发电装置能量转换收集电路的设计

按压微型压电自发电系统的研制

应用压电材料设计了一种按压式机电转换结构，将其产生的输出电压控制在 50 V 以内，便于能量转换和收集。在此基础上，设计并开发了一块电荷能量转换和收集电路，将产生的交变电压转换为稳定的电压，为低功耗电子系统供电；最后对其发电性能进行测试分析。实验测试结果表明，所开发的按压微型压电自发电系统能产生平均功率为 0.413 μW 电能，可以为各类低功耗电子设备提供能源。

Abstract — A pressing miniature piezoelectric self-generating system is designed and developed， which can be used as power supply for various low power electronic systems. A pressing electromechanical conversion structure is designed by using piezoelectric materials， whose output voltage is controlled within 50V to facilitate energy conversion and collection. On this basis， a charge energy conversion and collection circuit is designed and developed to convert the generated alternating voltage into a stable voltage for low power electronic systems. Finally， the power generation performance is tested and analyzed. The experimental testing results show that the developed piezoelectric self-generating system can generate an average power of 0.413μW， and can provide energy for various low-power electronic devices.

Index Terms — energy conversion circuit， piezoelectric materials， pressing type， self generating.

0 引言

能源短缺问题是人类面临的重要难题之一，寻找各种新型清洁能源成为当务之急。利用压电材料的正压电效应可将一些机械能转换为电能，通过对所产生的电能进行转换和收集，可为各种低功耗电子系统提供电源［1-12］。本课题利用压电材料设计并制作一套按压式机械能到电能的转换结构，并按此转换装置的输出电能特性设计和开发一套电能转换和收集电路，最后对所开发的按压式压电自发电系统的发电性能进行测试和分析，为后续工程应用提供理论和实验基础。

1 按压压电发电装置的设计

利用压电材料的 d33 正压电效应设计和开发一款按压微型压电自发电装置，用于将各种按压机械能量（如手动按压、机构按压等）转换为电能。

按压微型压电自发电装置的发电能力和使用寿命不仅取决于压电材料性能，也取决于其几何尺寸及受力状态。因此，在结构设计时需要按照压电材料性能要求、压电材料表面处理要求、压电元件受力要求等进行合理的设计，以满足发电要求和使用寿命。

1.1 结构设计

所设计的基于压电材料的按压压电发电装置结构。

（1）按压机构。所设计按压机构，用于将外部按压的机械能通过弹簧机构集聚后瞬间释放，撞击压电元件，使压电元件在两个电极之间产生电荷能量。另外，该按压机构在完成一次按压发电后，后续则在另一弹簧作用下使其恢复到初始状态，以便进行一下次按压发电。

考虑到按压时所产生的输出瞬时电压不能过大（不能超过 50 V），以便后续电能转换和收集，要求按压机构的瞬时冲击力不能过大，为此合理设计了按压冲击弹簧的弹簧系数，其刚度设计为 5.0 N/mm，以确保冲击力满足发电要求，又不会损坏压电元件。

（2）压电元件。压电元件是由两个 PZT 压电陶瓷圆柱在结构上串联、在电路上并联而成，其一端与金属底座相连，用作地线，另一端直接引出，用作高压电极。

这样所产生电荷能量为一个 PZT 压电陶瓷圆柱 2 倍，而且绝缘处理只需处理好一个高压电极即可，用作地线的电极不用处理。压电材料的连接端面必须相互平行、且垂直于轴向，并尽可能光滑，无任何凹凸痕迹。

（3）金属底座。金属底座用来保护压电元件，使其在圆柱端面上受力均衡，延长其使用寿命。另外，它还用作压电元件的输出地极，避免对其进行绝缘处理。金属底座材料需要符合的条件为：与 PZT 材料声阻抗接近，这样可获得良好的声匹配；有较好的弹性，在受力时有形变但应变量不大。本课题选用铜作为金属底座的制作材料。另外，在加工制作时需要将金属底座内部面向压电元件的表面处理的平坦和光滑，其粗糙度不得大于 Ra＝0.2。

（2）塑料外壳。塑料外壳主要用来承受按压外力，保护压电元件、输出电极等结构元件。

塑料外壳需要满足的要求为：其击穿电压至少应为压电按压装置产生的峰值电压的两倍；具有良好的防水性；具有良好的耐温性。本课题选用的塑料外壳材料为聚乙烯，它适合于注塑外壳。

（5）输出引线。输出引线是压电材料的两个输出电极，用于将所产生的电荷能量输送出来，一个是高压电极、一个是地极。输出引线的电容和漏电阻，两者都取决于引线的长度和所用绝缘材料的质量。因此，引线一定要尽可能短。为了避免高压引线和有锋利棱角的金属零件接触，在实际中应将引线固定。

