程廷海 王英廷 付賢鵬 趙宏偉 包 鋼 趙希祿

(1.長春工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 長春 130012； 2.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院， 長春 130025；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 哈爾濱 150080； 4.琦玉工業(yè)大學(xué)工學(xué)部機械工學(xué)科, 深谷 3690293)

定質(zhì)量分?jǐn)?shù)交變氣體載荷激勵下壓電陣列發(fā)電機實驗

程廷海1王英廷1付賢鵬1趙宏偉2包 鋼3趙希祿4

(1.長春工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 長春 130012； 2.吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院， 長春 130025；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 哈爾濱 150080； 4.琦玉工業(yè)大學(xué)工學(xué)部機械工學(xué)科, 深谷 3690293)

提出一種定質(zhì)量分?jǐn)?shù)交變氣體載荷激勵的盤型壓電陣列發(fā)電機，設(shè)計了盤型壓電陣列發(fā)電機的樣機結(jié)構(gòu)并對壓電陣列的工作原理進(jìn)行了分析，理論分析結(jié)果表明盤型壓電片具有良好的承載能力，適合對具有較高壓力的氣體能量進(jìn)行收集，壓電發(fā)電量是由氣體壓縮過程中的體積壓縮量、壓縮速度、供氣壓力、周期及流量等多種要素共同決定的。對盤型壓電片進(jìn)行了有限元仿真分析，分析結(jié)果表明盤型壓電片適合對高壓氣體載荷進(jìn)行能量收集與轉(zhuǎn)換，壓電材料的微小變形就可輸出較大的電壓。采用外徑為12 mm、厚度為0.2 mm的壓電單晶片及缸徑為63 mm、行程為150 mm的氣缸設(shè)計了實驗樣機，利用氣動組件來模擬氣體環(huán)境搭建測試系統(tǒng)。分別調(diào)節(jié)壓力、周期、流量等參數(shù)進(jìn)行了實驗測試。實驗結(jié)果表明，當(dāng)壓力固定時，隨著流量的增加峰值電壓逐漸升高，盤型壓電片并聯(lián)式具有較好的效果，當(dāng)5片壓電片并聯(lián)時最佳匹配電阻為3 MΩ且最大的瞬時功率為6.53 μW，輸出功率可滿足低功耗傳感器的能量需求。

壓電陣列發(fā)電機； 定質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 交變氣體載荷； 能量轉(zhuǎn)換

引言

針對不同環(huán)境條件合理地利用能量收集技術(shù)是提高能量收集效率的有效途徑[1-3]。壓電材料具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度大、不受電磁干擾等特點，易于和微電子產(chǎn)品結(jié)合實現(xiàn)集成化與微型化[4-8]。利用壓電材料對低功耗傳感器供能的研究已逐步成為國內(nèi)外壓電能量收集領(lǐng)域研究的熱點[9-13]。

氣動技術(shù)因其具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、無污染等特點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[14]。隨著工業(yè)智能化水平的不斷提高，越來越多的低功耗傳感器、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等被引入到氣動系統(tǒng)，傳統(tǒng)的供能方式不僅會造成環(huán)境的污染，電池的定期更換還會浪費極大的人力物力。因此研究一種針對氣動系統(tǒng)低功耗電子器件供能的發(fā)電機可有效解決上述問題[15-17]。但由于氣動系統(tǒng)中的氣體壓力較大，當(dāng)前普遍采用的梁結(jié)構(gòu)壓電發(fā)電裝置雖然在一定程度上起到發(fā)電的效果，但其仍然難以承受高壓所帶來的巨大沖擊。盤結(jié)構(gòu)壓電片具有良好的抗沖擊能力，但其形變量比懸臂梁結(jié)構(gòu)要小，因此發(fā)電效果在很大程度上受到了影響[18-20]。

針對上述壓電發(fā)電裝置在氣動系統(tǒng)能量回收的現(xiàn)狀，本文提出一種盤型壓電陣列發(fā)電機，借助密閉環(huán)境下定質(zhì)量氣體壓縮所帶來的壓力變化，研究交變氣體載荷激勵下盤型壓電陣列的聯(lián)合發(fā)電特性。以盤型壓電單晶片為例，建立盤型壓電片發(fā)電模型，并進(jìn)行理論分析與仿真研究，制作實驗樣機并搭建測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。

1 壓電陣列發(fā)電機結(jié)構(gòu)

