压电发电仪设计

论文总字数：18679字

目 录

1. 引言 1

1.1研究的目的与意义 1

1.2压电发电的国内外现状 1

2. 压电发电的基本理论 4

2.1压电效应 4

2.1.1正压电效应 4

2.1.2逆压电效应 5

2.2压电方程 6

2.3压电陶瓷的性能参数 6

2.4压电振子 8

3. 足下压电发电装置的设计 11

3.1整体框架的设计 11

3.2基于压电发电装置的选择与设计 11

3.3整体电路的设计 13

3.3.1整流电路的设计 13

3.3.2超级电容存储电路的设计 14

3.3.3稳压充电电路的设计 15

3.3.4整体电路图 16

4.实物展示和调试结果 17

5. 总结 20

参考文献： 21

致谢 23

压电发电仪设计

张新玥

,China

Abstract:This article is mainly to design a green power generation device based on the principle of piezoelectric power generation. The device takes the piezoelectric vibrator as the core and makes full use of the kinetic energy produced by people walking. This article mainly describes the technology and development of our country and foreign countries, as well as how people can use it reasonably in life, and design an electric power plant which is optimized according to the theoretical basis of the related piezoelectric power generation. First, the background and significance of the unzip electric power generation technology are studied, and what problems will appear in the application of the current electricity theory is found, and then a reasonable solution is put forward to the problem. Then, we introduce the theoretical knowledge of electricity, and analyze the parameters of piezoelectric generating capability according to the piezoelectric equation adapted to various conditions. Secondly, choose the piezoelectric vibrator with good performance, choose the appropriate vibration mode and the mathematical model needed, and the parts after design will be analyzed in detail. Then, according to the choice of the piezoelectric vibrator and the principle of piezoelectric power generation, the corresponding circuit is designed to realize the purpose of using the piezoelectric power generation to supply the power to the micro electric appliance.

Key words: new energy; Piezoelectric power generation; Piezoelectric vibrator

2. 引言

1.1研究的目的与意义

科学技术的发展给我们带来了很多好处，但我们在享受和利用科技的时候也严重的影响了我们生存的环境。以节能减排保护环境为目的，我们开始在在日常生活中寻找可以利用的能源，来达到节约能源减少排放这个大目标。

现在，还有很多采用电池供电的微功率电子产品，比如晚上照明用的手电筒和小朋友的玩具，家里电视空调的遥控器等，这些用电器都是由电池来提供能量的。很多人都知道，有很多有害物质比如铅汞银这些东西都存在在电池里。显而易见，研究出可以替代传统发电装置的新型节能环保的装置是我们的必然选择^[1]。目前，在研究领域中微型电源技术的优势越来越明显，我们在研究微型电源的各个部分中，了解到了构造简单成本不高容易实现的压电材料，它凭借着这些优点受到了越来越多的人们的欢迎，这种环保的节能压电材料成为了未来发展的新动力^[2]。当前更多的人们对能量的需求越来越关心，这其中也包括利用压电材料来实现能量的采集,应用压电发电技术的同时也给我们带来了很多好处和便利,压电材料是一种绿色的新型能源且环保材料,它因为构造简易,消耗成本低,能容易的实现,方便我们携带等优点受到了很多人们的喜爱。

把人类步行的机械能转化为电能这是一个不错的想法，所以这个问题成为人们乐意研究的重点，但是一直没有研究出容易实现使用价值又高的产品。

例如有一家做研究的地方在德国，那里曾经有过研究人员研究出了一种会发电的鞋子，通过在鞋里放震动接收装置，然后再利用人们走路的时候脚的后面一部分与地面的接触来发电，还有一种是由摆动接收装置在人类走路的过程中用脚摆动来生成电能^[3]。该收获器利用的原理是摆动的磁铁经由不动的线圈的时候会有感应电压出现，进而产生电流，但是这种东西只能发出少量的电，因此它的发展受到了限制。

