馬騰飛，接 勐，齊振翔

（1.吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林 132022；2.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林吉林 132022）

0 引言

為滿足社會(huì)不斷增長的生產(chǎn)力需求，開發(fā)新能源，利用環(huán)境中的能量成了時(shí)代主流，由傳統(tǒng)的清潔能源風(fēng)能、太陽能慢慢過渡到收集人們?nèi)粘Ｉ钪挟a(chǎn)生的能量，其中環(huán)境中的振動(dòng)能量顯得無處不在，怎樣將各類振動(dòng)能量收集起來給合適的用電器供電，是能量收集領(lǐng)域的一個(gè)新課題。

收集環(huán)境中振動(dòng)能的方法主要有3 種：電磁式、靜電式以及壓電式[1]。其中，電磁式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)用面相對(duì)較窄；靜電式結(jié)構(gòu)需要外接電源；而壓電俘能結(jié)構(gòu)簡單，成本也比較低，是創(chuàng)新型的發(fā)電方式。壓電俘能結(jié)構(gòu)是基于正壓電效應(yīng)的一種新型俘能方式，所謂正壓電效應(yīng)就是通過一定的激勵(lì)方式使壓電單元發(fā)生形變，從而使其表面產(chǎn)生電荷的效應(yīng)[2]。壓電俘能相關(guān)的研究也都圍繞著這一效應(yīng)設(shè)計(jì)了各種各樣的壓電俘能系統(tǒng)，并且由于這種俘能方式收集的電能較小，大部分還只是用于傳感器以及一些功率較小的用電器上[3]，目前的研究方向逐漸把如何提高壓電發(fā)電效率[4]，增大壓電發(fā)電量作為重點(diǎn)探討[5]。張倩昀等[6]在懸臂梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)都安裝了壓電振子，并封裝出一個(gè)具有完整功能的壓電俘能器，采用鋰電池作為存儲(chǔ)介質(zhì)，得到的電能可以為LED 燈供電。王宏偉[7]改進(jìn)了堆疊式結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)圓環(huán)形的堆疊壓電振子，可適應(yīng)水下環(huán)境，并取得了相對(duì)比較好的效果。由此可見，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和能量收集電路可以增加壓電俘能效率，分類總結(jié)不同使用場景的壓電俘能器對(duì)于改進(jìn)壓電振動(dòng)能量俘獲有一定意義。

本文從能量收集材料與壓電單元結(jié)構(gòu)、能量收集電路、壓電俘能的應(yīng)用3 個(gè)方面綜合闡述壓電振動(dòng)能量俘獲的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展。

1 能量收集材料與壓電單元結(jié)構(gòu)

1.1 壓電材料

壓電材料分類方式有很多，通常是被分為有機(jī)壓電材料以及無機(jī)壓電材料，無機(jī)壓電材料又被分為壓電晶體和壓電陶瓷材料[8]，也被稱作壓電單晶體材料和壓電多晶體材料，前者在實(shí)用性方面存在硬度過高，不易做出合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)等問題，但其因硬度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)被應(yīng)用于高精密儀器[9]。目前常用的一種壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛PZT，這種材料機(jī)電耦合系數(shù)以及壓電應(yīng)變常數(shù)都很高，可以用于制作很多不同結(jié)構(gòu)的壓電俘能單元，目前研究的能量收集裝置大多數(shù)都采用這種壓電陶瓷材料[10]。

隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)了諸如壓電復(fù)合物和壓電聚合物等類型的壓電材料，而壓電陶瓷也是新興的一類壓電俘能材料[11]。壓電陶瓷是一種能通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷的多晶聚集體，壓電復(fù)合材料又是研究的一個(gè)熱點(diǎn)，普通的壓電陶瓷脆性較大，在持續(xù)的強(qiáng)制激勵(lì)下容易出現(xiàn)損壞，PZT 壓電陶瓷制備工藝簡單高效，也是應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷材料，具有穩(wěn)定性好（在控制類應(yīng)用中顯得尤為重要）、體積小、易摻雜改性、居里溫度和壓電系數(shù)高、耐用性高等優(yōu)點(diǎn)[12]。

