曹建波， 徐 閣， 鄂世舉， 高 昭， 張海艇， 夏文俊， 周 武

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

0 引 言

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同，可以將發(fā)電技術(shù)分為電磁式、光電式、壓電式和靜電式等類型.為了探索新的發(fā)電方法，可以將2種或2種以上不同的發(fā)電技術(shù)復(fù)合在一起同時(shí)進(jìn)行發(fā)電.

工業(yè)生產(chǎn)用電最早開始利用的是化學(xué)能電池，直到今天的照明、交通、移動(dòng)電子設(shè)備都仍然在使用電池.自Faraday 于1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)以來，業(yè)界利用這個(gè)原理制造了大量的傳統(tǒng)電機(jī)，現(xiàn)在電磁式發(fā)電機(jī)仍然是國民生產(chǎn)及生活中最主要的變電方式；我國的光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟，未來將處于普及的態(tài)勢，它是民用電的重要組成部分；壓電片是一種高精度的機(jī)電換能器件，主要用于微機(jī)電產(chǎn)品中，采用它制成的壓電線性驅(qū)動(dòng)器、傳感器可靠性高.壓電材料具有能量密度高、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，是復(fù)合俘能系統(tǒng)中的一種常見材料；靜電式發(fā)電原理是利用可變電容進(jìn)行機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換，常采用電活性聚合物(electroactive polymers,EAPs)作為電容的電介質(zhì).

復(fù)合發(fā)電技術(shù)是根據(jù)特定俘能環(huán)境結(jié)合不同發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出俘能頻帶更寬、系統(tǒng)峰值更高的新型發(fā)電機(jī).目前，國內(nèi)外研究復(fù)合俘能發(fā)電技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)階段，且多是針對某一類發(fā)電技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化.由于壓電-電磁復(fù)合俘能技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)，因而這種方式的發(fā)電技術(shù)占被研究的絕大部分；隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，EAPs與其他材料復(fù)合發(fā)電逐步成為研究的熱點(diǎn)，如文獻(xiàn)[1]介紹了EAPs與太陽能電池復(fù)合俘能系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]介紹了EAPs與駐極體復(fù)合俘能系統(tǒng).

1 發(fā)電技術(shù)理論分析

典型的機(jī)電換能系統(tǒng)有電磁式發(fā)電機(jī)、壓電式發(fā)電機(jī)、介電彈性體發(fā)電機(jī)(dielectric elastomer generator，DEG)等.單一的俘能系統(tǒng)與發(fā)電技術(shù)是組成復(fù)合俘能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，研究其原理有助于優(yōu)化俘能系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

1.1 電磁式發(fā)電技術(shù)

工業(yè)生產(chǎn)中的火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等形式，基本原理都是Faraday電磁感應(yīng)定律.當(dāng)通過閉合導(dǎo)線的磁通量發(fā)生改變時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電流，回路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小等于通過該回路的磁通量變化率.其表達(dá)式為

(1)

式(1)中：ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(V)；Φ為穿過閉合電路的磁通量(Wb).

通常情況下，電磁式發(fā)電機(jī)可以分為3類：旋轉(zhuǎn)式、諧振式和混合式.旋轉(zhuǎn)式同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，現(xiàn)代電力網(wǎng)中的巨大電能幾乎全部由同步發(fā)電機(jī)提供.三相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，每相感應(yīng)電勢有效值為

E=4.44NfΦKw1.

(2)

式(2)中:N為繞組的匝數(shù);感應(yīng)電勢頻率f=pn/60,p為極對數(shù),n為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速;繞組系數(shù)Kw1=KyKq,短距系數(shù)Ky=cos(β/2),β為短距角,分布系數(shù)Kq=sin(qα/2)/[qsin(α/2)],通常Kq為0.92～1.00,q為每極每相槽數(shù),α為槽距角.

圖1 同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

諧振式電磁俘能器工作于振蕩環(huán)境中，通常利用銅線圈與永磁鐵磁場的相對運(yùn)動(dòng)來獲取能量.圖2是Toyota設(shè)計(jì)的直線式電磁發(fā)電機(jī)示意圖[3].

