層疊式三片串聯壓電俘能器的設計與實驗

孫振菊, 趙海霞, 劉 航, 史偉杰, 羅小輝

(1.青島科技大學機電工程學院, 山東青島 266061; 2.華中科技大學機械科學與工程學院, 湖北武漢 430074)

引言

壓電俘能技術將環(huán)境中的機械能或者生物的相關能量收集起來并且高效穩(wěn)定地輸出電能,為傳感器、檢測設備等微功率小型電子設備提供維持其運轉的能量,特別是在電池成本高昂或難以更換的應用中[1],已經成為當下國內外研究的熱點[2-3]。振動能作為目前研究比較廣泛的新能源之一,其能量轉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、能量密度高等特點被廣泛研究推廣[7]。

目前國內外研究學者們對于液壓壓電俘能器的研究重點為盡可能多地收集能量,且能夠穩(wěn)定地轉化為電能,使設備實現穩(wěn)定運行,例如ARANDA J J等[8]研發(fā)出壓電俘能器與傳感器結合,端到端的自供電型傳感器,其能量采集器利用聲學諧振器、壓電疊堆和接口電路將液壓系統(tǒng)中的壓力波動轉化為電能,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)壓電振動俘能系統(tǒng),此俘能系統(tǒng)利用力-電-磁多物理場耦合俘能,改變了傳統(tǒng)俘能器與環(huán)境振動的頻帶特性很難匹配的缺點,并且提高了在寬頻帶收集能量的效率。此外在壓電結構的連接方式等方面,一些研究人員提出了將壓電俘能器進行串聯組成俘能陣列來更多的俘獲能量,但俘能效果并不理想[11-13]。壓電懸臂梁的研究也在一直進行,優(yōu)化懸臂梁結構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狀,本研究提出了一種層疊式三片串聯壓電俘能器結構,并對其開展了實驗研究,分析了靜態(tài)壓力、脈動頻率以及負載電阻對俘能特性的影響,為以后研發(fā)本類壓電能源設備奠定了基礎。

1 壓電俘能器原理及實驗設計

1.1 壓電俘能器結構

本實驗設計的基于水液壓系統(tǒng)的層疊式三片串聯壓電俘能器,壓電材料為PZT-5H,通過水液壓系統(tǒng)中的水壓脈動使壓電陶瓷發(fā)生形變,使壓電陶瓷片通過正壓電效應產生電能。圖1為本實驗設計的壓電俘能器結構,主要由外殼、密封壓蓋、O形圈、壓電陶瓷片、絕緣底盤、緩沖環(huán)、緩沖塊、頂部壓環(huán)、中間壓環(huán)、底部壓環(huán)等構成。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極短路,緩沖環(huán)和密封壓蓋中都設置有接引線的通道,外殼與緩沖環(huán)中都設計有進出水的通道。壓電陶瓷片由壓電陶瓷和金屬的振動薄片構成,其中壓電陶瓷直徑為 25 mm,厚度為0.2 mm;金屬振動片直徑為50 mm,厚度為0.2 mm。絕緣底盤的上下方都設計了用以放置O形密封圈的凹槽。本實驗設計的俘能器其絕緣底盤、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與各個環(huán)之間,因此液壓系統(tǒng)中泵出的水在第一時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生形變,在結構上,本研究的俘能器最下層壓電陶瓷片貼有防水薄膜,水液通過進液口會先進入到圖1a中所示的預留的小型儲液腔內,進而提高俘能效率。在儲液腔內部水液壓力不斷變化,使壓電陶瓷產生形變,由于壓電陶瓷的正壓電效應,如圖2所示,會有大量的正、負電荷溢出至壓電陶瓷的兩端,產生極化現象,生成電能。

1.外殼 2.絕緣底盤 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 正壓電效應示意圖Fig.2 Schematic diagramof positive piezoelectric effect

1.2 實驗測試系統(tǒng)

圖3為本次實驗系統(tǒng)的原理圖,主要包括變頻器、水箱、流量計、節(jié)流閥、壓力表、示波器、電動機、柱塞泵、安全閥、電阻調節(jié)箱、數據收集卡、壓力傳感器和壓電俘能器等。變頻器可以調節(jié)電動機的轉速進而可以控制柱塞泵的轉速,同時變頻器也是管路水流壓力脈動頻率的調節(jié)器。柱塞泵中的柱塞為3個,其排量為15 mL/r。管路中的水流壓力通過節(jié)流閥來調節(jié)。壓力傳感器可以記錄下管路水流產生的瞬態(tài)壓力,并通過數據收集卡傳送到電腦進行實時顯示, 其中壓力傳感器的量程為10 MPa,測量精度為0.1%。通過普源DS1104Z示波器采集電壓信號。

圖3 實驗系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of experimental system