提出一種基于定質(zhì)量分?jǐn)?shù)交變氣體載荷激勵的盤型壓電陣列發(fā)電機，其通過多個盤型壓電振子聯(lián)合作業(yè)來提高發(fā)電能力。圖1為多片盤型壓電片與氣缸共同組成的壓電發(fā)電機，其主要由發(fā)電腔、壓縮腔、活塞以及壓電陣列組成。其中發(fā)電腔基底帶有凹槽，凹槽與壓電陣列可形成多個微型密封腔。當(dāng)活塞受到交變氣體載荷提供的壓力時會對壓縮腔進(jìn)行體積壓縮，由于壓縮腔與發(fā)電腔都是密封空間，與外界沒有氣體質(zhì)量交換，因此壓縮腔與發(fā)電腔內(nèi)的壓力會隨著壓縮腔的體積減小而增大。此時發(fā)電腔與微型密封腔會產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下盤型壓電陣列產(chǎn)生彎曲變形而實現(xiàn)氣體壓力能與電能的轉(zhuǎn)換。

圖1 壓電發(fā)電機結(jié)構(gòu)及原理圖Fig.1 Structure and working principle sketch of piezoelectric energy harvester1.壓電陣列 2.發(fā)電腔 3.壓縮腔 4.活塞 5.氣體負(fù)載 6.摩擦力 7.微型密閉腔

對圖1所示的壓電陣列發(fā)電機，可通過調(diào)節(jié)氣體負(fù)載的供氣壓力及供氣流量使活塞進(jìn)行不同速度的移動。不同的壓力變化可使壓電陣列產(chǎn)生多種電壓輸出形式。

如圖2所示為壓電片與基底粘接方式示意圖。為滿足交變氣體作用下，壓電陶瓷與銅板基板的撓曲變形保持一致，將壓電陶瓷與銅板基板之間進(jìn)行面與面粘接。為使粘接后的壓電片產(chǎn)生較大的形變量，銅板基板與基底采用環(huán)形膠粘的方式進(jìn)行粘接，通過膠粘后銅板基板與基底之間可產(chǎn)生一個微型密封腔，因該腔的存在可使壓電片產(chǎn)生較大的撓曲變形，從而使氣體能量有效地轉(zhuǎn)換為電能。

圖2 壓電片與基底粘接方式示意圖Fig.2 Bonding way on piezoelectric plate and basement1.環(huán)形膠粘區(qū) 2.微型密封腔 3.壓電陶瓷 4.銅板基板 5.基底

2 盤型壓電陣列能量轉(zhuǎn)換原理

由于壓電發(fā)電機是以盤型壓電片作為能量轉(zhuǎn)換媒介，因此需對盤型壓電片在氣體壓力作用下的彎曲撓度及能量轉(zhuǎn)化特性進(jìn)行分析。盤型壓電片會在氣體載荷Px的作用下產(chǎn)生彎曲變形，根據(jù)克希霍夫假設(shè)即盤彎曲時其中面保持中性，盤中面內(nèi)各點無應(yīng)變，只有沿中面法線的撓度；盤變形前中面的法線，在板彎曲后仍為直線，且仍垂直于變形后的中面；平行于中面的各層材料互不擠壓，即板內(nèi)垂直于板面的正應(yīng)力不予考慮且不計算。

如圖3所示，建立了盤型壓電片受力模型，其采用極坐標(biāo)系(r，θ，z)，其中黑色網(wǎng)格區(qū)域為壓電陶瓷材料PZT-5H，白色區(qū)域為銅板基板。因為模型是建立在薄板小撓度的前提下，根據(jù)克希霍夫假設(shè)，可得

圖3 盤型壓電片受力模型Fig.3 Force model of PZT plate1.氣體壓力 2.壓電陶瓷 3.銅板基板

(1)

式中Qr——橫向剪力Rp——壓電陶瓷的半徑

圓板變形后的徑向應(yīng)變εr與周向應(yīng)變εθ分別為

(2)

(3)

由幾何關(guān)系可得

(4)

(5)

盤型壓電片在均布載荷作用下彎曲微分方程為

(6)

式中D′——抗彎圓盤剛度

由于發(fā)電機中的壓電陶瓷與銅板基板需具有一致的撓曲形變，因而采用面與面相粘接的形式，以及銅板基板與發(fā)電腔基底之間采用環(huán)形膠粘方式固定，因此其邊界條件為盤的周邊固支。盤型壓電片的斜率和撓度方程為

(7)

(8)