圖2 Toyota直線式電磁發(fā)電機(jī)

用等效磁荷[4]計(jì)算永磁鐵磁場強(qiáng)度是一種簡單而實(shí)用的方法，其磁場強(qiáng)度為

(3)

式(3)中：φm為標(biāo)量磁位；σm為面磁荷密度；μ為磁導(dǎo)率；r為源點(diǎn)與場點(diǎn)之間的距離；s為永磁鐵的極性端面面積.以永磁鐵的幾何中心為空間直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，N-S極軸線方向?yàn)閦軸，那么空間任意場點(diǎn)在該永磁鐵系統(tǒng)中的磁場強(qiáng)度為

H=H+-H-=

(4)

式(4)中：H+,H-為兩極磁荷產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度；s+,s-為兩極磁荷的源端面積；r+,r-為兩極源點(diǎn)到場點(diǎn)的距離.磁感應(yīng)強(qiáng)度B=μH，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢為

U=kBLv.

(5)

式(5)中：k為比例系數(shù);B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；L為線圈長度；v為線圈的運(yùn)動(dòng)速度.

混合式電磁俘能系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)式和諧振式的復(fù)合，它利用的是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將2種運(yùn)動(dòng)形式組合在一起，設(shè)計(jì)出效率更高的發(fā)電機(jī).電磁式發(fā)電機(jī)是目前最穩(wěn)定的發(fā)電技術(shù)，有關(guān)它的新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料制造將一直會是研究的熱點(diǎn).

1.2 壓電發(fā)電技術(shù)

1880年壓電效應(yīng)被居里兄弟發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓電晶體在外力作用下產(chǎn)生形變時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在受力的相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的等量異種電荷，當(dāng)外力撤出后就恢復(fù)到初始不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為正壓電效應(yīng)，該現(xiàn)象的逆過程被稱為逆壓電效應(yīng)，圖3所示為正壓電效應(yīng).生活中最常見的壓電晶體是打火機(jī)中的壓電陶瓷點(diǎn)火器，在點(diǎn)火時(shí)可產(chǎn)生3 000～6 000 V的電壓，其電流量為μA級別.

圖3 正壓電效應(yīng)

壓電諧振式發(fā)電機(jī)一般以D31型壓電陶瓷作為換能器，圖4為一種典型的雙晶片壓電懸臂梁俘能器模型.

圖4 壓電懸臂梁

上述俘能器在環(huán)境激勵(lì)為x(t)=Xsin(ωt)的作用下,懸臂梁的相對位移為z(t)=Zsin(ωt-φ)，壓電片所受到的力為

(6)

式(6)中：m為物塊的質(zhì)量；Z為振幅;ω為諧振激勵(lì)的頻率；φ為激勵(lì)與懸臂梁運(yùn)動(dòng)的相位差.在壓電學(xué)中，D31型壓電片的表面電荷為

(7)

式(7)中：d31為橫向壓電系數(shù)；l為壓電片的長度；h為壓電片的厚度.壓電片的等效電容為C=ε33A/h=ε33lb/h，其中：A為壓電片的表面面積；b為壓電片的寬度；ε33為介電常數(shù).壓電式懸臂梁俘能系統(tǒng)的輸出電壓可表示為

(8)

壓電陶瓷(pbbased lanthanumdoped zirconate titanates，PZT)是一種重要的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，用它制成的俘能器輸出電壓高，但連續(xù)電流一般比較小.它易于制作的特點(diǎn)，使我們可以根據(jù)特定的俘能環(huán)境對其進(jìn)行組合拓?fù)?，設(shè)計(jì)出符合要求的發(fā)電系統(tǒng).壓電性是機(jī)電換能的一種現(xiàn)象，很多材料具有壓電性，比較典型的高分子駐極體材料(polyvinylidene fluoride，PVDF)是20世紀(jì)70年代在日本發(fā)現(xiàn)的一種性能穩(wěn)定、質(zhì)地柔軟的壓電材料.

