一种道路用小型压电发电及储存装置的研究

为了收集并利用汽车通过公路时所产生的振动能量,设计了一种利用压电材料的正压电效应采集环境振动能量,把振动能转换成电能的道路用振动发电装置。为使压电材料和道路振动能巧妙结合从而吸收最大的外部能量,获得高的发电效率,进行了以下研究：分析了压电材料变形量对发电能力的影响,并设计了能找到压电材料产生最大电能的最小变形量的模型。通过实验分析压电片的联接方式对电能输出的影响,得到了以并联为主,串联为辅的混联电路模型。设计并制作了道路用压电发电装置模型,通过模拟实验测得其发电功率为0.061 2 W,电容储电功率为0.026 4 W,发电效率为14.42%,电容储电效率6.21%。     

基于压电效应的风力发电方法研究

为实现利用压电材料进行环境能量转换的目的,设计了一种能利用风能驱动多片压电片振动发电的装置。该装置通过风能驱动叶轮旋转,利用叶轮的旋转扭力迫使压电片振动,将压电片振动产生的电能通过整流电路、储能电容及DC-DC转换后供负载使用。通过实验对压电片在不同条件下的发电性能进行了测试,实验结果表明,该装置可实现多片压电片对环境能量的收集转换,为此类装置的设计提供了参考,同时也为压电环境能量采集技术提供了新思路。     

一种基于压电片的能量转换装置及其优化设计

为完成环境能量向电能的转化,设计了一种利用压电元件转化环境能量的能量转换装置。该装置利用风力驱动悬梁臂式压力发电组件旋转,同时使压电片振动而产生电能。依据压电材料的基本理论建立了装置的输出模型,并采用基于状态空间模型的进化算法对装置进行优化设计。开展了能量转换装置的实验测试,实验结果表明,该装置可高效地完成环境能量向电能的转化。本装置的设计为清洁环境能源的收集提供了新方法,也指出了振动能量采集装置的研究前景。     

压电振动能量收集电路的设计与实验研究

压电材料可将机械振动能转换为电能,但其产生的电能较小且具有交流特性,有必要建立储能电路将压电振动产生的电能储存起来并输出稳定的直流电。根据压电构造方程,建立压电振动能量收集系统的耦合场数学模型,对输出电压和最大输出功率进行数值模拟。设计与制作了一种以电容为储能介质的储能电路,通过电压比较器和电压调节器来保证稳定的直流输出。实验结果表明该储能电路能提供稳定的2.24V的直流输出电压,储能效率最高可达66.3%,并分析其能耗及误差产生的原因。     

基于压电陶瓷的人体能量收集系统的研制

为利用压电材料收集人体能量,设计了一种人体能量收集系统,它可在人行走过程中产生电能,该机构被安装在人腿的膝盖部位,选择性地在腿部摆动结束阶段连续地按压电陶瓷片参与发电,另外还设计了压电发电装置的能量存储与控制电路,并实验了其发电特性,该装置适合给假肢或其他便携式医学设备充电。     

基于压电片的风力发电装置及其自动迎风研究

根据压电材料的压电效应,设计了一种利用压电片将风能转换为电能,且能自动迎风的风向标式风压发电装置。建立了该装置的数学模型,基于力矩分析,导出了其满足自动迎风要求的参数关系式。装置利用风力吹动压电片震荡,通过能量收集电路收集压电片产生的电能供负载使用。通过对整个装置进行力矩分析及系统稳定性研究表明,该装置在任意风向情况下能自动迎风稳定运行,可满足路灯等小功率负载的供电要求。     

用压电蜂音器收集能量

能量收集系统是从环境中获得能量的系统。不幸的是,这类发电装置提供的能量要比标准的电池少得多。然而,随着当今可佩戴设备尺寸和功耗的降低,在一些低功耗系统中,用能够从用户所处环境收集能量（如用户行走和跑动中产生的振动能）的发电装置替代电池已具有可行性。此设计实例利用标准和易于获得的压电蜂音器的压电效应将机械振动转化为电能。尽管压电蜂音器通常是在施加交流电后发出声波,但也可以反过来利用它,也就是说,在振动频率与压电蜂音器共振频率匹配时,压电蜂音器可以产生最大的交流峰值电压供人使用。     