1.2 性能參數(shù)

影響壓電單元俘能效率的參數(shù)很多，首先是機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q，它表現(xiàn)了壓電陶瓷的耐用性，Q越高，在能量轉(zhuǎn)換過程中的損耗越小，表達(dá)式如式（1）所示。

式中：N為諧振時(shí)存儲(chǔ)的機(jī)械能；M為一個(gè)周期內(nèi)的機(jī)械能，只與壓電陶瓷材料本身有關(guān)。

在能量轉(zhuǎn)換過程中存在散熱情況，因此會(huì)損耗一定的壓電材料，所以在選擇材料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要選擇Q值較大的壓電陶瓷，增加換能器的壽命[13]。

壓電效應(yīng)在溫度過高的情況下是不會(huì)產(chǎn)生的，所以每種壓電材料都具有一個(gè)臨界溫度，將這個(gè)溫度稱作居里溫度，居里溫度對(duì)于工業(yè)應(yīng)用場景尤為重要。這是因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的熱量比較高，所以要選用居里溫度比較高的壓電材料[14]。

接著是機(jī)電耦合系數(shù)K，K代表電能和機(jī)械能之間的耦合情況，文中只介紹正壓電效應(yīng)下的K值，和機(jī)械品質(zhì)因素一樣，K值越大，能量轉(zhuǎn)換的效率越高[15]，可以用式（2）表示。

式中：H為通過能量轉(zhuǎn)換后的電能；L為引起形變的機(jī)械能。

K值的大小除了和壓電陶瓷材料本身有關(guān)之外，更多還是受到結(jié)構(gòu)因素、激勵(lì)方式的影響，因此在設(shè)計(jì)俘能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)過程中，應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)的機(jī)械能捕獲效率，使其能夠發(fā)生最大程度的形變，從而能夠轉(zhuǎn)化出更多的電能[16]。

相對(duì)介電常數(shù)ε表征了壓電陶瓷材料電荷的容量，一般來說ε值越大，貯存的電荷越多，但與前兩者不同的是，相對(duì)介電常數(shù)并不是越大越好，ε值需要和振動(dòng)頻率相匹配，一般來說，振動(dòng)頻率越高，越要選用ε值較大的材料[17]。壓電應(yīng)變常數(shù)d反映了在換能過程中出現(xiàn)逆壓電效應(yīng)情況下，壓電振子產(chǎn)生的形變所需要電能的關(guān)系，在正壓電效應(yīng)為主導(dǎo)的情景下，要盡量避免逆壓電效應(yīng)，所以d值越小越好[18]。壓電電壓常數(shù)g代表了壓電陶瓷材料的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能力，它與相對(duì)介電常數(shù)ε與壓電應(yīng)變常數(shù)d關(guān)系如式（3）所示。g值越大，能量轉(zhuǎn)換效率越高，因而要選用壓電電壓常數(shù)較大的材料。

介質(zhì)損耗因數(shù)δ不是壓電材料的損耗，而是一部分電荷的損耗，當(dāng)壓電振子表面存在電壓時(shí)，其內(nèi)部的極化現(xiàn)象會(huì)越來越明顯，介質(zhì)內(nèi)部的電荷會(huì)變得更加不規(guī)則，當(dāng)沒有外界激勵(lì)時(shí)，即壓電振子表面電壓消失時(shí)，有一部分的不規(guī)則電荷會(huì)消失，還有一部分會(huì)留在介質(zhì)內(nèi)部并轉(zhuǎn)化為熱量散失掉，這就是滯后效應(yīng)。介電損耗因數(shù)δ和作用力σ、介電常數(shù)ε、激勵(lì)頻率ω、電導(dǎo)率S之間的關(guān)系可以用式（4）表示。