研究表明，經(jīng)拉伸的PVDF壓電薄膜在高溫強(qiáng)電場下極化后具有高分子材料中最強(qiáng)的壓電效應(yīng)，其壓電常數(shù)d比石英高10多倍，比PZT低，是PZT的10%～20%[5].PVDF的聲阻抗為3.5×10-6Pa·s·m-3，僅為PZT壓電陶瓷的1/10，它的聲阻抗與人體肌肉的聲阻抗很接近，且柔順性好，便于貼近人體，因此，適合制造可穿戴的發(fā)電設(shè)備.

1.3 介電彈性體發(fā)電機(jī)(DEG)技術(shù)

最早關(guān)于EAP的研究報(bào)道[6]來自于1880年德國理論物理學(xué)家Roentgen，他發(fā)現(xiàn)了一端固定的橡膠帶在電場作用下長度會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為Maxwell現(xiàn)象.最早開始研究介電彈性體發(fā)電機(jī)的是斯坦福研究所(Stanford Research Institute，SRI)，圖5所示為SRI研制的波浪能DEG[7].

DEG發(fā)電技術(shù)的原理是EAPs可變電容兩電極上電荷在材料收縮的過程中，通過庫倫力做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其過程如圖6所示.可變電容的大小為

C=ε0εrA/z=ε0εrV/z2.

(9)

式(9)中:A為電極面積；V為EAP的體積；z為介電彈性體的厚度.拉伸后電容C與原電容C0之間滿足

(10)

圖5 SRI研制的波浪能DEG

圖6 EAP的發(fā)電原理

因?yàn)榧僭O(shè)EAPs材料各向同性且不可壓縮，其中λ為沿力方向長度的拉伸率，則電容厚度的變化率為1/λ.式(10)中:z0為機(jī)械拉伸前的電容值.假設(shè)在EAPs收縮時(shí)電荷守恒，Q=C0U0=CUEAP，則電容瞬時(shí)電壓UEAP與原電壓滿足UEAP=U0/λ2.收縮時(shí)拉伸率λ< 1，在外加偏置恒電壓的發(fā)電方式下，EAPs恢復(fù)原狀態(tài)時(shí)電壓是升高的.

介電彈性體是一種超彈性材料，其非線性的機(jī)電轉(zhuǎn)換特性引起了眾多學(xué)者的關(guān)注.關(guān)于其機(jī)電轉(zhuǎn)換特性的建模，通常采用應(yīng)變能密度函數(shù)[8]進(jìn)行描述，應(yīng)變能函數(shù)種類繁多，一般通過實(shí)驗(yàn)得出.例如Yeoh函數(shù)是一種適合描述EAPs的大形變、單向拉伸力學(xué)行為的應(yīng)變能函數(shù)模型.

Yeoh根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出了適合橡膠材料的大形變(應(yīng)變大于200%)應(yīng)變能函數(shù)

(11)

對系數(shù)C10,C20,C30一定要選擇恰當(dāng)，不然這些系數(shù)沒有任何明顯的物理意義.根據(jù)超彈性理論，介電彈性體(dielectric elastomer,DE)主應(yīng)力可以通過上述應(yīng)變能函數(shù)對主變形率求導(dǎo)獲得，即

(12)

式(12)中,p為靜水壓力，由動(dòng)力學(xué)邊界條件決定.當(dāng)沿厚度方向?qū)殡姀椥泽w施加電壓時(shí)，材料所處的應(yīng)力狀態(tài)σi及拉伸λi如圖7所示.

圖7 DE應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)

設(shè)σMaxwell為材料所受的兩平行柔性電極間的垂直等效Maxwell靜電應(yīng)力，則

(13)

式(13)中，S為受力面積.對于沒有進(jìn)行預(yù)拉伸且邊界條件自由的介電彈性體膜，當(dāng)在厚度方向施加電壓激勵(lì)時(shí)，其3個(gè)主方向的拉伸率λi和σi滿足

(14)

式(14)中,ε3為DE厚度方向的應(yīng)變.結(jié)合應(yīng)變能函數(shù)，則3個(gè)方向主應(yīng)變滿足

(15)

所以靜水壓力為

(16)

DE厚度方向的應(yīng)力為

(17)

所以DE的機(jī)電關(guān)系滿足

(18)

EAPs開始是用于驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域，如圖8所示[9].

