壓電發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載特性研究

趙 燕，楊 隆，李天鵬

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

目前在壓電發(fā)電的材料研究、壓電振子的結(jié)構(gòu)行為和電能的存儲(chǔ)電路等方面有了不少成果［1-3］，特別是對(duì)壓電振子的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行研究以提高振子的發(fā)電效率方面和對(duì)能量收集電路的研究以提高能量利用率方面取得了一定的成就。但對(duì)于壓電發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載特性研究很少，忽略了壓電發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。電路的負(fù)載特性是指當(dāng)電路中加入不同的負(fù)載時(shí)，負(fù)載的性質(zhì)、大小對(duì)整個(gè)電路參數(shù)，包括電壓、電流和功率等的影響。筆者從壓電發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載效應(yīng)出發(fā)，研究負(fù)載的大小、性質(zhì)對(duì)壓電發(fā)電系統(tǒng)的影響，同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)證明壓電發(fā)電裝置在持續(xù)振動(dòng)的條件下能夠?yàn)榈凸牡膫鞲芯W(wǎng)供電。

1 壓電發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載特性研究

1.1 壓電發(fā)電裝置電路設(shè)計(jì)

壓電發(fā)電裝置主要包括壓電振子、壓電能量變換及存儲(chǔ)電路，而壓電發(fā)電系統(tǒng)不僅包含壓電發(fā)電裝置，還包括負(fù)載電路。已有研究集中在對(duì)壓電裝置的分析，而筆者將主要通過實(shí)驗(yàn)研究在負(fù)載分別為不同大小的電容、電阻時(shí)，負(fù)載兩端電壓的變化狀況，并與理論分析進(jìn)行比較。為保證壓電發(fā)電裝置的發(fā)電量能夠有最大的輸出，根據(jù)在固有頻率時(shí)的壓電振子發(fā)電最大的理論［4-6］，筆者采用共振法測得壓電振子的固有頻率為52 Hz。

在壓電發(fā)電系統(tǒng)中，能量轉(zhuǎn)換電路能夠把振子的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷海菈弘娬褡虞敵瞿芰枯^少，不能持續(xù)為低功耗器件供電，需要將這些能量通過儲(chǔ)能介質(zhì)存儲(chǔ)起來，用于持續(xù)地為負(fù)載供電。對(duì)比電解電容和鋰離子電池，超級(jí)電容在能量密度、充電時(shí)間、充放電效率、充放電次數(shù)和工作溫度范圍等方面都有其優(yōu)越性。筆者選用的超級(jí)電容容量有兩種：0.1 F 和0.47 F［7-8］。壓電發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)框圖如圖1 所示。壓電能量變換及存儲(chǔ)電路如圖2 所示。

圖1 壓電系統(tǒng)負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)框圖

1.2 壓電發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)

通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使其發(fā)出幅值恒為1V、頻率恒為52 Hz 的正弦信號(hào);同時(shí)，調(diào)節(jié)功率放大器使激振器輸出力為0.2 sin(ωt)N，并在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中保持持續(xù)振動(dòng)。

(1)不外加負(fù)載。在不外加負(fù)載的情況下，開路電壓波形界面圖如圖3 所示，壓電振子開路峰峰值電壓約為17.5 V。而經(jīng)過DC/DC 電路后其直流輸出電壓約為3. 3 V。對(duì)超級(jí)電容(0.1 F)充電時(shí)，其兩端電壓狀況如圖4 所示。

圖2 壓電能量變換及存儲(chǔ)電路

圖3 壓電振子輸出電壓波形界面圖

圖4 充電時(shí)超級(jí)電容兩端電壓狀況

(2)負(fù)載為電容。圖5 描述了在負(fù)載為47 pF 和0.1 F 電容條件下，負(fù)載電壓與時(shí)間之間的關(guān)系，其中，負(fù)載為pF、μF 和nF 數(shù)量級(jí)的電容時(shí)，充電曲線與47 pF 基本重合。

由圖5 可知，在充電電容為0.1 F 超級(jí)電容，負(fù)載為pF 數(shù)量級(jí)的電容時(shí)，負(fù)載電容充滿電的時(shí)間都大約為17 min;在負(fù)載電容等于儲(chǔ)能超級(jí)電容時(shí)的充電過程與負(fù)載電容小于儲(chǔ)能超級(jí)電容的充電過程有明顯區(qū)別，并且充滿時(shí)間變長，在負(fù)載為0.1 F 的電容時(shí)，超級(jí)電容充滿電的時(shí)間達(dá)到35 min。

(3)負(fù)載為電阻。在10 kΩ，20 kΩ 和47 kΩ負(fù)載電阻下負(fù)載電壓與時(shí)間之間的關(guān)系如圖6 所示，其中，當(dāng)負(fù)載電阻值大于47 kΩ 時(shí)，充電曲線與47 kΩ 基本重合。

