动能转化成电能

振动能量转化成电能一、压电式1.1 压电效应压电材料的压电效应，成为了机械能转换为电能最简单的一种方式。

当某些电介质受到一定方向的外力作用并发生一定形变时，它的内部会产生极化现象使得它的两个相对表面上出现正负电荷，产生电场。

当外力消失后，形变随之消失，它恢复不带电状态。

这种现象就是压电效应。

压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。

所谓正压电效应，当被极化的晶体受到某固定方向外力的作用时，晶体内部产生电极化的现象，同时在对应表面积聚极性相反的电荷；而当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力形变所产生的电荷量与外力的大小成正比。

我们经常利用正压电效应原理制作压电式传感器。

逆压电效应又被称作是电致伸缩效应，即当对被极化的晶体某两个表面施加交变电场引起晶体周期性机械变形的现象。

我们通常利用逆压电效应来制作高频振动器件，例如超声马达等。

压电敏感元件的受力变形共有5种，分别是厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型。

但压电晶体通常是是各向异性的，也就是说并非所有晶体都能在这5种状态下产生生逆压电效应。

例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

某些煤气灶和热水器中便用到了压电效应。

在一些煤气灶和热水器中安装有一种压电点火装置，压电点火装置中有一块压电陶瓷。

当人们用力按下点火开关时，压电点火装置中的传动装置将力传递至压电陶瓷上，压电陶瓷由于受到外力便会产生高压，压电陶瓷的电能被引至燃气出口处放电，于是，电火花便将燃气点燃。

1.2 压电应力模式压电能量采集可以利用压电材料的两种工作模式，如下图所示，分别为以d31和d33模式。

d31模式的压电能量采集器所受的应力方向与极化方向垂直，电极层在压电层的上下表面，如下图所示。

而d33模式的压电能量采集器所受的应力方向与极化方向平行。

通常压电层上表面采用正负交错的叉指型电极，下表面直接与弹性层相连接。

1.3 压电回收结构近年来，国内外学者对压电式能量回收技术进行了大量研究。

目前，国内外学者研究的典型的压电式能量回收装置按结构分有两种：悬臂梁式和圆膜式，它们的结构如下图所示。

悬臂梁式圆膜式悬臂梁式支撑方式采用梁一端固支，另一端自由的方式，其系统最容易获得最大挠曲与柔顺系数，也就是说容易产生弯曲变形，而一端固支，也保证了自由振动时只会产生弯曲变形，扭转变形极小，因此保证了转化效率；而且悬臂梁系统可以通过在自由端加装质量块的方式调节系统谐振频率。

圆膜式支撑方式是采用周边固支或者简支的压电圆盘结构，这种结构适用于周期性载荷较大的情况下，能产生周期性的电压，且结构稳定。

1.4 压电能量采集现状2004年澳大利亚国立大学的Shad Roundy等人设计并建立了能够收集低水平振动能的基于压电材料悬臂梁装置，该装置在合适的条件下能够为无线网络提供足够电能。