圖8 四肢靠EAP驅(qū)動(dòng)的昆蟲機(jī)器人

近年來，研究人員利用該材料進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了多種發(fā)電機(jī).

DEG發(fā)電原理是可變電容發(fā)電，研究其機(jī)電轉(zhuǎn)換關(guān)系的目的是設(shè)計(jì)精度更高的驅(qū)動(dòng)器與提高發(fā)電機(jī)效率.DEG的技術(shù)難點(diǎn)在于其發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和新型電極材料的探索.

1.4 駐極體發(fā)電技術(shù)

駐極體是指一類能長期帶電的電介質(zhì)材料.其帶電包括電介質(zhì)本身極性單元取向形成的偶極子及內(nèi)部離子的移動(dòng)和由外部注入的空間電荷.當(dāng)駐極體表面存在電極時(shí)，電極上會感應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電荷.由于駐極體一般都是絕緣材料，補(bǔ)償電荷通常不能與駐極體內(nèi)部的電荷復(fù)合.

駐極體的制備通常有熱極化法、光輻射法和電暈法等，電暈法是最常用的方法.該方法是利用高壓電尖端放電，將空氣中電離的帶電粒子在電暈電場的作用下注入到材料中.圖9所示為利用負(fù)高壓放射電子制備駐極體的方法，其中在材料表面放置金屬柵網(wǎng)，有助于電子在駐極體中進(jìn)行均勻分布[10].

圖9 電暈法制備駐極體

駐極體發(fā)電機(jī)的工作原理是靜電感應(yīng)效應(yīng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)在原始狀態(tài)時(shí)，上電極、駐極體、下電極三者的電場處于平衡狀態(tài).當(dāng)基板被機(jī)械力壓縮時(shí)，感應(yīng)電荷通過外電路在兩極板間重新分配，形成電流.當(dāng)外力撤去，兩基板恢復(fù)原來狀態(tài)時(shí)，電荷回流構(gòu)成新的平衡.該型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電為交流電，可以外接單相橋式整流濾波電路，將其變成直流電供負(fù)載使用.圖10所示為一種駐極體原型機(jī)[11]，該原型機(jī)由懸臂梁和駐極體材料組成，駐極體跟隨懸臂環(huán)境振動(dòng).其中梁-質(zhì)量系統(tǒng)傳遞機(jī)械能，電極-駐極體-空氣-反向電極構(gòu)成機(jī)電傳遞結(jié)構(gòu).

圖10 駐極體原型機(jī)

1.5 現(xiàn)階段發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

電磁式發(fā)電技術(shù)無需外部電源，輸出電流高、輸出阻抗小、機(jī)械阻尼小、系統(tǒng)魯棒性高且可持續(xù)運(yùn)行.但其小型化比較復(fù)雜，裝配技術(shù)難度大，工作在低頻狀態(tài)時(shí)，效率低且存在線圈損耗；壓電式發(fā)電技術(shù)輸出電壓高、電容值大、能量密度高.但輸出電流小、輸出阻抗高，在低頻環(huán)境下，壓電材料存在自放電現(xiàn)象；靜電式俘能系統(tǒng)便于加工制造，該發(fā)電技術(shù)傾向于工作在低頻率，符合可穿戴發(fā)電技術(shù)的要求.靜電式發(fā)電技術(shù)通常需要額外的電源來提供偏置電壓，當(dāng)電荷聚積到一定程度時(shí)可向外輸出較高的電壓.表1簡要介紹了不同發(fā)電方式下的相關(guān)技術(shù)參數(shù)[12-13].

表1 發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)對比

2 新型發(fā)電技術(shù)復(fù)合應(yīng)用

復(fù)合俘能系統(tǒng)是將2種或2種以上發(fā)電機(jī)的技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成的機(jī)電換能器，壓電-電磁俘能器是常見的機(jī)電換能器.隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，多種發(fā)電技術(shù)的復(fù)合成為研究的熱點(diǎn).

2.1 PZT-PVDF復(fù)合發(fā)電

麻省理工學(xué)院Joe Paradiso團(tuán)隊(duì)在1998年制造了一種收集運(yùn)動(dòng)能量鞋，并于1999年對其進(jìn)行了優(yōu)化[14].改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)鞋由于對行走沒有影響，所以壓電單元能有效隱藏在鞋子里，圖11所示為一個(gè)集成壓電元件放置于標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)鞋可拆卸的鞋墊下面.