對(duì)以上參數(shù)的分析可以得出選用壓電材料的一個(gè)簡單模式，即選用的壓電材料應(yīng)該滿足以下條件：高機(jī)電耦合系數(shù)，居里溫度要比實(shí)際應(yīng)用場景下的溫度高，高機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，相對(duì)介電常數(shù)要與振動(dòng)頻率互相匹配，壓電常數(shù)越大壓電材料的能量轉(zhuǎn)換效率越高，得到的電能就更多，但是要符合壓電單元的特性，和介電損耗因數(shù)一樣應(yīng)選取更合適的數(shù)值。

1.3 壓電單元結(jié)構(gòu)

壓電材料為了能夠適應(yīng)更好的受力方式，被制作成了很多不同的結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用比較多的有懸臂梁式、鈸式、多片堆疊式等[19]。

懸臂梁式在工程上應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率高等特點(diǎn)適用于道路以及橋梁的大面積鋪設(shè)。梁式結(jié)構(gòu)可以在上下安裝壓電材料，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用分為單晶式以及雙晶式結(jié)構(gòu)，在不考慮成本的情況下，雙晶式是能夠最大化壓電轉(zhuǎn)化效率的一種結(jié)構(gòu)[20]。管正鋒[21]針對(duì)雙晶式懸臂梁壓電收集結(jié)構(gòu)探討了其在橋梁上的發(fā)電效率情況，比較了相關(guān)參數(shù)，設(shè)置了不同的變量，包括車速快慢、車載大小、路面等級(jí)以及交通量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響這種結(jié)構(gòu)發(fā)電效率的因素主要是車的質(zhì)量以及路面情況，可以看出對(duì)于懸臂梁結(jié)構(gòu)來說，車輛的速度大小對(duì)于能量收集的影響并不明顯。不同于對(duì)雙晶體結(jié)構(gòu)的研究，吳新哲[22]使用不同的基底材料作為實(shí)驗(yàn)變量，深入研究了不同基底材料對(duì)于能量收集的差異性，找出了以304不銹鋼為基底的懸臂梁結(jié)構(gòu)輸出功率最大。在低風(fēng)速工況下，梁的結(jié)構(gòu)剛度與減幅因數(shù)是影響壓電俘能器輸出性能的主要因素。同等工況下，梁的結(jié)構(gòu)剛度越小，接觸式壓電俘能器的啟動(dòng)風(fēng)速越低，風(fēng)致振動(dòng)的激振力頻率越高；減幅因數(shù)越小，懸臂梁的輸出功率越大。所得結(jié)論對(duì)于提高懸臂梁式能量收集效率有一定參考意義。雙晶懸臂梁式壓電能量收集裝置如圖1所示。

鈸式結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)梯形金屬片合在一起，形狀像民間的一種樂器“鈸”而得名，其特有的結(jié)構(gòu)在聲場中的利用率很大，鈸式結(jié)構(gòu)金屬端帽的厚度較薄但質(zhì)地較均勻。余芷欣[23]在壓電圓環(huán)驅(qū)動(dòng)的半球殼鈸式換能器基礎(chǔ)上，在壓電圓環(huán)外復(fù)合一個(gè)金屬圓環(huán)得到了復(fù)合金屬圓環(huán)的半球殼鈸式換能器，它可以擺脫傳統(tǒng)鈸式換能器的尺寸限制和功率限制問題。趙鴻鐸[24]利用直徑為32 mm的鈸式換能器， 探討了鈸式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于路面的可行性，在0.7 MPa 荷載的作用下，可產(chǎn)生高達(dá)97.33 V 的電壓。若荷載頻率為20 Hz，則最多可收集到1.2 mW 的電能，可見應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)在路面也能取得相當(dāng)理想的效果。鈸式壓電能量收集裝置如圖2所示。

