孫振菊, 趙海霞, 劉 航, 史偉杰, 羅小輝

(1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 山東青島 266061; 2.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北武漢 430074)

引言

壓電俘能技術(shù)將環(huán)境中的機(jī)械能或者生物的相關(guān)能量收集起來(lái)并且高效穩(wěn)定地輸出電能,為傳感器、檢測(cè)設(shè)備等微功率小型電子設(shè)備提供維持其運(yùn)轉(zhuǎn)的能量,特別是在電池成本高昂或難以更換的應(yīng)用中[1],已經(jīng)成為當(dāng)下國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2-3]。振動(dòng)能作為目前研究比較廣泛的新能源之一,其能量轉(zhuǎn)化方式主要分為電磁式、壓電式和靜電式[4-6],其中壓電式因其環(huán)保、便于微型化、能量密度高等特點(diǎn)被廣泛研究推廣[7]。

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們對(duì)于液壓壓電俘能器的研究重點(diǎn)為盡可能多地收集能量,且能夠穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為電能,使設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行,例如ARANDA J J等[8]研發(fā)出壓電俘能器與傳感器結(jié)合,端到端的自供電型傳感器,其能量采集器利用聲學(xué)諧振器、壓電疊堆和接口電路將液壓系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能,但其研究涉及頻率大多為200 Hz及以上。張旭輝等[9-10]提出了一種新型雙穩(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)俘能系統(tǒng),此俘能系統(tǒng)利用力-電-磁多物理場(chǎng)耦合俘能,改變了傳統(tǒng)俘能器與環(huán)境振動(dòng)的頻帶特性很難匹配的缺點(diǎn),并且提高了在寬頻帶收集能量的效率。此外在壓電結(jié)構(gòu)的連接方式等方面,一些研究人員提出了將壓電俘能器進(jìn)行串聯(lián)組成俘能陣列來(lái)更多的俘獲能量,但俘能效果并不理想[11-13]。壓電懸臂梁的研究也在一直進(jìn)行,優(yōu)化懸臂梁結(jié)構(gòu)一直是主要研究方向,但輸出電壓偏低[14],其中張旭輝[15]、王亞峰[16]用多層堆疊等方式提高俘能器性能,堆疊3層PVDF壓電懸臂梁時(shí)輸出功率最大,其最佳阻抗為2.5 MΩ,但最大輸出功率只有127.86 μW,其功率較低。

基于目前壓電俘能器的研究現(xiàn)狀,本研究提出了一種層疊式三片串聯(lián)壓電俘能器結(jié)構(gòu),并對(duì)其開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究,分析了靜態(tài)壓力、脈動(dòng)頻率以及負(fù)載電阻對(duì)俘能特性的影響,為以后研發(fā)本類壓電能源設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