圖11 MIT鞋底能量收集實(shí)驗(yàn)

收集能量來源于放置在腳跟部分的壓電陶瓷和腳趾部分的16層PVDF壓電薄膜，由于受機(jī)電轉(zhuǎn)換效率的限制，實(shí)驗(yàn)獲得的平均功率比較低.在標(biāo)準(zhǔn)步行過程中，8.3 mW能量來源于腳跟，1.3 mW的能量來源于腳趾.

2.2 壓電-電磁復(fù)合發(fā)電

在最近的研究中，Ibrahim等[15]利用不同長度壓電懸臂構(gòu)造成陣列，拓寬了VMPG(vibration micro power generators)系統(tǒng)的頻率范圍，其中各懸臂相互串聯(lián)，磁鐵采用NdFeB，設(shè)計(jì)尺寸為14.0 mm×12.5 mm×8.0 mm，具體由圖12所示.該樣機(jī)SiO2基片采用5個(gè)掩膜進(jìn)行加工，樣機(jī)在3.5～4.5 kHz內(nèi)輸出電壓和功率分別為10.0 mV,0.4 μW.該型壓電-電磁發(fā)電系統(tǒng)集成在一塊PCB板上，其可行性得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，未來IC自供電技術(shù)成為可能.

圖12 VMPG系統(tǒng)

2.3 DEG-光伏復(fù)合發(fā)電

介電彈性體發(fā)電機(jī)(DEG)在將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)，EAPs可變電容需要外加偏置電壓.在進(jìn)行DEG發(fā)電的實(shí)驗(yàn)階段一般采用直流電壓源提供偏置電壓，而在實(shí)際的俘能環(huán)境中，直流電壓源一般難以獲得且更換困難.

奧克蘭大學(xué)的研究人員[1，16-17]設(shè)計(jì)了一種利用太陽能電池給EAP提供偏置電壓的俘能器，具體由圖13所示.

圖13 奧克蘭大學(xué)研制的DEG

圖14是一種DEG電荷泵的原理圖，由太陽電池組、自偏置電路(self-priming circuit，SPC)及DEG構(gòu)成.當(dāng)處于初始狀態(tài)時(shí)，太陽能電池產(chǎn)生的電流給SPC、DEG補(bǔ)充電荷，此時(shí)SPC處于小電容狀態(tài).當(dāng)DEG被拉伸時(shí)，DEG電容變大，此時(shí)太陽能電池繼續(xù)給全電路供電；當(dāng)DEG收縮時(shí)，DEG電容變小，DE彈性恢復(fù)力克服庫侖力做功，電壓會有小幅抬升.經(jīng)過多次循環(huán)，SPC和DEG中的電荷積累到某個(gè)臨界點(diǎn)，在一次DEG的收縮過程中，將通過二極管泵送電流給47 pF的電容.

圖14 DEG外圍電路

2.4 EAP-駐極體復(fù)合發(fā)電

駐極體的永電性可以為介電彈性體發(fā)電機(jī)提供一個(gè)初始偏置電場，文獻(xiàn)[2]提出EAPs與駐極體幾種復(fù)合形式.如圖15所示:(a)是一種最基本的復(fù)合單元，由于駐極體在介電材料中分布不均勻，該復(fù)合單元的輸出功率比較低;(b)是一種改進(jìn)型的復(fù)合形式，該結(jié)構(gòu)將駐極體鍍在介電材料的表面上，由于駐極體剛度一般比較大，限制了材料的應(yīng)變.駐極體的楊氏模量比介電彈性體高10倍，在相同的應(yīng)變條件下，需要更多的機(jī)械能，這增加了彈性材料俘能的成本;(c)將駐極體離散分布于介電彈性體的表面，該形式既保持了電場的均勻分布，同時(shí)也保證了復(fù)合單元的柔韌性.

圖15 EAP-駐極體復(fù)合單元

3 發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與趨勢

俘能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是復(fù)合發(fā)電技術(shù)中的重要組成部分，在對發(fā)電材料性能研究的基礎(chǔ)上，發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)最終落實(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上.