2005年他们对这种装置进行了改进，使其能够在不同的机械振动频率能量收集效率达到更高。

2011年同济大学的赵鸿铎等人研究了基于压电效应的路面能量收集技术，该技术是通过运用路面的应力驱动和振动驱动能来进行能量转换。

在初步的室内试验中，置于沥青混凝土试件中的钹式压电换能器阵列在20Hz，峰值为0.7MPa载荷的作用下，可产生高达254V的电压，并且可点亮8个LED灯。

经过对钹式压电换能器优化和仿真分析，在20Hz，0.7MPa的载荷作用下，单个钹式压电换能器可获得的电能最高可达1.2mW。

上海交通大学采用MEMS工艺制作了悬臂梁发电结构，以PzT薄膜作为换能器构成发电系统，在负载电阻为20.4kΩ时，谐振频率点功率可达到1.15W。

由于近年来MEMS技术和微功耗集成电路技术迅速发展，压电薄膜技术研制的微型振动能量收集器也越来越多。

因此，压电式振动能量收集器在无线网络和MEMS领域的运用将会越来越广泛。

由于压电材料得到的电压一般为交流电压，需要设计电能收集模块将电压变换后再输出应用。

电能收集模块一般包括三部分，先将电压进行整流和滤波，然后再进行DC／DC电压转换，最后才输出。

压电式能量回收结构简单，不需要外部电压输入，不需要额外的配件，一般适用于高频振动。

由于压电材料自身具有阻抗高的特性，压电式得到的电能电流较小电压较高。

这种方法由于使用了压电材料，也存在一些难以避免的缺点，如压电材料的老化与极化问题，压电材料易碎，容易损坏，压电薄膜的耦合系统小，输出阻抗高。

二、电磁式2.1 电磁原理电磁式能量收集方法主要用到了电磁感应原理，通过线圈在磁场中发生相对运动产生感应电动势，实现能量转换。

物理学家指出了实质其实是导体中磁通量的变化；并且根据其产生的不同将感应电动势分为感生电磁感应的电动势和动生电动势两种。

所谓感生电动势，是指固定回路中磁场发生变化，从而引起回路磁通量发生变化所产生的电动势，它的产生来源是变化的磁场产生了有旋电场，在有旋电场的作用下导体中电子进行了有序的排列产生了电动势。

而动生电动势，则是指导体在在恒定磁场中运动导致回路磁通量发生了变化，进而产生的电动势，它的来源是磁场对运动导体中带电粒子的洛伦兹力。

它通常由线圈，磁铁和一个谐振的振动结构组成，当整个结构谐振时线圈所生成的能量存在有最大值。

根据振动部件的不同，可以把电磁式能量回收分为磁铁振动、线圈振动和磁铁线圈共同振动三种类型。

2.2 电磁能量采集现状国内电磁技术的发展主要面向高效化，大型化。

国内日前主要的发电机组调备都是基于法拉第电磁感应定律，其实也是电磁发电技术发展的一个方向。

目前国内对基于电磁原理收集利用环境能量的微能源系统的研究多滞留于理论阶段，具体应用和产品几乎没有。

重庆大学光电工程学院的温中泉111,121等人从2000年开始研究一种拾振系统和多层感应线圈组成的微型电磁式振动能量采集器，如图下图所示。

拾振系统由永磁体和平面弹簧构成。

当永磁体在外界振动作用下上下运动时，线圈中产生感应电流。

经过实验测试，该电磁式能量采集器的典型工作频率为122Hz，开路电压254.7mV，在接1kQ负载时，输出电压为134.3 mV，输出功率为18.04mW。

电磁式采集器发电原理模型拾振系统模型S．P．Beebyil等人对具备相同磁路的大尺寸电磁换能装置和小尺寸电磁换能装置进行了实验比较。

大尺寸换能装置和小尺寸换能装置分别如图下所示。

在振动加速度为3rrds2时，大尺寸电磁换能装置的输出功率密度为2615nW／mm3，小尺寸电磁换能器的输出功率密度为47nW／mm3。

实验结果表明，当尺寸减小时，换能器得到电磁耦合的困难也增加，且小尺寸电磁换能装置不能传递实际的输出电压和输出功率水平，因此，体积大是电磁式能量收集方法不可避免的一个特点。