圖5 47 pF，0.1 F 負(fù)載電容下負(fù)載電壓與時(shí)間之間的關(guān)系圖

圖6 10 kΩ，20 kΩ 和47 kΩ負(fù)載電阻下負(fù)載電壓與時(shí)間之間的關(guān)系圖

由圖6 可知，在負(fù)載電阻大于等于47 kΩ 時(shí)，超級(jí)電容充滿電的時(shí)間都大約為22 min，而負(fù)載電阻為20 kΩ 和10 kΩ 時(shí)，超級(jí)電容的充電狀況與前面的負(fù)載電阻狀況有明顯不同，并且時(shí)間更長。負(fù)載電阻為20 kΩ 時(shí)，超級(jí)電容充滿電的時(shí)間約為38 min，而負(fù)載電阻為10 kΩ 時(shí)，超級(jí)電容不能充滿電，只是當(dāng)負(fù)載兩端的電壓約為2.6 V時(shí)，整個(gè)壓電發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，最終負(fù)載兩端的電壓穩(wěn)定在2.6 V;在負(fù)載電阻大于20 kΩ 時(shí)，超級(jí)儲(chǔ)能電容都能夠充滿，達(dá)到最大的電壓值3.3 V，而當(dāng)負(fù)載電阻等于10 kΩ 時(shí)，電容兩端的穩(wěn)定電壓值只有2.6 V，這是因?yàn)镈C/DC 輸出的功率值太小不足以滿足電阻兩端消耗的功率，使得最終的電壓值只能在2.6 V［9-10］。

(4)負(fù)載為不同阻值下的輸出功率。為說明負(fù)載在不同阻值下的輸出功率情況，使壓電振子的輸出電壓峰峰值為16 V，測量負(fù)載電阻兩端的電壓，通過公式P=U2/R，可得負(fù)載上的功率，通過數(shù)據(jù)處理得到輸出功率與阻值的關(guān)系圖如圖7所示。當(dāng)電阻由小變大時(shí)，輸出功率開始不斷增大，直到阻值為16 kΩ 時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值0.67 mW，此時(shí)的負(fù)載電阻與振子的阻抗基本相等，阻值繼續(xù)增大，輸出功率將減小。

圖7 輸出功率與電阻關(guān)系圖

2 壓電發(fā)電裝置為傳感網(wǎng)供電實(shí)驗(yàn)

筆者就壓電發(fā)電裝置能否對(duì)低功耗器件持續(xù)供電這一問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。采用兩個(gè)ADT7410 溫度傳感器模擬傳感網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖8 所示，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖9 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)原理框圖

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(1)超級(jí)電容為兩個(gè)ADT7410 器件供電實(shí)驗(yàn)。壓電振子振動(dòng)后得到的開路輸出電壓接上直流變換電路，把超級(jí)儲(chǔ)能電容(0.47 F)充滿電到3.3 V，充電過程大約為50 min。待超級(jí)電容充滿電后為兩個(gè)ADT7410 器件供電，超級(jí)電容兩端電壓變化狀況如圖10 所示。由圖10 可知，超級(jí)電容可以為兩個(gè)溫度傳感器正常供電，供電時(shí)間約為17 min。

圖10 超級(jí)電容為兩個(gè)溫度傳感器供電過程曲線圖

(2)壓電振子輸出經(jīng)整流后直接為兩個(gè)ADT7410 器件供電。壓電振子輸出通過直流變換電路得到3.3 V 的直流電壓，不通過超級(jí)電容，直接為兩個(gè)ADT7410 器件供電，直流變換電路兩端的電壓輸出波形界面圖如圖11 所示。當(dāng)溫度傳感器采集溫度時(shí)，電壓有一個(gè)下降的過程，采集完成后電壓又回到直流狀態(tài)，此時(shí)，液晶顯示屏能夠準(zhǔn)確顯示溫度，兩個(gè)溫度傳感器正常工作。

圖11 壓電振子供電時(shí)整流輸出電壓波形界面圖

(3)壓電振子同時(shí)為超級(jí)電容充電和傳感網(wǎng)供電壓電振子輸出經(jīng)整流后得到3.3 V 直流電壓，給超級(jí)電容(0. 47 F)充電，同時(shí)為兩個(gè)ADT7410 溫度傳感器供電。超級(jí)電容端電壓變化情況如圖12 所示。由圖12 可知，最終壓電振子、超級(jí)電容和溫度傳感器負(fù)載三者處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，電容兩端的電壓基本維持不變，兩個(gè)溫度傳感器能夠正常工作。

圖12 壓電振子同時(shí)為超級(jí)電容和兩個(gè)溫度傳感器供電過程曲線圖

3 結(jié)論

筆者針對(duì)壓電發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在不同電容值、電阻值的情況下，電路的負(fù)載特性會(huì)有明顯不同;通過實(shí)驗(yàn)證明了持續(xù)振動(dòng)的壓電發(fā)電裝置能對(duì)低功耗的傳感網(wǎng)進(jìn)行供電，并且可以通過對(duì)儲(chǔ)能電路的設(shè)計(jì)來保證供電的持續(xù)性和穩(wěn)定性。此外，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的大部分電路都可以簡化為電容和電阻的串、并聯(lián)連接，因此筆者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)復(fù)雜的負(fù)載電路也有一定的指導(dǎo)意義。

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