多層堆疊式結(jié)構(gòu)上比較簡單，由幾個(gè)甚至幾十個(gè)相同規(guī)格的壓電單元按一定次序緊密排列，做成一個(gè)完整的壓電單元結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)厚度一般較大，因而給與這種結(jié)構(gòu)的激勵(lì)相對(duì)也要很大才能有很好的發(fā)電效果，一般常見于路面系統(tǒng)，依靠車輛經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。李彥偉[25]分析了不同壓電俘能結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用多層堆疊式的結(jié)構(gòu)方案，在實(shí)驗(yàn)階段，制備了8 種堆疊式換能結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出發(fā)電效率最好、俘能過程最穩(wěn)定的壓電俘能結(jié)構(gòu)，并且通過一段模擬道路對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，借助MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)改變對(duì)壓電俘能單元施加的壓力大小，測試在道路上使用的可行性；搭建了一整套模擬測試系統(tǒng)，包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能激振器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、力學(xué)控制系統(tǒng)及測試夾具等，測試制備方案實(shí)際的能量轉(zhuǎn)換性能。最終得出：所制備的堆疊式壓電俘能單元能夠滿足道路使用要求，找出了發(fā)電性能和荷載大小、加載頻率，壓電陶瓷片厚度及層數(shù)成正比的關(guān)系，在俘能單元厚度為1 mm 的情況下，功率最高可以達(dá)到183.2 mW；所制備的小尺寸結(jié)構(gòu)也能夠?qū)崿F(xiàn)11.06 mW 的電能輸出?？梢姡鄬佣询B式對(duì)于路面場景有著很好的發(fā)電性能。

圖1 雙晶懸臂梁式壓電能量收集裝置

圖2 鈸式壓電能量收集裝置

2 能量收集電路

一般來說環(huán)境中收集的振動(dòng)能量頻率不規(guī)則，并且電壓不穩(wěn)定，所以在利用之前需要對(duì)這部分電能進(jìn)行調(diào)理，并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)中，能量收集的過程簡單說就是通過整流電路對(duì)電壓進(jìn)行整理，再利用穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓，最后選取存儲(chǔ)介質(zhì)將電能存儲(chǔ)起來[26]。

2.1 整流電路

首先是對(duì)這部分電能進(jìn)行整流，單相半波整流電路具有電能損耗過大、不適用于壓電發(fā)電功率小的特點(diǎn)；單相全波整流電路發(fā)電效率高，但是實(shí)際應(yīng)用起來需要配套帶抽頭的變壓器，變壓器成本較高，并且?guī)С轭^攜帶和使用便攜性不高。

因此，壓電陶瓷適用的整流電路一般是橋式整流電路和倍壓整流電路。橋式整流電路能盡可能地保存轉(zhuǎn)化前的電能，并且對(duì)比全波整流電路性能參數(shù)完全一樣，更加方便的是，橋式整流電路不需要另外接抽頭連接變壓器，結(jié)構(gòu)也比全波整流電路簡單得多，在使用效率上比半波整流更高，在應(yīng)用上也更加普遍，根據(jù)其波形特征可以得出橋式整流電路更適用于激勵(lì)較大的壓電俘能場景；倍壓整流電路具有放大電壓的作用，環(huán)境中的振動(dòng)激勵(lì)有時(shí)會(huì)很小，產(chǎn)生的電能一般具有高電壓低電流的特性，能量收集效率不高，而倍壓電路可以有效解決這個(gè)問題。二倍壓整流電路是最簡單的倍壓整流電路，在實(shí)際應(yīng)用場景下也可以采用多倍壓整流電路，使用一定的電容獲得目標(biāo)輸出電壓。圖3所示為二倍壓整流電路。

圖3 二倍壓整流電路

二倍壓整流電路的工作原理：在電源的正半軸二極管D2 導(dǎo)通，電容C1 進(jìn)入充電狀態(tài)，電容C1 的正負(fù)極性如圖3所示，一個(gè)周期內(nèi)可以達(dá)到U2；在電源的負(fù)半軸二極管D1 導(dǎo)通，這個(gè)階段工作狀態(tài)為電容C1 和電源端同時(shí)對(duì)電容C2 進(jìn)行充電，電容C2 的正負(fù)極性如圖所示，一個(gè)周期內(nèi)可以達(dá)到2U2，電壓從C2兩端進(jìn)行輸出，最終輸出電壓達(dá)到2U2，相當(dāng)于將輸出電壓放大了2 倍，因此該電路稱作二倍壓電路。研究目標(biāo)可能需要獲得更高的電壓輸出，可以采用多倍壓電路，原理和二倍壓電路一樣。