根據(jù)材料彈性理論及壓電學(xué)知識，圓盤壓電片彎曲變形時應(yīng)力及電場強度關(guān)系為

(9)

(10)

(11)

由式(6)可知，盤型壓電片的撓曲程度與所受壓力Px有關(guān)，壓力越大撓曲程度越大，由方程(7)、(8)、(11)可知，雖然盤型壓電片的承載能力強但其撓曲程度小，導(dǎo)致同等壓力下的放電量小于懸臂梁結(jié)構(gòu)，為此利用多片壓電片之間的串并聯(lián)關(guān)系能有效地提高氣體壓力能轉(zhuǎn)換效率。

3 盤型壓電片電壓輸出仿真

利用ANSYS有限元仿真軟件對盤型壓電片輸出電壓進(jìn)行多物理耦合場仿真分析。在所建立的有限元模型中壓電陶瓷材料和銅板基板分別采用solid45單元和solid226單元進(jìn)行定義，在材料設(shè)置面板進(jìn)行壓電材料屬性設(shè)定，其具體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 盤型壓電片材料和尺寸參數(shù)Tab.1 Material and dimension parameters of PZT plate

建立盤型壓電片三維實體模型，并假定壓電陶瓷片與銅板基板之間采用理想粘接，并且兩種材料在粘結(jié)層上的位移和力是連續(xù)形式。壓電材料采用swap網(wǎng)格劃分形式，銅板基板采用free網(wǎng)格劃分形式，最小的網(wǎng)格單元為0.1 mm。分別對銅板基板的底面及壓電材料的上表面進(jìn)行結(jié)點耦合，并將銅板基板底面設(shè)置為零勢能面。銅板基板周圍需施加x、y、z方向自由度約束，并在盤型壓電片上表面施加壓力載荷。如圖4所示為盤型壓電片軸向位移云圖。

圖4 盤型壓電片位移云圖Fig.4 Displacement cloud chart of PZT plate

如圖4所示，在盤型壓電片上表面內(nèi)施加均布?xì)怏w壓力載荷后，壓電片會產(chǎn)生位移變化，由云圖可以看出，在壓電片的中心區(qū)域會產(chǎn)生最大的變形量，其變形位移為9.12 μm，即說明盤形結(jié)構(gòu)在承受氣體均布載荷激勵時可較好地保護(hù)陶瓷壓電材料，使之不易發(fā)生過大變形而產(chǎn)生斷裂。

圖5所示為盤型壓電片電壓輸出云圖。在有限元仿真分析時，為了更準(zhǔn)確地得到仿真結(jié)果，盤型壓電片采用機械周向固定約束，并將壓電片置于電學(xué)開路條件下進(jìn)行有限元分析，其仿真狀態(tài)與將采用的實驗條件一致。

圖5 盤型壓電片電壓輸出云圖Fig.5 Output voltage cloud chart of PZT plate

通過計算得出，在定質(zhì)量氣體交變載荷激勵環(huán)境下，當(dāng)輸出端氣壓達(dá)到150 kPa時，盤型壓電片的開路電壓輸出最大可達(dá)3.97 V。仿真結(jié)果表明，在氣體壓力作用下盤型壓電片適合對交變氣體載荷進(jìn)行能量收集與轉(zhuǎn)換，壓電材料在微小變形的情況下就可輸出較大的電壓。

4 盤型壓電陣列實驗系統(tǒng)搭建與測試

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行樣機設(shè)計，所設(shè)計的樣機選用直徑為12 mm，厚度為0.2 mm的壓電陶瓷材料，銅板基板為直徑16 mm，厚度0.2 mm?；袔в谐令^孔，直徑為14 mm，以便產(chǎn)生壓力差。制作樣機時采用密封膠對壓電片進(jìn)行環(huán)形粘接，處于基底與壓電片之間的環(huán)形密封膠厚度大約為0.1 mm。進(jìn)氣孔直徑為10 mm，容腔內(nèi)徑為60 mm。為了產(chǎn)生定質(zhì)量氣體交變載荷激勵效果，選用缸徑為63 mm，行程為150 mm的雙作用氣缸進(jìn)行實驗研究。圖6為盤型壓電發(fā)電機樣機實物圖。

圖6 盤型壓電發(fā)電機樣機實物圖Fig.6 Prototype of piezoelectric plate energy harvester1.發(fā)電腔 2.壓縮腔 3.活塞 4.容腔 5.壓電單晶片 6.基底