2 俘能特性分析

通過變頻器調節(jié)壓力脈動頻率為50 Hz與100 Hz,在兩種脈動頻率下研究了靜態(tài)壓力為0.5～3 MPa、負載電阻為1～1000 kΩ時層疊式三片串聯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

本實驗中柱塞泵的運行是依靠柱塞桿往復運動,使容腔產生周期性變化來輸送液體,由于排液腔容積的變化,其輸出流量表現為呈周期性變化的壓力,但大小基本維持在一個值上下波動。為更深入說明壓電俘能特性,在外接電阻50 kΩ,壓力2 MPa,頻率為100 Hz時,本實驗以實測壓力為邊界輸入條件,進行仿真后形變如圖4所示,其中截取的各片形變云圖從左至右依次為中點、波峰以及波谷,與實驗波形規(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個壓力波形取的壓力分別為1, 2, 3 MPa,其周期性變化的波動較為明顯,但50 Hz的周期性明顯不如100 Hz時穩(wěn)定。

圖4 壓電陶瓷片形變云圖Fig.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,俘能器輸出的瞬態(tài)電壓也呈現周期性波動,圖6為電阻在200 kΩ時不同靜態(tài)壓力下兩個頻率的瞬態(tài)電壓U對比圖,脈動頻率的增加,使壓電片受力形變頻率提高,溢出的電荷數量也會增加,100 Hz時瞬態(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)電壓整體也是呈現增大的趨勢,但相對來說靜態(tài)壓力的影響比脈動頻率小。

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

為比較本實驗中的兩種頻率f,分析每種頻率的波動情況,對其進行了頻譜分析,由于泵的理論和結構,其在低頻連續(xù)工作時管路流體壓力很難保持較為穩(wěn)定的波動,圖7中50 Hz的頻譜分析中其頻率波動較為分散,100 Hz的頻譜較為集中,與圖5中兩頻率瞬態(tài)壓力的周期性波動情況相同,100 Hz時相對穩(wěn)定,且50 Hz時的振幅要小于100 Hz,也進一步解釋了圖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

為進一步研究負載電阻對俘能器俘能特性的影響,對兩個頻率下不同電阻的瞬態(tài)電壓進行了分析,靜態(tài)壓力與脈動頻率相同的情況下,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上一個周期內所做的功與直流電壓U在電阻R上同時間內做的功相等,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每片壓電陶瓷以及不同壓電陶瓷片數組合的均方根電壓,隨著壓電陶瓷片的增加,雖然水壓力在傳導過程中會有損失,但三片串聯所俘獲的電荷量是大于單片的,三片串聯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,電阻的變化對均方根電壓的影響,與圖8瞬態(tài)電壓波動一致,整體呈現逐漸增大的趨勢,且較為明顯的是在電阻大于700 kΩ之后,均方根電壓開始在某一數值上下平穩(wěn)的波動,此時由于兩極間的負載電阻比壓電陶瓷的內阻大得多而導致負載電路處于開路狀態(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關鍵數據[17],圖11為平均功率隨負載電阻變化的曲線圖,隨著負載電阻的逐漸變大,兩種頻率以及不同靜態(tài)壓力的平均功率的總體走勢都是先增大后減小,換言之,在各個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,平均功率總體上會隨著壓力的提高而增大,在100 Hz情況下此現象更為明顯,如負載電阻為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,頻率的提高會使平均功率有著顯著的增大,同樣在負載電阻為100 kΩ時,頻率為50 Hz的平均功率依次為12.99, 18.49, 22.5 μW,對比上述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,俘能器最佳電阻大致在200～300 kΩ 之間,而頻率為100 Hz時,其最佳電阻大致為100 kΩ,即可適應不同工作條件,在本次實驗中頻率為100 Hz,壓力為3 MPa時,100 kΩ處的輸出的平均功率最大可達368.45 μW。

圖11 不同負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)的層疊式三片串聯壓電俘能器,分析了靜態(tài)壓力、脈動頻率及負載電阻對俘能特性的影響,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,脈動頻率較高時的輸出電壓大于頻率較低的輸出電壓。隨著負載電阻的增加,輸出電壓明顯增大,在1～400 kΩ內漲幅尤為明顯,而400～1000 kΩ之間逐漸趨于平緩,且電阻相同的情況下,頻率較高時的輸出電壓明顯大于頻率較低的輸出電壓。

(2) 不同脈動頻率下使壓電俘能器達到最佳功率的負載電阻不同,在50 Hz時俘能器負載電阻在300～400 kΩ之間時輸出功率達到最大,而100 Hz時俘能器輸出最大功率的負載電阻為100 kΩ左右,整體來說高頻時俘能器工作更穩(wěn)定,該壓電俘能器可根據負載電阻以及頻率的不同在不同場合中工作。