2.2 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路一般是由基準(zhǔn)電壓、取樣網(wǎng)絡(luò)、比較放大、保護(hù)電路以及輔助電源組成，再根據(jù)具體情況對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的關(guān)鍵部分是發(fā)射極電路，通常的工作過程是把壓電元件當(dāng)成負(fù)載和調(diào)整元件串聯(lián)，其本身具有負(fù)反饋特性，所以可以利用這一特性對(duì)整流后的電能進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，要注意的是，整個(gè)工作過程需要處在放大狀態(tài)。

開關(guān)型穩(wěn)壓電路如圖4 所示，相比于串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，這類穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是響應(yīng)速度更快，可以大大提高能量轉(zhuǎn)換效率，原因是其特有的脈寬調(diào)制器，可以通過比較放大器發(fā)出寬窄脈沖對(duì)整流后的電壓進(jìn)行調(diào)理，當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，脈沖變窄，從而使電壓下降，反之當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，脈沖變寬，從而使電壓升高。與此同時(shí)，還影響著開關(guān)調(diào)整管的導(dǎo)通和截止，之后得到的脈沖電壓將會(huì)被輸送到儲(chǔ)能濾波電路，進(jìn)行濾波處理，最終得到脈動(dòng)系數(shù)較低的直流電壓。開關(guān)型串聯(lián)穩(wěn)壓具有兩種不同功能的電路，分別為升壓（Boost）和降壓（Buck）電路。根據(jù)實(shí)際收集能量的電壓高低進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路

2.3 存儲(chǔ)介質(zhì)

經(jīng)過整流以及穩(wěn)壓電路的調(diào)理后，往往需要把這部分能量存儲(chǔ)起來，因?yàn)榄h(huán)境中的振動(dòng)能，尤其是踩踏式的壓電俘能器，激勵(lì)并不是持續(xù)的，而用電器往往需要即開即用，如果沒有存儲(chǔ)介質(zhì)，還需要先進(jìn)行物理上的激勵(lì)，使其充能之后才可以正常使用，極為不便，并且針對(duì)大部分用電器來說，不需要持續(xù)處于啟動(dòng)狀態(tài)。而在休眠狀態(tài)下，可能會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能，不加以收集將會(huì)大幅度降低能量利用效率。

常用的存儲(chǔ)介質(zhì)有普通電容、蓄電池、超級(jí)電容等，超級(jí)電容相較于普通電容具有容量更大、壽命更長而且沒有記憶效應(yīng)的特點(diǎn)；而且對(duì)比蓄電池其優(yōu)勢也相當(dāng)明顯，超級(jí)電容的充電更快，能量轉(zhuǎn)換效率更高，充電電路較為簡單，總的來說超級(jí)電容安全高效，生產(chǎn)過程也沒有污染，符合壓電能量收集綠色環(huán)保的主題。無線傳感器的能量自主性是其廣泛部署的主要障礙之一。MAHBOUBI 等[27]提出了一種簡單的自適應(yīng)存儲(chǔ)架構(gòu)，結(jié)合能量收集，可以替代電池。主要概念是使用幾個(gè)超級(jí)電容器(至少兩個(gè))，根據(jù)其充電∕放電狀態(tài)，以串聯(lián)或并聯(lián)的方式重新配置，以加快動(dòng)力系統(tǒng)的啟動(dòng)或提供能量自治。所提出的結(jié)構(gòu)基于兩個(gè)超級(jí)電容器，一個(gè)小電容值和一個(gè)大值。在能量收集源的驅(qū)動(dòng)下，設(shè)計(jì)的控制電路允許使用空超級(jí)電容器進(jìn)行冷啟動(dòng)，預(yù)調(diào)節(jié)輸出電壓，能源使用效率接近94.7 %。圖5 所示為一種超級(jí)電容實(shí)物。

