里，人们发现了压电发电材料，比如压电陶瓷等，人们就设想，利用人体行走时产生的机械能来挤压压电材料使其产生电能并把这些电能收集利用起来作为把暖鞋子的能量源。

但是由于以前发现的那些压电材料，比如压电陶瓷，石英等，他们都有一些共同的缺点，就是机械性能比较脆，在使用的过程中比较容易破碎。

所以当时设想把压电材料应用于把暖鞋中又失败了。

最近，尤其是近二三十年来，人们发现并制造出来了一些新型的压电材料，最引人瞩目的就算是高分子压电材料，其中最典型的就是聚偏氟乙烯（PVDF），这种压电材料克服了以前的压电材料的一些缺点，非常柔软，又可以做得很薄，而且它具有大的动态范围，高绝缘性，搞机械强度和耐冲击，抗辐射，低噪声阻抗，压电系数大等特性，因此，受到了人们的特别关注，这种压电材料的发现，使人们重新看到了制造出压电发电保暖鞋的希望。

压电发电保暖鞋是通过设计采用锂电池与压电式发电为电源提供持续电能的方法，已达到保暖的效果，一般的锂电池只能进行5小时

左右的供电，如果需要供电时间较长时，锂电池就不能满足，充分利用人体行走时产生的能量设计压电式发电装置，其产生的能量可以起辅助供电作用，这样能够保证在任何情况下均可将温度控制在30~35摄氏度左右的人体舒适范围内。

这种设计最关键的就是利用PVDF压电膜对人体行走时产生的能量进行收集，即PVDF压电发电装置的设计。

体重为50千克的人以每秒两步的速度行走时产生的能量是相当可观的。

而且如果采用合适的材料，发热保暖鞋对于电量的功率需求会很小，远小于一瓦。

尽管行走不像人呼吸那样是一种连续的运动，但可以采用某种方法把能量贮存起来，这样人体行走时的能量就可通过压电发电方式收集起来。

机械能是广泛存在于人行走过程中的，为了将振动能转换为电能加以利用，近年来，各国的研究学者开展了许多这方面的探索研究。

目前，采集环境振动能量的装置主要是利用压电效应的采集器。

压电换能器具有很多优势，首先它可以根据微电子设备对电源的需求产生合适的电压，其次开始工作时不像静电转换方式那样需要起始电压。

再次，它在结构设计上没有限制，易于实现结构上的微小化和集成化。

机械阻尼系数可以设计得比较小。

同时压电式自供能装置无电磁干扰。

压电式自供能装置在微电子设备无源化的研究中，压电发电装置的设计和产生的能量的转化和储存是目前研究的焦点，也是本文需要讨论的主要问题。

基于以上背景，本文就是研究保温鞋的基于PVDF压电

发电装置部分。

1.2国内外研究现状与水平

众所周知，压电材料在外力作用下可以产生电荷（或电压），所产生的电能可以被直接利用制作电子打火机、煤气点火器等，但将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究近年来刚刚开始。

目前，有关利用PVDF压电膜发电与能量存储技术的研究在美国、荷兰、西班牙等许多国家已相继开始，但国内对这方面的研究还处于起步阶段。

在国内，还很少发现有关压电发电技术实际应用方面的报道。

国外对压电发电技术的研究相对较早，技术比较成熟，所研究的压电发电机大多属于人力发电机。

几十年前科学家就发现压电材料在外部激励的作用下可以产生电荷这一现象，但由于发电能力有限，长期以来压电换能器及其应用的研究并没有得到研究人员的重视。

压电发电技术涉及材料、机械、电子等诸多学科，因此，有许多学科

之间交叉的问题还没解决，在这个新兴的研究领域尚需进行大量的理论研究和试验分析。

然而随着电子元器件的高度集成化、低功耗电子器件和无线电射频技术的发展，为压电发电技术的应用提供了基础；另

一方面，随着制造技术和材料科学的发展，不断出现了高发电性能、高机电祸合转换效率的压电材料。

压电晶片的厚度甚至可以做到0.02mm的厚度，为获得微电子系统所需要的电压和电流可采用多片压电晶片串、并联的方法。

19%年，荷兰的研究者Thadstamer等人利用压电效应将笔记本电脑“开/合”时产生的机械能转化为电能加以利用。

从此开启了压电发电换能技术这一新的研究应用领域。

同时，随着各种微小型便携式电子产品高集成度化和低功耗电子器件的发展，以及各种高性能压电材料的出现。

传统的化学电池因其寿命短、经常需要充电和更换而逐渐不能满足瘁用场合的要求。

因此，有关PVDF压电膜能量转换和电荷的存储技术的研究和应用受到越来越多的关注。

目前，有关利用PVDF压电膜发电与相关的能量存储技术的研究还处于开发探索阶段。

随着时代的发展，压电发电技术将有更广泛的应用前景。

其中，国外有关压电发电技术的典型应用有如下几种：

纳米发电机《科学》杂志报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机：

纳米发电机，他们利用竖直的氧化锌纳米线的独特性质，研制出将机械能转化为电能的纳米发电机。

氧化锌纳米线有容易弯曲的特性，可以在纳米线内外部分别造成压缩和拉伸；竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构，同时具有半导体性能和压电效应。