3.1 復(fù)合結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更多關(guān)注的是機(jī)械能的傳遞與轉(zhuǎn)化，本節(jié)分析了4種與復(fù)合俘能系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)械機(jī)構(gòu)[18]，如圖16所示.

圖16(a)是杠桿機(jī)構(gòu)，它由1個(gè)鏈節(jié)和1個(gè)支點(diǎn)軸組成.由于鏈節(jié)是相對支點(diǎn)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以不是一個(gè)理想的直線運(yùn)動(dòng).事實(shí)上，輸入振幅遠(yuǎn)小于鏈節(jié)的長度，因此，其可近似為直線振幅放大器.

圖16(b)是剪式聯(lián)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能提供完整的直線放大，但它的機(jī)械增益和輸入能力相對于杠桿系統(tǒng)保持不變.

圖16(c)為通過2個(gè)齒條、齒輪耦合機(jī)構(gòu)，將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，反之亦然.該機(jī)構(gòu)主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪鎖定在同一根軸上，從動(dòng)齒輪的直徑比傳動(dòng)軸大，從而放大了振幅.這種機(jī)構(gòu)可適應(yīng)無限的輸入振幅，同時(shí)輸出振幅也保持無限輸出.

圖16(d)所示的機(jī)械放大器由1個(gè)齒輪、齒條機(jī)構(gòu)和圓盤形曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成.在該系統(tǒng)中，在線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，由于角速度保持不變，對于直徑大于小齒輪的圓盤,其線速度增加.然后，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng).這個(gè)機(jī)制的特點(diǎn)是無限輸入，輸出被限制在圓盤直徑范圍內(nèi).

圖16 復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 MEMS系統(tǒng)

集成電路和現(xiàn)代制造技術(shù)的高速發(fā)展，未來MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)的研究將會是一個(gè)熱點(diǎn).隨著人工智能時(shí)代的來臨，可穿戴智能設(shè)備的自供電技術(shù)展現(xiàn)出新的前景.

圖17為自動(dòng)上發(fā)條的電子表[19]，由ETA機(jī)芯、擺輪、發(fā)條、微電機(jī)等組成.微型發(fā)電機(jī)在其最佳旋轉(zhuǎn)速率為15 kr/min時(shí)，經(jīng)過50 ms就能產(chǎn)生6 mA電流，最高可達(dá)到16 V的電壓，產(chǎn)生的電能將存儲在電容中.

圖17 ETA設(shè)計(jì)的自動(dòng)石英手表

圖18 芯片級發(fā)電機(jī)

圖18是一種芯片級的微型發(fā)電機(jī)及其單相電壓的輸出波形[20-21].實(shí)驗(yàn)證明,超微永磁發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為392 kr/min條件下最大開路電壓有效值為51.0 mV，對應(yīng)一個(gè)估計(jì)直流輸出功率3.6 mW.這些結(jié)果表明了制造芯片級、低功率的發(fā)電機(jī)是一種可行方案，進(jìn)一步研究潛力大.

4 結(jié)束語

目前復(fù)合俘能發(fā)電技術(shù)大多處于實(shí)驗(yàn)階段，復(fù)合俘能器的關(guān)鍵技術(shù)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和新型材料的應(yīng)用.本文主要研究了以下3方面：

1)研究了現(xiàn)今的主要發(fā)電技術(shù)，分析了其發(fā)電原理.論述了各種材料的機(jī)電轉(zhuǎn)換關(guān)系，給出了基本發(fā)電機(jī)模型.

2)研究了復(fù)合發(fā)電技術(shù)，綜合比較了單一發(fā)電機(jī)技術(shù)與復(fù)合發(fā)電技術(shù)的發(fā)電機(jī)理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合發(fā)電技術(shù)輸出功率更高、俘能頻帶更寬.隨著新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，新型材料發(fā)電將會是研究的熱點(diǎn).

3)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié).隨著人工智能的發(fā)展和可穿戴設(shè)備的完善，未來可再生能源技術(shù)及MEMS技術(shù)將會是研究的熱點(diǎn).