论文总字数：18910字

目 录

1.引言 1

1.1课题研究意义及背景 1

1.2国内外研究现状及未来研究方向 2

1.2.1研究现状 2

1.2.2未来研究方向 3

1.3本设计主要任务与要求 4

2.悬臂梁式压电俘能器设计 4

2.1俘能器方案的比较与选择 4

2.1.1压电材料的选择 4

2.1.2俘能结构的比较与选择 5

2.2俘能结构设计 7

3.储能电路设计 9

3.1引言 9

3.2储能电路设计和仿真 10

3.2.1储能与检测电路设计 10

3.2.2储能电路仿真 13

4.俘能器性能测试 15

4.1电压检测及显示 15

4.2俘能效果测试 18

5.总结与展望 19

参考文献 20

致谢 22

悬臂梁式压电俘能器与储能电路设计

邓英豪

, China

Abstract: With the development of piezoelectric materials, by using piezoelectric materials, the mechanical energy of the environment is converted into electric energy through the power transfer system, and then the power supply is supplied to the electronic system, which is a new type of power supply. Based on the cantilever beam structure, a parallel double crystal cantilever beam is used, and the kinetic energy in the environment is converted into electric energy, and the alternating energy is converted into DC through a bridge rectifier circuit, and the energy is stored at the end. The circuit designed in this paper divides the system into two stages of charging and discharging. The system collects the kinetic energy in the environment to enter the charging stage. Only when the voltage of the energy storage capacitor reaches the preset value, the circuit will enter the discharge stage, and the load access circuit is controlled, and the stored energy is released in one time and power supply is supplied to the load. In addition, the voltage of the circuit is measured by the 430 series single chip microcomputer, and the LCD display module is added to display the measured voltage value.

Key words: Piezoelectric; energy harvester; energy storage; 430 single chip microcomputer;

1.引言

1.1课题研究意义及背景

目前，能源问题依然是世界各国最迫切需要解决的问题之一，世界各国的科技研究人员一直都在努力寻找开发绿色可靠的新能源来解决当前能源缺乏以及在使用传统能源所伴生的问题。当下，对于绝大部分的微电子产品而言，传统的化学电池由于电量稳定，容易满足一般的电子产品的供能需求等优点受到了人们的广泛使用，不过传统的化学电池依然具有一些不可改变的缺点，比如体积大，质量大，使用寿命有限，并且需要定期更换，污染环境，材料浪费等等不可忽视的问题，尤其是对于目前发展较为迅速的嵌入式系统和无线网络来说，这种缺陷就更为的显著。随着无线网络的日益发展，分布更为广泛，微电子元器件的数目越来越大，而且由于某些微型元器件的工作位置更加难以触及（如动植物群体内，军事战场上，人体内等），更换电池将变得十分不便甚至于说不可能更换，除此以外，在许许多多不便提供能源或者是易燃易爆炸等等危险场合，跟换电池问题将变得更加难以解决。因此，我们要怎样给微电子元器件提供能量已经成为了当下研究最为迫切需要解决的问题之一。

微型电子元器件产品的耗能较小，可以直接从当前工作环境中收集所需能量，目前，环境中被忽视的可用能源有：温差、太阳能、振动或噪声等。由于受到当前自然环境限制，太阳能和温差供能技术变得难以广泛的在微型电子元器件中使用，但是，在自然环境当中却拥有着无处不在的噪声和振动，并且它们的能量密度比较高，因此设计出一种可以直接从当前工作环境中直接获取振动能量并可以对用电设备直接供能的装置，就是一种极为有效的解决微型电子元器件供能问题的方案。

当前，利用环境振动发电的能量转化主要有三种，分别是静电转换、电磁转换和压电转换。就目前发展情况来看，三种转换形式中，电磁转换发展迅猛并且相当成熟，我们生活中使用的一大部分电能都是通过电磁转换得到的，但是电磁转换的发电机机构复杂，同时体积庞大，不利于我们使用。静电转换可以直接产生需要的低电压，与微型机电系统结合进行使用比较容易，但是静电转换的不足之处在于需要独立的电源初始化过程^[2]。压电转换的原理为：当某些电介质因某一方向受到外力作用而发生形变时，电介质内部就会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，由于电荷的重新分布，电介质的两端产生极化电压，极化电压产生的电场又会使两端的自由电荷定向移动从而输出电能。对比之下，利用压电转换来俘获当前环境中的振动等机械能有易于安装、机构简单、没有发热、没有电磁干扰等等特点^[3]。除了这些以外，利用压电材料可以很方便的将环境中机械能转化为电能，同时，能量收集、存储的过程没有任何环节会对环境产生污染，符合当前国家对于节能减排的要求，具有较大的实用价值及应用前景。

