开题报告 毕业设计 - 图文 下载本文

景德镇陶瓷学院

毕业设计(论文)开题报告

中文题目: 悬臂梁压电振子发电的研究 英文题目: Study on Cantilever Piezoelectric Vibrator Generating Electricity

院 系: 机械电子工程学院 专 业: 电子科学与技术 姓 名: 丁斌 学 号: 200910330216 指导教师: 范跃农 开题时间: 2013-04-17

一、课题背景及意义(包括课题现状、发展趋势以及研究的意义等) 一、压电发电技术的国内外研究现状及发展趋势 在 1880 年,法国科学家居里兄弟在对晶体是否有对称性和热压电效应方面进行研究的同时得出了压电效应的存在,但是并没有受到科学家的高度重视,是因为它的发电能力很弱。压电发电技术联系到材料、机械、电子等各种不同的学科,它属于一个新兴的科研探索领域,因而,有必要解决很多学科相互交叉的新问题,要将理论和试验结合起来综合研究分析。即使压电陶瓷受到外力作用下可以有电荷产生,但是因为通常压电材料有很低的机电转换效率,压电陶瓷能够发出的电量比较弱,所以它属于一种微小功率的交流电;但电子元器件的功率消耗相比较大,因而,压电发电装置并不能成为传统电池的完全替代品,作为电子器件的能量源而提供电能。 近几年来,制造业与材料科学技术的快速发展,使得一直涌现出性能和机电转换效率都很高的压电材料;单个压电薄膜能缩小到 0.02mm 的厚度,如果将几个压电薄膜串并联起来就能够得到要求的电流与电压,在技术上保证了压电发电技术的实际应用研究,同时很多种微小型且便携式电子产品的不断发展,由于电子产品在集成化上的提高和消耗功耗的减小,以及深入研究了相关的压电材料,曾经传统的电池有很大的体积、使用寿命上也比较短。这些缺点使它慢慢不能达到现代使用要求;除此之外,废旧电池包含有害物质,如果不进行适当的处理会影响环境卫生。所以,关于压电发电技术和能量转换存储技术的研究逐渐受到人们的广泛关注。 随着无线电技术的飞速发展,大量的无线电传感器已经能够适用于各个领域当中。但在其能量供应领域,依然采取着传统的供能方式,即利用化学能电池作为主要的能量供应装置。虽然化学能电池以方便的特性被广泛使用,但是其材料浪费、环境污染、回收困难等问题也日益突出。当今,没有更好的替代产品来代替化学能电池,因此仍然大量地生产和使用,电池市场上化学能电池占据了几乎所有份额利用压电装置发电已经成为一个新的研究热点。日本科学家已将其率先应用到车票检票口的装置中。目前,压电材料能收集环境中的机械能并通过转换装置转换成电能的这一特性逐渐引起了国内外科学家的重视,尤其是国外的科学家,已经做了大量的实验,对压电材料的性能及用途有了更深入的研究。但是和传统的发电方式相比,压电发电技术正处于开发探索阶段,它涉及机械、材料、电子等诸多科学尚有大量的理论和试验研究 1