美国的研究学家还发现可以把小型流动的液滴产生的动能转化为电能，把这个东西放在鞋的下面，就可以在行走的时候发电，而且他的功率最大还可以达到每小时10W，这样就足够给手机和普通的手提电脑充电^[4]。日不落帝国的研发人员也研制出了可以一边步行一边给平板电脑充电的可发电鞋，就是在鞋子的里面放置一个小型的发电机和水，但是这种装置的缺点是没有储能功能，必须在持续走路的情况下才可以发电。

此外还有很多发电装置采用了电磁发电，这些装置也有着大量的缺点，因为他们需要很多复杂的机械结构，还有有对应的发电机与之匹配，构造繁琐不容易推广。

经过一系列的研究分析，本篇论文制作了一个利用人们步行运动过程对足下的压力进而产生电能，选择容易实现的压电陶瓷晶片来发电， 并且想办法收集发电片带来的能量，对电能的存储还有电能的变换电路进行了仔细的分析，设计出一种可以发电的装置。

1.2压电发电的国内外现状

现在经济发展水平越来越好，人们的想法也越来越高，相应的对环境的要求也越来也高了，也希望能够更好的达到节能减排的标准，所以大家对能持续供电的要求也越来越明显了，大家已经不单单知足与传统的发电装置，所以现在的研发人员把寻找节约能源又保护环境的能量当作很重要的事情来对待，各个国家研究的重点内容中就包含压电发电，各个国家都开始对清洁环保价格不高使用便利的小型发电装置有所研究，各种各样的新型小型发电装置已经成为世界上的最热研发和讨论的话题，比如这篇文章所讲述的压电发电，利用这些发电原理构造出来的发电设备都有着自己的特点和使用场合，有一些小型发电机已经在一些发达地区出现了，特别是应用压电陶瓷做出的发电装置深受喜爱，因为这种压电发电装置占地小容易携带又可以长时间使用都不容易坏掉，能够成为大家的第一选择，我国对于这项研究还在刚刚探索的时段，然而，我国的学者们也开始重视这方面的研究了，也受到了政府的支持。

接下来介绍几个我们国家和外国的一些比较成熟的技术成果：

1966年就出现了当下比较认同的关于压电陶瓷发电的研究，来自荷兰的森得和他的伙伴们已经开始应用压电陶瓷把因为运动所得的能量收集起来，应用到手机和电脑上，而且可以让这些用电器正常工作，从这开始，压电发电技术被我们广泛应用，发展到现在，世界上有很多发达国家已经开始在研究压电陶瓷了，而且市面上已经开始有应用这项技术的成品了，最近这几年我们国家也开始了对这方面的研究以及更加注重它在实际中的应用^[5]。

国内现状：

我们国家目前还处在初步发展阶段，吉林大学利用压电发电的原理设计出来了一款可以让二极管亮起来的扇子还申请了专利，如下图1-1所示，他的工作方式是：在扇子的中空把手处放置压电发电片和一些重要的元器件，在扇子的边缘安装4个LED灯，把他们接在压电发电片的输出端，当我们使用扇子的时候扇叶晃动产生的机械能使把手中的压电发电片产生相互作用的挤压力，进而产生电荷然后致使有电流通过LED灯，使其发光而且是交替闪烁的效果，这其中的原因是要扇子时摆动的方向不一样产生的电流也是交替变换的，在压电片的输出端把灯两个两个的正反连接就可以了，它的优点是可以工作很长时间又节能环保。

图1-1 压电发光扇

国外现状：

来自美国的大学生沙珊客·普利亚研制了一款可以为无线网络提供动能的小的风车，如下图1-2，1-3所示。在可以旋转的鼓起来的轮子上放上风车的基板，当风车转动时就可以使鼓起来的旋转轮里压电晶体不断地被压缩释放，这个时候就会产生电能，每小时速度达到十几千米的微风就能够发车七点几毫瓦的不间断电能，这样足以能够满足一个靠电力的传感器的运行^[6]。和一般的发电机相比它的功率效率更高可以达到百分之十几，而在同等规格下的普通的发电机只能将百分之一的风能转化为电能。

图1-2 压电式小风车的模型 图1-3 压电式小风车的实物图

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