1 壓電俘能器原理及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 壓電俘能器結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基于水液壓系統(tǒng)的層疊式三片串聯(lián)壓電俘能器,壓電材料為PZT-5H,通過(guò)水液壓系統(tǒng)中的水壓脈動(dòng)使壓電陶瓷發(fā)生形變,使壓電陶瓷片通過(guò)正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能。圖1為本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的壓電俘能器結(jié)構(gòu),主要由外殼、密封壓蓋、O形圈、壓電陶瓷片、絕緣底盤(pán)、緩沖環(huán)、緩沖塊、頂部壓環(huán)、中間壓環(huán)、底部壓環(huán)等構(gòu)成。在上述零部件中,緩沖環(huán)與緩沖塊采用聚四氟乙烯制作,頂部壓環(huán)、中間壓環(huán)、底部壓環(huán)采用聚甲醛材料制作,可以防止壓電陶瓷正負(fù)極短路,緩沖環(huán)和密封壓蓋中都設(shè)置有接引線的通道,外殼與緩沖環(huán)中都設(shè)計(jì)有進(jìn)出水的通道。壓電陶瓷片由壓電陶瓷和金屬的振動(dòng)薄片構(gòu)成,其中壓電陶瓷直徑為 25 mm,厚度為0.2 mm;金屬振動(dòng)片直徑為50 mm,厚度為0.2 mm。絕緣底盤(pán)的上下方都設(shè)計(jì)了用以放置O形密封圈的凹槽。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的俘能器其絕緣底盤(pán)、頂部壓環(huán)、緩沖環(huán)、壓電陶瓷片和外殼的中心均處于同一軸線上,壓電陶瓷片緊緊貼合在絕緣底盤(pán)與各個(gè)環(huán)之間,因此液壓系統(tǒng)中泵出的水在第一時(shí)間就可以作用在壓電陶瓷片上,使壓電陶瓷片中心盡可能多的受力產(chǎn)生形變,在結(jié)構(gòu)上,本研究的俘能器最下層壓電陶瓷片貼有防水薄膜,水液通過(guò)進(jìn)液口會(huì)先進(jìn)入到圖1a中所示的預(yù)留的小型儲(chǔ)液腔內(nèi),進(jìn)而提高俘能效率。在儲(chǔ)液腔內(nèi)部水液壓力不斷變化,使壓電陶瓷產(chǎn)生形變,由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng),如圖2所示,會(huì)有大量的正、負(fù)電荷溢出至壓電陶瓷的兩端,產(chǎn)生極化現(xiàn)象,生成電能。

1.外殼 2.絕緣底盤(pán) 3.O形圈 4.壓電陶瓷片 5.底部壓環(huán) 6.中間壓環(huán) 7.頂部壓環(huán) 8.密封壓蓋 9.緩沖環(huán) 10.緩沖塊

圖2 正壓電效應(yīng)示意圖Fig.2 Schematic diagramof positive piezoelectric effect

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖3為本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖,主要包括變頻器、水箱、流量計(jì)、節(jié)流閥、壓力表、示波器、電動(dòng)機(jī)、柱塞泵、安全閥、電阻調(diào)節(jié)箱、數(shù)據(jù)收集卡、壓力傳感器和壓電俘能器等。變頻器可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而可以控制柱塞泵的轉(zhuǎn)速,同時(shí)變頻器也是管路水流壓力脈動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)器。柱塞泵中的柱塞為3個(gè),其排量為15 mL/r。管路中的水流壓力通過(guò)節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)。壓力傳感器可以記錄下管路水流產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力,并通過(guò)數(shù)據(jù)收集卡傳送到電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示, 其中壓力傳感器的量程為10 MPa,測(cè)量精度為0.1%。通過(guò)普源DS1104Z示波器采集電壓信號(hào)。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of experimental system

2 俘能特性分析

通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)壓力脈動(dòng)頻率為50 Hz與100 Hz,在兩種脈動(dòng)頻率下研究了靜態(tài)壓力為0.5～3 MPa、負(fù)載電阻為1～1000 kΩ時(shí)層疊式三片串聯(lián)壓電俘能器的壓電俘能特性。

2.1 壓電俘能器瞬態(tài)特性的分析

本實(shí)驗(yàn)中柱塞泵的運(yùn)行是依靠柱塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng),使容腔產(chǎn)生周期性變化來(lái)輸送液體,由于排液腔容積的變化,其輸出流量表現(xiàn)為呈周期性變化的壓力,但大小基本維持在一個(gè)值上下波動(dòng)。為更深入說(shuō)明壓電俘能特性,在外接電阻50 kΩ,壓力2 MPa,頻率為100 Hz時(shí),本實(shí)驗(yàn)以實(shí)測(cè)壓力為邊界輸入條件,進(jìn)行仿真后形變?nèi)鐖D4所示,其中截取的各片形變?cè)茍D從左至右依次為中點(diǎn)、波峰以及波谷,與實(shí)驗(yàn)波形規(guī)律相吻合。圖5是頻率為50 Hz與100 Hz的情況下其瞬態(tài)壓力的曲線圖,3個(gè)壓力波形取的壓力分別為1, 2, 3 MPa,其周期性變化的波動(dòng)較為明顯,但50 Hz的周期性明顯不如100 Hz時(shí)穩(wěn)定。

