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1、陕西理工学院毕业设计题 目 基于压电材料的振动能量 收集技术研究 学生姓名 井 创 学号 1116014113 所在学院 机械工程学院 专业班级 测控技术与仪器1104班 指导教师 王楠 完成地点 陕西理工学院图书馆 2015年 5 月 30 日基于压电材料的振动能量收集技术研究井创（陕西理工学院机械工程学院测控技术与仪器11级04班，陕西 汉中 723000）指导教师：王楠摘要伴随着无线传感器网络技术和可携带器件的发展，电池续航供能成为其发展的瓶颈之一。为了获得无线生命周期的自主供电系统，利用周围环境的振动能转换为电能为电子器件供电成为亟待解决的问题。其中利用压电材料把振动能转换为电能越来越
2、受到关注，成为能量领域的研究热点。然而目前存在的问题是，等效电路模型理论有待进一步完善；器件产生的输出电压较小，器件结构有待改进；手机电路及收集器件需进一步优化等。针对以上问题，本文对目前国内外压电振动能量收集的发展状况进行了研究，对压电材料的类型、振动模式以及收集电路和器件进行了比较分析，提出了压电振动能量收集器的研究内容。最后，对全文工作进行了总结，并且对下一步计划进行展望，提出新的研究思路。关键词振动能；压电效应；压电材料；能量收集电路Research on Vibration Energy Harvesting Technology Based on Piezoelectric mat
3、erialJing Chuang（Grad 11，Class 04, Major Technique and instrumentation of Measurements, Mechanical Engineering Dept., Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi）Tutor: Wang NanAbstract: With the development of wireless sensor network technology and portable devices, the power supply
4、via the battery becomes one of the bottlenecks. In order to achieve finite lifetime of self-powered systems, the desiderating thing is to provide electric energy for such devices and networks by utilizing the vibration energy from the ambient environment.Converting vibration energy into electric ene
5、rgy into electric energy by piezoelectric materials attracts more and more attention and becomes the hot point in micropower field. However the problems are that the modeling theory harvester are ought to be further investgated, the structures of the piezoelectric energy harvester are ought to be im
6、proved because of the small output voltage and optimizing the harvesting circuits and storage devices are much in demand.According to the above problems,this dissertation investgated the development trend of the piezoelectric vibration energy harvesting at home and abroad, and compared the merits an
7、d shortcoming of the different parts of structures and harvesting circuits, finally,proposed the research content of piezoelectric vibration energy harvester.In the end,the work of this dissertation are sunnarized briefly,and next work is figured out, including the novel research ideas.Keywords: Vib