圖7 壓電發(fā)電機性能測試實驗系統(tǒng)Fig.7 Test system of piezoelectric energy harvester1.流量傳感器 2.壓力傳感器 3.節(jié)流閥 4.換向閥 5.調(diào)壓閥 6.頻譜分析儀 7.實物樣機

壓電陣列發(fā)電性能測試實驗系統(tǒng)如圖7所示，整套實驗系統(tǒng)分別由調(diào)壓閥、換向閥、節(jié)流閥、流量傳感器、壓力傳感器、頻譜分析儀和實驗樣機組成，高壓氣體需通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力，其壓力數(shù)據(jù)由壓力傳感器進(jìn)行采集。換向閥可控制密閉腔內(nèi)高壓氣體的流入與流出，節(jié)流閥可進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，氣體流量參數(shù)可以通過流量傳感器進(jìn)行測量，調(diào)節(jié)好的氣體進(jìn)入氣缸活塞桿一端的進(jìn)氣口作為氣體壓力載荷。交變的氣體壓力載荷使密封在缸筒內(nèi)部的定質(zhì)量氣體壓縮從而壓縮壓電片產(chǎn)生變形。在壓縮氣體的作用下壓電發(fā)電陣列可進(jìn)行電能輸出，輸出的電壓通過頻譜分析儀進(jìn)行測試與記錄。

發(fā)電腔內(nèi)的壓電片發(fā)電過程可分為3個階段：①當(dāng)壓縮氣體進(jìn)入容腔時壓電片會產(chǎn)生變形從而進(jìn)行電能的輸出。②當(dāng)發(fā)電腔與微型密閉腔產(chǎn)生壓力差時，容腔內(nèi)部的5片壓電陣列都會因壓差而產(chǎn)生變形。③當(dāng)壓力又重新回到原有氣壓時偏離平衡位置的5片壓電片會回彈，從而產(chǎn)生負(fù)向電流輸出。

實驗中所使用的各元件已通過性能檢測與參數(shù)標(biāo)定，調(diào)壓閥、換向閥和節(jié)流閥適用壓力范圍為0～1.0 MPa，流量傳感器使用壓力范圍在0～0.75 MPa之間，流量調(diào)節(jié)范圍是50～500 L/min，最小調(diào)節(jié)單位為5 L/min。壓力傳感器的壓力調(diào)節(jié)范圍為0～1.0 MPa，其最小測量精度為10 kPa。頻譜分析儀是美國泰克公司生產(chǎn)的四通道檢測設(shè)備，可進(jìn)行時域與頻域分析。實驗系統(tǒng)中各元件信息如表2所示。

為更好地研究其發(fā)電性能進(jìn)行了實驗測試。實驗過程中，由換向閥提供交變氣體載荷壓力，如圖8所示為交變載荷壓力處于150 kPa，中央A片壓電片的施加氣體載荷周期與峰值電壓的輸出規(guī)律曲線。為了確保實驗的準(zhǔn)確性，每個數(shù)據(jù)點都進(jìn)行了多次測量，并且在圖8曲線中附有誤差線，可以看出實驗誤差在合理的范圍內(nèi)。實驗結(jié)果表明，隨著周期的增加峰值電壓會減小，而隨著負(fù)載流量的增加峰值電壓顯著提高。因此，周期與負(fù)載流量對電能的輸出有重要影響。當(dāng)負(fù)載流量為150 L/min、周期為2.5 s時，可獲得最大峰值電壓，為3.45 V。

表2 實驗系統(tǒng)元件型號Tab.2 Component model of experiment system

圖8 A片壓電片周期與峰值電壓的輸出規(guī)律曲線Fig.8 Curves between cycle and peak voltage of PZT plate

圖11 不同負(fù)載電阻下輸出電壓和瞬時功率Fig.11 Different output voltage and instantaneous power under resistance load

為了明顯表征實驗結(jié)果，以中央A片盤型壓電片為基準(zhǔn)進(jìn)行多片壓電陣列并聯(lián)測試的對比研究。圖9為不同并聯(lián)數(shù)量壓電片的周期與峰值電壓關(guān)系曲線。圖9表明，多片壓電片的并聯(lián)電壓明顯高于單片壓電片的輸出電壓，這與簡單的電路并聯(lián)規(guī)律相悖，由圖9還可以看出在多片壓電片的耦合作用下其輸出電壓隨著并聯(lián)的壓電片數(shù)量增加而增加。當(dāng)壓電片數(shù)量增至5片時，其輸出電壓達(dá)到最大。周期選為2.50 s、負(fù)載流量為150 L/min時，5片并聯(lián)壓電片的峰值電壓最大可達(dá)到6.29 V。