圖4 壓電陶瓷片形變?cè)茍DFig.4 Piezoelectric ceramic sheet deformation cloud map

圖5 不同壓力的瞬態(tài)壓力曲線Fig.5 Transient pressure curves under different pressures

由于壓力的周期性波動(dòng),俘能器輸出的瞬態(tài)電壓也呈現(xiàn)周期性波動(dòng),圖6為電阻在200 kΩ時(shí)不同靜態(tài)壓力下兩個(gè)頻率的瞬態(tài)電壓U對(duì)比圖,脈動(dòng)頻率的增加,使壓電片受力形變頻率提高,溢出的電荷數(shù)量也會(huì)增加,100 Hz時(shí)瞬態(tài)壓力的峰值要大于50 Hz,而同一頻率下,隨著靜態(tài)壓力的提高,其瞬態(tài)電壓整體也是呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但相對(duì)來(lái)說(shuō)靜態(tài)壓力的影響比脈動(dòng)頻率小。

圖6 不同靜態(tài)壓力的瞬態(tài)電壓曲線Fig.6 Transient voltage curves under different static pressures

為比較本實(shí)驗(yàn)中的兩種頻率f,分析每種頻率的波動(dòng)情況,對(duì)其進(jìn)行了頻譜分析,由于泵的理論和結(jié)構(gòu),其在低頻連續(xù)工作時(shí)管路流體壓力很難保持較為穩(wěn)定的波動(dòng),圖7中50 Hz的頻譜分析中其頻率波動(dòng)較為分散,100 Hz的頻譜較為集中,與圖5中兩頻率瞬態(tài)壓力的周期性波動(dòng)情況相同,100 Hz時(shí)相對(duì)穩(wěn)定,且50 Hz時(shí)的振幅要小于100 Hz,也進(jìn)一步解釋了圖6中50 Hz的瞬態(tài)電壓峰值小于100 Hz。

圖7 不同壓力頻譜分析圖Fig.7 Spectrum analysis of different pressures

2.2 壓電俘能特性影響因素的分析

為進(jìn)一步研究負(fù)載電阻對(duì)俘能器俘能特性的影響,對(duì)兩個(gè)頻率下不同電阻的瞬態(tài)電壓進(jìn)行了分析,靜態(tài)壓力與脈動(dòng)頻率相同的情況下,壓電陶瓷形變量不變,溢出的電荷即電流相同,電壓為電流與電阻的乘積,因此負(fù)載電阻越大,其輸出電壓也就越大,其輸出的瞬態(tài)壓力波形如圖8所示,隨著電阻的增加,其波動(dòng)幅度逐漸增大。

均方根電壓URMS是指周期電壓U在電阻R上一個(gè)周期內(nèi)所做的功與直流電壓U在電阻R上同時(shí)間內(nèi)做的功相等,則稱此直流電壓的量值為此周期電壓的有效值。圖9a所示為本研究中單獨(dú)每片壓電陶瓷以及不同壓電陶瓷片數(shù)組合的均方根電壓,隨著壓電陶瓷片的增加,雖然水壓力在傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)有損失,但三片串聯(lián)所俘獲的電荷量是大于單片的,三片串聯(lián)的均方根電壓明顯要比其他組合要大得多。圖9b為靜態(tài)壓力為2 MPa時(shí),電阻的變化對(duì)均方根電壓的影響,與圖8瞬態(tài)電壓波動(dòng)一致,整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),且較為明顯的是在電阻大于700 kΩ之后,均方根電壓開(kāi)始在某一數(shù)值上下平穩(wěn)的波動(dòng),此時(shí)由于兩極間的負(fù)載電阻比壓電陶瓷的內(nèi)阻大得多而導(dǎo)致負(fù)載電路處于開(kāi)路狀態(tài),而電極上的自由電荷保持不變,電位移保持不變,因此輸出電壓趨于平穩(wěn)。圖10為靜態(tài)壓力對(duì)均方根電壓的影響曲線, 與圖6瞬態(tài)電壓的分析一致,同壓力下輸出電壓隨頻率的提高有著明顯的上升, 同頻率下輸出電壓也隨著壓力的增加而增大。

