基于壓電陶瓷疊堆的壓電發(fā)電技術(shù)研究

魏喜雯，史麗萍，黃 潔,龐桂云，張 波

(1.黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

基于壓電陶瓷疊堆的壓電發(fā)電技術(shù)研究

魏喜雯1,2，史麗萍1，*，黃 潔1,龐桂云1，張 波1

(1.黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

利用壓電陶瓷疊堆在外力作用下能產(chǎn)生電荷這一效應(yīng)，對壓電材料發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并將所產(chǎn)生的電能經(jīng)過電路調(diào)整，儲(chǔ)存在鋰電池組里，用于發(fā)電。經(jīng)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將0～60 N的外力施加到壓電疊堆上，最高可產(chǎn)生6.488 V的電壓。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓芯片LM2575HVT-12 V輸出電壓為12 V、電流為1 A時(shí)，壓電疊堆產(chǎn)生的電能，可通過1 F超級電容器和LM2575HVT-12 V組成的電路經(jīng)過12 h將12 V-12 Ah鋰電池組充滿。

壓電陶瓷疊堆；正壓電效應(yīng)；LM2575HVT；鋰電池組

0 引 言

在過去的十幾年中，輻射、溫度、機(jī)械振動(dòng)和生物等各種各樣的環(huán)境能源作為能量的主要來源得到了廣泛的研究，盡管在開發(fā)環(huán)境中能量做出了很大努力，但還存在未使用的能源和能源浪費(fèi)。本文利用壓電材料具有正壓電效應(yīng)特性，可將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，通過利用這一效應(yīng)將環(huán)境的能量收集和存儲(chǔ)在可重復(fù)充電的鋰電池中，為各種用電產(chǎn)品進(jìn)行供電[1-3]。

本文以壓電陶瓷疊堆為發(fā)電裝置，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測定疊堆在不同的外力作用下產(chǎn)生的電壓值，并將此電能經(jīng)過調(diào)整存儲(chǔ)在鋰電池組中。整個(gè)系統(tǒng)由壓電發(fā)電裝置、轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓電路和鋰電池組組成。

1 壓電材料發(fā)電的基本理論

當(dāng)某些壓電材料承受一定外力時(shí)，在其內(nèi)部會(huì)有極化現(xiàn)象產(chǎn)生，兩端電極表面會(huì)出現(xiàn)大小相等，符號相反的電荷。將這種無外電場施加，而僅有外力作用，壓電體內(nèi)存在極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[4]，見圖1。

圖1 正壓電效應(yīng)Fig.1 Direct piezoelectric effect

具有壓電效應(yīng)的壓電材料有許多，像陶瓷疊堆、石英晶體這類壓電材料都是生活中較常見的。本文將PZT-5壓電陶瓷疊堆作為主要的理論和實(shí)驗(yàn)研究對象。在未極化處理前，構(gòu)成陶瓷疊堆的晶體粒子內(nèi)部有許多雜亂分布的電疇，使內(nèi)部的極化強(qiáng)度為零，因此不存在壓電效應(yīng)，見圖2(a)。經(jīng)過人工預(yù)極化處理后，電疇的方向會(huì)隨著外電場的方向進(jìn)行重新分布，當(dāng)把外電場去掉后，體內(nèi)還存在剩余極化強(qiáng)度，但是由于其內(nèi)部的束縛電荷與來自周圍自由電荷的數(shù)目相等，符號相反，因此整個(gè)疊堆處于不帶電狀態(tài)，其極化后見圖2(b)，極化后的壓電陶瓷具有壓電特性。當(dāng)對陶瓷疊堆施加外力或使其發(fā)生形變時(shí)，內(nèi)部的極化強(qiáng)度會(huì)隨著束縛電荷間的距離變小而變?nèi)酰虼藭?huì)有一部分剩余自由電荷從電極表面流走，這一過程表現(xiàn)為放電現(xiàn)象，即壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)[5-6]。

圖2 陶瓷疊堆極化前后Fig.2 Before and after piezoelectric ceramic polarization

當(dāng)發(fā)生正壓電效應(yīng)時(shí)，外電場為0，壓電晶體所產(chǎn)生的電荷與應(yīng)力成正比，其表達(dá)式為[7]：

(1)

(2)

式中Dm為電位移;Tj和Si分別為應(yīng)力和應(yīng)變;dm j和em i分別為壓電應(yīng)變常數(shù)和壓電應(yīng)力常數(shù)，i,j=1,2,3,4,5,6,m=1,2,3(1,2,3分別對應(yīng)x,y,z3個(gè)方向)。

