压电陶瓷的压电能量转换特性与存储电路研究

摘要

近年来,低碳环保的生活方式已成为一种新的社会理念,而开发新能源技术可以节约资源,有利环保,减轻地球负荷,保持生态平衡,符合人们低碳的生活诉求。压电发电技术作为新能源技术,可以将周围环境不利的振动机械能转换为电能加以存储和利用,不但能减少结构损伤,降低结构维护成本,而且对人类社会日益匮乏的能源将是一个补充。本文研究了压电能量转换技术的原理,分析了压电能量转换特性与存储特性,设计了不同形式的能量采集电路,并开展了相关的试验研究,主要工作与创新点如下:
　　 (1)压电发电仿真:对悬臂梁式压电发电装置和冲击式圆环形压电振子进行结构仿真和压电耦合仿真,得到了压电振子尺寸与其固有频率的关系曲线,研究了压电振子的外形尺寸、激振载荷、激振频率对压电输出电量的影响,为压电发电装置的设计提供了理论参考;通过两种不同耦合模式下的压电仿真分析表明,在相同条件下,d33模式的输出电压为d31的两倍。
　　 (2)能量采集电路设计:设计了不同的能量采集电路和控制方法,建立了输出电压和输出功率的数学模型,得到了采集电压和功率与电路参数的理论关系,并通过电路仿真验证了这种理论关系的正确性,为压电采集电路的设计和电路参数配置提供了依据。
　　 (3)试验研究:搭建悬臂梁试验平台,测试不同尺寸和连接方式的压电振子输出压,验证了压电振子的最佳长度比理论和并联叠堆理论,在此平台下,对不同的能量采集电路进行试验验证;建立了冲击式圆环形d33模式试验装置,初步评估了d33模式压电振子在冲击载荷下的发电能力和发电特性。