圖10 800 kΩ時(shí)不同靜態(tài)壓力的均方根電壓曲線圖Fig.10 Root mean square voltage curve for different static pressures at 800 kΩ

平均功率Pave是衡量壓電俘能器俘能特性的一項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)[17],圖11為平均功率隨負(fù)載電阻變化的曲線圖,隨著負(fù)載電阻的逐漸變大,兩種頻率以及不同靜態(tài)壓力的平均功率的總體走勢(shì)都是先增大后減小,換言之,在各個(gè)壓力以及頻率中都存在最佳工作電阻使俘能器的俘能特性得到最好的利用。其中靜態(tài)壓力與頻率的影響具體分析,同一頻率下,平均功率總體上會(huì)隨著壓力的提高而增大,在100 Hz情況下此現(xiàn)象更為明顯,如負(fù)載電阻為100 kΩ,圖示1, 2, 3 MPa靜態(tài)壓力下的平均功率依次為173.06, 262.14, 368.45 μW;同一壓力下,頻率的提高會(huì)使平均功率有著顯著的增大,同樣在負(fù)載電阻為100 kΩ時(shí),頻率為50 Hz的平均功率依次為12.99, 18.49, 22.5 μW,對(duì)比上述100 Hz情況下的平均功率有著明顯的降低。此外不同壓力以及頻率下最佳工作電阻不同,頻率為50 Hz時(shí),俘能器最佳電阻大致在200～300 kΩ 之間,而頻率為100 Hz時(shí),其最佳電阻大致為100 kΩ,即可適應(yīng)不同工作條件,在本次實(shí)驗(yàn)中頻率為100 Hz,壓力為3 MPa時(shí),100 kΩ處的輸出的平均功率最大可達(dá)368.45 μW。

圖11 不同負(fù)載電阻下的平均功率變化曲線圖Fig.11 Curve of average power change under different load resistances

3 結(jié)論

本研究提出了一種基于水液壓系統(tǒng)的層疊式三片串聯(lián)壓電俘能器,分析了靜態(tài)壓力、脈動(dòng)頻率及負(fù)載電阻對(duì)俘能特性的影響,研究表明:

(1) 靜態(tài)壓力越大,壓電陶瓷片形變量越大,其輸出的電壓也越大,壓力一定的情況下,脈動(dòng)頻率較高時(shí)的輸出電壓大于頻率較低的輸出電壓。隨著負(fù)載電阻的增加,輸出電壓明顯增大,在1～400 kΩ內(nèi)漲幅尤為明顯,而400～1000 kΩ之間逐漸趨于平緩,且電阻相同的情況下,頻率較高時(shí)的輸出電壓明顯大于頻率較低的輸出電壓。

(2) 不同脈動(dòng)頻率下使壓電俘能器達(dá)到最佳功率的負(fù)載電阻不同,在50 Hz時(shí)俘能器負(fù)載電阻在300～400 kΩ之間時(shí)輸出功率達(dá)到最大,而100 Hz時(shí)俘能器輸出最大功率的負(fù)載電阻為100 kΩ左右,整體來(lái)說(shuō)高頻時(shí)俘能器工作更穩(wěn)定,該壓電俘能器可根據(jù)負(fù)載電阻以及頻率的不同在不同場(chǎng)合中工作。