其矩陣形式方程為：

(3)

(4)

通過式(1)～式(4)可計(jì)算出壓電材料表面產(chǎn)生電荷的大小，要想得到在一定外力作用下壓電陶瓷疊堆輸出的電壓，必須經(jīng)過換算。則壓電陶瓷疊堆在外力作用下輸出電壓的表達(dá)式為：

(5)

2 壓電陶瓷疊堆發(fā)電裝置發(fā)電能力測試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選用PZT-5壓電陶瓷疊堆為發(fā)電裝置的核心元件，它具有高介電系數(shù)、高居里溫度、高機(jī)電耦合系數(shù)，且此疊堆沿Z方向經(jīng)機(jī)械串聯(lián)和

電學(xué)并聯(lián)封裝而成，加載力的范圍為0～2 000 N，基本參數(shù)見表1[8]。

PZT-5壓電陶瓷疊堆需要與YE6232B數(shù)據(jù)采集器、WDW-100D型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)和微小型石英測力傳感器配合使用，才能準(zhǔn)確測得在外力作用下產(chǎn)生電荷的大小，壓電陶瓷疊堆發(fā)電裝置發(fā)電能力測試系統(tǒng)見圖3。

表1 PZT-5壓電陶瓷疊堆基本參數(shù)

圖3 壓電陶瓷疊堆發(fā)電裝置發(fā)電能力測試系統(tǒng)Fig.3 Test macro of the piezoelectric generating device

2.2 測試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)布置圖，利用WDW-100D型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，在壓電陶瓷疊堆上從0開始分別施加60、70、80 N的外力，停留片刻，觀察整個(gè)過程產(chǎn)生的電壓見圖4。

(a)60 N

(b)70 N

(c)80 N圖4 壓電陶瓷疊堆的正壓電效應(yīng)動(dòng)態(tài)輸出結(jié)果Fig.4 Dynamic output of converse piezoelectric effect

由圖4、式(5)可見，在給壓電陶瓷疊堆分別施加60、70、80 N的外力時(shí)，通過正壓電效應(yīng)輸出的實(shí)測電壓值和理論電壓值見表2。

由表2可見，壓電陶瓷疊堆正壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論公式推導(dǎo)結(jié)果基本吻合，證明了壓電發(fā)電裝置設(shè)置的合理性。同時(shí)，發(fā)電裝置在外力作用下輸出的電壓值很大，60 N的外力就可產(chǎn)生6 V以上的電壓，且輸出的電壓與施加外力保持線性關(guān)系。同時(shí)疊堆產(chǎn)生的電荷泄漏比較快，在10 s內(nèi)完全泄漏掉。因此，將在外力作用下壓電體產(chǎn)生的電能用于供電，必須將其儲(chǔ)存起來。

表2 發(fā)電裝置實(shí)際與理論輸出電壓值

3 能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存裝置設(shè)計(jì)

由上述實(shí)驗(yàn)可見，壓電發(fā)電裝置輸出的電壓為直流電壓，但其電壓不穩(wěn)定，且產(chǎn)生的電荷具有流失特性，容易泄漏，不能長期保存，因此需要外接電路對發(fā)電裝置產(chǎn)生的電荷進(jìn)行儲(chǔ)存。本實(shí)驗(yàn)中的壓電發(fā)電裝置可等效成一電容器，可并聯(lián)一個(gè)超級電容器，讓發(fā)電裝置產(chǎn)生的能量先積累在超級電容器中，然后通過轉(zhuǎn)換電路將能量儲(chǔ)存在充電電池中。與傳統(tǒng)的利用電容將電能儲(chǔ)存起來的方法相比，本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)裝置可輸出穩(wěn)定、持續(xù)的電壓[9]。

本設(shè)計(jì)采用兩級能量存儲(chǔ)，當(dāng)超級電容的電荷累計(jì)到一定的程度即可通過穩(wěn)壓充電電路對可充電電池進(jìn)行穩(wěn)壓充電。本文采用1 F超級電容作為第一級能量存儲(chǔ)，使之與壓電陶瓷疊堆并聯(lián)，用于積累壓電陶瓷疊堆發(fā)電裝置兩端產(chǎn)生的能量。LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路作為第二級能量儲(chǔ)存，其電路圖見圖5。

