压电发电装置的设计.docx

1、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

2、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

3、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

4、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AbstractSince 1880 found in natural quartz piezoelectric effect, the people, have discovered a series of piezoelectric materials and artifacts. As some synthetic

5、quartz, barium titanate, lithium niobate, wood, polymer, etc. Nearly half a century, in particular, the extremely rapid development of piezoelectric materials, an increasingly broad application. From daily life with piezoelectric electronic spark and piezoelectric ignition on gas stoves in the kitch

6、en to a piezoelectric speaker, radio headphones,vibration measuring sensors in aircraft, spacecraft, missiles, using Piezoelectric materials. Comparis on of the mechanical properties of piezoelectric materials brittle, if the mach ine is not of high quality, are easily broke n in the Assembly or app

7、lication. And near 20 or 30 years to in people found and manufacturing out of new pressure electric material in the, most striki ng of is is polymer pressure electric material, as poly II fluoride vin yl, and poly fluoride vin yl, and zirc onium tita nium acid lead, and PVC, and poly carb on ate est

8、er, and poly partial II fluoride vin yl, and nylon, these material does not like quartz and the pressure electric ceramic material so crisp, in Assembly and applicati on in the not broken. Particularly poly vinylidene fluoride which kind of piezoelectric material, very soft, and can be made very thi

9、 n, and it has a large dyn amic ran ge, high in sulati on, high mecha ni cal stre ngth and impact resista nee, resista nee to radiatio n impeda nee of piezoelectric eoeffieie nt, low no ise characteristics. So, are of special concern in rece nt years, more and more widely. Piezoelectric effects are

10、divided into direct piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect, to study in this article is the use being made of the piezoelectric effect of poly vinylidene fluoride (PVDF) as piezoelectric thin-film piezoelectric generators, this piezoelectric power relative to other micro-power gen

11、eration plant, has a simple structure, heat, electromag netic in terfere nce-free and easy to realize the adva ntages of mini aturized, concern of researchers from more and more coun tries. This article through the electrical equivale nt model of piezoelectric gen erators and an alysis on pressure c

12、haracteristics of electric power gen erati on using Multisim software (in cludi ng electric current output and points and output characteristics), energy efficie ncy, and in crease power gen eratio n method for an alysis. Power eon diti oning circuits, en ergy storage and media, regulated charg ing

13、circuit for the related theoretical and simulation studies. The work are as follows:First, the equivale nt model establishme nt and an alysis of piezoelectric power generating electricity.Secondly, with the help of circuit simulation software for circuit analysis. Study the feasibility of piezoelect

14、ric vibrator differe nt storage media, power, super large capacita nee, charge on chargi ng and dischargi ng characteristics of high efficie ncy as primary storage. Whe n accumulated to a certa in amount of charge to charg ing by eon sta nt voltage charge circuit for rechargeable batteries, battery

15、output en ergy stability.Finally, the last for energy efficiency and storage issues, compared the characteristics of rectifier circuit. Design three times voltage multiplying rectifier circuit to improve the efficiency of en ergy tran sfer. Regulated charg ing circuit was desig ned to achieve final

16、storage and utilization of electric energy. And simulation use simulation software to the system as a whole. Results show that the whole circuit designed to charge the rechargeable battery, thus achiev ing vibrati onal en ergy to electric en ergy conv ersi on and use.Keywords： PVDF piezoelectric fil

17、m, Piezoelectric generator, en ergy storage摘要 IAbstract LI.目录 V.前言 61绪论 71.1研究背景及意义 71.2国内外研究现状与水平 81.3本文主要研究内容 131.4本文的整体结构及章节安排 132压电发电装置的建模和能量传输效率分析 152.1压电电学等效模型分析 152.2压电发电特性分析 162.3能量传输效率分析 232.4提高电能产生的方法 253功率调理及存储电路设计 293.1功率调理电路的分析与设计 293.1.1单相半波整流电路 293.1.2全波整流电路 313.1.3倍压整流电路 323.1.4二倍压整流

18、电路仿真及结论分析 383.2存储电路设计与分析 423.2.1储能元件的选择 423.2.1整流方式的选择 453.3压电发电能量转换及存储总体设计及仿真 463.3.1三倍压整流电路设计 463.3.2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、

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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 3035 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

24、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 P

25、VDF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

26、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

27、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

28、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

29、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NEC TOKIN 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/s6m/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

30、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

31、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

32、。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“ Japan Home Show 2003”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