圖9 不同并聯(lián)數(shù)量壓電片周期與峰值電壓關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between cycle and peak voltage with different numbers of PZT plate

研究表明，交變載荷周期越小，輸出電壓越大，5片盤型壓電片并聯(lián)時具有最大的開路輸出電壓，因此選擇最小交變周期為2.5 s，5片壓電片并聯(lián)的方式進(jìn)行研究。

圖10為5片并聯(lián)周期為2.5 s，不同負(fù)載壓力下的負(fù)載流量與峰值電壓關(guān)系曲線。隨著負(fù)載流量的增加，5片并聯(lián)的電壓輸出依然呈明顯的上升趨勢。隨著負(fù)載壓力的增加，峰值電壓也具有上升的特點，當(dāng)壓力為200 kPa、流量為150 L/min時，最大的峰值電壓為7.81 V。

圖11為不同負(fù)載電阻下多片壓電峰值電壓與瞬時功率，負(fù)載壓力為200 kPa、負(fù)載流量為150 L/min、周期為2.5 s。外接負(fù)載電阻為10 MΩ的峰值電壓為6.61 V，而此時最佳匹配電阻為3 MΩ，最大瞬時功率為6.53 μW。

圖10 不同負(fù)載壓力下流量與峰值電壓關(guān)系曲線Fig.10 Relationship curves between flow and peak voltage under different load resistances

5 結(jié)論

(1)設(shè)計的壓電陣列發(fā)電機可以通過對氣動參數(shù)，如壓力、流量、換向周期等的改變來對其發(fā)電量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)多片壓電陣列耦合發(fā)電可以達(dá)到提高發(fā)電量的目的，在調(diào)節(jié)氣體參數(shù)的前提下對壓電片進(jìn)行合理的并聯(lián)可有效提高壓電發(fā)電機的發(fā)電功率。

(3)通過實驗測得壓電陣列發(fā)電機的發(fā)電功率處于微瓦級水平，若合理增加壓電陣列數(shù)量則可滿足低功耗電子器件的用電需求，因此需在能量存儲上進(jìn)行深入研究。

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Experiment on Piezoelectric Plate Array Energy Harvester Excited by Alternate High Air Pressure with Constantly Gaseous Mass

CHENG Tinghai1WANG Yingting1FU Xianpeng1ZHAO Hongwei2BAO Gang3ZHAO Xilu4

(1.SchoolofMechatronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012，China2.SchoolofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025，China3.SchoolofMechatronicEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150080，China
4.DepartmentofMechanicalEngineering,SaitamaInstituteofTechnology,Saitama3690293，Japan)

A piezoelectric plate array energy harvester was proposed, which was excited by constant mass compressed gas, and the alternate high air pressure can be recovered. The structure of the system and working principle of the presented harvester were introduced, and the theoretical and experiment were analyzed. The theoretical analysis results showed that the piezoelectric plate had high bearing capacity and it can collect the compressed gas energy effectively. The piezoelectric harvester was subjected by various parameters such as compression volume and compression speed. The expected effect can be adjusted by changing different parameters. The diameter and thickness of piezoelectric unimorph were 12 mm and 0.2 mm, respectively. The diameter and distance of cylinder were 63 mm and 150 mm and the prototype were fabricated. The test system was built to research the rules and performances of piezoelectric array energy harvester. In the test, the pressure, cycle and flow were adjusted. Experimental results showed that the output voltage was simultaneously increased with the increase of flow when the pressure was fixed. With the increase of parallel number of piezoelectric plates, the output power was increased either. It had optimal effect when the five piezoelectric plates were parallel connected. The optimal load resistance was 3 MΩ and instantaneous power was 6.53 μW under the five piezoelectric plates parallel.

piezoelectric array energy harvester; constantly gaseous mass; alternate high air pressure; energy transformation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.055

2016-06-13

2016-07-31

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20150312006ZG)、吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉教科合字[2016]第332號)、中國博士后科學(xué)基金面上項目(2015M571356)和教育部“春暉計劃”合作科研項目(Z2015023)

程廷海(1983—)，男，副教授，主要從事壓電發(fā)電和壓電驅(qū)動技術(shù)研究，E-mail： chengtinghai@163.com

TH49

A

1000-1298(2017)02-0407-06