8、ration energy, Piezoelectric effect, Piezoelectric materials, Energy harvesting circuit目 录1 绪论11.1 选题背景和意义11.2 能量收集背景知识21.2.1 常见的能源及其收集方法21.2.2 振动能量收集方法51.3 压电振动能量收集技术研究现状及发展趋势71.4 能量收集电路与能量转换效率92 压电发电技术机理研究112.1 压电能量转换基本理论112.1.1 压电效应112.1.2 压电方程112.2 材料与结构的优化选择132.3 本章小结133 压电振动能量收集器等效电路设计143.1 压电
9、发电装置的电学等效模型143.2 振动能量收集器等效电路模型的提出163.3 AC-DC负载电路条件下的等效电路建模分析163.4 SSHI负载电路条件下的等效电路建模分析173.5 本章小结184 总结与展望204.1 总结204.2 展望20致谢21参考文献22I1 绪论1.1 选题背景和意义无线系统的应用已经深入世界的每一个角落，例如基于IEEE802.11标准的无线网络和基于蓝牙标准的便携式电子设备，这些已经在日常生活中得到了普遍的应用。无线系统与传统的有线系统相比较，具有很多优势，例如使用方便、操作灵活、并且可以随意配置。作为无线系统的一个重要应用，一种被称为无线传感网络（Wirel
10、ess Sensor Network）1的技术已经得到了快速的发展。这项技术是将微型的无线传感器节点安放在机器或者建筑结构中，来实时监测它们的运行状态。这样对便携式电子设备和无线传感器的供电设备的需求也就与日俱增。目前，绝大部分无线传感器和便携式电子设备都是采用电池来提供电力的。尽管随着电池技术的逐渐发展，开发者可以通过增大电池容量来延长电池的使用年限，可是当前电池增容技术的发展速度还是远远落后于无线电子器件。因为电池寿命的限制，在使用时会遇到一系列的问题，而且在某些场合下更换电池是一项成本很高甚至于不可能完成的工作。例如，在无线传感网络中在桥梁上放置大量的传感节点，用做结构健康监测传感器，还
11、有追踪野生动物所用的定为节点，即全球定位系统（Global Positioning System,GPS）。如果电池能量耗尽，那么就需要定期将传感器上的电池更换。这样，要保证一个由上千个节点组成的无线传感器网络的运行就需要定期更换大量的电池，一方面就必然要增高无线传感网络的使用成本，对状态监测技术的应用和发展会带来不利的影响，另外一方面大量的废弃电池也会造成一定的环境污染。所以，开展新的无线供能技术研究已经成为当务之急。近些年来，基于环境的能量收集技术引起了国内外专家学者的广泛关注。能量收集技术是一种将工业设备或周围环境中的其他能量通过某种物理或化学机制转换成电能，并将电能提供给其他电子设备的
12、技术方法。目前，在工业环境中存在的可利用的潜在能源包括：太阳能(光能)、风能、热能、声能、电磁场能和机械振动能等，如图 1.1所示2。如何收集和存储这些潜在的能量并将其合理地应用到无线传感器网络等电子设备中是近些年来众多科研人员研究的重点问题之一。图 1.1 工业环境中的潜在能量与回收虽然以现有的技术和方法，要通过环境能量收集来完全实现无线传感器网络的自供电问题还有一定的困难，但是随着现代化大规模集成电路的不断发展，电子元器件的体积和功耗也越来越趋于微型化，微瓦级功耗的电子器件已经非常普遍，再加上能量收集技术的不断提高和优化，相信在不久的将来，实现自供电式无线传感器网络将不再是难题。本文主要研
13、究基于压电材料的振动能量收集技术及其在无线传感器网络中的应用。对压电振动能量转化机理、电能预测模型、电能输出影响因素、功率调节与能量存储电路的设计以及相关理论分析和实验方法进行了深入的研究和讨论。1.2 能量收集背景知识1.2.1 常见的能源及其收集方法如上所述，能量收集技术能够将其他形式的能量转换成电能。根据被收集能量形式的不同，可将能量收集技术分成不同的种类，表 1.1描述了不同能量收集技术的对比结果3-8，表中同时包含了普通电池和其他能量存储电源的对比信息。从表 1.1中可以看出，表格的上半部分表示单独通过能量收集而形成的电源，因而这部分的功率密度与使用寿命无关。表格的下半部分是单独通过
14、能量存储技术得到的电源，它们的初始电能是一定的，因而它们的输出功率随着寿命的增加而不断减小。表 1.1 不同能量收集技术的对比电源类型功率密度(W/cm3)1年寿命功率密度(W/cm3)10年寿命能量源数据的来源信息能量收集电源太阳能(户外)15000(太阳直射)150(阴天)15000(太阳直射)150(阴天)通常易获取太阳能(户内)6 (办公桌旁)6 (办公桌旁)来自文献13振动能量200200来自文献14噪声能0.003(75Db)0.96(100Db)0.003(75Db)0.96(100Db)理论计算每日温度变化能1010理论计算温度梯度能15 (10C梯度)15 (10C梯度)来自文献15穿鞋释放的能量330330来自文献16,17能量存储电源不可充电锂电池453.5通常易获取可充电锂电池70通常易获取碳氢燃料33333来自文献18燃料电池280