1.2 加工制作

设计的结构，按压微型压电自发电装置制作如下。

（1）按压机构。按压机构主要由两个弹簧、两个撞击块和按压结构构成，用于将按压机械能量经过集聚后释放出来，撞击压电材料以产生一定的电荷能量。

（2）压电元件。本课题所选用的压电元件材料为 PZT，其几何结构为压电陶瓷圆柱，具体如图 2 所示。加工制作时，如果 PZT 压电圆柱表面绝缘程度不够，则沿圆柱体壁的跳火放电是不可避免的，这样就大大地降低了输出能量或根本不输出。因而，PZT 压电圆柱在装配前必须充分清洗，其程序是：水-酒精-汽油。清洗后在其壁上涂上一层绝缘材料，常用选用硅脂。为了能够满足发电能力和使用寿命，对该压电陶瓷圆柱的两个表面需要进行处理，使其达到一定的光滑程度，且两个端面垂直于中心轴。

（3）金属底座。金属底座用铜质材料制作，用于保证其具有一定弹性和良好导电性，用作地极。

（4）塑料外壳。塑料外壳用聚乙烯材料制作而成，满足按压微型压电自发电装置对绝缘性、防水性、防高温等特性要求。

（5）输出引线。地线从金属底座引出，高压电极从压电材料另一端引出，用于将压电材料所产生的电荷能量输送出来。，将上述各元件组装起来，便得到本项目所要制作的按压微型压电自发电装置实物。

2 能量转换收集电路设计

本项目的能量转换电路是利用分立电子元器件进行设计和开发一款电路系统，用于对压电发电装置的输出电能进行转换，以产生稳定的输出电压。

2.1 电路原理设计

压电材料能量回收原理电路基本。

2.2 电路开发制作

3 压电发电系统发电性能测试

压电发电测试系统主要用于对本项目中各类基于压电材料的微型发电系统的发电性能进行测试和分析，以便有效评估所设计的各类压电发电装置的发电性能。

3.1 发电性能测试系统设计开发

根据上述测试参数及对其测试范围的初步分析，选择美国是德公司的 CX3324A 型“器件电流波形分析仪”来对本课题中的各项参数进行测试和分析，以便对各类压电发电装置的发电性能进行测试、分析和比较。

美国是德公司的 CX3324A 型“器件电流波形分析仪”可测量电压、电流（10 nA 级）信号波形，并可对电压、电流信号进行各类数据分析和处理，实现对其功率、电能的测量和分析。

（1）压电发电装置发电性能测试系统设计。压电发电装置发电性能测试系统设计框。

（2）压电发电装置发电性能指标分析。① 输出电压特性：测量压电发电装置所产生电源的电压波形，U（V）。② 输出电流特性：测量压电发电装置所产生电源的电流波形，I（A）。③ 输出功率特性：基于压电发电装置的电压波形和电流波形，测量其输出功率特性，P＝U×I（W），P（t）＝U（t）× I（t）（W）。④　输出电能特性：基于上述压电发电装置的瞬时功率波形，对从开始产生电能到产生电能结束这段时间内的电能大小进行测量（积分），W＝P×t（J），W＝∫0t P（t）dt（J）。

3.2 压电发电装置发电性能测试

根据压电发电测试方案，对所开发的按压压电微型发电装置的发电性能进行实验测试，以便对其测试结果进行数据分析，对其发电性能进行评估和比较。

应用美国是德公司的 CX3324A 型器件电流波形分析仪所构建的压电按压装置微型发电系统发电性能测试系统实物。另外，该压电按压发电装置在各次按压发电时，其冲击压电材料的作用力大小和作用时间有所不同，导致其每次发电效果会有所差异（但基本上处于同一数量级），且每次按压后的发电量微弱，难以用一次按压的发电结果来有效表征其发电能力。

为此，课题组将该压电按压微型发电装置的每次发电时间设定为 20 s，并按照正常的按压频率进行按压，按压频率设定为 0.5～1.0 Hz 之间，也就是说在每次 20 s 的发电时间内完成 20 次左右的按压。最后对其在 20 s 内按压 20 次后的发电性能进行测试和记录，以避免单次按压发电时所出现的较大差异，便于对其发电性能进行评估和比较。

（1）实验测试曲线。在实际测试过程中，课题组按照一次 20 s 的发电时间，对其进行了多次发电测试和记录，其中一次发电后的发电性能曲线。

（2）测试数据分析。按照每次发电测试曲线上的测试数据，所开发的按压压电装置发电性能测试结果如下表 1 所示，此处只列出了 5 次发电测量结果。由表 1 可以看出，所研制的压电按压微型发电装置每次按压可产生平均功率为 0.413 μW、输出电能为 8.252 μJ 的电能。在实际应用过程中，可以通过反复多次按压该压电按压微型发电装置，让其产生更多的电能。

4 结语

设计一款新型按压微型压电自发电装置，所产生电压控制在 50 V 以内，便于能量的转换和收集。同时，设计并开发了一块电荷能量转换和收集电路，将所产生的交变电压转换为稳定的电压，为低功耗电子系统供电。

实验测试的结果表明，所开发的按压微型压电自发电系统能产生平均功率为 0.413 μW 电能，可以为低功耗电子系统提供能源。
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