待解决。压电发电的基础研究工作主要是从压电陶瓷材料的特性以及影响其发电能力因素等方面展开的,有关这方面的研究以及试验已经在日本、美国、荷兰等国家取得了一定的成效,但我国有关压电发电方面的技术仍处于起步阶段。 人们在二十世纪末便注意到了化学能电池的缺点,并开始致力于新型环保电池的研制。至今,人们已经开发出了太阳能电池、燃料电池等新型电池来替代化学能电池。但这些新型电池在某些方面还远远不及化学能电池,比如说体积、重量、可移动性等。同时,在某些特殊的应用领域中,人们开始寻求电池的另一种替代品-人力发电装置,其目的是通过收集来自外界的振动能量来替代化学能电池。人力发电主要分为手摇发电、温差发电、摩擦发电、压电发电、静电式发电等方式。当今所涉及到的人力发电项目一般为手摇式发电。其发电量相当于普通的电池,配以不同储能的机械发条或者可充电电池,就可以替代相应的普通一次性电池。在偏僻地方或野外无源的环境中,携带手摇式发电装置为收音机、手机以及其它信号发生系统充电便显得很方便,同时这也增加了能量供应可选择性和可靠性。其缺点是手摇式发电装置体积大、携带不便、能量转换效率低等。随着科学技术的发展,各种新的便携式发电装置的研究将成为一个新的研究热点,其目的是在某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电。利用每一种发电原理构造的发电装置都有其自身的特点和使用领域,压电发电装置的优点在于结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等,因此适用范围更广。众所周知,压电材料在外力作用下可以产生电荷(或电压),所产生的电能可以被直接利用制作电子打火机、煤气点火器等,但将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源的研究近年来刚刚开始。1996 年,荷兰的 Thad Starner 等利用压电陶瓷收集“开、合”笔记本电脑的运动能量,用以驱动笔记本电脑,自此开创了压电发电与能量存储技术这一研究领域。 发电装置可以分为以下两种:一是利用发电机转动,发电装置透过电磁感 应来发电的方式,主要有火力发电、水力发电、风力发电、内燃机发电等;二 是利用化学反应发电的方式,主要有燃料电池发电、太阳能发电、垃圾发电、 细菌发电等。和以往的发电装置相比,压电发电技术是一个新的研究领域。压电陶瓷在外力的作用下能够产生电荷,当所生成的电荷量较大时,可用来构造压电发电 装置或直接为电子器件提供动力供应。利用人的肢体运动激励压电陶瓷发电这 种方法是可行的,压电鞋的研究结果已经证实了这一点。此外,还可以利用环境中的 2

振动和冲击来激励压电振子进行弯曲振动,完成机械能到电能的转化,初步试验证明了这一点。当利用直径为 5 毫米的钢球冲击压电振子(尺寸为10×50×0.2mm3)时,所产生的电能可同时点亮 40 只二极管,这说明利用压电振子收集环境中的振动能量是可行的。当然,在压电振子发电装置的结构设计优化、提高能量转换效率方面可能有较大的困难,但这种发电方式易于实现体积的微小化和集成化,适用于不同的工作环境,其优点是显而易见的。以压电陶瓷为换能媒介的压电发电研究正处于开发探索阶段,它涉及机械、材料、电子等诸多学科,尚有大量的理论和试验研究需要解决。目前,有关利用压电陶瓷发电与相关的能量存储技术的研究在美国、荷兰、西班牙等许多国家相继开始,但国内尚未发现此方面的研究报道。在压电发电技术这一研 究领域,国外的科学家们尝试了多种压电陶瓷发电方式,较成熟的主要有以下几种方式。 1. 惯性自由振动式发电方式 悬臂梁式压电振子的自由端附有集中质量块,构成弹簧质量系统,如图 1-1 所示。当此振动系统受到外界激励时,压电振子自由端上下自由振动,压电振子 发生弯曲变形产生电量。惯性自由振动方式发电能力较弱,但具有较长的振动持续时间。惯性自由振动发电方式的电流特性如图 1-2 所示,主要应用于扬声器等产品中。 1—压电晶片 2—基板 3—质量块 4—外界激励 图 1-1 惯性自由振动式发电方式 图 1-2 惯性自由振动发电方式的电流-时间图像 2. 冲击自由振动式发电方式 如图 1-3 所示,压电振子以自由方式支撑,金属球撞击压电振子,使之产生弯曲振动,产生电量。冲击自由振动方式发电时间短,但能产生瞬间大电流,点亮数十个mW 级的发光二极管。冲击自由振动发电方式的电流特性如图 1-4所示。冲击自由振动发电方式主要应用于玩具、公路隧道视线导航标识等产品中。 3