基于压电陶瓷叠堆的压电发电技术研究

魏喜雯，史丽萍，黄 洁,庞桂云，张 波

(1.黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江工业学院，黑龙江 鸡西 158100)

基于压电陶瓷叠堆的压电发电技术研究

魏喜雯1,2，史丽萍1，*，黄 洁1,庞桂云1，张 波1

(1.黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江工业学院，黑龙江 鸡西 158100)

利用压电陶瓷叠堆在外力作用下能产生电荷这一效应，对压电材料发电技术进行了理论和实验研究，并将所产生的电能经过电路调整，储存在锂电池组里，用于发电。经理论分析和实验研究发现，将0～60 N的外力施加到压电叠堆上，最高可产生6.488 V的电压。同时发现，稳压芯片LM2575HVT-12 V输出电压为12 V、电流为1 A时，压电叠堆产生的电能，可通过1 F超级电容器和LM2575HVT-12 V组成的电路经过12 h将12 V-12 Ah锂电池组充满。

压电陶瓷叠堆；正压电效应；LM2575HVT；锂电池组

0 引 言

在过去的十几年中，辐射、温度、机械振动和生物等各种各样的环境能源作为能量的主要来源得到了广泛的研究，尽管在开发环境中能量做出了很大努力，但还存在未使用的能源和能源浪费。本文利用压电材料具有正压电效应特性，可将环境中的振动能量转换成电能，通过利用这一效应将环境的能量收集和存储在可重复充电的锂电池中，为各种用电产品进行供电[1-3]。

本文以压电陶瓷叠堆为发电装置，通过理论分析和实验验证，测定叠堆在不同的外力作用下产生的电压值，并将此电能经过调整存储在锂电池组中。整个系统由压电发电装置、转换稳压电路和锂电池组组成。

1 压电材料发电的基本理论

当某些压电材料承受一定外力时，在其内部会有极化现象产生，两端电极表面会出现大小相等，符号相反的电荷。将这种无外电场施加，而仅有外力作用，压电体内存在极化的现象称为正压电效应[4]，见图1。

图1 正压电效应Fig.1 Direct piezoelectric effect

具有压电效应的压电材料有许多，像陶瓷叠堆、石英晶体这类压电材料都是生活中较常见的。本文将PZT-5压电陶瓷叠堆作为主要的理论和实验研究对象。在未极化处理前，构成陶瓷叠堆的晶体粒子内部有许多杂乱分布的电畴，使内部的极化强度为零，因此不存在压电效应，见图2(a)。经过人工预极化处理后，电畴的方向会随着外电场的方向进行重新分布，当把外电场去掉后，体内还存在剩余极化强度，但是由于其内部的束缚电荷与来自周围自由电荷的数目相等，符号相反，因此整个叠堆处于不带电状态，其极化后见图2(b)，极化后的压电陶瓷具有压电特性。当对陶瓷叠堆施加外力或使其发生形变时，内部的极化强度会随着束缚电荷间的距离变小而变弱，因此会有一部分剩余自由电荷从电极表面流走，这一过程表现为放电现象，即压电陶瓷的正压电效应[5-6]。

图2 陶瓷叠堆极化前后Fig.2 Before and after piezoelectric ceramic polarization

当发生正压电效应时，外电场为0，压电晶体所产生的电荷与应力成正比，其表达式为[7]：

(1)

(2)

式中Dm为电位移;Tj和Si分别为应力和应变;dm j和em i分别为压电应变常数和压电应力常数，i,j=1,2,3,4,5,6,m=1,2,3(1,2,3分别对应x,y,z3个方向)。

其矩阵形式方程为：

(3)

(4)

通过式(1)～式(4)可计算出压电材料表面产生电荷的大小，要想得到在一定外力作用下压电陶瓷叠堆输出的电压，必须经过换算。则压电陶瓷叠堆在外力作用下输出电压的表达式为：

(5)

2 压电陶瓷叠堆发电装置发电能力测试

2.1 实验设备

本实验选用PZT-5压电陶瓷叠堆为发电装置的核心元件，它具有高介电系数、高居里温度、高机电耦合系数，且此叠堆沿Z方向经机械串联和

电学并联封装而成，加载力的范围为0～2 000 N，基本参数见表1[8]。

PZT-5压电陶瓷叠堆需要与YE6232B数据采集器、WDW-100D型微机控制电子式万能试验机和微小型石英测力传感器配合使用，才能准确测得在外力作用下产生电荷的大小，压电陶瓷叠堆发电装置发电能力测试系统见图3。

表1 PZT-5压电陶瓷叠堆基本参数

图3 压电陶瓷叠堆发电装置发电能力测试系统Fig.3 Test macro of the piezoelectric generating device

2.2 测试实验

根据上述实验布置图，利用WDW-100D型微机控制电子式万能试验机，在压电陶瓷叠堆上从0开始分别施加60、70、80 N的外力，停留片刻，观察整个过程产生的电压见图4。

(a)60 N

(b)70 N

(c)80 N图4 压电陶瓷叠堆的正压电效应动态输出结果Fig.4 Dynamic output of converse piezoelectric effect

由图4、式(5)可见，在给压电陶瓷叠堆分别施加60、70、80 N的外力时，通过正压电效应输出的实测电压值和理论电压值见表2。

由表2可见，压电陶瓷叠堆正压电效应的实验测量结果与理论公式推导结果基本吻合，证明了压电发电装置设置的合理性。同时，发电装置在外力作用下输出的电压值很大，60 N的外力就可产生6 V以上的电压，且输出的电压与施加外力保持线性关系。同时叠堆产生的电荷泄漏比较快，在10 s内完全泄漏掉。因此，将在外力作用下压电体产生的电能用于供电，必须将其储存起来。

