振動能量收集系統的輸出功率優化設計與分析

許冠華,趙新龍

(浙江理工大學信息科學與工程學院,浙江 杭州 310018)

振動能量收集技術是將自然界中的或人為產生的機械振動能轉換成可用的電能的過程,常用的技術有電磁式、靜電式與壓電式[1-4]。其中,壓電式振動能量收集技術具有比其他二者更大的能量密度[5],兼有綠色無污染、結構簡單等特點[6-7]。近年來,無線傳感器網絡對小規模、便攜式和可再生能源提出了更大的需求[8-10],研究人員們期望用壓電振動能量收集技術來取代日漸暴露出更多問題的傳統電化學電池[11-12],以延長無線傳感器的使用壽命[13]。如何進一步提升用來俘獲振動能量的壓電能量收集器(Piezoelectric Energy Harvester,PEH)的機電轉換效率,成為了一個亟待研究人員們解決的問題。

為了提升PEH的轉換效率,Shad Roundy等[14]發現當懸臂梁的形狀由矩形向三角形靠攏時,懸臂梁軸向的應力分布會更加均勻,但由于三角形懸臂梁末端無法連接質量塊,故提出利用梯形懸臂梁來代替傳統矩形懸臂梁以提升能量轉換效率。Hai Wang等[15]設計了一個具有六段折疊梯形梁結構的PEH,該結構具有更低的諧振頻率和距離更近的諧振峰,從而具有更好的電學輸出特性,但該PEH的體積太大,不適合用于微小無線傳感器中,且當振動頻率大時,各段梯形梁容易發生碰撞。Pradeesh等[6]則探究了壓電材料與質量塊在懸臂梁上不同的放置方式與放置位置對PEH輸出特性的影響,結果表明在質量塊的質量不變時,質量塊的材料與體積對PEH的輸出功率與諧振頻率無顯著影響。……