半电极压电纤维能量收集动力学建模与仿真

半电极含金属芯压电纤维能将环境振动通过弯曲变形转换成电能。运用分析力学方法建立了半电极含金属芯压电纤维能量收集装置的理论模型,推导了在谐波激励下,经过AC-DC转换后的归一化能量表达形式,分析了能量收集效率受金属芯与压电层的半径比、柔度系数比、压电材料的机电耦合系数及外界激励方向的影响,分析结果表明,当半径比达到2.4,材料机电耦合系数达到0.4,能量收集效率会接近相对最大值。本研究结果适用于压电纤维能量收集装置的分析与优化设计。     

MEMS自供能压电电磁集成发电研究现状

压电电磁集成发电是指利用功能材料的压电效应和法拉第电磁感应定律设计压电和电磁两种能量转换方式的集成结构,实现环境振动机械能向电能转换。描述了压电电磁集成微能源技术的原理和特点,介绍了压电电磁集成发电理论建模过程,分析了国内外关于集成微电源结构的设计及优化,概况了各种压电电磁集成发电结构的特点。介绍了各种集成结构的集成化加工技术,包括压电梁制作、感应线圈制作和压电电磁系统集成。最后对压电电磁集成发电存在的技术问题进行了分析,新型集成自供能微能源研究将提高能量收集效率并实现与无线传感节点集成供能。     

基于钹式压电阵列的新型引信发电装置设计

设计了一种基于钹式压电换能器阵列的新型引信用发电装置,使用等静压压电常效法研究了钹式换能器及其阵列的发电特性,分析了发电装置在弹药发射环境下的电能输出特性.研究结果表明,该发电装置能有效收集发射环境中的冲击能,并将其先转换为振动能再转换为持续的电能,延长了压电换能器的电能输出时间,解决了现有引信压电电源电能输出小,供电时间短等问题.     

微型压电电磁振动能采集器设计制作工艺研究

为收集环境中普遍存在的振动能,设计了一种微型压电电磁式振动能量采集器,研究系统设计参数对输出功率的影响因素。依据压电电磁集成发电工作原理设计了复合采集器,建立能量转换的理论计算模型分析压电电磁复合发电系统的输出功率及其与感应线圈高度的关系,分别讨论了压电和电磁独立发电系统和集成发电系统等的输出功率及其相互关系。经反复试验确定了微电源集成制作流程。     

Fabrication and performance of MEMS-based piezoelectric power generator for vibration energy harvesting

A MEMS-based energy harvesting device, micro piezoelectric power generator, is designed to convert ambient vibration energy to electrical power via piezoelectric effect. In this work, the generator structure of composite cantilever with nickel metal mass is devised. Micro-electronic-mechanical systems (MEMS) related techniques such as sol-gel, RIE dry etching, wet chemical etching, UV-LIGA are developed to fabricate the device and then its performance is measured on vibration testing setup. The investigation shows that the designed device is expected to resonantly operate in low-frequency environmental vibration through tailoring the structure dimension. Under the resonant operation with frequency of about 608 Hz, a first prototype of the generator result in about 0.89 V AC peak-peak voltage output to overcome germanium diode rectifier toward energy storage, and its power output is in microwatt level of 2.16 μW.     