氧化锌纳米线的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷，他们用导电原子力显微镜的探针弯曲单个氧化锌纳米线，输入机械能，再利用氧化锌的半导体性质将其纳米线的压电特性耦合起来，从而将电能暂时储存在纳米线内，然后再用导电的原子力显微镜探针接通这一电源，向外界输电，从而完美地实现了纳米尺度的发电功能。

该纳米发电机的能量转换效率高达17~30，

为开发自发电的纳米器件奠定了较好的物理基础。

压电式视线导航标识2003年，由NECTOKIN与日本Heardea联合开发出采用压电发电装置的新型道路标识，该标识是直径为

13.5cm的圆形，外围有受风的羽状物。

内部配置了压电转换元件和钢球以及6个LED。

将其安装在交通量大的公路隧道内，可利用汽车驶过时产生的风旋转标识。

其原理就是通过钢球下落时撞击压电转换元件来发电。

可发电风速为3m/s〜6m/s,每秒发光3次，每次发光时间3ms以上，亮度为4000mcd以上。

2003年6月〜9月在日本山阳汽车公路隧道中进行验证试验，确认可在200m以外处看到。

压电点火器压电点火器发展至今已有二十多年的历史，是一种将机械力转换为电火花而点引燃烧物的装置，是压电陶瓷作机电换能材料使用的典型实例之一，压电点火器的点火过程由高压产生、放电点火和可燃气体点燃等三个阶段组成。

根据传递机械力的方式，压电点火器主要分为渐增式和冲击式，主要应用于电子打火机、压电高压发生器、家用压电陶瓷点火器等中。

能为无线网络供电的压电式袖珍风车美国德克萨斯州大学的电子工程师沙善克•普里亚发明了一种可以为无线网络供电的袖珍风车，这种风车周长大约为10厘米，它附在一个旋转凸轮上，当凸轮旋转时可使一系列压电晶体不断伸缩。

压电材料当被挤压或伸展时便会产生电能。

时速为16公里的微风便可以产生7.5毫瓦的持续电能，这足以保证一个电子传感器的运转，可以为完整的无线传感器网络供电。

与利用风力涡轮机为电网供电的常规发电机相比，这种压电发电机的发电效率要更高一筹。

一个压电发电机的转化效率则能达到18%，而

同尺寸的常规发电机仅能将可利用风能的1%直接转化为电能。

可自身发电的防盗窗户2004年将有一种无需插座和电池、靠自身发电通知开关状态的防盗窗问世。

该产品是由住宅窗制造商新日轻和从事半导体开发等业务的USC共同开发的。

该产品准备了两种发电机构，其中一种利用窗户锁上下运动发电，另一种利用窗户或门的开关来发电。

上述两种方式均利用压电转换元件将动能转换为电能，利用这一电力与发电机共同驱动内置无线发射电路。

可通过特定小功率无线电波，随时向安装在家中的操作面板的内置接收机通知窗户的开关。

使用时只需将操作面板设为打开，便会在打开窗户时发出警报或联络保安公司等，也可以确认窗户的开关状态等。

新日轻于2003年

11月11日〜14日在东京举行的有关住宅设备的展览会“JapanHomeShow2003”上，展示了配备上述发电机构和无线发射电路的窗锁部分

（称为Cresen）。

由国内外的研究现状可以看出，利用压电材料的压电效应所产生的电能可以驱动某些小功率的电子设备，在人们生活中的各个领域有着广阔的应用前景。

1.2.1压电发电装置的研究现状

利用以上几种方式，各国的科学家们在许多领域尝试了压电发电装置的应用，较有成效的有以下几种。

这些研究为探索新的压电发电应用领域和新的压电发电装置的设计提供了思路。

宾西法利亚州州立大学的学者GeffreyK.Ottman，HeathEHofinarm等采用一种新的驱动器作为压电能量采集元件，采用脉冲宽度调制，实现震荡电路与压电振子振动同