电磁换能装置电磁式能量回收系统由于不需要智能材料，所以成本低，输出功率大，另外它也不需要外加电压。

缺点是产生的感应电压量很低，并且系统体积受到弹簧和应用场所限制的。

其输出功率随着系统体积的减小而大幅降低。

正因为它体积大，所以这种能量回收方法难以微型化。

电磁式的共谐频率一般为低频。

相对于压电式和静电式来说，电磁式更适合宏观领域。

三、静电式3.1 静电原理静电式能量收集方法的基本原理是利用外界振动克服极板电容间的静电力，使机械能转换为电能。

外界振动通过改变极板之间的相对面积或间距，使极板间电容发生变化。

根据工作过程中，电容极板间的电量和电压的变化情况可将静电式能量收集方法分为电量恒定和电压恒定两大类。

当电容间电量恒定时，电容值发生变化，则极板间电压值会发生变化。

当电容极板间电压恒定时，振动使得电容极板的位置发生变化，极板间电容值发生变化，极板间电量发生变化导致电荷流动。

不论是电量发生变化还是电压发生变化，都会导致原有的电能发生变化。

从而实现了机械能向电能的转换。

静电式按运动方式可分为如下图所示的三种方式。

它们分别为改变叉指交叠面积，改变叉指间距，和改变两片大板之间间距。

通过研究，S．Roundy发现三种运动方式按产生的能量从小到大排列为：改变叉指交叠面积最小，改变两片大板间距居中，改变叉指间距最大。

同时，在极板间距取极小产生能量达到最大值。

静电式能量收集能够很好的与MEMS工艺相兼容。

静电式机构的三种运动方式3.2 静电能量采集现状ChengkuoLee，Ye MeiLira等人提供了一种系统的方法，用来比较这三种运动方式的能量收集能力，并且研究了真空环境下，以获取最大能量为目标，MEMS能量收集器的相关参数的优化设计。

静电式能量采集装置是利用外界振动引起电容极板的振动，将机械能转化成电能。

在工作过程中，电容极板问的电压恒定的，当电容极板运动时，电容量发生变化，这样就引起电容极板上面的电荷量发生变化，即生成电流。

加利福利亚大学伯克利分校的Shad．Roundy 等人设计了如图1．2所示的静电式能量采集装置121，当改变叉指的结构尺寸时，都会产生输出电流。

静电式能量采集装置与MEMS工艺有很好的兼容性，更容易实现微型化，但是需要额外的初始极化电压或者电荷。

台湾交通大学的Y Chiu和V F GTseng设计并搭建了一种静电式振动能到电能的换能器，并进行了实验测试。

该换能器通过增加一个外部质量块来调节装置的谐振频率。

在具备49的外部质量块条件下，外部电源为3.6V，振动加速度为2.25m/s2时，装置的输出功率为31pW。

在无外部质量块，在振动加速度为32.5m/s2，谐振频率为1870Hz，输出接5MΩ电阻时，输出交流功率为1.2uW。

虽然静电式容易实现微型化，但是由于它需要外部电源提供初始极化电压或电荷，所以难以集成化。

同时，它需要同步开关，存在机械方面的约束，处理电路复杂。

四、磁致伸缩式4.1 磁致伸缩原理磁致伸缩式能量收集方法主要基于磁致伸缩效应。

磁致伸缩效应是指在外界磁场作用下，磁致伸缩材料的尺寸发生变化，当去掉外磁场后，它又恢复原来的尺寸这样一种效应。

这种效应有纵向磁致伸缩，横向磁致伸缩，体积磁致伸缩三种表现形式。

纵向磁致伸缩的尺寸大小变化是沿着外磁场方向；横向磁致伸缩的尺寸大小变化是垂直于外磁场；体积磁致伸缩是体积大小的相对变化。

这三种表现形式都是可逆的。

其中运用最广泛的是纵向磁致伸缩。

当外界振动使磁致伸缩材料受到变化应力作用后，便产生变化磁场，置于变化磁场中的线圈便会产生感应电动势，将振动能转换为电能。

4.2 碰致伸缩现状美国北卡罗莱纳州立大学的Lei Wang等人设计了一种基于磁滞伸缩材料Metglas 2605SC的振动能量收集器。

他们通过将哈密顿原理和欧拉伯努利栋梁方程结合，将磁致伸缩式振动能量收集器等效为广义机电电路模型来分析。

他们设计了与为无线网络供电的电能收集电路，所收集电路采用超级电容来存储。