Effects analysis of bias and excitation conditions on power output of an environmental vibration energy harvesting device using Fe-Ga slice

With the advent of low power VLSI designs and the mass manufacture of CMOS, the power consumption of wireless sensor nodes has been significantly reduced from mW to μW. This opens up a new and interesting research field, that is, the possibility of converting environmental vibration energy to electrical energy for supplying power to the sensors. In this paper, using magnetostrictive materials slice, that is Fe-Ga alloy, a device for harvesting environmental vibration energy is designed and tested. Compared with piezoelectric materials and Terfenal-D alloy, Fe-Ga alloy offers excellent properties for surviving in tough ambient vibration conditions, including higher energy conversion efficiency, longer life cycles, excellent toughness, reduced depolarization and higher flexibility, etc. The designing of vibration energy harvesting process is based on the coupling characteristics of magnetostrictive inverse effect and Faraday electromagnetic induction. The device consists of a Fe-Ga alloy cantilever beam with a magnetostrictive direction throughout the length. It has magnetostrictive inverse effect during vibration and the internal magnetization state will change. A cantilever beam is surrounded by a pickup coil and voltage is induced due to the magnetic field according to Faraday's law. The energy conversion principle among mechanical, magnetic and electric energy is described through a dynamic equation of motion and in conjunction with an electromagnetic conversion equation. The influence law of bias and excitation conditions on output voltage, power and other characteristics of device are investigated in comprehensive experiments. By knowing these influence laws, it is possible to choose an appropriate number of pick up coil for a definite load resistance, to set an appropriate working frequency range, pre-tightening force and pre-magnetized magnetic field such that a maximum power can be harvested. The results derived here can be used as a design guideline for future studies in optimal design and the modeling of vibration energy harvester and force sensor.     

A MEMS-based piezoelectric power generator array for vibration energy harvesting

Piezoelectric power generator made by microelectromechanical system (MEMS) technology can scavenge power from low-level ambient vibration sources. The developed MEMS power generators are featured with fixed/narrow operation frequency and power output in microwatt level, whereas, the frequency of ambient vibration is floating in some range, and power output is insufficient. In this paper, a power generator array based on thick-film piezoelectric cantilevers is investigated to improve frequency flexibility and power output. Piezoelectric cantilevers array has been designed and fabricated. The cantilevers array can be tuned to the frequency and expanded the excited frequency bandwidth in ambient low frequency vibration. Serial connection among cantilevers of the array is investigated. The prototype generator has a measured performance of 3.98 μW effective electrical power and 3.93 DC output voltage to resistance load. This device is promising to support networks of ultra-low-power, peer-to-peer, wireless nodes.     

悬臂梁双晶压电片不同连接方式发电性能

为了更加有效提高双压电振动能量采集器的发电效率,以双晶压电片为研究对象,设计了一种可收集电动机机械振动能量的双压电振动能量采集器。探究了电动机不同转速下,双晶压电片不同连接方式的内阻和发电特性;分析了电动机在不同转速下,双晶压电片不同连接方式时双压电振动能量采集器输出电压和输出功率的特性。理论计算与实验结果进行对比,选择一种最优的双晶压电片连接方式。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

收集人体动能的压电俘能器研究

提出了一种基于压电效应的人体动能转换装置(压电俘能器),并对其发电能力进行了理论和试验分析。结果表明,在一定变形范围内,压电俘能器的输出电能随着激励力的增加而增大;当激励频率和压电俘能器结构尺寸确定时,压电俘能器的输出功率随着负载电阻的变化而变化,且存在最佳的负载使其输出功率达到最大值,最大输出功率是压电俘能器开路时电压和电容的函数,最大输出功率与外接滤波电容无关。在2Hz(行走频率)激振频率下,压电俘能器最大输出功率为0.31mW。     

铜 压电陶瓷复合型悬臂压电振子发电性能分析

利用压电振子采集环境振动能量为低功耗电子产品供能是近年来研究的热点,而压电振子的振动发电能力与其几何形状有关。该文针对悬臂梁压电振子,利用ANSYS软件仿真分析了其自由端尺寸的改变对压电振子的输出电压及固有频率的影响。结果表明,在相同条件下,存在一定的自由端尺寸使压电振子采集环境中低频振动的能量最大。