表2 发电装置实际与理论输出电压值

3 能量转换及储存装置设计

由上述实验可见，压电发电装置输出的电压为直流电压，但其电压不稳定，且产生的电荷具有流失特性，容易泄漏，不能长期保存，因此需要外接电路对发电装置产生的电荷进行储存。本实验中的压电发电装置可等效成一电容器，可并联一个超级电容器，让发电装置产生的能量先积累在超级电容器中，然后通过转换电路将能量储存在充电电池中。与传统的利用电容将电能储存起来的方法相比，本文设计的转换和存储装置可输出稳定、持续的电压[9]。

本设计采用两级能量存储，当超级电容的电荷累计到一定的程度即可通过稳压充电电路对可充电电池进行稳压充电。本文采用1 F超级电容作为第一级能量存储，使之与压电陶瓷叠堆并联，用于积累压电陶瓷叠堆发电装置两端产生的能量。LM2575系列开关稳压集成电路作为第二级能量储存，其电路图见图5。

图5 LM2575稳压集成电路Fig.5 LM2575 integrated regulator

LM2575系列开关稳压集成电路为美国国家半导体公司生产的集成稳压电路，内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，内部具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。LM2757HVT为高电压输入，且输出电压是一个恒定值。输入电压为7～40 V不规则的直流输入，适合压电发电装置的电压输出范围，输出电压有3.3、5、12、15 V等多种固定式[10]。由于产生的电能最终要用于锂电池充电，能量转换后输出的电压值采用12 V，最为合适，因此本设计选用LM2757HVT-12 V组成的稳压电路给由3节3.7 V串联的锂电池组充电。此稳压电路输入电容应大于47 μF，并要求尽量靠近电路，输出电容推荐使用电容量为100～470 μF，其耐压值应大于额定输出的1.5～2倍。为了输出12 V电压，这里使用耐压值为16 V以上的电容。二极管的额定电流大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管额定电流值应大于LM2575HVT-12 V的最大电流限制。根据输出电压档次、最大输入电压、最大负载电流等参数选择330 μH型电感。压电发电装置的能量转换及储存电路设计见图6。

当超级电容器Cd上电压超过7 V时，稳压芯片开始自启动，输出电压为12 V。，如果Cd上电压小于芯片的门限值，这个稳压芯片自行关闭，降低耗散能量。超级电容器上的电压可能波动，只要电压>7 V,稳压芯片输出的电压固定在12 V。由于电路输出电压为12 V，最大输出电流为1 A，需要经过12 h将12 V-12 Ah(3节3.7 V锂电池串联)的锂电池组完全充满。

图6 能量转换及存储电路Fig.6 Energy conversion and storage circuit

4 结 论

本文对压电陶瓷叠堆的正压电效应进行了的理论研究，并将压电陶瓷叠堆作为发电装置，对其发电能力进行了实验测试，实验输出的电压值与理论分析结果基本一致。同时，采用超级电容器和LM2575 HVT-12 V设计能量收集电路，并储存于锂电池组中，可为各种电子耗能元件和LED路灯灯具进行供电，促进了发电向节能、环保和无污染的方向发展。

[1]Ovejas V J, Cuadras A. Multimodal piezoelectric wind energy harvesters[J]. Smart Mater Struct, 2011, 20(8): 85-90.

[2]Abrams Z R, Niv A, Zhang X. Solar energy enhancement using down-converting particles: a rigorous approach[J]. Journal of Appled Physics, 2011,109(11):114-121.

[3]Hiroaki T, Kensuke M, Tomohiro Y. Effect of material constants on power output in piezoelectric vibration-based generators[J]. Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2011, 58(9):1 852-1 859.

[4]Waszczuk K, Piasecki T, Nitsch K. Application of piezoelectric tuning forks in liquid viscosity and density measurements [J]. Sensors and Actuators B-Chemical, 2011, 160(1): 517-523.

[5]刘 平. 基于压电陶瓷的俘能技术研究[D]. 南京: 南京邮电大学, 2013.

[6]Liang R H, Zhang W Z, Gao M. Excellent electrostrictive properties of low tem- perature sintered PZT ceramics with high concentration LiBiO2 sintering aid[J]. Ceramics International, 2012, 39(1):563-569.

[7]Jeong S J, Kim M S, Lee D S. Relation of the external mechanical stress to the properties of piezoelectric materials for energy harvesting[J]. Journal of the Korean Physical Society, 2013, 63(12): 2 319-2 324.

[8]臧 曦. 压电装置的机电转换性能有限元分析[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012.

[9]Aladwani A, Aldraihem O, Baz A. A distributed parameter cantilevered piezoele- ctric energy harvester with a dynamic magnifier[J]. Mechanics of Advance Dmaterials and Structures, 2014, 21(7): 566-578.

[10]Kim J K, Lee J B, Moon G W. Isolated switch-mode current regulator with inte- grated two boost LED drivers[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(9):4 649-4 653.

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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541624)

魏喜雯(1988-)，女，黑龙江鸡西人，硕士,研究方向：传感器与执行器的基本理论与应用，E-mail:wxw198806@163.com；*通讯作者：史丽萍(1971-)，女，陕西西安人，教授，博士，研究方向：传感器与执行器的基础理论和应用，E-mail：shlp1971@163.com。

O738

A

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