圖5 超級(jí)電容實(shí)物

3 壓電俘能的應(yīng)用

3.1 公路交通

強(qiáng)制激勵(lì)下最為突出的應(yīng)用場景就是城市道路，平鋪的鋪設(shè)方式滿足了堆疊式的壓電單元結(jié)構(gòu)，并且汽車經(jīng)過壓電俘能設(shè)備時(shí)的激勵(lì)較大，能夠產(chǎn)生相對(duì)較大的電能，可收集起來用于臨時(shí)停電之后的過渡電能儲(chǔ)備。張文錦[28]將壓電俘能設(shè)備安裝在減速帶里，由于汽車經(jīng)過減速帶時(shí)引起的機(jī)械形變比平坦路面劇烈，相對(duì)俘獲的輸出電壓也要多于平坦路面。張寶亮[29]設(shè)計(jì)了水平間隔疊堆的方式把壓電單元鋪設(shè)在人行天橋上，目的是利用生成的電能對(duì)天橋的積雪起到融化作用。HE等[30]提出了一種利用壓電元件將人類步行中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的新型能量收集地板結(jié)構(gòu)。壓電能量收集結(jié)構(gòu)由力放大機(jī)構(gòu)和布置壓電梁的雙層擠壓結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在不同的行程和步進(jìn)頻率下，研究了在實(shí)際條件下產(chǎn)生的電壓和輸出功率。在行程為5 mm，步進(jìn)頻率為1.81 Hz 時(shí)，最大峰峰值電壓為51.2 V。此外，經(jīng)測試得單個(gè)壓電梁的相應(yīng)輸出功率為134.2μW，證明了從行人身上收集能量為低功耗電子設(shè)備供電的潛力。

3.2 傳感器

當(dāng)傳感器能量耗盡時(shí)，如果沒有替代的能量來源，傳感器將停止工作。此外，更換傳感器的電池和重新部署傳感器在時(shí)間和預(yù)算方面是成本較高。為了在不改變傳感器尺寸的情況下克服能量限制，研究人員提出了利用能量收集的方式對(duì)可充電電池進(jìn)行功率再加載。通常情況下，環(huán)境中的振動(dòng)能對(duì)于壓電單元激勵(lì)較小，收集到的電能也十分有限，因此壓電俘能應(yīng)用主要還是集中于傳感器領(lǐng)域，而且由于用電器的特性，壓電對(duì)傳感器供電可以持續(xù)不斷并且減少電池的損耗，電梯的曳引機(jī)內(nèi)部具有聲發(fā)射傳感器、無線發(fā)射裝置、前置放大器，而曳引機(jī)工作過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)能。劉帥[31]基于壓電俘能的原理將這部分能量收集并轉(zhuǎn)化為電能向這3 個(gè)部件供電，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)也證明了合適的壓電俘能器組數(shù)完全能夠滿足這3 個(gè)部件的用電需求。KASSAN 等[32]提出了一種新的基于比例積分微分的控制器（PID）調(diào)節(jié)能量采集和微處理器控制器( MCU )控制傳感器模式的能量自我管理方法，利用環(huán)境中的振動(dòng)能向傳感器內(nèi)部供電。

3.3 醫(yī)療

隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多人工器官，其中有些人工器官需要持續(xù)不斷的供電，而考慮到手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)性，更換電池會(huì)增加更多的醫(yī)療成本。于是，很多研究人員關(guān)注于利用壓電俘能來對(duì)人工器官供能。ZHANG 等[33]設(shè)計(jì)了一種可以植入人體內(nèi)的壓電俘能裝置，收集了脈搏跳動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)能，并轉(zhuǎn)化為電能，這樣做的好處是增加人工器官的壽命，避免更換電池造成的損耗。

總的來說，收集環(huán)境中的振動(dòng)能，并且作用于用電對(duì)象廣泛的日常生活中，在特殊場景下甚至是不可或缺的，在研究過程中不斷改進(jìn)壓電俘能單元結(jié)構(gòu)，不斷優(yōu)化能量收集電路，盡可能地提高了能量收集效率。