圖5 LM2575穩(wěn)壓集成電路Fig.5 LM2575 integrated regulator

LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路為美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成穩(wěn)壓電路，內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路，內(nèi)部具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等。LM2757HVT為高電壓輸入，且輸出電壓是一個(gè)恒定值。輸入電壓為7～40 V不規(guī)則的直流輸入，適合壓電發(fā)電裝置的電壓輸出范圍，輸出電壓有3.3、5、12、15 V等多種固定式[10]。由于產(chǎn)生的電能最終要用于鋰電池充電，能量轉(zhuǎn)換后輸出的電壓值采用12 V，最為合適，因此本設(shè)計(jì)選用LM2757HVT-12 V組成的穩(wěn)壓電路給由3節(jié)3.7 V串聯(lián)的鋰電池組充電。此穩(wěn)壓電路輸入電容應(yīng)大于47 μF，并要求盡量靠近電路，輸出電容推薦使用電容量為100～470 μF，其耐壓值應(yīng)大于額定輸出的1.5～2倍。為了輸出12 V電壓，這里使用耐壓值為16 V以上的電容。二極管的額定電流大于最大負(fù)載電流的1.2倍，考慮到負(fù)載短路的情況，二極管額定電流值應(yīng)大于LM2575HVT-12 V的最大電流限制。根據(jù)輸出電壓檔次、最大輸入電壓、最大負(fù)載電流等參數(shù)選擇330 μH型電感。壓電發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存電路設(shè)計(jì)見圖6。

當(dāng)超級電容器Cd上電壓超過7 V時(shí)，穩(wěn)壓芯片開始自啟動(dòng)，輸出電壓為12 V。，如果Cd上電壓小于芯片的門限值，這個(gè)穩(wěn)壓芯片自行關(guān)閉，降低耗散能量。超級電容器上的電壓可能波動(dòng)，只要電壓>7 V,穩(wěn)壓芯片輸出的電壓固定在12 V。由于電路輸出電壓為12 V，最大輸出電流為1 A，需要經(jīng)過12 h將12 V-12 Ah(3節(jié)3.7 V鋰電池串聯(lián))的鋰電池組完全充滿。

圖6 能量轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)電路Fig.6 Energy conversion and storage circuit

4 結(jié) 論

本文對壓電陶瓷疊堆的正壓電效應(yīng)進(jìn)行了的理論研究，并將壓電陶瓷疊堆作為發(fā)電裝置，對其發(fā)電能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)輸出的電壓值與理論分析結(jié)果基本一致。同時(shí)，采用超級電容器和LM2575 HVT-12 V設(shè)計(jì)能量收集電路，并儲(chǔ)存于鋰電池組中，可為各種電子耗能元件和LED路燈燈具進(jìn)行供電，促進(jìn)了發(fā)電向節(jié)能、環(huán)保和無污染的方向發(fā)展。

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Piezoelectric power generation technology based on piezoelectric ceramic stack

WEI Xi-Wen1,2,SHI Li-Ping1,*,HUANG Jie1,PANG Gui-Yun1,ZHANG Bo1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Heilongjiang University, Harbin 150080, China; 2.Heilongjiang Technical Institute, Jixi 158100, Heilongjiang, China)

Some theoretic and experiment were researched on the positive piezoelectric effect of piezoelectric ceramic stack under the external force, and the generated electric energy was stored in the lithium battery package after the circuit adjustment for generating electricity. The theoretical analysis and experimental demonstration show that the 0～60 N force was applied to the piezoelectric stack can produce 6.488 V voltage. The electric energy generated in piezoelectric stack could be stored in 12 V-12 Ah lithium battery package within 12 h by the circuit of 1 F ultracapacitor and LM2575HVT-12 V regulator when the output voltage and current of LM2575HVT-12 V was 12 V and 1 A, respectively.

piezoelectric ceramic stack; direct piezoelectric effect; LM2575HVT; Lithium battery package

10.13524/j.2095-008x.2015.01.018

2014-06-06

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1566.T.20150119.1617.004.html

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541624)

魏喜雯(1988-)，女，黑龍江雞西人，碩士,研究方向：傳感器與執(zhí)行器的基本理論與應(yīng)用，E-mail:wxw198806@163.com；*通訊作者：史麗萍(1971-)，女，陜西西安人，教授，博士，研究方向：傳感器與執(zhí)行器的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用，E-mail：shlp1971@163.com。

O738

A

2095-008X(2015)01-0092-05