1.2国内外研究现状及未来研究方向

1.2.1研究现状

Wang^[17]等人在Science杂志上面介绍了一种新型的纳米压电俘能装置，其主要材料是氧化锌纳米线，这个纳米装置主要是利用环境中的机械振动使纳米线的上层和下层极板发生相对运动，同时通过接触的作用让纳米线发生形变进而产生电量，他们的这个研究成果已经应用于治疗疾病方面并且产生了巨大的经济效益。Ramsay^[18]研究了一种可以从血液的流动当中提取振动能量的压电俘能装置。Michele^[19]设计了一种可以放置在膝盖的新型悬臂梁式压电俘能装置，可以将人在行走的过程中膝盖弯曲时所产生的能量收集起来。Gmnstrom^[20]等人也设计了一种压电俘能背包，这种背包可以将人行走时背包上下晃动的这个过程中产生的能量提取并收集起来，这一设计可以应用于军队在野外时的通信及夜晚照明提高能量，同时也能给我们日常生活当中的电子设备提供能量，经过研究表明，在背包负重达到220N的情况下，将两根52微米厚的PVDF长带植入到背包背带当中，如果步行速度达到3KM/H，装置可以输出45.6毫瓦的电能。

一家国外市场研究公司预测^[21]，压电俘能市场将在2023年达到823.8万美元。因此研究压电俘能可以带来很高的经济效益以及促进绿色能源的发展。目前，在国际上已经有相当一部分产品已经研发完成并且投入使用。

（1）英国

英国一家名为Pavegen的新能源公司在压电转换方面已经有了较为成熟的产品，他们设计了一种发电地砖，利用了压电转换可以将行人踩踏地砖的机械能转化为电能并将其运用或储存起来。

Pavegen公司在英国伦敦的希思罗机场的一个走廊安装了压电地砖，它的作用是可以连接到移动设备上，为其提供电能，同时收集数据，另外还有墨尔本的联邦广场，每一块地砖上都配有接口，可传送实时的数据分析，同时也把电输送到需要的地方。2013年，在巴黎的马拉松跑道上，Pavegen公司安装了178块地砖，同时收集到了4.7KWh的电能，这些电能可以使一台笔记本电能工作两天左右的时间^[4]；2014年，在悉尼麦考瑞大学内部的一座图书馆，两名研究人员借助Pavegen公司的产品对图书馆潜在的压电能量进行了测试，对占全部楼层面积3.1%的行人密集通过的区域铺设了压电地板，并进行了测试和分析，根据测试结果，他们预计一年可以获得电能为1.1MWh的电能，这些电能大概占这栋图书馆0.5%的电力消耗^[5]。

（2）日本

日本的音力能源科技公司，生产了一系列采集环境能量的发电产品，其中就包括了使用发电材料的发电地砖，他们将发电地砖铺设在东京涉谷火车站的人行道上面，并对它进行了测试，它的最大输出功率可以达到0.3W^[6]。

日本的地铁公司也在东京地铁站针对压电地砖进行了测试，他们在行人通过的路段铺设了90平方厘米的地板，他们使用了100w的灯泡进行测试，每个行人通过都会让灯泡照亮0.01s，而一天所收集到的电量可以使灯泡照亮80分钟左右^[7]。

（3）荷兰

位于荷兰鹿特丹的Energy Floors公司，他们联合了两所著名大学Eindhoven和Delft，开发出了一系列发电地砖，其中包括了液压式、压电式以及热电式等等。经过他们一系列测试后，最后发现将垂直运动转化成回转运动的压电式发电地砖的具有最高能量收集效率。

该公司研究的压电地砖，他们主要向俱乐部和舞厅提供发电系统。该公司将这种地砖命名为Sustainable Dance Floor，图中每一块地内部都含有压电俘能装置，用来收集和存储能量。当地砖被舞者踩踏时，地砖会向下塌陷大约10毫米，俘能系统就将这一部分的振动能量收集起来转化为电力直接用于舞池的LED系统或者被存储起来供其他用电设备使用。目前在鹿特丹该公司已经成功开设了许多家压电地砖舞池俱乐部。

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