4 現(xiàn)存的問題與展望

壓電發(fā)電領(lǐng)域涉及機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、電學(xué)，甚至控制學(xué)等，由于其綜合性較強(qiáng)，研究難度較大，在各個(gè)學(xué)科內(nèi)都存在著一定的問題，可見壓電能量收集的發(fā)展還有很大的前景，如果能將每個(gè)學(xué)科的數(shù)據(jù)分別整理研究，將對(duì)未來能源發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。首先是結(jié)構(gòu)上，如上文所說，目前比較常用的懸臂梁結(jié)構(gòu)，雖然雙晶式懸臂梁發(fā)電效率已經(jīng)非常高了，但是應(yīng)用場景比較局限，一旦遇到苛刻的環(huán)境條件，這種結(jié)構(gòu)往往不能夠嵌入到發(fā)電場景中；而多層堆疊式結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于道路環(huán)境中，是目前發(fā)電量最大的一種壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)，但是需要的激勵(lì)很大；鈸式結(jié)構(gòu)有人研究將它放在壓力場景下，但是由于梯形結(jié)構(gòu)脆性較大，而激勵(lì)是持續(xù)不斷的，容易出現(xiàn)變形而引起發(fā)電效率降低；所以出現(xiàn)了很多針對(duì)這幾種結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案，如傾斜間隔疊堆式，它將每一個(gè)壓電片和它的支撐結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一個(gè)斜面，這樣就可以更多地收集機(jī)械能。將來對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究肯定會(huì)不斷深入，也會(huì)結(jié)合著材料學(xué)探討，盡可能地將現(xiàn)有的效能最好地設(shè)計(jì)代入到壓電發(fā)電中。

其次，在電學(xué)和控制學(xué)的結(jié)合上，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能實(shí)際上非常有限，所以在電學(xué)上的改進(jìn)對(duì)提高能量收集效率至關(guān)重要，改進(jìn)能量收集電路，優(yōu)化現(xiàn)有的存儲(chǔ)介質(zhì)是目前壓電發(fā)電領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)，包括對(duì)于壓電俘能器其他部分的控制研究還比較匱乏，目前常見的就是利用控制芯片控制穩(wěn)壓電路的工作情況，國內(nèi)有很多圍繞著LTC3588 號(hào)集成芯片設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路，使其能夠在一定的域值內(nèi)完成工作，大大節(jié)省了啟動(dòng)電能，加快了電能收集效率。

目前，相關(guān)研究正處于節(jié)省舊能源發(fā)現(xiàn)新能源的趨勢上，人們閑時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能如果能夠得到合理的收集和利用，能夠滿足很多應(yīng)用場景。由此，可以圍繞地板式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)踩踏式壓電俘能系統(tǒng)，用于一些功率比較小的用電器。

5 結(jié)束語

通過以上表述，并綜合國內(nèi)壓電俘能的發(fā)展情況，可以明顯發(fā)現(xiàn)壓電能源的利用率在不斷提高，并且收集方式也多種多樣，能根據(jù)不同的場景設(shè)計(jì)出不同的結(jié)構(gòu)，懸臂梁常用于梁式結(jié)構(gòu)，而且橫梁上下都安裝上壓電陶瓷材料可以在合適的激勵(lì)作用下提高機(jī)械能收集效率；鈸式結(jié)構(gòu)也在收集聲音產(chǎn)生的振動(dòng)能中發(fā)揮了很大作用，常被安裝在演奏廳或者噪聲較大的車間；多層堆疊式結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)在路面大規(guī)模鋪設(shè)，用于紅綠燈、路燈照明等。能量收集電路經(jīng)過不斷改善逐漸高效化、高容量化，而且壓電俘能器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，所以應(yīng)用場景比電磁發(fā)電機(jī)要廣泛很多。使用壓電陶瓷制作俘能器能大大提高壓電轉(zhuǎn)換效率，但是對(duì)于踩踏式壓電俘能系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外相對(duì)來說比較有限。所以建議之后的研究可以從以下幾個(gè)方面入手：（1）根據(jù)壓電陶瓷材料的性能參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)壓電前端振子；（2）改進(jìn)現(xiàn)有的能量收集電路，進(jìn)一步提高能量收集效率；（3）研究適合于踩踏式俘能系統(tǒng)的用電場景等。